KR102695989B1 - Apparatus and Method for Diagnosing Motor Fault Using Back Electromotive Force of Brushless DC Motor - Google Patents
Apparatus and Method for Diagnosing Motor Fault Using Back Electromotive Force of Brushless DC Motor Download PDFInfo
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Abstract
BLDC 전동기의 역기전력을 이용한 모터 고장 탐지 장치 및 방법은 불가역 감자 고장 시 발생하는 역기전력의 변화를 비여자상에서 탐지하여 모터 고장을 진단하고, 간접적으로 자속이나 역기전력을 추정하지 않고, 불가역 감자에 의한 역기전력의 변화된 정도를 직접 추출하여 이용하기 때문에 불가역 감자 고장을 높은 확률로 탐지할 수 있다.
본 발명은 비여자상에 나타나는 역기전력 성분을 이용하여 모터 고장을 탐지하므로 안정성 측면에서 모터 고장의 확산을 방지하기 위해 실시간 고장 진단이 가능하며, 신뢰성 측면에서 정확히 고장을 진단하는 효과가 있다.A device and method for detecting motor failure using the counter electromotive force of a BLDC motor detects a change in the counter electromotive force that occurs when an irreversible demagnetization failure occurs in the non-excited phase to diagnose the motor failure, and since it directly extracts and utilizes the degree of change in the counter electromotive force due to irreversible demagnetization without indirectly estimating the magnetic flux or counter electromotive force, it can detect the irreversible demagnetization failure with a high probability.
The present invention detects motor failure by utilizing a counter electromotive force component appearing in a non-excited phase, so that real-time failure diagnosis is possible to prevent the spread of motor failure in terms of stability, and has the effect of accurately diagnosing failure in terms of reliability.
Description
본 발명은 모터 고장 탐지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 불가역 감자 고장 시 발생하는 역기전력의 변화를 비여자상에서 탐지하여 모터 고장을 진단하는 BLDC 전동기의 역기전력을 이용한 모터 고장 탐지 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a motor failure detection device and method, and more specifically, to a motor failure detection device and method using the counter electromotive force of a BLDC motor for diagnosing motor failure by detecting a change in counter electromotive force that occurs in the non-excited phase when an irreversible demagnetization failure occurs.
일반적으로 BLDC 전동기는 높은 토크 밀도, 제어 용이성 및 높은 효율성으로 인해 널리 사용되고 있다.In general, BLDC motors are widely used due to their high torque density, ease of control and high efficiency.
BLDC 전동기에 사용되는 영구 자석은 열적, 전기적, 기계적 및 환경적인 스트레스에 의해 영향받기 쉬우며, 이는 모터의 불가역 감자 고장(Irreversible Demagnetization Fault, IDF)으로 이어진다.Permanent magnets used in BLDC motors are susceptible to thermal, electrical, mechanical and environmental stresses, which can lead to irreversible demagnetization fault (IDF) of the motor.
이러한 모터 고장 발생 시 공극 자속의 감소로 인해 역기전력의 감소를 이용하여 오프라인 상태에서 개방 회로의 전압을 측정하여 고장을 탐지하는 방법이 사용되고 있으나, 이는 실시간으로 고장 진단이 불가능하고, 고장의 확산을 미리 방지할 수 없는 문제점이 있다.A method of detecting faults by measuring the voltage of an open circuit in an offline state by utilizing the decrease in counter electromotive force due to a decrease in the gap flux when such motor faults occur is being used, but this has the problem that it is impossible to diagnose faults in real time and cannot prevent the spread of faults in advance.
기존의 불가역 감자 고장은 가우스 미터를 통해 자석의 자기 세기를 측정하는 오프라인 진단을 하거나 입력 전류 신호를 신호 분석을 통해 고장을 진단하는 대표적인 방법이 있다.Conventional irreversible demagnetization faults can be diagnosed offline by measuring the magnetic strength of the magnet using a Gauss meter or by diagnosing the fault through signal analysis of the input current signal.
이러한 불가역 감자 고장 탐지 방법은 오프라인 진단의 경우, 실시간 고장 진단이 불가능하여 불가역 감자 고장으로 인해 일어날 수 있는 다른 고장으로의 확장을 방지하지 못하는 단점이 있다.This method of detecting irreversible demagnetization faults has a disadvantage in that, in the case of offline diagnosis, real-time fault diagnosis is impossible, and thus, it cannot prevent the expansion of other faults that may occur due to irreversible demagnetization faults.
