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KR101448677B1 - Bldc 모터의 회전자 위치 추정 장치 및 방법 - Google Patents

Bldc 모터의 회전자 위치 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Publication number
KR101448677B1
KR101448677B1 KR1020130105957A KR20130105957A KR101448677B1 KR 101448677 B1 KR101448677 B1 KR 101448677B1 KR 1020130105957 A KR1020130105957 A KR 1020130105957A KR 20130105957 A KR20130105957 A KR 20130105957A KR 101448677 B1 KR101448677 B1 KR 101448677B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electromotive force
rotor position
counter electromotive
error
rotor
Prior art date
Application number
KR1020130105957A
Other languages
English (en)
Inventor
신창필
김정철
권용찬
Original Assignee
계양전기 주식회사
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 계양전기 주식회사 filed Critical 계양전기 주식회사
Priority to KR1020130105957A priority Critical patent/KR101448677B1/ko
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02P2203/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the means for detecting the position of the rotor
    • H02P2203/03—Determination of the rotor position, e.g. initial rotor position, during standstill or low speed operation

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치는 BLDC 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하는 역기전력 측정부와, 기준전압을 기준으로 역기전력 신호의 제로 크로싱을 판별하여 BLDC 모터의 회전자 위치를 검출하는 제어부를 포함한다. 제어부는 제로 크로싱으로 회전자 위치를 검출한 후, 역기전력 신호의 변화량과 기 설정된 기준전압을 기초로 역기전력 오차율을 계산하고, 역기전력 오차율로부터 회전자 위치 오차량을 계산하여 기 검출된 회전자 위치를 보정한다.
이에 따라, 역기전력을 이용해 회전자의 위치 오차를 보상하여 회전자의 위치를 보다 정확히 파악함으로써 모터 제어의 정확성을 높일 수 있고, 모터의 오동작, 성능 저하 및 시스템 불안정을 예방할 수 있게 된다.

Description

BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING ROTOR POSITION OF BRUSHLESS DC MOTOR}
본 발명은 BLDC(Brushless Direct Current) 모터의 회전자 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 센서리스(Sensorless) 제어 기법을 사용하는 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
브러시 없이 전자적으로 정류를 수행하는 BLDC 모터는 소형화된 크기, 우수한 제어 성능 및 고효율 등의 장점으로 인해 널리 적용되고 있다.
이러한 BLDC 모터는 영구자석으로 된 회전자와 전자석으로 된 그 외곽의 고정자를 구비한다. 고정자 권선에 교류전류를 흘려주면 회전자계가 발생하고 그 결과 회전자에 설치된 자석이 회전자계에 동기되어 회전하게 된다.
회전자의 자석과 고정자에서 형성되는 회전자계의 동기를 위해서는 회전자의 위치 검출이 요구되며, 이를 위해 하나 이상의 회전자 위치 검출 센서가 필요하다.
회전자 위치 검출 센서로는 홀 센서(Hall effect sensor)가 사용되는 경우가 많으나, 홀 센서는 쉽게 파손되거나, 온도 등의 외부 요인에 의해 고장 또는 오동작을 일으킬 수 있는 단점이 있다. 또한, 모터 구조에 따라 홀 센서의 설치가 어려운 경우도 있다.
전술한 문제로 인해, 위치 검출 센서 없이 모터를 구동하는 센서리스 제어 기법이 모색되었다.
센서리스 제어 기법으로는 여러 가지 방안이 제안되어 있으나, 그 중 120° 통전 방식을 이용하고, 비통전 기간에 발생하는 제로 크로싱 지점(Zero-corssing point)을 감지하여 그로부터 회전자의 위치를 파악하는 방법이 주로 사용되고 있다. 제로 크로싱 지점은 역기전력이 상승 또는 하강하여 기준전압과 교차하는 순간을 의미한다.
