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WO2018117499A1 - 전압보상을 이용한 브러시리스 직류 모터 구동 방법 및 장치 - Google Patents

전압보상을 이용한 브러시리스 직류 모터 구동 방법 및 장치 Download PDF

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WO2018117499A1
WO2018117499A1 PCT/KR2017/014324 KR2017014324W WO2018117499A1 WO 2018117499 A1 WO2018117499 A1 WO 2018117499A1 KR 2017014324 W KR2017014324 W KR 2017014324W WO 2018117499 A1 WO2018117499 A1 WO 2018117499A1
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WO
WIPO (PCT)
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voltage
power
motor
bldc motor
duty ratio
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2017/014324
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English (en)
French (fr)
Inventor
김상훈
김원석
김태완
박푸른샘
안경원
이성준
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hanon Systems Corp
Original Assignee
Hanon Systems Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hanon Systems Corp filed Critical Hanon Systems Corp
Priority to CN201780049830.5A priority Critical patent/CN109757125A/zh
Publication of WO2018117499A1 publication Critical patent/WO2018117499A1/ko
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H02P6/085—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor in a bridge configuration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60W10/08—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units including control of electric propulsion units, e.g. motors or generators
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y10S388/907—Specific control circuit element or device
    • Y10S388/912—Pulse or frequency counter

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for driving a brushless DC motor using voltage compensation. More particularly, the present invention relates to a method for driving a brushless direct current (BLDC) motor mounted on a vehicle to detect a direct current voltage applied to a motor.
  • Brushless using voltage compensation which compensates for duty ratio by the amount of voltage change so that the voltage applied to the motor remains the same so that a constant voltage can be applied to the motor regardless of the amount of change in the DC voltage.
  • a motor and method for driving a direct current motor is a direct current motor.
  • a brushless DC motor mounted in a vehicle operates by receiving an AC voltage converted from an AC voltage through a rectifier circuit.
  • the voltage input to a brushless DC motor is often unstable.
  • the output (current, rotational speed and torque) of the motor also becomes unstable.
  • the instability of the current may cause damage to the motor, and the performance of the Electro Magnetic Compatibility (EMC) may be degraded.
  • EMC Electro Magnetic Compatibility
  • the brushless DC motor is controlled by a rotational speed by a proportional plus integral (PI) speed controller.
  • the PI speed controller compares the command speed with the actual speed, and increases the voltage applied to the motor when the actual speed is low and decreases the voltage applied to the motor when the actual speed is high.
  • the PI speed controller increases or decreases the voltage by using a pulse width modulation (PWM) signal.
  • PWM pulse width modulation
  • An object of the present invention for solving the above-described problems, when driving a BLDC motor mounted on a vehicle, by detecting a DC voltage applied to the motor to compensate the duty ratio by the amount of the DC voltage is changed to the motor
  • the present invention provides a method and apparatus for driving a brushless DC motor using voltage compensation such that a constant voltage can be applied to a motor regardless of a variation in a DC voltage by maintaining a voltage applied to the same.
  • Brushless DC motor drive device for achieving the above object, BLDC motor that operates when a rated voltage is applied; A rectifier for rectifying and smoothing AC power to DC power to supply power to the BLDC motor; An inverter for converting the DC power into three-phase (U, V, W) AC power according to a PWM control signal and supplying the DC power to the BLDC motor; A voltage detector detecting a voltage of the DC power supply; A voltage compensator configured to calculate a compensation duty ratio corresponding to the changed voltage when the voltage detected by the voltage detector is changed; And a controller for transmitting a PWM control signal corresponding to the compensation duty ratio to the inverter.
  • the inverter may supply a rated voltage corresponding to a value obtained by multiplying the voltage of the DC power by the compensation duty ratio to the BLDC motor.
  • the voltage compensator may calculate the compensation duty ratio by dividing the rated voltage by the changed voltage when the voltage of the DC power source is changed.
  • the inverter may supply the BLDC motor with a rated voltage corresponding to a value obtained by multiplying the voltage of the DC power by the compensation duty ratio.
  • the voltage compensating unit may calculate the compensation duty ratio by dividing the rated voltage by the changed voltage when the voltage of the DC power supply is changed.