또한, 종래의 불가역 감자 고장 탐지 방법은 모터 전류 신호 분석의 경우, 특정 조건에서 불가역 감자 고장 시 발생하는 특정 고조파에 초점을 맞추고 있어 고장을 진단하는데 알고리즘이 복잡하거나 어려운 문제점이 있다.In addition, conventional irreversible demagnetization fault detection methods focus on specific harmonics that occur in the event of irreversible demagnetization faults under specific conditions when analyzing motor current signals, which makes the algorithm complex or difficult to diagnose.
따라서, 종래의 불가역 감자 고장 탐지 방법은 실시간 고장 진단이 어렵거나 복잡한 신호 처리 과정이 필요하여 소프트웨어의 연산 처리 속도 및 전동기의 속도 변화에 따라 고장을 판별하기 어려운 문제점이 있었다.Therefore, conventional irreversible potato fault detection methods have problems such as difficulty in real-time fault diagnosis or requiring complex signal processing, making it difficult to determine faults depending on changes in the software's computational processing speed and the speed of the motor.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 불가역 감자 고장 시 발생하는 역기전력의 변화를 비여자상에서 탐지하여 모터 고장을 진단하는 BLDC 전동기의 역기전력을 이용한 모터 고장 탐지 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve such problems, the purpose of the present invention is to provide a motor failure detection device and method using the counter electromotive force of a BLDC motor, which diagnoses motor failure by detecting a change in the counter electromotive force that occurs during an irreversible demagnetization failure in the non-excited phase.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 BLDC 전동기의 역기전력을 이용한 모터 고장 탐지 장치는,In order to achieve the above purpose, a motor fault detection device using the counter electromotive force of a BLDC motor according to the features of the present invention is provided.
모터 구동 중에 비여자상 구간의 신호 파형을 발생하는 BLDC(Brushless DC) 전동기; 및A BLDC (Brushless DC) motor that generates a signal waveform in the non-excited phase section while the motor is running; and
상기 BLDC 전동기에 전기적으로 연결되어 상기 비여자상 구간의 신호 파형을 센싱하고, 상기 신호 파형의 크기 변화 또는 역기전력의 변화를 감지하여 모터 고장을 진단하는 제어장치를 포함한다.It includes a control device that is electrically connected to the BLDC motor, senses a signal waveform of the non-excited phase section, and detects a change in the size of the signal waveform or a change in counter electromotive force to diagnose a motor failure.
제어장치는 1개의 상에 전류가 공급되지 않고, 2개의 상에 전류가 공급되는지 판단하여 상기 비여자상 구간을 판단하고, 상기 비여자상 구간에서의 역기전력의 변화를 분석하여 모터 고장을 진단한다.The control device determines whether current is not supplied to one phase and whether current is supplied to two phases, determines the non-excited phase section, and diagnoses a motor failure by analyzing the change in counter electromotive force in the non-excited phase section.
제어장치는 모터의 각 상에서 발생하는 역기전력을 속도와 쇄교 자속으로 하기의 수학식 1에 의해 계산되고, 상기 계산된 역기전력을 일정 구간의 RMS(Root Mean Square) 값으로 계산하여 구동 상태의 측정 역기전력()을 구할 수 있다.The control device calculates the counter electromotive force generated in each phase of the motor by the speed and the magnetic flux linkage using the following
[수학식 1][Mathematical Formula 1]
여기서, , 와 는 각 상의 역기전력, 속도와 권선에 쇄교하는 자속임.Here, , and is the counter electromotive force, speed and flux linking in each winding.
제어장치는 상기 측정 역기전력과 정상 상태의 기준 역기전력()과 비교하고, 하기의 수학식 2에 의해 상기 측정 역기전력이 상기 기준 역기전력보다 작으면, 모터 고장으로 진단하고, 상기 측정 역기전력이 상기 기준 역기전력과 같거나 크면, 정상 모터로 진단할 수 있다.The control device measures the measured counter electromotive force and the reference counter electromotive force in the steady state ( ) and, if the measured counter electromotive force is smaller than the reference counter electromotive force by the following
[수학식 2][Mathematical formula 2]
여기서, 는 모터 구동 중 측정 역기전력이고, 는 기준 역기전력이며, 는 여유분을 나타냄.Here, is the measured counter electromotive force while the motor is driving, is the reference counter electromotive force, indicates a margin of leeway.
본 발명의 특징에 따른 BLDC 전동기의 역기전력을 이용한 모터 고장 탐지 방법은,A method for detecting motor failure using the counter electromotive force of a BLDC motor according to the features of the present invention is as follows.
