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KR101366161B1 - Brushless Direct Current Motor Without Position Sensor - Google Patents

Brushless Direct Current Motor Without Position Sensor

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Publication number
KR101366161B1
KR101366161B1 KR1020120086876A KR20120086876A KR101366161B1 KR 101366161 B1 KR101366161 B1 KR 101366161B1 KR 1020120086876 A KR1020120086876 A KR 1020120086876A KR 20120086876 A KR20120086876 A KR 20120086876A KR 101366161 B1 KR101366161 B1 KR 101366161B1
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KR
South Korea
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current
brushless
motor
command value
actual
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KR1020120086876A
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Korean (ko)
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김장목
안우영
박제욱
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 브러시리스 직류모터를 구동하기 위한 전류지령치 및 전압지령치를 출력하는 구동제어부와; 상기 브러시리스 직류모터를 구동하는 각 상의 전류 중 가장 큰 전류 값을 검출하여 실제전류로 출력하는 전류검출기와; 상기 전압지령치와 상기 실제전류를 이용하여 역기전력을 산출하는 역기전력 추정부와; 상기 역기전력을 이용하여 전기각과 전기각속도를 산출하는 전기각 추정부와; 상기 전류지령치와 상기 실제전류를 이용하여 각오차를 저감하기 위한 각오차 성분을 출력하는 각오차 보정부; 및 상기 전기각과 상기 각오차 성분에 따라 상기 브러시리스 직류모터를 구동시키는 모터구동부;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다.The present invention relates to a brushless DC motor driving apparatus without a position sensor, and according to an embodiment of the present invention, includes: a driving control unit for outputting a current command value and a voltage command value for driving a brushless DC motor; A current detector which detects the largest current value among the currents of each phase driving the brushless DC motor and outputs the actual current; A counter electromotive force estimator for calculating a counter electromotive force using the voltage command value and the actual current; An electric angle estimating unit for calculating an electric angle and an electric angular velocity using the counter electromotive force; An angular error correction unit outputting an angular error component for reducing the angular error by using the current command value and the actual current; And a motor driver for driving the brushless DC motor according to the electric angle and the angle error component.

Figure R1020120086876
Figure R1020120086876

Description

위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치{Brushless Direct Current Motor Without Position Sensor}Brushless Direct Current Motor Without Position Sensor

본 발명은 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터의 회전자 위치감지센서를 사용하지 않고도 브러시리스 직류모터의 회전자 위치를 실시간으로 판별하여 모터의 속도를 제어하는 브러시리스 직류모터 운전장치에 관한 것이다.The present invention relates to a brushless DC motor operating apparatus without a position sensor, and more particularly, to determine the rotor position of a brushless DC motor in real time without using the rotor position sensor of the motor to control the speed of the motor. It relates to a brushless DC motor driving device.

전자산업의 소형화 경량화는 경향에 따라서 직류모터에 필수적인 브러시를 없애기 위한 연구가 추진되었고, 이러한 결과 브러시를 제거시키는 대신 공급전압을 회로적으로 정확히 제어하여 반전되는 전압을 직류모터에 공급하는 브러시리스 모터(Brushless Motor)가 개발되어 왔다. 이러한 브러시리스 모터에는 회전자의 정확한 위치측정이 정확한 전압공급을 위하여 필수적이라 할 수 있다.In accordance with the trend toward miniaturization and lightening of the electronics industry, research has been carried out to eliminate the brushes necessary for DC motors.As a result, instead of removing the brushes, brushless motors supplying the inverted voltage to the DC motors by precisely controlling the supply voltage in circuits. (Brushless Motor) has been developed. In such a brushless motor, accurate positioning of the rotor may be essential for accurate voltage supply.

도1은 일반적인 3상 브러시리스 직류모터의 역기전력 모양과 역기전력의 모양에 따른 6구간의 제어 전압을 나타낸 타이밍도이다.1 is a timing diagram showing control voltages in six sections according to the shape of the counter electromotive force and the shape of the counter electromotive force of a typical three-phase brushless DC motor.

