KR20160007845A

KR20160007845A - Bldc fan 모터의 드라이브 제어 시스템

Info

Publication number: KR20160007845A
Application number: KR1020140083281A
Authority: KR
Inventors: 권동철
Original assignee: 권동철
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2016-01-21

Abstract

본 발명은 공기 흐름과 조화를 제어하기 위한 냉난방공조기의 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템에 관한 것으로, BLDC모터의 속도 제어, 전류 제어, 입출력 제어를 수행하기 위한 연산하는 엠씨유(MCU: Micro Controller Unit); 상기 엠씨유(MCU: Micro Controller Unit)의 신호를 인가받아 전류의 상태를 감지에 따른 신호, BLDC모터 또는 쿨링 팬의 속도 지령, BLDC모터 및 쿨링 팬의 상태의 표시하기 위하여 신호를 인가하는 인터페이스부; 엠씨유(MCU: Micro Controller Unit)의 신호를 인가받아 3상의 교류 상용 전원을 동기 전동기 구동에 적합한 가변 주파수 및 가변 전압(또는 가변 전류)의 교류 전원으로 변환하는 전력변환부; 상기 엠씨유와 전력변환부와 전기적으로 연결되며, 직류 전원에서 발진회로에 의해 전력용량이 큰 교류를 발생시키고, 발생한 큰 교류 전원을 다른 전압의 교류로 변환하여 정류하며, 직류 전원을 얻어 전력전환부로 전류를 인가하고, 엠씨유에 과전류, 과열, 에러 검출 등에 따른 신호를 인가하는 에스엠피에스(SMPS: Switching Mode Power Supply); 상기 전력변환부의 신호에 의해 구동력이 제어되며, 전류 검출 회로, 보호 회로, 구동 회로 및 고밀도 집적 회로가 설치되는 BLDC모터; 상기 BLDC모터에 결합되며, BLDC모터의 구동력에 의해 회전하는 쿨링팬; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템{BLDC FAN motor drive control system}

본 발명은 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 흐름과 조화를 제어하기 위한 냉난방공조기에서 별도의 게이트 드라이브 회로를 구성하지 않아도 과전류, 과열, 회로단락, 제어전압부족 등을 포함하는 고장 신호를 확인할 수 있도록 함과 동시에 게이팅을 차단하여 안전하게 소자를 보호할 수 있도록 하여 신속한 고장 처리를 행할 수 있도록 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템에 관한 것이다.

BLDC모터는 계자 전기자 권선이 고정자측에 있고, 영구자석 계자가 회전하는 회전 계자형 BLDC모터이다.

BLDC모터는 계자 자극의 절대 위치를 검출하는 센서를 가지고 항상 계자 자극의 위치를 검출하여, 그 신호에 의해 전기자 권선에 순차적으로 전류를 흐르게 한다.

일반적으로 역기전력이 전기적으로 1/2 주기에 120도 기간 이상 일정치 Em을 갖도록 설계되어 있고, 역기전력의 평탄한 부분에 일정치 전류Im을 전기적으로 1/2 주기에 120°기간 동안 흐르게 한다.

3상 BLDC모터의 어느 한 상에서 다른 상으로의 순차적 순환 스위칭은 현재 전류가 도통하고 있는 전기자의 상과 게자의 자극 위치에 의해 결정된다.

3상 BLDC모터의 구동 시스템에서 전기적으로 1회전당 6개의 절대 위치 정보를 출력하는 위치검출기로 자기 엔코더의 자석과 홀 소자로 구성된다.

3상 BLDC모터의 토크와 속도는 전기자 권선에 공급되는 전압과 전류에 의해 제어된다.

3상 BLDC모터에서는 전기자 전류의 크기, 전류와 역기전력 사이의 위상각을 제어하거나, 전기자 전압의 크기, 전압과 역기전력 사이의 위상각을 제어하여 토크와 속도를 제어한다.

여기서는 전기자 전류의 기본파 위상을 역기전력의 기본과 위상과 일치시키고 전류의 크기만 제어한다.

맥동이 없는 일정한 토크를 발생시키기 위해 토크 지령에 비례하는 일정한 크기의 구형파 전류를 사다리꼴 역기전력의 평탄한 부분에 전기적으로 1/2 주기에 120°기간 동안 유지시킨다.

