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KR20180082128A - 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어방법 및 장치 - Google Patents

상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어방법 및 장치 Download PDF

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KR20180082128A
KR20180082128A KR1020170003427A KR20170003427A KR20180082128A KR 20180082128 A KR20180082128 A KR 20180082128A KR 1020170003427 A KR1020170003427 A KR 1020170003427A KR 20170003427 A KR20170003427 A KR 20170003427A KR 20180082128 A KR20180082128 A KR 20180082128A
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KR
South Korea
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phase
electromotive force
counter electromotive
value
bldc motor
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KR1020170003427A
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KR102619910B1 (ko
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안경원
김상훈
김원석
김태완
박푸른샘
이성준
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 BLDC 모터의 초기 구동 시에 회전자(rotator)의 위치를 강제로 정렬시킨 후 상(phase) 전환을 수행하고, 전압이 인가되지 않는 상의 역기전력을 검출하여 설정값 이내로 안정화 되는 경우에 센서리스 모드로 동작할 수 있도록 하는, 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어방법 및 장치가 개시된다.
개시된 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치는, AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 공급하는 정류부; 회전자(Rotor)를 구비하는 BLDC 모터; 상기 정류부에서 공급되는 DC 전원을 임의의 가변 주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류 전원(U, V, W)으로 바꾸어 상기 BLDC 모터에 공급하는 인버터; 상기 BLDC 모터에 공급되는 3상 교류 전원으로부터 각 상(U, V, W)의 단자전압을 검출하는 단자전압 검출부; 및 상기 회전자의 위치를 강제로 정렬시키고, 상기 회전자의 정렬이 완료되면, 가속을 위한 상(Phase) 전환을 수행하되, 상기 단자전압 검출부를 통해 전압이 인가되지 않은 상(phase)의 역기전력을 검출하여, 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내로 될 때까지 일정 횟수로 상 전환을 수행하며, 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정된 값 이내가 되면 센서리스 모드로 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어방법 및 장치{Apparatus and method for controlling a start of BLDC motor using detection of phase voltage}
본 발명은 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 BLDC(BrushLess Direct Current) 모터의 초기 구동 시에 회전자(rotator)의 위치를 강제로 정렬시킨 후 상(phase) 전환을 수행하고, 전압이 인가되지 않는 상의 역기전력을 검출하여 설정값 이내로 안정화 되는 경우에 센서리스 모드로 동작할 수 있도록 하는, 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
통상, BLDC(BrushLess Direct Current) 모터의 고정자(stator)는 코일에 전류를 흘려 형성하는 전기자(armature)를 사용하고, 회전자(rotator)는 N극과 S극이 반복되어 형성된 영구자석을 사용한다. BLDC 모터가 연속적으로 회전하기 위해서는 BLDC 모터의 연속적인 회전자계의 형성이 필요하며, 연속적인 회전자계를 형성하기 위해서는 전기자의 각 상의 코일에 흐르는 전류의 전환(commutation)을 적절한 시점에 해야 하는데, 적절한 전환을 위해서는 회전자의 위치를 정확히 인식해야 한다. 여기서 전환이란 회전자가 회전할 수 있도록 모터 고정자 코일의 전류 방향을 바꾸어 주는 것이다.
이러한 BLDC 모터의 원활한 운전을 위해서는 회전자의 위치와 상 전류의 전환시점을 정밀하게 일치시켜야 하며, 이를 위해 회전자의 위치를 검출하기 위한 장치가 요구되는데, 일반적으로는 회전자의 위치 검출을 위해 홀센서(Hall sensor)나 리졸버(Resolver) 소자, 인코더(encoder)와 같은 위치검출센서를 이용하였으나, 이러한 위치검출센서는 제조 원가가 상승하고 구동회로가 복잡해지는 등의 문제가 있기 때문에 전기회로를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 방안이 모색되었다.
그 결과로서, BLDC 모터의 역기전력을 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 전기회로가 많이 사용되고 있으며, 이렇게 위치검출센서 대신 전기회로를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 운전모드를 센서리스 운전모드라고 한다.
그런데, 이와 같은 종래 BLDC 모터의 센서리스 운전제어방법은, BLDC 모터를 구동하기 위해 회전자의 위치 정보가 필수적으로 요구된다.
만약 회전자 위치 정보를 모르는 상태에서 임의의 고정자 권선에 전압을 인가하게 되면 과전류가 흐르게 되고, 이로 인해 토크 맥동이 크게 발생되며, 과전류에 의한 회전자의 영구자석 감자 우려도 있다.
