KR100612042B1 - 위치 센서가 없는 브러시리스 직류 전동기의 회전자의초기 전기각 위치 추정 방법 및 기동 방법 - Google Patents

위치 센서가 없는 브러시리스 직류 전동기의 회전자의초기 전기각 위치 추정 방법 및 기동 방법 Download PDF

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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.
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.
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.

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}
도 1은 BLDC 전동기의 구조.
도 2a는 BLDC 전동기 모델.
도 2b는 BLDC 전동기의 2극 등가 모델.
도 3은 BLDC 전동기를 회전자가 내부에 있는 형태로 등가한 모델.
도 4는 BLDC 전동기의 등가회로.
도 5는 기준좌표계와 동기 좌표계의 관계를 도시한 도면.
도 6a 및 도 6b는 각각 BLDC 전동기의 동기 좌표계상에서의 d축 등가회로 및 q축 등가회로.
도 7은 회전자의 자석 성분이 무시된 BLDC 전동기의 등가회로.
도 8은 공간 전압 벡터 V1이 인가된 경우의 BLDC 전동기의 등가회로.
도 9는 3상 인버터가 출력하는 공간 벡터 전압.
도 10은 인덕턴스 측정을 위한 DC 전원 전류의 시간에 대한 이론값.
도 11은 회전자의 위치에 따른 DC 전원 전류의 크기를 측정한 결과.
도 12는 회전자의 위치에 따른 인덕턴스의 크기를 측정한 결과.
도 13은 I1>I4인 경우(즉, L1<L4인 경우) 회전자 d축이 위치하는 것으로 추정되는 영역.
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.
도 15는 본 발명에 따른 회전자 추정 과정의 순서도.
도 16은 인덕턴스 측정을 위한 상승 시간 측정.
도 17은 서로 다른 시정수를 갖는 전류 상승 파형.
도 18은 회전자의 위치에 따른 기동 과정 및 인가 전압각.
도 19는 PWM 주기 안에서 합성에 사용되는 공간 전압 벡터 및 DC 전원측 전류 파형.
도 20은 실험 장치의 구성도.
도 21은 실험에 사용된 HDD 디스크 회전용 스핀들 모터.
도 22는 초기각 위치 추정 과정에서의 DC 전원측 전류 파형.
도 23은 인덕턴스 측정을 위하여 전류를 샘플링하는 시점.
도 24는 회전자의 실제 전기각과 본 발명에 따라 추정된 전기각.
도 25는 회전자의 실제 전기각과 추정 전기각 사이의 오차.
도 26은 추정 과정 중 합성 전압의 인가 횟수.
도 27은 본 발명에 따른 기동 방법에 의하여 정지시로부터 600rpm까지 기동시의 회전자의 추정각 및 실제각.
도 28은 종래 기동 방법에 의하여 기동시키는 도중에 외란이 발생한 경우의 제어 특성.
도 29는 본 발명의 기동 방법에 의하여 기동시키는 도중에 외란이 발생한 경우의 제어 특성.
도 30은 본 발명에 따른 BLDC 전동기 기동 방법의 순서도.
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.
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.
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.
회전자의 절대적인 위치 정보를 얻기 위해서는, 회전자에 레졸버(resolver), 절대 엔코더(Absolute encoder), 또는 자속센서(Hall effect sensor) 등과 같은 위치 센서를 부착하여야 한다.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
따라서, 전동기 상수에 강인하게 회전자의 순시 위치를 파악하고, 전압을 회전자의 위치에 동기시켜 인가할 수 있는 기동 방법이 필요하다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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,
고정좌표계에서 전기각 0도인 공간 전압 벡터 V1을 고정자에 인가하여 인덕턴스 L1을 구하는 단계(a);
고정좌표계에서 전기각 180도인 공간 전압 벡터 V4를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L4를 구하는 단계(b);
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);
상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 +60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk+1을 인가하여 인덕턴스 Lk+1을 구하는 단계(d);
상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 -60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk-1을 인가하여 인덕턴스 Lk-1을 구하는 단계(e);
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); 및
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.
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.
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,
고정좌표계에서 전기각이 60도인 공간 전압 벡터 V2를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L2를 구하는 단계(a2);
고정좌표계에서 전기각이 240도인 공간 전압 벡터 V5를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L5를 구하는 단계(b2);
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);
상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 +60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk+1을 인가하여 인덕턴스 Lk+1을 구하는 단계(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); 및
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.
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.
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.
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.
