KR102047877B1 - Pwm 신호 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PWM 신호 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노이즈로 인해 PWM 신호가 일시적으로 차단되더라도, 차단이 해제된 후 정상적인 PWM 신호를 출력하도록 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 PWM 신호 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 신호 제어 장치는 코일이 권선된 고정자 및 상기 고정자 내에 배치되며 상기 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 모터, PWM 신호에 따라 상기 코일에 교류 전류를 제공하는 인버터, 상기 모터의 모터구동정보 및 상기 인버터의 출력전류를 이용하여 상기 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 마이컴 및 상기 PWM 신호를 상기 인버터에 제공하고, 상기 인버터의 출력전류가 과전류인지 여부에 따라 고장신호를 생성하고 상기 PWM 신호를 차단시간 동안 차단하는 게이트 드라이버를 포함하고, 상기 마이컴은, 상기 고장신호가 생성되면 상기 고장신호의 생성시점 이전의 샘플링주기에 검출된 상기 인버터의 출력전류 값을 메모리에 저장하고, 상기 모터구동정보 및 상기 메모리에 저장된 상기 출력전류 값을 이용하여 상기 차단시간 이후 상기 인버터에 제공되는 상기 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

PWM 신호 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for controlling PWM signal}
본 발명은 PWM 신호 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노이즈로 인해 PWM 신호가 일시적으로 차단되더라도, 차단이 해제된 후 정상적인 PWM 신호를 출력하도록 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 PWM 신호 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
정밀 제어가 가능한 소형 모터는 크게 AC 모터, DC 모터, 브러시리스 DC 모터(Brushless DC moter; BLDC), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등으로 구분된다.
이러한 소형 모터는 AV(Audio-Visual) 기기용, 컴퓨터용, 가전용, 산업용 등으로 사용되고 있는데, 특히 가전 분야는 소형 모터의 최대 시장 중에 하나이다. 최근의 가전 제품은 점차 고급화되고 있으며, 이에 따라 가전 제품에 내장되는 고성능 모터에 대한 요구가 증가하고 있다.
특히, 브러시리스 DC 모터는 브러시와 정류자가 없는 모터로서, 기계적인 마찰이 발생하지 않고 속도 제어와 토크 제어가 뛰어나다. 또한, 브러시리스 DC 모터는 소형화가 용이하고, 내구성이 강하며, 수명이 매우 길다는 장점이 있어 많은 가전 제품에 이용되고 있다.
최근에는 크기는 매우 작지만 흡입력이 강한 가정용 청소기에 대한 수요가 늘어가고 있으며, 이에 따라 청소기에 내장되는 브러시리스 DC 모터의 회전 속도가 점차 고속화되고 있다.
브러시리스 DC 모터는 PWM 신호에 따라 동작하는 인버터에 의해 구동되는데, 모터가 고속으로 회전하는 경우 모터를 구동하는 디바이스(예를 들어, 인버터 또는 게이트 드라이버 등)에 노이즈가 발생하게 된다.
한편, 모터는 인버터의 출력전류 값에 따라 피드백 제어되는데, 상술한 노이즈로 인해 PWM 신호가 일시적으로 차단되면, PWM 신호가 차단된 이후 인버터의 출력전류 값은 비유효값(garbage value)이 되어 모터에 대한 정상적인 피드백 제어가 수행되지 않는다.
다시 말해, 모터가 고속으로 회전할 때 발생하는 노이즈로 인해 PWM 신호가 일시적으로 차단되면 비유효값에 기초한 피드백 제어가 수행되고, 이에 따라 PWM 신호가 발산 제어되어 시스템 장애가 발생되거나, PWM 신호가 0으로 수렴 제어되어 모터의 구동이 중지되는 문제점이 발생한다.
이에 따라, 노이즈로 인해 PWM 신호가 일시적으로 차단되더라도 모터를 안정적으로 제어할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 노이즈로 인해 PWM 신호가 일시적으로 차단되더라도, 차단이 해제된 후 정상적인 PWM 신호를 출력하도록 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 PWM 신호 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 인버터의 출력전류가 과전류이면 고장신호를 생성하고 인버터에 제공되는 PWM 신호를 차단시간 동안 차단하는 게이트 드라이버를 포함한다. 또한, 본 발명은 고장신호가 생성되면 고장신호의 생성시점 이전의 샘플링주기에 검출된 인버터의 출력전류 값을 이용하여 차단시간 이후 인버터에 제공되는 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 마이컴을 더 포함한다. 이에 따라, 본 발명은 노이즈로 인해 PWM 신호가 일시적으로 차단되더라도, 차단이 해제된 후 정상적인 PWM 신호를 출력하도록 PWM 신호의 듀티비를 제어할 수 있다.
본 발명은 노이즈로 인해 PWM 신호가 일시적으로 차단되더라도, 차단이 해제된 후 정상적인 PWM 신호를 출력하도록 PWM 신호의 듀티비를 제어할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 노이즈로 인한 PWM 신호의 발산 또는 모터의 구동 중지를 방지할 수 있고, 모터를 안정적으로 제어할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 신호 제어 장치를 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이컴의 제어 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 마이컴 및 게이트 드라이버의 출력 펄스, 인버터의 출력전류 및 고장신호의 펄스를 도시한 도면이다.
