KR100677876B1 - 브러시리스 직류모터의 정렬제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기 구동용 브러시리스 직류모터의 정렬제어방법에 관한 것으로, 브러시리스 직류모터의 기동 시 알맞은 강제 정렬모드로 기동전류를 작게 유지하여 압축기의 기동소음 및 진동을 저감하고, 기동실패율을 줄이는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은, 회전자 위치에 따라 고정자 권선에 인가되는 전류를 스위칭하여 브러시리스 직류모터를 기동하는 방법에 있어서, 상기 회전자의 위치정보를 파악하기 위해 브러시리스 직류모터를 시험 운전하는 단계; 운전중인 상기 브러시리스 직류모터의 상 전류 및 상 전환시점마다 역기전력의 주기를 통해 압축과 토출 정보를 파악하는 단계; 상기 파악된 압축과 토출 정보에 따라 정렬모드를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 정렬모드로 브러시리스 직류모터의 두 상을 여자시켜 회전자 위치를 강제 정렬하는 단계를 포함하는 것이다.

Description

브러시리스 직류모터의 정렬제어방법{Method for control array of brushless DC motor}

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 브러시리스 직류모터의 센서리스 구동장치의 제어 구성도,

도 2는 본 발명의 브러시리스 직류모터 1회전 시 상 전환모드에 따른 피스톤의 위치를 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 브러시리스 직류모터 1회전 시 상 전환모드에 따른 피스톤의 왕복주기를 도시한 그래프,

도 4는 본 발명의 상 여자에 따른 회전자계와 크랭크 축의 변화를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 브러시리스 직류모터 1회전 시 가스토크와 모터토크의 변화를 도시한 파형도,

도 6은 본 발명에 의한 브러시리스 직류모터의 정렬제어방법의 동작 흐름도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 정류부 30 : 인버터

40 : 브러시리스 직류모터 50 : 단자전압검출부

60 : 전류검출부 70 : 제어부

80 : PWM신호발생부

본 발명은 압축기 구동용 브러시리스 직류모터(이하, BLDC 모터라 한다)의 기동제어에 관한 것으로, 특히 BLDC 모터의 기동 시 알맞은 강제 정렬모드로 기동전류를 작게 유지하여 진동 및 기동실패율을 줄일 수 있는 BLDC 모터의 정렬제어방법에 관한 것이다.

통상, BLDC 모터의 고정자(stator)는 코일에 전류를 흘려 형성하는 전기자(armature)를 사용하고, 회전자(rotator)는 N극과 S극이 반복되어 형성된 영구자석을 사용한다. BLDC 모터가 연속적으로 회전하기 위해서는 BLDC 모터의 연속적인 회전자계의 형성이 필요하며, 연속적인 회전자계를 형성하기 위해서는 전기자의 각 상의 코일에 흐르는 전류의 전환(commutation)을 적절한 시점에 해야 하는데, 적절한 전환을 위해서는 회전자의 위치를 정확히 인식해야 한다. 여기서 전환이란 회전자가 회전할 수 있도록 모터 고정자 코일의 전류 방향을 바꾸어 주는 것이다.

이러한 BLDC 모터의 원활한 운전을 위해서는 회전자의 위치와 상 전류의 전환시점을 정밀하게 일치시켜야 하며, 이를 위해 회전자의 위치를 검출하기 위한 장치가 요구되는데, 일반적으로는 회전자의 위치 검출을 위해 홀센서(Hall sensor)나 리졸버(Resolver) 소자, 인코더(encoder)와 같은 위치검출센서를 이용하였다.

이러한 위치검출센서는 제조 원가가 비싸고, 압축기의 경우 압축기 내부의 온도 등 환경적인 문제로 인하여 BLDC 모터에 사용할 수 없기 때문에 BLDC 모터의 전압, 전류정보 등을 이용하여 회전자의 위치를 간접적으로 검출하는 센서리스(sensorless) 제어방식이 모색되었다.

이러한 BLDC 모터의 센서리스 제어방식은 정지 중에 회전자의 위치에 대한 정보 파악이 되지 않기 때문에 강제적인 기동방법을 택하고 있다. 이는 초기 기동 시 BLDC 모터의 3상 권선들 중에서 임의의 2개의 상 권선에 전류를 일정시간동안 흘려 모터의 회전자 위치를 특정위치로 정렬시킨 다음, 순차적으로 PWM을 발생시켜 일정속도 이상 증가시키면서 회전자의 위치신호를 받는 방법이다.

