KR20230024430A - 브러시리스 dc(bldc) 모터용 직접 구동 시스템 - Google Patents

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KR20230024430A
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motor
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폴 프라이스
슈무엘 벤 야코브
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아이알피 넥서스 그룹 리미티드
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Abstract

분리된 코일을 갖는 BLDC 모터에 구동력을 직접 제공하기 위한 회로로서, 분리된 코일 각각에 전류를 공급하기 위한 단극 제어 전류원; 단극 제어 전류원의 레벨 및 위상을 제어하기 위한 컨트롤러; 및 단극 전류를 분리된 코일에 공급되는 바이폴라 (AC)전류로 변환하기 위한 극성 스위치를 포함하는 BLDC 모터에 구동력을 직접 제공하기 위한 회로가 제공된다. 컨트롤러는 극성 스위치를 통해 전류원에 의해 BLDC 모터에 공급되는 전류를, 분리된 코일에서 감지된 역기전력과 동위상이 되도록 그리고 필요한 토크에 해당하는 크기로 형성하도록 조정된다.

Description

브러시리스 DC(BLDC) 모터용 직접 구동 시스템
본 발명은 DC 모터 구동 시스템 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 DC 모터 구동장치의 효율적인 양방향 전력 전송 및 정확한 위상 보정을 수행하기 위한 방법 및 회로에 관한 것이다.
브러시리스 모터에는, 회전자의 일부인 영구 자석 및 고정자의 일부인 여러 둘레 코일이 존재한다. 코일이 활성화되면, 생성된 자기장은 회전을 시작 및 유지하기 위해 회전자 자석의 극 중 일부를 끌어당기고/민다. 그 다음, 다음 코일이 활성화가 계속된다. 도 1(종래 기술)은 영구 자석이 중앙에 있고, 제어 전자석으로 기능하는 여러 코일로 둘러싸인 모터를 도시한다. 도 2(종래 기술)는 영구 자석이 중심에 있고 영구 자석으로 둘러싸인 제어 전자석으로 기능하는 여러 코일이 있는 모터를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 스타(star) 및 삼각형 모터 토폴로지(topology)를 도시한다. 대부분의 모터는 기생 순환 전류(parasitic circulating current)를 가질 수 있는 삼각형 구성보다 전력 손실이 적은 스타 토폴로지로 구현된다. 일반적으로, 모터의 모델은, 도 4에 도시된 바와 같이, 인덕터(L), 저항(R) 및 인덕터가 영구 자석을 통과할 때(회전을 통해) 생성되는 기전력(EMF)을 나타내는 전압원의 직렬 연결로 구성된, 3개의 등가 회로의 스타 연결로 설명될 수 있다. EMF의 크기는 회전자의 회전 속도에 따라 달라진다. 따라서, 인가 전압을 높이면(점 A, B, C에서) 회전자의 회전 속도가 증가한다.
도 5(종래 기술)는 필요한 전압(A, B, C) 및 위상차를 생성하는 인버터를 사용하는 일반적인 모터 구동 회로를 도시한다. 이 접근 방식의 단점은, 최대 효율을 위해 요구되는 바와 같이, 전류가 역기전력(back EMF)(도 6 참조)과 위상이 같을 때, 최대 역기전력, 따라서 모터 속도가 항상 입력 전압(Vin)(도 5 참조)보다 상당히 낮다는 것이다. 결과적으로, 높은 모터 속도가 요구되는 경우, 즉 높은 역기전력(back EMF)이 요구될 때, 높은 무효(reactive) 전류의 생성으로 인해 높은 전력 손실 및 따라서 낮은 효율을 유발하는 것으로 당업계에 알려진 약계자 제어(Field Weakening Control)를 구현할 필요가 있다.
위에서 지적한 높은 모터 속도에서 기존 스타 연결 방식의 단점에 대해 가능한 해결책은, 도 7에 묘사된 바와 같이, 분리된 코일을 사용하는 것이다. 이 경우, 인버터가 2 개의 코일에 전력을 직렬로 공급하는 반면, 분리된 코일의 경우 인버터가 각 코일에 전체 사용 가능한 전압을 공급할 수 있는 기존 스타 연결(도 5 참조)과 비교하여 훨씬 더 높은 역기전력을 인버터에서 수용할 수 있다. 그러나 이 접근법의 단점은 기존의 3상 인버터(도 5 참조)와 비교할 때 두 배의 스위치(3개의 풀 브리지)가 필요하다는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 방법보다 높은 모터 속도에서 더 효율적인 모터 구동 및 모터 구동의 위상 수정을 위한 방법 및 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전류가 역기전력의 모양과 정확히 일치하는 효율적인 모터 구동을 위한 방법 및 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 설명이 진행됨에 따라 명백해질 것이다.
BLDC 모터에 구동력을 직접적으로 제공하는 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 개별 코일을 갖는 BLDC 모터를 제공하는 단계;
b) 각각의 분리된 코일에 단극 제어 전류원을 제공하는 단계;
c) 단극 제어 전류원의 레벨 및 위상을 제어하기 위한 컨트롤러를 제공하는 단계; 및
d) 단극 전류를 분리된 코일에 공급되는 양극 (AC)전류로 변환하고, 양방향 작동을 가능하게 하는 극성 스위치를 제공하는 단계.
컨트롤러는 극성 스위치를 통해 전류원에 의해 모터에 공급되는 전류를 형성(shape)하고, 분리된 코일에서 감지된 역기전력과 위상이 같도록 하고, 필요한 토크에 해당하는 크기가 되도록 조정(adapted)된다.
컨트롤러에는 분리된 코일을 통과하는 전류를 제어하기 위해 특정 모터의 역기전력 값을 나타내는 데이터 파일, 방정식 또는 룩업 테이블(look up table)이 제공될 수 있다.