도1에 도시된 바와 같이, 3상 브러시리스 직류모터는 이상적으로 각 상의 역기전력의 형태가 사다리꼴 모양이 120도 위상차를 가지고 분포한다. 따라서 3개의 상과 역기전력 모양을 조합하면 전기각 한 바퀴당 6개의 구간으로 나눌 수 있다. 브러시리스 직류모터를 제어하기 위해서는 이러한 6개의 구간에 따라 3상 인버터의 스위치 절환 형태를 바꾸어 제어하게 된다. 즉, 도1의 도면에서 구간 1에서는 a상은 비도통이며 c상의 상위 스위치와 b상의 하위 스위치가 도통되는 Vcb로 제어되고, 구간 2에서는 c상이 비도통이며 a상의 상위 스위치와 b상의 하위 스위치가 도통되는 Vab로 제어된다. 이러한 조합이 6구간으로 나뉘며 한 상이 비도통이 되고 두 상이 도통되어 제어되는 방식을 120도 도통 방식이라고 한다. 102도 도통 방식으로 브러시리스 직류모터를 구동하기 위해서는 6구간을 구분하기 위한 위치센서가 사용되는데 일반적으로 3개의 홀센서(hall effect sensor)를 부착하여 사용한다. 그러나 홀센서를 사용함으로써 드라이브의 비용이 증가하며 습도나 열에 약하고 기계적 충격에 약하기 때문에 센서의 오동작을 유발시킬 염려가 있어 드라이브의 신뢰성이 저하된다.As shown in Fig. 1, a three-phase brushless DC motor is ideally distributed with a phase difference of 120 degrees in the shape of the counter electromotive force of each phase. Thus, by combining three phases and the shape of back EMF, it can be divided into six sections for each electric wheel. In order to control the brushless DC motor, the switch switching form of the three-phase inverter is controlled according to these six sections. That is, in the drawing of FIG. 1, in phase 1, a phase is non-conducting and controlled by V cb through which the upper switch of c phase and the lower switch of b phase are conducted. Is controlled by the conduction V ab . This combination is divided into six sections, one phase is non-conducting, and two phases are connected and controlled. In order to drive the brushless DC motor in a 102-degree conduction method, a position sensor for dividing the six sections is used. In general, three Hall effect sensors are used. However, the use of Hall sensors increases the cost of the drive and is susceptible to humidity, heat, and mechanical shock, which can cause sensor malfunction.

일반적인 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치는 각 상의 전압을 측정하여 역기전력의 제로 크로싱 포인트(ZCP;Zero Crossing Point)를 찾는 방식이다.In general, a brushless DC motor driving device without a position sensor finds a zero crossing point (ZCP) of counter electromotive force by measuring a voltage of each phase.

도2는 일반적인 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전의 기본원리를 나타낸 타이밍도로서, 구간별로 역기전력(eα)과, 상전압(Vαn)과, 역기전력의 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 각각 나타내고 있다.FIG. 2 is a timing diagram illustrating a basic principle of operation of a brushless DC motor without a general position sensor. FIG. 2 shows a counter electromotive force (ε α ), a phase voltage (V α n ), and a zero crossing point (ZCP) of counter electromotive force, respectively. .

도2를 참조하면, 임의의 상이 비도통 구간일 때 역기전력이 양전압에서 음전압으로 변한다. 이때 다른 상의 스위치가 ON/OFF 됨에 따라 중성점의 전위가 Vdc/2와 0으로 변화하기 때문에 비도통 상의 전압(7)은 다음 식과 같이 나타난다.Referring to FIG. 2, when any phase is in a non-conducting period, the counter electromotive force changes from a positive voltage to a negative voltage. At this time, since the potential of the neutral point changes to V dc / 2 and 0 as the other phase switches ON / OFF, the voltage of the non-conductive phase 7 is expressed as follows.

Figure 112012063513241-pat00001
Figure 112012063513241-pat00001

여기서 V0는 비도통 상의 전압을 나타내고, е0는 비도통 상의 역기전력을 나타낸다.Where V 0 represents the non-conductive voltage and е 0 represents the counter electromotive force.

도3은 일반적인 역기전력의 ZCP를 상전압을 통해 추정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.3 is a graph illustrating a method of estimating a general counter electromotive force ZCP through a phase voltage.

도3을 참조하면, 비도통 상의 전압이 Vdc/2 지점을 지날 때 역기전력의 ZCP와 일치하는 것을 알 수 있다. 이 지점은 실제 구간을 구분하는 전환시점보다 30도 위상이 앞서는 곳으로 위상지연 필터를 통해 전환시점과 일치시킨다.Referring to Fig. 3, it can be seen that the voltage on the non-conduction coincides with the ZCP of the counter electromotive force when passing the V dc / 2 point. This point is 30 degrees ahead of the transition point that separates the actual section, and is matched with the transition point through the phase delay filter.

상술한 바와 같은 방식으로 각 상의 전압을 이용하여 전환시점을 판별하는 것이 일반적으로 사용되는 방식이다.It is a commonly used method to determine the switching point using the voltage of each phase in the manner described above.

그러나, 상기와 같이 각 상의 전압을 이용하여 전환시점을 판별하는 방식은 비도통 상의 전압이 Vdc/2이 되는 시점을 센싱하기 위해 비교기(Comparator)와 별도의 전원을 구성해야 하기 때문에 부피와 비용이 증가하는 문제점이 있다. 또한 위상지연 필터를 사용하기 때문에 고속에서의 위치 분해능이 저하되는 문제점이 있다. 그리고 상전압을 이용하여 전환시점을 판별할 때 스위칭에 따라 크기가 빠르게 변하기 때문에 노이즈에 취약한 문제점이 있다.However, as described above, the method of determining the switching time using the voltage of each phase requires a separate power supply from the comparator to sense the time when the non-conductive voltage becomes V dc / 2. There is an increasing problem. In addition, since the phase delay filter is used, there is a problem that the position resolution at high speed is reduced. In addition, there is a problem in that noise is vulnerable because the size changes rapidly according to switching when the switching point is determined using the phase voltage.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 추가의 하드웨어를 구성하지 않고 노이즈와 외란에 강인한 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a brushless DC motor operating apparatus without a position sensor that is robust to noise and disturbance without configuring additional hardware.