BLDC(Brushless DC) 전동기는 모터 구동 중에 비여자상 구간과 여자상 구간의 신호 파형을 발생하는 단계; 및The BLDC (Brushless DC) motor generates a signal waveform of the non-excited phase section and the excited phase section during motor operation; and
상기 BLDC 전동기에 연결된 제어장치는 상기 비여자상 구간의 신호 파형을 센싱하고, 상기 신호 파형의 크기 변화 또는 역기전력의 변화를 감지하여 모터 고장을 진단하는 단계를 포함한다.The control device connected to the above BLDC motor includes a step of sensing a signal waveform of the non-excited phase section and detecting a change in the size of the signal waveform or a change in counter electromotive force to diagnose a motor failure.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 비여자상에 나타나는 역기전력 성분을 이용하여 모터 고장을 탐지하며, 간접적으로 자속이나 역기전력을 추정하지 않고, 불가역 감자에 의한 역기전력의 변화된 정도를 직접 추출하여 이용하기 때문에 불가역 감자 고장을 높은 확률로 탐지할 수 있다.By the above-described configuration, the present invention detects a motor failure by utilizing a counter electromotive force component appearing in a non-excited phase, and since it directly extracts and utilizes the degree of change in counter electromotive force due to irreversible demagnetization without indirectly estimating magnetic flux or counter electromotive force, it is possible to detect an irreversible demagnetization failure with a high probability.
본 발명은 비여자상에 나타나는 역기전력 성분을 이용하여 모터 고장을 탐지하므로 안정성 측면에서 모터 고장의 확산을 방지하기 위해 실시간 고장 진단이 가능하며, 신뢰성 측면에서 정확히 고장을 진단하는 효과가 있다.The present invention detects motor failure by utilizing a counter electromotive force component appearing in a non-excited phase, so that real-time failure diagnosis is possible to prevent the spread of motor failure in terms of stability, and has the effect of accurately diagnosing failure in terms of reliability.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 역기전력을 이용한 모터 고장 탐지 장치의 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 각 상에서의 입력 전류, 역기전력, 동작소자 및 비여자상을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 여자 구간(통전 구간), 비여자 구간에서의 상전압 및 역기전력을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 역기전력을 이용한 모터 고장 탐지 방법을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비여자상 구간의 신호 파형의 각도에 따른 모터 고장을 탐지하는 모습을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a drawing briefly showing the configuration of a motor failure detection device using the counter electromotive force of a BLDC motor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the input current, counter electromotive force, operating elements, and non-excited phases in each phase of a BLDC motor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the phase voltage and counter electromotive force in the female section (energized section) and non-energized section according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a drawing showing a motor failure detection method using the counter electromotive force of a BLDC motor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams showing a method of detecting motor failure according to the angle of a signal waveform in a non-excited phase section according to an embodiment of the present invention.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, whenever a part is said to "include" a component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components, unless otherwise stated.
불가역 감자 고장(IDF)은 고온, 균일하지 않은 자화, 노화 및 주로 권선 단락으로부터 야기되는 역자계 등의 여러 가지 이유로 발생할 수 있다. 불가역 감자 고장은 역기전력(Back Electromotive Force, BEMF) 공극자속밀도, 고정자 전압, 전류 및 발생된 토크에 변화를 일으킨다. 이는 결과적으로 전동기의 진동 및 소음의 결과로 나타난다.Irreversible demagnetization fault (IDF) can occur due to several reasons such as high temperature, uneven magnetization, aging, and reverse magnetic field, mainly caused by winding short circuit. Irreversible demagnetization fault causes changes in back electromotive force (BEMF) air gap flux density, stator voltage, current, and torque produced. This results in vibration and noise of the motor.
영구자석(Permanent Magnet) 기계(전동기 등)는 고효율, 고출력 밀도, 고속 범위 및 제어 용이성을 갖는 장점에도 불구하고, 모터 고장으로 이어지는 잠재적인 위험 중 IDF 결함이 있다. IDF는 전기적, 열적, 기계적 스트레스, 단락/개방회로 오류, 열, 습도 등 기타 환경 요인으로 발생하며, 이로 인하여 전체 모터 결함의 심각성을 증가시킨다. 따라서, 본 발명은 더 심각한 모터 고장이 발생하기 전에 최적의 성능과 전체 시스템 안전을 위하여 IDF를 실시간으로 감지해야 한다.Permanent Magnet (PM) machines (e.g. motors) have the advantages of high efficiency, high power density, high speed range, and easy controllability, but there is a potential risk of IDF defect leading to motor failure. IDF is caused by electrical, thermal, mechanical stress, short circuit/open circuit fault, heat, humidity, and other environmental factors, and increases the severity of the overall motor failure. Therefore, the present invention should detect IDF in real time for optimal performance and overall system safety before more serious motor failure occurs.