도 5는 인버터에 인가되는 PWM 신호 및 고장신호의 펄스를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 신호 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 고장신호가 생성된 후 마이컴의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
도 8은 마이컴이 호출한 인터럽트 서비스 루틴의 프로세스를 도시한 순서도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 신호 제어 장치를 도시한 블럭도이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 PWM 신호 제어 장치와 이를 구성하는 각 구성요소를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 신호 제어 장치(100)는 모터(M, 110), 인버터(120), 게이트 드라이버(Drive IC, 130) 및 마이컴(MICOM, 140)을 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 PWM 신호 제어 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
모터(110)는 코일이 권선된 고정자(stator, 미도시) 및 고정자 내에 배치되며 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 회전자(rotor, 미도시)를 포함할 수 있다.
모터(110)는 유도 모터(induction motor), 브러시리스 DC 모터(Brushless DC moter; BLDC), 릴럭턴스 모터(reluctance motor)를 포함할 수 있다. 다만, 이하에서 설명되는 모터(110)는 소형화가 가능하면서도 소음이 적고 신뢰성이 높은 브러시리스 DC 모터인 것이 바람직하다.
또한, 이하에서 설명되는 모터(110)는 3상 코일이 권선된 고정자를 갖고, 3상 교류 전류를 제공받아 동작하는 3상 모터인 것으로 가정하여 설명하도록 한다.
인버터(120)는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 모터(110)를 구성하는 코일에 교류 전류를 제공할 수 있다. 상술한 바와 같이 모터(110)가 3상 모터인 경우, 인버터(120)는 코일에 3상(U, V, W) 교류 전류를 제공할 수 있다.
3상 교류 전류가 모터(110)의 코일에 제공되면, 3상 코일에서 발생하는 자계에 따라 회전자에 포함된 영구자석이 회전할 수 있다. 모터(110)는 회전자의 회전력에 의해 구동될 수 있다.
인버터(120)는 후술하는 게이트 드라이버(130)에서 제공되는 PWM 신호에 따라 동작하여, 직류 전압(VDC)을 변환하여 교류 전류로 출력할 수 있다. 이를 위해, 인버터(120)는 PWM 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 복수의 전력 스위칭 소자를 포함할 수 있고, 전력 스위칭 소자는 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.
인버터(120)에 포함된 전력 스위칭 소자는 각 상에 대한 PWM 신호에 따라 온 및 오프 동작을 수행함으로써, 직류 전압(VDC)을 교류 전류(Ia, Ib, Ic)로 변환하여 모터(110)에 제공할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 인버터(120)는 3상 전류를 출력하기 위해, 각 상에 대응하는 두 개의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, U상 교류 전류(Ia)를 출력하기 위해 인버터(120)는 U상에 대응하는 두 개의 스위치(S1, S1')를 포함할 수 있다. 또한, V상 교류 전류(Ib)를 출력하기 위해 인버터(120)는 V상에 대응하는 두 개의 스위치(S2, S2')를 포함할 수 있다. 마지막으로, W상 교류 전류(Ic)를 출력하기 위해 인버터(120)는 W상에 대응하는 두 개의 스위치(S3, S3')를 포함할 수 있다.
각 상에 대응하는 두 개의 스위치는 상암 스위치(S1, S2, S3) 및 하암 스위치(S1', S2', S3')으로 구성될 수 있다. 상암 스위치(S1, S2, S3) 및 하암 스위치(S1', S2', S3')는 후술하는 게이트 드라이버(130)에서 인가되는 상암 PWM 신호(HO 1, HO 2, HO 3) 및 하암 PWM 신호(LO 1, LO 2, LO 3)에 따라 각각 온/오프될 수 있다.
마이컴(140)은 모터(110)의 모터구동정보 및 인버터(120)의 출력전류를 이용하여 인버터(120)에 제공되는 PWM 신호의 듀티비를 제어할 수 있다. 여기서 모터구동정보는 모터(110)의 구동 상태를 나타내는 정보로서, 모터(110)를 구성하는 회전자의 전기각 위치, 회전자의 속도, 모터(110)의 목표 속도값, 인버터(120)의 출력전류 값 및 인버터(120)의 출력전압 값 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서 목표 속도값은 사용자 또는 외부 디바이스로부터 입력되는 값으로서, 모터(110)의 회전 속도에 대한 목표값일 수 있다.
PWM 신호에 포함된 각 펄스의 듀티비는 출력하고자 하는 전류의 크기에 따라 변경될 수 있다. 보다 구체적으로, 듀티비가 클수록 인버터(120)의 출력은 크고, 듀티비가 작을수록 인버터(120)의 출력은 작을 수 있다.