그리고, BLDC 모터의 원활한 운전을 위해서는 회전자 위치 검출장치가 요구되고, 이러한 회전자 위치 검출장치를 구비함에 따라 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0056622호(공개일: 2016.05.20)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, BLDC 모터의 초기 구동 시에 회전자(rotator)의 위치를 강제로 정렬시킨 후 상(phase) 전환을 수행하고, 전압이 인가되지 않는 상의 역기전력을 검출하여 설정값 이내로 안정화 되는 경우에 센서리스 모드로 동작할 수 있도록 하는, 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어방법 및 장치를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치는, AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 공급하는 정류부; 회전자(Rotor)를 구비하는 BLDC 모터; 상기 정류부에서 공급되는 DC 전원을 임의의 가변 주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류 전원(U, V, W)으로 바꾸어 상기 BLDC 모터에 공급하는 인버터; 상기 BLDC 모터에 공급되는 3상 교류 전원으로부터 각 상(U, V, W)의 단자전압을 검출하는 단자전압 검출부; 및 상기 회전자의 위치를 강제로 정렬시키고, 상기 회전자의 정렬이 완료되면, 가속을 위한 상(Phase) 전환을 수행하되, 상기 단자전압 검출부를 통해 전압이 인가되지 않은 상(phase)의 역기전력을 검출하여, 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내로 될 때까지 일정 횟수로 상 전환을 수행하며, 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정된 값 이내가 되면 센서리스 모드로 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 값을 기 설정된 값과 비교하여 상 전환 시점을 결정할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 값을 기 설정값과 비교하여 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정값을 벗어나면 상 전환을 수행하되, 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내가 될 때까지 상 전환을 수행할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 방법은, (a) 제어부가 인버터를 통해 BLDC 모터의 회전자 위치를 강제로 정렬시키는 단계; (b) 제어부가 인버터를 통해 BLDC 모터의 상(phase) 전환을 수행하는 단계; (c) 단자전압 검출부가 전압이 인가되지 않은 상의 역기전력을 검출하는 단계; (d) 제어부가 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내로 될 때까지 일정 횟수로 상 전환을 수행하는 단계; 및 (e) 제어부가 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정된 값 이내가 되면 센서리스 모드로 상기 인버터를 제어하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (d) 단계에서 상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 값을 기 설정값과 비교하여 상 전환 시점을 결정할 수 있다.
그리고, 상기 (d) 단계에서 상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 값을 기 설정값과 비교하여 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정값을 벗어나면 상 전환을 수행하되, 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내가 될 때까지 상 전환을 수행하게 된다.
본 발명에 의하면, 회전자 위치 검출장치 없이 역기전력을 이용한 BLDC 모터의 회전자의 위치 검출이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 모터의 상전류 측정에 관한 추가적인 회로 구성이 없이 역기전력만을 이용하여 모터 회전자의 위치 검출이 가능하다.
또한, 모터의 초기 기동 단계에서 작은 전류로 제어함으로써 기동 실패율을 줄일 수 있다.
그리고, 회전자에 대한 정확하고 빠른 정렬을 통해 기동실패 확률을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 회전자 제어 장치의 주요 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치의 회로 구성한 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 단자전압 검출부의 세부 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 초기 구동 시에 가변하는 전압과 주파수를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 회전자 위치 및 고정자 권선의 상 전환 타이밍에 따른 전류 파형도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 후단부 유니폴러 PWM 패턴도이고, 도 8은 도 7의 후단부 유니폴러 PWM 패턴을 사용할 때 브러시리스 직류모터의 단자전압 패턴도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 방법에서 기 설정값을 획득하는 과정을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치의 주요 구성을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치(100)는, BLDC 모터(110), 인버터(120), 제어부(130), 정류부(140) 및 단자전압 검출부(150)를 포함한다.
BLDC 모터(110)는 회전자(Rotor)를 구비하고, 인버터(120)로부터 전원을 공급받아 회전자를 회전시켜 회전력을 제공한다.
여기서, BLDC 모터(110)는 인덕턴스 성분을 발생시키는 코일을 3상으로 하는 권선을 갖는다. 즉, BLDC 모터는 전력을 전달하기 위한 탄소 브러쉬와 같은 절연도체가 없는 구조로서, 모터축에 자석이 있고 모터 케이스 내부 벽면에 코일이 있어, 모터가 회전하기 위한 전력의 공급이 회전하지 않는 모터 내부 벽에 부착된 코일에 공급함에 따라 브러쉬가 필요없는 것이다.
