KR20160125187A - 모터 구동시 최대 토크에 따른 제어법 - Google Patents

Abstract

교류 전원을 정류하는 정류기; 상기 정류기의 출력단자와 연결되고 모터의 구동에 필요한 3 상의 전압 및 주파수를 조절하는 인버터; 상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 검출기; 상기 검출기로부터 검출된 회전자의 위치에 따라 제어신호를 출력하되, 상기 검출되는 회전자의 위치에 따른 위상 각을 기준으로 주기적으로 반복되는 전압 스위칭 패턴을 포함하고, 상기 스위칭 패턴은 전압치가 서로 다른 복수의 전압 파형을 포함하는 제어신호 출력기; 및 상기 제어신호 출력기와 상기 인버터 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 제어신호에 따라 상기 인버터를 구동하기 위한 신호를 상기 인버터로 출력하는 인버터 구동기;를 포함하여 구성되는 모터 제어장치가 소개된다.

Description

모터 구동시 최대 토크에 따른 제어법 {Maximum Torque Control Method for Mortor}

본 발명은 모터의 효율향상을 위한 방법으로서 모터제어에서 인가되는 전압의 스위칭패턴을 달리하여 전류의 양을 효율적으로 사용하여 모터의 효율을 상승시키는 방법에 관한 것이다.

이하의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 기술의 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

BLDC 모터는 회전자에 권선 대신 영구자석을 장착하여 기존의 일반모터에 비해 관성 대 토크의 비율이 높고, 브러쉬가 없어 유지 보수가 용이하고 높은 효율, 작은 크기로 인하여 가전제품, 자동차등 다양한 사업분야에 적용되어 사용되고 있다.

또한, 종래의 BLDC 모터의 제어시 전류 리플을 감소시키는 방식, 예를들면 진상 각 제어와 같은 방식을 통하여 모터를 제어하였다.

종래의 BLDC 모터의 제어는 전압과 위상차에 따라 발생하는 전류 리플이 발생하여 모터의 소음, 진동 등으로 발생하고 전압과 전류, 모터의 토크의 위상차에 따라 최대토크구간이 아닌 모터의 토크가 하강하는 부분에 최대 전류가 인가됨으로 BLDC 모터의 효율에 문제점이 존재 하였다.

본 기술은 모터에 전압 인가시 인가되는 전류와 모터의 토크 위상차에 따른 모터의 비효율이 발생하는바, 모터 효율의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서 회전자의 회전되는 위치를 검출하는 단자전압 검출기로부터 위치신호를 받고, 이러한 신호를 받은 제어신호출력기가 인버터 구동기에 스위칭 패턴을 주되 상기 제어신호출력기가 스위칭 패턴을 달리하여 모터의 최대 토크구간에 더욱더 큰 전류를 인가하여 모터의 효율을 증대시키는데 목적이 있다.

본 기술이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

교류 전원을 정류하는 정류기; 상기 정류기의 출력단자와 연결되고 모터의 구동에 필요한 3 상의 전압 및 주파수를 조절하는 인버터; 상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 검출기; 상기 검출기로부터 검출된 회전자의 위치에 따라 제어신호를 출력하되, 상기 검출되는 회전자의 위치에 따른 위상 각을 기준으로 주기적으로 반복되는 전압 스위칭 패턴을 포함하고, 상기 스위칭 패턴은 전압 치가 서로 다른 복수의 전압 파형을 포함하는 제어신호 출력기; 및 상기 제어신호 출력기와 상기 인버터 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 제어신호에 따라 상기 인버터를 구동하기 위한 신호를 상기 인버터로 출력하는 인버터 구동기;를 포함하여 구성되는 모터 제어장치이다.

본 발명의 경우 상기 스위칭 패턴은, 상기 모터 출력토크의 최대 토크 점을 기준으로, 상기 최대 토크점 앞에서 제1 전압치를 가지는 제1 전압 파형과 상기 최대 토크점 뒤에서 상기 제1 전압치보다 작은 제2 전압치를 가지는 제2 전압 파형을 포함할 수 있다.