이러한 방법에서는 일정 주기마다 역기전력을 샘플링하여 사용함에 따라, 제로 크로싱 지점 검출에 있어 최대 해당 주기만큼의 오차가 발생될 수 있다. 제로 크로싱 지점 검출 오차는 회전자 위치 추정에서의 오차로 이어져 모터의 오동작, 성능 저하 및 시스템 불안정을 야기시키게 되는 문제점이 있다. 역기전력의 주기가 짧아지는 고속 영역으로 갈수록 회전자 위치 추정 오차의 영향은 더 크게 나타나게 된다.
KR 10-0629006 B1, 2006. 06. 21, 명칭: 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 구동장치
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 회전자의 위치 오차를 보상하여 회전자의 위치를 보다 정확히 파악함으로써 모터 제어의 정확성을 높이고, 모터의 오동작, 성능 저하 및 시스템 불안정을 예방할 수 있는 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치는, BLDC 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하는 역기전력 측정부; 및 기 설정된 기준전압을 기준으로 상기 역기전력 신호의 제로 크로싱을 판별하여 상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 검출하되, 상기 역기전력 신호의 변화량과 상기 기준전압을 기초로 역기전력 오차율을 계산하고, 상기 계산된 역기전력 오차율로부터 회전자 위치 오차량을 계산하여 상기 검출된 회전자 위치를 보정하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 역기전력 오차율을 eerror, 제로 크로싱 판별의 기준이 되는 기준전압을 VREF, 샘플링된 현재 역기전력 값과 이전 역기전력 값을 각각 eN, eN -1이라고 할 때, '
Figure 112013080864318-pat00001
'의 수학식에 의해 역기전력 오차율을 계산할 수 있다.
상기 제어부는, 회전 각속도와 샘플링 주기를 곱하여 회전자 위치 변화량을 계산하고, 상기 계산된 회전자 위치 변화량에 상기 계산된 역기전력 오차율을 곱하여 회전자 위치 오차량을 계산하며, 상기 계산된 회전자 위치 오차량에 따라 상기 검출된 회전자 위치를 보정할 수 있다.
상기 제어부는, 한 샘플링 주기 동안의 회전자 위치 오차량을 θd, 회전자 위치 변화량을 Δθ, 역기전력 오차율을 eerror라고 할 때, '
Figure 112013080864318-pat00002
'의 수학식에 의해 회전자 위치 오차량을 계산할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 방법은, 장치가 BLDC 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하는 단계; 상기 장치가 기 설정된 기준전압을 기준으로 상기 역기전력 신호의 제로 크로싱을 판별하여 상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 검출하는 단계; 상기 장치가 상기 역기전력 신호의 변화량과 상기 기준전압을 기초로 역기전력 오차율을 계산하는 단계; 및 상기 장치가 상기 계산된 역기전력 오차율로부터 회전자 위치 오차량을 계산하여 상기 검출된 회전자 위치를 보정하는 단계를 포함한다.
여기서, 역기전력 오차율을 eerror, 제로 크로싱 판별의 기준이 되는 기준전압을 VREF, 샘플링된 현재 역기전력 값과 이전 역기전력 값을 각각 eN, eN -1이라고 할 때, '
Figure 112013080864318-pat00003
'의 수학식에 의해 역기전력 오차율이 계산될 수 있다.
상기 회전자 위치 보정 단계는, 상기 장치가 회전 각속도와 샘플링 주기를 곱하여 회전자 위치 변화량을 계산하는 단계; 상기 장치가 상기 계산된 회전자 위치 변화량에 상기 계산된 역기전력 오차율을 곱하여 회전자 위치 오차량을 계산하는 단계; 및 상기 장치가 상기 계산된 회전자 위치 오차량에 따라 상기 검출된 회전자 위치를 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 한 샘플링 주기 동안의 회전자 위치 오차량을 θd, 회전자 위치 변화량을 Δθ, 역기전력 오차율을 eerror라고 할 때, '
Figure 112013080864318-pat00004
'의 수학식에 의해 회전자 위치 오차량이 계산될 수 있다.
