KR20200024663A - 소비전력저감형 ｂｌｄｃ 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 BLDC 모터(Brushless DC Motor)에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, BLDC 모터의 구동 상태를 실시간으로 모니터링하고, BLDC 모터의 회전상태에 따라, 회전구동을 위해 BLDC 모터로 출력되는 구동제어신호의 출력시간을 조정하여, 고속 회전에 따른 BLDC 모터의 소비전력을 저감할 수 있도록 하고, 역률보상기의 작동을 제어하여 BLDC 모터의 역률을 효율적으로 보상 개선하면서 역률보상기의 작동에 의해 소비되는 전력을 최소화하며, 고속 회전에 따른 소음 및 진동을 줄일 수 있는 소비전력저감형 BLDC 모터에 관한 것으로,
본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터는, 3상의 모터구동신호를 외부로부터 입력받아 구동되는 BLDC 모터((Brushless DC Motor); 상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 측정하여 외부로 출력하는 회전자 위치 측정센서; 상기 BLDC 모터의 온도를 측정하여 외부로 출력하는 모터 온도 측정센서; 외부로부터 구동제어신호를 입력받아 상기 BLDC 모터에 3상의 모터구동신호를 출력시켜 구동시키며, 구동 전류값을 외부로 출력하는 모터구동부; 상기 모터구동부로부터 상기 BLDC 모터의 구동 전류값을 입력받으며, 상기 회전자 위치 측정센서로부터 상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 입력받고, 상기 온도 측정센서로부터 상기 BLDC 모터의 온도를 입력받으며, 상기 구동 전류값, 회전자 위치 및 온도를 입력받은 후, 소정 출력시간이 경과된 이후에 상기 모터구동부로 구동제어신호를 출력하는 주제어부를; 포함하여 구성되고, 상기 모터구동부는, 상기 주제어부로부터 구동제어신호를 입력받고, 상기 입력받은 구동제어신호에 따라 게이트 신호를 생성하는 게이트 신호 생성부; 및, 상기 게이트 신호 생성부에서 생성된 게이트 신호에 따라 상기 BLDC 모터에 3상의 모터구동신호를 출력하여 구동시키는 모터구동소자를; 포함하여 구성되며, 상기 주제어부는, 상기 회전자 위치 측정센서로부터 입력받은 측정값을 통해 위치 측정한 상기 BLDC 모터의 회전자의 현재속도값을 연산한 후 저장하며, 연산 저장된 상기 현재속도값이 지령속도값을 추종하게 지령전류값을 연산하며, 연산된 상기 지령전류값을 통해 구동제어신호를 생성하고, 상기 현재속도값이 전 단계에서 연산 저장된 속도값보다 빠른 경우에는, 생성된 상기 구동제어신호를 전 단계 출력시간 보다 소정시간 빠르게 상기 모터구동부로 출력하며, 상기 현재속도값이 전 단계에서 연산 저장된 속도값보다 느린 경우에는, 생성된 상기 구동제어신호를 전 단계 출력시간 보다 소정시간 느리게 상기 모터구동부로 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

소비전력저감형 ＢＬＤＣ 모터 {Power consumption saving type brushless dc motor}

본 발명은 BLDC 모터(Brushless DC Motor)에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, BLDC 모터의 구동 상태를 실시간으로 모니터링하고, BLDC 모터의 회전상태에 따라, 회전구동을 위해 BLDC 모터로 출력되는 구동제어신호의 출력시간을 조정하여, 고속 회전에 따른 BLDC 모터의 소비전력을 저감할 수 있도록 하고, 역률보상기의 작동을 제어하여 BLDC 모터의 역률을 효율적으로 보상 개선하면서 역률보상기의 작동에 의해 소비되는 전력을 최소화하며, 고속 회전에 따른 소음 및 진동을 줄일 수 있는 소비전력저감형 BLDC 모터에 관한 것이다.

일반적으로 3상 BLDC 모터(Brushless DC Motor)는 일반 3상 DC 모터에서 정류자(Commutator)의 역할을 수행하는 브러쉬를 제거하면서도 3상 DC 모터의 특성을 그대로 유지할 수 있도록 개발된 것으로서 영구자석으로 이루어진 회전자와 3개의 코일 즉, a상, b상 및, c상 코일이 권선되어 고정자를 형성한다.

이러한 3상 BLDC 모터는 고정자에 권선되어 있는 a상, b상 및, c상 코일에 3상 전류를 공급하고, 그 공급한 3상 전류에 따라 a상, b상 및, c상 코일이 각기 자계를 발생하여 영구자석으로 이루어진 회전자를 회전 구동시키게 된다.

이때, BLDC 모터의 회전자의 회전속도를 정확하게 제어하기 위해서 회전자의 위치를 추정 또는 측정하게 된다. 즉, BLDC 모터는 회전자의 위치를 추정 또는 측정 측정한 회전자의 위치에 따라 고정자에 권선되어 있는 a상, b상 및, c상 코일로 흐르는 전류의 방향을 전환시키는 모터 구동부의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되는 시점을 조절하여 회전자의 회전속도를 제어하게 된다.

