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KR100612042B1 - Initial electric angle position estimation method and starting method of rotor of brushless DC motor without position sensor - Google Patents

Initial electric angle position estimation method and starting method of rotor of brushless DC motor without position sensor Download PDF

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KR100612042B1
KR100612042B1 KR1020040060701A KR20040060701A KR100612042B1 KR 100612042 B1 KR100612042 B1 KR 100612042B1 KR 1020040060701 A KR1020040060701 A KR 1020040060701A KR 20040060701 A KR20040060701 A KR 20040060701A KR 100612042 B1 KR100612042 B1 KR 100612042B1
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inductance
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이욱진
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재단법인서울대학교산학협력재단
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Abstract

본 발명은 펄스폭 변조 방식의 3상 인버터가 출력하는 공간 전압 벡터에 의하여 구동되며, 위치센서 및 브러시가 없는 브러시리스 직류 전동기(BLDC 전동기)의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법 및 기동 방법에 관한 것이다.The present invention is driven by a space voltage vector output by a three-phase inverter of a pulse width modulation method, and is used to estimate and start an initial electric angle position of a rotor of a brushless DC motor (BLDC motor) without a position sensor. It is about.

본 발명에 따른 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법은, 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 구간에 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정한 후, 가장 큰 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터 구간에 회전자의 q축이 위치하는 것으로 추정하는 단계를 포함한다. 따라서, d축의 위치를 공간 전압 벡터에 대하여 -30도 전기각 범위 또는 +30도 전기각 범위 내로 추정할 수 있다. 인덕턴스 특성이 반대인 전동기에 대해서는, 인덕턴스 비교시 대소관계를 반대로 적용한다. The method of estimating the initial electric angle of the rotor according to the present invention estimates that the d-axis of the rotor is located in the section of the space voltage vector representing the smallest inductance, and then rotates the space in the space voltage vector section representing the largest inductance. Estimating that the q-axis of the former is located. Therefore, the position of the d-axis can be estimated within the -30 degree electric angle range or the +30 degree electric angle range with respect to the space voltage vector. For motors with reversed inductance characteristics, the case relations are reversed when comparing inductances.

또한, 본 발명에 따른 BLDC 전동기 기동 방법은, 합성에 사용된 두 개의 공간 전압 벡터 각각에 대한 인덕턴스를 비교하여 대소관계가 변화되거나, 인가 시간이 큰 공간 전압 벡터에 대한 인덕턴스가 최대값을 나타낸 후 감소하는 시점에 회전자가 30도 이동한 것으로 추정하여, 상기 추정된 회전자의 q축에 전압을 인가한다. 따라서, 30도 단위로 회전자의 위치를 추적함으로써 최대의 토크를 발생시킬 수 있다.In addition, in the BLDC motor starting method according to the present invention, after comparing the inductance of each of the two spatial voltage vectors used in the synthesis, the magnitude relationship is changed, or the inductance for the spatial voltage vector having a large application time shows the maximum value. Assuming that the rotor has moved 30 degrees at the time of decreasing, a voltage is applied to the estimated q-axis of the rotor. Therefore, the maximum torque can be generated by tracking the position of the rotor in units of 30 degrees.

Description

위치 센서가 없는 브러시리스 직류 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법 및 기동 방법 {Estimation Method of Initial Position of Rotor and Starting Method of Brushless DC Motor without Position Sensor}Estimation Method of Initial Position of Rotor and Starting Method of Brushless DC Motor without Position Sensor for Rotor of Brushless DC Motor without Position Sensor

도 1은 BLDC 전동기의 구조.1 is a structure of a BLDC motor.

도 2a는 BLDC 전동기 모델.2A is a BLDC motor model.

도 2b는 BLDC 전동기의 2극 등가 모델.2B is a two pole equivalent model of a BLDC motor.

도 3은 BLDC 전동기를 회전자가 내부에 있는 형태로 등가한 모델.3 is a model equivalent to the form that the rotor is a BLDC electric motor inside.

도 4는 BLDC 전동기의 등가회로.4 is an equivalent circuit of a BLDC motor.

도 5는 기준좌표계와 동기 좌표계의 관계를 도시한 도면.5 is a diagram illustrating a relationship between a reference coordinate system and a synchronous coordinate system.

도 6a 및 도 6b는 각각 BLDC 전동기의 동기 좌표계상에서의 d축 등가회로 및 q축 등가회로.6A and 6B are a d-axis equivalent circuit and a q-axis equivalent circuit on a synchronous coordinate system of a BLDC motor, respectively.

도 7은 회전자의 자석 성분이 무시된 BLDC 전동기의 등가회로.7 is an equivalent circuit of a BLDC motor in which the magnetic component of the rotor is ignored.

도 8은 공간 전압 벡터 V1이 인가된 경우의 BLDC 전동기의 등가회로.8 is an equivalent circuit of a BLDC motor when the space voltage vector V1 is applied.

도 9는 3상 인버터가 출력하는 공간 벡터 전압.9 is a space vector voltage output by the three-phase inverter.

도 10은 인덕턴스 측정을 위한 DC 전원 전류의 시간에 대한 이론값.10 is a theoretical value of the time of the DC power supply current for inductance measurement.

도 11은 회전자의 위치에 따른 DC 전원 전류의 크기를 측정한 결과.11 is a result of measuring the magnitude of the DC power current according to the position of the rotor.

도 12는 회전자의 위치에 따른 인덕턴스의 크기를 측정한 결과.12 is a result of measuring the size of the inductance according to the position of the rotor.

도 13은 I1>I4인 경우(즉, L1<L4인 경우) 회전자 d축이 위치하는 것으로 추정되는 영역.13 is an area where the rotor d-axis is assumed to be located when I1> I4 (that is, when L1 <L4).

도 14a 및 도 14b는 각각 I2>I6인 경우(즉, L2<L6인 경우) 및 I2<I6인 경우(즉, L2>L6인 경우)의 회전자의 d축의 세부 위치.14A and 14B are detailed positions of the d-axis of the rotor when I2> I6 (that is, when L2 <L6) and when I2 <I6 (that is, when L2> L6).

도 15는 본 발명에 따른 회전자 추정 과정의 순서도.15 is a flowchart of a rotor estimation process according to the present invention.

도 16은 인덕턴스 측정을 위한 상승 시간 측정.16 is a rise time measurement for inductance measurement.

도 17은 서로 다른 시정수를 갖는 전류 상승 파형.17 is a current rising waveform having different time constants.

도 18은 회전자의 위치에 따른 기동 과정 및 인가 전압각.18 is a starting process and an applied voltage angle according to the position of the rotor.

도 19는 PWM 주기 안에서 합성에 사용되는 공간 전압 벡터 및 DC 전원측 전류 파형.19 is a spatial voltage vector and DC power side current waveform used for synthesis within a PWM period.

도 20은 실험 장치의 구성도.20 is a block diagram of an experiment apparatus.

도 21은 실험에 사용된 HDD 디스크 회전용 스핀들 모터.21 is a spindle motor for HDD disk rotation used in the experiment.

도 22는 초기각 위치 추정 과정에서의 DC 전원측 전류 파형.22 is a DC power supply current waveform in the initial angle position estimation process.

도 23은 인덕턴스 측정을 위하여 전류를 샘플링하는 시점.23 is a time point of sampling current for inductance measurement.

도 24는 회전자의 실제 전기각과 본 발명에 따라 추정된 전기각.24 shows the actual electric angle of the rotor and the electric angle estimated according to the invention.

도 25는 회전자의 실제 전기각과 추정 전기각 사이의 오차.25 is the error between the actual electrical angle and the estimated electrical angle of the rotor.

도 26은 추정 과정 중 합성 전압의 인가 횟수.Fig. 26 is the number of application of the synthesized voltage during the estimation process.

도 27은 본 발명에 따른 기동 방법에 의하여 정지시로부터 600rpm까지 기동시의 회전자의 추정각 및 실제각.Fig. 27 shows the estimated and actual angles of the rotor when starting from stop to 600 rpm by the starting method according to the present invention.

도 28은 종래 기동 방법에 의하여 기동시키는 도중에 외란이 발생한 경우의 제어 특성.Fig. 28 is a control characteristic when a disturbance occurs in the middle of starting by a conventional starting method;

도 29는 본 발명의 기동 방법에 의하여 기동시키는 도중에 외란이 발생한 경우의 제어 특성.29 is a control characteristic when a disturbance occurs in the middle of starting by the starting method of the present invention.

도 30은 본 발명에 따른 BLDC 전동기 기동 방법의 순서도.30 is a flow chart of a BLDC motor starting method according to the present invention.

본 발명은 펄스폭 변조 방식의 3상 인버터가 출력하는 공간 전압 벡터에 의하여 구동되며, 위치센서 및 브러시가 없는 브러시리스 직류 전동기(BLDC 전동기)의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법 및 기동 방법에 관한 것이다.The present invention is driven by a space voltage vector output by a three-phase inverter of a pulse width modulation method, and is used to estimate and start an initial electric angle position of a rotor of a brushless DC motor (BLDC motor) without a position sensor. It is about.

일반적으로, 유도 전동기(Induction Motor, IM)의 특성은 전동기에 인가되는 전압의 주파수 및 실제 전동기가 회전하는 주파수의 차이에 해당하는 슬립 주파수에 의하여 지배된다. 상기 슬립 주파수는 전동기 상수 및 전류와 관련있다. 따라서, 유도 전동기에서는 실제 회전자의 위치 정보보다는 회전자의 속도 및 슬립 주파수에 대한 정보가 더 중요하다.In general, the characteristics of an induction motor (IM) are governed by the slip frequency corresponding to the difference between the frequency of the voltage applied to the motor and the frequency at which the actual motor rotates. The slip frequency is related to the motor constant and current. Therefore, in the induction motor, information about the speed and slip frequency of the rotor is more important than the actual position information of the rotor.

반면, 브러시리스 DC 전동기(Brushless DC Motor, 이하에서는 "BLDC 전동기"라 칭함)의 경우에는, 회전자에 부착되어 있는 영구자석으로부터 자속을 공급받기 때문에 최대의 토오크를 발생시키기 위해서는 회전자의 절대적 위치를 정확하게 알고 있어야 한다. 회전자가 공급하는 자속의 절대적인 위치에 제어각을 동기시켜야 최대의 토오크가 발생하기 때문이다.On the other hand, in the case of brushless DC motors (hereinafter referred to as "BLDC motors"), the magnetic flux is supplied from the permanent magnet attached to the rotor, so that the absolute position of the rotor is generated to generate the maximum torque. You must know exactly This is because the maximum torque is generated when the control angle is synchronized to the absolute position of the magnetic flux supplied by the rotor.

회전자의 절대적인 위치 정보를 얻기 위해서는, 회전자에 레졸버(resolver), 절대 엔코더(Absolute encoder), 또는 자속센서(Hall effect sensor) 등과 같은 위치 센서를 부착하여야 한다.In order to obtain absolute position information of the rotor, a position sensor such as a resolver, an absolute encoder, or a Hall effect sensor should be attached to the rotor.

레졸버나 절대 엔코더는 회전자의 위치를 연속적으로 검출할 수 있다는 장점이 있으나, 가격이 매우 높아 전체 시스템의 가격을 크게 증가시킨다는 단점이 있다. 따라서, 이러한 위치 센서들은 고도의 정밀도와 안정성을 요구하는 분야에서 널리 쓰이고 있으며, 일반적인 BLDC 전동기 시스템에서는 자속센서가 주로 사용된다. 자속센서는 자속밀도에 비례하는 전압을 발생시키는 홀 효과(Hall effect)에 기반한 센서로서 고정자측에 전기각 120도의 간격을 두고 부착되어 회전자의 자속을 직접 측정한다.The resolver or absolute encoder has the advantage of continuously detecting the position of the rotor, but the disadvantage is that the price is very high, which greatly increases the price of the entire system. Therefore, these position sensors are widely used in the field requiring high precision and stability, and the flux sensor is mainly used in the general BLDC motor system. The magnetic flux sensor is a sensor based on the Hall effect that generates a voltage proportional to the magnetic flux density. The magnetic flux sensor is attached to the stator at an electric angle of 120 degrees to directly measure the magnetic flux of the rotor.

레졸버, 절대 엔코더, 및 자속 센서 등을 사용하는 경우, 회전자 자속의 절대 위치를 비교적 정확하게 알아낼 수 있다. 그러나, 이러한 위치 센서들을 사용하는 것은 다음과 같은 문제점들을 안고 있다:When using a resolver, an absolute encoder, a magnetic flux sensor, or the like, the absolute position of the rotor magnetic flux can be determined relatively accurately. However, using these position sensors presents the following problems:

첫째, 가격적 측면에서 비용이 크게 증가한다. 일반적으로 소형의 가전기기 시스템은 가격 상승에 민감하며, 전동기 시스템의 비용은 전체 시스템에서 큰 비중을 차지하지 않는다. 그러나, 자속 및 위치 센서들은 상당히 고가이기 때문에, 자속 및 위치 센서들을 사용하는 경우, 전체 시스템의 가격이 크게 상승하게 된다.First, cost increases significantly. In general, small home appliance systems are sensitive to rising prices, and the cost of an electric motor system is not a big part of the overall system. However, because flux and position sensors are quite expensive, the use of flux and position sensors results in a significant increase in the price of the overall system.

둘째, 기계적 측면에서 크기 및 무게가 증가된다. 소형 모바일 가전 기기의 경우, 그 휴대성으로 인하여 크기 및 무게의 제약이 따르게 된다. 그러나, 자속 및 위치 센서들은 일반적으로 고정자측에 부착되기 때문에, 전체적인 크기 및 무게를 증가시키게 된다.Second, the size and weight are increased in mechanical terms. In the case of a small mobile home appliance, its portability is subject to size and weight constraints. However, the flux and position sensors are generally attached to the stator side, thus increasing the overall size and weight.

셋째, 신뢰성 측면에서 오동작의 위험이 있다. 위치 및 자속 센서들은 고정자 측에 부착되어 있는 센싱 시스템이므로, 기계적인 충격에 의하여 손상되기 쉽다. 또한, 전기적 잡음, 진동, 온도 및 환경 등의 요인에 의하여 오동작 및 고장의 위험성이 있다. 따라서, 자속 및 위치 센서들을 사용하는 경우, 전체 시스템의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다.Third, there is a risk of malfunction in terms of reliability. Since the position and flux sensors are a sensing system attached to the stator side, they are easily damaged by mechanical shock. In addition, there is a risk of malfunction and failure due to factors such as electrical noise, vibration, temperature and environment. Thus, the use of flux and position sensors can degrade the reliability of the overall system.

이와 같이, BLDC 전동기는 전동기 자체로는 가격 및 제어측면에서 많은 장점을 가지고 있지만, 회전자의 절대적인 위치를 검출하여야 하고, 이를 위해서 자속 및 위치 센서들을 사용하여야 한다는 큰 단점을 가지고 있다.As such, the BLDC motor has many advantages in terms of cost and control as the motor itself, but has a big disadvantage of detecting the absolute position of the rotor and using magnetic flux and position sensors for this purpose.

근래에는 이러한 단점을 극복하기 위하여 위치 및 자속 센서를 사용하지 않는 구동 방법에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 이러한 구동 방법을 흔히 센서리스(sensorless) 구동 방법이라 칭한다.In recent years, in order to overcome these disadvantages, researches on a driving method without using a position and magnetic flux sensor have been actively conducted. Such a driving method is commonly referred to as a sensorless driving method.

