KR20210001639A - 3상 bldc 모터의 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홀 센서나 광센서와 같은 센서를 모터의 내부에 설치하지 않고도 회전자의 위치 검출이 가능하게 하며, 위치 검출을 위한 복잡한 회로를 구성하지 않고도 회전자의 정확한 위치 추정이 가능하게 하며, 이를 통해 모터의 정확한 제어가 가능하도록 한 3상 BLDC 모터의 제어 시스템에 관한 것이다.

Description

3상 BLDC 모터의 제어 시스템{CONTROL SYSTEM FOR THREE PAHSE BLDC MOTOR}

본 발명은 3상 BLDC 모터의 제어 시스템에 관한 것으로 특히, 홀 센서나 광센서와 같은 센서를 모터의 내부에 설치하지 않고도 회전자의 위치 검출이 가능하게 하며, 위치 검출을 위한 복잡한 회로를 구성하지 않고도 회전자의 정확한 위치 추정이 가능하게 하며, 이를 통해 모터의 정확한 제어가 가능하도록 한 3상 BLDC 모터의 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 3상 BLDC(Brushless DC) 모터는 고정자에 권선되어 있는 3상의 코일에 3상 전류를 공급하고, 공급된 3상 전류에 의해 고정자 코일이 각기 자게를 발생함으로써 영구자석으로 이루어진 회전자를 회전시키는 것이다.

이러한 BLDC 모터의 회전을 정확히 제어하기 위해서는 회전자의 위치를 정확히 추정해야 된다. 좀 더 구체적으로 BLDC 모터는 회전자의 위치를 추정하고, 추정한 회전자의 위치에 따라 고정자에 권취되어 있는 코일에 흐르는 전류의 방향을 전환시킨다. 이를 위해 인버터부의 스위칭 소자들일 선택적으로 온 및 오프되는 시점을 조절하여 회전자의 회전속도를 조절하게 된다.

이를 위해 종래에는 회전자의 위치를 추정하기 위한 홀 센서, 포토 센서와 같은 센서를 이용하거나, 역기전력을 측정 위치를 산출하는 방법을 이용했다. 이러한 종래의 기술은 홀 센서 또는 포토 센서를 모터 내부에 설치해야 하는 불편함으로 인해 근래에는 역기전력을 측정하는 방법이 주로 이용되고 있다.

그러나, 역기전력을 이용하는 방법은 모터 내부에 센서를 직접 설치하지 않는 것을 제외하고는 외부에 분압부, ADC(Analog-Digitag Convertor), 필터, 위상지연 보상기, 비교기와 같은 회로를 구성함으로써 회전자 위치 검출을 위한 회로가 복잡해지는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 10-1038668호(등록일 2011. 05. 27.) 3상 BLDC 모터의 제어 방법 및 제어 시스템

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 홀 센서나 광센서와 같은 센서를 모터의 내부에 설치하지 않고도 회전자의 위치 검출이 가능하게 하며, 위치 검출을 위한 복잡한 회로를 구성하지 않고도 회전자의 정확한 위치 추정이 가능하게 하며, 이를 통해 모터의 정확한 제어가 가능하도록 한 3상 BLDC 모터의 제어 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 시스템은 3상 BLDC 모터; 상기 모터의 구동을 위한 3상의 PWM 신호를 상기 모터에 공급하는 모터 구동부; 상기 모터 구동부로부터 출력되는 3상의 상기 PWM 신호를 입력받아 피드백 신호를 생성하는 전압분배부; 및 상기 모터를 목표속도로 회전시키기 위해 상기 전압분배부로부터 상기 피드백신호를 전달받아 상기 모터의 회전자 위치를 판단하고, 상기 판단결과에 따라 상기 PWM 신호의 생성을 위한 출력신호를 상기 모터구동부에 전달하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 시스템은 홀 센서나 광센서와 같은 센서를 모터의 내부에 설치하지 않고도 회전자의 위치 검출이 가능하게 하며, 위치 검출을 위한 복잡한 회로를 구성하지 않고도 회전자의 정확한 위치 추정이 가능하게 하며, 이를 통해 모터의 정확한 제어가 가능하게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터 제어 시스템의 구성을 간략하게 도시한 구성 예시도.
도 2는 전압 분배부의 상별 분배부의 구성을 도시한 예시도.
도 3은 제2제어신호의 일례를 도시한 예시도.
도 4는 제2제어신호의 일 부분을 확대 도시한 예시도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터 제어 시스템의 구성을 간략하게 도시한 구성 예시도이다. 또한, 도 2는 전압 분배부의 상별 분배부의 구성을 도시한 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 모터 제어 시스템은 모터(10), 모터구동부(20), 전압분배부(30) 및 제어부(40)를 포함하여 구성된다.