이에 따라, 마이컴(140)은 제어 시점의 모터구동정보 및 인버터(120)의 출력전류를 고려하여 목표 속도값을 추종하기 위한 PWM 신호의 듀티비를 결정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이컴의 제어 구성을 도시한 블록도이다. 이하, 도 3을 참조하여 마이컴을 구성하는 각 구성요소의 제어 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 마이컴(140)은 위치 추정부(141), 속도 산출부(142), 지령치 생성부(143, 144), 듀티 제어부(145) 및 3상/2상 축변환부(146)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 마이컴(140)은 상술한 논리적 구성요소를 포함하는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 교류 전류(Iabc) 및 교류 전압(Vabc)은 각각 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic) 및 3상 교류 전압(Va, Vb, Vc)을 하나의 파라미터로 나타낸 것이다. 이에 따라, 도 3에 도시된 교류 전류(Iabc) 및 교류 전압(Vabc)은 인버터(120)에서 모터(110)로 출력되는 각 상의 전류 및 전압을 나타낸 것일 수 있다.
위치 추정부(141)는 인버터(120)의 출력전류 및 출력전압 중 적어도 하나에 기초하여 회전자의 전기각 위치(
Figure 112017065892260-pat00001
)를 추정할 수 있다. 보다 구체적으로, 먼저 위치 추정부(141)는 인버터(120)의 출력전류 및 출력전압 중 적어도 하나에 기초하여 회전자의 위치를 추정하고, 그 다음 추정된 회전자의 위치에 기초하여 전기각 위치(
Figure 112017065892260-pat00002
)를 연산할 수 있다.
이와 달리, 본 발명에 전기각 위치(
Figure 112017065892260-pat00003
)를 측정하는 위치센서(예를 들어, 홀센서)가 포함되는 경우, 위치 추정부(141)는 생략될 수 있다.
속도 산출부(142)는 위치 추정부(141)에 의해 추정된 전기각 위치(
Figure 112017065892260-pat00004
) 및 인버터(120)의 출력전압에 기초하여 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00005
)를 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 속도 산출부(142)는 위치 추정부(141)에서 추정된 회전자의 위치를 시간(예를 들어, PWM 주기 또는 샘플링주기)으로 나누어 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00006
)를 산출할 수 있다.
지령치 생성부는 전류 지령치 생성부(143) 및 전압 지령치 생성부(144)로 구성될 수 있는데, 각 구성에 대해서는 이하에서 설명하도록 한다.
전류 지령치 생성부(143)는 속도 산출부(142)에 의해 산출된 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00007
) 및 목표 속도값(
Figure 112017065892260-pat00008
)에 기초하여 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00009
)를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 전류 지령치 생성부(143)는 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00010
) 및 목표 속도값(
Figure 112017065892260-pat00011
)에 기초하여 속도 지령치를 산출하고, 산출된 속도 지령치에 기초하여 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00012
)를 생성할 수 있다.
전류 지령치 생성부(143)는 상술한 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00013
)를 생성하기 위하여, PI 제어(Proportional Integral Control)를 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 전류 지령치 생성부(143)는 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00014
)와 목표 속도값(
Figure 112017065892260-pat00015
)의 차이인 속도 지령치를 산출하고, 속도 지령치에 기초하여 PI 제어를 수행함으로써 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00016
)를 생성할 수 있다.
한편, 전류 지령치 생성부(143)는 생성된 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00017
)가 허용 범위를 초과하지 않도록 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
전압 지령치 생성부(144)는 생성된 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00018
) 및 인버터(120)의 출력전류(
Figure 112017065892260-pat00019
)에 기초하여 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00020
)를 생성할 수 있다. 여기서 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00021
) 생성의 기초가 되는 출력전류(
Figure 112017065892260-pat00022
)는 전술한 3상 출력전류(Ia, Ib, Ic)를 축변환하여 생성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3에 도시된 3상/2상 축변환부(146)는 인버터(120)의 3상 출력전류(Ia, Ib, Ic)를 입력받아 정지 좌표계의 2상 전류(
Figure 112017065892260-pat00023
)로 축변환할 수 있다. 또한, 3상/2상 축변환부(146)는 정지 좌표계의 2상 전류(
Figure 112017065892260-pat00024
)를 회전 좌표계의 2상 전류(
Figure 112017065892260-pat00025
)로 축변환할 수 있다.
전압 지령치 생성부(144)는 회전 좌표계로 축변환된 q축, d축 전류(
Figure 112017065892260-pat00026
)와 전류 지령치 생성부(143)에서 생성된 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00027
)에 기초하여 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00028
)를 생성할 수 있다.
전압 지령치 생성부(144)는 상술한 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00029
)를 생성하기 위하여 PI 제어를 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 전압 지령치 생성부(144)는 q축 전류(
Figure 112017065892260-pat00030
)와 q축 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00031
) 의 차이에 기초하여 PI 제어를 수행함으로써 q축에 대한 목표 지령치(
Figure 112017065892260-pat00032
)를 생성할 수 있다.
또한, 전압 지령치 생성부(144)는 d축 전류(
Figure 112017065892260-pat00033
)와 d축 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00034
)의 차이에 기초하여 PI 제어를 수행함으로써 d축에 대한 목표 지령치(
Figure 112017065892260-pat00035
)를 생성할 수 있다.
한편, 전압 지령치 생성부(144)는 q축 및 d축에 대한 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00036
)가 허용 범위를 초과하지 않도록 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
전술한 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00037
)는 듀티 제어부(145)에 입력될 수 있다. 이에 따라, 듀티 제어부(145)는 인버터(120)에 제공되는 PWM 신호의 듀티비를 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00038
)에 대응하는 듀티비로 제어할 수 있다.
