KR100320175B1 - 비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법에 관한 것으로, 종래에는 인버터의 스위칭소자를 이용하여 비엘디씨 모터로 3상전압 공급하여 전압 및 전류를 제어할 때 상도통시(120도 도통) 일정한 듀티비로 제어하기 때문에 코깅토크 리플이 발생하고, 이러한 코깅토크 리플은 영구자석 양 끝단을 둥글게 하여 어느정도 줄일 수 있으나 이는 영구자석의 라운딩(Rounding) 가공에 의한 가공비 상승의 문제가 있다. 따라서 본 발명은 PWM 제어에 의해 비엘디씨 모터로 인가되는 전압 및 전류를 조절하여 모터를 구동시키는 제1단계와, 상기 제1단계에서 모터가 구동되는 전류도통구간중에 코깅토크와 자기토크의 방향을 체크하는 제2단계와, 상기에서 코깅토크와 자기토크가 같은 방향으로 작용하면 PWM 펄스의 듀티비를 감소시키는 제3단계와, 상기 제2단계에서 코깅토크와 자기토크가 반대 방향으로 작용하면 PWM 펄스의 듀티비를 증가시키는 제4단계와, 상기 제3단계 및 제4단계에서 조절된 PWM 펄스의 듀티비로 비엘디씨 모터에 인가되는 전압을 조절하여 토크리플을 줄이는 제5단계로 동작시켜, 코깅 토크리플을 저감시키고, 이에따라 저속운전시 소음 및 진동을 줄이도록 한 것이다.

Description

비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법{REDUCTION OF COGGING TORQUE RIPPLE OF A BLDC MOTOR}
본 발명은 비엘디씨 모터의 슬롯(Slot)에 의해 발생하는 코깅토크에 의한 토크 리플을 저감시키기 위한 비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법에 관한 것으로, 특히 코깅토크가 자기토크와 같은 방향으로 작용할 때는 듀티비를 감소시키고, 코깅토크가 자기토크와 반대 방향으로 작용할 때는 듀티비를 증가시켜 토크리플을 저감시키도록 한 비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 비엘디씨 모터의 구동회로도로서, 이에 도시된 바와같이, 입력되는 교류전원을 정류하여 일정한 직류전압으로 변환시켜 출력하는 정류부(10)와, 상기 정류부(10)에서 직류전압 공급시 인가되는 게이트신호에 따라 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에 인가되는 전압 및 주파수를 조절하는 인버터(20)와, 상기 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에 인가되는 3상전압을 검출하여 회전자의 위치를 검출하고, 그 검출한 위치신호를 출력하는 회전자 위치 검출부(40)와, 상기 회전자 위치 검출부(40)에서 검출한 회전자 위치에 따라 속도를 제어하기 위한 펄스폭변조신호를 출력하는 마이크로 컴퓨터(50)와, 상기에서 출력되는 펄스폭변조신호를 받아 인버터(20)의 스위칭소자를 구동시키기 위한 3상의 게이트신호를 출력하는 게이트신호 발생부(60)로 구성한다.
이와같이 구성된 종래기술에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
비엘디씨 모터(Brushless DC Motor)는 넓은 가변속범위에 걸쳐 효율이 높으므로 냉장고/에어컨용 압축기 및 세탁기의 가변속 운전을 구현하기 위하여 현재 가장 많이 사용되고 있다.
이와같이 가변속 운전을 행하는 비엘디씨 모터의 구동회로에 대하여 도 1 및 도 2에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.
전원전압단으로 부터 AC 220V 60Hz의 교류전원을 공급하면, 이를 정류부(10)에서 정류하여 310V의 직류전압으로 변환하여 인버터(20)로 공급한다.
이때 마이크로 컴퓨터(50)는 부하에 따라 속도를 결정하고, 그 결정된 속도에 대응하는 펄스폭변조(PWM) 펄스를 게이트신호 발생부(60)로 제공한다.
그러면 상기 게이트신호 발생부(60)는 인버터(20)의 6개의 스위칭소자(A+,A-,B+,B-,C+,C-)를 턴온 또는 턴오프시키기 위하여 도 2(b)에서와 같은 게이트신호를 인버터(20)로 제공한다.
따라서 상기 인버터(20)의 6개 스위칭소자가 번갈아 가면서 턴온 또는 턴오프되어 발생하는 3상전압과 전류를 비엘디씨 모터(BLDC Motor)로 공급한다.
