KR980011646A - 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어방법 및 장치 - Google Patents

센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 센서가 없는 브러시리스 직류전동기의 구동 제어에 관한 것으로, 종래 장치에서 PWM을 행하는 인버터의 트랜지스터가 전류될 때 프리휠링 구간이 길어지며, 이 구간이 직류전동기 회전자의 위치를 감지하는 영교차점을 포함하게 됨으로 인해 정상적인 직류전동기 회전자의 위치 감지가 실패하게 되어 직류전동기를 정상적으로 구동하지 못하는 문제점이 발생하여, 이를 해결하기 위한 본 발명은 도통되는 인버터의 두 개의 트랜지스터 중에서 전류(轉流)되는 트랜지스터가 아닌 다른 트랜지스터를 PWM 제어함으로써 전류되기 이전의 트랜지스터에 역방향으로 직렬 연결된 다이오드로 전류가 흐르는 동시에 상기 PWM 제어되는 트랜지스터에 역방향으로 직렬 연결된 다이오드로 전류가 흐를 수 있는 경로를 형성시켜 전류가 짧은 시간에 영의 값에 이르게 됨으로써 직류전동기 회전자의 위치를 정상적으로 감지할 수 있게 된다.

Description

센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어방법 및 장치
본 내용은 요부공개 건이므로 전문내용을 수록하지 않았음
제1도는 일반적인 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동장치의 구성도.
제2도는 제1도 위치검출부(4)의 상세 회로도.
제3도는 제1도의 인버터 트랜지스터의 구동로직을 보인 도표.
제4도는 제3도에 따라 직류전동기(3)로 공급되는 3상(a,b,c)의 전압 파형도.
제5도는 제1도의 제어장치(5)의 종래의 상세 구성도.
제6도는 제5도를 제3도의 구동로직으로 구동할 때 a상에서, (a)는 PWM된 인가전압(①)과 역기전력(②)의 파형도.
(b)는 역기전력 (②)과 전류(③)의 파형도.
제7도는 제1도의 제어장치(⑤)의 본 발명에 의한 일 실시예의 상세 구성도.
제8도는 제7도를 제3도의 구동로직으로 구동할 때 a상에서, (a)는 PWM된 인가전압(⑪)과 역기전력(⑫)의 파형도.
(b)는 역기전력(⑫)과 전류(⑬)의 파형도.
(c)는 PWM절환신호(ss)의 파형도.
제9도는 제1도의 제어장치(5)의 본 발명에 의한 다른 실시예의 상세 구성도.
제10도는 제1도의 제어장치(5)의 본 발명에 의한 다른 실시예의 상세 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 정류부 2 : 인버터
3 : 직류전동기 4 : 위치검출부
5 : 제어장치 6 : 구동부
BD : 정류기 C : 평활콘덴서
Ta+,Ta-,Tb+,Tb-,Tc+,Tc- : 트랜지스터 R1~R9 : 저항
Da+,Db+,Dc+,Da-,Db-Dc : 다이오드 CMP1~CMP : 비교기
51 : 전류신호 발생부 52 : 속도제어부
53 : 펄스 발생부 54 : 반송파 발생부
55 : 조합부 56 : 버퍼부
CMP : 비교기 INV : 인버터
OR1, OR2 : 제1, 제2 오아게이트 BUF1, BUF2 : 버퍼부
본 발명은 센서가 없는 브러시리스 직류전동기의 구동 제어에 관한 것으로, 특히 인버터의 트랜지스터의 온오프에 대한 전류(轉流, commutation)로 인해 발생하는 프리휠링(free wheeling) 시간을 최소화 하도록 트랜지스터에 대하여 펄스폭 변조(이하, PWM)를 수행함으로써 정확한 영전위 교차점이 검출되게하여 직류전동기를 정상적으로 구동할 수 있게 하는 센서리스 브러쉬리스 직류전동기의 구동 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
먼저, 제1도는 일반적인 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동장치의 구성도로서, 이에 도시한 바와같이 교류 입력전원(AC)을 입력 받아 정류하는 정류기(BD) 및 정류된 입력전원(AC)을 평활하는 평활 콘데서(C)로 이루어진 정류부(1)와, 상기 정류부(1)에서 정류, 평활된 직류전압(DC-LINK)을 인가받아, 구동신호(ds)에 의해 도통제어를 받는 6개의 트랜지스터(Ta+,Ta-,Tb+,Tb-,Tc+,Tc-)로 이루어지며 이 트랜지스터가 각각 두 개씩(Ta+,Ta-)(Tb+,Tb-)(Tc+,Tc-) 직렬로 연결됨과 아울러 6개의 트랜지스터(Ta+,Ta-,Tb+,Tb-,Tc+,Tc-) 각각에 다이오드(Da+,Db+,Dc+,Da-,Db-Dc-)가 역병렬로 접속된 인버터(2)와, 이 인버터(2)의 직렬 연결된 상기 두 개의 트랜지스터(Ta+,Ta-)(Tb+,Tb-)(Tc+,Tc-)의 각각의 공통 접속점과 연결되어 상기 인버터(2)의 스위칭에 따라 변환된 3상 전원을 인가받는 고정자와 이 고정자의 회전자계에 의해 동작하는 회전자로 이루어지는 직류전동기(3)와, 상기 직류전동기(3)의 중성점을 기준입력으로 하고 이 기준입력과 직류전동기(3) 회전자에서 발생되는 고정자의 역기전력을 입력받아 비교하는 위치검출부(4)와, 상기 위치검출부(4)의 비교 결과로부터 전동기의 속도를 계산하고 기프로그램된 속도지령과 비교하여 펄스폭 변조된 전류(轉流)신호(cs)를 출력하는 제어장치(5)와, 상기 제어장치(5)의 변조된 전류신호(cs)를 인가받아 이의 레벨을 변환하여 상기 인버터(2)의 각각의 트랜지스터에 구동신호(cs)를 인가하는 구동부(6)로 구성되며, 상기 직류전동기(3)는 각 상이 고정자 저항(Ra,Rb,Rc) 및 고정자 인덕턴스(La,Lb,LC)와 회전자에 취부된 영구자석에 의해 회전자가 회전하면서 고정자 권선에 유기되는 역기전력(EMFa,EMFb,EMFc)으로 모델링 된다.