인버터(120)는 정류부(140)에서 공급되는 DC 전원을 임의의 가변 주파수를 가진 펄스 형태의3상 교류 전원(U, V, W)으로 바꾸어 BLDC 모터(110)에 공급한다. 즉, 인버터(120)는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 BLDC 모터(110)에 공급한다. 이때, 인버터(120)는 3상(U, V, W)의 권선에 도 2에 도시된 바와 같이 각각의 전력용 스위칭 소자(Q1 ~ Q6)가 연결된다. 즉, 인버터(120)는 3상의 스위칭 소자를 구비하는데, 예컨대, 상단의 3상 FET와 하단의 3상 FET를 구비할 수 있다.
제어부(130)는 회전자의 위치를 강제로 정렬시키고, 회전자의 정렬이 완료되면, 가속을 위한 상(Phase) 전환을 수행하되, 단자전압 검출부(150)를 통해 전압이 인가되지 않은 상(phase)의 역기전력을 검출하여, 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내로 될 때까지 일정 횟수로 상 전환을 수행하며, 검출된 역기전력 값이 기 설정된 값 이내가 되면 센서리스 모드로 인버터(120)를 제어한다.
또한, 제어부(130)는 검출된 역기전력 값을 기 설정된 값과 비교하여 상 전환 시점을 결정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는, 검출된 역기전력 값을 기 설정값과 비교하여, 검출된 역기전력 값이 기 설정값을 벗어나면 상 전환을 수행하되, 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내가 될 때까지 예컨대, 6회 정도로 상 전환을 수행할 수 있다.
정류부(140)는 AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 공급한다.
단자전압 검출부(150)는 BLDC 모터(110)에 공급되는 3상 교류 전원으로부터 각 상(U, V, W)의 단자전압을 검출한다.
한편, 제어부(130)는 모터(110)의 초기 구동 시에, 회전자가 정렬 방향으로 회전하도록 하는 정렬 벡터와, 회전자의 회전 속도를 줄여주는 제로(0) 벡터가 BLDC 모터(110)에 인가되도록 인버터(120)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(130)는, 모터(110)가 정지 상태인 경우, 회전자를 미리 정해진 특정 위치로 이동시키는 정렬 과정, 회전자가 정렬된 모터에 회전 자계를 생성하여 모터를 강제로 구동시키는 강제구동 과정, 및 강제로 구동된 모터에서 역기전력이 발생하면 역기전력을 이용해 회전자의 위치 정보를 획득하여 센서리스로 모터를 제어하는 센서리스 제어 과정으로 BLDC 모터(110)의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(130)는, 인버터(120)의 상단에 있는 3상 스위치를 모두 온(ON)시키거나, 인버터(120)의 하단에 있는 3상 스위치를 모두 온(ON)시켜 제로(0) 벡터가 BLDC 모터(110)에 인가되도록 제어할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는, 인버터(120)를 통해, BLDC 모터(110)에 정렬 벡터를 인가하여 회전자가 정렬 방향으로 회전할 때, 제로 벡터를 BLDC 모터(110)에 인가하여 회전자의 회전 속도를 줄이다가, 다시 정렬 벡터를 BLDC 모터(110)에 인가하여 회전자의 회전력이 발생되도록 하며, 다시 BLDC 모터(110)에 제로 벡터를 인가하여 회전자의 회전 속도를 줄이도록 제어함으로써, 회전자가 정렬 위치에 멈추도록 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치의 회로 구성한 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치(100)에서, 인버터(120)는 3상(U, V, W)의 권선에 각각의 전력용 스위칭 소자 FET(Q1 ~ Q6)가 연결된다. 즉, 인버터(120)는 6 개의 스위칭 소자(Q1~Q6)와 다이오드로 구성된 통상의 스위칭 회로를 이용할 수 있다.
단자전압 검출부(150)는 BLDC 모터(110)에 공급되는 3상 교류 전원으로부터 각 상(U, V, W)의 단자전압을 검출하여 제어부(130)에 입력한다.
제어부(130)는 단자전압 검출부(150)에서 검출된 각 상(U, V, W)의 단자전압에 따라 역기전력의 제로 크로싱포인트(ZCP)를 검출하여 회전자의 위치정보를 획득할 수 있다.