상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 브러시리스 직류모터를 구동하기 위한 전류지령치 및 전압지령치를 출력하는 구동제어부와; 상기 브러시리스 직류모터를 구동하는 각 상의 전류 중 가장 큰 전류 값을 검출하여 실제전류로 출력하는 전류검출기와; 상기 전압지령치와 상기 실제전류를 이용하여 역기전력을 산출하는 역기전력 추정부와; 상기 역기전력을 이용하여 전기각과 전기각속도를 산출하는 전기각 추정부와; 상기 전류지령치와 상기 실제전류를 이용하여 각오차를 저감하기 위한 각오차 성분을 출력하는 각오차 보정부; 및 상기 전기각과 상기 각오차 성분에 따라 상기 브러시리스 직류모터를 구동시키는 모터구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치에 의해 달성된다.The above object is, according to an embodiment of the present invention, a drive control unit for outputting a current command value and a voltage command value for driving a brushless DC motor; A current detector which detects the largest current value among the currents of each phase driving the brushless DC motor and outputs the actual current; A counter electromotive force estimator for calculating a counter electromotive force using the voltage command value and the actual current; An electric angle estimating unit for calculating an electric angle and an electric angular velocity using the counter electromotive force; An angular error correction unit outputting an angular error component for reducing the angular error by using the current command value and the actual current; And a motor driver for driving the brushless DC motor according to the electric angle and the angle error component.

바람직하게는, 상기 구동제어부는, 상기 브러시리스 직류모터를 구동하기 위해 사용자가 입력하는 제어속도와 이에 따른 상기 브러시리스 직류모터의 실제속도를 서로 비교하는 제1비교기와, 상기 제1비교기에서 처리된 값에 따라 상기 브러시리스 직류모터의 전기각속도를 제어하기 위한 전류지령치를 출력하는 속도제어기와, 상기 실제전류와 상기 속도제어기에서 출력되는 전류지령치를 비교하는 제2비교기와, 상기 제2비교기에서 처리된 값에 따라 상기 브러시리스 직류모터의 구동을 위한 전압지령치를 출력하는 전류제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the drive control unit, a first comparator for comparing the control speed input by the user to drive the brushless DC motor and the actual speed of the brushless DC motor according to each other, and processing in the first comparator A speed controller for outputting a current command value for controlling the electric angular velocity of the brushless DC motor according to a predetermined value, a second comparator for comparing the current command value output from the actual current with the speed controller, and in the second comparator And a current controller for outputting a voltage command value for driving the brushless DC motor according to the processed value.

바람직하게는, 상기 역기전력 추정부는, 상기 전압지령치를 이용하여 추정 직류전류를 출력하는 직류전류 추정기와, 상기 추정 직류전류와 상기 실제전류를 비교하는 비교기와, 상기 비교기에서 처리된 값에 따라 역기전력을 추정하는 역기전력 추정기를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the counter electromotive force estimator includes a DC current estimator for outputting an estimated DC current using the voltage command value, a comparator for comparing the estimated DC current with the actual current, and a counter electromotive force according to a value processed by the comparator. And a back electromotive force estimator for estimating.

여기서, 상기 역기전력 추정기는, 상기 추정 직류전류와 상기 실제전류의 오차를 기반으로 다음 식

Figure 112012063513241-pat00002
를 사용하여 역기전력의 크기를 산출하며, 이때
Figure 112012063513241-pat00003
는 실제전류,
Figure 112012063513241-pat00004
는 추정전류,
Figure 112012063513241-pat00005
는 고정자 인덕턴스,
Figure 112012063513241-pat00006
는 추정 역기전력,
Figure 112012063513241-pat00007
는 실제 역기전력인 것을 특징으로 한다.Here, the counter electromotive force estimator is based on an error between the estimated DC current and the actual current.
Figure 112012063513241-pat00002
Calculate the magnitude of back EMF using
Figure 112012063513241-pat00003
Is the actual current,
Figure 112012063513241-pat00004
Is the estimated current,
Figure 112012063513241-pat00005
Stator inductance,
Figure 112012063513241-pat00006
Is the estimated back EMF,
Figure 112012063513241-pat00007
Is characterized by the actual counter electromotive force.

바람직하게는, 상기 전기각 추정부는, 상기 역기전력을 이용하여 전기각을 산출하는 전기각 추정기와, 상기 전기각을 이용하여 실제 전기각속도를 산출하는 전기각속도 추정기를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the electric angle estimating unit includes an electric angle estimator for calculating an electric angle using the counter electromotive force, and an electric angular velocity estimator for calculating an actual electric angular velocity using the electric angle.