따라서 상기 비엘디씨 모터(BLDC Motor)가 회전하게 되고, 상기 모터가 회전함에 따라 도 2(a)에서와 같이 각 상에서 유기전압(emf)과 상전류가 흐르게 된다.
상기 회전자 위치 검출부(40)는 상기 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에 인가되는 3상 전압을 검출하여 회전자의 위치를 검출하고, 그 검출한 회전자 위치에 대한 위치신호를 마이크로 컴퓨터(50)로 출력시킨다.
그러면 상기 마이크로 컴퓨터(50)는 상기 회전자 위치 검출부(40)에서 검출한 회전자 위치에 따라 부하의 회전자속도를 임의로 제어하기 위해서는 고정자 권선에 인가되는 전압 또는 전류의 크기를 변화시켜야 한다.
이를 위해 인버터(20)의 스위칭소자 6개중 A+,B+,C+ 스위칭소자 또는 A-,B-,C- 스위칭소자의 게이트신호를 펄스폭변조(PWM) 펄스에 의해 일정시간 온/오프하여 전압 또는 전류의 크기를 제어한다.
이에따라 비엘디씨 모터(BLDC Motor)가 회전하게 되고, 상기 모터가 회전하게 따라 도 2(c)에 도시한 바와같은 모터 발생토크가 발생하고, 상기 모터 발생토크는 아래식 (1)(2)와 같이 주어진다.
비엘디씨 모터(BLDC Motor)는 회전자의 영구자석에 의한 자속(Flux)과 고정자 권선(Stator Winding)에 흐르는 정류에 의한 자속의 쇄교(Linkage)에 의해 회전하는 토크가 발생한다.
고정자 권선은 고정자의 개슬롯(open slot)에 상(phase)별로 감겨있고, 회전자의 위치에 따라 토크를 발생할 수 있도록 회전자계(rotating field)를 형성한다.
그러나 고정자 권선을 감기위한 개슬롯과 회전자의 영구자석에 의해 도 4에서와 같은 코깅토크(Cogging Torque)가 발생한다.
도 4에서, 회전자가 A위치에 있을때는 회전자의 영구자석에 의해 자속이 고정자 투쓰(Tooth)에 균일하게 분포하므로 코깅토크는 영(zero)이 된다.
그리고 회전자가 반시계방향(CCW)으로 회전하여 B위치에 있을 때는 회전자 영구자석의 양 끝단부분에 의한 자속이 고정자 투쓰(Tooth)에 불균일하게 분포되므로 회전방향과 반대인 시계방향의 코깅토크가 발생한다.
코깅토크는 회전자의 위치에 따라 주기적으로 나타나며, 주파수는 회전자의 극수(Number of Pole)와 고정자 슬롯수의 최소공배수이다.
가령 전류가 A상에서 B상으로 흐를 경우, 즉 A상과 B상이 도통(Conduction)될 때 인버터(20)는 정류부(10)의 직류 링크전압을 수 kHz의 고주파로 변조하여 부하에 맞는 전류를 모터의 고정자 권선에 인가한다.
이를 펄스폭변조(PWM)라 하며, 펄스폭변조(PWM) 한주기 시간에 대한 인버터의 스위칭소자의 온시간을 듀티비라고 하며, 듀티비는 아래의 식(3)과 같이 주어진다.
여기서,은 스위칭소자의 온시간,: 스위칭소자의 오프시간,: 한주기시간
이때 인버터(20)의 스위칭소자로 인가되는 게이트신호에 따른 모든 토크의 파형을 살펴보면 도 3에서와 같이 나타난다.
즉, 도 3에서는 게이트신호 발생부(60)에서 발생되는 도 3(a)의 게이트신호, 모터의 고정자권선에 흐르는 전류에 의한 자기력(MMF : Magneto-Motive-Force)과 회전자 영구자석에 의한 자기력에 의해 발생하는 도 3(b)의 자기토크, 코깅토크 및 총토크가 각각 나타나 있다.
이상에서와 같은 과정에 의해 비엘디씨 모터(BLDC Motor)가 구동되어 냉장고/에어컨용 압축기 및 세탁기의 가변속 운전을 구현한다.