  • the BLDC motor can operate stably.
  • the stable control of the BLDC motor can increase the stability of the overall vehicle system.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a brushless DC motor driving apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a brushless DC motor driving apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation of a brushless DC motor driving method using voltage compensation according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • portion When a portion is referred to as being “above” another portion, it may be just above the other portion or may be accompanied by another portion in between. In contrast, when a part is mentioned as “directly above” another part, no other part is involved between them.
  • first, second, and third are used to describe various parts, components, regions, layers, and / or sections, but are not limited to these. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, the first portion, component, region, layer or section described below may be referred to as the second portion, component, region, layer or section without departing from the scope of the invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a brushless DC motor driving apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the BLDC motor driving apparatus 100 may include a BLDC motor 110, an inverter 120, a controller 130, a rectifier 140, a voltage detector 150, and a voltage compensator ( 160).
  • the BLDC motor 110 performs a rotation operation when a rated voltage is applied.
  • the BLDC motor 110 includes a rotor, and receives three-phase (U, V, W) AC power from the inverter 120 to rotate the rotor to provide rotational force.
  • the BLDC motor 110 has a winding having three phases of a coil for generating an inductance component.
  • the BLDC motor has no insulated conductor such as a carbon brush for transmitting electric power.
  • the magnet is attached to the motor shaft and has a coil on the inner wall of the motor case. When the coil is powered, the magnet rotates, and thus the motor shaft to which the magnet is attached rotates, thus eliminating the need for a brush.
  • the inverter 120 converts the DC power supplied from the rectifier 140 into a three-phase (U, V, W) AC power in a pulse form having an arbitrary variable frequency and supplies the DC power to the BLDC motor 110. That is, the inverter 120 converts a direct current (DC) voltage into a three-phase alternating current (AC) voltage and supplies it to the BLDC motor 110.
  • DC direct current
  • AC alternating current
  • the inverter 120 is connected to each of the power switching elements (Q1 ⁇ Q6) as shown in Figure 2 to the winding of the three phase (U, V, W). That is, the inverter 120 includes a three-phase switching element.
  • the inverter 120 may include an upper three-phase FET and a lower three-phase FET.
  • the inverter 120 may supply the BLDC motor 110 with a rated voltage Vz corresponding to a value obtained by multiplying the voltage V DC of the DC power supply by the duty ratio r D according to Equation 1 below. .
  • Equation 1 Vz denotes a rated voltage, V DC denotes a voltage of a DC power supply, and r D denotes a duty ratio.
  • the rectifier 140 rectifies and smoothes the AC power to convert the DC power into DC power to supply power required for the operation of the BLDC motor 110.
  • the voltage detector 150 detects the voltage of the DC power source converted through the rectifier 140.
  • the voltage compensator 160 calculates a compensation duty ratio corresponding to the changed voltage.
  • the voltage compensator 160 in order to maintain the voltage applied to the BLDC motor 110 is kept constant, if the voltage of the DC power supply changes even a little, using the equation (1) to change the rated voltage to the changed voltage By dividing to calculate the compensation duty ratio.
  • the controller 130 transmits a PWM control signal corresponding to the compensation duty ratio to the inverter 120 to control the voltage applied to the BLDC motor 110 to be kept constant.
  • the controller 130 may move the rotor to a predetermined specific position, and force the motor to be driven by generating a rotating magnetic field in the motor in which the rotor is aligned.
  • the operation of the BLDC motor 110 may be controlled by a sensorless control process of acquiring the position information of the rotor using the counter electromotive force to control the motor in a sensorless manner.
  • the controller 130 turns on all three-phase switches on the upper end of the inverter 120, or turns on all three-phase switches on the lower end of the inverter 120 to zero (0).
  • the vector may be controlled to be applied to the BLDC motor 110.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a BLDC motor driving apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the inverter 120 has respective power switching elements FETs Q1 to Q6 connected to windings of three phases (U, V, and W). do. That is, the inverter 120 may use a conventional switching circuit composed of six switching elements Q1 to Q6 and a diode.
