KR20170071260A - 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20170071260A
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이규민
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Abstract

본 발명은 브러시(Brush)가 없는 직류(DC)형 센서리스 모터에서 회전자가 정지 상태에서 회전 동작을 시작하는 저속 구간에서도 역기전력을 검출하여 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있도록 하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템 및 방법이 개시된다.
개시된 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템은, 센서리스 모터의 고정자에 유도되는 역기전력(B-EMF) 전압을 검출하는 역기전력 검출부; 교류전원을 직류전원(Vdc)으로 변환하는 컨버터부; 상기 변환된 직류전원을 3상 교류전원으로 변환시켜 상기 센서리스 모터에 인가하는 인버터부; 및 상기 센서리스 모터의 오픈 루프(Open Loop) 동작 시에 저속 구간으로 인식하여 영교차점 기준전압을 Vdc/2 미만으로 설정하고, 상기 센서리스 모터의 클로즈 루프(Closed Loop) 동작 시에 영교차점 기준전압을 Vdc/2로 설정하며, 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 경우에 영교차점으로부터 일정한 위상 각도가 지난 지점을 상전환점으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환하는 제어부를 포함한다.

Description

센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템 및 방법{Method and system for detecting a position of low speed section in sensorless motor}
본 발명은 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 브러시(Brush)가 없는 직류(DC)형 센서리스 모터에서 회전자가 정지 상태에서 회전 동작을 시작하는 저속 구간에서도 고정자 권선에 유도되는 역기전력을 검출하여 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있도록 하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 브러시(Brush) 없이 전자적으로 정류를 수행하는 BLDC(Brushless Direct Current) 모터는 영구자석으로 된 회전자와, 전자석으로 된 그 외곽의 고정자를 구비한다. 고정자 권선에 교류전류를 흘려주면 회전자계가 발생하고 그 결과 회전자에 설치된 자석이 회전자계에 동기되어 회전하게 된다.
회전자의 자석과 고정자에서 형성되는 회전자계의 동기를 위해서는 회전자의 위치 검출이 요구되며, 이를 위해 하나 이상의 회전자 위치 검출 센서가 필요하다.
회전자 위치 검출 센서로는 홀 센서(Hall effect sensor)가 사용되는 경우가 많으나, 홀 센서는 쉽게 파손되거나, 온도 등의 외부 요인에 의해 고장 또는 오동작을 일으킬 수 있는 단점이 있다. 또한, 모터 구조에 따라 홀센서의 설치가 어려운 경우도 있다.
이러한 문제로 인해, 위치검출 센서 없이 모터를 구동하는 센서리스 제어 기법이 모색되었다. 센서리스 제어 기법으로는 여러 가지 방안이 제안되어 있으나, 그 중 120 통전 방식을 이용하고, 비통전 기간에 발생하는 영교차점(Zero-corssing point)을 감지하여 그로부터 회전자의 위치를 파악하는 방법이 주로 사용되고 있다. 영교차점은 역기전력(Back- Electro Motive Force)이 상승하거나 또는 하강하여 기준전압과 교차하는 순간을 의미한다.