상기한 일반적인 3상 BLDC모터는 과전류, 과열, 회로단락, 제어전압부족 등의 고장 신호를 내주면서 동시에 게이팅을 차단하여 안전하게 소자를 보호할 수 있도록 별도의 게이트 드라이브 회로가 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제2009-0049283호 (2009.05.18. 공개)

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 별도의 게이트 드라이브 회로를 구성하지 않아도 과전류, 과열, 회로단락, 제어전압부족 등을 포함하는 고장 신호를 확인할 수 있도록 함과 동시에 게이팅을 차단하여 안전하게 소자를 보호할 수 있도록 하여 신속한 고장 처리를 행할 수 있도록 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 입력되는 데이터를 바탕으로 연산을 수행하여 수행한 결과에 따라 제어 신호를 출력하며, 제어에 필요한 내부적인 시간을 계산하거나 시스템의 제어 상태를 외부로 출력하여 모터의 속도, 전류 제어, 입출력 제어 등을 제어할 수 있도록 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템은 BLDC모터의 속도 제어, 전류 제어, 입출력 제어를 수행하기 위한 연산하는 엠씨유(MCU: Micro Controller Unit); 상기 엠씨유(MCU: Micro Controller Unit)의 신호를 인가받아 전류의 상태를 감지에 따른 신호, BLDC모터 또는 쿨링 팬의 속도 지령, BLDC모터 및 쿨링 팬의 상태의 표시하기 위하여 신호를 인가하는 인터페이스부; 엠씨유(MCU: Micro Controller Unit)의 신호를 인가받아 PWM 인버터에 필요한 게이트 신호 처리를 용이하게 하기 위하여 디지털 논리 회로인 Programmable ASIC(Application Specific IC)를 포함하는 전력제어부; Programmable ASIC(Application Specific IC)의 신호를 인가받아 교류 상용 전원을 BLDC모터 구동에 적합한 주파수 및 전압(또는 전류)의 기동 전력으로 변환하는 전력변환부; 상기 엠씨유와 전력변환부와 전기적으로 연결되며, 직류 전원에서 발진회로에 의해 전력용량이 큰 교류를 발생시키고, 발생한 큰 교류 전원을 다른 전압의 교류로 변환하여 정류하며, 직류 전원을 얻어 전력변환부로 전류를 인가하는 컨버터부; 상기 전력변환부의 PWM 신호에 의해 구동력이 제어되며, 풀 브리지 회로용 스위치 6개를 통해 BLDC모터의 실시간 속도를 감지하여 제어하기 위해 마그네틱 홀 센서가 설치되는 BLDC모터; 상기 BLDC모터에 결합되며, BLDC모터의 구동력에 의해 회전하는 쿨링팬를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템을 제공한다.

본 발명의 상기 전력변환부는 인입되는 전원 선상에 설치되며, BLDC 모터의 회전 속도, 주파수를 바꾸어 BLDC ?터의 회전 속도로 제어하는 EMI 필터; 모터에 기동 전력을 공급하는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 전력변환 모듈; 인버터에 필요한 게이트 신호 처리를 용이하게 하는 드라이버 게이트 회로; PWM 인버터와 컨버터부의 사이에 직렬로 낮은 저항을 설치하여 저항에서 발생하는 전압 강하를 이용해 측정하는 idc 전류 센서(DC LINK 전류센서)를 포함하는 것을 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템을 제공한다.

본 발명의 상기 PWM 인버터는 스위칭 주파수를 일정하게 유지하기 위해 전류 오차의 증폭을 삼각파 주파수와 비교하여 PWM신호를 발생하고, Pulse의 Duty Ratio(듀티비)로 전압 혹은 전류의 양을 제어하며, 원활한 제어와 제어과정에서의 불필요한 전력낭비와 발열을 방지하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템을 제공한다.

본 발명의 상기 인터페이스부는 PWM 인버터와 전기적으로 신호를 인가할 수 있도록 연결되며, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 턴 온/오프를 순차적으로 교차하여 모터가 회전하도록 신호를 인가하는 인버터 커뮤테이션; 인버터와 PI 스피드 컨트롤러와 전기적으로 연결되고, 고전력 DC 버스를 검출신호에 의해 과전류를 검출하고, 전류의 크기를 제어하여 토크를 제어하는 커런트 컨트롤; 커런트 컨트롤, 스피드 메저 및 스피드 코멘드와 전기적으로 연결되며, 전동기의 속도에 따라 DC link 전류를 제어하여 BLDC모터의 속도를 제어하는 PI(proportional plus integral) 스피드 컨트롤; 상기 PI 스피드 컨트롤러와 전기적으로 연결되며, 자계의 세기를 측정하여 인가되는 신호 주파수를 전류로 변환하는 스피드 메저; 전류의 오차의 증폭을 삼각파 주파수와 비교한 PMW 신호, 직류 전원, 온도 또는 외부컨트롤러부를 통해 인가되는 신호를 PI 스피드 컨트롤러에 인가하는 스피드 코멘드; BLDC모터의 온도를 체크하여 실시간으로 온도의 현상에 대한 신호를 스피드 코멘드에 신호를 인가하는 온도컨트롤를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템을 제공한다.

본 발명의 상기 스피드 메저는 자계의 세기를 측정하는 홀(Hall) 소자를 이용하여 인가되는 신호를 F/V(Frequency/Voltage)회로에 의해 주파수를 전류로 변환시키는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템을 제공한다.

본 발명은 전력변환부의 PWM 인버터와 컨버터 사이에 idc센서(DC Link)이 설치되고, 상기 idc센서는 Programmable ASIC(Application Specific IC)의 컨런트 컨트롤과 연결되어 BLDC모터의 토크를 제어하기 위하여 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 한다.