센서리스 구동 방법에는 여러가지 방법들이 사용되고 있다. 역기전력의 부호가 바뀌는 시점으로부터 회전자의 위치를 파악하는 방법(zero-crossing 방법)이 구현이 용이하기 때문에 BLDC 전동기 시스템에 주로 사용되고 있다. BLDC 전동기는 회전자의 표면에 자석이 붙어 있기 때문에, 회전자가 고속으로 회전하는 경우에 회전자의 위치에 따른 역기전력 정보를 이용하여 회전자의 위치 정보를 얻을 수 있다.Various methods are used for the sensorless driving method. The method of identifying the rotor position (zero-crossing method) from the point of time when the sign of the counter electromotive force changes is easy to implement, so it is mainly used in BLDC motor system. Since the BLDC motor has a magnet attached to the surface of the rotor, when the rotor rotates at high speed, the position information of the rotor can be obtained by using back electromotive force information according to the position of the rotor.

그러나, 역기전력을 이용하는 방법은 회전자가 정지해 있거나 저속으로 회전하고 있는 경우에는 회전자의 위치정보를 얻을 수 없다. 따라서, 정지 시부터 일정 속도(즉, 역기전력이 충분히 커지는 속도)까지는 특별한 방법으로 구동시켜야 한다. 영속에서 저속까지 순시 토오크를 제어하지 않는 스핀들 모터와 같은 일반적인 전동기 시스템에서는 위치 정보를 이용하지 않고, 미리 정해놓은 전압 형태로 전압을 인가하여 회전자를 가속시키는 오픈 루프(openloop) 방법을 주로 사용하고 있다.However, the method using the back electromotive force cannot obtain the position information of the rotor when the rotor is stopped or rotating at a low speed. Therefore, it is necessary to drive from a standstill to a constant speed (that is, a speed at which the counter electromotive force becomes large enough) in a special way. In general motor systems such as spindle motors that do not control instantaneous torque from zero speed to low speed, the open loop method is used to accelerate the rotor by applying voltage in a predetermined voltage form without using position information. have.

그런데, 최근의 가전 기기용 BLDC 전동기는 점차 저전압 및 고속화 경향에 있고, 그에 따라 자석의 세기는 점차 작아지는 추세에 있다. 따라서, 동일한 속도에서 유기되는 역기전력의 크기는 점차 작아지며, 오픈 루프 기동 방법을 사용하여야 하는 속도 범위는 그만큼 더 늘어나게 된다. 그러나, 오픈 루프 기동의 경우, 외란에 취약하기 때문에 기동 중의 작은 외란에 의해서 동기 탈조되는 경우가 발생한다. 또한, 전동기의 전기적 및 기계적 제 정수들을 정확히 알고, 전압 프로파일을 만들어야 하므로, 그만큼 시스템의 제 정수에 민감한 단점이 있다.However, recent BLDC motors for home appliances have tended to become low voltage and high speed, and accordingly, the strength of magnets has gradually decreased. Therefore, the magnitude of back EMF induced at the same speed gradually decreases, and the speed range in which the open loop start method should be used increases. However, in the case of an open loop start, it is vulnerable to disturbance, so that a case of synchronous outage occurs due to a small disturbance during start up. In addition, since the electrical and mechanical parameters of the motor must be accurately known and a voltage profile must be made, the system is sensitive to the parameters of the system.

따라서, 전동기 상수에 강인하게 회전자의 순시 위치를 파악하고, 전압을 회전자의 위치에 동기시켜 인가할 수 있는 기동 방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a starting method that can grasp the instantaneous position of the rotor and apply voltage in synchronization with the position of the rotor, which is robust to the motor constants.

또한, 회전자의 초기 위치를 모르는 경우, 초기 기동시에 회전자가 일시적으로 반대 방향으로 회전하는 경우가 발생할 수 있다. 뿐만 아니라, 초기 기동시에 필요한 토크를 최대로 내지 못할 수 있기 때문에 기동에 실패할 가능성도 있다. 따라서, 초기 위치를 정확히 알아야 회전자의 역방향 회전을 막을 수 있고, 초기 기동 토크를 최대로 얻을 수 있다. 따라서, 초기 위치를 정확하게 추정하는 것이 필요하다.In addition, when the initial position of the rotor is not known, a case in which the rotor temporarily rotates in the opposite direction at the time of initial start may occur. In addition, there is a possibility that starting fails because the required torque at the time of initial starting cannot be maximized. Therefore, it is possible to prevent the reverse rotation of the rotor by knowing the initial position correctly, to obtain the maximum initial starting torque. Therefore, it is necessary to accurately estimate the initial position.

종래에 알려진 회전자 추정 방법 중에서, 회전자의 자석에 의한 고정자 코어의 포화 현상을 이용하는 방법이 주로 사용되었다. 이 방법에서는, 3상 인버터의 6가지 전압 벡터를 차례로 인가하고, 그 중 가장 작은 인덕턴스를 가지는 벡터를 찾아내어, 그 벡터 부근의 60도 위치에 회전자의 d축이 있다고 추정한다. 그러나, 이 방법은 60도 단위로 추정하기 때문에 추정 성능이 떨어진다.Among the known rotor estimation methods, a method using the saturation phenomenon of the stator core by the magnet of the rotor is mainly used. In this method, six voltage vectors of a three-phase inverter are sequentially applied, the vector having the smallest inductance is found, and the d-axis of the rotor is estimated at the 60 degree position near the vector. However, since this method estimates in 60 degree units, the estimation performance is poor.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 위치 및 자속 센서가 없는 센서리스 BLDC 전동기에 있어서 회전자의 초기 위치를 정확히 파악하고, 기동시키기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and is to accurately detect and start the initial position of the rotor in a sensorless BLDC motor without a position and magnetic flux sensor.

본 발명에 따른 센서리스 기동은 위치 및 자속 센서를 사용하지 않으면서, 정지시의 회전자 초기 위치를 정확하게 추정하고, 영속에서부터 역기전력이 어느 정도 이상으로 증가하여 측정 가능할 정도의 속도까지 가속시킬 수 있다.The sensorless start according to the present invention can accurately estimate the initial position of the rotor at standstill without using the position and magnetic flux sensors, and can accelerate from zero speed to a measurable speed by increasing the counter electromotive force to some extent. .

따라서, 본 발명의 목적은 BLDC 전동기의 회전자의 초기 위치를 정확하게 파악하는 방법을 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 BLDC 전동기에서 회전자의 위치를 정확하게 파악한 후, 저속 영역 내에서 상기 BLDC 전동기를 센서없이 기동시키는 방법을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for accurately determining the initial position of a rotor of a BLDC motor. It is also an object of the present invention to provide a method of accurately locating a rotor in a BLDC motor and then starting the BLDC motor without a sensor in a low speed region.

본 발명은 펄스폭 변조 방식의 3상 인버터가 출력하는 공간 전압 벡터에 의 하여 구동되며, 위치센서 및 브러시가 없는 브러시리스 직류 전동기(BLDC 전동기)의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법 및 기동 방법에 관한 것이다.The present invention is driven by a spatial voltage vector output by a three-phase inverter of the pulse width modulation method, and the initial electric angle position estimation method and starting method of the rotor of the brushless DC motor (BLDC motor) without the position sensor It is about.

본 발명에 따른 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법은, 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 구간에 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정한 후, 가장 큰 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터 구간에 회전자의 q축이 위치하는 것으로 추정하는 단계를 포함한다. 따라서, d축의 위치를 공간 전압 벡터에 대하여 -30도 전기각 범위 또는 +30도 전기각 범위 내의 30도 단위로 추정할 수 있다.The method of estimating the initial electric angle of the rotor according to the present invention estimates that the d-axis of the rotor is located in the section of the space voltage vector representing the smallest inductance, and then rotates the space in the space voltage vector section representing the largest inductance. Estimating that the q-axis of the former is located. Therefore, the position of the d-axis can be estimated in units of 30 degrees within the -30 degree electrical angle range or the +30 degree electrical angle range with respect to the space voltage vector.

더욱 구체적으로, 본 발명은 펄스폭 변조 방식의 3상 인버터가 출력하는 공간 전압 벡터에 의하여 구동되며, 위치센서 및 브러시가 없는 브러시리스 직류 전동기(BLDC 전동기)의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법으로서,More specifically, the present invention is driven by the space voltage vector output from the three-phase inverter of the pulse width modulation method, the initial electric angle position estimation method of the rotor of the brushless DC motor (BLDC motor) without the position sensor and brush As

고정좌표계에서 전기각 0도인 공간 전압 벡터 V1을 고정자에 인가하여 인덕턴스 L1을 구하는 단계(a);(A) obtaining an inductance L1 by applying a space voltage vector V1 having an electric angle of 0 degrees to the stator in the fixed coordinate system;

고정좌표계에서 전기각 180도인 공간 전압 벡터 V4를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L4를 구하는 단계(b);(B) obtaining an inductance L4 by applying a spatial voltage vector V4 having an electric angle of 180 degrees to the stator in the fixed coordinate system;

상기 인덕턴스 L1 및 L4의 크기를 비교하여, 공간 전압 벡터 V1 및 V4 중에서 작은 인덕턴스 값을 나타내는 공간 전압 벡터를 기준 공간 전압 벡터 Vk로 선택하는 단계(c);Comparing the magnitudes of the inductances L1 and L4 and selecting a space voltage vector representing a small inductance value among the space voltage vectors V1 and V4 as a reference space voltage vector Vk;

상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 +60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk+1을 인가하여 인덕턴스 Lk+1을 구하는 단계(d);(D) obtaining an inductance Lk + 1 by applying a spatial voltage vector Vk + 1 positioned at an electrical angle of +60 degrees with respect to the selected reference spatial voltage vector Vk;

상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 -60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk-1을 인가하여 인덕턴스 Lk-1을 구하는 단계(e);(E) obtaining an inductance Lk-1 by applying a spatial voltage vector Vk-1 located at an electrical angle of −60 degrees with respect to the selected reference spatial voltage vector Vk;

상기 단계(a) 또는 단계(b)에서 구한 기준 공간 전압 벡터 Vk의 인덕턴스 Lk, 및 상기 단계(d) 및 단계(e)에서 구한 인덕턴스 Lk+1 및 Lk-1의 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 구간(즉, 공간 전압 벡터의 방향에 대하여 -30도 내지 +30도의 전기각 범위)에 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정하는 단계(f); 및Inductance Lk of the reference spatial voltage vector Vk obtained in step (a) or step (b), and the smallest inductance of the three inductances of inductance Lk + 1 and Lk-1 obtained in steps (d) and (e) (F) estimating that the d-axis of the rotor is located in a section of the spatial voltage vector representing (i.e., an electric angle range of -30 degrees to +30 degrees with respect to the direction of the spatial voltage vector); And

상기 단계(f)에서 비교한 3개의 인덕턴스 중 가장 큰 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터 구간에 회전자의 q축이 위치하는 것으로 추정하는 단계(g)를 포함한다.(G) estimating that the q-axis of the rotor is located in the space voltage vector section representing the largest inductance among the three inductances compared in the step (f).

이와 같이, 상기 단계(g)에서 회전자의 q축의 위치를 추정함으로써, 상기 회전자의 d축이 상기 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 방향에 대하여 -30도의 전기각 범위 또는 +30도의 전기각 범위에 위치하는 것으로 더욱 세밀하게 추정할 수 있다.Thus, by estimating the position of the rotor's q-axis in step (g), an electric angle range of -30 degrees with respect to the direction of the spatial voltage vector where the d-axis of the rotor represents the smallest inductance of the three inductances or It can be estimated more precisely by being in the electric angle range of +30 degrees.

한편, 상기 단계(c)에서 인덕턴스 L1 및 L4를 비교한 결과, 그 차이가 소정치 이하인 경우(예를 들어, 상기 인덕턴스 L1 또는 L4 값의 10%이하, 또는 5%이하인 경우), 본 발명에 따른 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법은,On the other hand, as a result of comparing the inductance L1 and L4 in the step (c), when the difference is less than a predetermined value (for example, less than 10%, or less than 5% of the value of the inductance L1 or L4), The initial electric angle position estimation method of the rotor of the BLDC motor according to,

고정좌표계에서 전기각이 60도인 공간 전압 벡터 V2를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L2를 구하는 단계(a2);Obtaining a inductance L2 by applying a spatial voltage vector V2 having an electric angle of 60 degrees to the stator in the fixed coordinate system (a2);

고정좌표계에서 전기각이 240도인 공간 전압 벡터 V5를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L5를 구하는 단계(b2);(B2) obtaining an inductance L5 by applying a space voltage vector V5 having an electric angle of 240 degrees to the stator in the fixed coordinate system;

상기 인덕턴스 L2 및 L5의 크기를 비교하여, 공간 전압 벡터 V2 및 V5 중에서 작은 인덕턴스 값을 나타내는 공간 전압 벡터를 기준 공간 전압 벡터 Vk로 선택하는 단계(c2);Comparing the magnitudes of the inductances L2 and L5 and selecting a space voltage vector representing a small inductance value among the space voltage vectors V2 and V5 as a reference space voltage vector Vk;

상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 +60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk+1을 인가하여 인덕턴스 Lk+1을 구하는 단계(d2);Obtaining an inductance Lk + 1 by applying a spatial voltage vector Vk + 1 positioned at an electrical angle of +60 degrees with respect to the selected reference spatial voltage vector Vk (d2);

상기 단계(a2) 또는 단계(b2)에서 구한 기준 공간 전압 벡터 Vk의 인덕턴스 Lk, 상기 단계(d2)에서 구한 인덕턴스 Lk+1, 및 상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 -60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk-1을 인가하였을 때 구한 인덕턴스 Lk-1(여기에서, 인덕턴스 Lk-1은 상기 단계(a) 및 단계(b)에서 구한 L1 및 L4중 어느 하나이다)의 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 구간에 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정하는 단계(e2); 및The inductance Lk of the reference spatial voltage vector Vk obtained in the step (a2) or step (b2), the inductance Lk + 1 obtained in the step (d2), and the electric angle -60 degrees with respect to the selected reference spatial voltage vector Vk. Inductance Lk-1 obtained when the space voltage vector Vk-1 is applied, where inductance Lk-1 is one of the three inductances of L1 and L4 obtained in step (a) and step (b). (E2) estimating that the d-axis of the rotor is located in a section of a space voltage vector representing a small inductance; And

상기 단계(e2)에서 비교한 3개의 인덕턴스 중 가장 큰 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터 구간에 회전자의 q축이 위치하는 것으로 추정하는 단계(f2)를 포함할 수 있다.And estimating that the q-axis of the rotor is located in the space voltage vector section representing the largest inductance among the three inductances compared in the step (e2).

동일한 원리에 의하여, 상기 단계(a2) 및 단계(b2)에서 공간 전압 벡터 V2 및 V5를 인가하는 대신에, 고정좌표계에서 전기각이 -60도인 공간 전압 벡터 V6 및 전기각이 120도인 공간 전압 벡터 V3을 고정자에 인가하여 인덕턴스를 비교할 수 있다.By the same principle, instead of applying the spatial voltage vectors V2 and V5 in steps (a2) and (b2) above, the spatial voltage vector V6 having an electrical angle of -60 degrees and the spatial voltage vector having an electrical angle of 120 degrees in a fixed coordinate system. Inductance can be compared by applying V3 to the stator.

동일한 원리에 의하여, 인덕턴스 특성이 반대인 전동기에 대해서는 인덕턴스 의 대소 관계를 반대로 적용한다. 즉, 가장 큰 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 구간에 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정한 후, 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터 구간에 회전자의 q축이 위치하는 것으로 추정하면 된다.By the same principle, for motors with inverse inductance characteristics, the magnitude of inductance is reversed. That is, after estimating that the d-axis of the rotor is located in the section of the spatial voltage vector representing the largest inductance, the q-axis of the rotor may be estimated in the spatial voltage vector section representing the smallest inductance.