본 발명은 비여자상에 나타나는 역기전력 성분을 이용하여 모터 고장을 탐지하며, 간접적으로 자속이나 역기전력을 추정하지 않고, 불가역 감자에 의한 역기전력의 변화된 정도를 직접 추출하여 이용하기 때문에 불가역 감자 고장을 높은 확률로 탐지할 수 있다.The present invention detects motor failure by utilizing a counter electromotive force component appearing in a non-excited phase, and since it directly extracts and utilizes the degree of change in counter electromotive force due to irreversible demagnetization without indirectly estimating magnetic flux or counter electromotive force, it can detect irreversible demagnetization failure with a high probability.
본 발명은 BLDC(Brushless DC) 전동기의 센서리스(Sensorless) 구동 방법 중 전동기에 공급되는 3상 단자의 역기전력의 영교차점을 이용하여 회전자의 위치를 검출 및 추정하여 전동기를 구동하는 방법을 사용하며, 이때, 얻을 수 있는 역기전력의 파형을 이용하여 불가역 감자 고장 진단을 수행한다.The present invention uses a method of driving a BLDC (brushless DC) motor by detecting and estimating the position of a rotor by utilizing the zero crossing point of the counter electromotive force of three-phase terminals supplied to the motor among sensorless driving methods of the motor, and at this time, an irreversible demagnetization fault diagnosis is performed using the waveform of the counter electromotive force that can be obtained.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 역기전력을 이용한 모터 고장 탐지 장치의 구성을 간략하게 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 각 상에서의 입력 전류, 역기전력, 동작소자 및 비여자상을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 여자 구간(통전 구간), 비여자 구간에서의 상전압 및 역기전력을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 역기전력을 이용한 모터 고장 탐지 방법을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a diagram briefly illustrating a configuration of a motor fault detection device using the counter electromotive force of a BLDC motor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram illustrating an input current, counter electromotive force, an operating element, and a non-excited phase in each phase of a BLDC motor according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram illustrating phase voltage and counter electromotive force in an exciting section (energizing section) and a non-excited section according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram illustrating a motor fault detection method using the counter electromotive force of a BLDC motor according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 역기전력을 이용한 모터 고장 탐지 장치(100)는 BLDC 전동기(110), 인버터(114) 및 제어장치(115)를 포함한다. A motor failure detection device (100) using the counter electromotive force of a BLDC motor according to an embodiment of the present invention includes a BLDC motor (110), an inverter (114), and a control device (115).
BLDC 전동기(110)는 입력 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 전력을 공급하는 인버터(114)를 구비한다.The BLDC motor (110) is equipped with an inverter (114) that converts input DC voltage into three-phase AC voltage and supplies power.
BLDC 전동기(110)는 제1 전압센서(111), 제2 전압센서(112), 제3 전압센서(113)를 구비하여 3상의 전압을 측정하며, 이러한 측정된 전압은 전기적으로 연결된 제어장치(115)에서 감지한다.The BLDC motor (110) is equipped with a first voltage sensor (111), a second voltage sensor (112), and a third voltage sensor (113) to measure the voltage of three phases, and the measured voltage is detected by an electrically connected control device (115).
도 2에 도시된 바와 같이, BLDC 전동기(110)의 각 상에서의 입력 전류, 역기전력, 동작소자 및 비여자상을 보여준다.As shown in Fig. 2, the input current, counter electromotive force, operating element, and non-exciting phase of each phase of the BLDC motor (110) are shown.
BLDC 전동기(110)는 모든 구간에서 2개의 상만 여자되고, 나머지 1개의 상이 비여자된다. 이러한 방식을 2상 통전 방식이라 한다.In a BLDC motor (110), only two phases are excited in all sections, and the remaining one phase is de-excited. This method is called a two-phase energization method.
도 3에 도시된 바와 같이, BLDC 전동기(110)는 여자 구간(통전 구간), 비여자 구간에서의 상전압 및 역기전력을 나타낸 것이다.As shown in Fig. 3, the BLDC motor (110) shows the phase voltage and counter electromotive force in the exciting section (energizing section) and the non-excited section.
제어장치(115)는 각 상에 연결된 제1 전압센서(111), 제2 전압센서(112), 제3 전압센서(113)에 전기적으로 연결되어 있으며, 각 상의 전류를 센싱한다.The control device (115) is electrically connected to the first voltage sensor (111), the second voltage sensor (112), and the third voltage sensor (113) connected to each phase, and senses the current of each phase.