  • a terminal voltage detection unit for detecting the terminal voltage of each phase (U, V, W) from the three-phase AC power supplied to the BLDC motor 110 and inputting it to the controller 130 is further illustrated. It may include.
  • the controller 130 may acquire the position information of the rotor by detecting the zero crossing point ZCP of the counter electromotive force according to the terminal voltage of each phase (U, V, W) detected by the terminal voltage detector.
  • controller 130 may be implemented as a microprocessor controlling a pattern of the PWM signal supplied to the inverter 120 by controlling the voltage application time so that the overcurrent is not supplied to the BLDC motor 110.
  • the PWM signal generator 132 generates a PWM signal corresponding to the compensation duty ratio under the control of the controller 130 and supplies it to the inverter 120.
  • a power factor correction capacitor (not shown) may be connected in parallel on the connection line between the inverter 120 and the three-phase winding of the BLDC motor 110. That is, three power factor correction capacitors C may be connected in parallel between U and V phases, between V and W phases, and between W and U phases in three phases at the output terminal of the inverter 120. In addition, the capacitance of the power factor correction capacitor C may be set to be the same as that of the inductance component of the BLDC motor 110.
  • the controller 130 applies the switching driving signals of the respective power switching elements Q1 to Q6 to the inverter 120. That is, the controller 130 controls the switching operation of each switching element (Q1 ⁇ Q6) of the inverter 120 to control the start, operation and speed of the BLDC motor 110 according to the user's operation, each switching element A switching driving signal for switching Q1 to Q6 is generated and applied to the inverter 120.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation of a method of driving a BLDC motor using voltage compensation according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the rectifying unit 140 rectifies and smoothes AC power and converts the DC power into DC power (S310).
  • the voltage detector 150 detects the voltage of the DC power supply and transmits the detected voltage to the voltage compensator 160 (S320).
  • the voltage compensator 160 calculates a compensation duty ratio corresponding to the changed voltage (S330).
  • the voltage compensator 160 changes the rated voltage by using Equation 1 when the voltage of the DC power source changes even a little, so that the three-phase AC voltage applied to the BLDC motor 110 is kept constant.
  • the compensation duty ratio is calculated by dividing by the received voltage.
  • the compensation duty ratio r D is 30% (0.3). That is, when the AC power is externally applied and the voltage V DC of the DC power converted through the rectifying circuit is 10V and the duty ratio r D is 30% (0.3), the BLDC motor 110 The rated voltage Vz applied is 3V.
  • the voltage compensator 160 converts the rated voltage (Vz) 3V to the voltage of the DC (DC) power supply using Equation (1). (V DC ) divided by 15V to calculate the compensation duty ratio (r D ) 20% (0.2).
  • the controller 130 transmits a PWM control signal corresponding to the compensation duty ratio to the inverter 120 (S340).
  • the inverter 120 supplies power of the three-phase AC voltage corresponding to the compensation duty ratio to the BLDC motor 110 according to the PWM control signal (S350).
  • the inverter 120 according to the PWM control signal, the rated voltage (Vz) 3V corresponding to a value of the voltage (V DC ) 15V of the DC power supply multiplied by the compensation duty ratio (r D ) 20% (0.2) 3V.
  • Vz rated voltage
  • r D compensation duty ratio
  • the controller 130 may detect a zero crossing point (ZCP) and perform a sensorless operation mode for controlling the phase switching and the rotational speed of the BLDC motor 110 based on the zero crossing point (ZCP) information.
  • ZCP zero crossing point
  • Voltage compensation logic can implement a stable motor control regardless of the variation of the DC power applied to the motor. Therefore, this voltage compensation logic is different from a power supply stabilization circuit that only removes noise components. For example, a power stabilization circuit alone is not sufficient for voltages that maintain 12V after the input voltage surges from 10V to 12V. In this case, using the BLDC motor driving apparatus and method according to an embodiment of the present invention, even if the input voltage of the motor changes, it is possible to always apply only a constant rated voltage to the BLDC motor.
  • the present invention even if the input voltage is unstable, the voltage applied to the motor is always kept constant to enable stable motor control. In addition, it is possible to increase the stability of the overall vehicle system through a stable motor control. And stable motor control algorithm does not generate unnecessary noise.