본 발명에 따른 BLDC 전동기 기동 방법은, 합성에 사용된 두 개의 공간 전압 벡터 각각에 대한 인덕턴스를 비교하여 대소관계가 변화되는 시점, 또는 전기각이 큰 공간 전압 벡터에 대한 인덕턴스가 최대값을 나타낸 후 감소하는 시점에 회전자가 30도 이동한 것으로 추정하여, 상기 추정된 회전자의 q축에 전압을 인가한다. 따라서, 30도 단위로 회전자의 위치를 추적함으로써 최대의 토크를 발생시킬 수 있다.In the BLDC motor starting method according to the present invention, the inductance of each of the two spatial voltage vectors used in the synthesis is compared, and the point of magnitude changes or the inductance of the spatial voltage vector having a large electric angle is shown as the maximum value. Assuming that the rotor has moved 30 degrees at the time of decreasing, a voltage is applied to the estimated q-axis of the rotor. Therefore, the maximum torque can be generated by tracking the position of the rotor in units of 30 degrees.

더욱 구체적으로, 본 발명은 펄스폭 변조 방식의 3상 인버터가 출력하는 공간 전압 벡터에 의하여 구동되며, 위치센서 및 브러시가 없는 BLDC 전동기의 기동 방법으로서,More specifically, the present invention is a drive method of a BLDC motor without a position sensor and a brush driven by a space voltage vector output by a pulse width modulation three-phase inverter,

전술한 방법에 따라 회전자의 d축 및 q축의 초기 전기각을 추정하는 단계(a);(A) estimating initial electric angles of the d-axis and q-axis of the rotor according to the above-described method;

추정된 q축이 존재하는 영역의 평균 전압각으로 상기 추정된 q축의 전기각에 인접한 두 개의 공간 전압 벡터 Vn 및 Vn+1을 합성하여 고정자에 인가하는 단계(b);(B) synthesizing two spatial voltage vectors Vn and Vn + 1 adjacent to the electrical angle of the estimated q-axis with the average voltage angle of the region where the estimated q-axis exists and applying them to the stator;

회전자의 d축이 0도 내지 30도, 60도 내지 90도, 120도 내지 150도, 180도 내지 210도, 240도 내지 270도, 또는 300도 내지 330도에 존재하는 경우, 상기 합 성에 사용된 두 개의 공간 전압 벡터 Vn 및 Vn+1 중 전기각이 큰 공간 전압 벡터 Vn+1에 대한 인덕턴스 Ln+1을 모니터링하는 단계(c);If the d-axis of the rotor is present at 0 degrees to 30 degrees, 60 degrees to 90 degrees, 120 degrees to 150 degrees, 180 degrees to 210 degrees, 240 degrees to 270 degrees, or 300 degrees to 330 degrees, (C) monitoring the inductance Ln + 1 for the large electric angle of the space voltage vector Vn + 1 of the two space voltage vectors Vn and Vn + 1 used;

상기 공간 전압 벡터 Vn+1에 대한 인덕턴스 Ln+1이 최대값을 나타낸 후 감소하는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정하는 단계(d);(D) estimating that the rotor has moved 30 degrees from the time when the inductance Ln + 1 for the space voltage vector Vn + 1 decreases after indicating the maximum value;

회전자의 d축이 30도 내지 60도, 90도 내지 120도, 150도 내지 180도, 210도 내지 240도, 270도 내지 300도, 또는 330도 내지 360도에 존재하는 경우, 상기 합성에 사용된 두 개의 공간 전압 벡터 Vn 및 Vn+1 각각에 대한 인덕턴스 Ln 및 Ln+1을 비교하는 단계(e);If the d-axis of the rotor is present at 30 degrees to 60 degrees, 90 degrees to 120 degrees, 150 degrees to 180 degrees, 210 degrees to 240 degrees, 270 degrees to 300 degrees, or 330 degrees to 360 degrees, (E) comparing the inductances Ln and Ln + 1 for each of the two spatial voltage vectors Vn and Vn + 1 used;

상기 인덕턴스 Ln 및 Ln+1의 대소 관계가 변화되는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정하는 단계(f); 및(F) estimating that the rotor has moved 30 degrees from the time when the magnitude relationship between the inductance Ln and Ln + 1 is changed; And

이후, 상기 단계(b) 내지 단계(f)를 반복 수행하는 단계(g)를 포함한다.Thereafter, the step (b) to step (f) it comprises the step (g) to repeat.

본 발명에 있어서, 상기 공간 전압 벡터를 고정자에 인가하여 인덕턴스를 측정하는 과정은, 인덕턴스 값 자체를 구하는 대신에, 상기 공간 전압 벡터를 인가한 후, 소정 시간이 경과한 때 고정자의 전류값을 측정하거나; 상기 공간 전압 벡터를 인가한 후, 고정자의 전류값이 소정값에 도달할 때까지 소요되는 시간을 측정하여, 상기 측정된 전류값 또는 소요 시간을 인덕턱스 값으로 사용하여 서로 비교하는 것이 바람직하다.In the present invention, the process of measuring the inductance by applying the space voltage vector to the stator, instead of obtaining the inductance value itself, after applying the space voltage vector, the current value of the stator after a predetermined time elapsed do or; After applying the space voltage vector, it is preferable to measure the time required until the current value of the stator reaches a predetermined value and compare the measured current value or the required time with an inductance value.

이때 상기 측정된 전류값과 인덕턴스는 반비례 관계에 있고, 상기 소요 시간과 인덕턴스는 비례 관계에 있다. 따라서, 측정된 전류값이 클수록 인덕턴스 값은 작은 것이며, 전류값이 소정값에 도달할 때까지 소요되는 시간이 짧을수록 인덕턴 스 값이 작은 것이다.At this time, the measured current value and inductance are in inverse relationship, and the required time and inductance are in proportion. Therefore, the larger the measured current value, the smaller the inductance value, and the shorter the time required for the current value to reach a predetermined value, the smaller the inductance value.

이하에서는, 본 발명에서 사용되는 BLDC 전동기의 수학적 모델링을 설명한다.Hereinafter, mathematical modeling of the BLDC motor used in the present invention will be described.

기본적으로 정현파 형태의 역기전력을 갖는 BLDC 전동기의 등가 모델은 표면부착형 영구자석 동기 전동기의 등가 모델과 동일하다. 또한, 영구자석 동기 전동기는 영구자석으로부터 자속을 공급받는다는 점을 제외하고는, 기존의 계자 권선이 구비된 동기 전동기와 근본적으로 동일하다고 할 수 있다.Basically, the equivalent model of the sine wave type counter electromotive force is the same as that of the surface mounted permanent magnet synchronous motor. In addition, the permanent magnet synchronous motor is basically the same as the conventional synchronous motor provided with the field winding, except that the magnetic flux is supplied from the permanent magnet.

따라서, BLDC 전동기의 수학적 모델링은 계자 권선을 가지는 동기 전동기를 해석하는 방법과 동일한 방법으로 구할 수 있다. 따라서, 문헌 [P.C. Krause, "Analysis of Electric Machinery," from McGraw-Hill Book Company, 1987.] 및 문헌 [W. Leonard, "Control of Electrical Drives," from Springer-Verlag, 1985.]에 제시된 등가 회로를 바탕으로 기준 좌표계 개념을 도입하여 BLDC 전동기를 해석한다.Therefore, mathematical modeling of the BLDC motor can be obtained by the same method as that of analyzing a synchronous motor having a field winding. Thus, P.C. Krause, "Analysis of Electric Machinery," from McGraw-Hill Book Company, 1987. and W. Based on the equivalent circuit presented in Leonard, "Control of Electrical Drives," from Springer-Verlag, 1985.], the concept of the reference coordinate system is introduced to analyze the BLDC motor.

먼저, BLDC 전동기를 용이하게 해석하기 위하여, 본 명세서에서는 다음과 같은 몇 가지 가정을 전제로 하여 전동기의 회로 방정식을 유도하였다:First, in order to facilitate the interpretation of BLDC motors, the circuit equations of the motors are derived in this specification on the basis of several assumptions:

1) BLDC 전동기는 회전 계자형으로 고정자의 3상 권선은 공간적으로 대칭 분포를 이루며, 각 권선의 임피던스(Impedance)도 3상 대칭이고;1) BLDC motor is a rotating field type, the three-phase winding of the stator has a spatially symmetrical distribution, the impedance of each winding is also three-phase symmetrical;

2) 공극의 길이와 폭은 일정하고, 공극에 쇄교하는 자속은 공간적으로 완전한 정현파의 형태를 취하며;2) the length and width of the pores are constant, and the flux linking the pores takes the form of a spatially perfect sinusoid;

3) 철심의 자화 특성은 선형이고, 히스테리시스(hysteresis) 및 와류(eddy current)에 의한 손실은 없으며;3) the magnetization properties of the iron core are linear and there is no loss due to hysteresis and eddy currents;

4) 회전자는 영구자석으로 일정 자속을 유지하며 기동을 위한 보조권선은 없다.4) The rotor is a permanent magnet and maintains a constant magnetic flux, and there is no auxiliary winding for maneuvering.

도 1은 본 발명에 따른 구동 방법이 적용되는 BLDC 전동기의 예를 도시한 것이다. 상기 전동기는 8개의 자극(magnetic pole) 및 12개의 슬롯(slot)을 구비하며, 회전자가 외부에 존재하는 형태이다. 상기 전동기의 개략적인 모형과 2극으로 가정한 모델을 각각 도 2a 및 도 2b에 도시하였다.1 illustrates an example of a BLDC motor to which a driving method according to the present invention is applied. The motor has eight magnetic poles and twelve slots, in which the rotor is external. A schematic model of the motor and a model assumed to be two poles are shown in FIGS. 2A and 2B, respectively.

도 3은 상기 도 1, 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있는 전동기의 형태를 회전자가 내부에 있는 전동기 형태로 등가한 모델이다. 고정자는 3상 Y결선된 권선으로 이루어져 있고, 서로 전기적으로 120도 간격으로 배치되어 있다. 고정자 각각의 등가 저항은 RS이며, 등가 권선수 NS만큼 감겨 있다. 고정자 권선은 일반적으로 전력을 공급하기 위하여 펄스폭 변조 방식의 3상 인버터의 출력 단자에 연결되어 있다.3 is an equivalent model of the motor shown in FIGS. 1, 2A, and 2B in the form of an electric motor having a rotor therein. The stator consists of three-phase Y-connected windings, which are electrically spaced 120 degrees apart from each other. The equivalent resistance of each stator is R S , wound by the equivalent number of windings N S. The stator windings are typically connected to the output terminals of a pulse width modulated three-phase inverter to supply power.

도 3에서 고정자의 권선은 각각 A, B 및 C 상(phase)으로 나타내었다. 쇄교 자속의 방향을 표시하기 위하여 직축(Direct-axis, d-axis) 및 횡축(Quadrature-axis, q-axis)의 개념을 도입하고, 이를 각각 d 및 q로 나타내었다. 이 때, 직축의 방향은 영구자석으로부터 공급받는 자속의 방향으로서, 자석의 북극(N pole)이 가리키는 방향에 해당한다. 횡축은 직축과 전기적으로 90도 떨어진 방향을 의미한 다. 본 명세서에서는 직축을 기준으로 반시계 방향으로 90도 떨어진 방향을 횡축으로 정의한다. 또한, 전동기가 반시계 방향으로 회전할 때를 정(+)방향 회전이라 정의하였다.The windings of the stator in Figure 3 are shown in A, B and C phases, respectively. In order to indicate the direction of the linkage magnetic flux, the concept of the direct-axis (d-axis) and the horizontal-axis (Quadrature-axis, q-axis) was introduced and represented by d and q, respectively. At this time, the direction of the linear axis is the direction of the magnetic flux supplied from the permanent magnet, and corresponds to the direction indicated by the north pole of the magnet. The abscissa refers to the direction electrically 90 degrees away from the linear axis. In the present specification, the horizontal axis defines a direction 90 degrees away from the counterclockwise direction with respect to the linear axis. In addition, when the motor rotates in the counterclockwise direction was defined as positive (+) direction rotation.

도 3에서 고정자 권선 A, B 및 C 상에 흐르는 전류를 각각 ias, ibs 및 ics로 정의하였다. 전동기는 원통 대칭형으로 가정하였다. 고정자 측의 전압, 전류 및 자속은 항상 동일 평면상에 존재하므로, 이러한 물리량을 모두 벡터로 취급하여 해석하였다.In FIG. 3, currents flowing on the stator windings A, B, and C were defined as i as , i bs, and i cs , respectively. The motor is assumed to be cylindrical symmetric. Since the voltage, current, and magnetic flux on the stator side always exist on the same plane, these physical quantities are all treated as vectors.

또한, 영구자석의 기자력을 일정한 전류원에 의하여 유도되는 것으로 가정하면, 상기 BLDC 전동기를 도 4와 같은 등가회로로 표현할 수 있다. 도 4의 등가회로를 바탕으로 하여, 고정자 각 상의 전압을 각각 vas, vbs 및 vcs로 나타내고, 고정자의 각 상을 쇄교하는 전자속(total flux)을 λas, λbs 및 λcs로 나타내면, 영구자석 전동기의 고정자측 전압 방정식은 하기 수학식 1과 같이 표현할 수 있다:In addition, assuming that the magnetomotive force of the permanent magnet is induced by a constant current source, the BLDC motor can be represented by an equivalent circuit as shown in FIG. Based on the equivalent circuit of FIG. 4, the voltages of each phase of the stator are represented by v as , v bs, and v cs , respectively, and the total fluxes that link each phase of the stator are λ as , λ bs and λ cs The stator side voltage equation of the permanent magnet motor can be expressed as Equation 1 below:

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112004034524219-pat00001
Figure 112004034524219-pat00001

상기 식에서, p는 시간에 대한 미분 연산자, 즉 d/dt를 나타낸다.Where p represents the derivative operator over time, ie d / dt.

한편, 회전자 측은 일정한 자속을 가지는 영구자석으로 이루어져 있으므로, 별도로 해석할 필요가 없다.On the other hand, since the rotor side is made of a permanent magnet having a constant magnetic flux, there is no need to analyze separately.

고정자 권선과 회전자의 가상의 권선 사이의 상호 인덕턴스를 LM으로 나타내면, 쇄교 자속은 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.When the mutual inductance between the stator winding and the virtual winding of the rotor is represented by L M , the linkage magnetic flux may be expressed by Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

λabcs = LSiabcs + LMIF λ abcs = L S i abcs + L M I F

상기식에서,In the above formula,

λabcs는 고정자의 쇄교 자속을 벡터로 표현한 것이고,λ abcs is the vector representation of the linkage flux of the stator,

iabcs는 고정자의 전류를 벡터로 표현한 것이며,i abcs is the vector of stator current

LS는 고정자 권선의 인덕턴스를 벡터로 표현한 것이고,L S is the vector representation of the inductance of the stator winding,

LM은 회전자와 고정자 권선간의 상호 인덕턴스를 벡터로 표현한 것으로서,L M is a vector representation of the mutual inductance between the rotor and stator windings.

각각 하기 수학식 3 내지 수학식 6과 같이 정의된다:Respective equations 3 to 6 are defined as follows:

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112004034524219-pat00002
Figure 112004034524219-pat00002

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112004034524219-pat00003
Figure 112004034524219-pat00003

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112004034524219-pat00004
Figure 112004034524219-pat00004

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112004034524219-pat00005
Figure 112004034524219-pat00005

상기식에서, Lls는 고정자 권선의 누설 인덕턴스(leakage inductance)이고, LA는 고정자 권선의 자기 인덕턴스(self inductance)이다.Where L ls is the leakage inductance of the stator winding and L A is the self inductance of the stator winding.