또한, 제어부(130)는 전압인가 시점을 제어하여 BLDC 모터(110)에 과전류가 공급되지 않도록 인버터(30)에 공급되는 PWM 신호의 패턴을 제어하는 마이크로프로세서로 구현할 수 있다.
PWM 신호 발생부(132)는 제어부(130)의 출력에 의해 PWM 신호의 패턴을 발생하여 인버터(120)에 공급한다.
이때, 인버터(120)와 BLDC 모터(110)의 3상 권선 간의 연결 라인 상에 역률보상 캐패시터(도시되지 않음)가 각각 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 역률보상 캐패시터(C)는, 인버터(120)의 출력단에 있는 3상 중 U상과 V상 간에, V상과 W상 간에, W상과 U상 간에 3 개가 각각 병렬로 연결될 수 있다. 그리고, 역률보상 캐패시터(C)의 용량 크기는 BLDC 모터(110)의 인덕턴스 성분의 크기와 동일하게 유지되도록 설정할 수 있다.
제어부(130)는 인버터(120)에 각각의 전력용 스위칭 소자(Q1 ~ Q6)의 스위칭 구동 신호를 인가한다. 즉, 제어부(130)는 사용자의 조작에 따라 인버터(120)의 각 스위칭 소자(Q1 ~ Q6)의 스위칭 동작을 제어하여 BLDC 모터(110)의 기동, 운전 및 속도를 제어하게 되며, 각 스위칭 소자(Q1 ~ Q6)를 스위칭하기 위한 스위칭 구동 신호를 생성해 인버터(120)에 인가한다.
도 3은 본 발명에 적용되는 단자전압 검출부의 세부 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 3에서, BLDC 모터(110) 각 상(U, V, W)의 단자 전압은 저항(R1,R2)에 의해 분압되어 제어부(130)의 A/D 입력포트(134)로 입력된다. 이때 각각의 저항분배회로(R1,R2)에 의해 분압된 전압 값이 각 상 단자 전압의 A/D 입력전압 범위 내에 한정될 수 있게 A/D 입력포트(134)에 별도로 제너다이오드를 추가하기도 한다.
또한, 센서리스 운전구간에서는 각 상의 단자전압으로부터 역기전력의 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하기 위해 각 상(U, V, W)의 단자전압과 인버터 직류단 전압(V)의 절반(1/2) 값을 비교기(52)를 통해 비교한 결과를 제어부(130)의 디지털입력포트(136)로 입력한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치(100)는, 제어부(130)가 인버터(120)를 통해 BLDC 모터(110)의 회전자 위치를 강제로 정렬시킨다(S410).
즉, 제어부(130)는 인버터(120)를 통해 BLDC 모터(110)에 정렬 벡터를 인가하여 회전자를 정렬시킬 수 있다. 여기서, 정렬 벡터는 회전자를 정렬시키기 위해 회전자가 특정 방향으로 회전하도록 BLDC 모터(110)에 인가하는 정렬 전류를 의미한다.
이어, 제어부(130)는 인버터(120)를 통해 BLDC 모터(110)의 상(phase) 전환을 수행한다(S420).
즉, 제어부(130)는 BLDC 모터(110)의 임의의 2상에 전류를 공급하여 회전자 위치를 강제로 정렬시키고, 회전자의 정렬이 완료되면 도 5에 도시된 바와 같이 BLDC 모터(110)에 인가되는 전압의 크기와 주파수를 가변하여 BLDC 모터(110)의 회전자를 일정 속도까지 가속하는 동기 가속을 실행하면서 상 전환을 수행한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 초기 구동 시에 가변하는 전압과 주파수를 나타낸 도면이다. 예를 들어, 회전자의 강제 정렬 시 U-V상 권선에 전류를 공급하였다면 U-W상으로 상 전환을 하여 U-W상 권선에 전류를 공급한다. 이때, 제어부(130)는 BLDC 모터(110)의 고정자 권선으로부터 역기전력 검출이 가능한 속도까지 회전자의 회전속도가 도달하면, 도 5에 도시된 바와 같이 BLDC 모터(110)에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 회전자 자계와 고정자 자계의 위상을 전환하는 것이다.