바람직하게는, 상기 각오차 보정부는, 상기 전류지령치와 상기 실제전류를 비교하는 비교기와, 상기 비교기에서 처리된 값의 극성을 서로 다르게 변환하여 출력하는 오차극성 변환기와, 상기 오차극성 변환기의 출력신호에 따라 각오차를 저감하기 위한 각오차 성분을 출력하는 각오차 보정기를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the angle error correction unit, a comparator for comparing the current command value and the actual current, an error polarity converter for converting the polarity of the value processed by the comparator differently and outputs, and the output signal of the error polarity converter And an angular error corrector for outputting an angular error component for reducing the angular error.

여기서, 상기 각오차 보정기는, 상기 전류지령치와 상기 실제전류의 오차를 기반으로 전기각 360도를 30도로 나누어 왜곡된 전류를 통해 추정 회전자의 위치가 실제 회전자 위치보다 앞선 경우인지 뒤진 경우인지를 판단하고, 상기 오차극성 변환기를 통해 출력된 값을 비례적분하여 각오차 성분을 출력하는 것을 특징으로 한다.Here, the angle error corrector is divided into 30 degrees of the electric angle based on the error of the current command value and the actual current divided by 30 degrees whether the position of the estimated rotor ahead of the actual rotor position through the distorted current It is characterized by outputting the angular error component by proportionally integrating the value output through the error polarity converter.

바람직하게는, 상기 모터구동부는, 상기 전기각과 상기 각오차 성분에 따라 상기 브러시리스 직류모터를 구동하는 다수개의 상 중 어느 하나의 상으로 전환시킬 시점을 판별하는 전환시점 판별기와, 상기 전압지령치와 상기 전환시점 판별기의 상 전환시점에 따라 상기 브러시리스 직류모터의 회전각 및 속도를 제어하기 위한 펄스 형태의 제어신호를 출력하는 PWM회로와, 상기 PWM회로의 제어신호에 따라 직류전압을 3상 교류전압으로 가변하여 상기 브러시리스 직류모터를 구동하는 구동인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the motor driving unit, a switching time discriminator for determining a time to switch to any one of a plurality of phases for driving the brushless DC motor according to the electric angle and the angle error component, and the voltage command value and A PWM circuit for outputting a pulse-shaped control signal for controlling the rotation angle and speed of the brushless DC motor according to the phase switching time of the switching time discriminator, and a three-phase DC voltage according to the control signal of the PWM circuit. It characterized in that it comprises a drive inverter for driving the brushless DC motor by varying the AC voltage.

상기한 바와 같이 구성되고 작용하는 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.According to the present invention configured and functioning as described above, the following effects are obtained.

첫째, 전환시점을 판별하기 위한 별도의 하드웨어를 구성하지 않으므로 부피를 줄이고 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.First, since there is no separate hardware to determine the conversion time, there is an effect that can reduce the volume and cost.

둘째, 상전압을 이용하지 않고 상전류만을 이용하여 위치를 추정하기 때문에 제어가능 속도범위가 넓고 노이즈에 강인한 특성을 갖는 효과가 있다.Second, since the position is estimated using only the phase current without using the phase voltage, the controllable speed range is wide and it has the effect of being robust against noise.

셋째, 위상지연필터로 인한 고속에서의 분해능 저하, 중심점 사용과 같은 제약 조건 없이 모터를 구동할 수 있는 효과가 있다.Third, there is an effect that can drive the motor without constraints such as resolution degradation at high speed due to the phase delay filter, the use of the center point.

넷째, 실시간으로 전기각을 산출할 수 있어 폐루프 형태의 제어회로를 가지기 때문에 제어 특성의 향상 효과가 있다.Fourth, since the electric angle can be calculated in real time and has a closed loop type control circuit, there is an effect of improving control characteristics.