그런데, 종래의 센서리스 모터에 있는 역기전력이 설정된 기준전압과 일치할 때 영교차(Zero Crossing)가 발생한 것으로 판단하지만, 회전자가 정지 상태에서 회전하기 시작하는 저속 구간, 즉 오픈 루프(Open Loop) 동작 시에는 역기전력의 크기가 작아서 정확한 모터 구동을 할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 모터의 구동 시작 구간, 즉 저속 구간에서도 영교차점을 검출하여 모터의 속도를 정확히 제어할 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2013-0090126호(공개일 : 2013년08월13일)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 브러시(Brush)가 없는 직류(DC)형 센서리스 모터에서 회전자가 정지 상태에서 회전 동작을 시작하는 저속 구간에서도 고정자 권선에 유도되는 역기전력을 검출하여 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있도록 하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템은, 센서리스 모터의 고정자에 유도되는 역기전력(B-EMF) 전압을 디지털 방식으로 검출하는 역기전력 검출부; 전원 입력단의 교류전원을 직류전원(Vdc)으로 변환하는 컨버터부; 상기 컨버터부에서 변환된 직류전원을 3상 교류전원으로 변환시켜 상기 센서리스 모터에 인가하는 인버터부; 및 상기 검출된 역기전력 전압에 근거해 상기 센서리스 모터의 오픈 루프(Open Loop) 동작 시에 저속 구간으로 인식하여 영교차점(Zero Crossing Point) 기준전압을 Vdc/2 미만으로 설정하고, 상기 센서리스 모터의 클로즈 루프(Closed Loop) 동작 시에 영교차점 기준전압을 Vdc/2로 설정하며, 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 경우에 상기 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식하고, 상기 영교차점으로부터 일정한 위상 각도가 지난 지점을 상전환점(Phase Commutation Point)으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2와 동일하거나 더 큰 경우에, 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식하고, 영교차점으로부터 30도가 지난 지점을 상전환점(Phase Commutation Point)으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 센서리스 모터의 회전자가 동작하기 전에 3상의 위치를 조정하여 정렬(alignment)하고, 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만인 경우에 영교차점 기준전압을 Vdc/2 미만으로 설정하고, 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만에서 설정된 영교차점 기준 전압이 되는 경우에 상기 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 전압이 상기 영교차점 기준전압과 동일한 지점에 해당하는 영교차점을 기준으로 제로 크로싱을 판별하여, 상기 센서리스 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 전압을 제어 신호를 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) 주파수와 동일한 속도의 샘플링 주기마다 샘플링하고, 샘플링되는 역기전력 전압을 영교차점 기준전압과 비교하면서 제로 크로싱을 판별하여 상기 센서리스 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 방법은, (a) 컨버터부가 전원 입력단의 교류전원을 직류전원(Vdc)으로 변환하는 단계; (b) 인버터부가 상기 변환된 직류전원을 3상 교류전원으로 변환시켜 센서리스 모터에 인가하는 단계; (c) 역기전력 검출부가 상기 센서리스 모터의 고정자에 유도되는 역기전력(Back- Electro Motive Force; B-EMF) 전압을 디지털 방식으로 검출하는 단계; (d) 제어부가 상기 검출된 역기전력 전압에 따라 상기 센서리스 모터의 오픈 루프(Open Loop) 동작 시에 저속 구간으로 인식하여 영교차점(Zero Crossing Point) 기준 전압을 Vdc/2 미만으로 설정하는 단계; (e) 제어부가 상기 검출된 역기전력 전압에 따라 상기 센서리스 모터의 클로즈 루프(Closed Loop) 동작 시에 영교차점 기준 전압을 Vdc/2로 설정하는 단계; (f) 제어부가 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 지점 또는 Vdc/2와 동일한 전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식하는 단계; 및 (g) 제어부가 상기 영교차점으로부터 일정한 위상 각도가 지난 지점을 상전환점(Phase Commutation Point)으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (g) 단계에서 상기 제어부는, 상기 영교차점으로부터 30도가 지난 지점을 상전환점으로 인식하여, 상기 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환하게 된다.
또한, 상기 (c) 단계 이전에 상기 제어부는 상기 센서리스 모터의 회전자가 동작하기 전에 3상의 위치를 조정하여 정렬(alignment)하고, 상기 (c) 단계에서 상기 역기전력 검출부는 상기 센서리스 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 전압을 검출할 수 있다.
또한, 상기 (f) 단계에서 상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 전압이 상기 영교차점 기준전압과 동일한 지점에 해당하는 영교차점을 기준으로 제로 크로싱을 판별하여, 상기 센서리스 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있다.
그리고, 상기 (f) 단계에서 상기 제어부는, 상기 역기전력 검출부를 통해 검출된 역기전력 전압을 제어 신호를 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) 주파수와 동일한 속도의 샘플링 주기마다 샘플링하고, 샘플링되는 역기전력 전압을 영교차점 기준전압과 비교하면서 제로 크로싱을 판별하여 상기 센서리스 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있다.