그러나, 상기에서와 같은 종래기술에서, 인버터의 스위칭소자를 이용하여 비엘디씨 모터로 3상전압을 공급하여 전압 및 전류를 제어할 때 상도통시(120도 도통) 일정한 듀티비로 제어하기 때문에 도 4에서와 같은 코깅토크 리플이 발생하고, 이러한 코깅토크 리플은 영구자석 양 끝단을 둥글게 하여 어느정도 줄일 수 있으나 이는 영구자석의 라운딩(Rounding) 가공에 의한 가공비 상승의 문제가 있다.
따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 코깅토크가 자기토크와 같은 방향으로 작용할 때 듀티비를 감소시켜 코깅토크를 저감시키도록 한 비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 코깅토크가 자기토크와 반대 방향으로 작용할 때 듀티비를 증가하여 코깅토크를 저감시키도록 한 비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 코깅토크 리플을 저감시켜 냉장고, 에어컨, 세탁기 등에 적용되는 비엘디씨 모터의 저속운전시 진동 및 소음을 줄이도록 한 비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래 비엘디씨 모터의 구동회로도.
도 2는 도 1에서, 상전류 및 토크 파형도.
도 3은 도 1에서, 게이트신호에 따른 모든 토크의 파형도.
도 4은 도 1에서, 코깅토크의 발생원리를 설명하는 설명도.
도 5는 본 발명에서 게이트신호에 따라 코깅토크의 발생을 줄이기 위한 게이트신호 및 모든 토크의 파형도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
10 : 정류부20 : 인버터
40 : 회전자 위치 검출부50 : 마이크로 컴퓨터
60 : 게이트신호 발생부BLDC Motor : 비엘디씨 모터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 펄스폭변조(PWM) 제어에 의해 비엘디씨 모터로 인가되는 전압 및 전류를 조절하여 모터를 구동시키는 제1단계와, 상기 제1단계에서 모터가 구동되는 전류도통구간중에 코깅토크와 자기토크의 방향을 체크하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 코깅토크와 자기토크가 같은 방향으로 작용하면 펄스폭변조(PWM) 펄스의 듀티비를 감소시키는 제3단계와, 상기 제2단계에서 코깅토크와 자기토크가 반대 방향으로 작용하면 펄스폭변조(PWM) 펄스의 듀티비를 증가시키는 제4단계와, 상기 제3단계 및 제4단계에서 조절된 펄스폭변조(PWM) 펄스의 듀티비로 비엘디씨 모터에 인가되는 전압을 조절하여 토크리플을 줄이는 제5단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.
펄스폭변조(PWM) 제어에 의해 비엘디씨 모터로 인가되는 전압 및 전류를 조절하여 모터를 구동시키는 제1단계(S101)와, 상기 제1단계(S101)에서 모터가 구동되는 전류도통구간중에 코깅토크와 자기토크의 방향을 체크하는 제2단계(S102)와, 상기에서 코깅토크와 자기토크가 같은 방향으로 작용하면 펄스폭변조(PWM) 펄스의 듀티비를 감소시키는 제3단계(S103)와, 상기 제2단계(S102)에서 코깅토크와 자기토크가 반대 방향으로 작용하면 펄스폭변조(PWM) 펄스의 듀티비를 증가시키는 제4단계(S104)와, 상기 제3단계(S103) 및 제4단계(S104)에서 조절된 펄스폭변조(PWM) 펄스의 듀티비로 비엘디씨 모터에 인가되는 전압을 조절하여 토크리플을 줄이는 제5단계(S105)로 이루어진다.
이와같이 각 단계로 이루어진 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에서, 전원전압단으로 부터 AC 220V 60Hz의 교류전원을 공급하면, 이를 정류부(10)에서 정류하여 310V의 직류전압으로 변환하여 인버터(20)로 공급한다.
이때 마이크로 컴퓨터(50)는 부하에 따라 속도를 결정하고, 그 결정된 속도에 대응하는 펄스폭변조(PWM) 펄스를 게이트신호 발생부(60)로 제공한다.
그러면 상기 게이트신호 발생부(60)는 인버터(20)의 6개의 스위칭소자(A+,A-,B+,B-,C+,C-)를 턴온 또는 턴오프시키기 위한 게이트신호를 발생시켜 스위칭소자를 턴온 또는 턴오프시켜 조절된 3상전압과 상전류를 비엘디씨 모터(BLDC Motor)로 공급한다.(S101)
이에따라 비엘디씨 모터(BLDC Motor)는 회전자의 영구자속에 의한 자속과 고정자 권선에 흐르는 정류에 의해 자속의 쇄교에 의해 회전하는 자기토크가 발생한다.