또한, 상기 위치검출부(4)는 제2도에 도시된 바와 같이, 직류전동기(3)의 중성점 전압(Vn)을 저항(R2)(R5)(R8)을 통하여 기준입력으로 반전단자로 입력받고 3상(a,b,c)의 전압을 각각 저항(R1,R4,R7) 및 저항(R3,R6,R9)을 통하여 분압한 후 비반전단자로 입력받고 이를 비교한 결과(Vao,Vbo,Vco)를 제어장치(5)로 출력하는 3개의 비교기(CMP1)(CMP2)(CMP3)로 구성된다.
이와 같이 구성된 일반적인 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동장치의 동작은 다음과 같다. 입력전원(AC)은 정류뷰(1)의 정류기(BD)를 거쳐 정류되고 평활 콘덴서(C)에 평활된 후 인버터(2)에 전달되며 구동부(6)로부터의 6개의 구동신호(ds)에 따라 각 트랜지스터(Ta+,Ta-,Tb+,Tb-,Tc+,Tc-)가 구동되는데, 제3도에 도시한 바와 같이 한 주기의 구동로직을 6개의 구간으로 나누고 이에 따라 고정자로 공급되는 3상(a,b,c)의 전압을 각각 Va,Vb,Vc로 하면 이때희 파형도는 제4도에 도시한 바와 같이 나타나며, 여기서 EMFa,EMFb,EMFc는 회전자의 회전에 의해 고정자의 각 상에서 발생하는 역기전력이며, 이 역기전력은 각 상(a,b,c)에서 공급전압(Va,Vb,Vc)이 인가되지 않는 동안 양에서 음의 값으로, 음에서 양의 값으로 변화한다.
이때, 위치검출부(4)는 상기 역기전력이 변화하는 구간을 검출하며, 이를 제2도로부터 설명하며, 중성점 전위(Vn)가 저항(R2,R5,R8)을 거쳐 각 비교기(CMP1,CMP2,CMP3)의 반전단자로 기준전압으로 입력되며 a상의 역기전력(EMFa)은 저항(R1,R3)에 의해 분압되어 상기 비교기(CMP1)의 반전단자로 입력됨으로써 분압된 역기전력(EMFa)와 상기 기준전압(Vn)이 비교되어 출력전압(Vao)이 출력되며, 마찬가지로 b상의 역기전력(EMFb) 및 c상의 역기전력(EMFc) 역시 비교기(CMP2)와 비교기(CMP3)에서 중성점 전위(Vn)와 비교되어 출력전압(Vbo,Vco)이 출력된다.
즉, 제4도와 같이 1구간에서는 c상 역기전력(EMFc) 이 양에서 음으로 바뀔 때 영전위 교차점이 검출되고 2구간에서는 b상 역기전력(EMFb) 이 음에서 양으로 바뀔 때의 영전위 교차점이 검출되며 3구간에서는 a상 역기전력(EMFa)이 양에서 음으로 바뀔때의 영전위 교차점이 검출된다. 이와같이 영전위 교차점을 나타내는 출력전압(Vao,Vbo,Vco)으로부터 제어장치(5)에서는 직류전동기(3)의 회전자의 위치를 판단하여 전류(轉流) 시점을 계산하고 상기 인버터(2)의 각 트랜지스터(Ta+,Ta-,Tb+,Tb-,Tc+,Tc-)의 도통을 제어하는 PWM된 전류신호(cs)를 출력하고 이에 따라 구동부(6)에서는 상기 전류신호(cs)의 레벨을 변환하여 상기 인버터(2)의 각 트랜지스터(Ta+,Ta-,Tb+,Tb-,Tc+,Tc-)의 게이트에 구동신호(ds)를 인가함으로써 직류전동기(3) 회전자의 위치에 따른 제어를 수행하게 된다.