본 발명에 의하면, 센서리스 모터에서 회전자가 회전을 시작하는 저속 구간에서도 역기전력을 검출하여 영교차점을 인식할 수 있다.
따라서, 모터의 저속 구동 구간에서도 영교차점을 검출하게 됨에 따라 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있어 회전 속도를 정확히 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센서리스 모터의 구동 방식을 예시한 이상적인 파형도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 역기전력을 비교기를 이용해 직류전압의 절반값 Vdc/2 미만으로 설정하는 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 역기전력을 비교기를 이용하여 직류전압의 절반값 Vdc/2과 비교하는 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 영교차점으로부터 30ㅊ가 지난 지점을 상 전환점으로 인식하는 예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템(100)은, 센서리스 모터(BLDC)(M), 컨버터부(110), 인버터부(120), 역기전력 검출부(130) 및 제어부(140)를 포함한다.
컨버터부(110)는 전원 입력단의 교류전원을 직류전원(Vdc)으로 변환한다.
인버터부(120)는 컨버터부(110)에서 변환된 직류전원을 3상 교류전원으로 변환시켜 센서리스 모터(M)에 인가한다.
센서리스 모터(M)는 인버터부(120)로부터 인가되는 3상 교류 전원에 의해 구동되어 회전한다.
역기전력 검출부(130)는 센서리스 모터(M)의 고정자에 유도되는 역기전력(Back- Electro Motive Force; B-EMF) 전압을 디지털 방식으로 검출한다.
제어부(140)는 검출된 역기전력 전압에 근거해 센서리스 모터(M)의 오픈 루프(Open Loop) 동작 시에 저속 구간으로 인식하여 영교차점(Zero Crossing Point) 기준전압을 Vdc/2 미만으로 설정한다.
또한, 제어부(140)는 검출된 역기전력 전압에 근거해 센서리스 모터(M)의 클로즈 루프(Closed Loop) 동작 시에 고속 구간으로 인식하여 영교차점 기준전압을 Vdc/2로 설정한다.
또한, 제어부(140)는 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 경우에 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식하고, 영교차점으로부터 일정한 위상 각도가 지난 지점을 상전환점(Phase Commutation Point)으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환한다.
또한, 제어부(140)는 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2와 동일하거나 더 큰 경우에, 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식하고, 영교차점으로부터 30도가 지난 지점을 상전환점(Phase Commutation Point)으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환할 수 있다.
또한, 제어부(140)는, 센서리스 모터의 회전자가 동작하기 전에 3상의 위치를 조정하여 정렬(alignment)하고, 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만인 경우에 영교차점 기준전압을 Vdc/2 미만으로 설정하고, 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만에서 설정된 영교차점 기준 전압이 되는 경우에 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식한다.
또한, 제어부(140)는, 검출된 역기전력 전압이 영교차점 기준전압과 동일한 지점에 해당하는 영교차점을 기준으로 제로 크로싱을 판별하여, 센서리스 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있다.
그리고, 제어부(140)는, 검출된 역기전력 전압을 제어 신호를 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) 주파수와 동일한 속도의 샘플링 주기마다 샘플링하고, 샘플링되는 역기전력 전압을 영교차점 기준전압과 비교하면서 제로 크로싱을 판별하여 상기 센서리스 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센서리스 모터의 구동 방식을 예시한 이상적인 파형도를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 센서리스 모터(M)는 120 통전 방식을 적용하여 동작하게 된다.
120 통전 방식은 3상(a상, b상, c상)으로 이루어진 고정자 권선의 각 상에 번갈아 하이(H), 로우(L), 오픈(O) 상의 전압을 인가하며, 그 전압에 의해 고정자 권선에 발생되는 자기력으로 회전자를 회전시켜 센서리스 모터(M)를 구동하는 방식이다.