일반적으로, 교류 전동기의 전압 방정식에 존재하는 시변 미분방정식의 복잡함을 해결하고, 과도상태를 해석하기 위하여 주로 사용되는 기준 좌표계로는, 고정자측을 기준으로 하는 정지 좌표계(stationary reference frame)와 동기 속도로 회전하는 동기 좌표계(synchronous reference frame)가 있다.In general, as a reference coordinate system mainly used to solve the complexity of the time-varying differential equations in the voltage equation of an AC motor and to analyze the transient state, a stationary reference frame and a synchronous speed based on the stator side are used. There is a synchronous reference frame that rotates.

도 3에서 고정자의 A 상과 일치하는 축을 ds축으로 정의하고, 이 축에 수직인 방향을 qs축으로 정의하는 경우, 이러한 좌표계는 회전자의 위치와 무관하므로, 정지 좌표계라 칭한다.In FIG. 3, when the axis coinciding with the A phase of the stator is defined as the d s axis, and the direction perpendicular to the axis is defined as the q s axis, this coordinate system is called a stationary coordinate system because it is independent of the position of the rotor.

또한, 동기 전동기에서는 회전자가 동기 속도로 회전하고 있으므로, 회전자의 자속 방향을 dr축으로 정의하고, 이 축에 수직인 방향을 qr축으로 정의하면, 이러한 좌표계는 회전자에 동기되어 회전하므로, 회전자에 동기된 동기 좌표계라 칭한다.In the synchronous motor, since the rotor is rotating at the synchronous speed, if the magnetic flux direction of the rotor is defined by the d r axis and the direction perpendicular to this axis is defined by the q r axis, the coordinate system rotates in synchronization with the rotor. Therefore, it is called a synchronous coordinate system synchronized with the rotor.

도 5는 정지 좌표계의 축과 동기 좌표계의 축 사이의 관계를 도시한 것이다. 상기 도면에서, θr은 주어진 시점에서 a상 권선이 생성하는 자속축(Magnetic axis)과 회전자 간의 각(전기각)이다.5 shows the relationship between the axes of the stationary coordinate system and the axes of the synchronous coordinate system. In the figure, θ r is the angle (electric angle) between the magnetic axis and the rotor generated by the a-phase winding at a given point in time.

3상의 물리량을 순시적으로 더하였을 때 그 값이 0이라면, 영상분이 존재하 지 않는 것이다. 따라서, 3상의 물리량은 도 3의 d-q 축상의 2상의 물리량으로 표현할 수 있다. 이를 행렬식 형태로 표현하면 하기 수학식 7 및 수학식 8과 같다:If the physical quantity of three phases is added instantaneously, if the value is 0, there is no image content. Therefore, the physical quantity of three phases can be expressed by the physical quantity of two phases on the d-q axis | shaft of FIG. This is expressed as a determinant form as shown in Equations 7 and 8 below:

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112004034524219-pat00006
Figure 112004034524219-pat00006

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112004034524219-pat00007
Figure 112004034524219-pat00007

상기식에서,In the above formula,

fs d 및 fs q 는 각각 ds 축과 qs 축 상에서의 물리량이고,f s d and f s q are physical quantities on the d s and q s axes, respectively,

fa, fb 및 fc는 각각 a, b 및 c 축 상에서의 물리량이다.f a , f b and f c are physical quantities on the a, b and c axes, respectively.

상기 수학식 1의 전압 방정식을 정지 좌표계에서의 전압 방정식으로 나타내기 위하여 벡터로 표시하고, 여기에 상기 수학식 2를 대입하면 하기 수학식 9를 얻을 수 있다:In order to represent the voltage equation of Equation 1 as a voltage equation in a stationary coordinate system, it is represented by a vector, and Substituting Equation 2 above gives Equation 9.

[수학식 9][Equation 9]

vabcs = Rsiabcs + p(LSiabcs + LMI F)v abcs = R s i abcs + p (L S i abcs + L M I F )

상기식에서, vabcs = [vas vbs vcs]T이다.In the above formula, v abcs = [v as v bs v cs ] T.

상기 수학식 7로 나타내었던 정지 좌표계로의 변환 행렬과 상기 수학식 9의 전압 방정식을 곱하여 정리하면, 하기 수학식 10 및 수학식 11과 같은 정지 좌표계에서의 전압 방정식을 얻을 수 있다:By multiplying and converting the transformation matrix to the static coordinate system represented by Equation 7 and the voltage equation of Equation 9, the voltage equation in the static coordinate system as shown in Equations 10 and 11 can be obtained:

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112004034524219-pat00008
Figure 112004034524219-pat00008

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112004034524219-pat00009
Figure 112004034524219-pat00009

상기 식에서,Where

vs ds 및 vs qs는 각각 고정자의 정지 좌표계에서 d-q축 전압이고, v s ds and v s qs are the dq-axis voltages in the static coordinate system of the stator, respectively,

Ls

Figure 112004034524219-pat00010
로 정의되는 BLDC 전동기 고정자의 상 인덕턴스(phase inductance)이며,L s is
Figure 112004034524219-pat00010
Phase inductance of a BLDC motor stator defined by

Ke는 Ke = LmIF로서 역기전력 상수(back e.m.f. constant)이다. K e is the back emf constant as K e = L m I F.

동기 좌표계에서는 좌표축이 동기 속도로 회전한다. 동기 속도로 회전하고 있는 고정자의 전압 벡터 및 전류 벡터는 동기 좌표계에서 볼 때 일정한 값이 된다. 따라서, 정지 좌표계를 사용하는 것에 비하여 동기 좌표계를 사용하는 것이 제어 측면에서 유리하다.In the synchronous coordinate system, the coordinate axis rotates at the synchronous speed. The voltage and current vectors of the stator rotating at the synchronous speed become constant values in the synchronous coordinate system. Therefore, it is advantageous in terms of control to use a synchronous coordinate system as compared to using a static coordinate system.

정지 좌표계의 물리량을 동기 좌표계의 물리량으로 변환하거나 동기 좌표계 의 물리량을 정지 좌표계의 물리량으로 변환하는 것을 행렬식으로 표현하면 하기 수학식 12 및 수학식 13과 같다:Converting the physical quantity of the still coordinate system to the physical quantity of the synchronous coordinate system or converting the physical quantity of the synchronous coordinate system to the physical quantity of the static coordinate system is expressed in a matrix form as follows:

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112004034524219-pat00011
Figure 112004034524219-pat00011

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112004034524219-pat00012
Figure 112004034524219-pat00012

상기식에서,In the above formula,

fr d 및 fr q는 각각 동기 좌표계 상의 물리량을 나타내고,f r d and f r q each represent a physical quantity on a synchronous coordinate system,

fs d 및 fs q 는 각각 정지 좌표계 상의 물리량을 나타낸다. f s d and f s q represent the physical quantities on the stationary coordinate system, respectively.

수학식 10 또는 수학식 11의 정지 좌표계에서의 전압 방정식에 상기 수학식 12의 변환 행렬을 곱하여 정리하면, BLDC 전동기의 동기 좌표계에서의 전압 방정식을 다음과 같이 나타낼 수 있다:By multiplying the voltage equation in the static coordinate system of Equation 10 or Equation 11 by the transformation matrix of Equation 12, the voltage equation in the synchronous coordinate system of the BLDC motor can be expressed as follows:

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112004034524219-pat00013
Figure 112004034524219-pat00013

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112004034524219-pat00014
Figure 112004034524219-pat00014

상기 식에서, vr ds 및 vr qs는 각각 동기 좌표계 상에서 고정자측 d-q 축 전압이다.In the above formula, v r ds and v r qs are stator side dq axis voltages on the synchronous coordinate system, respectively.

또한, 영상분이 없을 경우 3상의 물리량을 동기 좌표계상의 물리량으로 변 환하는 행렬 및 역변환하는 행렬은 다음과 같이 나타낼 수 있다.In addition, when there are no images, a matrix for converting a physical quantity of three phases into a physical quantity on a synchronous coordinate system and a matrix for inverse transform can be expressed as follows.

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112004034524219-pat00015
Figure 112004034524219-pat00015

[수학식 17][Equation 17]

Figure 112004034524219-pat00016
Figure 112004034524219-pat00016

상기 수학식 14 또는 수학식 15를 바탕으로 하는 BLDC 전동기의 동기 좌표계상에서의 d축 등가 회로 및 q축 등가회로를 각각 도 6a 및 도 6b에 도시하였다.6A and 6B show a d-axis equivalent circuit and a q-axis equivalent circuit on a synchronous coordinate system of a BLDC motor based on Equation 14 or 15, respectively.

상기 도 6a 및 도 6b에서, 동기 좌표계 d-q축 쇄교 자속(linkage flux)인 λr ds 및 λr qs는 하기 수학식 18과 같다:6A and 6B, λ r ds and λ r qs, which are linkage fluxes of the synchronous coordinate system dq-axis, are represented by Equation 18:

[수학식 18]Equation 18

Figure 112004034524219-pat00017
Figure 112004034524219-pat00017

BLDC 전동기의 토오크식은 전동기 출력으로부터 구할 수 있다. 3상 상전압과 상전류에 의한 순시 입력 Pin의 값은 다음과 같다:The torque type of BLDC motor can be obtained from the motor output. The instantaneous input P in due to three-phase phase voltage and phase current is:

[수하식 19][19]

Pin = vasias +vbsibs + vcsics P in = v as i as + v bs i bs + v cs i cs

상기 수학식 17을 이용하여 상기 수학식 19의 3상 상전압 및 상전류를 동기 좌표계의 전압 및 전류로 변환하면, 상기 순시 입력은 하기 수학식 20과 같다:When the three-phase phase voltage and the phase current of Equation 19 are converted to the voltage and current of the synchronous coordinate system using Equation 17, the instantaneous input is as shown in Equation 20:

[수학식 20][Equation 20]

Figure 112004034524219-pat00018
Figure 112004034524219-pat00018

다시, 상기 수학식 20의 전압들을 수학식 14를 이용하여 전류 및 전동기의 정수들을 이용한 식으로 변환하면, 상기 순시 입력은 하기 수학식 21과 같다:Again, converting the voltages of Equation 20 into equations using the constants of the current and the motor using Equation 14, the instantaneous input is given by Equation 21:

[수학식 21][Equation 21]

Figure 112004034524219-pat00019
Figure 112004034524219-pat00019

상기식에서, 우변의 첫 번째 항은 동손(copper loss)을 나타내고, 두 번째 항은 자계 에너지 변환율을 나타내며, 세 번째 항은 기계 에너지 출력을 나타낸다.In the above formula, the first term on the right side represents copper loss, the second term represents magnetic field energy conversion rate, and the third term represents mechanical energy output.

따라서, 전동기의 기계적 출력 Pout은 다음과 같다:Thus, the mechanical output P out of the motor is:

[수학식 22][Equation 22]

Figure 112004034524219-pat00020
Figure 112004034524219-pat00020

한편, 전동기의 출력을 토오크와 전동기 회전자의 속도로 나타내면 다음과 같다:On the other hand, the output of the motor is expressed by the torque and the speed of the motor rotor as follows:

[수학식 23][Equation 23]

Pout = ωrmTe P out = ω rm T e

또한, 전기 각속도와 기계 각속도의 관계는 다음과 같다:In addition, the relationship between the electrical angular velocity and the mechanical angular velocity is as follows:

[수학식 24][Equation 24]

Figure 112004034524219-pat00021
Figure 112004034524219-pat00021

상기식에서, P는 전동기의 극 수이다.Where P is the number of poles of the motor.

따라서, 전동기 출력 토오크는 다음과 같다:Therefore, the motor output torque is as follows:

[수학식 25][Equation 25]

Figure 112004034524219-pat00022
Figure 112004034524219-pat00022

상기식에서, KT는 토오크 상수이다.Where K T is the torque constant.

상기 수학식 25로부터, 전동기의 토오크는 전적으로 q축 전류에만 비례하며, d축 성분의 전류는 토오크에 전혀 영향을 미치지 못함을 알 수 있다.From Equation 25, the torque of the motor is entirely proportional to the q-axis current, it can be seen that the current of the d-axis component does not affect the torque at all.

전동기의 기계적 운동 방정식은 다음과 같다:The mechanical motion equation of the motor is:

[수학식 26][Equation 26]

Figure 112004034524219-pat00023
Figure 112004034524219-pat00023

상기식에서,In the above formula,

TL은 부하 토오크이고,T L is the load torque,

J 는 관성 모멘트이며,J is the moment of inertia

B는 마찰 계수이다.B is a friction coefficient.

정지시 또는 저속 영역에서 전동기의 회전자 자속의 시간 변화율인 역기전력은 DC 전원 전압에 비하여 거의 무시할 수 있을 정도로 작다. 따라서, 도 4의 전동기 모델에서, 회전자에 의한 역기전력을 나타내는 부분들은 생략할 수 있다. 도 7은 도 4에서 회전자에 의한 역기전력을 생략한 등가 회로이다. 이 때, 전동기는 R 과 L로 이루어진 3상 대칭의 부하로 보이게 된다.The counter electromotive force, which is the rate of change of the rotor flux of the motor at standstill or in the low speed region, is almost negligible compared to the DC supply voltage. Therefore, in the electric motor model of FIG. 4, portions representing the counter electromotive force by the rotor may be omitted. 7 is an equivalent circuit in which back electromotive force by the rotor is omitted in FIG. 4. At this time, the motor is seen as a three-phase symmetric load consisting of R and L.

이하에서는, 본 발명에 따른 회전자의 초기각 추정 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a method of estimating the initial angle of the rotor according to the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited by the following examples.

전술한 바와 같이, 저속 영역에서의 전동기는 3상이 평형을 이루는 R-L 부하로 모델링할 수 있다. 그러나, 실제로는 회전자의 자석이 만들어 내는 자속이 고정자 코어를 통과하면서 코어의 부분적인 포화 현상을 일으킨다. 이러한 포화 현상으로 인하여, 고정자 권선에 전압을 인가하는 경우, 증가하는 전류의 시간 변화율 즉, 고정자 회로의 인덕턴스가 회전자 자석의 위치에 따라 변하게 된다.As described above, the motor in the low speed region can be modeled as an R-L load in which three phases are balanced. In practice, however, the magnetic flux generated by the magnet of the rotor passes through the stator core, causing partial saturation of the core. Due to this saturation phenomenon, when a voltage is applied to the stator windings, the rate of change of the increasing current, that is, the inductance of the stator circuit, changes according to the position of the rotor magnet.

전동기의 회전자의 위치에 따른 인덕턴스의 변화를 실험으로 확인하였다. 실험 대상 전동기에 시간 T=25㎲ 동안 3상 인버터 공간 벡터 전압 중 V1 전압을 인가하는 경우, 전동기는 도 8에 도시되어 있는 바와 같은 등가 회로로 나타낼 수 있다. 도 9는 상기 3상 인버터 공간 벡터 전압을 도시한 것이다.The change of inductance according to the position of the rotor of the motor was confirmed by experiment. When the voltage V1 of the three-phase inverter space vector voltage is applied to the test target motor for a time T = 25 ms, the motor may be represented by an equivalent circuit as shown in FIG. 8. 9 shows the three-phase inverter space vector voltage.

상기 등가 회로에서, DC 전원측 전류를 t=T에서 샘플링한 전류값을 I1 이라 정의한다. DC 전원측 전류 i(t)는 하기 수학식 27와 같고, 도 10과 같은 그래프로 나타낼 수 있다:In the equivalent circuit, the current value obtained by sampling the DC power supply current at t = T is defined as I1. The DC power supply current i (t) is represented by Equation 27, and can be represented by a graph as shown in FIG.

[수학식 27][Equation 27]

Figure 112004034524219-pat00024
Figure 112004034524219-pat00024

상기식에서,In the above formula,

R은 a상 저항과 b 및 c상 저항의 병렬 합성 저항이고,R is a parallel composite resistance of a phase resistance and b and c phase resistance,

V는 DC 전원 전압이다.V is the DC supply voltage.