다음으로 제5도는 제1도 제어장치(5)의 종래의 상세 구성도로서, 이에 도시한 바와같이 상기 위치검출부(4)의 출력전압(Vao,Vbo,Vco)으로부터 직류전동기(3)의 속도를 계산하고 기 프로그램된 속도지령과 비교하여 방향지령(rs) 및 전압지력(vs)을 출력하는 속도제어부(52)와, 상기 위치검출부(4)의 출력전압(Vao,Vbo,Vco)과 속도제어부(52)의 방향지령(rs)에 의해 상기 인버터(2)의 6개의 트랜지스터(Ta+,Ta-,Tb+,Tb-,Tc+,Tc-)를 동작시키는 전류신호(cs_a+,cs_b+,cs_c+,cs_a-,cs_b-,cs_c-)를 출력하는 전류신호 발생부(51)와, 반송파를 출력하는 반송파 발생부(54) 및 이 반송파 발생부(54)의 출력과 상기 속도 제어부(52)의 전압지력(vs)을 비교하여 PWM 지령신호를 출력하는 비교기(CMP)로 이루어지는 펄스 발생부(53)와, 이 PWM 지령신호에 의해 상기 전류신호 발생부(51)의 6개의 전류신호(cs_a+,cs_b+,cs_c+,cs_a-,cs_b-,cs_c-) 중에 3개의 전류신호(cs_a+,cs_b+,cs_c+)를 도통 또는 차단하여 변조를 가능케 하는 버퍼(BUF)와, 상기 전류신호 발생부(51)의 3개의 전류신호(cs_a-,cs_b-,cs_c-)와 상기 버퍼(BUF)를 통하여 변조된 3개의 전류신호(cs_a+,cs_b+,cs_c+)를 인가받아 이의 레벨을 변환하여 상기 인버터(10)의 각각의 트랜지스터에 구동신호(ds)를 인가하는 구동부(6)로 구성된다.
이와 같이 구성되는데 따른 종래 제어장치의 동작은 다음과 같다. 전류신호발생부(51)의 6개의 전류신호(cs_a+,cs_b+,cs_c+,cs_a-,cs_b-,cs_c-)는 구동부(6)로 전달되는데, 이때 제1도 평활콘덴서(C)의 저전위 측에 연결된 인버터(2)의 3개의 트랜지스터(Ta-,Tb-,Tc-)를 제어하는 3개의 전류신호(cs_a-,cs_b-,cs_c-)가 제5도와 같이 구동부(6)로 직접 인가되고 평활콘덴서(C)의 고전위 측에 연결된 3개의 트랜지스터(Ta+,Tb+,Tc+)를 제어하는 3개의 전류신호(cs_a+,cs_b+,cs_c+)는 버퍼(BUF)를 거치게 된다.
또한, 반송파 발생부(54)에서 출력되는 반송파는 속도제어부(52)의 소정 레벨의 전압지령(vs)과 비교기(CMP)에서 비교되는 다수의 짧은 펄스 형태의 PWM지령신호로 버퍼(BUF)로 출력되며 이 PWM지령신호의 전위가 로우상태이면 버퍼(BUF)가 디스에이블되어 상기 3개의 전류신호(cs_a+,cs_b+,cs_c+)는 차단되며 반대로 PWM지령신호의 전위가 하이상태이면 버퍼(BUF)가 인에이블되어 상기 3개의 전류신호(cs_a+,cs_b+,cs_c+)는 구동부(6)로 전달됨으로써 PWM제어가 상기 인버터(2)의 트랜지스터(Ta+,Tb+,Tc+)에 대하여 수행된다.
또한 인버터(2)를 제3도와 같은 시퀀스로 구동시키려 할 때 a상을 예를 들어 직류전동기(3)에 공급되는 전류의 변화 메카니즘을 설명하면 다음과 같으며, 제6도의 (가)는 종래 장치의 a상에서 PWM된 인가전압(①)과 역기전력(②)의 파형을 나타내며, (나)는 a상의 역기전력(②)과 전류(③)파형을 나타낸다.
먼저 제6도의 1구간에서, 전류신호발생부(51)의 전류신호(cs_b-)가 하이상태로 구동부(6)로 전달됨에 따라 b상과 연결된 트랜지스터(Tb-)가 도통되며, 하이상태의 논리값을 갖는 전류신호(cs_a+)가 버퍼(BUF)로 입력된 상태에서 PWM지령신호(ps)가 상기 버퍼(BUF)에 인가되면 이 전류신호(cs_a+)는 PWM 지령신호(ps)의 하이 또는 로우상태에 따라 a상과 연결된 트랜지스터(Ta+)를 도통 또는 차단시킴으로서 PWM이 수행되며, 이에 따라 a 상의 전류는 증가하며 전류의 기울기는 상기 PWM지령신호(ps)의 듀티비(duty ratio)로 결정되며 아래 식(1)과 같다.
여기서, Vab는 직류전동기(3)의 a상과 b상의 전체전압이며, Vdc는 인버터 양단에 걸리는 전압이며, ton은 PWM 지령(ps)의 인에이블 구간이며, toff는 PWM지령신호의 디스에이블 구간이다.