이에 따라, 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00039
)는 목표 속도값(
Figure 112017065892260-pat00040
)을 추종할 수 있다. 다시 말해, 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00041
)는 인버터(120)의 출력전류의 크기에 비례할 수 있고 전술한 바와 같이 출력전류의 크기는 PWM 신호에 포함된 펄스의 폭에 비례할 수 있다.
듀티 제어부(145)는 현재 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00042
)가 목표 속도값(
Figure 112017065892260-pat00043
)보다 크면 PWM 신호의 듀티비를 감소시키고, 현재 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00044
)가 목표 속도값(
Figure 112017065892260-pat00045
)보다 작으면 PWM 신호의 듀티비를 증가시킬 수 있다.
마이컴(140)은 상술한 제어 동작을 매 샘플링주기마다, 즉, 인버터(120)의 출력전류가 측정될 때마다 수행할 수 있다. 이에 따라, 마이컴(140)의 제어 동작에 이용되는 모터구동정보 및 인버터(120)의 출력전류는 모터(110)의 현재 구동 상태에 대한 정보 및 인버터(120)에서 현재 출력되는 전류일 수 있다.
마이컴(140)의 듀티비 제어는 듀티비 정보를 포함하는 제어 신호를 후술하는 게이트 드라이버(130)에 제공함으로써 수행될 수 있다. 다시 도 2를 참조하면 마이컴(140)은 PWM 신호의 듀티비를 제어하기 위한 상암 제어 신호(HIN 1 ~ HIN 3) 및 하암 제어 신호(LIN 1 ~ LIN 3)를 게이트 드라이버(130)에 제공할 수 있다.
각 제어 신호는 구형파의 펄스 형태로 출력될 수 있고, 제어 신호의 듀티비는 제어 대상인 PWM 신호의 듀티비와 동일할 수 있다. 다시 말해, 제어 신호에 따라 생성되는 PWM 신호의 듀티비는 해당 제어 신호의 듀티비와 동일할 수 있다.
게이트 드라이버(130)는 PWM 신호를 인버터(120)에 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 게이트 드라이버(130)는 마이컴(140)으로부터 제어 신호(HIN 1 ~ HIN 3, LIN 1 ~ LIN 3)를 제공받고, 제어 신호의 듀티비와 동일한 듀티비를 갖는 PWM 신호를 생성하여 인버터(120)에 제공할 수 있다.
다만, 게이트 드라이버(130)에서 생성되는 PWM 신호의 크기는 인버터(120)를 구성하는 스위칭 소자의 게이트 단에 인가되는 동작전압에 따라 결정될 수 있다. 다시 말해, 게이트 드라이버(130)는 특정 듀티비를 갖는 제어 신호를 제공받아, 특정 듀티비를 갖고 크기는 스위칭 소자의 동작전압으로 설정된 PWM 신호를 인버터(120)에 제공할 수 있다.
한편, 게이트 드라이버(130)는 인버터(120)의 출력전류를 검출하여 검출된 출력전류가 과전류인지 여부를 판단할 수 있다. 게이트 드라이버(130)는 인버터(120)의 각 상에 대한 출력전류를 각각 검출하여 검출된 각 상의 출력전류가 과전류인지 여부를 판단할 수 있다.
또한, 게이트 드라이버(130)는 인버터(120)의 3상 출력전류의 합성 전류를 검출하여 검출된 합성 전류가 과전류인지 여부를 판단할 수도 있다. 이 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이, 인버터(120)의 출력전류는 하나의 션트(shunt) 저항을 통해 검출될 수 있다.
게이트 드라이버(130)는 검출된 출력전류가 미리 설정된 시간 동안 미리 설정된 값을 초과하면 인버터(120)에서 과전류가 발생하였다고 판단할 수 있다.
보다 구체적으로, 인버터(120)의 합성 전류는 게이트 드라이버(130)의 ITRIP 단자로 제공될 수 있고, 게이트 드라이버(130)는 합성 전류의 크기가 미리 설정된 시간 동안 미리 설정된 값을 초과하는지 여부를 판단할 수 있다.
또한, 게이트 드라이버(130)는 ITRIP 단자로 제공된 합성 전류를 3상 교류 전류로 분리하여, 분리된 각 상 전류의 크기가 미리 설정된 시간 동안 미리 설정된 값을 초과하는지 여부를 판단할 수도 있다.
검출된 전류의 크기가 미리 설정된 시간 동안 미리 설정된 값을 초과하는 경우, 게이트 드라이버(130)는 고장신호(FO)를 생성하고, 인버터(120)로 제공되는 PWM 신호를 차단시간 동안 차단할 수 있다.
다시 말해, 과전류가 발생하였다고 판단되면, 고장신호는 도 2에 도시된 FAULT 단자를 통해 마이컴(140)으로 제공되며, 게이트 드라이버(130)에서 출력되는 PWM 신호(HO 1 ~ HO 3 및 LO 1 ~ LO 3)는 차단될 수 있다.
여기서 과전류 판단을 위한 미리 설정된 시간 및 미리 설정된 값과 PWM 신호가 차단되는 차단시간은 게이트 드라이버(130)의 사양에 따라 결정될 수 있다. 또한, 전술한 비교 동작 및 차단 동작을 수행하기 위하여 게이트 드라이버(130)는 과전류 보호(Over Current Protection; OCP) 모듈을 더 포함할 수 있다.