이때, 초기 기동 시 임의의 2상을 여자시키는 것을 강제 정렬이라고 하는데, 임의의 2상을 여자시켜 특정위치로 강제 정렬하는 방법은 회전자의 위치를 모를 경우 대부분 사용하는 방식이지만, 압축기 구동 직후 정지상태에서 정해진 임의의 2권선에 전류를 흘려 강제 정렬하는 것은 기동실패를 불러올 수도 있다.

압축기가 구동할 때 가스 토크에 의한 부하 변동이 나타나는데, 압축 구간에서는 부하가 크게 걸리고 토출 구간에서는 부하가 적게 걸린다. 압축기가 구동 후에 정지하게 되면 압축기 정지 바로 직전의 상태에 따라 압축 상태나 토출 상태를 유지하게 된다. 이 상태에서 다시 바로 재 기동하게 되면, 압이 걸린 상태인지 아닌지에 따라 강제 정렬로 회전자와 고정자의 위치가 동기될 수도 있고, 반대로 회전자와 고정자의 위치가 제대로 동기되지 못하여 과전류가 발생하거나 또는 기동 실패가 될 수도 있는 것이다.

따라서, 종래 BLDC 모터의 강제 정렬 제어방법은, 압축기 정지 전 상태가 압 축 상태일 때는 강제 정렬되는 위치가 압력이 높기 때문에 원하는 위치로 정렬될 수 없으며, 반대로 압축기 정지 전 상태가 압이 다 빠진 상태라면 원하는 위치로 강제 정렬이 가능하나, 현재 압축기의 정지 상태가 압력이 높은 상태인지 낮은 상태인지 알 수 없기 때문에 기동 실패의 가능성이 크고, 과전류가 발생한다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 압축기 구동용 BLDC 모터의 기동 시 알맞은 강제 정렬모드로 기동전류를 작게 유지하여 압축기의 기동소음 및 진동을 저감할 수 있는 BLDC 모터의 정렬제어방법에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, BLDC 모터의 기동 시 발생되는 과전류를 억제하여 기동 실패율을 줄이고, 기동시간을 단축할 수 있는 BLDC 모터의 정렬제어방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 회전자 위치에 따라 고정자 권선에 인가되는 전류를 스위칭하여 브러시리스 직류모터를 기동하는 방법에 있어서, 상기 회전자의 위치정보를 파악하기 위해 브러시리스 직류모터를 시험 운전하는 단계; 운전중인 상기 브러시리스 직류모터의 상 전류 및 상 전환시점마다 역기전력의 주기를 통해 압축과 토출 정보를 파악하는 단계; 상기 파악된 압축과 토출 정보에 따라 정렬모드를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 정렬모드로 브러시리스 직류모터의 두 상을 여자시켜 회전자 위치를 강제 정렬하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 압축과 토출 정보는 역기전력 주기로부터 검출된 모터토크의 최대시점으로부터 가스토크의 압축과 토출구간에 대한 정보를 파악하는 것을 특징으로 한다.

상기 정렬모드를 검출하는 단계는, 압축과 토출구간에 대한 상 전환 모드를 파악하여 피스톤의 위치가 중간에 오는 모드를 검출하고, 검출된 모드를 메모리에 저장하여 상기 피스톤의 위치가 중간에 오도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

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이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 브러시리스 직류모터의 센서리스 구동장치의 제어 구성도이다.

도 1에서, 본 발명의 BLDC 모터의 센서리스 구동장치는 정류부(20), 인버터(30), 단자전압검출부(50), 전류검출부(60), 제어부(70) 및 PWM신호발생부(80)를 포함하여 구성된다.

정류부(20)는 AC전원(10)을 정류 및 평활시켜 DC전원을 공급하는 것으로, 정류기(22) 및 평활 컨덴서(24)로 구성된다.

인버터(30)는 상기 정류부(20)에서 공급되는 DC전원을 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류전원(U, V, W)으로 바꾸어 BLDC 모터(40)에 공급하는 것으로, 6개의 스위칭소자(Q1~Q6)와 다이오드로 구성된 통상의 스위칭회로이다.