본 발명은 상기 BLDC모터와 전기적으로 연결되며, 쿨린 팬의 속도의 설정을 제어할 수 있도록 버튼이 형성된 디스플레이를 더 포함하며, 상기 디스플레이는 현재 쿨링 팬의 속도가 어느 정도인지 파악할 할 수 있도록 표시부를 구성하고, 상기 표시부에는 단순한 속도를 숫자로 표시하거나 또는 온도 형태로 표시 및 BLDC모터의 작동 상태를 파악하거나 또는 BLDC모터의 설정을 변경시에 이를 파악할 수 있도록 표시하는 런(run) 및 ?(set)을 표시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 유선 또는 무선으로 통해 BLDC모터를 제어할 수 있도록 인터페이부와 연결되며, BLDC모터를 설정을 변경, 현재의 구동 상태를 파악하는 외부컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템을 제공한다.

본 발명의 상기 외부컨트롤러는 유선 또는 무선으로 통해 BLDC모터와 연결되며, BLDC모터를 설정을 변경, 현재의 구동 상태를 파악하는 노트북 데스트 탑 또는 태블릿PC를 포함하는 PC 또는 스마트 폰을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 BLDC모터의 속도 제어, 전류 제어, 입출력 제어 등을 수행하기 위해 각종 입력/출력 데이터를 바탕으로 연산을 수행하고, 연산 결과에 따라 인버터에 제어신호를 출력하여 제어에 필요한 내부적인 시간을 계산하거나 제어상태를 외부로 출력하여 쿨링 팬의 속도 및 풍량 따른 토크를 제어하여 독립적인 구동이 가능한 효과가 있다.

본 발명은 전류의 크기를 제어하여 토크를 제어하기 위해 dc link 전류 제어하고, 인버터에 의해 유지, 전류 제어기 출력에 따른 PWM을 수행하며, 1개의 전류 센서만으로도 토크 제어를 행할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 SPM 전력변환과 함께 드라이브 게이트 회로가 내장되어 있어 인버터에 필요한 게이트 신호 처리가 용이한 효과가 있다.

본 발명은 풀 브리지(Full Bridge) 회로용 스위치와 마그네틱 홀 센서에 의해 BLDC모터의 실시간으로 속도를 감지하는 효과가 있다.

본 발명은 별도의 게이트 드라이브 회로를 적용하지 않고, 자체적으로 과전류, 과열, 회로 단락, 제어 전압 부족 등의 고장 신호를 내주면서 동시에 게이팅을 차단하므로 안전하게 소자를 보호할 수 있어 고장에 대한 신속한 처리가 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 의한 냉난방 공조기용 BLDC모터의 전력변환부와 인터페이스부 간의 제어 흐름에 대하여 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 전류를 제어하여 토크를 제어하기 위한 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 스피트를 컨트롤하기 위한 구성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 드라이버 제어 시퀀스를 나타낸 도면.
도 6은 도 1의 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 제1 사용상태를 나타낸 도면.
도 7은 도 6의 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 제2 사용상태를 나타낸 도면.
도 8은 도 7의 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 제3 사용상태를 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태를 한정하려고 하는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.

이하 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 구성을 첨부된 도면을 통해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템은 도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 BLDC FAN모터의 드라이브 제어 시스템은 엠씨유(MCU: Micro Controller Unit)(100), 인터페이스부(200), 전력제어부(300), 전력변환부(400), BLDC모터(500), 쿨링팬(600), 디스플레이(700), 외부컨트롤부(800) 및 컨버터부(900)를 포함한다.

상기 엠씨유(MCU: Micro Controller Unit)(100)는 상기 인터페이스부(200)를 통해 상기 BLDC모터(500)의 속도 제어, 온도 제어, 입출력 제어 등을 수행하기 위해 각종 입력/출력 데이터를 바탕으로 연산을 수행하고, 연산 결과에 따라 전력제어부(300)로 제어신호를 인가하며, 제어에 필요한 내부적인 시간을 계산하거나 BLDC모터(500)의 드라이브 제어 시스템의 제어 상태를 외부로 출력한다.

상기 인터페이스부(200)는 외부컨트롤러(800)로부터 인가되는 지령 신호를 입출력하여 BLDC FAN 모터의 구동 상태를 감지에 따른 신호, BLDC모터(500) 또는 쿨링 팬의 속도 지령, BLDC모터(500) 및 쿨링 팬(600)의 상태를 표시할 수 있도록 외부컨트롤러(800)로 신호를 인가한다. 또한, 상기 인터페이스부(200)는 상기 엠씨유(100)와 전력제어부(300) 또는 BLDC모터(500) 사이에 동작에 따른 신호인가, 검출신호 등을 상호 입출력, 컨트롤러가 외부 동작 상태를 표시하거나, 외부컨트롤러부(800)에서 엠씨유(100)에 과전류, 과열, 에러 검출 등에 따른 각종 신호를 인가할 시에 인터페이스 하는 기능을 행한다.