도1은 일반적인 3상 브러시리스 직류모터의 역기전력 모양과 역기전력의 모양에 따른 6구간의 제어 전압을 나타낸 타이밍도.
도2는 일반적인 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전의 기본원리를 나타낸 타이밍도.
도3은 일반적인 역기전력의 ZCP를 상전압을 통해 추정하는 방법을 설명하기 위한 그래프.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치의 구성을 나타낸 블록도.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치의 구동을 위한 위치신호를 60도 구간마다 전환시점으로 판별하는 것을 설명하기 위한 그래프.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 추정 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 앞선 위치에서 PWM 펄스를 인가하는 경우를 설명하기 위한 그래프.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 추정 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 뒤진 위치에서 PWM 펄스를 인가하는 경우를 설명하기 위한 그래프.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 추정 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 앞선 위치에서 PWM 펄스를 인가하는 경우 왜곡된 전류를 설명하기 위한 그래프.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 추정 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 뒤진 위치에서 PWM 펄스를 인가하는 경우 왜곡된 전류를 설명하기 위한 그래프.
도10은 본 발명의 실시예에 따른 추정 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 앞서거나 뒤진 위치의 경우를 판별하기 위해 30도 구간마다 극성을 전환한 것을 설명하기 위한 그래프.
도11은 본 발명의 실시예에 따른 회전자의 전기각속도를 추정한 이후 전기각 오차가 존재함을 설명하기 위한 그래프.
1 is a timing diagram showing a control voltage of six sections according to the shape of the back electromotive force and the shape of the back electromotive force of a typical three-phase brushless DC motor.
Figure 2 is a timing diagram showing the basic principle of the operation of a brushless DC motor without a general position sensor.
3 is a graph for explaining a method of estimating a general counter electromotive force ZCP through a phase voltage.
Figure 4 is a block diagram showing the configuration of a brushless DC motor driving apparatus without a position sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph for explaining the determination of the position signal for the drive of the brushless DC motor driving apparatus without a position sensor according to an embodiment of the present invention at each switching point of 60 degrees.
6 is a graph for explaining a case where a PWM pulse is applied at a position where the estimated rotor position is ahead of the actual rotor position according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph for explaining a case where a PWM pulse is applied at a position in which the estimated rotor position is behind the actual rotor position according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph illustrating a distorted current when a PWM pulse is applied at a position where the estimated rotor position is ahead of the actual rotor position according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph for explaining a distorted current when applying a PWM pulse at a position where the estimated rotor position is behind the actual rotor position according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph for explaining that the polarity is switched every 30 degree intervals in order to determine the case where the estimated rotor position is ahead or behind the actual rotor position according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph for explaining that an electric angle error exists after estimating an electric angular velocity of a rotor according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치의 구성을 나타낸 블록도이다.Figure 4 is a block diagram showing the configuration of a brushless DC motor driving apparatus without a position sensor according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치는, 도4에 도시된 바와 같이, 브러시리스 직류모터(1)를 구동하기 위한 전류지령치 및 전압지령치를 출력하는 구동제어부(10)와, 상기 브러시리스 직류모터(1)를 구동하는 각 상의 전류 중 가장 큰 전류 값을 검출하여 실제전류로 출력하는 전류검출기(20)와, 상기 전압지령치와 상기 실제전류를 이용하여 역기전력을 산출하는 역기전력 추정부(30)와, 상기 역기전력을 이용하여 전기각과 전기각속도를 산출하는 전기각 추정부(40)와, 상기 전류지령치와 상기 실제전류를 이용하여 각오차를 저감하기 위한 각오차 성분을 출력하는 각오차 보정부(50), 및 상기 전기각과 상기 각오차 성분에 따라 상기 브러시리스 직류모터(1)를 구동시키는 모터구동부(60)를 포함한다.In the brushless DC motor driving apparatus without a position sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, the drive control unit 10 outputs a current command value and a voltage command value for driving the brushless DC motor 1. And a current detector 20 which detects the largest current value among the currents of each phase driving the brushless DC motor 1 and outputs the actual current, and calculates a counter electromotive force using the voltage command value and the actual current. A back electromotive force estimator 30, an electric angle estimator 40 for calculating an electric angle and an electric angular velocity using the back electromotive force, and an angular error component for reducing an angular error using the current command value and the actual current An angle error correction unit 50, and a motor driving unit 60 for driving the brushless DC motor 1 in accordance with the electrical angle and the angle error component.

구동제어부(10)는, 상기 브러시리스 직류모터(1)를 구동하기 위해 사용자가 입력하는 제어속도(

Figure 112012063513241-pat00008
)와 이에 따른 상기 브러시리스 직류모터(1)의 실제속도(
Figure 112012063513241-pat00009
)를 서로 비교하는 제1비교기(12)와, 상기 제1비교기(12)에서 처리된 값에 따라 상기 브러시리스 직류모터(1)의 전기각속도(
Figure 112012063513241-pat00010
)를 제어하기 위한 전류지령치(i* dc)를 출력하는 속도제어기(14)와, 상기 실제전류(idc)와 상기 속도제어기(14)에서 출력되는 전류지령치를 비교하는 제2비교기(16)와, 상기 제2비교기(16)에서 처리된 값에 따라 상기 브러시리스 직류모터(1)의 구동을 위한 전압지령치(v* dc)를 출력하는 전류제어기(18)로 구성된다.The drive controller 10 may control a speed input by a user to drive the brushless DC motor 1.
Figure 112012063513241-pat00008
) And thus the actual speed of the brushless DC motor 1
Figure 112012063513241-pat00009
) And the electric angular velocity of the brushless DC motor 1 according to the value processed by the first comparator 12 and the first comparator 12
Figure 112012063513241-pat00010
Speed controller 14 for outputting a current command value (i * dc ) for controlling (), and a second comparator 16 for comparing the current command value output from the actual current (i dc ) and the speed controller (14). And a current controller 18 for outputting a voltage command value v * dc for driving the brushless DC motor 1 according to the value processed by the second comparator 16.

역기전력 추정부(30)는, 상기 전압지령치를 이용하여 추정 직류전류(

Figure 112012063513241-pat00011
)를 출력하는 직류전류 추정기(32)와, 상기 추정 직류전류와 상기 실제전류를 비교하는 비교기(34)와, 상기 비교기(34)에서 처리된 값에 따라 역기전력을 추정하는 역기전력 추정기(36)로 구성된다. The counter electromotive force estimating unit 30 uses the voltage command value to estimate an estimated direct current (
Figure 112012063513241-pat00011
) Is a DC current estimator 32 for outputting the?, A comparator 34 for comparing the estimated DC current with the actual current, and a back EMF estimator 36 for estimating back EMF based on the value processed by the comparator 34; It is composed.