회전자의 위치에 따라 상기 전류 i(t)를 측정한 결과를 도 11에 도시하였다.The result of measuring the current i (t) according to the position of the rotor is shown in FIG. 11.

또한, 상기 수학식 27로부터 구한 인덕턴스는 다음과 같다:Further, the inductance obtained from Equation 27 is as follows:

[수학식 28][Equation 28]

Figure 112004034524219-pat00025
Figure 112004034524219-pat00025

따라서, 도 11의 전류값을 인덕턴스로 환산하면, 도 12에 도시되어 있는 바와 같이 역전된 그래프를 얻을 수 있다. 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, 회전자 자속의 위치에 따라 고정자 권선의 인덕턴스는 약 15% 이상의 차이를 나타낸다. 따라서, 이러한 인덕턴스의 변화를 이용하여 회전자의 d축 위치를 추정할 수 있다.Thus, converting the current value of FIG. 11 into inductance, an inverted graph can be obtained as shown in FIG. As can be seen from Figure 12, the inductance of the stator windings varies by more than about 15% depending on the position of the rotor magnetic flux. Therefore, the d-axis position of the rotor can be estimated using the change of inductance.

본 발명에 따라 회전자의 d축 위치를 추정하는 과정은 다음과 같다:The process of estimating the d-axis position of the rotor according to the invention is as follows:

1) 우선, 3상 인버터가 출력하는 6개의 공간 전압 벡터(도 9 참조) 중 V1 및 V4 를 인가한다. 이 때, 소정 시간(T) 후 상승된 전류를 I1 및 I4라 정의한다. 상기 수학식 28에 의하면, I1 및 I4의 대소관계는 V1 방향의 인덕턴스 및 V4 방향의 인덕턴스의 대소관계와 반대된다. 즉, V1 방향의 인덕턴스가 V4 방향의 인덕턴스보다 작은 경우, I1은 I4보다 크다. 이 때, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 회전자의 d축은 고정자 기준 좌표계의 우반 평면에 위치하게 된다.1) First, V1 and V4 of the six spatial voltage vectors (see FIG. 9) output by the three-phase inverter are applied. At this time, the currents raised after the predetermined time T are defined as I1 and I4. According to Equation 28, the magnitude relationship between I1 and I4 is opposite to the magnitude relationship between the inductance in the V1 direction and the inductance in the V4 direction. That is, when the inductance in the V1 direction is smaller than the inductance in the V4 direction, I1 is larger than I4. At this time, as shown in Fig. 13, the d-axis of the rotor is located in the right half plane of the stator reference coordinate system.

2) 이후, 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정되는 180도 범위(즉, 전기각 -90도 내지 +90도 범위) 내에 존재하는 나머지 두 개의 전압 벡터를 차례로 인가하고, 그 때의 인덕턴스를 측정한다. 예를 들어, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이 우반 평면에 회전자 d축이 위치하는 것으로 추정되는 경우, V2 및 V6 벡터 방향의 전압을 차례로 인가하고, 소정 시간 후 상승된 전류 I2 및 I6을 측정한다.2) Thereafter, the remaining two voltage vectors present in the 180-degree range (ie, the electric angle of −90 degrees to +90 degrees) in which the d-axis of the rotor is estimated to be applied are sequentially applied, and the inductance at that time is applied. Measure For example, when it is assumed that the rotor d-axis is located in the right half plane as shown in FIG. 13, voltages in the V2 and V6 vector directions are sequentially applied, and the rising currents I2 and I6 are measured after a predetermined time. do.

3) 상기 3가지 전압 벡터에서의 인덕턴스의 대소 관계를 비교하여, 가장 인덕턴스가 작은 전압 벡터의 방향이 d축 방향이다. 따라서, 회전자의 d축은 상기 전압 벡터 방향에 대하여 -30도 내지 +30도의 범위 내에 위치하는 것으로 추정한다. 이후, 도 14a 및 도 14b에 도시되어 있는 바와 같이, 가장 인덕턴스가 작은 전압 벡터를 제외한 나머지 2개의 전압 벡터 방향의 인덕턴스를 비교하여, 회전자의 q축을 추정한다.3) By comparing the magnitude relationship of the inductances in the three voltage vectors, the direction of the voltage vector having the smallest inductance is the d-axis direction. Therefore, the d-axis of the rotor is assumed to be in the range of -30 degrees to +30 degrees with respect to the voltage vector direction. Then, as illustrated in FIGS. 14A and 14B, the q-axis of the rotor is estimated by comparing the inductances in the two voltage vector directions except for the voltage vector having the smallest inductance.

예를 들어, 도 14a에 도시되어 있는 바와 같이 V1 방향의 인덕턴스가 가장 작고, V6 방향의 인덕턴스가 V2 방향의 인덕턴스보다 큰 경우, 회전자의 q축은 V6 전압 벡터 방향 부근(즉, 전기각 -90도 내지 -30도 범위)에 위치하는 것으로 추 정할 수 있다. 따라서, 회전자의 d축 위치는 V1 방향에 대하여 +30도 범위내에 있고, 평균 위치는 +15도라고 추정할 수 있다. 이와 같이, 회전자의 d축 위치를 30도 단위로 추정할 수 있다.   For example, as shown in FIG. 14A, when the inductance in the V1 direction is the smallest and the inductance in the V6 direction is larger than the inductance in the V2 direction, the q-axis of the rotor is in the vicinity of the V6 voltage vector direction (ie, electric angle −90). It can be estimated to be located in the (degree to -30 degrees range). Therefore, it can be estimated that the d-axis position of the rotor is in the range of +30 degrees with respect to the V1 direction, and the average position is +15 degrees. In this way, the d-axis position of the rotor can be estimated in units of 30 degrees.

반대로, V2 방향의 인덕턴스가 V6 방향의 인덕턴스보다 큰 경우, 회전자의 q축은 V2 전압 벡터 방향 부근(즉, 전기각 +30도 내지 +90도 범위)에 위치하는 것으로 추정할 수 있다. 따라서, 회전자의 d축 위치는 V1 방향에 대하여 -30도 범위내에 있고, 평균 위치는 -15도라고 추정할 수 있다.   Conversely, if the inductance in the V2 direction is greater than the inductance in the V6 direction, it can be estimated that the q-axis of the rotor is located near the V2 voltage vector direction (that is, in the electric angle range of +30 degrees to +90 degrees). Therefore, it can be assumed that the d-axis position of the rotor is in the range of -30 degrees with respect to the V1 direction, and the average position is -15 degrees.

4) 상기 1), 2) 및 3)의 순서대로 d축에 가장 가까운 방향 및 q축에 가장 가까운 방향을 판별한 후, 최종적으로 회전자의 d축이 위치할 수 있는 12개의 영역(30도 단위)을 판별할 수 있다.4) After determining the direction closest to the d-axis and the direction closest to the q-axis in the order of 1), 2) and 3), 12 regions (30 degrees) where the d-axis of the rotor can be finally located Unit) can be determined.

그러나, 상기 과정 1)에서 V1 전압 벡터와 V4 전압 벡터가 q축과 -q축 근처의 방향인 경우에는, 두 방향에서의 인덕턴스 차이가 매우 작기 때문에, 정확하게 판별하기가 곤란하다. 따라서, 상기 과정 1)에서 측정된 두 인덕턴스가 소정값 이하인 경우(예를 들어, 그 차이가 상기 측정된 인덕턴스에 대하여 10% 이하, 바람직하게는 5% 이하인 경우), V2 전압 벡터와 V5 전압 벡터를 기본으로 하여, 다시 과정 2) 및 과정 3)을 반복한다. 이와 같이 추정하는 경우, 추정이 잘못될 확률은 크게 감소된다.However, in the process 1), when the V1 voltage vector and the V4 voltage vector are in the directions near the q-axis and -q-axis, the difference in inductance in the two directions is very small, so that it is difficult to accurately determine them. Thus, when the two inductances measured in step 1) are less than or equal to a predetermined value (e.g., the difference is 10% or less, preferably 5% or less with respect to the measured inductance), the V2 voltage vector and the V5 voltage vector Based on the above, the process 2) and the process 3) are repeated again. In the case of estimating in this way, the probability of wrong estimation is greatly reduced.

도 15는 본 발명에 따른 추정 과정의 순서도이다.15 is a flowchart of an estimating process according to the present invention.

먼저 상기 과정 1)과 같이, 공간 전압 벡터 V1 및 V6을 차례로 고정자에 인가하여 인덕턴스 L1 및 L6을 구한다(S100, S200).First, as in step 1), spatial voltage vectors V1 and V6 are sequentially applied to the stator to obtain inductances L1 and L6 (S100 and S200).

이후, 상기 과정 2)와 같이, L1이 L6보다 작은 경우에는(S400), 회전자의 d축이 고정자 기준 좌표계의 우반 평면에 위치하므로(S510), V2 및 V6을 차례로 인가하여 각각의 인덕턴스를 구한다(S520, S530).Then, as in the process 2), when L1 is smaller than L6 (S400), since the d-axis of the rotor is located in the right plane of the stator reference coordinate system (S510), by applying V2 and V6 in turn to each inductance It obtains (S520, S530).

이후, 상기 과정 3)과 같이, 상기 L1, L2 및 L6를 비교하여 d축을 추정한다(S540). 또한, 나머지 두 전압 벡터의 인덕턴스를 비교하여 q축을 추정한다(S900).Thereafter, as in step 3), the d-axis is estimated by comparing the L1, L2, and L6 (S540). In addition, the q-axis is estimated by comparing the inductances of the remaining two voltage vectors (S900).

그러나, 상기 단계(S400)에서 비교한 결과, L6이 L1보다 작은 경우에는(S400), 회전자의 d축이 고정자 기준 좌표계의 좌반 평면에 위치하므로(S610), V3 및 V5를 차례로 인가하여 각각의 인덕턴스를 구한다(S620, S630). 이후, 상기 L4, L3 및 L5를 비교하여 d축을 추정한다(S640). 또한, 나머지 두 전압 벡터의 인덕턴스를 비교하여 q축을 추정한다(S900).However, as a result of the comparison in step S400, when L6 is smaller than L1 (S400), since the d-axis of the rotor is located in the left half plane of the stator reference coordinate system (S610), V3 and V5 are sequentially applied to each other. To obtain the inductance of (S620, S630). Then, the d-axis is estimated by comparing the L4, L3 and L5 (S640). In addition, the q-axis is estimated by comparing the inductances of the remaining two voltage vectors (S900).

한편, 상기 단계(S100, S200)에서 측정된 두 인덕턴스가 5% 이하인 경우에는(S300), V2 및 V5를 차례로 고정자에 인가하여 인덕턴스 L2 및 L5를 구한다(S310, S320). 이후, L2가 L5보다 작은 경우에는(S450), 회전자의 d축이 고정자 기준 좌표계에 V2를 포함하는 반면(즉, V2에 대하여 -90도 내지 +90도 범위) 내에 위치하는 것으로 추정한다(S710). 이후, V3를 인가하여 인덕턴스를 구한다(S720). 이후, 상기 L2, L3 및 L1을 비교하여 d축을 추정하고(S730), 나머지 두 전압 벡터의 인덕턴스를 비교하여 q축을 추정(S900)하는 과정은 마찬가지이다.On the other hand, when the two inductance measured in the step (S100, S200) is 5% or less (S300), V2 and V5 are sequentially applied to the stator to obtain the inductance L2 and L5 (S310, S320). Then, if L2 is smaller than L5 (S450), it is assumed that the d-axis of the rotor is within V2 in the stator reference coordinate system (i.e., in the range of -90 degrees to +90 degrees relative to V2) ( S710). After that, the inductance is obtained by applying V3 (S720). Thereafter, the process of estimating the d-axis by comparing the L2, L3, and L1 (S730) and estimating the q-axis by comparing the inductances of the remaining two voltage vectors (S900) is the same.

또한, L5가 L2보다 작은 경우에는(S450), 회전자의 d축이 고정자 기준 좌표계에 V5를 포함하는 반면(즉, V5에 대하여 -90도 내지 +90도 범위) 내에 위치하는 것으로 추정한다(S810). 이후, V6를 인가하여 인덕턴스를 구한다(S820). 이후, 상기 L5, L6 및 L4을 비교하여 d축을 추정하고(S830), 나머지 두 전압 벡터의 인덕턴스를 비교하여 q축을 추정(S900)하는 과정은 마찬가지이다.In addition, when L5 is smaller than L2 (S450), it is assumed that the d-axis of the rotor includes V5 in the stator reference coordinate system (that is, within a range of -90 degrees to +90 degrees with respect to V5) ( S810). Thereafter, V6 is applied to obtain an inductance (S820). Thereafter, the process of estimating the d-axis by comparing the L5, L6 and L4 (S830), and estimating the q-axis by comparing the inductance of the remaining two voltage vectors (S900).

본 발명에 따른 d축 추정 과정 중에는 총 4회 또는 5회 전압 벡터를 인가하게 된다. 기존의 추정 방법이 6회 전압을 인가하여 60도 단위의 초기 위치를 판별하는 것에 비하여, 본 발명에서는 전압 인가의 횟수를 감소시키면서도, 30도 단위로 초기 위치를 판별하여, 더 우수한 해상도로 초기 위치를 추정할 수 있음을 알 수 있다.During the d-axis estimation process according to the present invention, a total of four or five voltage vectors are applied. Compared to the conventional estimation method for determining the initial position in units of 60 degrees by applying a voltage six times, in the present invention, the initial position is determined in units of 30 degrees while reducing the number of times of voltage application. It can be seen that can be estimated.

이하에서는, 본 발명에 따른 회전자의 초기 위치각 추정 방법의 구현예를 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the method for estimating the initial position angle of the rotor according to the present invention will be described.

도 8에 도시되어 있는 바와 같이 전동기에 DC 전압을 인가하는 경우, DC 전압원 측의 전류 센서에서 측정되는 전류는 고유의 시정수를 가지고 상승한다. 이 때, 간단하게 인덕턴스를 측정할 수 있는 방법으로 다음의 두 가지가 있다.When the DC voltage is applied to the motor as shown in Fig. 8, the current measured by the current sensor on the DC voltage source side rises with a unique time constant. At this time, there are two ways to simply measure the inductance.

첫 번째 방법은, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이 소정 시간이 지난 뒤에 전류값을 측정하는 방법이다. 상기 수학식 28에 의하여, 측정된 전류값으로부터 인덕턴스를 구할 수 있다.The first method is a method of measuring a current value after a predetermined time, as shown in FIG. According to Equation 28, inductance can be obtained from the measured current value.

두 번째 방법은, 도 16에 도시되어 있는 바와 같이 소정 전류값에 도달하는 시간을 측정하는 방법이다. 임의로 정한 전류 ISET에 도달하는데 소요된 시간이 T1 인 경우, 하기 수학식 29로부터 인덕턴스를 구할 수 있다:The second method is a method of measuring the time to reach a predetermined current value as shown in FIG. If the time taken to reach the arbitrarily set current I SET is T1, the inductance can be obtained from Equation 29:

[수학식 29][Equation 29]

Figure 112004034524219-pat00026
Figure 112004034524219-pat00026

본 발명에서는 인덕턴스의 절대적인 크기를 측정하는 것이 아니라, 상대적인 대소 관계만을 고려하므로, 어느 방법이나 사용가능하다. 본 실시예에서는 첫 번째 방법을 사용하여 구현하였다.In the present invention, the absolute magnitude of the inductance is not measured, but only the relative magnitude is considered, so any method can be used. In this embodiment, the first method is used.