통상 BLDC 모터의 경우, BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어부에서는 측정된 회전자의 위치를 통해 회전자의 현재속도값을 알아 내게 되며, 알아낸 상기 회전자의 현재속도값이 목표속도값을 추종하도록 하는 구동제어신호를 생성하고, 생성된 상기 구동제어신호를 모터구동부로 출력하게 되는데, 이와 같이, 상기 제어부에서 회전자의 측정값을 입력받은 시점부터 모터구동부로 생성된 구동제어신호를 출력하기까지 소요되는 시간인 출력시간에 있어서, 회전자를 고속 회전시키는 경우, 일반적으로 상기 출력시간이 소정 출력시간값을 기준으로 소정 출력시간값 이전에는 출력시간값이 빠를수록 소비되는 전력값은 점차 줄어들다가 상기 소정 출력시간값에서 최소값을 보이며, 상기 소정 출력시간값 이후에는 출력시간값이 빠를수록 소비되는 전력값이 점차 증가하게 된다.

또한, 고정자에 권선되어 있는 a상, b상 및, c상 코일로 작동전류가 통전하게 되면 통전 초기에는 전압값보다 전류값 상승이 지연되고, 이에 따라 각 상의 코일에 발생되는 자력이 늦어지게 되며, 고속 회전시에는 조금씩 늦게 발생되는 자력으로 인해 회전 중 소음 및 진동이 발생되는 문제점이 있다.

한편, 도 1은 종래 통상적인 역률보상장치가 구비된 인버터 구동모터를 나타내는 것으로, 교류전원(101)의 리액터(reactor)(102)와, 브릿지 다이오드(104) 및 평활 캐패시터(C1~C3)로 구성되어 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류부(103)와, 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(106)를 구동하는 인버터부(105)와, 입력전류를 감지하는 입력전류검지부(107)와, 입력교류전원의 제로크로싱(zero crossing)을 검출하는 제로크로싱 검출부(108)와, 정류된 DC전압을 검출하는 DC링크 전압 검출부(109)와, 역률보상 제어신호에 의해 역률보상을 제어하는 역률보상부(110)와, 상기 입력전류검지부(107), 제로크로싱 검출부(108), DC링크 전압 검출부(109)로부터 검출된 데이터를 이용하여 역률보상부(110)의 작동을 제어하는 마이컴(120)으로 구성된다. 상기 역률보상부(110)은 입력 AC 링크에 연결된 브릿지 다이오드(111)와, 브릿지 다이오드(111)에 연결되어 역률보상 작동신호에 의해 고주파 노이즈와 추력전압을 능동적으로 가변시켜주는 역률보상스위치(IGBT, 112)로 구성된다.

상기 종래 통상적인 역률보상장치가 구비된 인버터 구동모터에 있어서, 역률보장장치의 작동을 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 입력전류검지부(107)는 입력 교류 전류를 검지하고, 제로크로싱 검출부(108)는 제로크로싱 위치 즉, 입력 교류 전압의 위상을 검출하며, DC 링크 전압 검출부(109)는 정류부(103)에 의해 정류된 DC 링크 전압을 검출한다. 마이컴(120)은 상기 입력전류검지부(107)에서 감지된 입력 교류 전류의 크기, 제로크로싱 검출부(108)에 의해 검출된 입력 교류 전압의 제로크로싱 위치, DC 링크 전압 검출부(109)로부터 검출된 DC 출력 전압을 전달 받는다. 마이컴(120)은 입력 교류 전압의 위상을 감지하고, DC 출력 전압을 감지하여 DC 출력 전압의 크기가 항상 일정하도록 역률보상부(110)의 작동을 제어하게 되는데, 상기 마이컴(120)은 입력되는 전압의 위상이 제로크로싱 시점일 때, 역률보상 스위치(112)의 온동작을 명령하고, 이때의 신호에 의해 역률보상 스위치(112)가 온동작된다.

상기 역률보상 스위치(112)가 온동작되는 동안, 리액터부(102)에는 입력교류 전압이 걸리고, 리액터부(102)를 통과하는 전류의 위상은 선형적으로 상승하면서 전압 파형의 위상에 가깝게 조절된다. 이 때 정류부(103)의 브릿지 다이오드(104) 및 평활캐패시터(C1, C2, C3)에 의해 정류된 DC 출력 전압이 인버터부(105)를 통해 모터(106)로 공급된다.

상기 역률보상 스위치(112)의 온 동작은 입력 교류 전압의 위상이 제로크로싱 시점에서 반복해서 이뤄지며, 상기 온 동작시간은 목표 DC 출력 전압과 현재의 DC 출력 전압이 동일할 때, 역률보상 스위치(112)를 오프시켜주며, 오프시 리액터부(102)에는 출력전압에서 입력전압 만큼을 뺀 전압이 걸리고 상기 리액터 전류는 역률보상 스위치의 온 동작시와는 반대로 제로크로싱 위치까지 감소하게 된다. 상기 역률보상 스위치(112)의 온/오프 동작은 입력 교류 전압 위상의 제로크로싱 시점마다 한번씩 이뤄진다.

이와 같이, 구성 작동되는 종래 역률보상장치의 경우, 모터의 구동에 따른 부하가 변동되어도 DC 출력전압이 고정되어 역률보상장치의 효율이 떨어지는 문제점이 있고, 모터가 정격 소비 전력에 근접하여 모터 운전 효율이 좋은 경우에도 종래 역률보상장치는 고정된 높은 DC 출력전압을 유지하여 작동 소음이 발생되고, 전력 소비량이 높은 문제점이 있으며, 또한, 모터가 정지된 상태에서도 역률보상장치가 지속적으로 작동되어 전력이 낭비되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, BLDC 모터의 구동 상태를 실시간으로 모니터링하고, BLDC 모터의 회전상태에 따라, 회전구동을 위해 BLDC 모터구동부로 출력되는 구동제어신호의 출력시간을 조정하여, 고속 회전에 따른 BLDC 모터의 소비전력을 저감할 수 있도록 하고, 고속 회전에 따른 진동 및 소음을 감소시킬 수 있도록 하며,

또한, 역률보상기의 작동을 제어하여 BLDC 모터의 역률을 효율적으로 보상 개선하면서 역률보상기의 작동에 의해 소비되는 전력을 최소화시킬 수 있도록 한다.