여기서, 상기 전압지령치를 이용하여 추정 직류전류를 산출하는 방법은 다음 식

Figure 112012063513241-pat00012
의 고정자 전압 방정식을 이용한다. 이때, v* dc는 전압지령치이고,
Figure 112012063513241-pat00013
는 고정자 저항이고,
Figure 112012063513241-pat00014
는 고정자 인덕턴스이고,
Figure 112012063513241-pat00015
는 계산된 역기전력의 크기이다.Here, the method of calculating the estimated DC current using the voltage command value is the following equation
Figure 112012063513241-pat00012
Use the stator voltage equation of. Where v * dc is the voltage command value,
Figure 112012063513241-pat00013
Is a stator resistance,
Figure 112012063513241-pat00014
Is the stator inductance,
Figure 112012063513241-pat00015
Is the magnitude of the calculated back EMF.

그리고, 상기 추정 직류전류와 상기 실제전류의 오차를 기반으로 다음 식

Figure 112012063513241-pat00016
를 사용하여 역기전력의 크기를 산출하며, 이때
Figure 112012063513241-pat00017
는 실제전류,
Figure 112012063513241-pat00018
는 추정전류,
Figure 112012063513241-pat00019
는 고정자 인덕턴스,
Figure 112012063513241-pat00020
는 추정 역기전력,
Figure 112012063513241-pat00021
는 실제 역기전력이다.And based on the error of the estimated DC current and the actual current
Figure 112012063513241-pat00016
Calculate the magnitude of back EMF using
Figure 112012063513241-pat00017
Is the actual current,
Figure 112012063513241-pat00018
Is the estimated current,
Figure 112012063513241-pat00019
Stator inductance,
Figure 112012063513241-pat00020
Is the estimated back EMF,
Figure 112012063513241-pat00021
Is the actual counter electromotive force.

전기각 추정부(40)는, 상기 역기전력을 이용하여 전기각(

Figure 112012063513241-pat00022
)을 산출하는 전기각 추정기(42)와, 상기 전기각을 이용하여 실제 전기각속도(
Figure 112012063513241-pat00023
)를 산출하는 전기각속도 추정기(44)로 구성된다.The electric angle estimating unit 40 uses the counter electromotive force to generate an electric angle (
Figure 112012063513241-pat00022
An electrical angle estimator 42 for calculating the electrical angle velocity
Figure 112012063513241-pat00023
It is composed of an electric angular velocity estimator 44 that calculates ().

여기서, 상기 전기각을 이용하여 실제 전기각속도를 산출하는 방법은 다음 식

Figure 112012063513241-pat00024
의 적분기를 사용한다. 이때
Figure 112012063513241-pat00025
은 추정 역기전력이고,
Figure 112012063513241-pat00026
은 전기각 변화량(전기각 속도)이고, KE는 역기전력 상수이고, T는 샘플링 주기와 같다.Here, the method of calculating the actual electric angular velocity using the electric angle is the following equation
Figure 112012063513241-pat00024
Use the integrator of. At this time
Figure 112012063513241-pat00025
Is the estimated back EMF,
Figure 112012063513241-pat00026
Is the electric angle change (electric angle speed), K E is the counter electromotive force constant, and T is equal to the sampling period.

각오차 보정부(50)는, 상기 전류지령치와 상기 실제전류를 비교하는 비교기(52)와, 상기 비교기(52)에서 처리된 값의 극성을 서로 다르게 변환하여 출력하는 오차극성 변환기(54)와, 상기 오차극성 변환기(54)의 출력신호에 따라 각오차를 저감하기 위한 각오차 성분(

Figure 112012063513241-pat00027
)을 출력하는 각오차 보정기(56)로 구성된다.The angle error correction unit 50 includes a comparator 52 for comparing the current command value with the actual current, and an error polarity converter 54 for converting and outputting the polarities of the values processed by the comparator 52 differently. Angular error component for reducing the angular error according to the output signal of the error polarity converter 54
Figure 112012063513241-pat00027
) Is composed of an angular error corrector 56.

여기서, 실제각(

Figure 112012063513241-pat00028
)보다 추정각(
Figure 112012063513241-pat00029
)이 앞선 경우와 실제각이 추정각보다 뒤진 경우 모두 상기 비교기(52)의 출력 극성이 같고, 상기 각오차 보정기(56)는 이를 구분하지 못하기 때문에 오차극성 변환기(54)를 통해 극성을 다르게 하여 출력한다.Where the actual angle (
Figure 112012063513241-pat00028
Estimated angle ()
Figure 112012063513241-pat00029
), The output polarity of the comparator 52 is the same, and if the actual angle is behind the estimated angle, and the error correction device 56 does not distinguish it, the polarity of the polarity is changed by the error polarity converter 54. To print.