상기 식(1)에서 인가전압(Va)이 역지전력(EMFa) 보다 크면 전류의 기울기가 양의 값이 되어 전류는 증가한다. 다음으로 2구간에서, 상기 트랜지스터(Ta+)가 계속해서 PWM지령신호(ps)에 의해 도통제어를 받는 상태에서 c상과 연결된 트랜지스터(Tc-)가 도통됨에 따라 전류의 기울기는 상기 식(1)에서 b에 관한 항을 c에 관한항으로 변환함으로써 구할 수 있다. 이후 3구간에서, 상기 트랜지스터(Tc-)가 계속 도통되어 있는 상태에서 트랜지스터(Tb+)가 도통되면 a상의 전류, 즉 2구간에서 트랜지스터(Ta+)a상 인덕터(La)a상 저항(Ra)중성점(Vn)c상 저항(Rc)c상 인덕터(Lc)를 거쳐 트랜지스터(Tc-)로 흐르던 전류가 이 트랜지스터(Tc-)를 통하고 난 후 트랜지스터(Ta-)와 역병렬 연결된 다이오드(Da-)를 통하여 프리휠링(free-wheeling)되어 상기 인덕터(La), 저항(Ra), 저항(Rc), 인덕터(Lc)를 통해 소모되면서 전류가 감소하여 이때의 기울기는 상기 식(1)에서 Vdc가 '0'이 되어 아래 식(2)와 같이 구해진다.
상기 식(2)에서 보듯이 음의 값을 나타내는 전류의 기울기, 즉 감소 기울기는 직류전동기 파라메타와 직류전동기에 흐르는 전류(Ia), 그리고 직류전동기의 역기전력에 의해 결정되며 이 역기전력은 직류전동기의 회전 수에 비례하며 또한 같은 회전 수 일때는 초기전류, 즉 부하가 클수록 전류의 프리휠링 구간이 길어진다. 또한 4 및 5구간에서의 기울기는 상기 식(1)과 같은 형태이며 6구간에서는 역시 식(2)와 같은 형태이며 5구간에서 6구간으로 전환할 때, 즉 트랜지스터(Tc+)가 도통하고 있는 상태에서 트랜지스터(Ta-)가 오프될 때 전류는 트랜지스터(Ta+)와 병렬 연결된 다이오드(Da+)를 통하여 프리휠링된다.
이와 같이 동작하는 종래 제어장치는 각 상에서 공급전압이 인가되지 않는 구간에서 역기전력의 영교차점을 검출하여 순수한 위치 정보를 얻을 수 있게 되나, 제6도의 3구간에서 평활콘덴서의 고전위 측과 연결된 트랜지스터가 전류(轉流) 될 때의 전류의 기울기와 6구간에서 저전위 측과 연결된 트랜지스터가 전류 될 때의 전류의 기울기가 다르며, 특히 상기 3구간에서의 스위칭 소자가 전류될 때 프리휠링 전류의 지연시간이 길어진다.
이와 같은 프리휠링 구간의 불평형 중 a사의 경우에는 3구간에서와 같이 PWM을 행하는 트랜지스터가 전류되면 프리휠링 구간이 길어지며, 이 구간이 직류전동기 회전자의 위치를 감지하는 영교차점을 포함하게 되면, 즉 전류가 '0'이 되는 시점에서 역기전력이 '양'에서 '음'으로 영교차 할 때의 시점보다 늦게되면 전류신호 발생부가 영교차를 감지하지 못하므로 이 전류신호 발생부의 출력이 이전의 출력을 유지하게 되어 정상적인 직류전동기 회전자의 위치 감지가 실패하게 된다. 다시말하면 구동 로직은 영교차점을 벗어나 있지만 전류(轉流)시 발생하는 프리휠링 구간이 영교차점 이상을 포함하게 되어 위치 정보를 도출하지 못하게 된다. 따라서 직류전동기가 정상적으로 구동되지 못하게 되어 직류전동기의 구동이 실패하게 되는 문제점이 발생하게 된다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 도통되는 두 개의 트랜지스터 중에서 전류(轉流) 되는 트랜지스터가 아닌 다른 트랜지스터를 PWM 제어함으로써 전류되기 이전의 트랜지스터에 역방향으로 직렬 연결된 다이오드로 전류가 흐르는 동시에 상기 PWM 제어되는 트랜지스터에 역방향으로 직렬연결된 다이오드로 전류가 흐를 수 있는 경로를 형성시켜 전류가 짧은 시간에 영의 값에 이르게 됨으로써 직류전동기 회전자의 위치를 정상적으로 감지할 수 있는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동제어방법은, 기 저장된 구동로직에 따라 제어신호를 인가하여 2개의 스위칭 수단을 구동하는 과정과, 상기 과정을 수행하면서 직류전동기 각 상의 역기전력을 검출하는 과정과, 상기 과정에서 역기전력의 영교차점이 검출되지 않으면 계속하여 상기 2개의 스위칭 수단을 구동하며 영교차점이 검출되면 검출된 상에 연결된 두 개의 스위칭 수단에서 전류될 스위칭 수단을 판단하는 과정과, 상기 과정에서 전류될 스위칭 수단이 판단되면 소정시간이 지난 후에 전류되는 스위칭 수단을 구동 제어함과 아울러 전류되는 스위칭 수단이 아닌 스위칭 수단에 PWM된 제어를 수행하는 과정으로 이루어진다.