상기 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 형태에서는, 3상의 모터구동신호를 외부로부터 입력받아 구동되는 BLDC 모터((Brushless DC Motor); 상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 측정하여 외부로 출력하는 회전자 위치 측정센서; 상기 BLDC 모터의 온도를 측정하여 외부로 출력하는 모터 온도 측정센서; 외부로부터 구동제어신호를 입력받아 상기 BLDC 모터에 3상의 모터구동신호를 출력시켜 구동시키며, 구동 전류값을 외부로 출력하는 모터구동부; 상기 모터구동부로부터 상기 BLDC 모터의 구동 전류값을 입력받으며, 상기 회전자 위치 측정센서로부터 상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 입력받고, 상기 온도 측정센서로부터 상기 BLDC 모터의 온도를 입력받으며, 상기 구동 전류값, 회전자 위치 및 온도를 입력받은 후, 소정 출력시간이 경과된 이후에 상기 모터구동부로 구동제어신호를 출력하는 주제어부를; 포함하여 구성되고, 상기 모터구동부는, 상기 주제어부로부터 구동제어신호를 입력받고, 상기 입력받은 구동제어신호에 따라 게이트 신호를 생성하는 게이트 신호 생성부; 및, 상기 게이트 신호 생성부에서 생성된 게이트 신호에 따라 상기 BLDC 모터에 3상의 모터구동신호를 출력하여 구동시키는 모터구동소자를; 포함하여 구성되며, 상기 주제어부는, 상기 회전자 위치 측정센서로부터 입력받은 측정값을 통해 위치 측정한 상기 BLDC 모터의 회전자의 현재속도값을 연산한 후 저장하며, 연산 저장된 상기 현재속도값이 지령속도값을 추종하게 지령전류값을 연산하며, 연산된 상기 지령전류값을 통해 구동제어신호를 생성하고, 상기 현재속도값이 전 단계에서 연산 저장된 속도값보다 빠른 경우에는, 생성된 상기 구동제어신호를 전 단계 출력시간 보다 소정시간 빠르게 상기 모터구동부로 출력하며, 상기 현재속도값이 전 단계에서 연산 저장된 속도값보다 느린 경우에는, 생성된 상기 구동제어신호를 전 단계 출력시간 보다 소정시간 느리게 상기 모터구동부로 출력하는 것을 특징으로 하는 소비전력저감형 BLDC 모터를 제공한다.

바람직하게는, 상기 주제어부는, 상기 모터구동부로부터 입력받은 구동 전류값을 통해 상기 BLDC 모터의 현재 소비전력값을 연산한 후 저장하고, 연산된 현재 소비전력값이 전 단계에서 연산 저장된 소비전력값보다 큰 경우에는, 전 단계 출력시간과 동일한 시간 경과된 후에 상기 구동제어신호를 상기 모터구동부로 출력할 수 있고,

좀 더 바람직하게는, 교류 전원 공급부로부터 교류 전원을 입력받아 교류 전원의 전류값, 전압값, 전류의 위상값 및, 전압의 위상값을 실시간으로 측정하여 외부로 출력하는 교류 전원 측정부; 상기 교류 전원 공급부를 통해 입력되는 교류 전원의 역률을 소정 역률값으로 보상하는 역률보상부; 상기 역률보상부로부터 역률이 소정 역률값으로 보상된 교류 전원을 직류 전원으로 변환시켜 상기 주제어부로 출력하는 정류부; 상기 정류부를 통해 출력되는 직류 전원의 전압값을 실시간으로 측정하여 외부로 출력하는 직류 전원 측정부; 상기 교류 전원 측정부로부터 교류 전원의 전류값, 전압값, 전류의 위상값 및, 전압의 위상값을 입력받고, 상기 직류 전원 측정부로부터 직류 전압값을 입력받으며, 상기 주제어부로부터 구동 전류값을 입력받고, 상기 역률 보상부가 교류 전원의 역률을 소정 역률값으로 보상하도록 작동을 제어하며, 상기 정류부에서 출력되는 전압을 제어하는 역률 제어부를; 더 포함하여 구성되고, 상기 역률 제어부는, 상기 주제어부로부터 구동 전류값을 실시간으로 입력받아 상기 BLDC 모터의 소비전력값 및 역률값을 연산하고, 연산된 상기 BLDC 모터의 역률값 및 소비전력값이 각각 소정 역률값 및 소비전력값에 도달되는 경우, 상기 역률 보상부의 작동을 제어하여 상기 정류부의 출력전압을 소정 전압값으로 낮출 수 있다.

본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터는, BLDC 모터의 구동 상태를 실시간으로 모니터링하고, BLDC 모터의 회전상태에 따라, 회전구동을 위해 BLDC 모터구동부로 출력되는 구동제어신호의 출력시간을 조정하여, 고속 회전에 따른 BLDC 모터의 소비전력을 저감할 수 있고, 고속 회전에 따른 진동 및 소음을 감소시킬 수 있으며,

또한, 역률보상기의 작동을 제어하여 BLDC 모터의 역률을 효율적으로 보상 개선하면서 역률보상기의 작동에 의해 소비되는 전력을 최소화시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래 역률보상장치가 구비된 인버터 구동모터를 나타내는 회로 구성도;
도 2는 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터에 있어서, 일 실시예를 나타내는 시스템 구성도;
도 3은 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터에 있어서, 역률제어장치가 구비되는 다른 실시예를 나타내는 시스템 구성도; 및,
도 4는 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터에 있어서, 역률제어장치가 구비되는 다른 실시예의 신호체계를 나타내는 시스템 구성도; 이다.