본 발명에 의한 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치 및 방법에 따르면, 역기전력을 이용해 회전자의 위치 오차를 보상하여 회전자의 위치를 보다 정확히 파악함으로써 모터 제어의 정확성을 높일 수 있고, 그에 따라 모터의 오동작, 성능 저하 및 시스템 불안정을 예방할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치를 나타낸 개략적 구성도.
도 2는 도 1에 나타난 BLDC 모터의 구동 방식을 예시한 이상적인 파형도.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 구동 방식을 적용할 경우 BLDC 모터의 회전자 위치 보상 원리를 설명하기 위한 예시적인 파형도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 방법을 나타낸 흐름도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치 및 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치를 나타낸 개략적 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치는 컨버터부(10), 인버터부(20), 역기전력 측정부(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
컨버터부(10)는 전원 입력단의 교류전원을 직류전원으로 변환한다.
인버터부(20)는 컨버터부(10)에서 변환된 직류전원을 3상 교류전원으로 변환시켜 BLDC 모터(M)에 인가함으로써 BLDC 모터(M)를 구동한다. 전술한 인버터부(20)는 예를 들면, 6개의 동작 소자들로 구성된 스위칭 회로를 구비하는 것으로, 컨버터부(10)로부터 제공되는 직류전원을 원하는 주파수의 3상 교류전원으로 변환하여 BLDC 모터(M)에 인가한다.
BLDC 모터(M)는 인버터부(20)로부터 출력되는 3상 교류전원에 의해 구동되어 회전한다.
BLDC 모터(M)의 회전자가 회전함에 따라 고정자 권선에는 역기전력이 유도되는데, 역기전력 측정부(30)는 이러한 역기전력 신호를 측정하여 제어부(40)에 피드백한다.
제어부(40)는 역기전력을 이용한 센서리스 제어 기법을 근간으로 하여 BLDC 모터(M)를 구동한다.
즉, 제어부(40)는 역기전력 측정부(30)에서 검출되는 BLDC 모터(M)의 역기전력 신호로부터 BLDC 모터(M)의 회전자 위치를 파악하여 회전자의 위치에 따라 제어 신호를 발생시킨다. 역기전력의 제로 크로싱 지점 검출로부터 회전자 위치가 추정되며 그 결과에 맞추어 인버터부(20)의 스위칭 상태를 조절하기 위한 제어 신호가 출력된다.
역기전력 신호에서 발생하는 제로 크로싱 이벤트를 검출하기 위해, 제어부(40)는 역기전력 측정부(30)에서 제공되는 역기전력 신호를 일정 샘플링 주기마다 샘플링한다. 예를 들어, 제어부(40)는 제어 신호를 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) 주파수와 동일한 속도로 역기전력 신호를 샘플링하도록 샘플링 주파수를 설정할 수 있다.
또한, 제어부(40)는 샘플링되는 역기전력 값들을 감시하면서 기준전압을 기준으로 제로 크로싱을 판별하여 BLDC 모터(M)의 회전자 위치를 검출한다.
이러한 과정에서, 샘플링 간격으로 인한 제로 크로싱 검출 오차와 이에 기인하는 회전자 위치 추정 오차가 발생할 수 있는바, 제어부(40)는 역기전력을 이용한 위치 오차 보상을 수행하여 보다 정확한 회전자 위치를 파악한다.
구체적으로, 위치 오차 보상을 위해, 제어부(40)는 역기전력 신호의 변화량과 기 설정된 기준전압에 기반하여 역기전력 오차율을 계산하고, 계산된 역기전력 오차율로부터 회전자 위치 오차량을 계산하여 회전자 위치를 보정하게 된다.
이와 같이, 제어부(40)는 BLDC 모터(M)가 회전할 때 유기되는 역기전력을 감시하여 그로부터 역기전력 오차율을 얻고 이를 기초로 회전자 위치 오차량을 구하여 위치 오차를 보상함으로써 회전자의 정확한 위치를 추정한다.
제어부(40)의 후단에서는, 제어부(40)에서 출력되는 제어 신호에 따라 인버터부(20)의 동작 소자들이 선택적으로 온 및 오프되면서 회전자의 보정된 위치에 대응하는 3상 전류를 출력하여 BLDC 모터(M)를 구동시키게 된다.