제어장치(115)는 1개의 상에 전류가 공급되지 않고, 2개의 상에 전류가 공급되는지 판단하여 비여자상 구간을 판단한다.The control device (115) determines the non-excited phase section by determining whether no current is supplied to one phase and whether current is supplied to two phases.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, A 영역은 A상에서 전류가 흐르지 않고, B상과 C상에서 전류가 인가되고 있으므로 비여자 구간임을 알 수 있다.That is, as shown in Fig. 2, it can be seen that the A region is a non-excited section because no current flows in phase A, and current is applied to phases B and C.
비여자상 구간은 이상적으로 신호가 감지되지 않아야 하지만, 모터가 회전하고 있으므로 역기전력이 발생하고, 전류가 공급되고 있는 2개의 상에서 발생하는 전압이 유도되어 도 3과 같이 PWM 파형이 생성된다.The non-excited phase section should ideally not detect any signal, but since the motor is rotating, a back electromotive force is generated, and a voltage is induced in the two phases that are being supplied with current, generating a PWM waveform as shown in Fig. 3.
제어장치(115)는 비여자상 구간의 신호 파형을 센싱하여 크기 변화를 감지하여 모터 고장을 진단하고, 인버터(114)를 제어하여 BLDC 전동기(110)의 전원 공급을 중단시켜 BLDC 전동기(110)를 정지시킨다.The control device (115) senses the signal waveform of the non-excited phase section to detect a change in size, diagnoses a motor failure, and controls the inverter (114) to stop the power supply to the BLDC motor (110) and thereby stop the BLDC motor (110).
모터 고정자 권선에 쇄교하는 자속은 영구 자석에서 발생하는 자속에 의해 결정된다.The magnetic flux linking in the motor stator windings is determined by the magnetic flux generated by the permanent magnets.
영구 자석에서 발생하는 자속은 고온, 과전류, 역자계 또는 영구 자석의 흠집, 노화 등에 의해 감소한다. 이러한 영향에 의해 자속이 감소하였을 때, 다시 원래의 자속의 크기로 회복하지 못하는 현상을 불가역 감자(irreversible demagnetization)라고 하며, 모터의 자석에서 불가역 감자 현상이 일어났을 때 이를 불가역 감자 고장(IDF)이라고 한다.The magnetic flux generated in a permanent magnet decreases due to high temperature, overcurrent, reverse magnetic field, or scratches or aging of the permanent magnet. When the magnetic flux decreases due to these influences and does not recover to the original size, the phenomenon is called irreversible demagnetization, and when the irreversible demagnetization phenomenon occurs in the magnet of a motor, it is called irreversible demagnetization failure (IDF).
모터의 각 상에서 발생하는 역기전력은 속도와 쇄교 자속으로 표현되며, 다음의 수학식 1과 같다.The counter electromotive force generated in each phase of the motor is expressed in terms of speed and flux linkage, as shown in the following
여기서, , 와 는 각 상의 역기전력, 속도와 권선에 쇄교하는 자속을 나타낸다.Here, , and represents the counter electromotive force, speed and flux linking in each winding.
IDF에 의한 모터 회전자의 영구 자석의 자속 감소는 고정자의 쇄교 자속 감소로 이어지며, 이는 역기전력의 감소로 이어진다.The reduction in the magnetic flux of the permanent magnets of the motor rotor due to the IDF leads to a reduction in the flux linkage of the stator, which in turn leads to a reduction in the back electromotive force.
또한, 역기전력은 IDF 정도가 증가할수록 감소한다.Additionally, the counter electromotive force decreases as the IDF degree increases.
제어장치(115)는 여자구간에서 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 파형의 상전압을 계산하면, 역기전력(e)과 입력 DC 전압(VDC)을 이용하여 다음의 수학식 2와 같이 표현한다.When the control device (115) calculates the phase voltage of the pulse width modulation (PWM) waveform in the female section, it expresses it as the following
상전압은 BLDC 구동 PWM 방식 및 온 구간과 오프 구간에 의해 변할 수 있다.The phase voltage can be changed by the BLDC driving PWM method and the on and off periods.
제어장치(115)는 비여자상 구간이 상부의 PWM 온 구간과 하부의 PWM 오프 구간으로 이루어지고, 비여자상 구간의 상전압은 역기전력(e)와 같다.The control device (115) has a non-excited phase section consisting of an upper PWM on section and a lower PWM off section, and the phase voltage of the non-excited phase section is equal to the counter electromotive force (e).
PWM 온 구간은 비여자상 구간의 PWM 파형에서 상부 끝단면들이 이어지는 구간을 나타내고, PWM 오프 구간은 비여자상 구간의 PWM 파형에서 하부 끝단면들이 이어지는 구간을 나타낸다.The PWM on section represents the section where the upper ends of the PWM waveform in the non-excited section are connected, and the PWM off section represents the section where the lower ends of the PWM waveform in the non-excited section are connected.