또한 본 발명 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어장치는, 종래 장치의 위치검출부의 비교 결과로부터 직류전동기의 속도를 계산하고 기 프로그램된 속도지령과 비교하여 소정값을 갖는 전압지령 및 회전방향을 알리는 방향지령을 출력함과 아울러 상기 정류부의 평활콘덴서의 고전위 측과 연결된 스위칭 수단을 PWM 할 것인지, 아니면 저전위 측과 연결된 스위칭 수단을 PWM 할 것인지를 나타내는 PWM 절환신호를 출력하는 속도제어부와, 상기 위치검출부의 비교결과와 상기 속도제어부의 방향지령에 의해 상기 인버터의 6개의 스위칭 수단 각각에 대한 전류(轉流)신호를 출력하는 전류신호 발생부와, 상기 속도제어부의 전압지령을 입력받아 다수의 주파수를 갖는 펄스폭 변조된 PWM지령신호를 출력하는 펄스 발생부와, 상기 PWM 절환신호와 PWM 지령신호를 인에이블신호로 출력하는 조합부와, 이 조합부의 인에이블신호에 의해 상기 전류 신호발생부의 전류 신호를 도통제어하는 버퍼부로 구성한다.
이와같은 본 발명의 방법 및 장치에 대하여 제5도 내지 제 9도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 제7도는 제1도의 제어장치(5)의 본 발명에 의한 일 실시예의 상세구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 제1도의 위치검출부(4)의 출력전압(Vao,Vbo,Vco)으로부터 직렬전동기(3)의 속도를 계산하고 기 프로그램된 속도지령과 비교하여 전압지령(vs) 및 회전방향을 알리는 방향지령(rs) 및 평활콘덴서(C)의 고전위 측과 연결된 인버터(2)의 3개의 트랜지스터(Ta+,Tb+,Tc+)를 PWM 제어할 것인지 평활콘덴서(C)의 저전위 측에 연결된 3개의 트랜지스터(Ta-,Tb-,Tc-)를 PWM 제어 할 것인지의 여부를 알리는 PWM절환신호(ss)를 출력하는 속도제어부(52)와, 위치검출부(4)의 출력전압(Vao,Vbo,Vco)과 상기 속도제어부(52)의 방향지령에 의해 상기 인버터(10)의 6개의 트랜지스터(Ta+,Tb+,Tc+,Ta-,Tb-,Tc-)가 동작할 수 있도록 하는 6개의 전류신호(ca_a+,cs_b+,cs_c+,cs_a-,cs_b-,cs_c)를 출력하는 전류신호 발생부(51), 반송파를 출력하는 반송파 발생부(54) 및 이 반송파 발생부(54)의 반송파와 상기 속도 제어부(52)의 전압지력(vs)을 비교하여 PWM지령신호(ps)를 출력하는 비교기(CMP)로 이루어지는 펄스 발생부(53)와, 상기 펄스 발생부(53)의 PWM 지령신호(ps)와 PWM 절환신호(ss)로부터 인버터(2)의 6개의 트랜지스터(Ta+,Tb+,Tc+,Ta-,Tb-,Tc-)를 선택적으로 PWM할 수 있도록 하는 인에이블신호(en1)(en2)를 출력하는 조합부(55)와, 상기 에이블신호(en1)(en2)에 의해 인에이블 되어 상기 전류신호(cs)를 구동부(6)로 전달하는 버퍼부(56)와, 상기 버퍼부(56)를 거친 전류신호(cs)를 인가받아 이의 레벨을 변환하여 상기 인버터(2)의 각각의 트랜지스터에 구동신호(ds)를 인가하는 구동부(6)로 구성한다.
또한, 상기 조합부(55)는 상기 PWM 지령신호(ps)와 상기PWM 절환신호(ss)를 오아 조합하여 인에이블신호(en1)를 출력하는 제1 오아게이트(OR1), 상기 속도제어부(52)의 PWM 절환신호(ss)를 반전하는 인버터(INV) 및 이 인버터(INV)의 출력과 상기 PWM 지령신호(ps) 를 오아 조합하여 인에이블신호(en2)를 출력하는 제2 오아게이트(OR2)로 구성하며, 상기 버퍼부(55)는 상기 인에이블신호(en1)에 의해 인에이블 되어 평활콘덴서(C)의 고전위 측에 연결된 3개의 스위칭 소자에 대한 전류신호(ca_a+,cs_b+,cs_c+)를 상기 구동부(6)로 전달하는 제1버퍼(BUF1)와, 상기 인에이블신호(en2)에 의해 인에이블 되어 평활콘덴서(C)의 저전위 측에 연결된 3개의 스위칭 소자에 대한 전류신호(cs_a-,cs_b-,cs_c-)를 상기 구동부(6)로 전달하는 제2 버퍼(BUF2)로 구성한다.