도 2는 도 1에 나타난 BLDC 모터의 구동 방식을 예시한 이상적인 파형도로서, 120° 통전 방식을 적용하여 BLDC 모터(M)를 구동하는 경우를 가정한 것이다.
120° 통전 방식은 3상(a상, b상, c상)으로 이루어진 고정자 권선의 각 상에 번갈아 하이(H), 로우(L), 오픈(O) 상의 전압을 인가하며, 그 전압에 의해 고정자 권선에 발생되는 자기력으로 회전자를 회전시켜 BLDC 모터(M)를 구동하는 방식이다.
도 2에서, θr은 BLDC 모터(M)의 회전각, 즉 회전자 위치로서 0°~ 360°의 값을 가진다. ea, eb, ec는 각 권선의 역기전력, ia, ib, ic는 각 권선의 상전류이다.
동작 모드 1부터 동작 모드 6까지 6개의 동작 모드, 즉 6가지 스위칭 상태가 정의되며, 제어부(40)는 인버터부(20)의 스위칭 상태를 동작 모드 1 내지 동작 모드 6으로 순차적으로 변화시켜 회전자계를 만들어 줄 수 있다. 이와 같이 만들어진 고정자의 회전자계와 회전자의 영구자석에 의한 자계의 상호 작용에 의해 일정 토크가 발생하여 BLDC 모터(M)가 회전하게 된다.
회전 시에, BLDC 모터(M)의 각 권선은 렌츠의 법칙에 따라 각 권선에 인가되는 주 전압과 반대의 극성을 갖은 역기전력을 발생시킨다.
도 2를 참조하면, 모든 동작 모드에 있어서, 두 개의 권선이 여자(Excitation)될 때 다른 한 개의 권선은 여자되지 않는다. 예를 들어, 동작 모드 1에서는, a상, b상의 권선이 여자되고, c상의 권선이 여자되지 않는다.
각 동작 모드(예컨대, 동작 모드 1)에 있어 여자되지 않는 한 개의 권선(예컨대, c상의 권선)에서는 오픈 상(Open Phase)의 역기전력 신호(예컨대, eC)가 제로 크로싱 지점(ZCP)을 통과하며 이로부터 회전자 위치(예컨대, 30°)를 파악할 수 있다.
예시하고 있는 120° 통전 방식에서는, 제로 크로싱 이벤트가 발생하는 기계각 기준 6개의 회전자 위치가 존재한다. 도 2를 참조하면, 0°~ 360°의 회전각 범위에서 여자되지 않는 각 권선당 2개, 총 6개의 회전자 위치(30°, 90°, 150°, 210°, 270°, 330°)가 존재함을 알 수 있다. 이와 같이 제로 크로싱이 발생하는 회전자 위치를 절대 위치라고 한다.
제어부(40)는 여자되지 않은 권선의 역기전력을 기 설정된 기준전압(VREF)과 비교하여 제로 크로싱을 판별함으로써 절대 위치를 검출할 수 있다.
대부분의 경우, 제로 크로싱 지점(ZCP)을 검출하기 위한 기준전압(VREF)은 BLDC 모터(M)에 인가되는 직류전압의 절반값(VDC/2)이다. 즉, BLDC 모터(M)의 역기전력이 입력 직류전압의 절반값이 될 때, 제로 크로싱 이벤트가 발생한 것으로 판단한다.
한편, 각 동작 모드의 경계 지점에서 상전환(Commutation)이 발생하여 여자되는 권선이 한 상(예를 들어, a상)에서 다른 상(예를 들어, b상)으로 바뀐다.
그러므로, 회전자 위치에 따라 하나의 동작 모드를 다른 동작 모드로 바꾸어 스위칭 상태를 변화시키기 위해서는, 동작 모드의 경계 지점을 검출하는 것이 필요하다.