  • the DC voltage applied to the motor is detected to compensate for the duty ratio by the amount of the DC voltage fluctuating so that the voltage is applied to the motor.
  • the DC voltage applied to the motor is detected to compensate for the duty ratio by the amount of the DC voltage fluctuating so that the voltage is applied to the motor.
  • the present invention can be used in the industry of manufacturing a vehicle equipped with a BLDC motor.

Landscapes

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Abstract

본 발명은 차량에 장착된 BLDC 모터의 구동 시에, 모터에 인가되는 직류 전압을 검출하여 직류 전압이 변동되는 양 만큼 듀티비(Duty Ration)를 보상하여 모터에 인가되는 전압이 동일하게 유지되도록 함으로써 직류 전압의 변동량에 관계없이 일정한 전압이 모터에 인가될 수 있도록 하는, 전압보상을 이용한 BLDC 모터 구동 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 BLDC 모터 구동 장치는, 정격 전압이 인가되면 동작하는 BLDC 모터; 상기 BLDC 모터에 전원을 공급하기 위해, AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 변환하는 정류부; 상기 DC 전원을 PWM 제어신호에 따라 3상(U, V, W) 교류 전원으로 변환해 상기 BLDC 모터에 공급하는 인버터; 상기 DC 전원의 전압을 검출하는 전압 검출부; 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압이 변동되는 경우에, 변동된 전압에 대응된 보상 듀티비(Duty Ratio)를 산출하는 전압 보상부; 및 상기 보상 듀티비에 해당하는 PWM 제어신호를 상기 인버터에 전달하는 제어부를 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, BLDC 모터에 인가되는 직류(DC) 전압이 불안정하더라도 모터에 인가되는 3상 교류 전압을 일정하게 유지할 수 있다.

Description

전압보상을 이용한 브러시리스 직류 모터 구동 방법 및 장치
본 발명은 전압보상을 이용한 브러시리스 직류 모터 모터 구동 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량에 장착된 BLDC(BrushLess Direct Current) 모터의 구동 시에, 모터에 인가되는 직류 전압을 검출하여 직류 전압이 변동되는 양 만큼 듀티비(Duty Ration)를 보상하여 모터에 인가되는 전압이 동일하게 유지되도록 함으로써 직류 전압의 변동량에 관계없이 일정한 전압이 모터에 인가될 수 있도록 하는, 전압보상을 이용한 브러시리스 직류 모터 모터 구동 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량에 장착된 브러시리스 직류 모터는 교류(AC) 전압이 정류회로를 통해 변환된 직류(DC) 전압을 입력받아 동작한다.
브러시리스 직류 모터에 입력되는 전압은 불안정한 경우가 많다. 모터의 입력 전압이 불안정해지면, 모터의 출력(전류, 회전 속도 및 토크)도 불안정해진다. 특히 전류의 불안정은 모터의 손상을 발생시킬 수 있으며, EMC(Electro Magnetic Compatibility) 성능이 저하될 수 있다.
브러시리스 직류 모터는 PI(Proportional plus Integral) 속도 제어기(speed controller)에 의해 회전 속도가 제어된다. PI 속도 제어기는 지령 속도와 실제 속도를 비교하여, 실제 속도가 낮으면 모터에 인가되는 전압을 높이고, 실제 속도가 높으면 모터에 인가되는 전압을 낮춘다.
이때, PI 속도 제어기는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 이용하여 전압을 높이거나 낮춘다. 전압을 높이고자 할 경우 PWM 듀티(duty)를 증가시키고, 전압을 낮추고자 할 경우에 PWM 듀티(duty)를 감소시키는 것이다.
교류(AC) 전압에서 변환된 직류 전압(Vdc)이 급변할 경우에, 실제로 모터에 입력되는 전압도 급변하게 된다. 모터에 입력되는 전압이 급변하면 모터에 흐르는 전류도 함께 급변하게 된다.