상기 방법은 하기 단계를 더 포함할 수 있다:
a) 분리된 코일을 갖는 BLDC 모터를 제공하는 단계;
b) 분리된 코일에 공급되는 입력 전압의 레벨과 위상을 제어하는 컨트롤러를 제공하는 단계;
c) 컨트롤러에 의해 결정된, 각 입력 전압에 대해 원하는 타이밍에 위상 분리된 입력 전압을 각각의 분리된 코일에 인가하기 위한 출력을 제어 인버터에 제공하는 단계;
d) 제어 인버터에 전력을 공급하기 위한 전원을 제공하는 단계;
각각의 분리된 코일에 대해:
e) 분리된 코일을 통과하는 전류를 제어하기 위해, 특정 모터의 역기전력 값을 나타내는 데이터 파일, 방정식 또는 룩업 테이블을 제어 유닛에 제공하는 단계;
f) 미리 결정된 요건을 충족하는 단극 전류를 생성하기 위해, 제어 유닛으로부터의 분리 코일에 대한 명령 신호에 따라, 전류원을 통과하는 단극 전류를 생성하는 제어 전류원을 제공하는 단계;
g) 제어 전류원의 전류가 역기전력이 양(+)일 때 한 방향으로 흐르고, 역기전력이 음(-)일 때 다른 방향으로 흐르게 하기 위한 극성 스위치를 제공하는 단계;
h) 코일의 전류를 측정하는 단계;
i) 모터의 회전자 위치(φ)를 측정하고 룩업 테이블로부터 해당 역기전력을 획득하는 단계;
조정되는 각각의 제어 유닛에 대해;
j) 주어진 위치에서 역기전력에 해당하는 필요한 전류를 계산하는 단계; 및
k) 전류원에 의해 생성된 전류가 역기전력을 정확히 동일한 크기, 동일한 모양 및 동일한 위치로 일치시키도록 제어 전류원에 명령 신호를 적용하여 해당 코일을 강제로 구동하는 단계.
모터의 역기전력은 외부에서 회전자를 회전시키고 각 회전자 위치에 대한 하나의 코일의 전압을 측정하고, 그에 의해 모터의 역기전력을 매핑함으로써 측정될 수 있다.
모터의 역기전력은 코일이 회전자의 회전도의 함수로 보는 전압의 시뮬레이션을 통해 얻어질 수 있다.
각각의 측정된 위치에 필요한 전류 모양은 룩업 테이블로부터 얻어질 수 있다.
전류의 크기는 필요한 전력에 따라 결정될 수 있지만, 전류의 모양은 동일하게 유지된다.
극성 스위치는 코일 앞이나 뒤에 배치될 수 있다.
상기 방법은 하기 단계를 더 포함할 수 있다:
a) 코일의 전류를 측정하는 피드백 신호를 사용하는 단계; 및
b) 피드백 신호에 따라 최적의 작동을 달성하기 위해 필요한 전류가 되도록 전류를 강제하는 단계.
매우 높은 주파수에서 작동하는 하프 브리지(half-bridge)와 하프 브리지의 스위치 전환을 필터링하고 코일에 원활한 전류를 공급하기 위한 저역 통과 필터를 사용할 수 있다.
극성 스위치를 구현하는 트랜지스터는 매우 낮은 주파수에서 작동할 수 있다.
2개의 하프 브리지는 멀티레벨(multilevel) 구성을 사용하여 구현될 수 있으며, 여기서 스위치는 커패시터(C)에 연결되며, 커패시터 양단의 전압은 전압의 절반이다.
높은 전력이 필요할 때마다, 여러 유닛을 병렬로 연결하여 인터리브 구성으로 유닛을 작동시킴으로써 인터리브 구성을 사용할 수 있다.
극성 스위치는 하프 브리지 또는 풀 브리지를 사용하여 구현될 수 있다.
제어 전류원은 하프 브리지 또는 풀 브리지를 사용하여 구현될 수 있다.
인터리브 구성은 다중 위상(multiphase) 인터리브 구성 또는 멀티레벨 인터리브 구성일 수 있다.
저역 통과 필터는, 저역 통과 필터의 캐패시터 양단의 전압이 더 낮은 전압 전이(dV/dt)를 갖도록, 하프 브리지에서 높은 전이를 필터링하는 데 사용될 수 있다.
분리된 코일을 갖는 BLDC 모터에 구동력을 직접 제공하기 위한 회로는 다음을 포함한다:
a) 각각의 분리된 코일에 전류를 공급하기 위한 단극 제어 전류원;
b) 단극 제어 전류원의 레벨과 위상을 제어하기 위한 컨트롤러; 및
c) 단극 전류를 양극 (AC)전류로 변환하고, 분리된 코일에 공급되는 극성 스위치.
컨트롤러는 극성 스위치를 통해 전류원에 의해 BLDC 모터에 공급되는 전류를 분리된 코일에서 감지된 역기전력과 위상이 같고 필요한 토크에 해당하는 크기로 형성하도록 조정될 수 있다.
회로는 다음을 포함할 수 있다:
a) 분리된 코일에 공급되는 입력 전압의 레벨 및 위상을 제어하는 컨트롤러;
b) 컨트롤러에 의해 결정된 각 입력 전압에 대해 원하는 타이밍에 위상 분리된 입력 전압을 각각의 분리된 코일에 인가하기 위한 출력을 갖는 제어 인버터;
c) 제어 인버터에 전력을 공급하기 위한 전원;
여기서 각각의 분리된 코일은 다음을 포함하고:
d) 분리된 코일을 통과하는 전류를 제어하기 위해, 특정 모터의 역기전력 값을 나타내는 데이터 파일, 방정식, 또는 룩업 테이블이 있는 제어 유닛;
e) 미리 결정된 요건을 충족하는 단극 전류를 생성하기 위해, 제어 유닛으로부터의 분리 코일에 대한 명령 신호에 따라, 전류원을 통과하는 단극 전류를 생성하는 제어 전류원;
f) 제어 전류원의 전류를, 역기전력이 양(+)일 때 한 방향으로 흐르게 하고, 역기전력이 음(-)일 때 다른 방향으로 흐르게 하는 극성 스위치,
g) 코일의 전류를 측정하는 단계; 및
h) 모터의 회전자 위치(φ)를 측정하고 룩업 테이블로부터 해당 역기전력을 획득하는 단계.
