KR19990081164A - 센서가 없는 비엘디씨(bldc) 모터의 위치감지장치 - Google Patents

센서가 없는 비엘디씨(bldc) 모터의 위치감지장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 센서리스 BLDC 모터의 구동회로에 관한 것으로, 특히 모터에 인가되는 3상전압의 인가시점을 정확히 설정하고, PWM 신호에서 발생될 수 있는 노이즈를 제거하는 구동회로에 관한 것이다. 본 발명에 의한 모터의 구동회로는 직류전원을 인가받아 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 변환하는 PWM 발생부와, PWM 신호를 인가받아 3상전압으로 변환하는 스위치소자와, 3상전압을 각 권선에 인가받아 회전자가 회전하는 모터와, 회전자의 회전에 따라 모터에서 발생된 역기전력을 감지하여 위치감지신호를 발생하는 위치감지부와, PWM 신호를 다소 지연시키는 PWM 신호지연부와, PWM 신호지연부에서 지연된 PWM 신호와 위치감지부에서 발생된 위치감지신호를 논리곱연산하여 보정된 위치감지신호를 출력하는 논리연산부와, 그리고, 논리연산부에서 보정된 위치감지신호에 의해 스위치소자를 제어하는 제어부가 포함된 것을 특징으로 한다.

Description

센서가 없는 비엘디씨(ＢＬＤＣ) 모터의 위치감지장치
본 발명은 센서리스 BLDC 모터에 관한 것으로, 특히 센서리스 BLDC 모터의 위치를 감지하는 방법과 장치에 관한 것이다.
일반적인 센서리스 BLDC모터와 그 구동회로의 개략적인 구조는 도 1에 나타낸 것과 같다.
전원부(20)는 SMPS(Switching Mode Power Supply) 등으로 구성되어 상용전원인 교류전압을 직류전압으로 변환시킨다. 스위치소자구동부(40)는 전원부(20)에서 변환된 직류전압을 인가받아 스위칭제어신호를 발생시킨다. 스위치소자(50)는 스위칭제어신호에 따라 전원부(20)에서 인가받는 직류전압을 3상전압으로 변환시켜 모터(10)에 인가한다. 이 3상전압은 의해 모터(10)의 각 권선(도면미도시)에 자기장을 발생시키고, 그 자기장에 의해 모터의 회전자(도면미도시)가 회전한다.
모터 회전자의 회전에 따라 권선에는 역기전력이 출력되는데, 역기전력 검지부(80)는 이러한 역기전력을 검출하여 마이콤(60)으로 인가한다. 이 역기전력의 검출에 따라 마이콤(60)은 모터가 정확하게 동작되도록 스위치소자구동부(40)를 제어한다. 또, 마이콤(60)은 스위치소자(50)로부터 전류를 검지하는 과전류검지부(70)로부터 모터에 인가되는 전류값을 인가받고, 전원부(20)의 전압을 검지하는 전압검지부(30)로부터 마이콤에 인가되는 전압을 검지하여 지나치게 높은 전압 혹은, 전류가 모터에 인가되면, 전원부의 전원을 차단시킴으로써, 모터의 안정적인 동작을 도모한다.
스위치소자(50)는 모터의 권선에 3상전압을 인가하여 모터의 회전자를 회전시키는 인버터로서, 스위칭제어신호에 따라 전원부(20)에서 인가받는 직류전압을 3상전압으로 변환시켜 모터(10)에 인가한다. 이 3상전압은 모터(10)의 권선(도면미도시)에 자기장을 발생시켜 모터의 회전자(도면미도시)가 회전하게 된다. 스위칭제어신호는 PWM파형으로서, 듀티(duty)비가 높으면 전압이 높은 3상전압이 인가되고, 듀티비가 낮으면 전압이 낮은 3상전압이 인가된다.
인버터(50)는 도 2에 나타낸 것과 같이 각각 3개씩 상위(upper)(51)와 하위(lower)(52)으로 구분된 6개의 스위치소자로 구성되고, 스위치의 조합에 의해 전압을 출력하는 3개의 출력단자로 구성되어 있다. 이 3개의 출력단자들에서 출력되는 전압에 의해 모터의 회전자가 회전하도록 구성되어 있다.