도 2에서, r은 센서리스 모터(M)의 회전각, 즉 회전자 위치로서 0~ 360의 값을 가진다. ea, eb, ec는 각 권선의 역기전력, ia, ib, ic는 각 권선의 상전류이다.
동작 모드 1부터 동작 모드 6까지 6 개의 동작 모드, 즉 6 가지 스위칭 상태가 정의되며, 제어부(140)는 인버터부(120)의 스위칭 상태를 동작 모드 1 내지 동작 모드 6으로 순차적으로 변화시켜 회전자계를 만들어 줄 수 있다.
이와 같이 만들어진 고정자의 회전자계와 회전자의 영구자석에 의한 자계의 상호 작용에 의해 일정 토크가 발생하여 센서리스 모터(M)가 회전하게 된다. 회전 시에, 센서리스 모터(M)의 각 권선은 렌츠의 법칙(Lenz's Law)에 따라 각 권선에 인가되는 주 전압과 반대의 극성을 갖는 역기전력을 발생시킨다. 이들 역기전력의 극성은 인가 전압의 방향과 반대가 되며 주로, 고정자(Stator) 권선의 턴(Turn) 수, 회전자(Rotor)의 각속도(Angular Velocity), 회전자 자석에 의해 발생하는 자계 등의 파라미터에 의해 결정된다.
따라서, 역기전력(BEMF)은 모터 파라미터 및 회전자 각속도를 이용하여 다음 수학식1에 따라 산출할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, N은 상(Phase)당 권선수, l은 회전자의 길이, r은 회전자의 내측 반지름, B는 회전자의 자계, ω는 각속도를 나타낸다.
도 2에서, 모든 동작 모드에 있어서, 두 개의 권선이 여자(Excitation)될 때 다른 한 개의 권선은 여자되지 않는다. 예를 들어, 동작 모드 1에서는, a상, b상의 권선이 여자되고, c상의 권선이 여자되지 않는다.
각 동작 모드(예컨대, 동작 모드 1)에 있어 여자되지 않는 한 개의 권선(예컨대, c상의 권선)에서는 오픈 상(Open Phase)의 역기전력 신호(예컨대, eC)가 제로 크로싱 지점(ZCP)을 통과하며 이로부터 회전자 위치(예컨대, 30)를 파악할 수 있다.
예시하고 있는 120 통전 방식에서는, 제로 크로싱 이벤트가 발생하는 기계각 기준 6개의 회전자 위치가 존재한다. 도 2를 참조하면, 0~ 360의 회전각 범위에서 여자되지 않는 각 권선당 2개, 총 6개의 회전자 위치(30ㅀ, 90, 150, 210, 270, 330)가 존재함을 알 수 있다. 이와 같이 제로 크로싱이 발생하는 회전자 위치를 절대 위치라고 한다.
제어부(140)는 여자되지 않은 권선의 역기전력을 기 설정된 기준전압(VREF)과 비교하여 제로 크로싱을 판별함으로써 절대 위치를 검출할 수 있다.
대부분의 경우, 제로 크로싱 지점(ZCP)을 검출하기 위한 기준전압(VREF)은 센서리스 모터(M)에 인가되는 직류전압의 절반값 Vdc/2이다. 즉, 센서리스 모터(M)의 역기전력이 입력 직류전압의 절반값이 될 때, 제로 크로싱 이벤트가 발생한 것으로 판단한다.
한편, 각 동작 모드의 경계 지점에서 상전환(Commutation)이 발생하여 여자되는 권선이 한 상(예를 들어, a상)에서 다른 상(예를 들어, b상)으로 바뀐다.
그러므로, 회전자 위치에 따라 하나의 동작 모드를 다른 동작 모드로 바꾸어 스위칭 상태를 변화시키기 위해서는, 동작 모드의 경계 지점을 검출하는 것이 필요하다.