이와같이 구성한 본 발명 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어장치의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다. 속도제어부(52)는 전류신호발생부(51)로 방향지령(rs)을 출력하는 한편, 전압지령(vs)을 출력함과 아울러 PWM을 수행하는 트랜지스터를 선택하는 PWM 절환신호(ss)를 상기 조합부(55)로 출력하고 상기 전압지령(vs)은 비교기(CMP)에서 반송파발생부(54)의 반송파와 비교되어 다수의 짧은 펄스의 PWM지령신호로 조합부(55)로 입력되고 이 조합부(55)에서는 PWM 절환신호(ss)와 상기 PWM지령신호(ps)를 조합하여 이 PWM지령신호(ps)를 상기 제1 버퍼(BUF1) 또는 제2 버퍼(BUF2)의 인에이블신호(en1)(en2)로 인가한다.
또한, 상기 전류신호발생부(51)는 제1도의 위치검출부(4)의 출력전압(Vao,Vbo,Vco) 및 상기 속도제어부(52)의 방향지령(rs)을 입력받아 인버터(2)의 6개의 트랜지스터가 동작할 수 있도록 하는 6개의 전류신호(ca_a+,cs_b+,cs_c+,cs_a-,cs_b-,cs_c)를 출력하는데, 이때 제1도 평활콘덴서(C)의 고전위 측에 연결된 인버터(2)의 3개의 트랜지스터(Ta+,Tb+,Tc+)를 제어하는 3개의 전류신호(ca_a+,cs_b+,cs_c+)는 버퍼부(56)의 제1 버퍼(BUF1)로 입력되고 평활콘덴서(C)의 저전위 측에 연결된 3개의 트랜지스터(Ta-,Tb-,Tc-)를 제어하는 3개의 전류신호(cs_a-,cs_b-,cs_c)는 제2 버퍼(BUF2)로 입력된다. 이에따라 상기 6개의 전류신호(cs_a+,cs_b+,cs_c+,cs_a-,cs_b-,cs_c-)는 제1 버퍼(BUF1) 및 제2 버퍼(BUF2)에서 차단 또는 통과된 후 구동부(6)에서 레벨이 변환되어 인버터(2)의 트랜지스터에 인가됨으로써 트랜지스터가 도통 또는 차단됨과 아울러 PWM을 수행하게 된다.
인버터(2)를 종래와 동일한 제3도와 같은 구동로직으로 구동시키는 경우에 상기 본 발명의 동작을 제8도를 참조하여 상세히 설명한다.
제8도는 (가)는 본 발명에 따라 a상에서 PWM된 인가전압(⑪)과 역기전력(⑫)의 파형을 나타내며, (나)는 a상의 역기전력(⑫)과 전류(⑬)파형을 나타며 (다)는 PWM절환신호(ss)의 파형을 나타낸다. 먼저 1구간에서는, 전류신호발생부(51)의 전류신호(ca_a+)(cs_b-)가 하이상태로 출력된다. 이때 속도제어부(52)의 PWM 절환신호(ss)는 (다)에 도시한 바와같이 하이상태로 출력되며 이 PWM 절환신호(ss)는 조합부(55)의 제1 오아게이트(OR1)를 거쳐 제1 버퍼(BUF1)를 인에이블 시키게 되어 상기 전류신호(ca_a+)가 구동부(6)를 거쳐 인버터(2)의 트랜지스터(Ta+)를 상시 도통시키게 되며, 속도제어부(52)의 전압지령(vs)이 출력됨에 따라 PWM지령신호(ps)가 제2 오아게이트(OR2)를 거쳐 제2 버퍼(BUF2)를 인에이블 또는 디스에이블 시키게 되어 상기 전류신호(cs_b-)가 트랜지스터(Tb-)를 PWM 제어한다. 이에따라 a상의 전류는 증가하며 이 a상 전류의 기울기는 상기 PWM지령신호(ps)의 듀티비(duty ratio)로 결정되며 아래 식(1)과 같이 구할 수 있고, 이식(1)에서 인가전압(Va)이 역지전력(EMFa) 보다 크면 전류의 기울기가 양의 값이 되어 제8도의 (나)의 전류 (⑬)는 증가한다.
다음으로 2구간에서, 상기 전류신호(ca_a+)는 계속하여 하이상태로 출력되거나 상기 전류신호(cs_b-)는 로우상태로, 전류신호(cs_c-)가 하이상태로 출력된다.
또한, PWM 절환신호(ss)가 1 구간과는 반대로 로우상태로 출력된 후 인버터(INV)에서 하이상태로 반전 출력됨으로 인해 제2 오아게이트(OR2)를 거처 제2 버퍼(BUF2)를 인에이블 시키게 되어 상기 전류신호(cs_c-)가 구동부(6)를 거쳐 인버터(2)의 트랜지스터(Tc-)를 상시 도통시키게 되며, PWM지령신호(ps)가 제1 오아게이트(OR1)를 거쳐 제1 버퍼(BUF1)를 인에이블 또는 디스에이블 시키게 되어 상기 전류신호(cs_c+)가 트랜지스터(Ta+)를 PWM 제어한다.