이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 2는 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터에 있어서, 일 실시예를 나타내는 시스템 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터에 있어서, 역률제어장치가 구비되는 다른 실시예를 나타내는 시스템 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터에 있어서, 역률제어장치가 구비되는 다른 실시예의 신호체계를 나타내는 시스템 구성도이다.

본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터는, 도 2에 도시된 바와 같이, 크게, 3상의 모터구동신호를 외부로부터 입력받아 구동되는 BLDC 모터와, 상기 BLDC 모터에 구비되어 회전자의 위치를 측정하여 외부로 출력하는 회전자 위치 측정센서와, 상기 BLDC 모터에 구비되어 모터 내 온도를 측정하여 외부로 출력하는 모터 온도 측정센서와, 외부로부터 구동제어신호를 입력받아 상기 BLDC 모터를 구동시키는 모터구동부와, 상기 BLDC 모터에 구비되는 상기 각 센서들로부터 측정값을 입력받고 상기 BLDC 모터구동부로 구동제어신호를 출력하는 주제어부를 포함하여 구성된다.

상기 BLDC 모터는 통상의 BLDC 모터로 구성되며, 도시되지는 않았으나 영구자석으로 이루어진 회전자와 3개의 코일 즉, a상, b상 및, c상 코일이 권선되는 고정자를 포함하여 구성된다.

상기 회전자 위치 측정센서는 상기 BLDC 모터에 구비되어 영구자석으로 구성되는 회전자의 위치를 실시간으로 측정하여 외부로 출력하게 된다.

바람직하게는, 상기 모터 외부에 홀센서를 장착하여 센싱회로를 통해 회전자의 위치를 파악할 수 있으며, 상기 홀센서는 '홀효과'를 이용한 센서로, 회전자의 움직임에 의해 발생되는 자장의 공간적 변화를 감지하여 자장변화에 따라 변화하는 홀센서 내부 전자들의 움직임을 감지하여 회전자의 위치를 정확하게 측정할 수 있게 된다.

또한, 모터 외부에 상기 홀센서를 장착하는 대신, 모터에 가해지는 전압, 전류 신호를 별도 구비되는 전류센서 인터페이스를 통해 상기 주제어부 내의 각종 연산 블록들에 전달하여 간접적으로 회전자의 위치를 추정할 수도 있다. 상기 모터 외부에 홀센서를 장착해야 하는 공간적 특성을 극복하기 위해 상기 주제어부 내부에 연산 블록을 넣어, 별도의 회전자 측정 센서의 설치 없이, 회전자의 위치를 추정하는 것으로, 모터에 인가되는 전류가 회전자의 움직임에 의해 변형되는 것을 이용하게 된다. 즉, 회전자의 움직임에 의한 자장의 공간적 변화를 모터 구동을 위한 코일에서 감지하고, 감지된 신호에 의해 전류의 양과 방향이 달라짐을 회로적으로 보완하여 회전자의 위치를 간접적으로 추정하게 된다.

상기 BLDC 모터의 경우 기계계의 동작인 회전자의 움직임이 전기계의 BLDC 모터의 구동장치에 적절히 전달되어 이를 바탕으로 기계계에 필요한 전기 신호를 발생할 수 있도록 하는 회전자의 위치를 정확히 파악하는 것이 중요하며, 상기 홀센서와 함께, 전류측정센서를 장착하여 보다 정확한 회전자 위치측정이 가능하도록 한다.

상기 모터 온도 측정센서는 상기 BLDC 모터에 구비되어 모터 내 온도를 실시간으로 측정하여 상기 주제어부로 출력한다. 상기 주제어부는, 상기 모터 온도 측정센서로부터 입력되는 모터의 온도 측정값이 미리 설정된 소정 기준 온도 이상으로 높은 경우에 과부하 상태로 판단하고, 상기 BLDC 모터의 소비전력을 낮춰 해당 모터의 과부하에 의한 고장발생을 사전에 예방할 수 있게 한다.

상기 모터 구동부는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 주제어부로부터 구동제어신호를 각각 입력받아 상기 BLDC 모터에 3상의 모터구동신호를 출력 구동시키며, 구동 전류값을 상기 주제어부로 출력하게 된다.

종래 DC 모터의 경우 브러쉬 및 정류자를 통한 기계적 스위칭 구동으로 마모가 발생하고 모터 수명이 짧은 문제점이 있었으나, BLDC 모터에서는 반영구적 파워소자를 통한 전기적 스위칭으로 구동효율이 향상되고 모터 수명도 월등히 향상된다.

또한, 상기 모터구동부는 상기 주제어부로부터 구동제어신호를 입력받고 상기 입력받은 구동제어신호에 따라 게이트 신호를 생성하는 게이트 신호 생성부 및, 상기 게이트 신호 생성부에서 생성된 게이트 신호에 따라 해상 상기 BLDC 모터에 3상의 모터구동신호를 출력하여 모터를 구동시키는 모터구동소자를 포함하여 구성된다.