상기 전력제어부(300)는 상기 인터페이스부(200) 및 전력변환부(400)와 전기적으로 연결되며, 하드웨어의 구성 및 수정을 용이하게 하고 기판상에 차지하는 공간을 줄이기 위하여 디지털 논리 회로인 Programmable ASIC(Application Specific IC)으로 구성하여 스위칭 주파수를 일정하게 유지하기 위해 전류 오차의 증폭을 삼각파 주파수(삼각파는 스위칭 주파수와 같다.)와 비교하여 PWM신호를 발생한다. 또한, 상기 전력제어부(300)는 Pulse의 Duty Ratio(듀티비)로 전압 혹은 전류의 양을 컨트롤함으로써 원활한 컨트롤과, 제어과정에서의 불필요한 전력낭비와 발열을 막는다. 상기 전력제어부(300)의 구성은 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

상기 전력변환부(400)는 상기 전력제어부(300) 및 BLDC모터(500)와 전기적으로 연결되며, 인입되는 전원 선상에 설치되며, PWM 스위칭 주파수를 일정하게 유지하기 위해 전류 오차의 증폭을 삼각파 주파수와 비교하여 PWM신호를 발생하고, Pulse의 Duty Ratio(듀티비)로 전압 혹은 전류의 양을 컨트롤함으로써 원활한 컨트롤과 제어과정에서의 불필요한 전력낭비와 발열을 막는 PWM 인버터, 모터에 기동 전력을 공급하는 IGBT 스위칭 전력변환 모듈과 인버터에 필요한 게이트 신호 처리를 용이하게 하는 드라이버 게이트 회로, PWM인버터와 컨버터부의 사이에 직렬로 낮은 저항을 설치하여 저항에서 발생하는 전압 강하를 이용해 측정하는 idc 전류 센서(DC LINK 전류센서)로 구성한다.

또한, 상기 전력변환부(400)에는 상기 BLDC모터(500)를 기동할 시에 전 전압을 직접 BLDC모터(500)에 인가되지 못하도록 하여 돌입전류에 의해 손상되는 것을 방지하기 위하여 낮은 전압으로 BLDC모터(500)에 인가하는 돌입전류 제한 회로를 더 포함한다.

상기 BLDC모터(500)는 제어를 담당하는 메인보드와 전력을 공급하는 파워보드를 포함한다. 전류 검출 회로, 보호 회로, 구동 회로 및 고밀도 집적 회로를 모터 내부에 다이렉트로 결합하여 내장시켜 신뢰성 향상, 고밀도 집적화, 소형 및 경량화를 실현할 수 있다. 또한, 풀 브리지 회로용 스위치 6개를 통해 BLDC모터(500)의 실시간 속도를 감지하여 제어하기 위해 마그네틱 홀 센서를 더 포함한다.

상기 쿨링팬(600)은 BLDC모터(500)의 일측에 설치되며, BLDC모터(500)의 구동에 의해 일정한 속도를 유지하면서 회전한다.

상기 디스플레이부(700)는 상기 BLDC모터(500)와 전기적으로 연결되며, 상기 쿨링 팬(600)의 속도의 설정을 제어할 수 있도록 버튼을 포함한다. 또한, 상기 디스플레이부(700)는 현재 쿨링 팬의 속도가 어느 정도인지 파악할 할 수 있도록 표시부를 포함한다.

상기 표시부에는 단순한 속도를 숫자로 표시하거나 또는 온도 형태로 표시할 수 있다. 또한, 상기 표시부에는 BLDC모터(500)의 작동 상태를 파악하거나 또는 BLDC모터(500)의 설정을 변경시에 이를 파악할 수 있도록 표시하는 런(run) 및 ?(set)을 표시할 수 있다.

상기 외부컨트롤러부(800)는 유선 또는 무선으로 통해 인터페이스부(200)와 연결되며, BLDC모터(500)를 설정을 변경, 현재의 구동 상태 등을 파악할 있도록 노트북 데스크 탑 또는 태블릿PC 등을 포함하는 PC 또는 스마트 폰을 포함한다.

상기 PC 또는 스마트폰에서 BLDC모터의 구동 상태, 설정 변경 등을 행할 수 있도록 하나의 이미지 형태, 즉 아이콘 또는 애플리케이션 형태로 구성하며, 상기 애플리케이션을 통해 동작상태, 정지상태, 에러 상태 등을 포함하는 구동상태, 설정 변경 등을 행할 수 있도록 한다.