더욱 구체적으로, 본 발명은 펄스폭 변조 방식의 3상 인버터가 출력하는 공간 전압 벡터에 의하여 구동되며, 위치센서 및 브러시가 없는 BLDC 전동기의 기동 방법으로서,
전술한 방법에 따라 회전자의 d축 및 q축의 초기 전기각을 추정하는 단계(a);
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);
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);
상기 공간 전압 벡터 Vn+1에 대한 인덕턴스 Ln+1이 최대값을 나타낸 후 감소하는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정하는 단계(d);
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);
상기 인덕턴스 Ln 및 Ln+1의 대소 관계가 변화되는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정하는 단계(f); 및
이후, 상기 단계(b) 내지 단계(f)를 반복 수행하는 단계(g)를 포함한다.
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.
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.
이하에서는, 본 발명에서 사용되는 BLDC 전동기의 수학적 모델링을 설명한다.
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.
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.
먼저, BLDC 전동기를 용이하게 해석하기 위하여, 본 명세서에서는 다음과 같은 몇 가지 가정을 전제로 하여 전동기의 회로 방정식을 유도하였다:
1) BLDC 전동기는 회전 계자형으로 고정자의 3상 권선은 공간적으로 대칭 분포를 이루며, 각 권선의 임피던스(Impedance)도 3상 대칭이고;
2) 공극의 길이와 폭은 일정하고, 공극에 쇄교하는 자속은 공간적으로 완전한 정현파의 형태를 취하며;
3) 철심의 자화 특성은 선형이고, 히스테리시스(hysteresis) 및 와류(eddy current)에 의한 손실은 없으며;
4) 회전자는 영구자석으로 일정 자속을 유지하며 기동을 위한 보조권선은 없다.
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.
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.
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.
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.
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:
[수학식 1]
Figure 112004034524219-pat00001
상기 식에서, p는 시간에 대한 미분 연산자, 즉 d/dt를 나타낸다.
한편, 회전자 측은 일정한 자속을 가지는 영구자석으로 이루어져 있으므로, 별도로 해석할 필요가 없다.
고정자 권선과 회전자의 가상의 권선 사이의 상호 인덕턴스를 LM으로 나타내면, 쇄교 자속은 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
λabcs = LSiabcs + LMIF
상기식에서,
λabcs는 고정자의 쇄교 자속을 벡터로 표현한 것이고,
iabcs는 고정자의 전류를 벡터로 표현한 것이며,
LS는 고정자 권선의 인덕턴스를 벡터로 표현한 것이고,
LM은 회전자와 고정자 권선간의 상호 인덕턴스를 벡터로 표현한 것으로서,
각각 하기 수학식 3 내지 수학식 6과 같이 정의된다:
[수학식 3]
Figure 112004034524219-pat00002
[수학식 4]
Figure 112004034524219-pat00003
[수학식 5]
Figure 112004034524219-pat00004
[수학식 6]
Figure 112004034524219-pat00005
상기식에서, Lls는 고정자 권선의 누설 인덕턴스(leakage inductance)이고, LA는 고정자 권선의 자기 인덕턴스(self inductance)이다.
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.
도 3에서 고정자의 A 상과 일치하는 축을 ds축으로 정의하고, 이 축에 수직인 방향을 qs축으로 정의하는 경우, 이러한 좌표계는 회전자의 위치와 무관하므로, 정지 좌표계라 칭한다.
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.
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.
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:
[수학식 7]
Figure 112004034524219-pat00006
[수학식 8]
Figure 112004034524219-pat00007
상기식에서,
fs d 및 fs q 는 각각 ds 축과 qs 축 상에서의 물리량이고,
fa, fb 및 fc는 각각 a, b 및 c 축 상에서의 물리량이다.
상기 수학식 1의 전압 방정식을 정지 좌표계에서의 전압 방정식으로 나타내기 위하여 벡터로 표시하고, 여기에 상기 수학식 2를 대입하면 하기 수학식 9를 얻을 수 있다:
[수학식 9]
vabcs = Rsiabcs + p(LSiabcs + LMI F)
상기식에서, vabcs = [vas vbs vcs]T이다.
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:
[수학식 10]
Figure 112004034524219-pat00008
[수학식 11]
Figure 112004034524219-pat00009
상기 식에서,
vs ds 및 vs qs는 각각 고정자의 정지 좌표계에서 d-q축 전압이고,
Ls는
Figure 112004034524219-pat00010
로 정의되는 BLDC 전동기 고정자의 상 인덕턴스(phase inductance)이며,
Ke는 Ke = LmIF로서 역기전력 상수(back e.m.f. constant)이다.
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.
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:
[수학식 12]
Figure 112004034524219-pat00011
[수학식 13]
Figure 112004034524219-pat00012
상기식에서,
fr d 및 fr q는 각각 동기 좌표계 상의 물리량을 나타내고,
fs d 및 fs q 는 각각 정지 좌표계 상의 물리량을 나타낸다.
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:
[수학식 14]
Figure 112004034524219-pat00013
[수학식 15]
Figure 112004034524219-pat00014
상기 식에서, vr ds 및 vr qs는 각각 동기 좌표계 상에서 고정자측 d-q 축 전압이다.