단자전압검출부(50)는 BLDC 모터(40)에 공급되는 3상 교류전원으로부터 각 상(U, V, W)의 단자전압을 검출하여 제어부(70)에 입력하고, 전류검출부(60)는 상기 정류부(20)로부터 인버터(30)에 공급되는 DC전원의 전류를 검출하여 제어부(70)에 입력한다.

제어부(70)는 상기 단자전압검출부(50)에서 검출된 각 상(U, V, W)의 단자전압에 따라 역기전력의 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하여 회전자의 위치정보를 획득하고, 상기 전류검출부(60)에서 검출된 전류 값에 따라 고정자 권선으로의 전압인가시점을 제어하여 BLDC 모터(40)에 과전류가 공급되지 않도록 인버터(30)에 공급되는 PWM신호의 패턴을 제어하는 마이크로프로세서로서, 이 제어부(70)는 전체적인 인버터(30) 제어 알고리즘을 수행한다.

PWM신호발생부(80)는 상기 제어부(70)의 출력에 의해 PWM신호의 패턴을 발생하여 인버터(30)에 공급한다.

이러한 BLDC 모터(40)의 센서리스 구동장치에서, 압축기 구동용 BLDC 모터(40)를 센서리스 방식으로 초기 구동하기 위한 강제 정렬단계의 경우, 압축기 토출 부의 압력 상태에 따라서 강제 정렬이 성공 또는 실패하게 된다.

예를 들어, 압축기 토출부의 압력이 높은 상태에서는 회전자 강제 정렬이 실패할 가능성이 크고, 이때 강제 정렬 실패로 인한 진동이 크게 발생한다. 반면 압력이 낮은 경우에서는 회전자 강제 정렬이 원하는 위치로 가능하여 기동이 쉽게 이루어진다.

그러나, 압축기 운전정지 후 재기동 시 압력 상태를 알 수 없기 때문에 이러한 경우, 특히 압력이 높은 상태에서 회전자의 강제 정렬위치에 따라 강제 정렬의 성공 또는 실패가 결정된다.

도 2는 본 발명의 브러시리스 직류모터 1회전 시 상 전환모드에 따른 피스톤의 위치를 도시한 도면이다.

도 2에서, 피스톤의 위치가 ⓑ의 위치로 강제 정렬 시 압력이 걸리는 위치가 아니기 때문에 쉽게 강제 정렬이 가능하나, 피스톤의 위치가 ⓐ의 위치로 강제 정렬되는 반대의 경우 압력이 걸리는 위치이기 때문에 강제 정렬이 실패할 가능성이 크고, 이때 강제 정렬 실패로 인한 진동이 크게 발생할 수 있다.

도 3은 본 발명의 브러시리스 직류모터 1회전 시 상 전환모드에 따른 피스톤의 왕복주기를 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 상 여자에 따른 회전자계와 크랭크 축의 변화를 도시한 도면으로서, 강제 정렬하기 위한 두 상을 인가하였을 때 발생하는 회전자계에 의해 움직이는 크랭크 축을 나타낸 것이다.

도 3에서, 압축기 구동용 4극 BLDC 모터(40)의 경우 12번의 상 전환시점을 갖지만 도 4와 같이 회전자계가 형성될 경우 도 4의 "0"과 "6"지점은 상 여자상태가 같기 때문에 "0"이 오도록 강제 정렬모드를 준다 하더라도 "0"의 위치가 오게 될지 또는 "6"의 위치가 오게 될지 알 수가 없다.

즉, 도 2에 나타난 ⓑ의 위치에 해당하는 모드는 항상 원하는 ⓑ의 자리에 오지 않고, ⓐ의 자리에도 올 수 있음을 알 수 있다. 압력이 높은 상태에서 압축 포인트 쪽인 ⓐ의 위치에 강제 정렬하는 것은 강제 정렬이 되지 못하고 기동 실패가 될 확률도 높아지게 된다.

이를 피하기 위해서는, 피스톤의 양쪽 끝 부분에 위치하도록 강제 정렬하지 않아야 하며, 다른 모드의 경우에는 도 3에 도시한 바와 같이 피스톤이 왕복하면서 위치가 변하게 되므로 위치의 변화가 없는 가운데 위치에 정렬하는 것이 가장 효과적이다.