본 발명의 경우 스위칭 패턴에 있어서, 검출기에 의해 검출되는 회전자의 위상 각을 기준으로 30도 내지 60도 구간에 제1 전압 파형을 가지고, 60도 내지 90도 구간에 제2 전압 파형을 가지는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 경우 스위칭 패턴에 있어서, 제1 전압 파형과 상기 제2 전압 파형을 90도 내지 150도 사이에서 상기 제1 전압 파형과 동일한 파형을 90도 내지 120도 사이에 상기 제2 전압 파형을 120도 내지 150도 내에서 가지는 것을 특징을 포함할 수 있다.

복수의 고정장치와 상기 고정장치에 권선된 3 상 코일을 포함하는 고정자; 상기 고정자와 설정된 간격을 두고 회전 가능하게 배치되며, 상기 복수의 고정장치에 대응하는 복수의 자석을 포함하는 회전자; 내부에 상기 고정자가 고정 설치되며, 상기 회전자가 회전 가능하게 설치되는 하우징; 상기 모터가 회전시 모터의 회전자 위치를 검출하는 단자 전압 검출기; 및 상기 단자전압 검출기로부터 검출된 회전자의 위치에 따라 상기 3상 코일로 전압을 인가하기 위한 제어신호를 출력하되, 상기 검출기에 의해 검출되는 회전자의 위치에 따라 주기적으로 반복하여 입력하는 전압 스위칭 패턴을 포함하고, 상기 스위칭 패턴은 전압치가 서로 다른 복수의 전압파형을 포함하는 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터로 구성되어 있다.

본 발명의 모터의 경우 스위칭 패턴은, 상기 모터 출력토크의 최대 토크점을 기준으로, 상기 최대 토크점 앞에서 제1 전압치를 가지는 제1 전압 파형과 상기 최대 토크점 뒤에서 상기 제1 전압치보다 작은 제2 전압치를 가지는 제2 전압 파형을 포함할 수 있다.

본 발명의 모터의 경우 스위칭패턴은, 상기 검출기에 의해 검출되는 회전자의 위상 각을 기준으로 30도 내지 60도 구간에 제1 전압 파형을 가지고, 60도 내지 90도 구간에 제2 전압 파형을 가지는 것을 특징으로 하는 모터를 포함할 수 있다.

본 발명의 모터의 경우 스위칭 패턴은, 제1 전압 파형과 상기 제2 전압 파형을 90도 내지 150도 사이에서 상기 제1 전압 파형과 동일한 파형을 90도 내지 120도 사이에 상기 제2 전압 파형을 120도 내지 150도 내에서 가지는 것을 특징을 포함 할 수 있다.

교류전원을 정류하는 정류기; 상기 정류기의 출력단자와 연결되고 모터의 구동에 필요한 3 상의 전압 및 주파수를 조절하는 인버터; 상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 검출기; 상기 검출기로부터 검출된 회전자의 위치에 따라 제어신호를 출력하되, 상기 제어신호는 상기 검출기에 검출되는 회전자의 위상 각에 따라 주기적으로 반복되는 전압 스위칭 패턴을 포함하고, 한 주기 내에서의 상기 스위칭 패턴은 상기 3 상 코일에 인가되는 전류파형이 최대토크점에서 사각파형이 되도록 앞부분의 전압치가 뒷부분의 전압치보다 큰 스위칭 패턴을 입력하는 제어신호 출력기; 및 상기 제어신호 출력기와 상기 인버터 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 제어신호에 따라 상기 인버터를 구동하기 위한 신호를 상기 인버터로 출력하는 인버터 구동기;를 포함하여 구성되는 모터 제어장치로 구성되어 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 모터 제어장치, 모터에서 제어 신호 출력기가 인버터 구동기에 출력하는 스위칭 패턴에 따라 모터에 인가되는 전류를 상승시켜 상기 모터의 효율을 상승 시킬수있다.