상기 게이트 신호 생성부는 상기 주제어부에서 생성되어 입력되는 구동제어신호에 따라 게이트 신호를 생성하는 게이트 드라이버(Gate-Driver)로서, 적절한 타이밍에 BLDC 모터에 DC 전원을 공급해 줄 수 있도록 모터구동소자 게이트를 턴 온/오프 시켜주는 역할을 한다. 또한, 상기 게이트 신호 생성부는 모터구동소자에 흐르는 전류가 소정의 기준 전류 이상인 경우 모터구동소자 게이트를 턴 오프하는 과전류 보호회로와, 모터구동소자 게이트의 턴 온/오프 과정에서 발생되는 열에 의해 소정의 기준 온도이상인 경우 모터구동소자 게이트의 동작을 차단하는 온도보호 회로를 포함할 수 있다.

상기 모터구동소자 게이트는 상기 게이트 신호 생성부에서 생성된 게이트 신호에 따라 해당 상기 BLDC 모터에 3상의 모터구동신호를 출력하여 구동시키게 되며, 고성능 IGBT(Insulated Gate Bipoler Transistor) 및 MOSFET 등의 반영구적 파워소자를 포함하여 형성될 수 있다.

상기 주제어부는 상기 구동모터부로부터 상기 BLDC 모터의 구동 전류값을 입력받으며, 상기 회전자 위치 측정센서로부터 상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 입력받고, 상기 온도 측정센서로부터 상기 BLDC 모터의 온도를 입력받으며, 상기 BLDC 모터에 대해 입력받은 상기 구동 전류값, 회전자 위치 및, 온도를 토대로 상기 모터구동부로 구동제어신호를 출력하게 된다.

즉, 상기 주제어부는 속도연산부, 제어연산부 및, PWM 구동제어신호 생성부를 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 속도연산부는 상기 회전자 위치 측정센서로부터 측정된 회전자의 위치측정값을 이용해 회전자의 속도값을 연산하여 제어연산부로 출력한다. 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터의 경우, 상기 홀센서와 함께, 상기 모터구동부에 전류측정센서를 장착하여 상기 홀센서를 통해 회전자의 위치를 실시간으로 측정함과 동시에, 상기 전류측정센서를 통해 회전자의 위치를 추정하여 보다 정확하게 회전자의 위치를 알아낼 수 있게 하고, 상기 홀센서가 오작동하는 경우에도 상기 전류측정센서를 통해 회전자의 위치를 추정연산함으로써, 모터 구동의 멈춤 없이 지속적이고 안정적으로 BLDC 모터를 구동시킬 수 있게 된다.

상기 제어연산부는, 상기 회전자 위치 측정센서 및 속도연산부로부터 각각 회전자 위치 및 속도를 피드백 받아 목표한 속도에 맞게 모터가 구동될 수 있도록 하는 출력값을 상기 PWM 구동제어신호 생성부로 출력하게 된다. 즉, 제어연산부는 3상 BLDC 모터의 현재 회전수가 목표 회전수에 도달할 수 있도록 속도PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 통하여 피드백 제어를 실시하며 목표한 속도에 맞게 모터가 구동될 수 있도록 하는 출력값을 상기 PWM 구동제어신호 생성부로 출력하게 되며, 상기 제어연산부에서 출력되는 출력값은 속도 PID 제어기의 성능이 반영된 전압값 또는 전류값을 가진다.

상기 PWM 구동제어신호 생성부는 상기 제어연산부로부터 입력받은 목표 속도에 대한 출력값이 모터구동부에 인가될 수 있도록 PWM 구동제어신호를 생성하며, 상기 모터구동부는 입력된 PWM 구동제어신호를 통해 BLDC 모터를 구동하게 된다.

이와 같이, 상기 주제어부는, 상기 회전자 위치 측정센서로부터 입력받은 측정값을 통해 위치 측정한 상기 BLDC 모터의 회전자의 현재속도를 연산하고, 연산된 상기 현재속도가 소정의 지령속도를 추종하게 지령전류값을 연산하며, 연산된 상기 지령전류값을 통해 PWM 구동제어신호를 생성하여 상기 BLDC 모터의 모터구동부로 출력하게 된다. 즉, 상기 속도PID 제어를 통하여 증가되거나 또는 감소되도록 산출된 PWM 듀티(Duty, %)를 이용하여 상기 각각의 BLDC 모터가 목표 회전수에 도달하도록 피드백 제어를 실시하게 된다.

특히, 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터에 있어서, 상기 주제어부는 상기 회전자 위치 측정센서로부터 측정된 회전자의 위치측정값을 이용해 회전자의 현재속도값을 연산한 후 저장하며, 연산 저장된 상기 현재속도값이 지령속도값을 추종하게 지령전류값을 연산하고, 연산된 상기 지령전류값을 통해 구동제어신호를 생성하며, 상기 현재속도값이 전 단계에서 연산 저장된 속도값보다 빠른 경우에는, 생성된 상기 구동제어신호를 전 단계 출력시간 보다 소정시간 빠르게 상기 모터구동부로 출력하며, 상기 현재속도값이 전 단계에서 연산 저장된 속도값보다 느린 경우에는, 생성된 상기 구동제어신호를 전 단계 출력시간 보다 소정시간 느리게 상기 모터구동부로 출력한다.