따라서, BLDC 모터가 적용된 제품 및 그 인근 제품에도 악영향이 초래되는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 차량에 장착된 BLDC 모터의 구동 시에, 모터에 인가되는 직류 전압을 검출하여 직류 전압이 변동되는 양 만큼 듀티비(Duty Ration)를 보상하여 모터에 인가되는 전압이 동일하게 유지되도록 함으로써 직류 전압의 변동량에 관계없이 일정한 전압이 모터에 인가될 수 있도록 하는, 전압보상을 이용한 브러시리스 직류 모터 구동 방법 및 장치를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터 구동 장치는, 정격 전압이 인가되면 동작하는 BLDC 모터; 상기 BLDC 모터에 전원을 공급하기 위해, AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 변환하는 정류부; 상기 DC 전원을 PWM 제어신호에 따라 3상(U, V, W) 교류 전원으로 변환해 상기 BLDC 모터에 공급하는 인버터; 상기 DC 전원의 전압을 검출하는 전압 검출부; 상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압이 변동되는 경우에, 변동된 전압에 대응된 보상 듀티비(Duty Ratio)를 산출하는 전압 보상부; 및 상기 보상 듀티비에 해당하는 PWM 제어신호를 상기 인버터에 전달하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 인버터는, 상기 DC 전원의 전압에 상기 보상 듀티비를 곱한 값에 해당하는 정격 전압을 상기 BLDC 모터에 공급할 수 있다.
그리고, 상기 전압 보상부는, 상기 DC 전원의 전압이 변동되면, 상기 정격 전압을 상기 변동된 전압으로 나누어 상기 보상 듀티비를 산출할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터 모터 구동 방법은, 정격 전압이 인가되면 동작하는 BLDC 모터 구동 방법으로서, (a) 정류부가 AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 변환하는 단계; (b) 전압 검출부가 상기 DC 전원의 전압을 검출하는 단계; (c) 전원 보상부가 상기 검출된 전압이 변동되는 경우에, 변동된 전압에 대응된 보상 듀티비(Duty Ratio)를 산출하는 단계; (d) 제어부가 상기 보상 듀티비에 해당하는 PWM 제어신호를 인버터에 전달하는 단계; 및 (e) 인버터가 상기 PWM 제어신호에 따라 상기 DC 전원을 상기 보상 듀티비에 해당하는 3상 AC 전압으로 변환해 상기 BLDC 모터에 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계에서 상기 인버터는, 상기 DC 전원의 전압에 상기 보상 듀티비를 곱한 값에 해당하는 정격 전압을 상기 BLDC 모터에 공급할 수 있다.
그리고, 상기 (c) 단계에서 상기 전압 보상부는, 상기 DC 전원의 전압이 변동되면, 상기 정격 전압을 상기 변동된 전압으로 나누어 상기 보상 듀티비를 산출할 수 있다.
본 발명에 의하면, BLDC 모터에 인가되는 직류(DC) 전압이 불안정하더라도 모터에 인가되는 3상 교류 전압을 일정하게 유지할 수 있다. 이에 따라 BLDC 모터가 안정되게 동작할 수 있다.
또한, BLDC 모터의 안정된 제어를 통해 전체적인 차량 시스템의 안정도를 높일 수 있다.
그리고, 안정된 모터 제어는 불필요한 소음을 발생시키지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 모터 구동 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 모터 구동 장치의 회로 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전압보상을 이용한 브러시리스 직류 모터 구동 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 모터 구동 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 BLDC 모터 구동 장치(100)는, BLDC 모터(110), 인버터(120), 제어부(130), 정류부(140), 전압 검출부(150) 및 전압 보상부(160)를 포함한다.
BLDC 모터(110)는 정격 전압이 인가되면 회전 동작을 실행한다. 이를 위해, BLDC 모터(110)는 회전자(Rotor)를 구비하고, 인버터(120)로부터 3상(U, V, W) 교류 전원을 공급받아 회전자를 회전시켜 회전력을 제공한다.
여기서, BLDC 모터(110)는 인덕턴스 성분을 발생시키는 코일을 3상으로 하는 권선을 갖는다. 즉, BLDC 모터는 전력을 전달하기 위한 탄소 브러쉬와 같은 절연도체가 없는 구조로서, 모터축에 자석이 부착되어 있고 모터 케이스의 내부 벽면에 코일이 있다. 이 코일에 전원이 공급되면 자석이 회전하게 되고, 그에 따라 자석이 부착된 모터축이 회전하게 됨에 따라 브러쉬(Brush)가 필요없는 것이다.