도 2를 참조하면, 역기전력의 제로 크로싱 지점(ZCP)과 상전환이 발생하는 경계 지점(예를 들어, 330°와 360°)과는 30°의 오프셋이 존재한다. 즉, 제로 크로싱 지점부터 30°가 지난 지점이 바로 상전류를 전환하는 경계 지점이 되므로, 해당 경계 지점에서 현재 동작 모드를 다음 동작 모드로 바꾸어 스위칭 상태를 순서에 따라 전환하면 된다.
예를 들어, 한 상에서 제로 크로싱 이벤트가 검출되는 경우 제어부(40)에 내장된 타이머가 제로 크로싱 검출 시점으로부터 회전각 30°에 대응하는 시간을 측정하여 인터럽트를 발생시킴으로써 해당 권선을 다음 스위칭 상태로 상전환할 시간이 되었음을 알릴 수 있을 것이다.
제어부(40)는 이와 같이 여자되지 않은 오픈 상(Open Phase)의 역기전력 신호에서 발생하는 제로 크로싱을 검출하여 회전자 위치를 파악하고, 그로부터 일정(예를 들어, 30°) 오프셋을 두고 상전환 시점을 결정하여 동작 모드를 바꿈으로써 인버터부(20)의 스위칭 상태를 전환할 수 있다.
이와 같은 구성에 있어서, 전술한 바와 같이 역기전력 신호의 샘플링 간격에 의해 제로 크로싱 검출 오차가 발생할 수 있고, 이는 회전자 위치 추정 오차를 발생시킬 수 있다.
그러므로, 제어부(40)는 발생 가능한 제로 크로싱 검출 오차를 보상하기 위하여, 역기전력 오차율 및 이에 근거한 회전자 위치 오차량에 의해 제로 크로싱으로 검출한 위치를 보정한 후 보정된 정확한 위치에 따라 동작 모드의 전환 시점을 결정할 수 있게 된다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 구동 방식을 적용할 경우 BLDC 모터의 회전자 위치 보상 원리를 설명하기 위한 예시적인 파형도이다.
전술한 바와 같이, 제어부(40)는 BLDC 모터(M)의 역기전력 신호를 감시하여 제로 크로싱 지점을 검출하고 이로부터 회전자 위치를 검출하며, 여기에 회전자 위치 오차량을 적용하여 검출된 회전자 위치를 보정함으로써 회전자 실제 위치를 구한다. 이와 같이, 회전자 위치 보상을 거쳐 획득한 회전자 실제 위치에 따라 인버터부(20)의 스위칭 상태가 제어된다.
여기서, 회전자 위치 오차량을 θd라고 하면, θd는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112013080864318-pat00005
수학식 1에서, Δθ는 한 샘플링 주기 동안의 회전자 위치 변화량, eerror는 역기전력 오차율이다.
역기전력 오차율 eerror는 다음의 수학식 2에 의해 얻어질 수 있다.
Figure 112013080864318-pat00006
여기서, VREF는 제로 크로싱을 판별하기 위한 기준전압 , eN은 현재 샘플링 주기에 샘플링된 현재 역기전력 값, eN -1은 이전 샘플링 주기에 샘플링된 이전 역기전력 값이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하여 전술한 수학식 1, 2의 도출 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3a는 도 2에 나타난 임의의 제로 크로싱 지점(ZCP)인 회전자 위치 330° 지점을 확대하여 도시한 것이다.
제어부(40)는 일정 샘플링 주기(TS)마다 BLDC 모터(M)의 역기전력 신호를 샘플링해 가며 역기전력 신호의 변화를 감시하여 기준전압(VREF)을 기준으로 한 제로 크로싱 이벤트의 발생을 검출할 수 있다.
도 3a를 참조하면, a상의 역기전력 신호(ea) 파형에서, eN은 현재 샘플링 주기(TN)에 샘플링된 현재 역기전력 값이고, eN -1은 이전 샘플링 주기(TN -1)에 샘플링된 이전 역기전력 값이다. VREF는 제로 크로싱을 판별하는 기준이 되는 기준전압으로서, 통상 입력 직류전압의 절반값(VDC/2)이 기준전압이 된다.