통상 BLDC 모터의 경우, 초기 정지상태에서 사용자가 원하는 소정 회전속도로 가속시켜 회전구동할 시, 저속 회전구동 구간에서 높은 소비전력값을 보이며, 회전속도가 증가할수록 점차 소비전력값이 줄어드는 경향을 보이게 되는데, 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터에서는, 초기 정지상태에서 사용자가 원하는 소정 회전속도로 가속 회전시키는 경우, 높은 소비전력값을 보이는 저속 회전구동 구간에서는 가속되는 회전자의 속도에 비례하여 상기 구동제어신호의 출력시간을 보다 빠르게 함으로써, 저속 회전구동 구간에서 손실되는 높은 소비전력값을 줄일 수 있고, 보다 빠르게 사용자가 원하는 소정 회전속도로 회전구동시켜 상기 BLDC 모터의 회전구동 반응을 향상시킬 수 있도록 하며,

고속 회전상태에서 소정 회전속도로 감속 회전시키는 경우, 빠른 출력시간은 고정자의 코일에 남아 있는 전 단계의 구동제어신호에 따른 잔존 자력의 영향으로 오히려 소비전력값을 증가시키고, 회전자의 진동 및 소음을 유발시킬 수 있으므로, 감속되는 회전자의 속도에 맞춰 상기 구동제어신호의 출력시간을 보다 느리게 함으로써, 회전자의 관성에 의한 회전력을 이용해 소비전력값을 줄이고, 회전자의 진동 및 소음 발생을 방지할 수 있도록 한다.

또한, 상기 회전자의 현재속도값이 전 단계에서 연산 저정된 속도값과 같은 경우에는, 상기 구동제어신호의 출력시간을 전 단계와 동일하게 유지할 수 있다.

바람직하게는, 상기 주제어부는, 상기 모터구동부로부터 입력받은 구동 전류값을 통해 상기 BLDC 모터의 현재 소비전력값을 연산한 후 저장하고, 연산된 현재 소비전력값이 전 단계에서 연산 저장된 소비전력값보다 큰 경우에는, 전 단계 출력시간과 동일한 시간 경과된 후에 상기 구동제어신호를 상기 모터구동부로 출력한다. 일반적으로 회전자를 고속 회전시키는 경우, 상기 출력시간이 소정 출력시간값을 기준으로 소정 출력시간값 이전에는 출력시간값이 빠를수록 소비되는 전력값은 점차 줄어들다가 상기 소정 출력시간값에서 최소값을 보이며, 상기 소정 출력시간값 이후에는 출력시간값이 빠를수록 소비되는 전력값이 점차 증가하게 된다. 이에 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터는, 회전자가 소정 회전속도값으로 고속회전하는 경우, 상기 전술한 바와 같이, 출력시간값을 빠르게 하여 소비전력값을 줄일 수 있도록 하나, 출력시간값을 지속적으로 줄여만 가는 것이 아니라 소비전력값을 실시간 모니터링하여 소비전력값이 다시 상승하는 시점에서는 전 단계에서 출력시간과 동일하게 유지시킴으로써, 소비전력값을 최소화시킬 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터의 다른 실시예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 교류 전원 공급부로부터 교류 전원을 입력받아 교류 전원의 전류값, 전압값, 전류의 위상값 및, 전압의 위상값을 실시간으로 측정하여 외부로 출력하는 교류 전원 측정부; 상기 교류 전원 공급부를 통해 입력되는 교류 전원의 역률을 소정 역률값으로 보상하는 역률보상부; 상기 역률보상부로부터 역률이 소정 역률값으로 보상된 교류 전원을 직류 전원으로 변환시켜 상기 주제어부로 출력하는 정류부;

상기 정류부를 통해 출력되는 직류 전원의 전압값을 실시간으로 측정하여 외부로 출력하는 직류 전원 측정부; 상기 교류 전원 측정부로부터 교류 전원의 전류값, 전압값, 전류의 위상값 및, 전압의 위상값을 입력받고, 상기 직류 전원 측정부로부터 직류 전압값을 입력받으며, 상기 주제어부로부터 구동 전류값을 입력받고, 상기 역률 보상부가 교류 전원의 역률을 소정 역률값으로 보상하도록 작동을 제어하며, 상기 정류부에서 출력되는 전압을 제어하는 역률 제어부를; 더 포함하여 구성된다.

상기 교류 전원 측정부는, 도 3에 도시된 바와 같이, 외부로부터 입력되는 교류 전원의 전류값, 전압값과 함께, 전류의 위상값 및 전압의 위상값을 실시간으로 측정하여 상기 역률 제어부로 출력한다.

상기 역률보상부는, 상기 교류 전원 공급부를 통해 입력되는 교류 전원의 역률을 소정 역률값으로 보상하게 된다. 상기 역률보상부는 통상의 역률보상부로 구성 작동되며, 상기 역률제어부의 작동 제어신호를 입력받아 상기 정류부의 출력 전압값이 목표 직류 전압값을 유지하도록 작동 제어된다. 바람직하게는, 상기 역률제어부가 상기 교류 및 직류 전원 측정부를 통해 교류 전압의 위상을 감지하고, 출력되는 직류 전압을 감지하며, 출력 전압값이 소정의 목표 전압값을 유지하도록 통상 역률보상 스위치의 스위칭 동작을 제어하게 되는데, 상기 역률 제어부는 입력되는 교류 전압의 위상이 제로크로싱 시점일때, 상기 역률보상부에 작동제어신호를 출력하고, 이 때의 신호에 의해서 역률보상 스위치가 온동작된다.

상기 역률보상부가 작동되면, 리액터부에는 입력 전압이 걸리고, 리액터부를 통과하는 전류의 위상은 선형적으로 상승하면서 전압 파형의 위상에 가깝게 조절되고, 이 때 정류부의 브릿지다이오드 및 평활캐패시터에 의해 정류된 직류 전압이 상기 주제어부를 통해 BLDC 모터로 공급된다. 상기 역률보상부에서 교류 전원의 역률을 소정의 역률값으로 보상하는 방법은 통상 널리 알려져 있는바, 구체적인 방법에 대한 설명은 생략한다.