도 1은 모터의 제어장치에 대한 도면이다.
도 2 (a)는 종래의 모터의 제어방법, 도 2 (b)는 본 발명에 따른 모터의 제어방법이다.
도 3 (a)는 BLDC 모터의 전류파형, 도 3 (b)는 도3 (a)의 1_1의 전류구간, 도 3 (c)는 도 1 (a)의 1_2,1_3 구간의 전류구간이다.
도 4 (a)는 BLDC 모터의 유한요소해석 모델, (b)는 각 모드 별 최대토크지점이다.
도 5는 도 4의 (a)의 Sector 1에 대한 회전자속과 고정자 자속의 벡터도 이다.
도 6은 종래의 모터제어방식에 따른 전류량과 본 발명이 적용된 모터제어방식의 전류량의 비교 도이다.
도 7은 모터의 토크에 대한 그래프이다.
도 8 (a)는 BLDC 모터의 드라이브의 실험 시스템 구성, (b)는 실험에 따른 결과로 무부하 구동 시 상전류의 파형, (c)는 부하 구동시 상전류의 파형이다.
도 9 (a)는 모터의 기존 구동 방식의 S-T특성 곡선, (b)는 제안된 구동방식의 S-T특성 곡선이다.
도 10은 종래 구동 방식의 효율 및 제안된 구동 방식의 효율 곡선의 비교도 이다.

이하, 본 기술의 일 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 그러나 이는 본 기술의 범위를 한정하려고 의도된 것은 아니다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 기술을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 기술의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 기술의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 기술의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

본 기술은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 기술의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 기술이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

모터 구동에 제안된 방식은 기존의 IPM의 최대토크 운전 방식에서 착안하여 SPM의 구형파 운전방식에 최대토크 운전을 접목시켜 기존 SPM의 운전방식과는 달리 최대 토크지점에 인가되는 유효전압을 상승시켜 기존의 방식과 같은 전류의 양을 효율적으로 사용하는데 그 목적이 있다.

BLDC 모터는 회전자에 권선대신 영구자석을 장착하여 기존의 일반 DC 모터에 비해 관성 대 토크의 비율이 높으며 브러시가 없으므로 유지, 보수가 용이하고 브러시와 정류자편의 마찰에 의해 발생하는 스파크나 분진 및 가청 잡음이 적어 사용 환경에 제약을 받지 않는 장점을 가지고 있다. 때문에 높은 효율과 작은 크기 등의 장점으로 가전제품, 자동차, 산업 자동화 등의 다양한 분야에 적용되면서 기존의 브러시 타입 DC 전동기 및 유도 전동기의 대안으로 급속히 성장하고 있다.

BLDC 모터의 경우 복수의 코일을 권선할 수 있는 고정장치가 회전자와 설정된 간격을 두고 일정한 간격으로 고정자의 내부 또는 외부에 고정자를 둘레로 존재하며, 상기 고정장치의 경우 권선된 코일이 있으며 이 코일의 경우 모터의 제어를 위한 3상 회로와 연결되어 있어서 전류의 흐름에 따라 고정자에 연결된 코일에 각각 N,S극을 발생하게 된다. 회전자란 상기 고정자에 설정된 간격을 두고 회전이 가능하게 배치되어 있으며 복수에 고정장치에 대응하게 복수의 영구자석을 가지고 어느 한극이 적어도 N극이 되도록 설정되어 있고 반대극은 S극을 가지며, 상기 고정자의 코일에 전류가 인가되는 경우 발생하는 극과 인력 및 척력에 따라 회전을 하게 되어 모터에 인가되는 전류를 외부의 동력으로 변환하게 해준다.

하우징이란 모터의 외부를 구성하며 상기 고정자의 일측에 고정되어 있으며 내부에 고정자 및 회전자가 존재하는 공간이 존재하며 또한 회전자가 회전이 가능할 수 있도록 내부에 회전이 가능하도록 설정된 공간으로 구성되어 있다.

모터의 외형의 경우 상기 복수의 고정장치를 갖는 고정자와, 상기 고정자에 설정된 간격을 두고 복수의 자석을 갖는 회전자, 및 상기 고정자와 상기 회전자의 외부에 존재하는 하우징으로 구성되어 있다.

도 1의 경우 모터의 제어장치를 나타낸 도 이다.