마이컴(140)은 게이트 드라이버(130)에서 고장신호가 생성되면 고장신호의 생성시점 이전의 샘플링주기에 검출된 인버터(120)의 출력전류 값을 메모리에 저장할 수 있다.
인버터(120)의 출력전류는 샘플링주기에 따라 검출될 수 있고, 마이컴(140)은 게이트 드라이버(130)로부터 고장신호를 제공받으면 고장신호가 생성된 시점 이전의 샘플링주기에 검출된 인버터(120)의 출력전류 값을 메모리에 저장할 수 있다.
보다 구체적으로, 마이컴(140)은 고장신호가 생성된 시점 이전의 샘플링주기 중에서 고장신호가 생성된 시점 직전의 샘플링주기에 검출된 인버터(120)의 출력전류 값을 메모리에 저장할 수 있다.
고장신호가 생성된 시점 직전의 샘플링주기에 검출된 출력전류 값은 과전류로 판단되지 않은 값이므로, 마이컴(140)은 과전류가 발생하기 직전에 검출된 인버터(120)의 출력전류 값을 메모리에 저장할 수 있다.
마이컴(140)은 전술한 모터구동정보 및 메모리에 저장된 출력전류 값을 이용하여 차단시간 이후 인버터(120)에 제공되는 PWM 신호의 듀티비를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로 도 3을 참조하면, 위치 추정부(141)는 고장신호가 생성된 후 인버터(120)의 출력전류 및 출력전압 중 적어도 하나에 기초하여 회전자의 전기각 위치(
Figure 112017065892260-pat00046
)를 추정할 수 있다.
속도 산출부(142)는 추정된 전기각 위치(
Figure 112017065892260-pat00047
) 및 인버터(120)의 출력전압 중 적어도 하나에 기초하여 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00048
)를 산출할 수 있다. 이 때, 산출된 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00049
)는 PWM 신호의 출력 차단으로 인해 과전류가 발생하기 이전보다 감소할 수 있다.
지령치 생성부는 산출된 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00050
) 및 모터(110)의 목표 속도값(
Figure 112017065892260-pat00051
)에 기초하여 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00052
)를 생성하고, 생성된 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00053
) 및 메모리에 저장된 출력전류 값에 기초하여 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00054
)를 생성할 수 있다.
다시 말해, 앞서 설명한 위치 추정부(141) 및 속도 산출부(142)에서 이용하는 인버터(120)의 출력전류는 현재 시점에 검출되는 출력전류인 반면에, 지령치 생성부에서 이용하는 인버터(120)의 출력전류는 고장신호 생성시점의 직전 샘플링주기에 검출된 출력전류 값일 수 있다.
전술한 바와 같이, 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00055
)는 게이트 드라이버(130)의 출력 차단으로 인해 과전류가 발생하기 이전보다 감소할 수 있고, 이에 따라 목표 속도값과 회전자의 속도(
Figure 112017065892260-pat00056
)의 차이는 커질 수 있다. 이에 따라, 지령치 생성부에서 생성되는 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00057
)는 과전류가 발생하기 이전보다 커질 수 있다.
지령치 생성부는 생성된 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00058
)와 메모리에 저장된 출력전류 값에 기초하여 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00059
)를 생성할 수 있다. 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00060
)의 크기 상승으로 인해 전류 지령치(
Figure 112017065892260-pat00061
)와 메모리에 저장된 출력전류 값의 차이는 커질 수 있고, 이에 따라, 지령치 생성부에서 생성되는 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00062
) 또한 과전류가 발생하기 이전보다 커질 수 있다.
전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00063
)가 생성되면, 듀티 제어부(145)는 생성된 전압 지령치(
Figure 112017065892260-pat00064
)에 따라 차단시간 이후 인버터(120)에 제공되는 PWM 신호의 듀티비를 제어할 수 있다. 이에 따라, 차단시간 이후 인버터(120)에 제공되는 PWM 신호의 듀티비는 과전류가 발생하기 이전 펄스의 듀티비보다 클 수 있다.
한편, 마이컴(140)은 고장신호가 생성되면 고장신호 생성시점의 모터구동정보를 메모리에 더 저장하고, 차단시간 이후 인버터(120)에 제공되는 PWM 신호의 듀티비를 메모리에 저장된 모터구동정보 및 출력전류 값에 따른 듀티비로 제어할 수 있다.
이 때, 마이컴(140)이 저장하는 모터구동정보는 고장신호가 생성된 시점의 회전자의 전기각 위치, 회전자의 속도, 목표 속도값 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
마이컴(140)은 인버터(120)에서 현재 출력되는 출력전류 또는 출력전압 값을 이용하여 회전자의 전기각 위치와 회전자의 속도를 산출할 필요 없이, 메모리에 저장된 전기각 위치, 회전자의 속도 및 목표 속도값을 이용하여 전류 지령치 및 전압 지령치를 생성할 수 있다.
예를 들어, 모터(110)가 고속으로 회전하는 경우, 인버터(120) 및 게이트 드라이버(130)에 노이즈 신호가 발생할 수 있고, 이에 따라 게이트 드라이버(130)의 ITRIP 단자로 제공되는 출력전류 값에 오류가 발생할 수 있다.