인버터(120)는 정류부(140)에서 공급되는 DC 전원을 임의의 가변 주파수를 가진 펄스 형태의 3상(U, V, W) 교류 전원으로 바꾸어 BLDC 모터(110)에 공급한다. 즉, 인버터(120)는 직류(DC) 전압을 3상 교류(AC) 전압으로 변환하여 BLDC 모터(110)에 공급한다.
이때, 인버터(120)는 3상(U, V, W)의 권선에 도 2에 도시된 바와 같이 각각의 전력용 스위칭 소자(Q1 ~ Q6)가 연결된다. 즉, 인버터(120)는 3상의 스위칭 소자를 구비하는데, 예컨대, 상단의 3상 FET와 하단의 3상 FET를 구비할 수 있다.
또한, 인버터(120)는, 다음 수학식1에 따라 DC 전원의 전압(VDC)에 듀티비(rD)를 곱한 값에 해당하는 정격 전압(Vz)을 BLDC 모터(110)에 공급할 수 있다.
Figure PCTKR2017014324-appb-M000001
수학식1에서, Vz는 정격 전압을 나타내고, VDC는 DC 전원의 전압을 나타내며, rD는 듀티비를 나타낸다.
정류부(140)는 BLDC 모터(110)의 동작에 필요한 전원을 공급하기 위해, AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 변환한다.
전압 검출부(150)는 정류부(140)를 통해 변환된 DC 전원의 전압을 검출한다.
전압 보상부(160)는 전압 검출부(150)를 통해 검출된 전압이 변동되는 경우에, 변동된 전압에 대응된 보상 듀티비(Duty Ratio)를 산출한다.
즉, 전압 보상부(160)는, BLDC 모터(110)에 인가되는 전압이 일정하게 유지되도록 하기 위해, DC 전원의 전압이 조금이라도 변동되면, 수학식1을 이용하여 정격 전압을 변동된 전압으로 나누어 보상 듀티비를 산출하는 것이다.
제어부(130)는 보상 듀티비에 해당하는 PWM 제어신호를 인버터(120)에 전달하여, BLDC 모터(110)에 인가되는 전압이 일정하게 유지되도록 제어한다.
또한, 제어부(130)는, BLDC 모터(110)가 정지 상태인 경우, 회전자를 미리 정해진 특정 위치로 이동시키는 정렬 과정, 회전자가 정렬된 모터에 회전 자계를 생성하여 모터를 강제로 구동시키는 강제구동 과정, 및 강제로 구동된 모터에서 역기전력이 발생하면 역기전력을 이용해 회전자의 위치 정보를 획득하여 센서리스로 모터를 제어하는 센서리스 제어 과정으로 BLDC 모터(110)의 동작을 제어할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는, 인버터(120)의 상단에 있는 3상 스위치를 모두 온(ON)시키거나, 인버터(120)의 하단에 있는 3상 스위치를 모두 온(ON)시켜 제로(0) 벡터가 BLDC 모터(110)에 인가되도록 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터 구동 장치의 회로 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 BLDC 모터 구동 장치(100)에서, 인버터(120)는 3상(U, V, W)의 권선에 각각의 전력용 스위칭 소자 FET(Q1 ~ Q6)가 연결된다. 즉, 인버터(120)는 6 개의 스위칭 소자(Q1~Q6)와 다이오드로 구성된 통상의 스위칭 회로를 이용할 수 있다.
또한, 도시하지는 않았지만, BLDC 모터(110)에 공급되는 3상 교류 전원으로부터 각 상(U, V, W)의 단자전압을 검출하여 제어부(130)에 입력하는 단자전압 검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제어부(130)는 단자전압 검출부에서 검출된 각 상(U, V, W)의 단자전압에 따라 역기전력의 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하여 회전자의 위치정보를 획득할 수 있다.