정류기(10)란 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변경하여 인버터(11)에 전원 신호를 출력해 주는 장치를 말한다.

인버터(11)란 상기 정류기에 직류의 전원을 공급받고 BLDC 모터의 구동에 필요한 펄스형태의 3 상의 교류 전원을 공급하여 모터의 코일에 연결되어서 모터의 코일에 전류의 흐름에 따라 극성이 변경되도록 모터의 회로를 스위칭하는 장치이다.

검출기(13)란 상기 인버터의 신호에 따라 모터가 회전되는 경우 모터의 회전자의 위치를 검출하는 장치를 말한다. 모터의 경우 회전자를 검출하는 방식은 홀센서가 부착되어서 홀센서를 통하여 회전자의 위치를 검출하는 방법과 이러한 홀센서가 존재하지 않은 센서리스 타입이 존재한다.

센서리스 타입의 경우 3상 코일에 인가 되어 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자의 위치를 검출하는데 도 1에 도시된바와 같이 인버터의 스위칭에 따라 3상 코일에 전류가 인가되는 코일에 검출기가 연결되어 있다. 모터의 경우 3상 2여자 방식으로 구동되게 되는데 예를들어 설명하면 도 1의 UVW상(12) 중 UV만이 여자가 되고 W의 경우 비여자가 되게 된다. 상기 비여자된 W상의 역기전력이 0과 교차되는 위치 ZCP(Zero Crossing Point)를 감지하고 ZCP에서 전기각으로 30도 지연된 시점에서 상을 전환하게 된다. 상기 방식에 따라 센서리스 BLDC 모터의 경우에도 회전자의 역기전력을 검출하여 회전자의 위치를 검출할 수 있다. .

제어 신호 출력기(14)란 인버터 구동부(15)에 제어신호를 주는 장치로서 상기 검출기에 따라 출력되는 회전자의 위치에 따라 전압의 스위칭 패턴을 입력하는 장치이다. 예를 들어 설명하면 도 2 (a)에서 센서리스 타입의 경우 상기 ZCP를 검출기가 검출하여 사다리꼴의 파형으로 역기전력을 검출하여 회전자의 위치를 나타낸다. 이 경우 제어 신호 출력기는 모터를 제어하기 위하여 30도 내지 150도 사이에 전압의 스위칭패턴을 입력하여 전압을 인가 모터를 제어하게 된다. 인버터 구동기(15)는 인버터(11)와 제어 신호 출력기(14) 사이에 존재하여서 제어 신호 출력기(14)의 신호를 받아 인버터(15)에 게이트 신호를 출력하면 상기 게이트 신호에 따라 인버터(11)의 각각의 스위칭이 조작하여 모터가 구동되도록 한다.

따라서 모터 제어장치의 경우 교류 전원을 정류하는 정류기(10); 상기 정류기(10)의 출력단자와 연결되고 모터의 구동에 필요한 3 상의 전압 및 주파수를 조절하는 인버터(11); 상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 검출기(13); 상기 검출기로부터 검출된 회전자의 위치에 따라 제어신호를 출력하되, 상기 검출되는 회전자의 위치에 따른 위상 각을 기준으로 주기적으로 반복되는 스위칭 패턴을 입력하는 제어신호 출력기(14); 및 상기 제어신호 출력기(14)와 상기 인버터(11) 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 제어신호에 따라 상기 인버터(11)를 구동하기 위한 신호를 상기 인버터로 출력하는 인버터 구동기(15);로 구성된다.

도 2 (a)는 종래의 전압 스위칭 패턴, 도 2 (b)는 본 발명인 최대 토크 운행법에 따라 인가되는 전압의 스위칭패턴을 나타낸 것이다.

모터의 제어 신호 출력기가 회전자 위치에 따라 전압의 패턴을 입력하는 경우 종래의 경우는 30도 내지 150도 구간, 즉 120도 구간 동안 일정한 전압을 두었었다. 이러한 전압패턴으로 모터 제어가 가능하나 상기 전압패턴에 의할 경우 도 6에서 도시된 바와 같이 60도인 최대 토크점에서 전류의 흐름이 적었으며 약 90도 내지 약 150도 부근에 전류 리플이 발생하여 모터의 회동시 효율에 영향을 미치지 않는 진동, 소음이 발생하게 되었다.