일반적으로, BLDC 전동기에서 인덕턴스값의 차이는 매우 작다. 또한, 자석의 세기가 작을수록 인덕턴스 값은 더욱 작아진다. 인덕턴스를 측정하기 위한 전류 샘플간의 차이가 매우 작은 경우, 인덕턴스의 대소 관계를 판별하기가 매우 어렵다. 따라서, 가장 큰 전류 샘플의 차이를 얻을 수 있는 시간을 선정하여, 그 시간이 경과한 후에 전류를 측정하는 경우에 인덕턴스의 대소관계를 가장 정확하게 판별할 수 있다.In general, the difference in inductance value in BLDC motors is very small. In addition, the smaller the strength of the magnet, the smaller the inductance value. If the difference between the current samples for measuring the inductance is very small, it is very difficult to determine the magnitude relationship of the inductance. Therefore, the time at which the difference between the largest current samples can be obtained is selected, and the magnitude relationship of the inductance can be determined most accurately when the current is measured after that time has elapsed.

도 17에 도시되어 있는 바와 같이 서로 다른 시정수로 전류가 상승하는 경우에는 인덕턴스가 서로 상이함을 의미한다. 각각의 전류 i1(t) 및 i2(t)를 다음과 같이 나타낼 수 있다:As shown in FIG. 17, when the current rises with different time constants, it means that inductances are different from each other. Each of the currents i 1 (t) and i 2 (t) can be represented as follows:

[수학식 30]Equation 30

Figure 112004034524219-pat00027
Figure 112004034524219-pat00027

전류의 차이 idiff(t) 다음과 같다:The difference in current i diff (t) is as follows:

[수학식 31]Equation 31

Figure 112004034524219-pat00028
Figure 112004034524219-pat00028

idiff(t)가 최대가 되는 시점 T를 구하기 위하여, 시간에 대하여 미분하면 다음과 같다:To find the time T at which i diff (t) becomes maximum, the derivative with respect to time is:

[수학식 32]Equation 32

Figure 112004034524219-pat00029
Figure 112004034524219-pat00029

상기 수학식 32로부터 구한 t는 다음과 같다:T obtained from Equation 32 is as follows:

[수학식 33][Equation 33]

Figure 112004034524219-pat00030
Figure 112004034524219-pat00030

τ1≒τ2라고 가정하면, τ21+Δ(Δ≒0)으로 놓을 수 있다. 따라서, idiff(t)가 최대가 되는 시점 T는 다음과 같다:Assume that τ 1 ≒ τ 2 , τ 2 = τ 1 + Δ (Δ ≒ 0). Thus, the point T at which i diff (t) is maximized is:

[수학식 34][Equation 34]

Figure 112004034524219-pat00031
Figure 112004034524219-pat00031

따라서, 대상 전동기의 회전자 위치에 따른 τ의 중간값 즉, (τ의 최대값 + τ의 최소값)/2의 값으로 전류 샘플링 시간 t를 정하는 것이 바람직하다. 그러나, 실제로 1τ의 시간 동안 전압이 인가되는 경우, 전류의 크기가 상당히 증가되어, 전동기가 회전할 수 있다. 따라서, 회전자가 정지마찰력으로 인하여 회전하지 않는 최대의 시간과 측정된 시정수의 중간값 중 작은 값으로 샘플링 시간 T 를 정한다.Therefore, it is preferable to determine the current sampling time t by the value of the intermediate value of τ corresponding to the rotor position of the target motor, that is, the (maximum value of tau + the minimum value of tau) / 2. In practice, however, when voltage is applied for a time of 1τ, the magnitude of the current is significantly increased, so that the electric motor can rotate. Therefore, the sampling time T is determined as the smaller value between the maximum time that the rotor does not rotate due to the static friction force and the median value of the measured time constant.

이하에서는, 본 발명에 따른 BLDC 전동기의 기동 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a method of starting a BLDC motor according to the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited by the following examples.

수학식 25로부터 알 수 있는 바와 같이, 토오크는 회전자 q축 전류에 의해서만 발생한다. 따라서, 기동 과정 중에 최대의 토오크를 얻기 위해서는 최대한 q축에 가깝게 전압을 인가하여 q축 전류를 증가시켜야 한다.As can be seen from Equation 25, the torque is generated only by the rotor q-axis current. Therefore, in order to obtain the maximum torque during the starting process, it is necessary to increase the q-axis current by applying a voltage as close to the q-axis as possible.

전술한 회전자의 초기각 추정 방법을 사용하여 회전자의 초기 위치를 30도 범위 내에서 추정할 수 있다. 도 18은 회전자의 위치에 따른 인가 전압각을 도시한 것이다. 상기 도면에서 실선은 실제 회전자축을 나타내고, 점선은 추정축을 나타낸다.The initial position of the rotor may be estimated using the above-described method of estimating the initial angle of the rotor within the range of 30 degrees. 18 shows the applied voltage angle according to the position of the rotor. In this figure, the solid line represents the actual rotor axis, and the dotted line represents the estimated axis.

도 18의 (a)와 같이 회전자의 d축이 330도 내지 0도 사이에 위치하는 경우, 회전자의 d축 위치는 345도로 추정하고, 이 때의 q축은 75도에 위치한다. 따라서, V2 전압, V3 전압, 및 영전압을 합성하여 평균 전압각을 75도로 인가하는 경우, q축에 가장 가까운 전압을 인가하는 것이 된다. 그 결과, 회전자는 단위 전류당 가장 큰 토오크를 발생시키며, 반시계방향으로 회전하게 된다.When the d-axis of the rotor is located between 330 degrees and 0 degrees as shown in Fig. 18A, the d-axis position of the rotor is estimated at 345 degrees, and the q-axis at this time is located at 75 degrees. Therefore, when the V2 voltage, the V3 voltage, and the zero voltage are combined and the average voltage angle is applied at 75 degrees, the voltage closest to the q-axis is applied. As a result, the rotor generates the largest torque per unit current and rotates counterclockwise.

이후, (b)에서처럼 회전자의 d축이 0도를 지나가는 경우, 회전자의 q축에서 인덕턴스가 최대이므로, V3에서의 인덕턴스가 V2에서의 인덕턴스보다 커지게 된다. 따라서, V2에서의 인덕턴스와 V3에서의 인덕턴스를 계속 비교하다가 그 대소 관계가 바뀌는 시점에 회전자 d축이 0도를 지난다고 판단할 수 있다.Then, when the d-axis of the rotor passes 0 degrees as shown in (b), since the inductance is the largest in the q-axis of the rotor, the inductance at V3 becomes larger than the inductance at V2. Therefore, it is possible to continuously compare the inductance at V2 and the inductance at V3, and determine that the rotor d-axis passes zero degrees at the time when the magnitude relationship changes.

회전자의 d축이 0도를 지났다고 판단하면, 회전자는 다음 영역으로 이동한 것이다. 따라서, (c)에서처럼 회전자의 q축도 다음 영역으로 이동하여 105도에 위치한다고 추정할 수 있다. 마찬가지로, V2 전압, V3 전압, 및 영전압을 합성하여 평균 전압각 105도로 전압을 인가하면, 회전자가 이 영역 안에 위치하는 동안 평균적으로 q축에 가장 가까운 전압을 인가하는 것이다.If it is determined that the d-axis of the rotor has passed 0 degrees, the rotor has moved to the next area. Therefore, as in (c), it can be estimated that the q-axis of the rotor also moves to the next region and is located at 105 degrees. Similarly, when the voltages V2, V3, and zero voltage are combined and applied at an average voltage angle of 105 degrees, the average voltage is applied closest to the q-axis while the rotor is located in this region.

이 때부터는 V3 방향의 인덕턴스만을 측정한다. (e)와 같이 회전자의 d축이 30도에 위치하게 되면, V3 방향이 q축 방향이므로 인덕턴스는 최대값을 가지게 된다. 회전자가 더 회전하여 d축이 30도를 넘게 되면, V3 방향의 인덕턴스는 감소한다. 따라서, V3 방향의 인덕턴스가 최대가 될 때, 회전자가 30도를 지나는 것으로 판단한다.From this point on, only the inductance in the V3 direction is measured. As shown in (e), when the d-axis of the rotor is located at 30 degrees, the inductance has a maximum value because the V3 direction is the q-axis direction. As the rotor rotates further, the d-axis exceeds 30 degrees, the inductance in the V3 direction decreases. Therefore, when the inductance in the V3 direction becomes maximum, it is determined that the rotor passes 30 degrees.

동시에, 회전자의 추정 위치를 (f)에서와 같이 다음 영역으로 옮긴다. q축 의 위치도 마찬가지로 30도 이동하여 135도가 된다. V3 전압, V4 전압, 및 영전압을 합성하여, 전압각 135도 방향으로 전압을 인가한다.At the same time, the estimated position of the rotor is moved to the next area as in (f). The position of the q-axis also moves by 30 degrees to 135 degrees. The V3 voltage, the V4 voltage, and the zero voltage are synthesized, and a voltage is applied in the direction of the voltage angle of 135 degrees.

이러한 과정을 반복함으로써, 회전자의 위치를 전기각 360도 구간 내내 추정하며, ±15도의 오차 범위 내에서 q축의 위치에 전압을 인가할 수 있다.By repeating this process, the position of the rotor can be estimated throughout the electric angle 360 degrees, and voltage can be applied to the q-axis position within an error range of ± 15 degrees.

도 30은 상기한 바와 같은 BLDC 전동기 기동 방법의 순서도이다.30 is a flowchart of the BLDC motor starting method as described above.

먼저, 전술한 바와 같은 회전자 초기 전기각 추정 방법에 따라 회전자의 d축 및 q축의 초기 전기각을 추정한다(S10).First, an initial electric angle of the d-axis and the q-axis of the rotor is estimated according to the rotor initial electric angle estimation method as described above (S10).

이후, 회전자의 d축 위치를 판별한다(S15).Then, the d-axis position of the rotor is determined (S15).

이후, 추정된 q축의 전기각에 인접한 두 개의 공간 전압 벡터 Vn 및 Vn+1을 합성하여, 상기 추정된 q축이 존재하는 영역의 평균 전압각으로 고정자에 인가한다(S20, S25).Thereafter, two spatial voltage vectors Vn and Vn + 1 adjacent to the electric angles of the estimated q-axis are synthesized and applied to the stator at the average voltage angle of the region where the estimated q-axis exists.

이후, 상기 단계(S25)에서 판별한 결과, 회전자의 d축 전기각이 0도 내지 30도, 60도 내지 90도, 120도 내지 150도, 180도 내지 210도, 240도 내지 270도, 또는 300도 내지 330도에 존재하는 경우, 상기 합성에 사용된 두 개의 공간 전압 벡터 Vn 및 Vn+1 중 전기각이 큰 공간 전압 벡터 Vn+1에 대한 인덕턴스 Ln+1을 측정하여(S35), 모니터링한다(S60).Subsequently, as a result of the determination in step S25, the d-axis electric angle of the rotor is 0 degrees to 30 degrees, 60 degrees to 90 degrees, 120 degrees to 150 degrees, 180 degrees to 210 degrees, 240 degrees to 270 degrees, Alternatively, when present at 300 to 330 degrees, the inductance Ln + 1 of the large spatial voltage vector Vn + 1 of the two spatial voltage vectors Vn and Vn + 1 used in the synthesis is measured (S35). Monitor (S60).

이후, 상기 공간 전압 벡터 Vn+1에 대한 인덕턴스 Ln+1이 최대값을 나타낸 후 감소하는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정한다(S70)Subsequently, it is estimated that the rotor has moved 30 degrees from the time when the inductance Ln + 1 for the space voltage vector Vn + 1 decreases after indicating the maximum value (S70).

이후, 상기 단계(S15)로 되돌아가서 회전자의 d축 위치를 다시 판별한다. 또한, 회전자가 30도 이동하였으므로, 이에 상응하여 공간 전압 벡터의 합성 전압 을 30도 증가시켜 인가한다(S25).Thereafter, the process returns to step S15 to determine the d-axis position of the rotor again. In addition, since the rotor has moved 30 degrees, the composite voltage of the space voltage vector is increased by 30 degrees and applied (S25).

이때, 회전자의 d축 전기각은 30도 내지 60도, 90도 내지 120도, 150도 내지 180도, 210도 내지 240도, 270도 내지 300도, 또는 330도 내지 360도에 존재하게 된다. 이러한 경우에는 상기 합성에 사용된 두 개의 공간 전압 벡터 Vn 및 Vn+1 각각에 대한 인덕턴스 Ln 및 Ln+1을 측정하여(S30), 비교한다(S40).In this case, the d-axis electric angle of the rotor is present at 30 degrees to 60 degrees, 90 degrees to 120 degrees, 150 degrees to 180 degrees, 210 degrees to 240 degrees, 270 degrees to 300 degrees, or 330 degrees to 360 degrees. . In this case, the inductance Ln and Ln + 1 for each of the two spatial voltage vectors Vn and Vn + 1 used in the synthesis are measured (S30) and compared (S40).

상기 인덕턴스 Ln 및 Ln+1의 대소 관계가 변화되는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정한다(S15).From the time point when the magnitude relationship between the inductance Ln and Ln + 1 is changed, it is estimated that the rotor has moved 30 degrees (S15).

이후, 다시 상기 단계(S15)로 되돌아가서, 단계(S15) 내지 단계(S70)을 반복한다.Thereafter, the process returns to the step S15 again, and the steps S15 to S70 are repeated.

이와 같이, 회전자의 초기 전기각을 추정한 이후, 인접한 인덕턴스의 두 공간 전압 벡터에 대한 인덕턴스의 대소관계가 바뀌는지 여부(S40) 또는 전기각이 더 큰 공간 전압 벡터에 대한 인덕턴스가 최대 피크를 나타내는지 여부(S60)를 모니터링함으로써, 회전자의 회전을 30도 단위로 알아낼 수 있다.As such, after estimating the initial electric angle of the rotor, whether the magnitude of the inductance changes with respect to two spatial voltage vectors of adjacent inductances is changed (S40) or the inductance for the spatial voltage vector having a larger electric angle shows the maximum peak. By monitoring whether or not (S60), it is possible to find out the rotation of the rotor in units of 30 degrees.

이하에서는, 본 발명에 따른 BLDC 전동기 기동 방법의 구현예를 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the BLDC motor starting method according to the present invention will be described.

전술한 바와 같은 기동 방법을 구현하기 위해서는, 하나의 스위칭 주기 내에서 항상 두 전압 벡터와 영벡터의 세 가지 전압이 출력되며, 그 중 하나의 벡터 또는 두 개의 벡터가 인가되는 시점에서 인덕턴스를 계속 측정하여야 한다. 인덕턴스 측정 방법은 전술한 방법을 그대로 사용할 수 있다. 따라서, 하나의 스위칭 주기 내에서 1회 또는 2회의 전류 샘플링만으로 구현할 수 있다.In order to implement the above-described starting method, three voltages of two voltage vectors and zero vectors are always output within one switching period, and the inductance is continuously measured when one or two vectors are applied. shall. The inductance measuring method can use the above-mentioned method as it is. Therefore, it can be implemented by only one or two current sampling in one switching period.

도 18의 (a) 상황에서 스위칭 주기 내에서의 전류 파형과 인덕턴스 측정 방법을 도 19에 도시하였다. 이 경우의 전압각은 75도이다. 전압 벡터 V2가 인가되는 시간이 더 길기 때문에 그 시간을 Tlong이라 정의하고, 전압 벡터 V3가 인가되는 시간을 Tshort라 정의하며, 영벡터가 인가되는 시간을 Tzero라 정의하고, 전체 스위칭 주기를 Ts라고 정의하면, 각각의 시간은 다음과 같다:FIG. 19 illustrates a current waveform and an inductance measuring method in a switching period in the situation of FIG. 18A. The voltage angle in this case is 75 degrees. Since the time when the voltage vector V2 is applied is longer, the time is defined as T long , the time when the voltage vector V3 is applied is defined as T short , the time when the zero vector is applied is defined as T zero , and the entire switching period If we define T s , each time is

[수학식 35][Equation 35]

Figure 112004034524219-pat00032
Figure 112004034524219-pat00032

[수학식 36][Equation 36]

Figure 112004034524219-pat00033
Figure 112004034524219-pat00033

[수학식 37][Equation 37]

Figure 112004034524219-pat00034
Figure 112004034524219-pat00034

상기식에서,In the above formula,

Ts는 주기이고,T s is a period,

|V|는 한 주기 내에 인가되는 전압 벡터의 크기이다.| V | is the magnitude of the voltage vector applied in one period.