모터구동부(20)는 제어부(40)로부터의 제1제어신호에 따라 모터를 구동시킨다. 이를 위해 모터 구동부(20)는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식에 의해 모터(10)의 구동을 조절할 수 있으며, 3상 브러시리스 모터(3Phase Brushless Motor)로 구성된다. 이를 위해 모터구동부(20)는 제1제어신호에 의해 생성되는 3상의 제2제어신호(UVW)를 모터(10)에 출력한다. 이러한 모터구동부(20)는 PWM 신호가 출력 또는 단속되도록 하여 제2제어신호(UVW)를 생성하는 스위칭 회로로 구성될 수 있다.

일례로 모터구동부(20)는 3상 풀 브리지 회로(Full-bridge Circuit)로 구성될 수 있으며, 풀 브리지 회로에는 FET 소자가 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 이러한 풀 브리지 회로의 하이사이드(High side) 또는 로우 사이드(Low Side)에는 N채널 MOSFET이 스위칭 소자로 구성될 수 있으나, 이는 회로 구성에 따라 P 채널 MOSFET를 이용할 수도 있는 것으로 제시된 바에 의해서만 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 이 모터구동부(20)는 제어부(40)로부터 출력되는 PWM 신호인 제1제어신호(UVW)를 스위칭 하여 모터(10)에 전달한다.

전압분배부(30)는 모터구동부(20)로부터 모터(10)로 전달되는 제2제어신호를 입력받아 미리 정해진 비율로 분압하여 피드백 신호를 생성하고, 생성된 피드백 신호를 제어부(40)에 전달한다. 이를 위해 전압분배부(30)는 각 상(U, V, W)의 제2제어신호를 각각 분압하여 제어부(40)에 전달하게 된다. 이러한 전압분배부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 각 상에 대응되게 구성되는 상별 분배부로 구성될 수 있다. 이 상별 분배부는 상별 제2제어신호가 입력되는 입력단(IN), 입력단(IN)과 출력단(OUT) 사이에 연결되는 제1저항(R1), 출력단(OUT)과 접지(DGND) 사이에 연결되는 제2저항(R2)으로 구성된다. 이때 접지는 디지털 회로용 접지(DGND)이다.

제어부(40)는 모터(10)를 목표 속도로 회전시키거나 정지시키는 제어를 위해 제1제어신호를 모터구동부(20)에 전달한다. 제어부(40)는 목표속도(여기서, 정지는 목표속도가 '0'인 경우로 가정하여 설명을 진행하기로 하며, 목표속도에 의한 제어가 정지를 포함하는 의미로 사용하기로 한다.)에 따라 모터(10)의 회전이 제어되도록 제1제어신호(UVW)를 생성하고, 이를 모터구동부(20)에 전달한다.

구체적으로 제어부(40)는 PWM 신호인 제1제어신호(UVW)를 생성하여 모터 구동부에 전달한다. 이 제1제어신호는 모터구동부(20)에서 출력되는 제2제어신호(UVW)의 각 상(U, V, W) 대해 2개(High & Low)씩 총 6개의 출력신호(UH, UL, VH, VL, WH, WL)로 구성된다. 모터구동부(20)는 6개의 출력신호로 구성되는 제1신호를 수신하여, 이를 통해 각 상에 대한 제2제어신호를 생성하고, 이를 모터(10)에 전달함으로써 목표 회전수에 도달하도록 제어하게 된다.

이때, 제어부(40)는 전압분배부(30)를 통해 제2제어신호에 대해 피드백 되는 피드백신호를 전달받아, PWM의 듀티(Duty)를 가변함으로써 목표속도에 도달하도록 제어하게 된다. 이를 위해, 제어부(40)는 PWM의 듀티(Duty)에 따라 스위칭이 이루어지도록 각 상의 하이레벨 신호와 로우레벨 신호로 구성되는 출력신호(UH, UL, VH, VL, WH, WL)를 모터 구동부(20)에 출력하게 된다. 이러한 과정에서 제어부(40)는 전압분배부(30)로부터 피드백 신호를 전달받고 이를 미리 설정된 기준값과 비교하여 회전자의 위치를 판단하게 된다. 이에 대해서는 하기에서 다른 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