이와 같은 경우, 인버터(120)의 출력전류가 과전류가 아님에도 게이트 드라이버(130)는 인버터(120)에서 과전류가 발생하였다고 판단할 수 있다. 이에 따라, 인버터(120)의 출력전류 외에 인버터(120)에서 측정되는 파라미터는 정상일 수 있다.
이에 따라, 마이컴(140)은 게이트 드라이버(130)로부터 고장신호를 제공받으면, 고장신호가 생성된 시점의 회전자의 전기각 위치, 회전자의 속도, 목표 속도값 등을 포함하는 모터구동정보를 메모리에 저장할 수 있다.
마이컴(140)은 저장된 회전자의 전기각 위치, 회전자의 속도 및 목표 속도값을 이용하여 전류 지령치를 생성하고, 생성된 전류 지령치와 메모리에 저장된 출력전류 값에 기초하여 전압 지령치를 생성할 수 있다.
다시 말해, 마이컴(140)은 고장신호의 생성시점에 산출된 전류 지령치와 고장신호의 생성시점 직전 샘플링주기에 검출된 출력전류 값에 기초하여 전압 지령치를 생성할 수 있다. 마이컴(140)은 생성된 전압 지령치에 따라 차단시간 이후에 게이트 드라이버(130)에서 출력되는 PWM 신호의 듀티비를 제어할 수 있다.
즉, 마이컴(140)은 게이트 드라이버(130)에 의해 과전류로 판단되기 직전의 출력전류 값과 과전류로 판단된 순간의 모터구동정보를 이용하여 차단시간이 도과한 후 정상적인 PWM 신호를 출력하도록 PWM 신호의 듀티비를 제어할 수 있다.
전술한 마이컴(140)의 듀티비 제어 동작은 마이컴(140) 시스템 내부에서 특정 인터럽트 서비스 루틴(Interrupt Service Routine; ISR)에 의해 수행될 수 있다. 이에 따라, 마이컴(140)의 CPU는 게이트 드라이버(130)로부터 고장신호가 제공되면 인터럽트 서비스 루틴을 호출하고, 호출된 인터럽트 서비스 루틴은 전술한 듀티비 제어 동작을 수행할 수 있다.
도 4는 마이컴 및 게이트 드라이버의 출력 펄스, 인버터의 출력전류 및 고장신호의 펄스를 도시한 도면이고, 도 5는 인버터에 인가되는 PWM 신호 및 고장신호의 펄스를 도시한 도면이다. 여기서 마이컴(140)의 출력 펄스는 전술한 제어 신호일 수 있고, 게이트 드라이버(130)의 출력 펄스는 PWM 신호일 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 차단시간 전후에 발생하는 제어 신호, PWM 신호, 고장신호를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 게이트 드라이버(130)의 ITRIP 단자에서 검출되는 인버터(120)의 출력전압은 인버터(120)에서 출력되는 3상 전류의 합성전류일 수 있다. 도 4에 도시된 3상 전류의 합성전류는 설명의 편의를 위해 도시된 것이고, 임의의 파형으로 출력될 수 있다.
게이트 드라이버(130)는 ITRIP 단자에서 검출되는 인버터(120)의 출력전류의 크기가 미리 설정된 시간(T) 동안 미리 설정된 값(Ilimit)을 초과하는지 여부를 판단할 수 있다. 출력전류의 크기가 미리 설정된 시간(T)동안 미리 설정된 값(Ilimit)을 초과하면 게이트 드라이버(130)는 고장신호(FO)를 생성하고, 인버터(120)로 제공되는 PWM 신호(HO, LO)를 차단할 수 있다.
이에 따라 도 4에 도시된 차단구간에서는 제어 신호(HIN, LIN)에 따른 PWM 신호(HO, LO)가 출력되지 않을 수 있다.
PWM 신호가 차단되는 차단시간 동안 마이컴(140)은 인터럽트 서비스 루틴(ISR)을 호출하여, 고장신호 발생시점의 직전 샘플링주기에 검출된 인버터(120)의 출력전류 값과 모터(110)의 현재 모터구동정보 따른 듀티비를 결정할 수 있다.
이후, 차단시간이 도과하면 마이컴(140)은 결정된 듀티비를 갖는 제어 신호(HIN, LIN)를 게이트 드라이버(130)에 제공할 수 있고, 게이트 드라이버(130)는 제공된 제어 신호(HIN, LIN)에 기초하여 PWM 출력(HO, LO)을 인버터(120)에 제공할 수 있다.
도 5를 참조하면, U상에 대한 PWM 신호는 증감하는 펄스형태로 출력되며 미리 설정된 주기(T)를 가질 수 있다. a 펄스가 출력된 직후 고장신호(FO)가 발생하면, 게이트 드라이버(130)는 a 펄스를 차단할 수 있다.
a 펄스가 차단된 시간 동안, 마이컴(140)은 a 펄스의 직전 펄스(a 펄스의 좌측 펄스)에 따른 인버터(120)의 출력전류 값을 검출하고, 검출된 출력전류 값과 현재 모터구동정보에 기초하여 차단시간 이후에 출력될 b 펄스의 듀티비를 결정할 수 있다.