상기 컨버터부(900)는 상기 엠씨유(100)와 인터페이스부(200)와 전력제어부(300)와 전력변환부(400)와 전기적으로 연결되며, 통상의 전류에 포함되어 있는 노이즈를 제거하는 EMI 필터(210)와, 교류와 직류 간의 변환, 교류의 주파수 상호 변환, 상수의 변환 등을 제어하는 다이오드 정류부(920)와, 상기 컨버터(220)에서 교류 전원을 직류전원으로 변환할 시에 완전한 직류 전원을 얻도록 함과 동시에 전류를 평활하게 할 수 있도록 리플 없는 직류 전원으로 평활하게 하는 PFC/평활회로(930) 및 상기 인터페이스부(200)와 전기적으로 연결되며, EMI필터(210)와 컨버터(220)의 사이에 RTC(Real Time Clock) 위상검출센서(950)를 구성하여 교류 입력 전원의 위상 고장을 탐지하여 단상 입력이 고장 날 경우 BLDC모터(500) 구동 전원을 차단한다. 위상 복구될 때 BLDC모터(500)는 다시 독립적으로 구동된다.

도 2는 본 발명에 의한 냉난방 공조기용 BLDC FAN 모터의 전력변환부와 인터페이스부 간의 제오 신호 흐름에 대하여 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명은 크게 BLDC모터를 제어하기 위하여 전력변환부(400)와, 인터페이스부(200)를 포함한다.

상기 컨버터부(900)는 EMI 필터(910), 다이오드 정류회로(920), PFC/평활회로(930) 및 RTC 위상검출센서(950)로 구성된다.

상기 EMI필터(910)는 인입되는 전원 선상에 설치되며, 통상의 전류에 포함되어 있는 노이즈를 제거한다. 상기 EMI필터(210)는 스위칭 TR, FET 또는 정류 다이오드 중 어느 하나로 구성된다. 바람직하게는 FET를 이용한 동기 정류 방식을 사용하면, 효율이 상당히 올라간다. 그러나 스위칭 소자의 경우는 온(ON)시 포화전압 또는 Ron저항, 오프(OFF)시 누설 전류 그리고 신호가 천이 될 때(ON->OFF 또는 OFF->ON) 주울 손실이 발생하는데, 여기서 신호가 천이 되는 시간 동안은 리니어 구간이므로 이동안은 P=I R 만큼의 주울 손실이 발생하게 되는 것이므로 이 천이 시간을 짧게 할수록 고조파가 많이 발생하여 손실을 발생하는 문제점이 있으므로 가급적 사용하지 않는 것이 바람직하다.

상기 다이오드 정류회로(920)는 인입되는 전원 선상에 설치되며, 상기 EMI필터(210)에서 노이즈가 제거된 상태의 교류 상용 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환한다.

상기 PFC/평활회로(930)는 인입되는 전원 선상에 설치되며, 상기 다이오드 정류회로(920)에서 인가되는 직류 전원에 포함되어 있는 교류 성분의 맥동 전류를 감소시킨다.

상기 PFC(Power Factor Correction)/평활회로(930)는 상기 다이오드 정류회로(920)와 컨버터부(900)와 전력변환부(400)와 전기적으로 연결되며, 상기 다이오드 정류회로(920)에서 인가되는 전원에서 전류 파형이 사인파가 아닌 펄스형태로 될 때 역률개선을 위하여 부하에 의한 역기전류를 감속시켜 각 부품에서 필요한 전류를 안정적으로 공급하고, 불필요한 전력 소비를 줄이며, 전류가 열로 전환되어 온도가 상승하는 것을 막는다.

상기 RTC 위상검출센서(950)는 상기 전력제어부(300)와 전기적으로 연결되며, 상기 EMI필터(910)와 상기 다이오드 정류회로(920)의 사이에 설치하여 교류 입력 전원의 위상 고장을 우선 탐지하여 시스템을 보호한다.

상기 인터페이스부(200)는 상기 디스플레이(700)로 신호, 외부컨트롤러(800)로부터 인가되는 신호를 입출력하여 전류의 상태를 감지에 따른 신호, BLDC모터(500) 또는 쿨링 팬(600)의 속도 지령, BLDC모터(500) 및 쿨링 팬(600)의 상태를 표시한다. 또한, 상기 인터페이스부(200)는 상기 엠씨유(100), 전력변환부(400) 및 BLDC모터(500) 사이에 동작에 따른 신호인가, 검출신호 등을 상호 입출력, 디스플레이부(700)가 외부 동작 상태를 표시하거나, 외부컨트롤러부(800)에서 엠씨유(100)에 각종 신호를 인가할 시에 인터페이스 하는 기능을 행한다.

상기 전력제어부(300)는 인버터 커뮤테이션(310), 커런트 컨트롤(320), PI 스피드 컨트롤(330), 스피드 메저(340), 스피드 코멘드(350), 온도컨트롤(360)를 포함한다.

상기 인버터 커뮤테이션(310)은 상기 전력변환부(400)와 전기적으로 신호를 인가할 수 있도록 연결되며, IGBT의 턴 온/오프를 순차적으로 교차하여 BLDC모터(500)가 회전할 수 있도록 한다.

상기 커런트 컨트롤(320)은 상기 인버터 커뮤테이션(310)와 PI 스피드 컨트롤러(330)와 전기적으로 연결되고, 상기 전력변환부(400)의 PWM인버터와 컨버터부(900) 사이에 설치된 idc센싱(DC Link 전류센서)과 연결되며, 고전력 DC 버스를 검출신호에 의해 과전류를 검출하고, 전류의 크기를 제어하여 토크를 제어한다.