상기 정류부는 상기 역률보상부의 작동을 통해 교류 전류의 위상이 선형적으로 상승하면서 전압 파형의 위상에 가깝게 조절되어 역률이 소정 역률값으로 보상된 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 변환시켜 소정 직류 전압값으로 상기 주제어부로 출력하게 된다.

상기 직류 전원 측정부는 상기 정류부를 통해 출력되는 직류 전원의 전압값을 실시간으로 측정하여 상기 역률 제어부로 출력하게 된다.

상기 역률 제어부는 상기 교류 전원 측정부로부터 교류 전원의 전류값, 전압값, 전류의 위상값 및 전압의 위상값을 입력받고, 상기 직류 전원 측정부로부터 상기 정류부의 출력 전압값을 입력받으며, 상기 주제어부로부터 구동 전류값을 입력받아, 상기 역률 보상부가 교류 전원의 역률을 소정 역률값으로 보상하도록 작동을 제어하고, 상기 정류부에 출력되는 전압을 제어하게 된다.

즉, 통상의 역률보상부는 회전구동되는 모터의 부하 상황과는 무관하게 고정된 출력전압만을 출력하도록 작동되는 반면, 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터는, 상기 역률 제어부에서, 회전자 위치측정 센서와 모터 구동부의 구동전류값 등을 통해 실시간으로 BLDC 모터의 구동상태를 모니터링하고 있는 상기 주제어부로부터 상기 BLDC 모터의 구동상태를 전달받아, 역률값은 90 ~ 95 %로 유지하면서 상기 BLDC 모터의 부하상태에 따른 구동 전류값 및 소비전력을 고려하여 상기 정류부의 출력 전압값을 최대한 낮게 유지할 수 있도록 상기 역률보상부의 작동을 제어함으로써, 상기 역률 보상부의 고전압 고정 출력에 따른 전력소비를 최소화할 수 있게 된다.

상기 역률보상부에 대한 상기 역률 제어부의 제어방법을 좀 더 설명하면, 상기 주제어부로부터 상기 BLDC 모터의 구동상태를 실시간으로 전달받는 상기 역률 제어부는, 상기 회전자 위치 측정센서에서 측정된 회전자 위치를 상기 주제어부로부터 입력받고, 입력받은 회전자 위치값이 소정시간 동안 고정된 값으로 측정되는 경우에 상기 BLDC 모터의 구동이 멈춘 것으로 판단하고, 상기 역률 보상부의 작동을 오프(OFF) 시키고, 상기 역률 보상부의 작동을 오프시킨 상태에서 상기 BLDC 모터가 구동하여 상기 회전자 위치값이 변동되는 경우에는 다시 상기 역률 보상부의 작동을 온(On)시킴으로써, 종래 모터가 멈춘 경우에도 지속적으로 역률 보상부가 작동되어 전력이 소비되는 것을 방지할 수 있도록 한다.

또한, 상기 역률제어부는, 상기 주제어부로부터 상기 BLDC 모터를 구동회전시키는 구동 전류값 및 소비전력값을 실시간으로 입력받아 상기 BLDC 모터의 역률값을 연산하고, 연산된 상기 BLDC 모터의 역률값 및 소비전력값이 각각 소정 역률값 및 소비 전력값에 도달되는 경우, 상기 역률보상부의 작동을 제어하여 상기 정류부의 출력전압을 소정 전압값으로 낮출 수 있다. 즉, 통상 모터의 경우, 가동 초기에는 역률값이 떨어져 상기 역률보상부를 지속적으로 작동시켜야 하나, 모터가 정격소비전력으로 정상 구동되는 경우에는 역률값이 높게 나타나므로, 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터는, 상기 역률제어부가 상기 BLDC 모터의 역률값 및 구동 전류값을 통한 상기 BLDC 모터의 소비 전력값을 실시간으로 연산하여 모니터링하고, 바람직하게는, 연산된 역률값이 94% ~ 96%이면서, 상기 BLDC 모터의 소비전력값이 상기 BLDC 모터의 정격 소비전력값으로 소정시간 유지되는 경우, 상기 역률제어부는 BLDC 모터가 정상운전 중에 있다고 판단하고, 상기 정류부에서 출력되는 전압값을 서서히 낮춤으로써, 전력 소모를 줄이게 된다.

바람직하게는, 상기 역률제어부는 상기 BLDC 모터의 회전 구동을 위한 목표 전압값과 상기 정류부에서 출력되는 전압값이 같아지는 경우나, 연산된 역률값이 90%인 경우에 출력 전압값 하강 제어를 멈추고, 상기 정류부에서 출력되는 전압값을 목표 전압값보다 10% 높은 전압값으로 서서히 상승 시키거나, 상기 연산된 역률값이 95%가 될 때까지 출력 전압값을 상승 제어하게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 소비전력저감형 BLDC 모터는, BLDC 모터의 구동 상태를 실시간으로 모니터링하고, BLDC 모터의 회전상태에 따라, 회전구동을 위해 BLDC 모터구동부로 출력되는 구동제어신호의 출력시간을 조정하여, 고속 회전에 따른 BLDC 모터의 소비전력을 저감할 수 있고, 고속 회전에 따른 진동 및 소음을 감소시킬 수 있으며,

또한, BLDC 모터의 역률을 실시간으로 보상 개선할 수 있고, BLDC 모터의 구동으로 나타나는 부하 변동에 따른 역률을 소정 범위내 역률값으로 유지시키면서 DC 출력전압을 조정할 수 있어 종래 고정된 고전압 출력에 따른 역률보상장치의 작동 소모 전력을 줄일 수 있으며, BLDC 모터가 정격 소비 전력에 근접하여 모터 운전 효율이 좋은 경우에는 역률보상장치의 DC 출력전압을 낮춰 모터 작동 소음을 줄이면서 역률보상장치의 작동 소모 전력을 최소화할 수 있고, BLDC 모터가 정지된 상태에서는 역률보상장치의 작동을 오프시켜 역률보상장치의 작동에 의한 전력낭비를 줄일 수 있게 된다.