제어부(40)를 이러한 피드백 신호를 통해 모터(10)의 현재 회전수가 목표 회전수에 도달할 수 있도록 PID(Proportional Integral Derivative) 방식의 피드백 제어를 실시할 수 있다. 구체적으로 PID 제어는 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어이다. 이때, P제어는 비례 제어로서, 기준 신호와 현재 신호 사이의 오차 신호에 적장한 비례 상수 이득을 곱하여 제어 신호를 생성하는 방법이다. I제어는 비례 적분제어로서, 오차 신호를 적분하여 제어 신호를 만드는 적분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결하여 신호를 생성하는 방법이다. 또한 D제어는 비례 미분제어로서, 오찬신호를 미분하여 제어 신호를 만드는 미분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결하여 신호를 생성하는 방법이다. 즉, 제어부(40)는 PID 제어를 통하여 증가 또는 감소되는 PWM 듀티를 이용하여 모터(10)의 회전수를 조절하도록 피드백 제어를 실시함으로써 정확한 제어가 이루어지게 한다.

이러한 과정에서 제어부(40)는 전압분배부(30)로부터 입력되는 신호를 이산신호로 변환하기 위한 ADC(Analog-Digital Convertor)를 포함하여 구성된다. 이 ADC는 전압분배부(30)로부터 출력되는 피드백 신호의 전압값을 제어부(40)에 전달하게 된다.

도 3은 제2제어신호의 일례를 도시한 예시도이고, 도 4는 제2제어신호의 일 부분을 확대 도시한 예시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 모터구동부(20)는 제어부(20)로부터 출력신호인 제1제어신호를 전달받으면, 도 3에 도시된 형태의 PWM 신호를 제2제어신호로 생성하여 모터(10)에 공급한다.

이러한 PWM 신호(60)는 각 상 별로 공급되며, 상 별로 공급되는 PWM 신호(60)는 다른 상에 공급되는 신호에 비해 일정 시간 지연되어 공급된다.

이하에서는 설명의 편의를 위해 어느 한 상에 공급되는 PWM 신호(60)를 예로 들어 설명을 진행하기로 한다.

도 3에서와 같이 하나의 상에는 하이구간과 로우 구간으로 구분되는 제2제어신호의 전달이 이루어진다. 이 하이구간은 회전자를 추종하여 회전자의 회전속도를 목표속도 도달시키기 위한 PWM 신호가 공급되는 구간이다. 이 하이구간의 듀티에 의해 모터(10)의 속도가 조절된다.

이러한 하이구간은 회전자의 위치에 따라 발생하는 역기전력으로 인해 상승구간(61)과 하강구간(63) 및 상승구간(61)과 하강구간(63) 사이의 평구간(62)으로 구성된다. 이러한 상승구간(61)과 하강구간(63)은 제로크로싱 지점과 같이 회전자가 특정위치를 지나는 경우 발생된다.

본 발명에서는 이러한 특징으로 이용하여 모터(10) 특히, 회전자의 위치를 추종하고 이에 따른 인버터를 제어한다.

도 4를 참조하여 좀 더 상세히 설명하면, 이를 위해 기준값이 사용될 수 있다. 이 기준값은 실험적으로 산출되는 것으로 인버터의 드레인에 공급되는 값에 따라 실험적으로 산출되는 값이다. 제어부(40)는 이 기준값(L)과 상승구간(61) 또는 하강구간(63)에서 산출되는 역기전력값을 비교하여 회전자의 위치를 추정하게 딘다.

구체적으로 제어부(40)는 ADC를 통해 전달되는 PWM 신호의 펄스(P1, P2...) 각각의 전압을 이용하여 역기전력을 산출한다. 단순하게 본 발명에서는 PWM 신호의 펄스(P1, P2...)의 전압값(B1, B2)를 기준값(L)과 비교하여, 기준값에 비해 큰지 작은지를 판단한다. 상승구간(61)에서는 펄스(P1, P2..)의 전압값(B)이 기준값(L)보다 커지는 경우 특정 지점을 지나친 것으로 판단하고, 하강구간(63)에서는 펄스(P1, P2...)의 전압값(B)이 기준값(L)보다 작아지는 경우 특정 지점을 지나친 것으로 판단하게 된다. 즉 기준값(L)과의 차이값(M: M1 내지 M4)의 크기와 방햐(+, -)의 여부에 따라 특정 지점을 지나쳤는지 판단하게 된다.