상기 PI(proportional plus integral) 스피드 컨트롤(330)은 상기 커런트 컨트롤(320), 스피드 메저(340) 및 스피드 코멘드(350)와 전기적으로 연결되며, BLDC 모터(500)의 속도에 따라 DC link 전류를 제어하여 BLDC모터(500)의 속도를 제어한다.

상기 스피드 메저(340)는 자계의 세기를 측정하는 홀(Hall) 소자(341)를 이용하여 인가되는 신호를 F/V(Frequency/Volatge )센서에 의해 주파수를 전류로 변환시켜 상기 PI 스피드 컨트롤러(330)로 인가한다.

상기 스피드 코멘드(350)는 PWM 신호(전류의 오차의 증폭을 삼각파 주파수(스위칭 주파수)와 비교한 PMW 신호), 직류 전원, 온도 또는 외부컨트롤러부(800)를 통해 인가되는 신호를 PI 스피드 컨트롤러(330)에 인가한다.

상기 온도컨트롤(360)은 BLDC모터(500)의 온도를 체크하여 실시간으로 온도의 현상에 대한 신호를 스피드 코멘드(350)에 신호를 인가한다.

상기와 같이 별도의 게이트 드라이브 회로를 설계하여 적용하지 않아도 자체적으로 과전류, 과열, 회로단락, 제어전압부족 등을 포함하는 고장 신호를 외부컨트롤러로 인가하고, 동시에 게이팅을 차단하므로 안전하게 소자를 보호할 수 있고, 고장에 대한 신속한 처리가 이루어진다.

도 3은 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 전류를 제어하여 토크를 제어하기 위한 구성을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명은 BLDC모터(500)로 전원을 인가하기 위해서는 상용 교류 전원이 다이오드 정류회로(920)로 인가되면, 다이오드 정류회로(920)에서는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는데 이대 교류 전원에서 직류 전원을 얻기 위해 정류 작용을 통해 얻어진 직류 전원을 전력변환부(400)로 공급한다.

상기 전력변환부(400)에서는 직류 전원을 다시 교류로 역변환하여 공급하는데, 이때 펄스 폭을 변조하여 출력 시간 폭을 변조하여 BLDC모터(500)로 인가한다.

상기 BLDC모터(500) 구동에 따른 신호를 홀 센서(341)를 통해 자계를 측정하고, 측정한 신호를 상기 커런트 컨트롤(320)로 인가한다. 상기 커런트 컨트롤러(320)로 인가되는 신호는 고전력 DC 버스를 검출신호에 의해 과전류를 검출하고, 전류의 크기를 제어하여 토크를 제어를 위한 PWM 신호를 인버터 커뮤테이션(310)으로 인가한다.

상기 인버터 커뮤테이션(310)은 IGBT 스위칭 소자의 턴 온/오프를 순차적으로 교차하여 BLDC모터(500)가 회전할 수 있도록 상기 전력변환부(400)와 전기적으로 신호를 인가한다.

도 4는 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 스피트를 컨트롤하기 위한 구성을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명은 PI 스피드 컨트롤(Speed control)(330)와 함께 컨런트 컨트롤(Curret control)(320)에 의해 dc link 전류 제어를 갖는 경우 속도 제어의 구현하기 위한 제어에 관한 것이다.

상기 외부컨트롤러부(800)에서 인가되는 스피드 명령에 따른 신호와 쿨링 팬(600)의 풍량에 따른 스피드의 신호를 수신한다.

상기 외부컨트롤러부(800)와 쿨링 팬(600)에 의해 인가되는 각각의 스피드를 PI 스피드 컨트롤러(330)에서 비교하고, 비교한 데이터를 기준으로 현재 쿨링 팬(600)의 속도가 적정한지 아니면 적정하지 않은지를 판단하여 커런트 컨트롤러(320)에 신호를 인가한다.

상기 커런트 컨트롤러(320)는 상기 PI 스피드 컨트롤러(330)와 전기적으로 연결되고, 상기 컨버터부(900)와 전력변환부(400) 사이에 설치된 idc 센싱과 연결되어 고전력 DC 버스를 검출신호에 의해 과전류를 검출하고, 전류의 크기를 제어하여 토크를 제어하기 위한 PWM 시그널을 인버터 커뮤테이션(310)으로 인가한다.

상기 인버터 커뮤테이션(310)은 IGBT 스위칭 소자의 턴 온/오프를 순차적으로 교차하여 BLDC모터(500)가 회전할 수 있도록 상기 전력변화부(400)와 전기적으로 신호를 인가하여 BLDC모터(500)의 구동에 따른 쿨링 팬(600)의 속도와 토크를 제어할 수 있도록 한다.