따라서 종래에는 전류 리플을 감소시키는 방식으로 연구가 되었으나 본 발명의 경우 전류 리플 감소가 아닌 최대 토크에 맞춰서 인가되는 전압패턴을 달리하여서 모터의 최대 토크 지점에 인가되는 전류를 증가시켜서 모터의 효율을 상승시키는 방식으로 모터를 제어하는 방식을 발명하였다.

도 2 (b)에 따라 본 발명을 구체적으로 살펴보면 제어 신호 출력기에 의한 전압 스위칭 패턴을 달리하는 전압패턴을 인가하는 것이다. 도 2 에서 도시된 바와 같이 회전자의 위치를 검출하는 방식은 종래의 방식과 동일한 방식으로 회전자의 위치를 검출한다.

도 2에서 도시된 바와 같이 120도를 30도 간격으로 나누어서 30도 내지 60도, 60도 내지 90도, 90도 내지 120도, 120도 내지 150도로 구분하고 각각 30도 내지 60도, 90도 내지 120도를 A 구간 60도 내지 90도, 120도 내지 150도를 B 구간이라고 임의로 구분하고 각 구간에 전압 스위칭 패턴을 입력한다.

스위칭 패턴의 경우 검출기에 따라 입력되는 검출되는 회전자의 위치의 위상 각을 기준으로 반복적, 주기적으로 복수의 파형을 입력한다. 상기 복수의 파형의 경우 전압치가 각각 다르다. 2개의 전압 파형을 가지며 이를 제1 전압 파형(200)과 제 2전압 파형(300)으로 명명한다. 제1 전압 파형(200)의 경우 제2 전압 파형(300) 보다 전압치가 더 높은 특징이 있다.

상기 스위칭 패턴을 30도 내지 60도, 90도 내지 120도 구간(A구간)에 제1 파형(200)을 60도 내지 90도 120도 내지 150도 구간에 제2 전압 파형(300)을 입력한다. 각 30도 내지 60도, 90도 내지 120도 구간에 입력하는 전압 파형은 제1 전압 파형(200)이며 전압의 크기는 동일하며, 60도 내지 90도, 120도 내지 150도 구간에 입력하는 제2 전압 파형(300)이며 이 또한 크기는 동일하다.

제1 전압 파형(200)은 전압 파형이 단절되지 않고 연속되며 이는 제2 전압 파형(300)도 동일하다. 또한 제1 전압 파형(200)과 제2 전압 파형(300)은 연속되어서 입력된다. 예를들면 도 2 (b)에 의하면 제1 전압 파형(200) 제2 전압 파형(300)이 입력되고 다시 제1 전압 파형(200), 제2 전압 파형(300)이 30도 구간을 기준으로 연속돼서 입력되는 형식이다.

또한 검출기에 의해 검출되는 회전자의 위치에 따라 전압 스위칭패턴을 주기적, 반복적으로 입력하는 방식이다.

상기의 전압 스위칭 패턴을 달리하여 입력한 발명의 전류의 흐름을 도 6을 통해 살펴보면, 도 6의 종래의 전류의 흐름의 경우 30도에서 60도 사이에 완만한 기울기를 형성하여 전류가 흐르고 이후 전압을 지속적으로 입력함에 따라 90도 구간까지 전류량이 계속 상승하여 90도를 기준으로 전류 리플 구간이 발생하며, 다시 120도 부근까지 전류량이 감소하다가 120도 부근에서 다시 전류가 상승하여 150도 부근에서 다시 전류 리플이 발생하며 이에 따라 전압 스위칭이 되지 않는 150도를 기준으로 전류량이 급격히 감소하게 된다.

종래의 경우 도 6과 같이 전류량이 최대 토크 지점인 60도인 부근에서 다수의 전류량이 발생되지 않고 토크가 하강되는 지점에서 전류가 발생하였다.