따라서, 상기 각오차 보정기(56)는, 상기 전류지령치와 상기 실제전류의 오차를 기반으로 전기각 360도를 30도로 나누어 왜곡된 전류를 통해 실제 회전자 위치보다 앞선 경우인지 뒤진 경우인지를 판단하고, 상기 오차극성 변환기(54)를 통해 출력된 값을 비례적분(Proportional Integral)하여 각오차 성분을 출력한다..Accordingly, the angle error corrector 56 determines whether the case is ahead or behind the actual rotor position through the distorted current by dividing the electric angle 360 degrees based on the error between the current command value and the actual current. The angular error component is output by proportionally integrating the value output through the error polarity converter 54.

모터구동부(60)는, 상기 전기각과 상기 각오차 성분에 따라 상기 브러시리스 직류모터(1)를 구동하는 다수개의 상 중 어느 하나의 상으로 전환시킬 시점을 판별하는 전환시점 판별기(62)와, 상기 전압지령치와 상기 전환시점 판별기(62)의 상 전환시점에 따라 상기 브러시리스 직류모터(1)의 회전각 및 속도를 제어하기 위한 펄스 형태의 제어신호를 출력하는 PWM회로(64)와, 상기 PWM회로(64)의 제어신호에 따라 직류전압을 3상 교류전압으로 가변하여 상기 브러시리스 직류모터(1)를 구동하는 구동인버터(66)로 구성된다.The motor driving unit 60 includes a switching time discriminator 62 for determining a time point for switching to any one of a plurality of phases driving the brushless DC motor 1 according to the electric angle and the angle error component. And a PWM circuit 64 for outputting a pulse-shaped control signal for controlling the rotation angle and speed of the brushless DC motor 1 according to the voltage command value and the phase switching time of the switching time discriminator 62. And a drive inverter 66 which drives the brushless DC motor 1 by varying the DC voltage into a three-phase AC voltage according to the control signal of the PWM circuit 64.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치의 구동을 위한 위치신호를 60도 구간마다 전환시점으로 판별하는 것을 설명하기 위한 그래프이다.FIG. 5 is a graph for explaining determining a position signal for driving a brushless DC motor driving apparatus without a position sensor according to an exemplary embodiment of the present invention as a switching point every 60 degrees.

도5를 참조하면, 브러시리스 직류모터는 역기전력이 사다리꼴 형태를 가지고 역기전력이 평탄한 구간에 대해 해당하는 상을 도통시켜 제어한다. 즉, 일반적인 브러시리스 직류모터는 고정자가 3상 Y결선의 형태를 가지므로 한 상의 역기전력이 변화는 도통된 두 상의 전류 모두에 영향을 미친다.Referring to FIG. 5, the brushless DC motor is controlled by conducting a corresponding phase for a section in which the counter electromotive force has a trapezoidal shape and the counter electromotive force is flat. That is, in general brushless DC motors, since the stator has a three-phase Y connection, the change in the counter electromotive force of one phase affects the currents of both phases.

도6은 본 발명의 실시예에 따른 추정 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 앞선 위치에서 PWM 펄스를 인가하는 경우를 설명하기 위한 그래프이고, 도7은 본 발명의 실시예에 따른 추정 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 뒤진 위치에서 PWM 펄스를 인가하는 경우를 설명하기 위한 그래프이고, 도8은 본 발명의 실시예에 따른 추정 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 앞선 위치에서 PWM 펄스를 인가하는 경우 왜곡된 전류를 설명하기 위한 그래프이고, 도9는 본 발명의 실시예에 따른 추정 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 뒤진 위치에서 PWM 펄스를 인가하는 경우 왜곡된 전류를 설명하기 위한 그래프이고, 도10은 본 발명의 실시예에 따른 추정 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 앞서거나 뒤진 위치의 경우를 판별하기 위해 30도 구간마다 극성을 전환한 것을 설명하기 위한 그래프이고, 도11은 본 발명의 실시예에 따른 회전자의 전기각속도를 추정한 이후 전기각 오차가 존재함을 설명하기 위한 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating a case where a PWM pulse is applied at a position where the estimated rotor position is ahead of the actual rotor position according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is an estimation circuit according to an embodiment of the present invention. 8 is a graph illustrating a case where a PWM pulse is applied at a position where the former position is behind the actual rotor position, and FIG. 8 is a position where the estimated rotor position is earlier than the actual rotor position according to an embodiment of the present invention. Figure 9 is a graph illustrating a distorted current when applying a PWM pulse, Figure 9 is a distortion when applying a PWM pulse at a position that the position of the estimated rotor behind the actual rotor in accordance with an embodiment of the present invention 10 is a graph illustrating a current, and FIG. 10 is a diagram illustrating a case in which the estimated rotor position according to an embodiment of the present invention is located before or after the actual rotor position. A graph for explaining a conversion for each interval the polarity, 11 is a graph for explaining that the electric angle error exists, since an estimate of the electrical angular speed of the rotor according to an embodiment of the invention.