이하에서는, 본 발명에 따른 회전자의 초기각 추정 방법 및 전동기 기동 방법의 효과를 확인하기 위한 실험예를 설명한다.Hereinafter, an experimental example for confirming the effects of the initial angle estimation method and the motor starting method of the rotor according to the present invention.

소형의 저가 전동기 시스템의 경우, 일반적으로 전류 센서를 두개 이상 사용하지 않고, DC 전원측에 한 개만 사용하는 시스템이 많기 때문에, 본 실시예에서도 DC 전원측 전류 센서 한 개만을 사용하였다. In the case of a small low-cost electric motor system, since there are generally many systems in which only one current sensor is used instead of two or more current sensors, only one DC power supply current sensor is used in this embodiment.

도 20은 본 실험예에서 사용된 실험 장치의 구성도이다.20 is a configuration diagram of an experimental apparatus used in the present experimental example.

실험에 사용된 전동기는 도 21에 도시되어 있는 바와 같이 데스크탑 PC용 하드 디스크 드라이브(HDD)의 디스크를 회전시키기 위한 스핀들 모터이다. 상기 스핀들 모터는 12V 전압의 SMPS를 DC 전원으로 사용하는 MOSFET 3상 인버터를 사용하여 구동한다. 인버터의 게이팅 및 제어를 위해 빠른 디지털 신호 처리가 가능한 TMS320VC33 DSP 제어 보드를 사용하였다.The electric motor used in the experiment is a spindle motor for rotating a disk of a hard disk drive (HDD) for a desktop PC as shown in FIG. 21. The spindle motor is driven using a MOSFET three-phase inverter using SMPS of 12V voltage as the DC power source. For gating and control of the inverter, a TMS320VC33 DSP control board with fast digital signal processing is used.

DC 전원측에는 하나의 센싱 저항을 사용하여, DC 전원으로 들어오는 전류를 측정하였다. 센싱 저항 양단의 전압은 전압이득 15.28(V/V)의 전압 증폭기에 의하여 증폭된 후, 제어 보드의 A/D 컨버터를 통하여 디지털 신호로 전환된다. 전동기의 실제 회전각을 측정하기 위한 엔코더를 전동기 축에 연결하고, 제어 보드로 회전자의 위치 펄스 신호를 전달한다.One sensing resistor on the DC power supply side was used to measure the current flowing into the DC power supply. The voltage across the sense resistor is amplified by a voltage amplifier with a voltage gain of 15.28 (V / V) and then converted into a digital signal through an A / D converter on the control board. An encoder for measuring the actual rotation angle of the motor is connected to the motor shaft, and the position pulse signal of the rotor is transmitted to the control board.

상기 스핀들 전동기에 본 발명에 따른 회전자 초기각 추정 방법 및 전동기 기동 방법을 적용하여 실험하였다. 초기각 추정을 위하여 전압을 인가하여도 회전자가 멈춰있는 최대의 전압 인가 시간은 100㎲이다. 전동기 시정수의 평균값은 155㎲이다. 따라서, 100㎲ 동안 전압을 인가하였으며, 100㎲가 경과되는 시점에서 전류를 샘플링하였다. 전압 벡터는 1㎳ 간격으로 인가하였으며, 총 4회 또는 5회의 전압을 인가하므로, 초기각 추정 과정에 소요되는 전체 시간은 약 5㎳ 이내이다. 초기각 추정 과정중의 DC 전원측 전류 파형을 도 22 및 도 23에 도시하였다.The spindle motor was experimented by applying the rotor initial angle estimation method and the motor starting method according to the present invention. Even when voltage is applied for initial angle estimation, the maximum voltage application time at which the rotor is stopped is 100 ms. The average value of the motor time constant is 155 ms. Therefore, a voltage was applied for 100 mA and the current was sampled at the time when 100 mA passed. Since the voltage vector is applied at intervals of 1 ms and a total of 4 or 5 voltages are applied, the total time required for the initial angle estimation process is within about 5 ms. DC power supply side current waveforms during the initial angle estimation process are shown in FIGS. 22 and 23.

고정자에 V1 전압 벡터를 인가하여 회전자를 V1 전압 벡터 방향, 즉 a 상 방향으로 정렬 시킨 뒤, 그 때의 회전자 위치를 0도로 정의하였다. 8극의 전동기는 기계각 90도가 전기각 360도에 해당하므로, 회전자를 기계각 1도부터 88도까지 3도 단위로 회전시키면서 본 발명에 따른 초기각 추정 방법을 사용하였다. 5회 반복 실험한 결과를 도 24에 도시하였다.After applying the V1 voltage vector to the stator to align the rotor in the V1 voltage vector direction, that is, the a-phase direction, the rotor position at that time was defined as 0 degrees. Since the 8-pole motor has a 90 degree mechanical angle and an 360 degree electrical angle, the initial angle estimation method according to the present invention was used while rotating the rotor in 3 degree increments from 1 degree to 88 degrees. The results of five replicate experiments are shown in FIG. 24.

도 25에는 실제각과 추정각 사이의 오차를 나타내었고, 도 26에는 전압 벡터의 총 인가 회수를 나타내었다. 1도부터 88도까지 총 30개의 실제각 중 15개의 각에서 초기 180도 판별에 실패하여 한번 더 전압을 인가하여 샘플링하였음을 알 수 있다. 초기 180도 판별에 성공한 경우에는 총 4회 전압벡터가 인가되고, 실패한 경우에는 총 5회 전압 벡터가 인가된다. 따라서, 전체 각도 범위에서 평균적으로 4.5회 전압을 인가하고 전류를 샘플링함을 알 수 있다.25 shows the error between the actual angle and the estimated angle, and FIG. 26 shows the total number of times the voltage vector is applied. 15 degrees out of 30 actual angles from 1 degree to 88 degrees fail in initial 180 degree discrimination, and it can be seen that voltage was applied once more and sampled. If the initial 180 degree determination is successful, a total of four voltage vectors are applied, and if a failure is unsuccessful, a total of five voltage vectors are applied. Therefore, it can be seen that the voltage is applied and sampled the current 4.5 times over the entire angular range.

예상했던 바대로, ±15도 오차 범위 내에서 실제각을 추정하고 있음을 도 25로부터 알 수 있다.As expected, it can be seen from FIG. 25 that the actual angle is estimated within a ± 15 degree error range.

전술한 바와 같이 추정된 초기 회전자 위치로부터 반시계방향으로 90도 떨어진 지점을 기점으로, 본 발명에 따른 기동 방법을 사용하여 기동 실험을 수행하였 다.As described above, starting experiments were performed using the starting method according to the present invention starting from a point 90 degrees counterclockwise from the estimated initial rotor position.

수학식 35 내지 수학식 37에서, Ts=300㎲로 설정하고, 한 주기 내에서 인가되는 전압 벡터의 크기 |V| = 1/4Vdc = 3V로 설정하였다.In equations (35) to (37), Ts = 300 mV, and the magnitude of the voltage vector applied within one period | V | = 1 / 4Vdc = 3V.

도 27은 상기 조건에서 추정된 회전자의 위치와, 회전자에 부착된 1000ppr의 엔코더를 이용하여 측정한 실제 회전자각을 정지시부터 600rpm까지 기동시키면서 비교한 것이다. 상기 도면으로부터, 추정각은 최대 π/4의 오차를 가지고 실제각을 추정하고 있음을 알 수 있다.FIG. 27 compares the estimated position of the rotor with the actual rotor angle measured using a 1000ppr encoder attached to the rotor while starting up from 600 rpm. From the figure, it can be seen that the estimated angle has an error of at most [pi] / 4 to estimate the actual angle.

도 28은 종래의 기동 방법에 따라 미리 정해진 크기와 주파수를 인가하여 전동기를 기동시키는 도중에 외란이 발생된 경우의 실제각 및 입력된 전압각을 도시한 것이다. 인가된 전압은 본 발명의 기동 방법에 대한 상기 실험과 마찬가지로, 3V의 3상 대칭 정현파이고, 주파수는 회전자의 관성 및 마찰을 고려하여 50Hz/sec로 선형적으로 증가시켰다.FIG. 28 illustrates an actual angle and an input voltage angle when a disturbance occurs while starting a motor by applying a predetermined magnitude and frequency according to a conventional starting method. The applied voltage is a 3-V symmetric sinusoidal pie of 3 V, similar to the above experiment for the starting method of the present invention, and the frequency was linearly increased to 50 Hz / sec in consideration of the inertia and friction of the rotor.

외란을 인위적으로 발생시키기 위하여, 도면의 점선 내의 시간 동안 회전자를 손으로 잡아 정지시킨 뒤 다시 손을 떼었다. 외란이 발생한 경우, 회전자가 동기 탈조하여 기동에 실패함을 도면으로부터 알 수 있다.In order to artificially cause disturbance, the rotor was held by hand for a time in the dotted line of the drawing to stop and then released. When disturbance occurs, it can be seen from the figure that the rotor fails to start due to synchronous outage.

도 29는 본 발명의 기동 방법에 따라 기동시키는 도중에 외란이 발생된 경우의 전기각 및 추정각 파형이다. 종래 기동 방법을 사용한 경우에 나타난 파형을 도시한 도 28과는 달리, 회전자를 정지시킬 정도의 외란이 발생하여도, 실제 회전자의 위치를 계속 추정하고 있으며, 외란이 제거된 후에도 다시 정상적으로 기동하기 시작함을 알 수 있다.29 is an electric angle and an estimated angle waveform when a disturbance occurs during the startup according to the startup method of the present invention. Unlike FIG. 28, which shows the waveform shown in the case of using the conventional starting method, even if a disturbance that causes the rotor to stop occurs, the position of the actual rotor is still estimated, and the normal starting again after the disturbance is removed. You can see that it starts.

본 발명에 다른 회전자의 초기 위치각 추정 방법은 소형 BLDC 전동기를 위치 및 자속 센서 없이 효과적으로 기동시킬 수 있도록 회전자의 초기 위치를 추정한다.The initial position angle estimation method of the rotor according to the present invention estimates the initial position of the rotor so that the small BLDC motor can be effectively started without the position and magnetic flux sensors.

또한, 본 발명에 따른 전동기 기동 방법은, 동기 탈조의 위험 없이 높은 기동 토오크로 전동기를 기동시키기 위하여, 상기 추정 방법으로 추정한 초기 위치에서부터 역기전력의 크기가 충분히 커지는 속도까지 회전자의 위치를 추정하면서 기동한다.In addition, the motor starting method according to the present invention estimates the position of the rotor from the initial position estimated by the estimation method to a speed at which the magnitude of the counter electromotive force is sufficiently increased so as to start the motor with a high starting torque without the risk of synchronous outage. Maneuver

본 발명에서 회전자의 영구자석에 의한 고정자 코어의 자기 포화 현상을 이용해 고정자의 인덕턴스가 위치에 따라 달라짐을 확인하고, 이 현상을 이용하여 정지시 뿐만 아니라 역기전력을 무시할 수 있을 정도의 저속 구간까지 회전자의 위치를 파악할 수 있음을 실험을 통하여 확인하였다.In the present invention, using the magnetic saturation of the stator core by the permanent magnet of the rotor, it is confirmed that the inductance of the stator varies depending on the position, and by using this phenomenon, not only at standstill but also to a low speed section that can ignore the counter electromotive force. It was confirmed through experiments that the location of the former can be determined.

본 발명에 따른 방법은 고정자 인덕턴스의 대소 관계에 의해서만 위치를 판별하기 때문에, 센서리스 구동 알고리즘이 전동기의 전기적 상수 및 기계적 상수에 의한 영향을 받지 않는다. 또한, 회전자의 위치를 파악하기 위하여 별도의 전압을 인가하지 아니하므로, 고주파 주입 방법을 비롯한 기존의 방법보다 효율적이고, 구현이 간단하며, 30도 단위의 추정 성능을 얻을 수 있다. 또한, 동기 탈조의 위험도 없다.Since the method according to the invention determines the position only by the magnitude relationship of the stator inductance, the sensorless drive algorithm is not affected by the electrical and mechanical constants of the motor. In addition, since a separate voltage is not applied to determine the position of the rotor, it is more efficient than the conventional methods including the high frequency injection method, the implementation is simple, and the estimation performance can be obtained in units of 30 degrees. Also, there is no risk of synchronous outage.

Claims (17)