그리고 고정자 권선을 감기위한 개슬롯과 회전자의 영구자석에 의해 코깅토크가 발생한다.
그러면 마이크로 컴퓨터(50)는 자기토크와 코깅토크가 작용하는 방향을 각각 감지한다.(S102)
감지 결과, 상기 자기토크와 코깅토크가 같은 방향으로 작용하면 상기 마이크로 컴퓨터(50)는 펄스폭변조(PWM)펄스의 듀티비를 도 5(a)에서와 같이 감소시킨다.
이렇게 듀티비가 감소된 펄스폭변조(PWM)펄스를 게이트신호 발생부(60)로 발생시키면, 상기 게이트신호 발생부(60)는 인버터(20)의 스위칭소자의 턴온시간을 작게한다.
그리고 상기 자기토크와 코깅토크가 반대 방향으로 작용하면 상기 마이크로 컴퓨터(50)는 펄스폭변조(PWM)펄스의 듀티비를 도 5(a)에서와 같이 증가시킨다.
이렇게 듀티비가 증가된 펄스폭변조(PWM)펄스를 게이트신호 발생부(60)로 발생시키면, 상기 게이트신호 발생부(60)는 인버터(20)의 스위칭소자의 턴온시간을 크게한다.
이와같이 자기토크와 코깅토크의 방향에 따라 펄스폭변조(PWM)펄스의 듀티비를 변경시켜 코깅토크를 상쇄할 수 있는 자기토크를 도 5(b)에서와 같이 발생시킨다.
따라서 자기토크에 의한 코깅토크가 상쇄되어 도 5(c)에서와 같은 파형이 나타나고, 이에따라 도 5(d)에서와 같이 총 토크리플이 줄어든 것을 알 수 있다.
다시말하면, 비엘디씨 모터의 코깅토크에 의해 토크리플을 펄스폭변조(PWM)펄스의 듀티비를 조절하여 상쇄시킴으로써 총 토크의 리플을 저감하도록 함에 있어, 코깅토크가 자기토크와 같은 방향으로 작용할 경우에는 펄스폭변조(PWM)펄스의 듀티비를 작게하여 토크리플을 저감하고, 상기 코깅토크와 자기토크와 반대 방향으로 작용할 경우에는 펄스폭변조(PWM)펄스의 듀티비를 크게하여 토크리플을 저감한다.
따라서 비엘디씨 모터의 가변속 운전을 위해 사용하고 있는 제어알고리듬을 변경하여 사용함으로써, 재료비의 상승없이 코깅토크 리플에 의한 영향을 줄인다.
따라서, 본 발명은 비엘디씨 모터의 가변속 운전시 코깅토크가 자기토크와 같은 방향으로 작용할 경우에는 펄스폭변조(PWM)펄스의 듀티비를 작게하고, 상기 코깅토크와 자기토크와 반대 방향으로 작용할 경우에는 펄스폭변조(PWM)펄스의 듀티비를 크게하여 토크리플을 저감시키는 제어알고리듬으로 동작시켜 재료비의 상승없이 코깅토크 리플에 의한 영향을 줄이고, 이에따라 냉장고, 에어컨, 세탁기 등에 적용되는 비엘디씨 모터의 소음 및 진동을 줄이도록 한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 펄스폭변조(PWM) 제어에 의해 비엘디씨 모터로 인가되는 전압 및 전류를 조절하여 모터를 구동시키는 제1단계와, 상기 제1단계에서 모터가 구동되는 전류도통구간중에 코깅토크와 자기토크의 방향을 체크하는 제2단계와, 상기 코깅토크와 자기토크가 작용하는 방향에 따라 펄스폭변조(PWM)펄스의 듀티비를 조절하는 제3단계와, 상기에서 조절된 펄스폭변조(PWM)펄스의 듀티비로 상기 비엘디씨 모터에 인가되는 전압을 조절하여 토크리플을 줄이는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법.
  2. 제1항에 있어서, 제3단계에서 코깅토크와 자기토크가 같은 방향으로 작용하면 펄스폭변조(PWM) 펄스의 듀티비를 감소시키도록 한 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법.
  3. 제1항에 있어서, 제3단계에서 코깅토크와 자기토크가 반대 방향으로 작용하면 펄스폭변조(PWM) 펄스의 듀티비를 증가시키도록 한 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 코깅토크 리플 저감방법.
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