제어장치(115)는 역기전력(e)을 일정 구간에서 RMS(Root Mean Square) 값으로 계산하면 Vrms를 얻을 수 있다.The control device (115) can obtain V rms by calculating the counter electromotive force (e) as an RMS (Root Mean Square) value in a certain section.
제어장치(115)는 모터의 입력 DC 전압을 측정하여 신호 처리를 통한 역기전력을 획득한다.The control device (115) measures the input DC voltage of the motor and obtains the counter electromotive force through signal processing.
제어장치(115)는 정상 모터 상태, 비여자 구간에서 신호 처리를 통하여 기준 역기전력()을 획득한다(S100).The control device (115) processes signals in the normal motor state and in the non-excited section to obtain the reference counter electromotive force ( ) is obtained (S100).
제어장치(115)는 역기전력이 모터 속도에 따라 달라지기 때문에 모터 속도에 따른 정상 모터의 기준 역기전력()을 모터 제어 컨트롤러에 룩업 테이블(Look Up Table, LUT)에 저장한다(S102).The control device (115) determines the reference counter electromotive force of the normal motor according to the motor speed, since the counter electromotive force varies depending on the motor speed. ) is stored in a look up table (LUT) in the motor control controller (S102).
제어장치(115)는 비여자 구간에서 신호 처리를 통하여 구동 상태의 측정 역기전력()을 획득한다(S104).The control device (115) measures the driving state counter electromotive force ( ) through signal processing in the non-excited section. ) is obtained (S104).
제어장치(115)는 룩업 테이블에 저장된 기준 역기전력()과, 모터 구동 상태에서 측정된 측정 역기전력()을 비교하고(S106), 측정 역기전력이 기준 역기전력(여유분 뺀)보다 작으면, 모터 고장으로 진단하고(S108), 측정 역기전력이 기준 역기전력(여유분 뺀)과 같거나 크면, 정상 모터로 진단한다(S110).The control device (115) stores the reference counter electromotive force ( ) and the measured counter electromotive force ( ) measured in the motor driving state. ) are compared (S106), and if the measured counter electromotive force is less than the reference counter electromotive force (excluding the margin), the motor is diagnosed as faulty (S108), and if the measured counter electromotive force is equal to or greater than the reference counter electromotive force (excluding the margin), the motor is diagnosed as normal (S110).
제어장치(115)는 측정 역기전력이 기준 역기전력(여유분 뺀)보다 작으면, 모터 고장으로 진단하고, 인버터(114)를 제어하여 BLDC 전동기(110)의 전원 공급을 중단시켜 BLDC 전동기(110)를 정지시킨다.If the measured counter electromotive force is less than the reference counter electromotive force (excluding the margin), the control device (115) diagnoses a motor failure and controls the inverter (114) to stop the power supply to the BLDC motor (110) and thereby stop the BLDC motor (110).
여기서, 는 모터 구동 중 측정 역기전력이고, 는 기준 역기전력이며, 는 여유분을 나타낸다.Here, is the measured counter electromotive force while the motor is driving, is the reference counter electromotive force, represents a margin of leeway.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비여자상 구간의 신호 파형의 각도에 따른 모터 고장을 탐지하는 모습을 나타낸 도면이다.FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams showing a method of detecting motor failure according to the angle of a signal waveform in a non-excited phase section according to an embodiment of the present invention.
제어장치(115)는 비여자상 구간에서 PWM 파형의 각도 변화를 센싱하여 모터 고장을 진단할 수 있다.The control device (115) can diagnose a motor failure by sensing the angle change of the PWM waveform in the non-excited phase section.
제어장치(115)는 도 5의 (a), (b)와 같이, 비여자상 구간에서 PWM 파형의 PWM 온 구간에 매칭되는 직선(10)을 형성하고, 형성된 직선(10)의 한점과 만나도록 수평선을 형성하면, 직선(10)과 수평선을 이용하여 삼각형을 이루며, 삼각함수를 이용하여 직선과 수평선을 이루는 각도를 계산한다.The control device (115) forms a straight line (10) matching the PWM on section of the PWM waveform in the non-excited section as shown in (a) and (b) of Fig. 5, and forms a horizontal line to meet a point of the formed straight line (10), and then forms a triangle using the straight line (10) and the horizontal line, and calculates the angle formed between the straight line and the horizontal line using a trigonometric function.