또한, 영상분이 없을 경우 3상의 물리량을 동기 좌표계상의 물리량으로 변 환하는 행렬 및 역변환하는 행렬은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112004034524219-pat00015
[수학식 17]
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.
상기 도 6a 및 도 6b에서, 동기 좌표계 d-q축 쇄교 자속(linkage flux)인 λr ds 및 λr qs는 하기 수학식 18과 같다:
[수학식 18]
Figure 112004034524219-pat00017
BLDC 전동기의 토오크식은 전동기 출력으로부터 구할 수 있다. 3상 상전압과 상전류에 의한 순시 입력 Pin의 값은 다음과 같다:
[수하식 19]
Pin = vasias +vbsibs + vcsics
상기 수학식 17을 이용하여 상기 수학식 19의 3상 상전압 및 상전류를 동기 좌표계의 전압 및 전류로 변환하면, 상기 순시 입력은 하기 수학식 20과 같다:
[수학식 20]
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:
[수학식 21]
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.
따라서, 전동기의 기계적 출력 Pout은 다음과 같다:
[수학식 22]
Figure 112004034524219-pat00020
한편, 전동기의 출력을 토오크와 전동기 회전자의 속도로 나타내면 다음과 같다:
[수학식 23]
Pout = ωrmTe
또한, 전기 각속도와 기계 각속도의 관계는 다음과 같다:
[수학식 24]
Figure 112004034524219-pat00021
상기식에서, P는 전동기의 극 수이다.
따라서, 전동기 출력 토오크는 다음과 같다:
[수학식 25]
Figure 112004034524219-pat00022
상기식에서, KT는 토오크 상수이다.
상기 수학식 25로부터, 전동기의 토오크는 전적으로 q축 전류에만 비례하며, d축 성분의 전류는 토오크에 전혀 영향을 미치지 못함을 알 수 있다.
전동기의 기계적 운동 방정식은 다음과 같다:
[수학식 26]
Figure 112004034524219-pat00023
상기식에서,
TL은 부하 토오크이고,
J 는 관성 모멘트이며,
B는 마찰 계수이다.
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.
이하에서는, 본 발명에 따른 회전자의 초기각 추정 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
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.
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.
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:
[수학식 27]
Figure 112004034524219-pat00024
상기식에서,
R은 a상 저항과 b 및 c상 저항의 병렬 합성 저항이고,
V는 DC 전원 전압이다.
회전자의 위치에 따라 상기 전류 i(t)를 측정한 결과를 도 11에 도시하였다.
또한, 상기 수학식 27로부터 구한 인덕턴스는 다음과 같다:
[수학식 28]
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.
본 발명에 따라 회전자의 d축 위치를 추정하는 과정은 다음과 같다:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 15는 본 발명에 따른 추정 과정의 순서도이다.
먼저 상기 과정 1)과 같이, 공간 전압 벡터 V1 및 V6을 차례로 고정자에 인가하여 인덕턴스 L1 및 L6을 구한다(S100, 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).
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).
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).
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.
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.
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.
이하에서는, 본 발명에 따른 회전자의 초기 위치각 추정 방법의 구현예를 설명한다.
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.
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.
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:
[수학식 29]
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.
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.
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:
[수학식 30]
Figure 112004034524219-pat00027
전류의 차이 idiff(t) 다음과 같다:
[수학식 31]
Figure 112004034524219-pat00028
idiff(t)가 최대가 되는 시점 T를 구하기 위하여, 시간에 대하여 미분하면 다음과 같다:
[수학식 32]
Figure 112004034524219-pat00029
상기 수학식 32로부터 구한 t는 다음과 같다:
[수학식 33]
Figure 112004034524219-pat00030
τ1≒τ2라고 가정하면, τ2=τ1+Δ(Δ≒0)으로 놓을 수 있다. 따라서, idiff(t)가 최대가 되는 시점 T는 다음과 같다:
[수학식 34]
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.
이하에서는, 본 발명에 따른 BLDC 전동기의 기동 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이러한 과정을 반복함으로써, 회전자의 위치를 전기각 360도 구간 내내 추정하며, ±15도의 오차 범위 내에서 q축의 위치에 전압을 인가할 수 있다.
도 30은 상기한 바와 같은 BLDC 전동기 기동 방법의 순서도이다.
먼저, 전술한 바와 같은 회전자 초기 전기각 추정 방법에 따라 회전자의 d축 및 q축의 초기 전기각을 추정한다(S10).
이후, 회전자의 d축 위치를 판별한다(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).
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).
이후, 상기 공간 전압 벡터 Vn+1에 대한 인덕턴스 Ln+1이 최대값을 나타낸 후 감소하는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정한다(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).