인버터의 동작원리를 첨부된 도면, 도 2와 도 3 및 도 4를 참조로 하여 설명하도록 한다. 도 3은 각 스위치에 인가되는 제어신호의 파형을 나타낸 것이고, 도 4a 부터 도 4f는 제어신호에 의해 모터의 회전자(rotor)(13)가 구동되는 것을 도시한 것이다. 인버터는 제1스위치(SW1)와 제4스위치(SW4)가 짝지워져 동작하고, 제2스위치(SW2)와 제5스위치(SW5)가 짝지워지며, 제3스위치(SW3)와 제6스위치(SW6)가 짝지워져 동작한다. 즉, 상위스위치와 하위스위치가 하나씩 짝지워져 동작한다. 이 때, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2) 및 제3스위치(SW3)는 상위(upper)스위치이고, 제4스위치(SW4)와 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)는 하위(lower)스위치이다. 상위스위치가 도통되면 모터의 코일에는 하이(high)의 전압이 인가되고, 하위스위치가 도통되면 모터의 코일에는 로(low)의 전압이 인가되며, 둘 다 차단되면 모터의 코일에는 오픈상태(Open Phase)가 된다.
먼저 제1스위치에 하이(high)의 제어신호가 인가된다. 그러면, 제1스위치가 도통(turn on)되어 U코일에 하이(High)의 전압이 인가된다.
제1스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제6스위치에 하이(high)의 제어신호가 인가되어 제6스위치가 도통된다. 그러면, W코일에 로(low)의 전압이 인가되어 상술한 과정에 의해 U코일에 발생되었던 자기력의 반대 극성을 가진 자기력이 W코일에 발생된다. 즉, 만약 U코일에 N극의 자기력이 발생되었다면, W코일에는 S극의 자기력이 발생된다는 것이다. 이러한 자기력에 의해 모터의 회전자는 60°회전한다.
제6스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제1스위치는 차단(turn off)되고, 제2스위치가 도통(turn on)된다. 그러면, V코일에 하이(high)의 전압이 인가되어 상술한 과정에 의해 W코일에 발생되었던 자기력의 반대 극성을 가진 자기력이 V코일에 발생된다. V코일과 W코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 60°회전한다.
제2스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제6스위치는 차단되고, 제4스위치가 도통된다. 그러면, U코일에 로(low)의 전압이 인가되어 제1스위치가 도통되었을 때 발생되었던 자기력의 반대극성을 가진 자기력이 U코일에 발생된다. 이 U코일의 자기력과 V코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 60°회전한다.
제4스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제2스위치는 차단되고, 제3스위치가 도통된다. 그러면, W코일에 하이(high)의 전압이 인가되어 제6스위치가 도통되었을 때 발생되었던 자기력의 반대극성을 가진 자기력이 W코일에 발생된다. 이 W코일의 자기력과 U코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 60°회전한다.
제3스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제4스위치는 차단되고, 제5스위치가 도통된다. 그러면, V코일에 로(low)의 전압이 인가되어 제2스위치가 도통되었을 때 발생되었던 자기력의 반대극성을 가진 자기력이 V코일에 발생된다. 이 V코일의 자기력과 W코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 60°회전한다.
제 5 스위치가 도통되는 동안, 제 3 스위치는 차단되고, 제 1 스위치가 도통된다. 그러면, U상 코일에 하이(high)전압이 인가되고 U코일과 V코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 60°회전한다.
상술한 것과 같이 제1스위치부터 제6스위치가 번갈아 도통되었다가 차단되는 과정을 반복함으로써 회전자가 회전하여 모터가 동작하는 것이다.
이러한 모터의 회전시 각 코일에는 역기전력이 발생한다. 모터를 제어하는 마이컴은 이 역기전력이 모터의 공통점의 제로 위상과 교차할 때마다 반전되는 역기전력의 제로교차점신호(zero-EMF)를 생성하고, 이 제로교차점신호에 따라 각 코일에 전압을 인가한다. 이 제로교차점신호는 역기전력신호의 제로교차점(zero cross)을 의미하고, 그 주기는 모터의 회전속도에 따라 달라진다.
모터가 안정적으로 구동되려면, 소정의 코일에 역기전력의 제로교차점신호가 출력되었을 때, 모터의 구동회로가 이 신호를 기반으로 상술한 3상 코일에 전압을 정확히 인가해야 한다. 그러므로, 역기전력의 제로교차점을 정확히 검지하는 것은 모터의 안정적인 동작을 위하여 필수적인 요소이다. 이 때, 역기전력의 제로교차점은 모터의 코일에 전압이 차단되었을 때, 검지할 수 있다. 왜냐하면, 역기전력의 제로교차점 신호는 모터의 코일이 오픈(OPEN)상일 때마다 반전되기 때문이다.