각 제어 유닛은 다음 단계를 수행하도록 조정될 수 있다:
a) 주어진 위치에서 역기전력에 해당하는 필요한 전류를 계산하는 단계; 및
b) 전류원에 의해 생성된 전류가 역기전력을 정확히 동일한 크기, 동일한 모양 및 동일한 위치로 일치시키도록, 제어 전류원에 명령 신호를 적용하여 해당 코일을 강제로 구동하는 단계.
본 발명의 상기 및 기타 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 아래의 예시적이고 비 제한적인 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다.
도 1(종래 기술)은 영구 자석이 중앙에 있고, 제어되는 전자석으로 기능하는 여러 개의 코일로 둘러싸인 3극 모터를 도시한다.
도 2(종래 기술)는 제어 전자석으로 기능하는 여러 개의 코일이 영구 자석에 의해 둘러싸여 중앙에 있는 모터를 도시한다.
도 3a 및 3b(종래 기술)는 각각 스타 및 삼각형 모터 토폴로지를 도시한다.
도 4(종래 기술)는 스타 연결로 예시될 수 있는 모터의 모델을 도시한다.
도 5(종래 기술)는 필요한 전압과 위상차를 생성하는 인버터를 사용하는 일반적인 제어 회로를 도시한다.
도 6(종래 기술)은 전류와 전압이 서로 일치하여 그 형태가 정확히 동일한 이상적인 경우를 도시한다.
도 7(종래기술)은 분리된 코일을 사용하는 경우를 도시하며, 이는 분리된 코일을 제어하는 더 좋은 방법이 있다는 장점을 갖는다.
도 8(종래 기술)은 분리된 코일에 대한 등가 회로에 대한 것을 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 직접 구동 시스템의 블록도를 도시한다.
도 10은 극성 스위치가 코일의 다른 쪽에 배치되는, 본 발명의 또 다른 실시형태를 도시한다.
도 11a 내지 11e는 본 발명의 일 실시형태에 따른 구동 시스템의 구현을 도시한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 구현을 도시한다.
도 13a 및 13b는 인터리브 모드에서 작동될 수 있는, 병렬로 연결된 여러 하프 브리지를 도시한다.
도 14는 스위치가 2 개의 하프 브리지를 구현하는 멀티레벨 구성의 실시형태를 도시한다.
도 5(종래 기술)는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)에 의해 제어되는 3상 인버터가 스타 연결 모터의 코일에 공급되는 AC 전압을 생성하는 BLDC 모터를 구동하는 고전적인 방법을 도시한다.
도 6(종래 기술)은 전류와 전압이 서로 일치하여 그 형태가 정확히 동일한 이상적인 경우를 도시한다. 이 경우, 전압과 전류 사이에는 완벽한 상관관계(중첩)가 있으므로, 전류가 전압과 상관관계가 없고 실제 전력에 기여하지 않는 상황은 없다. 따라서 역기전력의 모양이 다르면, 전류도 달라지는 것이 바람직하다.
도 7(종래기술)은 분리된 코일을 사용하는 경우를 도시한 것으로, 이는 이를 제어하는 더 좋은 방법이 있다는 장점을 갖는다. 분리된 코일을 사용하면, 주어진 DC 전압에 대해 동등한 더 높은 전압이 코일에 부과될 수 있기 때문에 더 빠른 속도를 가질 수 있다. 예를 들어, 스타 연결에는 직렬로 연결된 2 개의 분기(branch)가 있다. 이에 반해, 분리된 코일을 사용하면, 각 분기(각 코일)가 자체적으로 구동되기 때문에 장점이 있다. 그러나 종래 기술의 접근 방식에서, 이러한 코일 분리 방법은 기존의 3상 인버터(도 5 참조)와 비교하여 높은 스위칭 주파수에서 작동하는 두 배의 스위치(3개의 풀 브리지)를 필요로 한다.
도 8(종래 기술)은 분리된 코일의 경우 등가 회로가 우측의 역기전력(E), 중앙의 임피던스(Z) 및 좌측의 인버터에 의해 생성되는 등가 입력(Vin)임을 도시한다. 최적으로 작동하기 위해서, 역기전력의 모양과 정확히 대응하도록 전류를 정형할 필요가 있음을 알 수 있다. 그러나 Vin과 E 사이에 임피던스(Z)가 있다는 사실은 전압(Vin)이 역기전력과 정확히 같지는 않지만 달라야 한다는 것을 의미한다. 최종 결과가 역기전력에 정확히 대응하는 전류가 되도록 차이를 조절해야 한다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 직접 구동 시스템(100)의 블록도를 도시한다. 이 시스템은 BLDC 모터에 분리된 코일(A, B, C)을 공급하고 배터리 또는 임의의 다른 전원과 같은 제어 전원(111)과 코일(A)(VCA)를 공급하기 위한 단극 제어 전류원(112)을 포함한다. 상기 전류의 모양 및 크기는, 각각의 분리된 코일이 주어진 소정의 요건을 충족하는 단극 전류를 생성하기 위해, 제어 유닛(단극 전류원의 레벨과 위상을 제어하기 위한 컨트롤러로 사용됨)으로부터의 명령 신호에 따라, 전류원을 통과하는 단극성 전류를 생성하도록 제어 유닛(113)에 의해 강제된다. 컨트롤러는 전류원에 의해 모터에 공급되는(극성 스위치를 통해) 전류를 형성하고, 분리된 코일에서 감지된 역기전력과 위상이 같아지고, 필요한 토크에 대응하는 크기로 된다.
전원 공급 장치가 DC 공급 장치이고 DC 공급 장치에서 나오는 전류가 한 방향이어야 하기 때문에, 이 전류는 단극성이다. 예를 들어 전원이 위쪽 단자에 양(+)이면, 양(+)의 전력이 요구되기 때문에 항상 이 단자에서 전류가 나가야 한다. 따라서 이 컨트롤러가 생성하는 전류는 플롯(114)(항상 양(+)의 프로파일을 가짐)에 도시된 것처럼 항상 양(+)이다.