전술한 바와 같이 a 펄스가 차단된 시간 동안 모터(110)의 회전속도는 감소할 수 있고, 이에 따라 b 펄스의 듀티비는 a 펄스의 듀티비보다 클 수 있다. 다시 말해, 차단시간 이후에 출력되는 b 펄스는 고장신호가 생성된 시점에 출력하려고 했던 a 펄스의 듀티비보다 클 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 신호 제어 방법을 도시한 순서도이다. 이하, 도 6을 참조하여 모터를 구동하는 인버터에 PWM 신호를 제공하는 제어유닛의 PWM 신호 제어 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
여기서 제어유닛은 도 1에 도시된 마이컴(140) 및 게이트 드라이버(130)로 구성될 수 있다. 이에 따라, 제어유닛을 구성하는 각 구성요소에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 6을 참조하면, 제어유닛은 인버터의 출력전류가 과전류인지 여부를 판단할 수 있다(S110).
보다 구체적으로, 제어유닛은 인버터의 출력전류를 검출하고, 검출된 출력전류가 미리 설정된 시간 동안 미리 설정된 값을 초과하는지 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과, 검출된 출력전류가 미리 설정된 시간 동안 미리 설정된 값을 초과하면 출력전류를 과전류로 판단할 수 있다.
이어서, 인버터의 출력전류가 과전류로 판단되면 제어유닛은 고장신호를 생성하고 인버터에 제공되는 PWM 신호를 차단시간 동안 차단할 수 있다(S120).
이어서, 고장신호가 생성되면 제어유닛은 모터의 모터구동정보 및 고장신호의 생성시점 이전의 샘플링주기에 검출된 출력전류 값을 메모리에 저장할 수 있다(S130). 여기서 모터구동정보는 전술한 바 있으므로, 여기에서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
이어서, 제어유닛은 메모리에 저장된 모터구동정보 및 출력전류 값을 이용하여 PWM 신호의 듀티비를 결정하고(S140), 차단시간이 도과하면 앞서 결정된 듀티비를 갖는 PWM 신호를 인버터에 제공할 수 있다(S150).
상술한 단계(S110), 단계(S120) 및 단계(S150)는 도 1에 도시된 게이트 드라이버에 의해 수행될 수 있다. 한편, 단계(S130) 및 단계(S140)는 도 1에 도시된 마이컴에 의해 수행될 수 있다.
도 7은 고장신호가 생성된 후 마이컴의 동작 과정을 도시한 순서도이고, 도 8은 마이컴이 호출한 인터럽트 서비스 루틴의 프로세스를 도시한 순서도이다. 이하, 도 7 및 도 8을 참조하여, 제어유닛의 구성요소 중 마이컴이 PWM 신호의 듀티비를 결정하는 과정을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7을 참조하면, 마이컴은 게이트 드라이버에서 생성된 고장신호를 수신할 수 있다(S210).
이어서, 마이컴은 수신된 고장신호에 응답하여 인터럽트 서비스 루틴(Interrupt Service Routine; ISR)을 호출할 수 있다(S220).
이어서, 마이컴은 호출된 인터럽트 서비스 루틴(ISR)을 통해 차단시간 이후 인버터에 제공될 PWM 신호의 듀티비를 결정할 수 있다(S230).
보다 구체적으로, 도 8을 참조하면 인터럽트 서비스 루틴(이하, ISR)은 메모리에 저장된 모터구동정보 및 출력전류 값을 로드하고(S221), 인버터의 출력전류 및 출력전압 중 적어도 하나에 기초하여 회전자의 전기각 위치를 추정할 수 있다(S222).
이어서, ISR은 추정된 전기각 위치 및 인버터의 출력전압 중 적어도 하나에 기초하여 회전자의 속도를 산출할 수 있다(S223).
이어서, ISR은 산출된 회전자의 속도 및 모터의 목표 속도값에 기초하여 전류 지령치를 생성하고(S224), 생성된 전류 지령치 및 메모리에 저장된 출력전류 값에 기초하여 전압 지령치를 생성할 수 있다(S225). 또한, ISR은 생성된 전압 지령치에 기초하여 차단시간이 도과한 후 인버터에 제공될 PWM 신호의 듀티비를 결정할 수 있다.