이러한 역기전력의 검출회로는 도 5에 나타낸 것과 같이 모터의 각 코일에 연결되어 오픈(OPEN)상 일때 코일에 인가된 전압을 검출하는 제1저항(R1)과, 제1저항에 직렬로 연결된 제2저항(R2)과, 역기전력이 입력되는 비반전입력단과 기준전압출력부에서 출력된 기준전압이 입력되는 반전입력단으로 구성된 비교기(81)를 포함하여 구성된다.
비교기(81)는 제1저항(R1)과 제2저항(R2)의 접점에 비반전입력단(+)이 연결되어 역기전력이 입력되고, 외부의 DC링크부에 반전입력단(-)이 연결되어 기준전압이 입력되며, 역기전력과 기준전압의 비교값이 제어부에 입력되도록 구성된다. 비교기는 역기전력과 기준전압을 비교하여 역기전력이 기준전압 이상의 레벨(level)에 도달했을 때, 역기전력 검출신호를 출력한다.
그런데, 종래의 BLDC 모터의 위치감지장치는 다음과 같은 문제점이 있다. 먼저, 센서리스 BLDC 모터의 역기전력 감지회로는 인버터 회로의 기생용량에 의해 스위칭 천이 시 고주파의 잡음(noise)가 발생하는 문제점이 있다. 도 6은 인버터의 스위칭 천이에 의해 역기전력 감지회로에서 발생된 잡음과, 그 잡음에 의해 역기전력감지신호가 오류를 일으킨 것을 도시한 것이다. 이러한 잡음은 역기전력의 감지회로를 오동작시켜 모터의 구동이 불안해지는 문제점을 일으킨다. 따라서, 이 잡음을 제거하는 잡음제거회로가 구동회로에 별도로 설치되거나, 제어부에 잡음제거 프로그램이 포함되어야 하지만, 잡음제거회로 또는, 잡음제거 프로그램이 정상적인 신호도 함께 제거시키는 우려도 있다. 따라서, BLDC 모터가 탈조되는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 역기전력의 감지회로에 발생될 수 있는 잡음을 제거하여 안정적으로 모터를 구동시키는 센서리스 BLDC 모터의 구동회로를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 센서리스 BLDC 모터와 그 구동회로를 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 상기 도 1의 구동회로에서 스위치소자를 상세히 도시한 회로도.
도 3은 상기 도 2의 스위치소자에 인가되는 스위칭제어신호와 3상전압을 도시한 파형도.
도 4a 내지 도 4f는 상기 도 3에 의한 스위칭제어신호에 의해 모터의 전기자의 전류를 도시한 도면.
도 5는 종래의 역기전력 검출회로를 도시한 회로도.
도 6은 인버터의 스위칭 천이에 의해 상기 도 5의 역기전력 감지회로에서 발생된 잡음을 도시한 파형도.
도 7은 본 발명의 구동회로를 개략적으로 도시한 블록도.
도 8은 상기 도 7의 본 발명의 모터 구동방법을 도시한 흐름도.
도 9는 PWM 신호를 도시한 파형도.
도 10은 상기 도 7의 본 발명에 의해 지연된 PWM 신호와 보정된 위치감지신호를 도시한 파형도.
도 11은 상기 도 7의 본 발명에서 논리연산부와 위치감지부의 연결관계를 상세히 도시한 회로도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 모터 110 : 제어부
120 : 위치감지부 130 : 논리연산부
140 : 스위치소자 150 : PWM 발생부
160 : PWM 신호지연부
본 발명은 PWM 신호를 지연시키고, 그 지연된 PWM 신호와 모터의 위치감지신호를 논리연산함으로써, 보정된 위치감지신호를 생성하는 것이 특징이다.
이러한 특징을 갖는 본 발명은 도 7에 도시된 것과 같이 직류전압을 PWM 신호로 변환하는 PWM 발생부(150)와, PWM 신호를 3상전압으로 변환하는 스위치소자(140)와, 3상전압을 인가받아 구동되는 모터(100)와, 모터에서 발생된 역기전력을 감지하여 위치감지신호를 출력하는 위치감지부(120)와, PWM 신호를 지연시키는 PWM 신호지연부(160)와, PWM 신호지연부에서 지연된 PWM 신호와 위치감지부에서 출력된 위치감지신호를 논리곱연산하는 논리연산부(130), 그리고 논리연산부의 출력신호를 참조하여 스위치소자를 제어하는 제어부(110)가 포함된 구조를 가지고 있다.