또한 이때의 a상의 전류의 기울기는 상기 식(1)에서 b에 관한 항을 c에 관한 항으로 변환함으로써 구할수 있다. 이후 3구간에서, 상기 전류신호(cs_c-)는 계속하여 하이상태로 출력되나 상기 전류신호(cs_a+)는 로우상태로, 전류신호(cs_b+)는 하이상태로 출력된다.
또한, PWM 절환신호(ss)가 1 구간과 동일한 하이상태로 출력됨으로 인해 제1 버퍼(BUF1)가 상기 인에이블되어 트랜지스터(Tb+)는 상시 도통되고 제2 버퍼(BUF2)가 PWM 제어됨으로인해 스위칭 트랜지스터(Tc-)는 PWM제어된다. 이때 a상의 전류, 즉 2구간에서 트랜지스터(Ta+)a상 인덕터(La)a상 저항(Ra)중성점(Vn)c상 저항(Rc)c상 인덕터(Lc)를 거쳐 트랜지스터(Tc-)로 흐르던 전류가 이 트랜지스터(Tc-)를 거쳐 트랜지스터(Ta-)와 역병렬 연결된 다이오드(Da-)를 통하여 프리휠링(free-wheeling)된다.
또한, 상기 트랜지스터(Tc-)가 PWM 제어됨으로 인해 상기 a상 전류는 두가지의 형태로 감소하게 된다.
다시 말하면 상기 트랜지스터(Tc-)가 도통되는 턴을 구간에서는 종래와 동일하게 상기 a상 전류는 상기 식(2)에 의해 영전위 프리휠링 하며, 식(2)를 다시쓰면 아래와 같다.
또한 상기 트랜지스터(Tc-)가 차단되는 턴오프 구간에서 상기 a상 전류는 이 트랜지스터(Tc-)가 차단됨으로 인해 트랜지스터(Tc+)와 역병렬 연결된 다이오드(Dc-)를 통하여 평활콘덴서(C) 측으로 흐른다. 따라서 상기 식(2)에서 Vdc의 전압이 '0'인 것과는 달리 아래 식(3)과 같이 -Vdc의 값을 가지며 이로인해 a상 전류는 직류링크(DC LINK) 프리휠링 되어 급속히 감소한다.
따라서 a상 전류는 식(2)와 식(3)으로 나타나는 감소 기울기를 PWM 되는 짧은 시간 동안 달리 하면서 전체적으로 제8도의 (나)에 도시한 바와같이 3구간에서 역기전력의 영교차점 보다먼저 '0'에 도달하게 된다.
상기에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 2개의 트랜지스터를 순차적으로 구동하는데 있어서 전류되는 트랜지스터에는 상기 도통되게 전류신호를 인가하고 전류되지 않는 다른 트랜지스터에는 PWM된 전류신호를 인가하여 PWM된 전류신호의 턴오프 구간에서 급격한 전류의 감소를 가져올 수 있게 되어 직류전동기 회전자의 위치를 감지하는 영역인 역기전력의 영교차점에서 프리휠링 전류가 흐르지 않게 되어 회전자의 위치를 정확히 감지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 제9도는 제1도의 제어장치(5)의 본 발명에 의한 다른 실시예의 상세구성도로서, 본 발명의 일 실시예의 구성을 나타내는 제7도에서는 외부에 별도로 반송파를 발생하는 반송파 발생부(54)를 구성하고 이 반송파와 전압지령(vs)을 비교기(CMP)에서 비교하여 듀티비를 결정함으로써 듀티비를 조정하는 기준 전압, 즉 전압지령(vs)의 크기만을 정해주면 이에 대한 듀티비가 결정되는 유리함이 있었으나 반송파 발생부(54) 및 비교기(CMP)로 인한 구성의 복잡한 문제점이 있으며, 이에 반하여 속도제어부(52) 내부에서 PWM 주파수 및 듀티비를 소프트 웨어적으로 처리하여 직접 PWM지령신호(ps)를 출력할 수 있게 구성함으로써 듀티비와 PWM 주파수의 변환을 위하여 별도의 구성을 하지 않아도 될 수 있게 한다.
또한, 제10도느 제7도 본 발명의 일 실시예 또는 제9도 본 발명의 다른 실시예의 속도제어부(52)에서 출력되는 PWM절환신호(ss)를 논리상태가 서로 다른 두 개의 PWM절환신호(ss1)(ss2)로 출력함으로써 조합부(55)의 구성에서 인버터(INV)를 제거할 수 있게 한 것으로 역시 상기 다른 실시예와 마찬가지로 구성을 간다한게 하는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 기 저장된 구동 로직에 따라 제어신호를 인가하여 2개의 스위칭 수단을 구동하는 제1과정과, 상기 제1과정을 수행하면서 직류전동기 각 상의 역기전력을 검출하는제2과정과, 상기 제2과정에서 역기전력의 영교차점이 검출되지 않으면 상기 제1과정을 수행하고 영교차점이 검출되면 검출된 상에 연결된 두 개의 스위칭 수단에서 전류된 스위칭 수단을 판단하는 제3과정과, 상기 제3과정에서 전류될 스위칭 수단이 판단되면 소정시간이 지난후에 전류되는 스위칭 수단을 구동 제어함과 아울러 전류되는 스위칭 수단이 아닌 스위칭 수단에 PWM된 제어를 수행하는 제4과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어방법.