도 6에 도시된 바와 같이, 제어장치(115)는 비여자상 구간의 PWM 온 구간에서 복수의 임의의 점들을 샘플링하고, 샘플링된 점들을 최소 제곱법을 이용항 근사 직선(10)으로 변환하고, 근사 직선(10)의 한점과 만나도록 수평선을 형성하면, 근사 직선(10)과 수평선을 이용하여 삼각형을 이루며, 삼각함수를 이용하여 근사 직선(10)과 수평선을 이루는 각도를 계산한다.As illustrated in FIG. 6, the control device (115) samples a plurality of random points in the PWM on section of the non-excited section, converts the sampled points into an approximate straight line (10) using the least squares method, forms a horizontal line to meet one point of the approximate straight line (10), forms a triangle using the approximate straight line (10) and the horizontal line, and calculates the angle formed between the approximate straight line (10) and the horizontal line using a trigonometric function.
제어장치(115)는 비여자상 구간에서 발생되는 PWM 파형을 감지하여 PWM 파형의 각도를 주기적으로 계산하고, 계산한 각도는 기설정된 기준 각도와 비교하여 계산한 각도가 기준 각도보다 작은 경우, 모터 고장으로 진단하고(도 5의 (b)), 인버터(114)를 제어하여 BLDC 전동기(110)의 전원 공급을 중단시켜 BLDC 전동기(110)를 정지시킨다.The control device (115) detects the PWM waveform generated in the non-excited phase section, periodically calculates the angle of the PWM waveform, compares the calculated angle with a preset reference angle, and if the calculated angle is smaller than the reference angle, diagnoses a motor failure ((b) of FIG. 5), and controls the inverter (114) to stop the BLDC motor (110) by cutting off the power supply to the BLDC motor (110).
제어장치(115)는 계산한 각도가 기준 각도보다 같거나 큰 경우, 정상 각도로 진단한다(도 5의 (a)).The control device (115) diagnoses the angle as normal if the calculated angle is equal to or greater than the reference angle ((a) of Fig. 5).
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims also fall within the scope of the present invention.
100: 모터 고장 탐지 장치
110: BLDC 전동기
111: 제1 전압센서
112: 제2 전압센서
113: 제3 전압센서
114: 인버터
115: 제어장치100: Motor fault detection device
110: BLDC motor
111: 1st voltage sensor
112: 2nd voltage sensor
113: 3rd voltage sensor
114: Inverter
115: Control unit
Claims (8)
상기 BLDC 전동기에 전기적으로 연결되어 상기 비여자상 구간의 신호 파형을 센싱하고, 상기 신호 파형의 크기 변화 또는 역기전력의 변화를 감지하여 모터 고장을 진단하는 제어장치를 포함하고,
상기 제어장치는 1개의 상에 전류가 공급되지 않고, 2개의 상에 전류가 공급되는지 판단하여 상기 비여자상 구간을 판단하고, 상기 비여자상 구간에서의 역기전력의 변화를 분석하여 모터 고장을 진단하는 모터 고장 탐지 장치.A BLDC (Brushless DC) motor that generates a signal waveform in the non-excited phase section while the motor is running; and
It includes a control device that is electrically connected to the BLDC motor, senses the signal waveform of the non-excited phase section, and detects a change in the size of the signal waveform or a change in counter electromotive force to diagnose a motor failure.
The above control device is a motor failure detection device that determines whether current is not supplied to one phase and current is supplied to two phases to determine the non-excited phase section, and analyzes the change in counter electromotive force in the non-excited phase section to diagnose a motor failure.
상기 제어장치는 모터의 각 상에서 발생하는 역기전력을 속도와 쇄교 자속으로 하기의 수학식 1에 의해 계산되고, 상기 계산된 역기전력을 일정 구간의 RMS(Root Mean Square) 값으로 계산하여 구동 상태의 측정 역기전력()을 구하는 모터 고장 탐지 장치.
[수학식 1]
여기서, , 와 는 각 상의 역기전력, 속도와 권선에 쇄교하는 자속임.In claim 1,
The above control device calculates the counter electromotive force generated in each phase of the motor by the speed and the magnetic flux linkage using the following mathematical expression 1, and calculates the calculated counter electromotive force as the RMS (Root Mean Square) value of a certain section to measure the counter electromotive force in the driving state ( ) A motor fault detection device.
[Mathematical formula 1]
Here, , and is the counter electromotive force, speed and flux linking in each winding.
상기 제어장치는 상기 측정 역기전력과 정상 상태의 기준 역기전력()과 비교하고, 하기의 수학식 2에 의해 상기 측정 역기전력이 상기 기준 역기전력보다 작으면, 모터 고장으로 진단하고, 상기 측정 역기전력이 상기 기준 역기전력과 같거나 크면, 정상 모터로 진단하는 모터 고장 탐지 장치.