이때 권선이 동일하면, 피스톤이 가운데에 위치하는 특정모드로 정해져도 관계없지만, 권선이 변할 경우에는 모드에 따른 위치도 변하므로 실제 피스톤을 가운데 오게 하는 강제 정렬모드의 정보는 알아야 한다.

도 5는 본 발명의 브러시리스 직류모터 1회전 시 가스토크와 모터토크의 변화를 도시한 파형도이다.

도 6은 본 발명에 의한 브러시리스 직류모터의 정렬제어방법의 동작 흐름도로서, BLDC 모터(40)의 초기 강제 정렬모드 검출방법을 나타낸 것이다.

도 6에서, 회전자의 위치정보 파악을 위해 초기에 BLDC 모터(40)를 시험 가동하여(S100), 도 5에 도시한 바와 같이 모터토크에 의한 상 전류의 정보나 상 전 환 시점마다 역기전력의 주기를 통하여 압축과 토출에 대한 상 전환 모드정보를 파악하여 상 전환 모드에 따른 압축기 피스톤의 위치를 파악한다(S200, S300).

실제 압축과 토출은 가스토크의 파형에서 나타나지만 도 5에 도시한 바와 같이, 가스토크와 모터토크의 정보를 알고 있으므로 모터토크가 가장 많이 걸리는 곳에서 어느 시점 이전임을 판단하여 모드를 결정할 수 있다. 이 정보로부터 피스톤의 위치가 중간에 오도록 하는 강제 정렬모드가 압축과 토출의 중간지점의 모드로 판단하여 제어부(70)의 메모리에 저장한다(S400).

따라서, 피스톤의 위치가 상기 제어부(70)에 저장된 압축과 토출의 중간지점의 모드인 강제 정렬모드로 BLDC 모터(40)의 두 상을 여자시켜 회전자 위치를 강제로 정렬시킨다(S500).

본 발명은, 강제 정렬위치가 피스톤의 양쪽에 위치할 때 압력이 높은 경우 기동실패를 줄이기 위하여 압축기를 처음에 시험 가동하여 모터토크에 의한 상 전류 정보 또는 역기전력의 주기로부터 상 여자 모드에 따른 압축기 피스톤의 위치를 파악한다.

압력이 높은 쪽에서 기동할 경우 강제 정렬의 실패가 있는 양쪽 피스톤의 위치에 강제 정렬하는 것을 피하고, 피스톤의 위치를 중간에 오도록 강제 정렬함으로써 기동실패 확률을 줄일 수 있게 되는 것이다.

상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 BLDC 모터의 정렬제어방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가 지 변형이 가능함은 물론이다.

상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 BLDC 모터의 정렬제어방법에 의하면, 압축기 구동용 BLDC 모터의 기동 시 피스톤의 위치를 중간에 오도록 강제 정렬함으로써 기동전류를 작게 유지하여 압축기의 기동소음 및 진동을 저감할 수 있다.

또한, BLDC 모터의 기동 시 발생되는 과전류를 억제하여 기동 실패율을 줄이고, 기동시간을 단축할 수 있다.

Claims (5)

1. 회전자 위치에 따라 고정자 권선에 인가되는 전류를 스위칭하여 브러시리스 직류모터를 기동하는 방법에 있어서,

   상기 회전자의 위치정보를 파악하기 위해 브러시리스 직류모터를 시험 운전하는 단계;

   운전중인 상기 브러시리스 직류모터의 상 전류 및 상 전환시점마다 역기전력의 주기를 통해 압축과 토출 정보를 파악하는 단계;

   상기 파악된 압축과 토출 정보에 따라 정렬모드를 검출하는 단계; 및

   상기 검출된 정렬모드로 브러시리스 직류모터의 두 상을 여자시켜 회전자 위치를 강제 정렬하는 단계를

   포함하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류모터의 정렬제어방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압축과 토출 정보는 역기전력 주기로부터 검출된 모터토크의 최대시점으로부터 가스토크의 압축과 토출구간에 대한 정보를 파악하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류모터의 정렬제어방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 정렬모드를 검출하는 단계는,

   압축과 토출구간에 대한 상 전환 모드를 파악하여 피스톤의 위치가 중간에 오는 모드를 검출하고,

   검출된 모드를 메모리에 저장하여 상기 피스톤의 위치가 중간에 오도록 제어하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류모터의 정렬제어방법.
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