위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명의 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 여러 다른 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.

따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함된다.

1, 1': 소비전력저감형 BLDC 모터
10 : 역률제어장치

Claims (3)

1. 3상의 모터구동신호를 외부로부터 입력받아 구동되는 BLDC 모터((Brushless DC Motor);
   상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 측정하여 외부로 출력하는 회전자 위치 측정센서;
   상기 BLDC 모터의 온도를 측정하여 외부로 출력하는 모터 온도 측정센서;
   외부로부터 구동제어신호를 입력받아 상기 BLDC 모터에 3상의 모터구동신호를 출력시켜 구동시키며, 구동 전류값을 외부로 출력하는 모터구동부;
   상기 모터구동부로부터 상기 BLDC 모터의 구동 전류값을 입력받으며, 상기 회전자 위치 측정센서로부터 상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 입력받고, 상기 온도 측정센서로부터 상기 BLDC 모터의 온도를 입력받으며, 상기 구동 전류값, 회전자 위치 및 온도를 입력받은 후, 소정 출력시간이 경과된 이후에 상기 모터구동부로 구동제어신호를 출력하는 주제어부를; 포함하여 구성되고,
   
   상기 모터구동부는,
   상기 주제어부로부터 구동제어신호를 입력받고, 상기 입력받은 구동제어신호에 따라 게이트 신호를 생성하는 게이트 신호 생성부; 및, 상기 게이트 신호 생성부에서 생성된 게이트 신호에 따라 상기 BLDC 모터에 3상의 모터구동신호를 출력하여 구동시키는 모터구동소자를; 포함하여 구성되며,
   
   상기 주제어부는,
   상기 회전자 위치 측정센서로부터 입력받은 측정값을 통해 위치 측정한 상기 BLDC 모터의 회전자의 현재속도값을 연산한 후 저장하며, 연산 저장된 상기 현재속도값이 지령속도값을 추종하게 지령전류값을 연산하며, 연산된 상기 지령전류값을 통해 구동제어신호를 생성하고, 상기 현재속도값이 전 단계에서 연산 저장된 속도값보다 빠른 경우에는, 생성된 상기 구동제어신호를 전 단계 출력시간 보다 소정시간 빠르게 상기 모터구동부로 출력하며, 상기 현재속도값이 전 단계에서 연산 저장된 속도값보다 느린 경우에는, 생성된 상기 구동제어신호를 전 단계 출력시간 보다 소정시간 느리게 상기 모터구동부로 출력하는 것을 특징으로 하는 소비전력저감형 BLDC 모터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 주제어부는,
   상기 모터구동부로부터 입력받은 구동 전류값을 통해 상기 BLDC 모터의 현재 소비전력값을 연산한 후 저장하고, 연산된 현재 소비전력값이 전 단계에서 연산 저장된 소비전력값보다 큰 경우에는, 전 단계 출력시간과 동일한 시간 경과된 후에 상기 구동제어신호를 상기 모터구동부로 출력하는 것을 특징으로 하는 소비전력저감형 BLDC 모터.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   교류 전원 공급부로부터 교류 전원을 입력받아 교류 전원의 전류값, 전압값, 전류의 위상값 및, 전압의 위상값을 실시간으로 측정하여 외부로 출력하는 교류 전원 측정부;
   상기 교류 전원 공급부를 통해 입력되는 교류 전원의 역률을 소정 역률값으로 보상하는 역률보상부;
   상기 역률보상부로부터 역률이 소정 역률값으로 보상된 교류 전원을 직류 전원으로 변환시켜 상기 주제어부로 출력하는 정류부;
   상기 정류부를 통해 출력되는 직류 전원의 전압값을 실시간으로 측정하여 외부로 출력하는 직류 전원 측정부;
   상기 교류 전원 측정부로부터 교류 전원의 전류값, 전압값, 전류의 위상값 및, 전압의 위상값을 입력받고, 상기 직류 전원 측정부로부터 직류 전압값을 입력받으며, 상기 주제어부로부터 구동 전류값을 입력받고, 상기 역률 보상부가 교류 전원의 역률을 소정 역률값으로 보상하도록 작동을 제어하며, 상기 정류부에서 출력되는 전압을 제어하는 역률 제어부를; 더 포함하여 구성되고,
   
   상기 역률 제어부는,
   상기 주제어부로부터 구동 전류값을 실시간으로 입력받아 상기 BLDC 모터의 소비전력값 및 역률값을 연산하고, 연산된 상기 BLDC 모터의 역률값 및 소비전력값이 각각 소정 역률값 및 소비전력값에 도달되는 경우, 상기 역률 보상부의 작동을 제어하여 상기 정류부의 출력전압을 소정 전압값으로 낮추는 것을 특징으로하는 소비전력저감형 BLDC 모터.

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