도 2를 참조하면, 역기전력의 제로 크로싱 지점(ZCP)과 상전환이 발생하는 경계 지점(예를 들어, 330와 360)과는 30의 오프셋이 존재한다. 즉, 제로 크로싱 지점부터 30가 지난 지점이 바로 상전류를 전환하는 경계 지점이 되므로, 해당 경계 지점에서 현재 동작 모드를 다음 동작 모드로 바꾸어 스위칭 상태를 순서에 따라 전환하면 된다.
예를 들어, 한 상에서 제로 크로싱 이벤트가 검출되는 경우 제어부(140)에 내장된 타이머가 제로 크로싱 검출 시점으로부터 회전각 30에 대응하는 시간을 측정하여 인터럽트를 발생시킴으로써 해당 권선을 다음 스위칭 상태로 상전환 할 시간이 되었음을 알릴 수 있다.
제어부(140)는 이와 같이 여자되지 않은 오픈 상(Open Phase)의 역기전력 신호에서 발생하는 제로 크로싱을 검출하여 회전자 위치를 파악하고, 그로부터 일정(예를 들어, 30) 오프셋을 두고 상전환점을 결정하여 동작 모드를 바꿈으로써 인버터부(120)의 스위칭 상태를 전환할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템(100)은, 컨버터부(110)가 전원 입력단의 교류전원을 직류전원(Vdc)으로 변환한다(S310).
이어, 인버터부(120)가 변환된 직류전원을 3상 교류전원으로 변환하여 센서리스 모터(M)에 인가한다(S320).
이어, 역기전력 검출부(130)가 센서리스 모터(M)의 고정자에 유도되는 역기전력(B-EMF) 전압을 디지털 방식으로 검출한다(S330).
이때, 제어부(140)는 센서리스 모터(M)의 회전자가 동작하기 전에 3상의 위치를 조정하여 정렬(alignment)시키고, 역기전력 검출부(130)는 센서리스 모터(M)의 고정자에 유도되는 역기전력 전압을 검출한다.
이어, 제어부(140)는 검출된 역기전력 전압에 근거해 센서리스 모터(M)가 역기전력이 매우 작은 상태의 오픈 루프(Open Loop)로 동작하는 경우(S340-예), 저속 구간으로 인식하여 도 4에 도시된 바와 같이 영교차점(Zero Crossing Point) 기준 전압(Vref)을 Vdc/2 미만으로 설정한다(S350). 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 역기전력을 비교기를 이용해 직류전압의 절반값 Vdc/2 미만으로 설정하는 예를 나타낸 도면이다. 예를 들면, 직류전원(Vdc)이 6V이고, 센서리스 모터(M)의 역기전력이 매우 작은 상태의 오픈 루프로 동작하는 경우에, 영교차점 기준전압을 직류전압(Vdc)/2 미만에 해당하는 2V 또는 2.5V로 설정하는 것이다.
한편, 제어부(140)는 검출된 역기전력 전압에 근거해 센서리스 모터(M)가 클로즈 루프(Closed Loop)로 동작하는 경우에(S340-아니오) 도 5에 도시된 바와 같이 영교차점 기준 전압을 Vdc/2로 설정한다(S355). 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 역기전력을 비교기를 이용하여 직류전압의 절반값 Vdc/2과 비교하는 예를 나타낸 도면이다. 도 5에서, 센서리스 모터(M)의 동작이 도 2의 스텝 1에 있다고 가정하면, 상(Phase) A는 전기적 스위치를 통하여 +VBUS에 연결되어 있고, 상(Phase) C는 전기적 스위치를 통하여 -VBUS에 연결되어 있으며, 상(Phase) B는 오픈(open)되어 있다. B상 권선에서 측정되는 역기전력 신호는 음의 기울기 값을 가지며, 그 크기의 최대 값은 커뮤테이션 스텝 2가 발생하기 직전에 +VDC와 거의 동일한 값이 되며, 커뮤테이션 스텝 2가 발생할 때 +VDC 에 도달한다. 이 순간, B 상은 전기적 스위치를 통해 +VDC와 연결되고 A 상은 이제 오픈(open)되고 C 상은 VDC에 연결된다. A 상에서 관측되는 역기전력 신호는 양의 기울기 값을 가지며, 그 크기의 최소 값은 커뮤테이션 3가 발생하기 직전에 -VDC에 거의 동일한 값이 된다. B 상과 A 상에서 관측된 두 개의 기울기는 제로 크로싱 이벤트를 결정하기 위해 Vdc/2 와 비교된다.