도 5는 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템의 드라이버 제어 시퀀스를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고 변환한 직류 전원에서 컨버터(220)는 정상상태에서의 효과적인 오차제거 및 빠른 응답 특성을 얻기 위해 동기 좌표계 상으로 모델링하여 제어하며, AC/DC 버스 입력 전원을 검출하는 과정(S10)을 행한다. 이때 상기 AC/DC 버스 입력 전원의 검출이 없는 경우에는 계속하여 AC/DC 버스 입력 전원을 검출하기 위한 과정(S10)을 반복한다. 상기 AC/DC 버스 입력 전원이 인가되면, 인터페이스부(300)를 통해 전력변환부(400)로 전원을 인가하여 BLDC모터(500)로 인가되도록 한다.

상기 AC/DC 버스 입력 전원이 인가되면, 이를 컨버터부(400)에서는 전력변환부(400)에서 제어 전원을 검출하는데, 이때 주파수로 단속 제어를 하고, PFC/평활회로(230)를 거쳐 안정된 직류 전압에서 제어 전원을 검출하는 과정(S20)을 행한다.

상기 전력변환부(400)와 IGBT에서 과전류, 과열, 에러 신호를 포함하는 쇼트가 발생하였는지 검출하는 과정(S30)을 행하고, 쇼트가 발생하였으면, 전력변화부(400)의 PWM 인터버 전원을 차단시켜 쇼트가 발생하지 않았다면, LBDC 모터(500)의 현재 구동 상태를 유지한다.

상기 BLDC모터(500)의 회전에 의해 외부 컨트롤러(800)의 설정 온도를 온도센서를 통해 센싱하는 과정(S40)을 행한다. 상기 센싱 한 온도가 설정한 온도 이내이면, 현재의 회전상태를 유지하도록 하고, 상기 센싱 한 온도가 높을 때에는 외부컨트롤러에서 설정한 온도로 낮출 수 있도록 제어한다.

상기 S40에서 센싱 한 온도가 높을 시에는 쿨링 팬(600)의 속도와 토크를 제어할 수 있도록 현재의 속도와 토크를 연산하여 외부컨트롤러부(800)에서 설정한 온도로 유지할 수 있도록 BLDC모터(500)를 제어하는 과정(S50)을 행한다.

상기 BLDC모터(500)에 의해 회전하는 쿨링 팬(600)에 의한 온도 및 풍량에 따른 팬의 실시간 속도를 측정하는 과정(S60)을 행한다. 상기 S60에서 쿨링 팬(600)의 풍량에 따른 속도를 실시간으로 체크 함과 동시에 온도를 체크하여 설정온도 이내이면, 현재의 상태를 유지하도록 하고, 설정온도 이상인 경우에는 쿨링 팬(600)의 풍량에 따른 속도를 증가시켜 온도를 저하시키는 제어를 행한다.

상기 BLDC모터(500)로 입력되는 입력단자, 그라운드(GND: GROUND) 단자, 출력 단자의 홀 소자(341) 위치를 검출하는 과정(S70)을 행한다. 상기 S70에서는 자계의 검출하여 쿨링 팬(600)의 회전에 따른 속도를 제어할 수 있도록 한다.

상기 S50, S60, S70과정을 순차적으로 반복하여 BLDC모터(500)의 구동력에 의해 회전하는 쿨링 팬(600)이 원활한 구동이 이루어지도록 한다.

도 5에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템은 도 6, 7, 8에 도시된 바와 같이 다양한 형태로 구성할 수 있다.

도 6, 7, 8에 도시된 구성에 한정하는 것은 아니며, 설치하는 장소 또는 제조업체에 따라 그 구성은 달리할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 엠씨유 200: 인터페이스부
300: 전력제어부 310: 인버터 커뮤테이션
320: 커런트 컨트롤 330: PI 스피드 컨트롤
340: 스피드메저 341: 홀 소자
350: 스피드 코멘드 360: 온도컨트롤
361: 온도센서 400: 전력변환부
500: BLDC모터 600: 쿨링팬
700: 디스플레이부 800: 외부컨트롤부
900: 컨버터부 910: EMI필터
920: 다이오드 정류회로 930: PFC/평활회로
940: RTC 위상검출센서