또한, 제어부(130)는 전압인가 시점을 제어하여 BLDC 모터(110)에 과전류가 공급되지 않도록 인버터(120)에 공급되는 PWM 신호의 패턴을 제어하는 마이크로프로세서로 구현할 수 있다.
PWM 신호 발생부(132)는 제어부(130)의 제어에 의해 보상 듀티비에 해당하는PWM 신호를 생성하여 인버터(120)에 공급한다.
이때, 인버터(120)와 BLDC 모터(110)의 3상 권선 간의 연결 라인 상에 역률보상 캐패시터(도시되지 않음)가 각각 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 역률보상 캐패시터(C)는, 인버터(120)의 출력단에 있는 3상 중 U상과 V상 간에, V상과 W상 간에, W상과 U상 간에 각각 3 개가 병렬로 연결될 수 있다. 그리고, 역률보상 캐패시터(C)의 용량 크기는 BLDC 모터(110)의 인덕턴스 성분의 크기와 동일하게 유지되도록 설정할 수 있다.
제어부(130)는 인버터(120)에 각각의 전력용 스위칭 소자(Q1 ~ Q6)의 스위칭 구동 신호를 인가한다. 즉, 제어부(130)는 사용자의 조작에 따라 인버터(120)의 각 스위칭 소자(Q1 ~ Q6)의 스위칭 동작을 제어하여 BLDC 모터(110)의 기동, 운전 및 속도를 제어하게 되며, 각 스위칭 소자(Q1 ~ Q6)를 스위칭하기 위한 스위칭 구동 신호를 생성해 인버터(120)에 인가한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전압보상을 이용한 BLDC 모터 구동 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 BLDC 모터 구동 장치(100)는, 먼저, 정류부(140)가 AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 변환한다(S310).
이어, 전압 검출부(150)가 DC 전원의 전압을 검출하여 전압 보상부(160)에 전달한다(S320).
이때, 검출된 직류(DC) 전원의 전압이 변동되는 경우에, 전압 보상부(160)는 변동된 전압에 대응된 보상 듀티비(Compensation Duty Ratio)를 산출한다(S330).
즉, 전압 보상부(160)는, BLDC 모터(110)에 인가되는 3상 AC 전압이 일정하게 유지되도록 하기 위해, DC 전원의 전압이 조금이라도 변동되면, 수학식1을 이용하여 정격 전압을 변동된 전압으로 나누어 보상 듀티비를 산출하는 것이다.
예를 들면, 정격 전압(Vz)이 3V이고, 직류(DC) 전원의 전압(VDC)이 10V이면, 보상 듀티비(rD)는 30%(0.3)가 되는 것이다. 즉, 외부에서 AC 전원이 인가되어 정류회로를 통해 변환된 직류(DC) 전원의 전압(VDC)이 10V이고, 듀티비(rD)가 30%(0.3)이면, BLDC 모터(110)에 인가되는 정격 전압(Vz)은 3V가 되는 것이다.
이때, 직류(DC) 전원의 전압(VDC)이 10V에서 15V로 급변하게 되는 경우에, 전압 보상부(160)는 수학식1을 이용해 정격 전압(Vz) 3V를 직류(DC) 전원의 전압(VDC) 15V로 나누어 보상 듀티비(rD) 20%(0.2)를 산출하게 되는 것이다.
이어, 제어부(130)는 보상 듀티비에 해당하는 PWM 제어신호를 인버터(120)에 전달한다(S340).
따라서, 인버터(120)는 PWM 제어신호에 따라 보상 듀티비에 해당하는 3상 AC 전압의 전원을 BLDC 모터(110)에 공급한다(S350).
즉, 인버터(120)는, PWM 제어신호에 따라 직류(DC) 전원의 전압(VDC) 15V에 보상 듀티비(rD) 20%(0.2)를 곱한 값에 해당하는 정격 전압(Vz) 3V를 BLDC 모터(110)에 공급하는 것이다.