이어, 제어부(140)는 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압(Vref)이 되는 지점 또는 Vdc/2와 동일한 전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식한다(S360).
즉, 제어부(140)는 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만이고, 영교차점 기준전압 2V가 되는 지점을 영교차점으로 인식하거나, 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 이상이고 영교차점 기준전압 6V가 되는 지점을 영교차점으로 인식하는 것이다.
이때, 제어부(140)는, 검출된 역기전력 전압이 영교차점 기준전압과 동일한 지점에 해당하는 영교차점을 기준으로 제로 크로싱을 판별하여, 센서리스 모터(M)의 회전자 위치를 인식할 수 있다.
또한, 제어부(140)는, 역기전력 검출부(130)를 통해 검출된 역기전력 전압을 제어 신호를 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) 주파수와 동일한 속도의 샘플링 주기마다 샘플링하고, 샘플링되는 역기전력 전압을 영교차점 기준전압과 비교하면서 제로 크로싱을 판별하여 센서리스 모터(M)의 회전자 위치를 인식할 수 있다.
이어, 제어부(140)는 영교차점으로부터 일정한 위상 각도가 지난 지점을 상전환점으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환한다(S370).
예를 들면, 제어부(140)는, 도 6에 도시된 바와 같이 영교차점으로부터 30도가 지난 지점을 상전환점으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환하게 된다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 영교차점으로부터 30ㅊ가 지난 지점을 상 전환점으로 인식하는 예를 나타낸 도면이다. 도 6에서, 각 섹터는 전기적 사이클의 60 구간에 해당하며 여기에서 섹터의 번호는 임의로 결정한 것이다. 또한 커뮤테이션은 각 섹터의 경계지점(상전환점)에서 발생한다. 그러므로, 섹터의 경계지점을 검출하는 것이 필요하다. 역기전력의 제로 크로싱과 커뮤테이션 지점과는 30옵셋이 존재한다. 도 6은 각각의 상의 이상적인 역기전력 파형을 보여주고 있다. 역기전력 센싱을 위해 3개의 모터 리드선 만이 존재한다면, 역기전력 파형은 스타 포인트(Star Point) 전압에 의해 옵셋이 존재하므로 스타 포인트의 전압이 결정되어야 한다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 브러시(Brush)가 없는 직류(DC)형 센서리스 모터에서 회전자가 정지 상태에서 회전 동작을 시작하는 저속 구간에서도 고정자 권선에 유도되는 역기전력을 검출하여 모터의 회전자 위치를 인식할 수 있도록 하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템 및 방법을 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템
110 : 컨버터부
120 : 인버터부
130 : 역기전력 검출부
140 : 제어부
M : 센서리스 모터

Claims (10)

  1. 센서리스 모터의 고정자에 유도되는 역기전력(Back- Electro Motive Force; B-EMF) 전압을 디지털 방식으로 검출하는 역기전력 검출부;
    전원 입력단의 교류전원을 직류전원(Vdc)으로 변환하는 컨버터부;
    상기 컨버터부에서 변환된 직류전원을 3상 교류전원으로 변환시켜 상기 센서리스 모터에 인가하는 인버터부; 및
    상기 검출된 역기전력 전압에 근거해 상기 센서리스 모터의 오픈 루프(Open Loop) 동작 시에 저속 구간으로 인식하여 영교차점(Zero Crossing Point) 기준전압을 Vdc/2 미만으로 설정하고, 상기 센서리스 모터의 클로즈 루프(Closed Loop) 동작 시에 영교차점 기준전압을 Vdc/2로 설정하며, 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 경우에 상기 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식하고, 상기 영교차점으로부터 일정한 위상 각도가 지난 지점을 상전환점(Phase Commutation Point)으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환하는 제어부;
    를 포함하는 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2와 동일하거나 더 큰 경우에, 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식하고, 영교차점으로부터 30도가 지난 지점을 상전환점(Phase Commutation Point)으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 센서리스 모터의 회전자가 동작하기 전에 3상의 위치를 조정하여 정렬(alignment)하고, 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만인 경우에 영교차점 기준전압을 Vdc/2 미만으로 설정하고, 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만에서 설정된 영교차점 기준 전압이 되는 경우에 상기 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 전압이 상기 영교차점 기준전압과 동일한 지점에 해당하는 영교차점을 기준으로 제로 크로싱을 판별하여, 상기 센서리스 모터의 회전자 위치를 인식하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 전압을 제어 신호를 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) 주파수와 동일한 속도의 샘플링 주기마다 샘플링하고, 샘플링되는 역기전력 전압을 영교차점 기준전압과 비교하면서 제로 크로싱을 판별하여 상기 센서리스 모터의 회전자 위치를 인식하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 시스템.