제어부(40)는 a상의 역기전력 신호(ea)로부터 샘플링한 현재 역기전력 값(eN)과 이전 역기전력 값(eN -1)을 기준전압(VREF)과 비교하여 제로 크로싱의 발생을 인지할 수 있다. 또한, 예를 들어 샘플링한 두 역기전력 값(eN -1, eN)의 기울기와 같은 정보로 a상의 역기전력 신호(ea)에서 발생하는 이상적인 두 개의 제로 크로싱 지점에 대응하는 절대 위치(예를 들어, 150°, 330°) 중 하나를 특정할 수 있다.
이에 따라, 도 3b에 도시된 바와 같이 해당 제로 크로싱 지점에 대응하는 절대 위치인 θT가(예를 들어, 330°) 검출된다. 제로 크로싱 발생 시에 현재 역기전력 값(eN)에 대응하여 절대 위치인 θT가 검출되는 것이다.
그런데, 여기서 검출되는 회전자 위치 θT는 샘플링 주기로 인한 오차를 포함하는 값으로서, 이에 대응하는 역기전력 절대값은 eN이 아닌 eT이고, 오차 보상을 통해 검출하여야 하는 실제 회전자 위치는 θT가 아닌 θ이다.
즉, 도 3b에 도시된 것처럼, 위치 오차 보상 전에 제로 크로싱 판별에 의해 검출되는 회전자 위치가 절대 위치 θT라고 가정할 경우, 위치 오차 보상을 통해 궁극적으로 얻고자 하는 회전자 실제 위치의 값은 θ이다. 그러므로, 회전자 위치 오차량은 θd이며, 이 값을 구하여 제로 크로싱으로 기 검출한 절대 위치 θT를 보정함으로써 위치 오차를 보상하여 회전자 실제 위치 θ를 얻어내야 한다. △θ는 한 샘플링 주기(TS) 동안의 회전자 위치 변화량이다.
회전자 위치는 역기전력 파형과 관계되므로, 샘플링된 두 개의 역기전력 값(eN -1, eN)으로부터 역기전력 오차정보를 얻으면 이로부터 회전자 위치 오차정보를 얻어낼 수 있다.
이에, 회전자 위치 오차량(θd)를 구하기 위해 먼저, 도 3c에 도시된 바와 같이 현재 역기전력 값(eN)과 역기전력 절대값(eT)의 차이에 의해 역기전력 오차량 ed을 구한다. 역기전력 오차량(ed)은 'ed = eN-eT'를 만족한다. 또한, 한 샘플링 주기(TS) 동안의 역기전력 변화량을 △e라 할 때, 역기전력 변화량(△e)은 '△e = eN-eN-1'를 만족한다.
이로부터 한 샘플링 주기(TS) 동안의 역기전력 오차량의 비율, 즉 역기전력 오차율 eerror를 구해보면 다음의 수학식 3을 만족한다.
Figure 112013080864318-pat00007
eT = VREF이므로, 수학식 3으로부터 수학식 2가 도출될 수 있다.
여기서는, '역기전력 값 < VREF'인 상태에서 '역기전력 값 > VREF'인 상태로 바뀌어 역기전력 신호의 기울기가 (+) 값을 가지는 경우를 가정하여 제로 크로싱을 검출하고 역기전력 오차율(eerror)을 구하는 방식을 예시하고 있다.
그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 반대로 '역기전력 값 > VREF'인 상태에서 '역기전력 값 < VREF'인 상태로 바뀌어 역기전력 신호의 기울기가 (-) 값을 가지는 경우에도 마찬가지로 제로 크로싱을 검출하고 수학식 2를 적용하여 역기전력 오차율(eerror)을 구할 수 있다. 이러한 경우에는 수학식 2에 있어 분자인 'eN-VREF'와 분모인 'eN-eN -1'의 부호가 모두 (-)가 되어 서로 상쇄된다.
한편, 한 샘플링 주기(TS) 동안의 역기전력 오차율(eerror)은 한 샘플링 주기(TS) 동안의 회전자 위치 오차율과 동일하다.