본 발명인 전압 스위칭 패턴을 달리하여 전압을 인가한 경우를 살펴보면 제 1전압파형을 30도 내지 60도 사이에서 인가한 결과 30도 내지 60도 부근에서 급격한 기울기를 형성하여서 전류량이 60도 부근까지 증가 된 상태로 흐르고, 60도 부분에 기존보다 더 많은 전류가 흐르게 된다. 이에 따라 최대 토크점인 60도를 기준으로 사각형의 전류 파형이 발생하게 된다. 60도 내지 90도에 제2 전압 파형을 입력하므로 전류는 단절되지 않고 계속 인가되며 90도 부근에서 전류 리플이 종래의 전류리플보다 낮은 구간에서 형성되었으며 뒤이어 90도 내지 120도 구간에 제1 전압 파형 120도 내지 150도 구간에 제2 전압 파형이 연속하여 입력됨으로 전류의 흐름은 단절되지 않고 계속되는 전류를 인가된다.

상기의 본 발명의 스위칭 패턴에 따라 전류를 인가하는 경우 30도 내지 60도 구간에 더 많은 전류량이 흐리게 되어 모터의 최대 토크 구간에 더 많은 전류가 인가되어 효율이 상승하고 또한 최대 토크 구간을 지나서 90도 부근에 형성되는 전류 리플구간, 150도 구간에 형성되는 전류 리플 구간이 낮아져서 모터의 효율이 상승되도록 전류가 흐름을 알 수 있다.

도면 3의 경우 도면 3 (a)는 모터의 전류 파형을 나타낸 것이며, 그림 3 (b)는 도면 3 (a)의 1-1의 구간의 회로도를, 도 3 (c)의 경우 도 3 (a)의 1-2 및 1-3의 회로도를 나타낸 것이다.

모터의 최대 토크 구간을 전기 각에 따라 검출하려면 하기와 같다.

도 3 (a)는 BLDC 모터 구동 시 Sector_1의 전류 파형을 나타내며 도 3 (b)는 1_1의 전류 흐름을 나타낸 회로도 도 3 (c)는 1_2,1_3의 전류 흐름을 나타낸 회로이다.

도 3 (b)를 수식적으로 분석하기 위해

과 θ ₁ 을 계산해야하며, 도 3 (b)로부터 1_1에서의 Path1과 Path2는 아래와 식 2, 3과 같이 나타낼 수 있다.

1_1

Path1

(2)

Path2

(3)

도면 3 (c)를 수식적으로 분석하기 위해

, θ ₁ 과 π/3를 계산해야하며, 도면 3 (c)로부터 1_2과 1_3의 Path1은 식 4, 5와 같이 나타낼 수 있다.

1_2

Path1

(4)

1_3

Path1

(5)

키르히호프 전류법칙 및 라플라스 변환을 통하여 각 구간별 식을 정리하면

1_1

Path1

(6)

Path2

(7)

1_2

Path1

(8)

1_3

Path1

(9)

와 같이 나타낼 수 있다.

C상 전류는 θ ₁ 에서 0이 되므로 θ ₁ 은 식 7로부터 아래와 같이 나타낼 수 있다.

(10)

.Sector_1에서 초기위치 δ는 30°이다.

도 4 (a)는 전동기의 유한요소 해석 모델, 도 4 (b)는 모드 별 최대토크지점이다.

도 4 (a) 는 BLDC 전동기의 FEM 모델이다.

BLDC 전동기의 유한요소 해석법을 통하여 각 구간의 최대토크지점을 도출한다. 해석을 위해 사용된 시뮬레이션 Tool은 Ansoft 社의 Maxwell v15를 사용하였다. 하기의 [표 1] 은 BLDC 전동기의 파라메터이다.

Parameter	Rating
DC_Link [V]	320
Phase resistance [Ω]	13.2
Number of Pole	6
Number of Slot	9
Rated Speed [rpm]	3500
Outer Diameter [mm]	60
Depth [mm]	15

각 구간별 토크 특성을 해석하기 위하여 BLDC 전동기의 일반적인 6구간으로 나누어 실제 모드별로 인가되는 전류의 흐름을 임의로 인가한 후 토크의 변화를 해석하였다. 해석 결과 Sector_1에서 기계 각으로 약 21°, 전기 각으로는 약 63°지점에서 최대 토크가 발생함을 도출 하였다. 또한 나머지 구간에서도 각 구간별로 60° 간격으로 최대 토크가 발생함을 그림 4 (b)과 같이 알 수 있다.