반면에 모터는 양(+) 및 음(-)의 역기전력 전압을 생성하므로, 모터의 극성(양(+) 및 음(-)인 모터의 역기전력)에 전류를 일치시킬 필요가 있다. 이를 위해 극성 스위치(115)가 사용되는데, 역기전력이 양(+)이면 극성 스위치(115)는 전류를 한쪽 방향으로 흐르게 하고, 역기전력이 음(-)이면 극성 스위치(115)는 전류를 다른 방향으로 흐르게 하므로, 전원은 항상 양(+)이다. 극성 스위치와 제어 전류원은 하프 브리지 또는 풀 브리지(full bridge)를 사용하여 구현될 수 있다.
전력은 전류와 전압의 곱이기 때문에, 전압이 양(+)이면 전류는 양(+)으로 되어야 하고, 전압이 음(-)이면 전류는 음(-)이어야 한다(AC 구동이기 때문). 플롯(116)은 하나의 코일(코일 A)을 통과하는 전류를 도시한다. 이 예에서, 서브시스템(117a)(제어 전원(111) 및 극성 스위치(115)로 구성됨)은 코일 A에 필요하다. 마찬가지로, 유사한 서브시스템(117b, 117c)도 코일 B 및 C에 각각 필요하다.
원하는 결과를 얻기 위해서는 다음이 필요하다:
- 코일 A의 전류 Ia를 측정하거나 제어 전류원 이후의 전류를 측정해야 한다. 제어 전류원(111)이 단지 양(+)(DC)인 반면 코일 전류는 극성 스위치에 의해 반전된 후라는 점을 제외하면, 기본적으로 동일한 전류이다. 따라서 코일 전류는 양(+) 또는 음(-)(AC)이므로, 측정된 전류는 항상 코일의 전류이다.
- 모터의 위치(φ로 표시)를 측정해야 하며, 역기전력 컨트롤러는 다른 코일 (Ib, Ic)로부터 정보를 수신한다.
제어 유닛(113)은 적어도 데이터 파일, 방정식 또는 룩업 테이블, 이 특정 모터의 역기전력 값을 나타내는 파일 또는 룩업 테이블을 포함한다. 데이터는 분리된 코일을 통과하는 전류를 제어하는 데 사용된다. 이 역기전력 값은 회전자를 외부에서 회전시키고 한 코일의 전압을 측정함으로써 이러한 유형의 모터에 대해 먼저 측정할 수 있다. 이 측정은 전류가 흐르지 않기 때문에 역기전력을 나타낸다(개방 회로임). 외부 메커니즘으로 모터를 회전시키고 코일의 전압을 측정할 수 있다. 이 회전을 통해 모터의 역기전력을 매핑할 수 있다.
대안적으로, 모터를 설계하여 시뮬레이션으로 수행할 수 있다. 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있는 설계 단계 중 하나는 코일이 회전자의 위상각(위치)의 함수로 보는 전압인 역기전력이다. 이것은 코일이 회전자의 회전도의 함수로 보는 전압이다. 이것은 위의 도 6에 도시된 사다리꼴 유형의 곡선이다.
EMF 대 회전자 위치 테이블을 얻는 또 다른 방법은 실행 중 적어도 하나의 열린 단자로 코일 전압을 측정하는 것이다. 이는 모터가 작동 중일 때 단자 중 적어도 하나를 분리하고 코일의 개방 회로 전압을 측정함으로써 수행된다.
회전자의 위치를 알면, 룩업 테이블에서 해당 역기전력을 얻을 수 있다. 회전자의 위치와 역기전력의 순간 값을 알면, 주어진 지점에서 역기전력에 해당하는지 확인하기 위해 필요한 전류를 계산할 수 있다. 즉, 위치를 알면, 역기전력도 알 수 있으므로, 구동을 강제할 수 있기 때문에(VCA를 적용하여), 전류가 역기전력을 정확히 동일한 크기, 동일한 모양 및 동일한 위치로 일치시킬 것이다.
이 프로세스는 각 코일에 대해 자동 및 연속적으로 수행된다. 위치(φ)이 측정되고, 측정된 위치에 필요한 전류 모양이 룩업 테이블로부터 취해지거나 곡선 적합 방정식으로 계산된다. 전류의 위상각은 회전자의 위치에 따라 달라지지만, 크기는 필요한 토크에 따라 달라진다: 더 높은 토크가 필요한 경우 전류의 모양은 같지만 크기는 더 커진다. 그 다음 주어진 각 위치에 대해, 전류가 역기전력과 일치하도록 구동 신호가 무엇이어야 하는지 계산할 수 있다. 나머지 코일 B와 C에 대해서도 동일한 과정을 동시에 수행한다. 전류의 크기는 필요한 전력에 의해 결정되며, 전류의 모양은 동일하게 유지된다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명의 제어 방법은, 모터가 가속 또는 연속적으로 작동하는 경우뿐만 아니라 모터가 감속하는 경우, 즉 차단 상황에 있는 경우 모두 적용 가능하다. 후자의 경우, 전류의 방향이 역전되어 전력이 전원으로 되돌아간다.
도 10은 본 발명의 다른 실시형태를 도시한 것으로, 이는 극성 스위치(115)가 코일 A의 타측에 위치하는 것을 제외하고는, 도 9의 실시형태와 매우 유사하다. 이 경우, 극성 반전은 하프 브리지를 형성하는 Q3 및 Q4(도 11)에 의해 수행된다. Q4가 켜지면 전류가 좌측에서 우측으로 흐른다. Q3이 켜지면 전류는 전원(Vin)으로부터 코일로, 즉 우측에서 좌측으로 흐른다.
도 11의 스위치 반전 실시형태의 이점은 극성 스위칭을 위해 단지 2개의 스위칭이 필요하다는 것이다. 대조적으로, 도 10에 나타낸 바와 같은 종래의 극성 스위치는 풀 브리지, 즉 4 개의 스위치를 필요로 할 것이다.