그러므로, 도 3d에 도시된 바와 같이 회전자 위치 오차량 θd에 대하여 다음의 수학식 4가 성립한다.
Figure 112013080864318-pat00008
여기서, eerror는 역기전력 오차율로서 회전자 위치 오차율과 동일한 값을 가진다. Δθ는 한 샘플링 주기 동안의 회전자 위치 변화량으로서, 다음의 수학식 5에 의해 구할 수 있다.
Figure 112013080864318-pat00009
여기서, ωe는 회전 각속도이고, TS는 샘플링 주기이다.
이와 같이, 수학식 4 및 5에 의해 회전자 위치 오차량 θd을 구할 수 있다. 또한, 제로 크로싱으로 검출한 절대 위치 θT에 회전자 위치 오차량 θd를 반영하여 회전자 실제 위치 θ 값을 얻을 수 있다.
예를 들어, 제로 크로싱 판별에 의해 절대 위치인 θT = 330°가 검출되고 회전자 위치 오차량 θd = 3°로 계산된 경우라면, 제어부(40)가 위치 보상을 수행하여 회전자 실제 위치 θ = 333°를 구한 후, 이에 따라 30°가 아닌 27°에 대응하는 시간을 측정하고 해당 시점을 상전환 시점으로 인지하여 다음 동작 모드로의 전환을 명령할 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 방법을 나타낸 흐름도로서, 도 3a 내지 도 3d에서 설명한 BLDC 모터의 회전자 위치 보상 원리를 적용하고 있다.
역기전력 측정부(30)는 BLDC 모터(M)의 고정자에 유도되는 역기전력을 측정하여 제어부(40)로 출력한다(S10).
제어부(40)는 역기전력 측정부(30)를 통해 검출되는 역기전력 신호를 일정 샘플링 주기(TS)마다 샘플링하여 역기전력 신호의 변화를 감시하며, 기 설정된 기준전압(VREF)을 기준으로 역기전력 신호의 제로 크로싱을 판별(S20)하여 BLDC 모터(M)의 회전자 위치를 검출한다(S30). 이에 따라, 현재 역기전력 값(eN)에 대응하는 회전자 위치(θT)가 검출된다.
이후, 제어부(40)는 기 설정된 기준전압(VREF)과, 샘플링으로 획득한 현재 역기전력 값(eN)및 이전 역기전력 값(eN -1)을 기초로 역기전력 오차율(eerror)을 계산한다(S40). 역기전력 오차율(eerror)은 전술한 수학식 2에 의해 계산할 수 있다.
계속해서, 제어부(40)는 S40에서 계산된 역기전력 오차율(eerror)로부터 회전자 위치 오차량(θd)을 계산하고 이를 반영하여 S30에서 얻은 회전자 위치(θT)를 보정함으로써 회전자 실제 위치(θ)를 구한다(S50 ~ S70).
회전자 위치 보정 단계는 S50 내지 S70으로 세분화될 수 있다.
먼저, 제어부(40)는 회전 각속도(ωe)와 샘플링 주기(TS)를 곱하여 회전자 위치 변화량(Δθ)을 계산한다(S50). 이를 수학식으로 나타내면 전술한 수학식 5와 같다.
역기전력 오차율(eerror)은 회전자 위치 오차율과 동일한 값을 가지므로, 제어부(40)는 S50에서 계산한 회전자 위치 변화량(Δθ)에 S40에서 계산한 역기전력 오차율(eerror)을 곱하여 전술한 수학식 4와 같이 회전자 위치 오차량(θd)을 계산할 수 있다(S60).
수학식 4에 의해 회전자 위치 오차량(θd)이 계산되면, 제어부(40)는 이를 S30에서 검출한 회전자 위치(θT)에 반영하여 해당 회전자 위치(θT)를 보정함으로써 회전자 실제 위치(θ)의 값을 얻을 수 있다(S70).