[수학식 2]
여기서, 는 모터 구동 중 측정 역기전력이고, 는 기준 역기전력이며, 는 여유분을 나타냄.In claim 3,
The above control device is configured to measure the measured counter electromotive force and the reference counter electromotive force in the steady state ( ) and, if the measured counter electromotive force is smaller than the reference counter electromotive force by the following mathematical expression 2, the motor is diagnosed as faulty, and if the measured counter electromotive force is equal to or greater than the reference counter electromotive force, the motor is diagnosed as normal. A motor fault detection device.
[Mathematical formula 2]
Here, is the measured counter electromotive force while the motor is driving, is the reference counter electromotive force, indicates a margin of leeway.
상기 제어장치는 비여자상 구간의 신호 파형을 센싱하고, 상기 신호 파형의 각도 변화를 센싱하여 모터 고장을 진단하는 모터 고장 탐지 장치.In claim 1,
The above control device is a motor failure detection device that senses a signal waveform in a non-excited phase section and detects an angular change in the signal waveform to diagnose a motor failure.
상기 BLDC 전동기에 연결된 제어장치는 상기 비여자상 구간의 신호 파형을 센싱하고, 상기 신호 파형의 크기 변화 또는 역기전력의 변화를 감지하여 모터 고장을 진단하는 단계를 포함하고,
상기 제어장치는 1개의 상에 전류가 공급되지 않고, 2개의 상에 전류가 공급되는지 판단하여 상기 비여자상 구간을 판단하고, 상기 비여자상 구간에서의 역기전력의 변화를 분석하여 모터 고장을 진단하는 모터 고장 탐지 방법.The BLDC (Brushless DC) motor generates a signal waveform of the non-excited phase section and the excited phase section during motor operation; and
The control device connected to the above BLDC motor includes a step of sensing a signal waveform of the non-excited phase section and detecting a change in the size of the signal waveform or a change in counter electromotive force to diagnose a motor failure.
A motor failure detection method in which the above control device determines whether current is not supplied to one phase and current is supplied to two phases to determine the non-excited phase section, and analyzes the change in counter electromotive force in the non-excited phase section to diagnose a motor failure.
상기 모터 고장을 진단하는 단계는,
상기 제어장치는 모터의 각 상에서 발생하는 역기전력을 속도와 쇄교 자속으로 하기의 수학식 1에 의해 계산되고, 상기 계산한 역기전력을 일정 구간의 RMS(Root Mean Square) 값으로 계산하여 구동 상태의 측정 역기전력()을 구하고, 상기 측정 역기전력과 정상 상태의 기준 역기전력()과 비교하고, 하기의 수학식 2에 의해 상기 측정 역기전력이 상기 기준 역기전력보다 작으면, 모터 고장으로 진단하는 단계를 더 포함하는 모터 고장 탐지 방법.
[수학식 1]
여기서, , 와 는 각 상의 역기전력, 속도와 권선에 쇄교하는 자속임.
[수학식 2]
여기서, 는 모터 구동 중 측정 역기전력이고, 는 기준 역기전력이며, 는 여유분을 나타냄.In claim 6,
The steps for diagnosing the above motor failure are:
The above control device calculates the counter electromotive force generated in each phase of the motor by the speed and the magnetic flux linkage using the following mathematical expression 1, and calculates the calculated counter electromotive force as the RMS (Root Mean Square) value of a certain section to measure the counter electromotive force in the driving state ( ) and obtain the measured counter electromotive force and the reference counter electromotive force in the steady state ( ) and, if the measured counter electromotive force is smaller than the reference counter electromotive force by the following mathematical expression 2, diagnosing the motor as a fault. A method for detecting a motor fault, the method further comprising the step of:
[Mathematical formula 1]
Here, , and is the counter electromotive force, speed and flux linking in each winding.
[Mathematical formula 2]
Here, is the measured counter electromotive force while the motor is driving, is the reference counter electromotive force, indicates a margin of leeway.
상기 모터 고장을 진단하는 단계는,
상기 제어장치는 비여자상 구간의 신호 파형을 센싱하고, 상기 신호 파형의 각도 변화를 센싱하여 모터 고장을 진단하는 단계를 더 포함하는 모터 고장 탐지 방법.In claim 6,
The steps for diagnosing the above motor failure are:
A motor failure detection method further comprising a step of sensing a signal waveform in a non-excited phase section of the control device and diagnosing a motor failure by sensing an angular change in the signal waveform.
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