도 5는 자속 벡터도를 이용한 최대 토크 도출방안이다.

: 회전자 자속 벡터,

: A상 자속 벡터

: B상 자속 벡터

: A, B상 합성 자속 벡터 θ : 회전자 위치 각 δ : 초기 위치 : ω :회전자 각속도이다. 도 5 BLDC 모터 Sector_1의 회전자 자속과 고정자 자속의 벡터도를 나타내며 회전자의 회전방향은 반시계방향이다. BLDC 전동기 구동시 Sector_1에서의 최대 토크지점은 회전자 자속 벡터

와 A, B상 합성 자속 벡터

가 90°를 이루는 지점이 최대 토크지점이며 이때의 회전자 자속 벡터의 위치 각은 60°이다. 그림 8은 각 구간별 최대 토크지점의 벡터도이며, 구간별 60°간격으로 최대 토크지점이 발생함을 알 수 있다.

도 7은 상기 도 3,4 및 5에 따라 구하여진 토크의 값을 그래프로 나타낸 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이 최대 토크는 60도 구간에 발생되며 이러한 토크는 사인곡선의 형상으로 반복됨을 알 수 있다.

도 8 (a)는 BLDC 모터 실험 시스템 구성이며, 도 8 (b)는 무부하 구동시 상전류의 파형과 도 8 (c)는 부하 구동시 상전류 파형을 나타낸 것이다.

도 8 (a)의 실험의 구성은 BLDC 모터 Dynamo set, Data logger, 4ch_Oscilloscope로 구성되었다. 드라이브에 인가되는 전원은 단상 220[V]/60[Hz]를 입력하였고 Dynamo set과 Data logger를 통하여 BLDC 모터 드라이브의 부하테스트 및 기타 특성 실험을 실시했다.

이에 따라 도 8 (B)의 경우 기존 구동방식과 제안된 방식의의 무부하 구동 상전류 파형이며, 도 8 (c)은 기존 구동방식과 제안된 구동방식이 적용된 30[W] 부하 구동 상전류 파형이다.

도 9 (a)는 기존 구동방식의 S-T특성 곡선이며, 도 9 (b)는 제안된 방식이 적용된 구동방식의 S-T 특성 곡선이다. 부하토크를 단계별로 증가시켜가며 S-T곡선과 출력을 측정하였다. 측정결과 출력특성이 약 5[W]정도 향상된 결과를 나타내었다. S=Speed이며 T=Torque이다.

도 10은 기존 구동방식과 제안된 구동방식의 효율 곡선이다. Eff1은 기존의 구동방식의 효율곡선이며, Eff2는 제안된 구동방식의 효율곡선이다. 실험결과 Eff1은 최대 출력시 약 61[%]의 효율을 나타내며, Eff2는 최대 출력시 약 66[%]의 효율을 나타낸다. 도 10에 따라 기존구동방식에 비해 약 5[%]의 향상된 결과를 보임을 알 수 있다. EFF= Efficiency 이다.

10: 정류기 11: 인버터
12: 3 상 코일 13: 검출기
14: 제어 신호출력기 15: 인버터 구동기
100: 제1 전압 파형 200: 제2 전압 파형

Claims (9)