본 발명의 핵심은 PWM 신호지연부(160)와 논리연산부(130)이다. 그 이유는 PWM 신호지연부(160)에서 지연된 PWM 신호와 위치감지부(120)에서 출력된 위치감지신호를 논리연산부(130)에 의해 논리곱연산된 최종 출력신호가 본 발명의 제어부(110)에서 스위치소자(140)를 제어할 때 참조하는 위치감지신호이기 때문이다.
이하, 본 발명의 동작원리와 구조를 첨부된 도 7과 도 8을 참조로 상세히 설명하도록 한다. 도 7은 본 발명의 구동회로를 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 8을 본 발명의 구동방법을 도시한 흐름도이다.
PWM 발생부(150)는 정류기와 같은 외부의 전압인가수단으로부터 직류전압을 인가받아 PWM 신호로 변환한다. PWM 신호는 도 9에 도시된 것과 같이 소정의 듀티비(d)를 갖는 파형으로서, 듀티비가 클수록 전압값이 높다.
스위치소자(140)는 PWM 발생부(150)에서 변환된 PWM 신호를 인가받아 3상전압으로 변환한다. 스위치소자의 구조와 동작은 종래의 것과 동일하다. 이 스위치소자는 상술한 종래의 발명에 설명되었던 인버터가 주로 사용된다.
모터(100)는 인버터, 즉 스위치소자(140)에서 출력된 3상전압을 권선(도시생략)에 인가받는다. 그러면, 권선에는 소정의 자기장이 발생되고, 이 자기장에 의해 회전자(도시생략)가 회전하여 모터가 구동된다. 이 때, 만약 외부의 전압인가수단에서 인가된 직류전압의 전압값이 높거나 전류값이 크거나, 또는 PWM 신호의 듀티가 크면, 결국 3상전압의 전압값이 높아져 회전자의 회전속도가 빠르게 된다. 반면, 직류전압의 전압값이 작거나, 또는 PWM 신호의 듀티가 작으면, 반대로 회전자의 회전속도가 느리다.
위치감지부(120)는 회전자의 회전에 따라 모터에서 발생된 역기전력을 감지하여 역기전력감지신호를 발생한다. 이 역기전력감지신호에 의해 모터 회전자의 위치를 제어부(110)가 파악할 수 있다. 즉, 역기전력감지신호는 위치감지부(120)에서 출력되는 위치감지신호이다. 종래의 구동회로는 이 역기전력감지신호를 참조하여 3상전압의 인가시점을 제어부(110)에서 설정했었다.
PWM 신호지연부(160)는 PWM 발생부(150)에서 발생된 PWM 신호를 다소 지연시켜 출력한다. 논리연산부(130)는 PWM 신호지연부(160)에서 지연된 PWM 신호와 위치감지부(120)에서 출력된 역기전력감지신호, 즉 본래의 위치감지신호를 입력받아 두 신호를 논리곱연산한다. 논리연산부(130)에서 논리곱연산하여 출력된 신호가 본 발명의 구동회로에서 사용되는 위치감지신호이다.
제어부(110)는 논리연산부(130)에서 출력된 위치감지신호를 참조하여 스위치소자(140)를 제어한다. 스위치소자는 트랜지스터(도시생략)로 구성된 인버터이므로, 제어부(110)의 제어신호는 인버터를 구성하고 있는 트랜지스터의 베이스 단자에 입력되어 트랜지스터의 도통여부를 제어한다.
상술한 본 발명의 구동회로가 실시하는 센서리스 BLDC 모터의 구동방법은 도 8에 도시된 흐름도와 같이 다음의 단계를 거친다.
먼저 본 발명의 구동방법은 외부의 전압인가수단으로부터 직류전압을 인가받아 그 직류전압을 PWM 신호로 변환한다(s1). 그리고, PWM 신호를 3상전압으로 변환하고(s2), 3상전압을 센서리스 BLDC 모터의 권선에 인가하여 모터를 구동시킨다(s3). 이 때, 모터에서 역기전력이 발생되는데, 본 발명의 구동방법을 채택한 구동회로는 이 역기전력을 감지하여 역기전력감지신호를 출력한다(s4).
그리고, 본 발명의 구동방법은 PWM 신호를 소정의 시간동안 지연시키고(s5), 지연된 PWM 신호와 상기 역기전력감지신호를 논리곱연산하여 위치감지신호를 출력한다(s6).
본 발명은 이 위치감지신호에 의해 상기 3상전압의 변환시점을 조절함(s7)으로써, 모터를 구동시킨다. 이 때, 본 발명은 3상전압의 변환시점을 조절하지 않고, 모터에 인가되는 3상전압의 인가시점을 조절하는 것으로 대행할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 신호의 흐름은 다음과 같다.