이때, 제어부(130)는 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하여 제로 크로싱 포인트(ZCP) 정보를 근거로 상 전환 및 BLDC 모터(110)의 회전속도를 제어하는 센서리스 운전모드를 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전압 보상 로직은 모터에 인가되는 직류 전원의 변동에 관계없이 안정된 모터 제어를 구현 할 수 있다. 따라서, 이러한 전압 보상 로직은 노이즈 성분만 제거해 주는 전원 안정화 회로와 차이가 있다. 예를 들어, 입력 전압이 10V에서 12V로 급상승 후 12V를 유지하는 전압에 대해서는 전원 안정화 회로만으로는 부족하다는 것이다. 이런 경우에 본 발명의 실시 예에 따른 BLDC 모터 구동 장치 및 방법을 이용하면 모터의 입력 전압이 변동되더라도 BLDC 모터에는 항상 일정한 정격 전압만이 인가되도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 입력 전압이 불안정하더라도 모터에 인가되는 전압은 항상 일정하게 유지되어 안정된 모터 제어가 가능하다. 또한, 안정된 모터제어를 통해 전체적인 차량 시스템의 안정도를 높일 수 있다. 그리고, 안정된 모터 제어 알고리즘은 불필요한 소음을 발생시키지 않는다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 차량에 장착된 BLDC 모터의 구동 시에, 모터에 인가되는 직류 전압을 검출하여 직류 전압이 변동되는 양 만큼 듀티비(Duty Ration)를 보상하여 모터에 인가되는 전압이 동일하게 유지되도록 함으로써 직류 전압의 변동량에 관계없이 일정한 전압이 모터에 인가될 수 있도록 하는, 전압보상을 이용한 BLDC 모터 구동 방법 및 장치를 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 BLDC 모터가 장착되는 차량을 제조하는 산업에 이용할 수 있다.

Claims (6)

  1. 정격 전압이 인가되면 동작하는 BLDC 모터;
    상기 BLDC 모터에 전원을 공급하기 위해, AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 변환하는 정류부;
    상기 DC 전원을 PWM 제어신호에 따라 3상(U, V, W) 교류 전원으로 변환해 상기 BLDC 모터에 공급하는 인버터;
    상기 DC 전원의 전압을 검출하는 전압 검출부;
    상기 전압 검출부를 통해 검출된 전압이 변동되는 경우에, 변동된 전압에 대응된 보상 듀티비(Duty Ratio)를 산출하는 전압 보상부; 및
    상기 보상 듀티비에 해당하는 PWM 제어신호를 상기 인버터에 전달하는 제어부;
    를 포함하는 브러시리스 직류모터 구동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터는, 상기 DC 전원의 전압에 상기 보상 듀티비를 곱한 값에 해당하는 정격 전압이 상기 BLDC 모터에 인가되도록 공급하는, 브러시리스 직류모터 구동 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 보상부는, 상기 DC 전원의 전압이 변동되면, 상기 정격 전압을 상기 변동된 전압으로 나누어 상기 보상 듀티비를 산출하는, 브러시리스 직류모터 구동 장치.
  4. 정격 전압이 인가되면 동작하는 BLDC 모터 구동 방법으로서,
    (a) 정류부가 AC 전원을 정류 및 평활시켜 DC 전원으로 변환하는 단계;
    (b) 전압 검출부가 상기 DC 전원의 전압을 검출하는 단계;
    (c) 전압 보상부가 상기 검출된 전압이 변동되는 경우에, 변동된 전압에 대응된 보상 듀티비(Duty Ratio)를 산출하는 단계;
    (d) 제어부가 상기 보상 듀티비에 해당하는 PWM 제어신호를 인버터에 전달하는 단계; 및
    (e) 인버터가 상기 PWM 제어신호에 따라 상기 DC 전원을 상기 보상 듀티비에 해당하는 3상 AC 전압으로 변환해 상기 BLDC 모터에 공급하는 단계;
    를 포함하는 브러시리스 직류모터 구동 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 인버터는, 상기 DC 전원의 전압에 상기 보상 듀티비를 곱한 값에 해당하는 정격 전압을 상기 BLDC 모터에 공급하는, 브러시리스 직류모터 구동 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 전압 보상부는, 상기 DC 전원의 전압이 변동되면, 상기 정격 전압을 상기 변동된 전압으로 나누어 상기 보상 듀티비를 산출하는, 브러시리스 직류모터 구동 방법.
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