1. 교류 전원을 정류하는 정류기;
   상기 정류기의 출력단자와 연결되고 모터의 구동에 필요한 3 상의 전압 및 주파수를 조절하는 인버터;
   상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 검출기;
   상기 검출기로부터 검출된 회전자의 위치에 따라 제어신호를 출력하되, 상기 검출되는 회전자의 위치에 따른 위상 각을 기준으로 주기적으로 반복되는 전압 스위칭 패턴을 포함하고, 상기 스위칭 패턴은 전압치가 서로 다른 복수의 전압 파형을 포함하는 제어신호 출력기; 및
   상기 제어신호 출력기와 상기 인버터 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 제어신호에 따라 상기 인버터를 구동하기 위한 신호를 상기 인버터로 출력하는 인버터 구동기;
   를 포함하여 구성되는 모터 제어장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 패턴은, 상기 모터 출력 토크의 최대 토크점을 기준으로, 상기 최대 토크점 앞에서 제1 전압치를 가지는 제1 전압 파형과 상기 최대 토크점 뒤에서 상기 제1 전압치보다 작은 제2 전압치를 가지는 제2 전압 파형을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스위칭 패턴에 있어서, 검출기에 의해 검출되는 회전자의 위상각을 기준으로 30도 내지 60도 구간에 제1 전압 파형을 가지고, 60도 내지 90도 구간에 제2 전압파형을 가지는 것을 특징으로 하는 모터 제어장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 전압 파형과 상기 제2 전압 파형을 90도 내지 150도 사이에서 상기 제1 전압 파형과 동일한 파형을 90도 내지 120도 사이에 상기 제2 전압 형을 120도 내지 150도 내에서 가지는 것을 특징으로 하는 모터 제어장치
5. 복수의 고정장치와 상기 고정장치에 권선된 3상 코일을 포함하는 고정자;
   상기 고정자와 설정된 간격을 두고 회전 가능하게 배치되며, 상기 복수의 고정장치에 대응하는 복수의 자석을 포함하는 회전자;
   내부에 상기 고정자가 고정 설치되며, 상기 회전자가 회전 가능하게 설치되는 하우징;
   상기 모터가 회전시 모터의 회전자 위치를 검출하는 검출기; 및
   상기 검출기로부터 검출된 회전자의 위치에 따라 상기 3 상 코일로 전압을 인가하기 위한 제어신호를 출력하되, 상기 검출기에 의해 검출되는 회전자의 위치에 따라 주기적으로 반복하여 입력하는 전압 스위칭 패턴을 포함하고, 상기 스위칭 패턴은 전압치가 서로 다른 복수의 전압 파형을 포함하는 제어회로
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 스위칭 패턴은, 상기 모터 출력 토크의 최대 토크점을 기준으로, 상기 최대 토크점 앞에서 제1 전압치를 가지는 제1 전압 파형과 상기 최대 토크점 뒤에서 상기 제1 전압치보다 작은 제2 전압치를 가지는 제2 전압 파형을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 스위칭 패턴에 있어서, 상기 검출기에 의해 검출되는 회전자의 위상각을 기준으로 30도 내지 60도 구간에 제1 전압 파형을 가지고, 60도 내지 90도 구간에 제2 전압 파형을 가지는 것을 특징으로 하는 모터.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제1 전압 파형과 상기 제2 전압 파형을 90도 내지 150도 사이에서 상기 제1 전압 파형과 동일한 파형을 90도 내지 120도 사이에 상기 제2 전압 파형을 120도 내지 150도 내에서 가지는 것을 특징으로 하는 모터.
9. 교류전원을 정류하는 정류기;
   상기 정류기의 출력단자와 연결되고 모터의 구동에 필요한 3상의 전압 및 주파수를 조절하는 인버터;
   상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 검출기;
   상기 단자전압 검출기로부터 검출된 회전자의 위치에 따라 제어신호를 출력하되, 상기 제어신호는 상기 검출기에 검출되는 회전자의 위상 각에 따라 주기적으로 반복되는 전압 스위칭 패턴을 포함하고, 한 주기 내에서의 상기 스위칭 패턴은 상기 3 상 코일에 인가되는 전류 파형이 최대 토크점에서 사각파형이 되도록 앞부분의 전압치가 뒷부분의 전압치보다 큰 스위칭 패턴을 입력하는 제어신호 출력기; 및
   상기 제어신호 출력기와 상기 인버터 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 제어신호에 따라 상기 인버터를 구동하기 위한 신호를 상기 인버터로 출력하는 인버터 구동기;
   를 포함하여 구성되는 모터 제어장치.
   
   

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