센서리스 운전모드에서는 BLDC 모터(40)를 초기 기동할 때 기동 실패율을 줄이기 위해서 BLDC 모터(40)에 인가된 부하에 적절한 전압보다 더 큰 전압을 BLDC 모터(40)에 인가한다. 따라서 BLDC 모터(40)를 동기 가속하는 구간에서는 도 6의 (a)와 같이 고정자 권선의 상 전환 타이밍이 늦은 경우가 지배적으로 발생한다. 도 6은 본 발명의 회전자 위치 및 고정자 권선의 상 전환 타이밍에 따른 전류 파형도를 나타낸 도면이다. 도 6의 (a)는 회전자 위치에 대한 고정자 권선으로의 전압 인가 시점이 늦은 경우로서, 역기전력과 상 전류의 위상이 서로 일치하지 않을 뿐만 아니라 상 전류의 후반부에서 상 전류의 크기가 과도하게 커지는 것을 알 수 있다.
도 6의 (b)는 회전자 위치에 대한 고정자 권선으로의 전압인가시점이 빠른 경우로서, 역기전력과 상 전류의 위상이 서로 일치하지 않을 뿐만 아니라 상 전류의 전반부에서 상 전류의 크기가 과도하게 커지는 것을 알 수 있다.
이어, 단자전압 검출부(150)는 전압이 인가되지 않은 상의 역기전력을 검출한다(S430).
이때, 제어부(130)는, 검출된 역기전력 값을 기 설정값과 비교하여 상 전환 시점을 결정할 수 있다. 도 7은 본 발명에 적용되는 후단부 유니폴러 PWM 패턴도이고, 도 8은 도 7의 후단부 유니폴러 PWM 패턴을 사용할 때 브러시리스 직류모터의 단자전압 패턴도이다. 도 8에서, 후단부 유니폴러(unipolar) PWM 패턴을 사용할 때 전압이 인가되지 않는 상(이하, OFF상이라 한다)의 역기전력(e)이 상승하는 구간에서 PWM이 OFF상태일 때 OFF상의 단자전압 V_off는 다음과 같다.
Figure pat00001
반면에, OFF상의 역기전력(e)이 하강하는 구간에서 V_off PWM의 ON/OFF 상태에 따라 다음과 같다.
Figure pat00002
여기서, V는 인버터(30) 직류단 전압 크기이다.
역기전력(e)이 상승하는 구간에서 V_off는 역기전력(e)이 하강하는 구간에서의 V_off에 비해 작은 값을 가진다.
수학식 1에 나타난 바와 같이, 0전압을 기준으로 OFF상 역기전력(e)의 1.5배에 비례함을 알 수 있다. 반면 역기전력(e)이 하강하는 구간에서는 V/2 또는 V를 기준으로 OFF상 단자전압에 역기전력 정보가 나타난다.
따라서, 역기전력(e)이 상승하는 구간에서는 도 3의 저항분배회로(R1,R2)에서 V_off값을 제어부(130)의 A/D입력 범위 내에 들도록 저항분배회로(R1,R2)의 값을 조정하여도 A/D 입력포트(134)에 전달되는 신호는 V_off에 포함되어 있는 역기전력 신호를 큰 감쇄없이 포함하고 있다.
반면, 역기전력(e)이 하강하는 구간에서는 도 3의 저항분배회로(R1,R2)에서 V_off 값을 제어부(130)의 A/D 입력 범위 내에 들도록 저항분배회로(R1,R2)의 값을 조정하는 경우 A/D 입력포트(134)에 전달되는 신호는 V_off에 포함되어 있는 역기전력 신호가 크게 감쇄된 값을 가지게 된다.
BLDC 모터(110)가 저속으로 회전할 때는 역기전력 값이 작은 값을 가진다.
따라서, 후단부 유니폴러 PWM 패턴을 사용하는 경우 OFF상의 역기전력(e)이 상승하는 구간에서는 OFF상의 단자전압으로부터 비교적 정확한 역기전력 정보 검출이 가능하다. 압축기와 같이 저속에서 부하 변동이 심한 시스템에서는 OFF상의 단자전압으로부터 검출한 역기전력을 적분함으로써 비교적 정확한 상전환 시점을 구할 수 있다.
상 전환의 수행 시, 제어부(130)는 OFF상의 역기전력이 상승하는 구간(도 8참조)인지를 판단하여, 역기전력이 상승하는 구간이면 도 8에 도시한 바와 같이, 역기전력을 적분하여 정확한 상 전환시점을 결정할 수 있다.
이어, 제어부(130)는 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내로 될 때까지 일정 횟수로 상 전환을 수행한다(S440).