이와 같이, 역기전력 신호의 제로 크로싱에 기반하여 BLDC 모터(M)의 회전자 위치를 결정한 후 역기전력 오차율과 그로부터 구해지는 회전자 위치 오차량을 반영하여 기 결정된 회전자 위치의 오차를 보상함으로써 보다 정확한 회전자 위치를 얻을 수 있게 된다.
이후, 제어부(40)는 S70에서 얻어진 회전자 실제 위치(θ)에 따라 제어 신호를 발생시켜 BLDC 모터(M)의 정확한 회전자 위치에 맞게 인버터부(20)의 스위칭 상태를 제어함으로써 모터 제어의 정확성을 높일 수 있게 된다.
본 발명에 따른 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치 및 방법의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10: 컨버터부
20: 인버터부
30: 역기전력 측정부
40: 제어부
M: BLDC 모터

Claims (8)

  1. BLDC 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하는 역기전력 측정부; 및
    기 설정된 기준전압을 기준으로 상기 역기전력 신호의 제로 크로싱을 판별하여 상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 검출하되, 상기 역기전력 신호의 변화량과 상기 기준전압을 기초로 역기전력 오차율을 계산하고, 상기 계산된 역기전력 오차율로부터 회전자 위치 오차량을 계산하여 상기 검출된 회전자 위치를 보정하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 회전 각속도와 샘플링 주기를 곱하여 회전자 위치 변화량을 계산하고, 상기 계산된 회전자 위치 변화량에 상기 계산된 역기전력 오차율을 곱하여 회전자 위치 오차량을 계산하며, 상기 계산된 회전자 위치 오차량에 따라 상기 검출된 회전자 위치를 보정하는 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    역기전력 오차율을 eerror, 제로 크로싱 판별의 기준이 되는 기준전압을 VREF, 샘플링된 현재 역기전력 값과 이전 역기전력 값을 각각 eN, eN -1이라고 할 때,
    Figure 112013080864318-pat00010

    의 수학식에 의해 역기전력 오차율을 계산하는 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    한 샘플링 주기 동안의 회전자 위치 오차량을 θd, 회전자 위치 변화량을 Δθ, 역기전력 오차율을 eerror라고 할 때,
    Figure 112014081489290-pat00011

    의 수학식에 의해 회전자 위치 오차량을 계산하는 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 장치.
  5. 장치가 BLDC 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하는 단계;
    상기 장치가 기 설정된 기준전압을 기준으로 상기 역기전력 신호의 제로 크로싱을 판별하여 상기 BLDC 모터의 회전자 위치를 검출하는 단계;
    상기 장치가 상기 역기전력 신호의 변화량과 상기 기준전압을 기초로 역기전력 오차율을 계산하는 단계; 및
    상기 장치가 상기 계산된 역기전력 오차율로부터 회전자 위치 오차량을 계산하여 상기 검출된 회전자 위치를 보정하는 단계를 포함하되,
    상기 회전자 위치 보정 단계는,
    상기 장치가 회전 각속도와 샘플링 주기를 곱하여 회전자 위치 변화량을 계산하는 단계;
    상기 장치가 상기 계산된 회전자 위치 변화량에 상기 계산된 역기전력 오차율을 곱하여 회전자 위치 오차량을 계산하는 단계; 및
    상기 장치가 상기 계산된 회전자 위치 오차량에 따라 상기 검출된 회전자 위치를 보정하는 단계를 포함하는 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    역기전력 오차율을 eerror, 제로 크로싱 판별의 기준이 되는 기준전압을 VREF, 샘플링된 현재 역기전력 값과 이전 역기전력 값을 각각 eN, eN -1이라고 할 때,
    Figure 112013080864318-pat00012

    의 수학식에 의해 역기전력 오차율을 계산하는 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 방법.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    한 샘플링 주기 동안의 회전자 위치 오차량을 θd, 회전자 위치 변화량을 Δθ, 역기전력 오차율을 eerror라고 할 때,
    Figure 112014081489290-pat00013

    의 수학식에 의해 회전자 위치 오차량을 계산하는 BLDC 모터의 회전자 위치 추정 방법.
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