종래 기술에 비해 본 발명의 장점은 역기전력의 모양에 전류를 정확히 일치시킬 수 있다는 점이다. 역기전력은 사다리꼴 모양, 삼각형 모양 등과 같은 다양한 모양일 수 있다.
모터의 위치(φ)의 함수로서 특정 모터 유형의 회전자 각도(φ)(이 유형에 대해 수행된 매핑으로 인해)의 함수로서 역기전력이 정확히 무엇인지 알고 있다. 따라서 이제 역기전력 데이터, 현재 위치(φ) 및 전류를 코일(A)에서 측정하는 피드백 신호(IA)를 사용하고, 전류가 최적의 작동을 달성하는 데 필요한 전류가 되도록 강제하는 피드백 신호(IA)를 사용함으로써, 필요한 모양, 필요한 시간 및 필요한 위치에 정확히 있는 전류를 생성할 수 있다. 모터의 회전자 위치(φ)를 측정하고 해당 역기전력을 상기 룩업 테이블에서 얻는다.
모터의 역기전력은 회전자를 외부에서 회전시키고 각 회전자 위치에 대한 하나의 코일의 전압을 측정함으로써 측정된다. 이렇게 하면 모터의 역기전력이 매핑된다.
각 제어 유닛은 임의의 주어진 위치에서 상기 역기전력에 해당하는 필요 전류를 계산하고, 제어 전류원에 명령 신호를 적용함으로써 해당 코일을 강제로 구동하여, 전류원에 의해 생성된 전류는 역기전력을 정확히 동일한 크기, 동일한 모양 및 동일한 위치로 일치시킬 것이다.
따라서, 본 발명의 이점은 전류가 특정 역기전력에 따라 형성된다는 점이다. 유사하게, 코일 B 및 C의 제어 유닛(112)은 필요한 구동 명령 VCB 및 VCC를 각각 코일 B 및 C의 제어 전류원(112)에 제공한다.
3 개의 분리된 코일로 모터를 구동하려면, 3 개의 풀 브리지 인버터가 필요하다. 3 개의 인버터 또는 3상 인버터를 사용하는 기존 방식은 주어진 주파수에서 PWM으로 실행하는 것이다. 손실은 회로의 저항과 인버터의 스위칭 손실로 인한 함수이다. 더 높은 주파수에서 변조가 수행되면, 스위칭 손실이 더 높아진다. 일반적으로, 낮은 주파수(예를 들어, 1 KHz에서의 변조)에서 파형에 허용할 수 없는 리플(ripple)이 있기 때문에, 높은 주파수에서 변조할 필요가 있다. 따라서 낮은 리플을 갖기 위해서는 높은 주파수에서 변조할 필요가 있다. 하프 브리지 극성 반전으로 구현될 때, 본 발명의 이점은 위상 반전 하프 브리지가 PWM 변조 주파수보다 훨씬 낮은 모터의 전기 주파수에 해당하는 낮은 주파수에서 작동해야 한다는 것이다. 결과적으로 하프 브리지 위상 반전 회로 구현에 더 간단하고 저렴한 스위치를 사용할 수 있다.
전원에 의해 공급되는 제어 인버터(출력 포함)는 컨트롤러에 의해 결정되는 각 입력 전압에 대해 원하는 타이밍에 개별 코일 각각에 위상 분리된 입력 전압을 적용하는 데 사용된다.
요즘에는 고주파용 스위치가 있지만, 매우 높은 전압 전이(높은 dV/dt)에 노출되면, 모터 자체가 손상될 수 있다는 또 다른 문제가 있다. 그 이유는 높은 전압 전이가 코일 권선의 코로나 및 전압 파괴를 유발하고 그에 따라 모터 수명이 단축되기 때문이다.
기존 구동장치에는 몇 가지 문제가 있다. 실리콘 카바이드(SiC) 또는 질화갈륨(GaN) 스위치가 고주파에서 작동할 수 있지만 편리하게 사용될 수 없는데, 그 이유는 매우 빠른 전압 전이(높은 dV/dt)가 발생하므로 코로나 축적 및 고장으로 인해 모터가 손상될 수 있기 때문이다.
도 11a 내지 도 13e는 본 발명의 일 실시형태에 따른 구동 시스템의 구현을 도시한다. 도 11a는, Q1과 Q2가 매우 높은 주파수에서 작동하는 하프 브리지인 기본 구현을 도시한다. Lf 및 Cf로 표시되는 저역 통과 필터는 Q1 및 Q2의 매우 높은 전이를 필터링하는 데 사용되어 커패시터(Cf) 양단의 전압이 더 낮은 전압 전이(더 낮은 dV/dt)를 갖도록 한다. 장점은 모터의 코일 권선이 높은 dv/dt에 노출되지 않고 하프 브리지가 고 주파수에서 작동할 수 있다는 것이다. 주파수가 높을수록 필터 코일의 인덕턴스와 커패시터의 커패시턴스가 점점 작아지기 때문에, 필터를 작게 할 수 있다. 중단점(breakpoint)이 더 높을 수 있으므로, 더 낮은 인덕턴스와 커패시턴스가 필요하다. 저역 통과 필터는 하프 브리지 스위치의 전환을 필터링하고 저역 통과 필터의 커패시터 양단의 전압이 더 낮은 전압 전이(dV/dt)를 갖도록 코일에 부드러운 전류를 공급한다.
모터의 코일에 공급되는 필터링된 전류의 극성은 극성 스위치(115)를 구현하는 데 사용되는 Q3 및 Q4에 의해 제어된다. 도 11b는, Q4가 켜지고(도통) Q3이 꺼질 때(비 도통), 등가 회로를 도시한다. 이러한 상황에서, 모터의 코일은 실제로 한쪽이 접지에 연결된다. Q1과 Q2가 전환되면, 도 11c에 묘사된 바와 같이, 전류가 변조기로부터 접지로 흐르는 동안 전압을 제어할 수 있다.