  6. (a) 컨버터부가 전원 입력단의 교류전원을 직류전원(Vdc)으로 변환하는 단계;
    (b) 인버터부가 상기 변환된 직류전원을 3상 교류전원으로 변환시켜 센서리스 모터에 인가하는 단계;
    (c) 역기전력 검출부가 상기 센서리스 모터의 고정자에 유도되는 역기전력(Back- Electro Motive Force; B-EMF) 전압을 디지털 방식으로 검출하는 단계;
    (d) 제어부가 상기 검출된 역기전력 전압에 따라 상기 센서리스 모터의 오픈 루프(Open Loop) 동작 시에 저속 구간으로 인식하여 영교차점(Zero Crossing Point) 기준 전압을 Vdc/2 미만으로 설정하는 단계;
    (e) 제어부가 상기 검출된 역기전력 전압에 따라 상기 센서리스 모터의 클로즈 루프(Closed Loop) 동작 시에 영교차점 기준 전압을 Vdc/2로 설정하는 단계;
    (f) 제어부가 상기 검출된 역기전력 전압이 Vdc/2 미만에서 영교차점 기준전압이 되는 지점 또는 Vdc/2와 동일한 전압이 되는 지점을 영교차점으로 인식하는 단계; 및
    (g) 제어부가 상기 영교차점으로부터 일정한 위상 각도가 지난 지점을 상전환점(Phase Commutation Point)으로 인식하여, 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환하는 단계;
    를 포함하는 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (g) 단계에서 상기 제어부는, 상기 영교차점으로부터 30도가 지난 지점을 상전환점으로 인식하여, 상기 상전환점에서 현재 상 동작 모드를 다음 상 동작 모드로 전환하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이전에 상기 제어부는 상기 센서리스 모터의 회전자가 동작하기 전에 3상의 위치를 조정하여 정렬(alignment)하고, 상기 (c) 단계에서 상기 역기전력 검출부는 상기 센서리스 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 전압을 검출하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 전압이 상기 영교차점 기준전압과 동일한 지점에 해당하는 영교차점을 기준으로 제로 크로싱을 판별하여, 상기 센서리스 모터의 회전자 위치를 인식하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 상기 제어부는, 상기 역기전력 검출부를 통해 검출된 역기전력 전압을 제어 신호를 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) 주파수와 동일한 속도의 샘플링 주기마다 샘플링하고, 샘플링되는 역기전력 전압을 영교차점 기준전압과 비교하면서 제로 크로싱을 판별하여 상기 센서리스 모터의 회전자 위치를 인식하는, 센서리스 모터의 저속 구간 위치 검출 방법.
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KR20190038096A (ko) * 2017-09-29 2019-04-08 엘지이노텍 주식회사 팬모터 동작 제어 방법
KR20200029868A (ko) * 2018-09-11 2020-03-19 한온시스템 주식회사 모터 제어 장치 및 방법

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