즉, 제어부(130)는, 검출된 역기전력 값을 기 설정값과 비교하여, 검출된 역기전력 값이 기 설정값을 벗어나면 상 전환을 수행하되, 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내가 될 때까지 예를 들면, 6회 정도로 상 전환을 수행하게 된다. 여기서, Closeloop로 속도제어를 하기 위해서는 제로 크로싱 포인트(Zero Crossing Point)를 찾을 수 있을 정도의 속도가 필요하므로, U상, V상, W상의 3회 만으로는 충분한 속도를 확보하기 어렵기 때문에 6회 정도로 상 전환을 수행하는 것이다.
그리고, 제어부(130)는 검출된 역기전력 값이 기 설정된 값 이내가 되면 센서리스 모드로 인버터(120)를 제어한다(S450).
즉, 제어부(130)는 BLDC 모터(110)의 상 전환시점이 결정되면, 현재 회전자에 인가되는 전압의 주파수를 근거로 각 상의 단자전압으로부터 역기전력 검출이 안정화된 구간인지를 검출하여 센서리스 운전모드로의 전환단계인지를 판단하고, 센서리스 전환단계가 아니면 상 전환 단계로 피드백 하여 상 전환을 수행한다.
여기서, 기 설정값은 도 9에 도시된 바와 같은 과정을 통해 획득한 각 상(U, V, W)의 최대 전압값과 최소 전압값이라 할 수 있다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 방법에서 기 설정값을 획득하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, U상, V상, W상에 대한 각 스텝(step)의 최고값과 최저값을 측정하여 그것을 기준이 되는 기 설정값으로 결정하는 것이다.
제어부(130)는 센서리스 전환단계이면, 상 전환을 수행하고, 각 상의 단자전압으로부터 역기전력의 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하여 제로 크로싱 포인트(ZCP) 정보를 근거로 상 전환 및 BLDC 모터(110)의 회전속도를 제어하는 센서리스 운전모드를 수행하는 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, BLDC 모터의 초기 구동 시에 회전자(rotator)의 위치를 강제로 정렬시킨 후 상(phase) 전환을 수행하고, 전압이 인가되지 않는 상의 역기전력을 검출하여 설정값 이내로 안정화 되는 경우에 센서리스 모드로 동작할 수 있도록 하는, 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어방법 및 장치를 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치
110 : BLDC 모터
120 : 인버터
130 : 제어부
140 : 정류부
150 : 단자전압 검출부

Claims (6)

  1. AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 공급하는 정류부;
    회전자(Rotor)를 구비하는 BLDC 모터;
    상기 정류부에서 공급되는 DC 전원을 임의의 가변 주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류 전원(U, V, W)으로 바꾸어 상기 BLDC 모터에 공급하는 인버터;
    상기 BLDC 모터에 공급되는 3상 교류 전원으로부터 각 상(U, V, W)의 단자전압을 검출하는 단자전압 검출부; 및
    상기 회전자의 위치를 강제로 정렬시키고, 상기 회전자의 정렬이 완료되면, 가속을 위한 상(Phase) 전환을 수행하되, 상기 단자전압 검출부를 통해 전압이 인가되지 않은 상(phase)의 역기전력을 검출하여, 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내로 될 때까지 일정 횟수로 상 전환을 수행하며, 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정된 값 이내가 되면 센서리스 모드로 상기 인버터를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 값을 기 설정된 값과 비교하여 상 전환 시점을 결정하는, 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 값을 기 설정값과 비교하여 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정값을 벗어나면 상 전환을 수행하되, 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내가 될 때까지 상 전환을 수행하는, 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 장치.
  4. (a) 제어부가 인버터를 통해 BLDC 모터의 회전자 위치를 강제로 정렬시키는 단계;
    (b) 제어부가 인버터를 통해 BLDC 모터의 상(phase) 전환을 수행하는 단계;
    (c) 단자전압 검출부가 전압이 인가되지 않은 상의 역기전력을 검출하는 단계;
    (d) 제어부가 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내로 될 때까지 일정 횟수로 상 전환을 수행하는 단계; 및
    (e) 제어부가 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정된 값 이내가 되면 센서리스 모드로 상기 인버터를 제어하는 단계;
    를 포함하는 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 값을 기 설정값과 비교하여 상 전환 시점을 결정하는, 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 제어부는, 상기 검출된 역기전력 값을 기 설정값과 비교하여 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정값을 벗어나면 상 전환을 수행하되, 상기 검출된 역기전력 값이 기 설정값 이내가 될 때까지 상 전환을 수행하는, 상전압 검출을 이용한 브러시리스 직류모터 기동 제어 방법.
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