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).
상기 인덕턴스 Ln 및 Ln+1의 대소 관계가 변화되는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정한다(S15).
이후, 다시 상기 단계(S15)로 되돌아가서, 단계(S15) 내지 단계(S70)을 반복한다.
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.
이하에서는, 본 발명에 따른 BLDC 전동기 기동 방법의 구현예를 설명한다.
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.
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:
[수학식 35]
Figure 112004034524219-pat00032
[수학식 36]
Figure 112004034524219-pat00033
[수학식 37]
Figure 112004034524219-pat00034
상기식에서,
Ts는 주기이고,
|V|는 한 주기 내에 인가되는 전압 벡터의 크기이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 회전자의 초기각 추정 방법 및 전동기 기동 방법의 효과를 확인하기 위한 실험예를 설명한다.
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.
도 20은 본 실험예에서 사용된 실험 장치의 구성도이다.
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.
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.
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.
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.
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.
예상했던 바대로, ±15도 오차 범위 내에서 실제각을 추정하고 있음을 도 25로부터 알 수 있다.
전술한 바와 같이 추정된 초기 회전자 위치로부터 반시계방향으로 90도 떨어진 지점을 기점으로, 본 발명에 따른 기동 방법을 사용하여 기동 실험을 수행하였 다.
수학식 35 내지 수학식 37에서, Ts=300㎲로 설정하고, 한 주기 내에서 인가되는 전압 벡터의 크기 |V| = 1/4Vdc = 3V로 설정하였다.
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.
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.
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.
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.
본 발명에 다른 회전자의 초기 위치각 추정 방법은 소형 BLDC 전동기를 위치 및 자속 센서 없이 효과적으로 기동시킬 수 있도록 회전자의 초기 위치를 추정한다.
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.
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.
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.

Claims (17)

  1. 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,
    고정좌표계에서 전기각 0도인 공간 전압 벡터 V1을 고정자에 인가하여 인덕턴스 L1을 구하는 단계(a);
    고정좌표계에서 전기각 180도인 공간 전압 벡터 V4를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L4를 구하는 단계(b);
    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);
    상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 +60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk+1을 인가하여 인덕턴스 Lk+1을 구하는 단계(d);
    상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 -60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk-1을 인가하여 인덕턴스 Lk-1을 구하는 단계(e);
    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); 및
    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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(c)에서 인덕턴스 L1 및 L4를 비교한 결과, 그 차이가 소정치 이하인 경우,
    고정좌표계에서 전기각이 60도인 공간 전압 벡터 V2를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L2를 구하는 단계(a2);
    고정좌표계에서 전기각이 240도인 공간 전압 벡터 V5를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L5를 구하는 단계(b2);
    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);
    상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 +60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk+1을 인가하여 인덕턴스 Lk+1을 구하는 단계(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); 및
    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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(c)에서 인덕턴스 L1 및 L4를 비교한 결과, 그 차이가 소정치 이하인 경우,
    고정좌표계에서 전기각이 300도인 공간 전압 벡터 V6을 고정자에 인가하여 인덕턴스 L6을 구하는 단계(a3);
    고정좌표계에서 전기각이 120도인 공간 전압 벡터 V3을 고정자에 인가하여 인덕턴스 L3을 구하는 단계(b3);
    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);
    상기 선택된 기준 공간 전압 벡터 Vk에 대하여 전기각 -60도에 위치하는 공간 전압 벡터 Vk-1을 인가하여 인덕턴스 Lk-1을 구하는 단계(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); 및
    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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공간 전압 벡터를 고정자에 인가하여 인덕턴스를 구하는 과정은,
    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 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 회전자의 초기 전기각 위치 추정 방법.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 펄스폭 변조 방식의 3상 인버터가 출력하는 공간 전압 벡터에 의하여 구동되며, 위치센서 및 브러시가 없는 BLDC 전동기의 기동 방법으로서,
    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);
    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);
    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);
    상기 공간 전압 벡터 Vn+1에 대한 인덕턴스 Ln+1이 최대값을 나타낸 후 감소하는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정하는 단계(d);
    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);
    상기 인덕턴스 Ln 및 Ln+1의 대소 관계가 변화되는 시점부터는 상기 회전자가 30도 이동한 것으로 추정하는 단계(f); 및
    이후, 상기 단계(b) 내지 단계(f)를 반복 수행하는 단계(g)를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 기동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 공간 전압 벡터를 고정자에 인가하여 인덕턴스를 측정하여 비교하거나 모니터링하는 과정은,
    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 비교하거나 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 기동 방법.
KR1020040060701A 2004-07-31 2004-07-31 위치 센서가 없는 브러시리스 직류 전동기의 회전자의초기 전기각 위치 추정 방법 및 기동 방법 KR100612042B1 (ko)

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