펄스폭 변조 방식의 3상 인버터가 출력하는 공간 전압 벡터에 의하여 구동되며, 위치센서 및 브러시가 없는 브러시리스 직류 전동기(BLDC 전동기)의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법으로서,A method of estimating the initial electric angle position of a rotor of a brushless DC motor, which is driven by a spatial voltage vector output by a pulse width modulated three-phase inverter, 고정좌표계에서 전기각 0도인 공간 전압 벡터 V1을 고정자에 인가하여 인덕턴스 L1을 구하는 단계(a);(A) obtaining an inductance L1 by applying a space voltage vector V1 having an electric angle of 0 degrees to the stator in the fixed coordinate system; 고정좌표계에서 전기각 180도인 공간 전압 벡터 V4를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L4를 구하는 단계(b);(B) obtaining an inductance L4 by applying a spatial voltage vector V4 having an electric angle of 180 degrees to the stator in the fixed coordinate system; 상기 인덕턴스 L1 및 L4의 크기를 비교하여, 공간 전압 벡터 V1 및 V4 중에서 작은 인덕턴스 값을 나타내는 공간 전압 벡터를 기준 공간 전압 벡터 Vk로 선택하는 단계(c);Comparing the magnitudes of the inductances L1 and L4 and selecting a space voltage vector representing a small inductance value among the space voltage vectors V1 and V4 as a reference space voltage vector Vk; 상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 +60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk+1을 인가하여 인덕턴스 Lk+1을 구하는 단계(d);(D) obtaining an inductance Lk + 1 by applying a spatial voltage vector Vk + 1 positioned at an electrical angle of +60 degrees with respect to the selected reference spatial voltage vector Vk; 상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 -60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk-1을 인가하여 인덕턴스 Lk-1을 구하는 단계(e);(E) obtaining an inductance Lk-1 by applying a spatial voltage vector Vk-1 located at an electrical angle of −60 degrees with respect to the selected reference spatial voltage vector Vk; 상기 단계(a) 또는 단계(b)에서 구한 기준 공간 전압 벡터 Vk의 인덕턴스 Lk, 및 상기 단계(d) 및 단계(e)에서 구한 인덕턴스 Lk+1 및 Lk-1의 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 구간에 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정하는 단계(f); 및Inductance Lk of the reference spatial voltage vector Vk obtained in step (a) or step (b), and the smallest inductance of the three inductances of inductance Lk + 1 and Lk-1 obtained in steps (d) and (e) Estimating that the d-axis of the rotor is located in a section of the space voltage vector representing f; And 상기 단계(f)에서 비교한 3개의 인덕턴스 중 가장 큰 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터 구간에 회전자의 q축이 위치하는 것으로 추정하는 단계(g)를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.(G) estimating that the q-axis of the rotor is located in the space voltage vector section representing the largest inductance among the three inductances compared in the step (f). Initial electric angle position estimation method. 제 1 항에 있어서, 상기 공간 전압 벡터 V1의 벡터 방향은 고정좌표계에서 d축과 일치하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.The method of claim 1, wherein the vector direction of the space voltage vector V1 coincides with the d axis in the fixed coordinate system. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(f)에서 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정되는 공간 전압 벡터의 구간은, 상기 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 방향에 대하여 -30도 내지 +30도의 전기각 범위인 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.The interval of the spatial voltage vector in which the d axis of the rotor is estimated to be located in step (f) is -30 degrees with respect to the direction of the spatial voltage vector representing the smallest inductance among the three inductances. Initial electric angle position estimation method of the rotor of the BLDC motor, characterized in that the electric angle range of ~ +30 degrees. 제 3 항에 있어서, 상기 단계(g)에서 회전자의 q축의 위치를 추정함으로써, 상기 회전자의 d축이 상기 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 방향에 대하여 -30도의 전기각 범위 또는 +30도의 전기각 범위에 위치하는 것으로 추정하는 단계(h)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.4. The method of claim 3, wherein in step (g), by estimating the position of the q-axis of the rotor, the electric current of -30 degrees with respect to the direction of the spatial voltage vector, where the d-axis of the rotor represents the smallest inductance of the three inductances. And (h) estimating that it is located in an angular range or an electric angular range of +30 degrees. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(c)에서 인덕턴스 L1 및 L4를 비교한 결과, 그 차이가 소정치 이하인 경우,The method of claim 1, wherein when the inductance L1 and L4 are compared in the step (c), the difference is less than or equal to a predetermined value. 고정좌표계에서 전기각이 60도인 공간 전압 벡터 V2를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L2를 구하는 단계(a2);Obtaining a inductance L2 by applying a spatial voltage vector V2 having an electric angle of 60 degrees to the stator in the fixed coordinate system (a2); 고정좌표계에서 전기각이 240도인 공간 전압 벡터 V5를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L5를 구하는 단계(b2);(B2) obtaining an inductance L5 by applying a space voltage vector V5 having an electric angle of 240 degrees to the stator in the fixed coordinate system; 상기 인덕턴스 L2 및 L5의 크기를 비교하여, 공간 전압 벡터 V2 및 V5 중에서 작은 인덕턴스 값을 나타내는 공간 전압 벡터를 기준 공간 전압 벡터 Vk로 선택하는 단계(c2);Comparing the magnitudes of the inductances L2 and L5 and selecting a space voltage vector representing a small inductance value among the space voltage vectors V2 and V5 as a reference space voltage vector Vk; 상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 +60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk+1을 인가하여 인덕턴스 Lk+1을 구하는 단계(d2);Obtaining an inductance Lk + 1 by applying a spatial voltage vector Vk + 1 positioned at an electrical angle of +60 degrees with respect to the selected reference spatial voltage vector Vk (d2); 상기 단계(a2) 또는 단계(b2)에서 구한 기준 공간 전압 벡터 Vk의 인덕턴스 Lk, 상기 단계(d2)에서 구한 인덕턴스 Lk+1, 및 상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 -60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk-1을 인가하였을 때 구한 인덕턴스 Lk-1(여기에서, 인덕턴스 Lk-1은 상기 단계(a) 및 단계(b)에서 구한 L1 및 L4중 어느 하나이다)의 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 구간에 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정하는 단계(e2); 및The inductance Lk of the reference spatial voltage vector Vk obtained in the step (a2) or step (b2), the inductance Lk + 1 obtained in the step (d2), and the electric angle -60 degrees with respect to the selected reference spatial voltage vector Vk. Inductance Lk-1 obtained when the space voltage vector Vk-1 is applied, where inductance Lk-1 is one of the three inductances of L1 and L4 obtained in step (a) and step (b). (E2) estimating that the d-axis of the rotor is located in a section of a space voltage vector representing a small inductance; And 상기 단계(e2)에서 비교한 3개의 인덕턴스 중 가장 큰 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터 구간에 회전자의 q축이 위치하는 것으로 추정하는 단계(f2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.A step (f2) of estimating that the q-axis of the rotor is located in the space voltage vector section representing the largest inductance among the three inductances compared in the step (e2). Initial electric angle position estimation method. 제 5 항에 있어서, 상기 인덕턴스 L1 및 L4의 차이가 상기 인덕턴스 L1 또는 L4 값의 5%이하인 경우, 단계(a2) 내지 단계(f2)를 수행하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.6. The initial electric power of the rotor of the BLDC motor according to claim 5, wherein when the difference between the inductance L1 and L4 is 5% or less of the value of the inductance L1 or L4, steps (a2) to (f2) are performed. Angular position estimation method. 제 5 항에 있어서, 상기 단계(e2)에서 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정되는 공간 전압 벡터의 구간은, 상기 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 방향에 대하여 -30도 내지 +30도의 전기각 범위인 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.The interval of the spatial voltage vector in which the d-axis of the rotor is located in step (e2) is -30 degrees with respect to the direction of the spatial voltage vector representing the smallest inductance among the three inductances. Initial electric angle position estimation method of the rotor of the BLDC motor, characterized in that the electric angle range of ~ +30 degrees. 제 7 항에 있어서, 상기 단계(f2)에서 회전자의 q축의 위치를 추정함으로써, 상기 회전자의 d축이 상기 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 방향에 대하여 -30도의 전기각 범위 또는 +30도의 전기각 범위에 위치하는 것으로 추정하는 단계(g2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.8. The method of claim 7, wherein by estimating the position of the q-axis of the rotor in step (f2), the d-axis of the rotor is -30 degrees relative to the direction of the spatial voltage vector representing the smallest inductance of the three inductances. (G2) further comprising estimating the angular range or an electric angle range of +30 degrees. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(c)에서 인덕턴스 L1 및 L4를 비교한 결과, 그 차이가 소정치 이하인 경우,The method of claim 1, wherein when the inductance L1 and L4 are compared in the step (c), the difference is less than or equal to a predetermined value. 고정좌표계에서 전기각이 300도인 공간 전압 벡터 V6을 고정자에 인가하여 인덕턴스 L6을 구하는 단계(a3);Obtaining a inductance L6 by applying a spatial voltage vector V6 having an electric angle of 300 degrees to the stator in the fixed coordinate system (a3); 고정좌표계에서 전기각이 120도인 공간 전압 벡터 V3을 고정자에 인가하여 인덕턴스 L3을 구하는 단계(b3);(B3) obtaining an inductance L3 by applying a spatial voltage vector V3 having an electric angle of 120 degrees to the stator in the fixed coordinate system; 상기 인덕턴스 L6 및 L3의 크기를 비교하여, 공간 전압 벡터 V6 및 V3 중에서 작은 인덕턴스 값을 나타내는 공간 전압 벡터를 기준 공간 전압 벡터 Vk로 선택하는 단계(c3);Comparing the magnitudes of the inductances L6 and L3 to select a spatial voltage vector representing a small inductance value among the spatial voltage vectors V6 and V3 as a reference spatial voltage vector Vk; 상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 -60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk-1을 인가하여 인덕턴스 Lk-1을 구하는 단계(d3);Obtaining an inductance Lk-1 by applying a spatial voltage vector Vk-1 located at an electrical angle of −60 degrees with respect to the selected reference spatial voltage vector Vk (d3); 상기 단계(a3) 또는 단계(b3)에서 구한 기준 공간 전압 벡터 Vk의 인덕턴스 Lk, 상기 단계(d3)에서 구한 인덕턴스 Lk-1, 및 상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 +60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk+1을 인가하였을 때 구한 인덕턴스 Lk+1(여기에서, 상기 인덕턴스 Lk+1은 상기 단계(a) 및 단계(b)에서 구한 L1 및 L4중 어느 하나이다)의 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 구간에 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정하는 단계(e3); 및Inductance Lk of the reference space voltage vector Vk obtained in the step (a3) or step (b3), inductance Lk-1 obtained in the step (d3), and the electric angle +60 degrees relative to the selected reference space voltage vector Vk Among the three inductances of inductance Lk + 1 obtained when the space voltage vector Vk + 1 is applied (wherein the inductance Lk + 1 is any one of L1 and L4 obtained in step (a) and step (b)). (E3) estimating that the d-axis of the rotor is located in the interval of the spatial voltage vector representing the smallest inductance; And 상기 단계(e3)에서 비교한 3개의 인덕턴스 중 가장 큰 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터 구간에 회전자의 q축이 위치하는 것으로 추정하는 단계(f3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.A step (f3) of estimating that the q-axis of the rotor is located in the spatial voltage vector section representing the largest inductance among the three inductances compared in the step (e3). Initial electric angle position estimation method. 제 9 항에 있어서, 상기 인덕턴스 L1 및 L4의 차이가 상기 인덕턴스 L1 또는 L4 값의 5%이하인 경우, 단계(a3) 내지 단계(f3)를 수행하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.10. The initial electricity of the rotor of the BLDC motor according to claim 9, wherein if the difference between the inductance L1 and L4 is 5% or less of the value of the inductance L1 or L4, steps (a3) to (f3) are performed. Angular position estimation method. 제 9 항에 있어서, 상기 단계(e3)에서 회전자의 d축이 위치하는 것으로 추정되는 공간 전압 벡터의 구간은, 상기 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 방향에 대하여 -30도 내지 +30도의 전기각 범위인 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.10. The method of claim 9, wherein the interval of the spatial voltage vector in which the d-axis of the rotor is estimated in step (e3) is -30 degrees with respect to the direction of the spatial voltage vector representing the smallest inductance among the three inductances. Initial electric angle position estimation method of the rotor of the BLDC motor, characterized in that the electric angle range of ~ +30 degrees. 제 11 항에 있어서, 상기 단계(f3)에서 회전자의 q축의 위치를 추정함으로써, 상기 회전자의 d축이 상기 3개 인덕턴스 중 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간 전압 벡터의 방향에 대하여 -30도의 전기각 범위 또는 +30도의 전기각 범위에 위치하는 것으로 추정하는 단계(g3)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.12. The method of claim 11, wherein by estimating the position of the q-axis of the rotor in step f3, the electric power of -30 degrees with respect to the direction of the spatial voltage vector where the d-axis of the rotor represents the smallest inductance of the three inductances. (G3) further comprising estimating that it is located in an angle range or an electric angle range of +30 degrees. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공간 전압 벡터를 고정자에 인가하여 인덕턴스를 구하는 과정은,The process of any one of claims 1 to 12, wherein the process of applying the spatial voltage vector to the stator to obtain an inductance, 상기 공간 전압 벡터를 인가한 후, 소정 시간이 경과한 때 고정자의 전류값을 측정하거나;After applying the spatial voltage vector, measuring a current value of a stator when a predetermined time has elapsed; 상기 공간 전압 벡터를 인가한 후, 고정자의 전류값이 소정값에 도달할 때까지 소요되는 시간을 측정하여,After applying the space voltage vector, by measuring the time required until the current value of the stator reaches a predetermined value, 상기 측정된 전류값 또는 소요 시간을 인덕턱스 값으로 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.And using the measured current value or the required time as an inductance value. 제 13 항에 있어서, 상기 고정자에 흐르는 전류값을 측정하는 시간은 회전자가 정지마찰력에 의하여 회전하지 않는 최대 시간 및 측정된 시정수의 중간값 중 작은 값인 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.The initial time of the rotor of the BLDC motor according to claim 13, wherein the time for measuring a current value flowing through the stator is a smaller value between a maximum time at which the rotor does not rotate due to the static friction force and a median value of the measured time constant. Electric angle position estimation method. 제 13 항에 있어서, 상기 인덕턴스 값을 서로 비교하는 단계는, 상기 측정한 전류값 또는 소요 시간을 서로 비교하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.The method of claim 13, wherein the comparing the inductance values with each other comprises comparing the measured current value or the required time with each other. 펄스폭 변조 방식의 3상 인버터가 출력하는 공간 전압 벡터에 의하여 구동되며, 위치센서 및 브러시가 없는 BLDC 전동기의 기동 방법으로서,As a method of starting a BLDC motor without a position sensor and a brush, which is driven by a space voltage vector output by a pulse width modulated three-phase inverter, 제 3 항, 제 8 항 및 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 회전자의 d축 및 q축의 초기 전기각을 추정하는 단계(a);(A) estimating initial electric angles of the d-axis and q-axis of the rotor by the method according to any one of claims 3, 8 and 12; 추정된 q축이 존재하는 영역의 평균 전압각으로 상기 추정된 q축의 전기각에 인접한 두 개의 공간 전압 벡터 Vn 및 Vn+1을 합성하여 고정자에 인가하는 단계(b);(B) synthesizing two spatial voltage vectors Vn and Vn + 1 adjacent to the electrical angle of the estimated q-axis with the average voltage angle of the region where the estimated q-axis exists and applying them to the stator; 회전자의 d축이 0도 내지 30도, 60도 내지 90도, 120도 내지 150도, 180도 내지 210도, 240도 내지 270도, 또는 300도 내지 330도에 존재하는 경우, 상기 합성에 사용된 두 개의 공간 전압 벡터 Vn 및 Vn+1 중 전기각이 큰 공간 전압 벡터 Vn+1에 대한 인덕턴스 Ln+1을 모니터링하는 단계(c);If the d-axis of the rotor is present at 0 degrees to 30 degrees, 60 degrees to 90 degrees, 120 degrees to 150 degrees, 180 degrees to 210 degrees, 240 degrees to 270 degrees, or 300 degrees to 330 degrees, (C) monitoring the inductance Ln + 1 for the large electric angle of the space voltage vector Vn + 1 of the two space voltage vectors Vn and Vn + 1 used; 상기 공간 전압 벡터 Vn+1에 대한 인덕턴스 Ln+1이 최대값을 나타낸 후 감소하는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정하는 단계(d);(D) estimating that the rotor has moved 30 degrees from the time when the inductance Ln + 1 for the space voltage vector Vn + 1 decreases after indicating the maximum value; 회전자의 d축이 30도 내지 60도, 90도 내지 120도, 150도 내지 180도, 210도 내지 240도, 270도 내지 300도, 또는 330도 내지 360도에 존재하는 경우, 상기 합성에 사용된 두 개의 공간 전압 벡터 Vn 및 Vn+1 각각에 대한 인덕턴스 Ln 및 Ln+1을 비교하는 단계(e);If the d-axis of the rotor is present at 30 degrees to 60 degrees, 90 degrees to 120 degrees, 150 degrees to 180 degrees, 210 degrees to 240 degrees, 270 degrees to 300 degrees, or 330 degrees to 360 degrees, (E) comparing the inductances Ln and Ln + 1 for each of the two spatial voltage vectors Vn and Vn + 1 used; 상기 인덕턴스 Ln 및 Ln+1의 대소 관계가 변화되는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정하는 단계(f); 및(F) estimating that the rotor has moved 30 degrees from the time when the magnitude relationship between the inductance Ln and Ln + 1 is changed; And 이후, 상기 단계(b) 내지 단계(f)를 반복 수행하는 단계(g)를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 기동 방법.Thereafter, step (b) to repeat the step (b) to (f) comprises the step of starting a BLDC motor. 제 16 항에 있어서, 상기 공간 전압 벡터를 고정자에 인가하여 인덕턴스를 측정하여 비교하거나 모니터링하는 과정은,The method of claim 16, wherein the measuring and comparing or monitoring the inductance by applying the space voltage vector to the stator comprises: 상기 공간 전압 벡터를 인가한 후, 소정 시간이 경과한 때 고정자의 전류값을 측정하거나;After applying the spatial voltage vector, measuring a current value of a stator when a predetermined time has elapsed; 상기 공간 전압 벡터를 인가한 후, 고정자의 전류값이 소정값에 도달할 때까지 소요되는 시간을 측정하여,After applying the space voltage vector, by measuring the time required until the current value of the stator reaches a predetermined value, 상기 측정된 전류값 또는 소요 시간을 인덕턱스 값으로 사용하여 비교하거나 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 기동 방법.And comparing or monitoring the measured current value or time required as an inductance value.
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