이는 배터리(전원)의 전압(Vin)이 접지에 대해 양(+)이기 때문에(한 쪽은 접지에 연결됨), 변조에 의해 생성된 전압은 접지에 대해 양(+)이므로 전류 방향은 좌측으로부터 우측으로 된다.
도 11d는 Q3이 켜지고(도통)하고 Q4가 오프(비 도통)인 상태를 도시한다. 이 상태에서 코일은 입력 전압의 양극 단자에 연결되어 시스템의 고전압에 연결된다. 따라서 Q1과 Q2를 스위칭할 때마다, 코일의 우측에 있는 전압이 더 높으므로, 도 1e의 그래프에 도시된 바와 같이, 전류의 방향은 우측으로부터 좌측으로 된다. 이것은 극성 스위치를 구현한다.
이 구현의 장점은, 코일이 전류의 저주파 성분만 수신하도록, 고주파 변조(스위칭)를 사용하고 고주파 트랜지스터를 활용하여 필요한 모양과 크기로 전류를 생성할 수 있다는 것이다. 그 다음 Q3 및 Q4는 모터의 전기적 주파수를 위한 것이기 때문에 상대적으로 낮은 주파수에서 작동한다. 예를 들어, 1,000 RPM(분당 회전수)으로 작동하는 모터가 있다. 주파수는 초당 약 16 Hz이며, 극의 수에 따라 전기 주파수는 더 높을 수 있는데, 그 이유는 극이 많아질수록 전기 구동 장치의 회전당 사이클 수가 증가할 필요가 있기 때문이다. 예를 들어 극이 5극 또는 8극이면, 주파수는 수백 Hz가 된다. 이 경우, 모터는, 100 KHz일 수 있는, Q1 및 Q2 스위칭의 매우 높은 주파수와 비교하여 낮은 주파수에서 전류를 수신한다.
이 경우, Q3 및 Q4는 I GBT와 같은 저주파 트랜지스터일 수 있다. 그 이유는 실제로 스위칭 손실이 없기 때문이다(스위칭이 매우 낮은 주파수에 있기 때문). 이 구성을 사용하면 고주파에 적합하고 호환 가능한 트랜지스터로 고주파에만 Q1 및 Q2를 사용하여 Q3 및 Q4의 스위칭 손실을 절약할 수 있다. 이렇게 하면, 모터가 원하지 않는 고전압 전이 및 고주파 구성 요소에 노출되지 않아 고주파에서 구형파(square wave) 전압에 노출될 경우 손실이 발생하고 모터가 손상될 수 있다.
본 발명에 따른 구동 시스템의 작동에 대한 상기 설명은 모터의 가속 및 정속(constant speed)에 관한 것이지만, 감속(차단)의 경우에도 동일하게 적용된다.
도 12는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 구현을 도시한다. 이 실시형태에서, 고 전력이 필요한 경우, 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 여러 개의 하프 브리지가 병렬로 연결될 수 있고, 인터리브 모드로 작동될 수 있다. 각각은 유닛의 수를 나타내는 n으로 나눈 전류의 일부만 전달한다. 순 리플(net ripple)이 낮아지므로 실제로 더 작은 인덕터를 사용할 수 있다.
각 인덕터는 리플이 높지만, 조합되면 전체 리플이 낮아진다. 따라서 인터리빙으로 인한 고주파 리플로 인해 고주파를 "인식"하기 때문에 인덕터는 훨씬 더 작을 수 있고 커패시터도 작을 수 있다.
도 14는 스위치 Q11, Q12, Q21 및 Q22가 각각 커패시터(C)에 연결된 2개의 하프 브리지를 구현하는 멀티레벨 구성을 갖는 실시형태를 도시한다. C 양단의 전압은 전압의 절반이므로, 더 낮은 전압의 트랜지스터를 사용하여 입력에서 높은 전압을 가질 수 있다. 예를 들어 GaN과 같은 최신 트랜지스터는 약 400 V 미만에서 작동하도록 제한되기 때문에 이것은 매우 중요하다.
많은 애플리케이션에서 전력 수요가 증가하기 때문에, 전류가 너무 높거나 매우 높지 않도록 하기 위해 높은 배터리 전압으로 전환해야 하는 요건이 있다. 따라서 전력을 절약하기 위해 전류가 낮아진다. 현재 추세는 예를 들어 800 V 배터리를 사용하는 고성능 자동차로 확대되는 것이다. 이 경우, GaN 트랜지스터를 사용할 수 없다. 그러나 멀티레벨 구성이라고 하는 이 구성에서, 각 하프 브리지는 전압의 절반만 "인식"한다. 따라서 스위칭하는 동안 회로는 벅(Buck) 컨버터(인덕터)처럼 작동한다.
대칭 및 원치 않는 전자기 간섭(EMI) 차단을 위한 2 개의 인덕터가 있지만, 실제로는 두 인덕터가 직렬로 연결되어 있기 때문에 하나의 인덕터만으로도 충분하다. 도 14의 회로의 상부는 제1 벅(Buck) 컨버터를 포함하고, 하부는 제2 벅 컨버터를 포함한다. 전류는 상단 벅 컨버터로부터 하단 벅 컨버터로 다시 전달된다. 배터리로부터 나오는 전류는 저주파 트랜지스터인 스위치 Q31, Q32, Q41 및 Q42에 의해 구현되는 풀 브리지로 공급된다. 목적은 극성을 전환하는 것이다. 모터는 벅 컨버터에서 나오는 전류로 한 극성만 볼 수 있는 것이 아니라 양(+) 및 음(-)인 역기전력의 요건에 따라 Q31, Q32, Q41 및 Q42(저 주파수이기도 함)가 전환되고 있으므로, 역기전력의 각 극성에 대해 코일은 전류의 올바른 극성을 갖게 된다.
이것은 코일 앞에 극성 스위치가 있는 구현의 예이다. 즉, 극성 스위치는 코일의 극성을 변경한다(극성 스위치는 코일 앞 또는 뒤에 위치함).
고 전력이 필요한 경우, 여러 유닛을 병렬로 연결하여 인터리브 구성을 사용할 수 있으며, 인터리브 구성으로 작동하여 전체 구현이 인터리브 될 수 있다.