Claims

BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템에 있어서,
BLDC모터의 속도 제어, 전류 제어, 입출력 제어를 수행하기 위한 연산하는 엠씨유(MCU: Micro Controller Unit);
상기 엠씨유(MCU: Micro Controller Unit)의 신호를 인가받아 전류의 상태를 감지에 따른 신호, BLDC모터 또는 쿨링 팬의 속도 지령, BLDC모터 및 쿨링 팬의 상태의 표시하기 위하여 신호를 인가하는 인터페이스부;
엠씨유(MCU: Micro Controller Unit)의 신호를 인가받아 PWM 인버터에 필요한 게이트 신호 처리를 용이하게 하기 위하여 디지털 논리 회로인 Programmable ASIC(Application Specific IC)를 포함하는 전력제어부;
Programmable ASIC(Application Specific IC)의 신호를 인가받아 교류 상용 전원을 BLDC모터 구동에 적합한 주파수 및 전압(또는 전류)의 기동 전력으로 변환하는 전력변환부;
상기 엠씨유와 전력변환부와 전기적으로 연결되며, 직류 전원에서 발진회로에 의해 전력용량이 큰 교류를 발생시키고, 발생한 큰 교류 전원을 다른 전압의 교류로 변환하여 정류하며, 직류 전원을 얻어 전력변환부로 전류를 인가하는 컨버터부;
상기 전력변환부의 PWM 신호에 의해 구동력이 제어되며, 풀 브리지 회로용 스위치 6개를 통해 BLDC모터의 실시간 속도를 감지하여 제어하기 위해 마그네틱 홀 센서가 설치되는 BLDC모터;
상기 BLDC모터에 결합되며, BLDC모터의 구동력에 의해 회전하는 쿨링팬;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전력변환부는,
인입되는 전원 선상에 설치되며, BLDC 모터의 회전 속도, 주파수를 바꾸어 BLDC ?터의 회전 속도로 제어하는 EMI 필터;
모터에 기동 전력을 공급하는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 전력변환 모듈;
인버터에 필요한 게이트 신호 처리를 용이하게 하는 드라이버 게이트 회로;
PWM 인버터와 컨버터부의 사이에 직렬로 낮은 저항을 설치하여 저항에서 발생하는 전압 강하를 이용해 측정하는 idc 전류 센서(DC LINK 전류센서);
를 포함하는 것을 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 PWM 인버터는,
스위칭 주파수를 일정하게 유지하기 위해 전류 오차의 증폭을 삼각파 주파수와 비교하여 PWM신호를 발생하고,
Pulse의 Duty Ratio(듀티비)로 전압 혹은 전류의 양을 제어하며,
원활한 제어와 제어과정에서의 불필요한 전력낭비와 발열을 방지하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 인터페이스부는,
PWM 인버터와 전기적으로 신호를 인가할 수 있도록 연결되며, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 턴 온/오프를 순차적으로 교차하여 모터가 회전하도록 신호를 인가하는 인버터 커뮤테이션;
인버터와 PI 스피드 컨트롤러와 전기적으로 연결되고, 고전력 DC 버스를 검출신호에 의해 과전류를 검출하고, 전류의 크기를 제어하여 토크를 제어하는 커런트 컨트롤;
커런트 컨트롤, 스피드 메저 및 스피드 코멘드와 전기적으로 연결되며, 전동기의 속도에 따라 DC link 전류를 제어하여 BLDC모터의 속도를 제어하는 PI(proportional plus integral) 스피드 컨트롤;
상기 PI 스피드 컨트롤러와 전기적으로 연결되며, 자계의 세기를 측정하여 인가되는 신호 주파수를 전류로 변환하는 스피드 메저;
전류의 오차의 증폭을 삼각파 주파수와 비교한 PMW 신호, 직류 전원, 온도 또는 외부컨트롤러부를 통해 인가되는 신호를 PI 스피드 컨트롤러에 인가하는 스피드 코멘드;
BLDC모터의 온도를 체크하여 실시간으로 온도의 현상에 대한 신호를 스피드 코멘드에 신호를 인가하는 온도컨트롤;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템.
제4항에 있어서,
상기 스피드 메저는 자계의 세기를 측정하는 홀(Hall) 소자를 이용하여 인가되는 신호를 F/V(Frequency/Voltage)회로에 의해 주파수를 전류로 변환시키는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템.
제1항에 있어서,
전력변환부의 PWM 인버터와 컨버터 사이에 idc센서(DC Link)이 설치되고,
상기 idc센서는 Programmable ASIC(Application Specific IC)의 컨런트 컨트롤과 연결되어 BLDC모터의 토크를 제어하기 위하여 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 BLDC모터와 전기적으로 연결되며, 쿨링 팬의 속도의 설정을 제어할 수 있도록 버튼이 형성된 디스플레이를 더 포함하며,
상기 디스플레이는 현재 쿨링 팬의 속도가 어느 정도인지 파악할 할 수 있도록 표시부를 구성하고,
상기 표시부에는 단순한 속도를 숫자로 표시하거나 또는 온도 형태로 표시 및 BLDC모터의 작동 상태를 파악하거나 또는 BLDC모터의 설정을 변경시에 이를 파악할 수 있도록 표시하는 런(run) 및 ?(set)을 표시하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템.
제1항에 있어서,
유선 또는 무선으로 통해 BLDC모터를 제어할 수 있도록 인터페이부와 연결되며, BLDC모터를 설정을 변경, 현재의 구동 상태를 파악하는 외부컨트롤러;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템.
제8항에 있어서,
상기 외부컨트롤러는,
유선 또는 무선으로 통해 BLDC모터와 연결되며,
BLDC모터를 설정을 변경, 현재의 구동 상태를 파악하는 노트북 데스트 탑 또는 태블릿PC를 포함하는 PC 또는 스마트 폰;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC FAN 모터의 드라이브 제어 시스템.