  2. 교류 입력전원을 정류하는 정류기 및 정류된 입력전원을 평활하는 평활콘덴서로 이루어진 정류부와, 상기 정류부에서 정류, 평활된 직류전압을 인가받아 구동신호에 의해 도통제어를 받는 6개의 스위칭 수단으로 이루어지며 이 6개의 스위칭 수단 각각에 다이오드가 역병렬로 접속된 인버터와, 이 인버터의 각각 직렬 연결된 두 개의 스위칭 수단의 공통 접속점과 연결되어 변환된 3상 전원을 인가받아 동작하는 직류전동기와, 이 직류전동기의 각 상의 역기전력과 중성점 전압을 비교하는 위치검출부와, 이 위치검출부의 비교 결과로부터 전동기의 속도를 계산하고 기 프로그램된 속도지령과 비교하여 상기 인버터의 스위칭 수단을 제어하는 전류신호를 출력하는 제어장치과, 상기 전류신호를 인가받아 이의 레벨을 변환하여 상기 인버터 각각의 스위칭 수단에 구동신호를 인가하는 구동부로구성되는 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동장치에 있어서, 상기 제어장치는 상기 위치검출부의 비교 결과로부터 직류전동기의 속도를 계산하고 기 프로그램된 속도지령과 비교하여 소정값을 갖는 전압지령 및 회전방향을 알리는 방향지령을 출력함과 아울러 상기 정류부의 평활콘덴서의 고전위 측과 연결된 스위칭 수단을 펄스폭변조(PWM) 할 것인지, 아니면 저전위 측과 연결된 스위칭 수단을 PWM 할 것인지를 나타내는 PWM절환신호를 출력하는 속도제어부와, 상기 위치검출부의 비교결과와 상기 속도제어부의 방향지령에 의해 상기 인버터의 6개의 스위칭 수단 각각에 대한 전류(轉流)신호를 출력하는 전류신호 발생부와, 상기 속도제어부의 전압지령을 입력받아 다수의 주파수를 갖는 펄스폭 변조된 PWM지령신호를 출력하는 펄스 발생부와, 상기 PWM절환신호와 PWM지령신호를 인에이블신호로 출력하는 조합부와, 이 조합부의 인에이블신호에 의해 상기 전류신호발생부의 전류신호를 도통제어하는 버퍼부로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어장치.
  3. 제2항에 있어서, 조합부는 상기 PWM절환신호의 논리상태에 따라 이 PWM절환신호를 제1 인에이블신호로 출력하고 PWM지령신호를 제2 인에이블신호를 출력하거나 PWM절환신호를 제2 인에이블신호로 출력하고 PWM지령신호를 제1 인에이블신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어장치.
  4. 제2항에 있어서, 조합부는 PWM절환신호와 PWM지령신호를 오아 조합하여 제1 인에이블신호로 출력하는 제1 오아게이트와, PWM절환신호를 반전하는 인버터와, 이 인버터에서 반전된 PWM절환신호와 상기 PWM지령신호를 오아 조합하여 제2 인에이블신호를 출력하는 제2 오아게이트로 구성하여 된것을 특징으로 하는 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어장치.
  5. 제2항에 있어서, 조합부는 PWM절환신호와 PWM지령신호를 오아 조합하여 제1 인에이블신호로 출력하는 제1 오아게이트와, 반전된 PWM절환신호를 속도제어부에서 인가받아 이와 상기 PWM지령신호를 오아 조합하여 제2 인에블신호로 출력하는 제2 오아게이트로 구성하여 된것을 특징으로 하는 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 버퍼부는 상기 조합부의 제1 인에이블신호에 의해 인에이블되어 상기 인버터의 6개의 스위칭 수단에서 정류부의 평활콘덴서의 고전위 측과 연결된 3개의 스위칭 수단에 대한 전류신호를 일괄하여 도통제어하는 제1 버퍼와, 조합부의 제2 인에이블신호에 의해 인에이블되어 정류부의 평활콘덴서의 저전위 측과 연결된 3개의 스위칭 수단에 대한 전류신호를 일괄하여 도통제어하는 제2 버퍼로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 센서리스 브러시리스 직류전동기의 구동 제어장치.
  7. 제2항에 있어서, 펄스 발생부 대신에 속도제어부의 펄스폭 변조된 PWM지령신호를 상기 조합부로 출력하는 것을 특징으로 하는 센서리스 브러시리스 직류전동기 구동 제어장치.
    ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.
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