스위칭 손실이 없고 저주파에 문제가 없기 때문에, 극성 스위치 구현을 위한 인터리브 구성이 필요하지 않다. 인터리브 구성이 필요하며 고주파 부분에서만 더 유용하다.
상기 실시예 및 설명은 물론 예시의 목적으로만 제공되었으며, 본 발명을 어떤 식으로든 제한하려는 의도가 아니다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 본 발명은 모두 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 상기 기재된 것들로부터 하나 이상의 기술을 사용하여 매우 다양한 방식으로 수행될 수 있다.

Claims (37)

  1. BLDC 모터에 구동력을 직접 공급하는 방법으로서,
    a) 분리된 코일을 갖는 BLDC 모터를 제공하는 단계;
    b) 상기 분리된 코일 각각에 대해 단극 제어 전류원을 제공하는 단계;
    c) 상기 단극 제어 전류원의 레벨 및 위상을 제어하기 위한 컨트롤러를 제공하는 단계; 및
    d) 상기 단극 전류를 상기 분리된 코일에 공급되는 바이폴라(AC) 전류로 변환하기 위해 극성 스위치를 제공하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 극성 스위치를 통해 상기 전류원에 의해 모터에 공급되는 전류를 형성하고, 상기 분리된 코일에서 감지된 역기전력과 위상이 같아지고, 필요한 토크에 대응하는 크기로 되도록 조정되는 것인 BLDC 모터에 대한 구동력의 직접 공급 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러에는 상기 분리된 코일을 통과하는 전류를 제어하기 위해 상기 특정 모터의 역기전력 값을 나타내는 데이터 파일, 방정식 또는 룩업 테이블이 제공되는 것인 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    a) 분리된 코일을 갖는 BLDC 모터를 제공하는 단계;
    b) 상기 분리된 코일에 공급되는 입력 전압의 레벨과 위상을 제어하기 위한 컨트롤러를 제공하는 단계;
    c) 상기 컨트롤러에 의해 결정된, 각 입력 전압에 대해 원하는 타이밍에 위상 분리된 입력 전압을 각각의 상기 분리된 코일에 인가하기 위한 출력을 제어 인버터에 제공하는 단계;
    d) 상기 제어 인버터에 전력을 공급하기 위한 전원을 제공하는 단계;
    각각의 분리된 코일에 대해:
    e) 상기 분리된 코일을 통과하는 전류를 제어하기 위해, 상기 특정 모터의 역기전력 값을 나타내는 데이터 파일, 방정식 또는 룩업 테이블을 제어 유닛에 제공하는 단계;
    f) 미리 결정된 요건을 충족하는 단극 전류를 생성하기 위해, 상기 제어 유닛으로부터의 상기 분리 코일에 대한 명령 신호에 따라, 전류원을 통과하는 단극 전류를 생성하는 제어 전류원을 제공하는 단계;
    g) 상기 제어 전류원의 전류가, 역기전력이 양(+)일 때 한 방향으로 흐르게 하고, 상기 역기전력이 음(-)일 때 다른 방향으로 흐르게 하기 위한 극성 스위치를 제공하는 단계;
    h) 상기 코일의 전류를 측정하는 단계;
    i) 상기 모터의 회전자 위치 φ를 측정하고 상기 룩업 테이블로부터 해당 역기전력을 획득하는 단계;
    조정되는 상기 각각의 제어 유닛에 대해;
    j) 임의의 주어진 위치에서 상기 역기전력에 해당하는 필요한 전류를 계산하는 단계; 및
    k) 상기 전류원에 의해 생성된 전류가 역기전력을 정확히 동일한 크기, 동일한 모양 및 동일한 위치로 일치시키도록, 상기 제어 전류원에 명령 신호를 적용함으로써 해당 코일을 강제로 구동하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터의 역기전력은 외부에서 회전자를 회전시키고 각 회전자 위치에 대해 하나의 코일의 전압을 측정하고, 그에 따라 상기 모터의 역기전력을 매핑함으로써 측정되는 것인 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터의 역기전력은 코일이 회전자의 회전도의 함수로 보는 전압의 시뮬레이션에 의해 얻어지는 것인 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    각각의 측정된 위치에 대해 필요한 전류 모양은 룩업 테이블로부터 취해지는 것인 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류의 크기는 필요한 전력에 의해 결정되는 한편, 전류의 모양을 동일하게 유지하는 것인 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 극성 스위치는 코일 앞 또는 뒤에 배치되는 것인 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    a) 코일의 전류를 측정하는 피드백 신호를 사용하는 단계; 및
    b) 상기 피드백 신호에 따라 최적의 작동을 달성하기 위해 필요한 전류가 되도록 전류를 강제하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    매우 높은 주파수에서 작동하는 하프 브리지와 상기 하프 브리지의 스위치의 전환을 필터링하고 코일에 원활한 전류를 공급하기 위한 저역 통과 필터를 사용하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 극성 스위치를 구현하는 트랜지스터는 매우 낮은 주파수에서 작동하는 것인 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    2 개의 하프 브리지는 멀티레벨 구성을 사용하여 구현되며, 스위치는 커패시터(C)에 연결되고, 상기 커패시터 양단의 전압은 전압의 절반인 것인 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    고 전력이 필요할 때마다, 여러 유닛을 병렬로 연결함으로써 인터리브 구성을 사용하고, 상기 유닛을 인터리브 구성으로 작동시키는 것인 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 극성 스위치는 하프 브리지 또는 풀 브리지를 사용하여 구현되는 것인 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 전류원은 하프 브리지 또는 풀 브리지를 사용하여 구현되는 것인 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 인터리브 구성은 다중 위상 인터리브 구성인 것인 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 인터리브 구성은 멀티레벨 인터리브 구성인 것인 방법.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 극성 스위치는 양방향 작동을 가능하게 하는 것인 방법.