PWM 발생부(150)에서 발생된 PWM 신호가 스위치소자(140)에 입력되어 3상전압으로 변환된다. 그리고, 스위치소자 즉, 인버터에 의해 변환된 3상전압은 모터(100)의 각 권선에 인가되어 회전자를 회전시킨다. 이 때, 회전자의 회전에 의해 발생된 역기전력은 각 권선을 통해 위치감지부(120)에서 감지된다. 그러면, 위치감지부에서 역기전력감지신호가 출력된다.
그리고, PWM 발생부(150)에서 발생된 PWM 신호가 PWM 신호지연부(160)에 의해 다소 지연된다. 또, 위치감지부(120)에서 출력된 역기전력감지신호와 PWM 신호지연부에서 지연된 PWM 신호가 논리연산부(130)에 입력된다. 논리연산부(130)에 입력된 두 신호는 논리곱연산되어 도 10에 도시된 것과 같은 파형이 출력된다.
본 발명의 제어부(110)는 논리연산부(130)에 의해 출력된 신호를 위치감지신호로 참조하여 스위치소자(140)에 제어신호를 인가한다. 본 발명의 제어부(110)에서 인가받은 제어신호에 의해 스위치소자(140)에서 출력되는 3상전압의 인가시점이 조절된다.
본 발명은 도 11에 도시된 것과 같이 위치감지부(120)에서 출력되는 역기전력감지신호(UBEMF, VBEMF, WBEMF) 각각에 설치된 논리곱연산기(AND Gate)로 논리연산부를 구성할 수 있다. 논리곱연산기의 출력신호(U'BEMF, V'BEMF, W'BEMF)은 보정된 위치감지신호이다.
본 발명에 의한 모터의 구동회로는 종래의 구동회로에 비해 PWM 신호의 초기 인가시점에서 발생되는 노이즈를 제거하여 위치감지부의 위치감지효과를 향상시키는 효과가 있다. 또, PWM 신호의 노이즈를 제거하는 별도의 제거루틴이 필요없어 구동회로에 설치된 마이콤의 처리부하를 저감시키는 효과도 있다. 게다가 PWM 의 듀티비가 작아도 신호를 처리할 수 있다는 효과가 있으므로, 본 발명의 구동회로는 종래의 구동회로에 비해 모터를 안정적으로 구동시킬 수 있다는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 센서리스 BLDC 모터의 구동회로에 있어서,
    직류전원을 인가받아 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 변환하는 PWM 발생부;
    상기 PWM 신호를 인가받아 3상전압으로 변환하는 스위치소자;
    상기 3상전압을 각 권선에 인가받아 회전자가 회전하는 모터;
    상기 회전자의 회전에 따라 상기 모터에서 발생된 역기전력을 감지하여 위치감지신호를 발생하는 위치감지부;
    상기 PWM 신호를 다소 지연시키는 PWM 신호지연부;
    상기 PWM 신호지연부에서 지연된 PWM 신호와 상기 위치감지부에서 발생된 위치감지신호를 논리연산하여 보정된 위치감지신호를 출력하는 논리연산부;
    그리고, 상기 논리연산부에서 보정된 위치감지신호에 의해 상기 스위치소자를 제어하는 제어부가 포함된 센서리스 BLDC 모터의 구동회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 위치감지부와 상기 신호지연부가 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 센서리스 BLDC 모터의 구동회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 신호지연부와 제어부가 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 센서리스 BLDC 모터의 구동회로.
  4. 센서리스 BLDC 모터의 구동에 있어서,
    직류전압을 인가받아 PWM 신호로 변환하는 단계;
    상기 PWM 신호를 3상전압으로 변환하는 단계;
    상기 3상전압을 상기 센서리스 BLDC 모터에 인가하여 상기 모터를 구동시키는 단계;
    상기 모터에서 발생된 역기전력을 감지하여 역기전력감지신호를 출력하는 단계;
    상기 PWM 신호를 소정의 시간동안 지연시키는 단계;
    상기 지연된 PWM 신호와 상기 역기전력감지신호를 논리곱연산하여 위치감지신호를 출력하는 단계;
    상기 위치감지신호에 의해 상기 3상전압의 변환시점을 조절하는 단계를 포함하여 구성된 센서리스 BLDC 모터의 구동방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 3상전압의 변환시점을 조절하는 단계가 상기 위치감지신호에 의해 상기 3상전압을 모터에 인가하는 시점을 조절하는 것을 특징으로 하는 센서리스 BLDC 모터의 구동방법.
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