단계(S222) 내지 단계(S224)에서 이용되는 인버터의 출력전압 및 출력전류 값은 현재 모터(110)의 모터구동정보에 포함된 값일 수 있다. 한편, 단계(S225)에서 이용되는 인버터의 출력전류 값은 메모리에 저장된 출력전류 값으로서, 고장신호의 생성시점 이전의 샘플링주기에 검출된 출력전류 값일 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 마이컴은 ISR에 의해 결정된 듀티비 정보를 게이트 드라이버(Drive IC)에 제공할 수 있다(S240). 이에 따라, 게이트 드라이버는 ISR에 의해 결정된 듀티비를 갖는 PWM 신호를 인버터에 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 노이즈로 인해 PWM 신호가 일시적으로 차단되더라도, 차단이 해제된 후 정상적인 PWM 신호를 출력하도록 PWM 신호의 듀티비를 제어함으로써, 노이즈로 인한 PWM 신호의 발산 또는 모터의 구동 중지를 방지할 수 있고 이에 따라 모터를 안정적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110: 모터 120: 인버터
130: 게이트 드라이버 140: 마이컴

Claims (10)

  1. 코일이 권선된 고정자 및 상기 고정자 내에 배치되며 상기 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 모터;
    PWM 신호에 따라 상기 코일에 교류 전류를 제공하는 인버터;
    상기 모터의 모터구동정보 및 상기 인버터의 출력전류를 이용하여 상기 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 마이컴; 및
    상기 PWM 신호를 상기 인버터에 제공하고, 상기 인버터의 출력전류가 과전류인지 여부에 따라 고장신호를 생성하고 상기 PWM 신호를 차단시간 동안 차단하는 게이트 드라이버를 포함하고,
    상기 마이컴은, 상기 고장신호가 생성되면 상기 고장신호의 생성시점 이전의 샘플링주기에 검출된 상기 인버터의 출력전류 값을 메모리에 저장하고, 상기 모터의 현재 모터구동정보 및 상기 메모리에 저장된 상기 출력전류 값을 이용하여 상기 차단시간 이후 상기 인버터에 제공되는 상기 PWM 신호의 듀티비를 제어하는
    PWM 신호 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버는
    상기 인버터의 출력전류를 검출하고, 상기 검출된 출력전류가 미리 설정된 시간 동안 미리 설정된 값을 초과하면 상기 고장신호를 생성하여 상기 마이컴으로 제공하는 PWM 신호 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이컴은
    상기 고장신호가 생성되면 상기 고장신호 생성시점의 모터구동정보를 상기 메모리에 더 저장하고, 상기 차단시간 이후 상기 인버터에 제공되는 상기 PWM 신호의 듀티비를 상기 메모리에 저장된 상기 모터구동정보 및 상기 출력전류 값에 따른 듀티비로 제어하는 PWM 신호 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모터구동정보는
    상기 회전자의 전기각 위치, 상기 회전자의 속도, 상기 모터의 목표 속도값, 상기 인버터의 출력전류 값 및 상기 인버터의 출력전압 값 중 적어도 하나를 포함하는 PWM 신호 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이컴은
    상기 고장신호가 생성된 후 상기 인버터의 출력전류 및 출력전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 회전자의 전기각 위치를 추정하는 위치 추정부;
    상기 추정된 전기각 위치 및 상기 인버터의 출력전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 회전자의 속도를 산출하는 속도 산출부;
    상기 산출된 속도 및 상기 모터의 목표 속도값에 기초하여 전류 지령치를 생성하고 상기 생성된 전류 지령치 및 상기 메모리에 저장된 상기 출력전류 값에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 지령치 생성부; 및
    상기 생성된 전압 지령치에 따라 상기 차단시간 이후 상기 인버터에 제공되는 상기 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 듀티 제어부를 포함하는 PWM 신호 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마이컴은
    상기 게이트 드라이버로부터 상기 고장신호가 제공되면 상기 PWM 신호의 듀티비를 제어하기 위한 인터럽트 서비스 루틴(Interrupt Service Routine; ISR)을 호출하는 PWM 신호 제어 장치.
  7. 모터를 구동하는 인버터에 PWM 신호를 제공하는 제어유닛의 PWM 신호 제어 방법에 있어서,
    상기 인버터의 출력전류가 과전류인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 인버터의 출력전류가 과전류로 판단되면 고장신호를 생성하고 상기 인버터에 제공되는 상기 PWM 신호를 차단시간 동안 차단하는 단계;
    상기 고장신호가 생성되면 상기 모터의 현재 모터구동정보 및 상기 고장신호의 생성시점 이전의 샘플링주기에 검출된 출력전류 값을 메모리에 저장하는 단계; 및
    상기 메모리에 저장된 상기 현재 모터구동정보 및 상기 출력전류 값을 이용하여 상기 차단시간이 도과한 후 상기 인버터에 제공되는 상기 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 단계를 포함하는 PWM 신호 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고장신호가 생성되면 인터럽트 서비스 루틴(Interrupt Service Routine; ISR)을 호출하여 상기 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 단계를 더 포함하는 PWM 신호 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 인버터의 출력전류가 과전류인지 여부를 판단하는 단계는
    상기 인버터의 출력전류를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 출력전류가 미리 설정된 시간 동안 미리 설정된 값을 초과하면 상기 출력전류를 과전류로 판단하는 단계를 포함하는 PWM 신호 제어 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 인버터에 제공되는 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 단계는
    상기 인버터의 출력전류 및 출력전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 모터 내 회전자의 전기각 위치를 추정하는 단계;
    상기 추정된 전기각 위치 및 상기 인버터의 출력전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 회전자의 속도를 산출하는 단계;
    상기 산출된 속도 및 상기 모터의 목표 속도값에 기초하여 전류 지령치를 생성하고 상기 생성된 전류 지령치 및 상기 메모리에 저장된 상기 출력전류 값에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 전압 지령치에 따라 상기 차단시간이 도과한 후 상기 인버터에 제공되는 상기 PWM 신호의 듀티비를 제어하는 단계를 포함하는 PWM 신호 제어 방법.
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