  19. 청구항 1에 있어서,
    저역 통과 필터는, 상기 저역 통과 필터의 캐패시터 양단의 전압이 더 낮은 전압 전이(dV/dt)를 갖도록, 하프-브리지에서 높은 전이를 필터링하는 데 사용되는 것인 방법.
  20. 분리된 코일을 갖는 BLDC 모터에 구동력을 직접 제공하기 위한 회로로서,
    a) 상기 분리된 코일 각각에 전류를 공급하기 위한 단극 제어 전류원;
    b) 상기 단극 제어 전류원의 레벨 및 위상을 제어하기 위한 컨트롤러; 및
    c) 상기 단극 전류를 상기 분리된 코일에 공급되는 바이폴라(AC) 전류로 변환하기 위한 극성 스위치
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 극성 스위치를 통해 상기 전류원에 의해 모터에 공급되는 전류를 형성하고, 상기 분리된 코일에서 감지된 역기전력과 위상이 같아지고, 필요한 토크에 대응하는 크기로 되도록 조정되는 것인 회로.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 컨트롤러에는 상기 분리된 코일을 통과하는 전류를 제어하기 위해 특정 모터의 역기전력 값을 나타내는 데이터 파일, 방정식 또는 룩업 테이블이 제공되는 것인 회로.
  22. 청구항 20에 있어서,
    a) 상기 분리된 코일에 공급되는 입력 전압의 레벨 및 위상을 제어하기 위한 컨트롤러;
    b) 상기 컨트롤러에 의해 결정된 각 입력 전압에 대해 원하는 타이밍에 위상 분리된 입력 전압을 각각의 상기 분리된 코일에 인가하기 위해, 출력을 갖는 제어 인버터;
    c) 상기 제어 인버터에 전력을 공급하기 위한 전원;
    각각의 분리된 코일이 다음을 포함하는 것으로서,
    d) 상기 분리된 코일을 통과하는 전류를 제어하기 위해, 상기 특정 모터의 역기전력 값을 나타내는 데이터 파일, 방정식, 또는 룩업 테이블이 있는 제어 유닛;
    e) 미리 결정된 요건을 충족하는 단극 전류를 생성하기 위해, 상기 제어 유닛으로부터의 상기 분리 코일에 대한 명령 신호에 따라, 전류원을 통과하는 단극 전류를 생성하는 제어 전류원;
    f) 상기 제어 전류원의 전류를, 역기전력이 양(+)일 때 한 방향으로 흐르게 하고, 상기 역기전력이 음(-)일 때 다른 방향으로 흐르게 하는 극성 스위치,
    g) 상기 코일의 전류를 측정하는 단계; 및
    h) 상기 모터의 회전자 위치(φ)를 측정하고, 상기 룩업 테이블로부터 해당 역기전력을 획득하는 단계;
    조정되는 각각의 제어 유닛에 대해,
    i) 임의의 주어진 위치에서 상기 역기전력에 해당하는 필요한 전류를 계산하는 단계; 및
    j) 상기 전류원에 의해 생성된 전류가 역기전력을 정확히 동일한 크기, 동일한 모양 및 동일한 위치로 일치시키도록, 상기 제어 전류원에 명령 신호를 적용함으로써 해당 코일을 강제로 구동하는 단계
    를 포함하는 것인 회로.
  23. 청구항 20에 있어서,
    상기 모터의 역기전력은 회전자를 외부에서 회전시키고 각각의 회전자 위치에 대한 하나의 코일의 전압을 측정하고, 그에 의해 상기 모터의 역기전력을 매핑함으로써 측정되는 것인 회로.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 모터의 역기전력은 코일이 회전자의 회전도의 함수로 보는 전압의 시뮬레이션에 의해 얻어지는 것인 회로.
  25. 청구항 20에 있어서,
    각각의 측정된 위치에 대해 필요한 전류 모양은 룩업 테이블로부터 취해지는 것인 회로.
  26. 청구항 20에 있어서,
    상기 전류의 크기는 필요한 전력에 의해 결정되는 반면, 전류의 모양은 동일하게 유지되는 것인 회로.
  27. 청구항 20에 있어서,
    상기 극성 스위치는 코일 앞 또는 뒤에 배치되는 것인 회로.
  28. 청구항 20에 있어서,
    매우 높은 주파수에서 작동하는 하프 브리지와 상기 하프 브리지의 스위치 전환을 필터링하고 코일에 원활한 전류를 공급하기 위한 저역 통과 필터를 추가로 포함하는 것인 회로.
  29. 청구항 20에 있어서,
    극성 스위치를 구현하는 트랜지스터는 매우 낮은 주파수에서 작동하는 것인 회로.
  30. 청구항 20에 있어서,
    2개의 하프 브리지는 멀티레벨 구성을 사용하여 구현되며, 스위치는 커패시터(C)에 연결되고, 상기 커패시터 양단의 전압은 전압의 절반인 것인 회로.
  31. 청구항 20에 있어서,
    고 전력이 필요할 때마다, 여러 유닛을 병렬로 연결하여 인터리브 구성을 사용하고 상기 유닛을 인터리브 구성에서 작동하는 것인 회로.
  32. 청구항 20에 있어서,
    상기 극성 스위치는 하프 브리지 또는 풀 브리지를 사용하여 구현되는 것인 회로.
  33. 청구항 20에 있어서,
    상기 제어 전류원은 하프 브리지 또는 풀 브리지를 사용하여 구현되는 것인 회로.
  34. 청구항 20에 있어서,
    상기 인터리브 구성은 다중 위상 인터리브 구성인 것인 회로.
  35. 청구항 20에 있어서,
    상기 인터리브 구성은 멀티레벨 인터리브 구성인 것인 회로.
  36. 청구항 20에 있어서,
    상기 극성 스위치는 양방향 작동을 가능하게 하는 것인 회로.
  37. 청구항 20에 있어서,
    저역 통과 필터는, 상기 저역 통과 필터의 캐패시터 양단의 전압이 더 낮은 전압 전이(dV/dt)를 갖도록, 하프-브리지에서 높은 전이를 필터링하는 데 사용되는 것인 회로.


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