또한, 이웃한 2개 이상의 펄스(P1, P2...)로부터 측정된 전압값(B) 예를 들어, 제1펄스(P1)와 제2펄스(P2)의 전압값(B1, B2)를 평균한 값과 기준값(L)을 비교할 수도 있다. 이를 통해, 어느 한 펄스 또는 일부 펄스(P)의 전압값(B)이 다른 펄스(P)와 큰 차이를 가지 경우에도 이에 의한 영향을 최소화하는 것이 가능해진다.

이러한 과정에서 ADC로부터 전압값은 스위칭 노이즈의 회피를 위해 미리 정해진 시간(T)만큼 경과한 시점의 전압값이 제어부(40)에 전달된다. 이러한 시간(ㅆ)은 모터 및 제어기의 파라미터에 따라 달리 결정되는 것으로, 로우에서 하이로 변경되는 시점 또는 하이에서 로우로 변경되는 시점에 발생되는 노이즈를 회피할 수 있는 시간으로 정의된다. 이러한 ADC로부터의 전압값을 수신하는 제어부(40)가 일정시간(T) 경과 후의 전압값만 취득하도록 할 수도 있고, 스위칭 소자와 같이 선택적으로 전압을 전달하는 회로를 구성하여 일정시간(T)이 경과된 후 전압값이 전달되도록 할 수도 있다.

이를 통해, 회전자의 위치를 확인하는 경우 제어부(40)는 PWM 제어신호의 공급 과정에서 산출되는 모터의 회전속도를 고려하여 인버터의 변경시점 인버터를 다음 상태로 전한하게 된다. 이때, 어느 한 상에서 볼 때 인버터의 변경은 전압을 반전하여 공급하는 공급시점을 의미한다. 이와 같은 결정에 의해 모터구동부(20)의 인버터가 반전된 전압을 공급하게 된다.

이와 같은 방법에 의해 회전의 위치를 추정함으로써, 본 발명은 모터 내부에 센서를 설치하는 불편함 또는 외부에 센서를 대체하는 회로를 구성하는 불편함을 해소하면서 정확한 위치를 검출하여 제어를 하는 것이 가능해진다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

10: 모터 20: 모터 구동부
30: 전압 분배부 40: 제어부
60: PWM 신호 61: 상승구간
63: 하강구간

Claims (5)

1. 3상 BLDC 모터;
   상기 모터의 구동을 위한 3상의 PWM 신호를 상기 모터에 공급하는 모터 구동부;
   상기 모터 구동부로부터 출력되는 3상의 상기 PWM 신호를 입력받아 피드백 신호를 생성하는 전압분배부; 및
   상기 모터를 목표속도로 회전시키기 위해 상기 전압분배부로부터 상기 피드백신호를 전달받아 상기 모터의 회전자 위치를 판단하고, 상기 판단결과에 따라 상기 PWM 신호의 생성을 위한 출력신호를 상기 모터구동부에 전달하는 제어부;를 포함하여 구성되는 3상 BLDC 모터의 제어 시스템.
2. 제 1 항에서,
   상기 제어부는
   상기 3상 각각에 대해 입력되는 상기 피드백 신호를 미리 정해진 기준값과 비교하여, 상기 기준값 보다 크거나 작으면 회전자가 미리 지정된 위치를 통과한 것으로 판단하는 3상 BLDC 모터의 제어 시스템.
3. 제 2 항에서,
   상기 피드백 신호를 디지털 신호를 변환하여 상기 제어부에 전달하는 ADC를 더 포함하고,
   상기 ADC는 상기 PWM 신호를 구성하는 펄스들 각각의 전압을 상기 제어부에 전달하는 것을 특징으로 하는 3상 BLDC 모터의 제어 시스템.
4. 제 3 항에서,
   상기 제어부는
   상기 펄스의 전압이 하이에서 로우 또는 로우에서 하이로 변경된 시점으로부터 미리 정해진 시간이 경과한 시점의 전압값을 취득하는 3상 BLDC 모터의 제어 시스템.
5. 제 3 항에서,
   상기 제어부는
   상기 펄스의 전압값을 상기 기준값과 비교하거나,
   복수의 상기 펄스의 전압값을 평균한 값을 상기 기준값과 비교하는 3상 BLDC 모터의 제어 시스템.

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