브러시리스 직류모터는 역기전력이 사다리꼴 형태를 가지고 평탄한 구간에 대해 해당하는 상을 도통시켜 제어하지만, 평탄한 구간에 도통하지 않고 도6,7과같이 도통시키면 도8,9와 같이 전류의 형태가 왜곡되어 나타난다. 이때, 도10과 같이 전체 각을 30도 구간으로 나누어 도8과 같이 앞쪽이 왜곡되면 실제각보다 추정각이 앞선 것으로 판단하며, 도9와 같이 뒤쪽이 왜곡되면 실제각보다 추정각이 뒤진것으로 판단하여 각 오차 성분을 출력한다. 따라서, 실제각보다 추정각이 앞선 경우와 뒤진 경우를 판단하여 오차 성분의 입력으로 비례적분하여 각오차 성분을 출력한다. 여기서, 속도 추정을 한 이후에도 각오차 보정 방법을 사용하는 이유는 도11에서와 같이 회전자의 각속도는 정확히 추정을 했지만 각오차가 존재할 수 있기 때문에 각오차 성분을 결합하여 브러시리스 직류모터의 사다리꼴 역기전력의 평탄한 구간에 PWM 펄스를 인가할 수 있도록 한다.The brushless DC motor is controlled by conducting a phase corresponding to a flat section with a counter electromotive force having a trapezoidal shape, but if the conductive phase is conducted as shown in FIGS. appear. At this time, if the front angle is distorted as shown in FIG. 8, the estimated angle is ahead of the actual angle as shown in FIG. 10, and if the rear side is distorted as shown in FIG. Each error component is output. Therefore, it is determined whether the estimated angle is earlier or later than the actual angle, and the angular error component is output by proportionally integrating the error component. Here, the reason for using the angular error correction method even after the speed estimation is that the angular velocity of the rotor is accurately estimated as shown in Fig. 11, but since the angular error may exist, the angular error components may be combined to determine the trapezoidal counter electromotive force of the brushless DC motor. The PWM pulse can be applied to the flat section.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.The foregoing has outlined rather broadly the features and technical advantages of the present invention in order that the claims that follow may be better understood. The embodiments described above are susceptible to various modifications and changes within the technical scope of the present invention by those skilled in the art. These various modifications and changes are also within the scope of the technical idea of the present invention, and will be included in the claims of the present invention described below.

1: 브러시리스 직류모터 10: 구동제어부
12: 제1비교기 14: 속도제어기
16: 제2비교기 18: 전류제어기
20: 전류검출기 30: 역기전력 추정부
32: 직류전류 추정기 34: 비교기
36: 역기전력 추정기 40: 전기각 추정부
42: 전기각 추정기 44: 전기각속도 추정기
50: 각오차 보정부 52: 비교기
54: 오차극성 변환기 56: 각오차 보정기
60: 모터구동부 62: 전환시점 판별기
64: PWM회로 66: 구동인버터
1: brushless DC motor 10: drive control unit
12: first comparator 14: speed controller
16: second comparator 18: current controller
20: current detector 30: counter electromotive force estimator
32: DC current estimator 34: comparator
36: back EMF estimator 40: electrical angle estimator
42: electric angle estimator 44: electric angular velocity estimator
50: error correction unit 52: comparator
54: Error Polarity Transducer 56: Error Compensator
60: motor drive part 62: switching time discriminator
64: PWM circuit 66: drive inverter

Claims (8)

브러시리스 직류모터를 구동하기 위한 전류지령치 및 전압지령치를 출력하는 구동제어부;
상기 브러시리스 직류모터를 구동하는 각 상의 전류 중 가장 큰 전류 값을 검출하여 실제전류로 출력하는 전류검출기;
상기 전압지령치와 상기 실제전류를 이용하여 역기전력을 산출하는 역기전력 추정부;
상기 역기전력을 이용하여 전기각과 전기각속도를 산출하는 전기각 추정부;
상기 전류지령치와 상기 실제전류를 이용하여 각오차를 저감하기 위한 각오차 성분을 출력하는 각오차 보정부; 및
상기 전기각과 상기 각오차 성분에 따라 상기 브러시리스 직류모터를 구동시키는 모터구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치.
A drive controller for outputting a current command value and a voltage command value for driving the brushless DC motor;
A current detector which detects the largest current value among the currents of each phase driving the brushless DC motor and outputs the actual current;
A counter electromotive force estimator for calculating a counter electromotive force using the voltage command value and the actual current;
An electric angle estimating unit configured to calculate an electric angle and an electric angular velocity using the counter electromotive force;
An angular error correction unit outputting an angular error component for reducing the angular error by using the current command value and the actual current; And
And a motor driver for driving the brushless DC motor according to the electric angle and the angle error component.
제1항에 있어서,
상기 구동제어부는,
상기 브러시리스 직류모터를 구동하기 위해 사용자가 입력하는 제어속도와 이에 따른 상기 브러시리스 직류모터의 실제속도를 서로 비교하는 제1비교기와,
상기 제1비교기에서 처리된 값에 따라 상기 브러시리스 직류모터의 전기각속도를 제어하기 위한 전류지령치를 출력하는 속도제어기와,
상기 실제전류와 상기 속도제어기에서 출력되는 전류지령치를 비교하는 제2비교기와,
상기 제2비교기에서 처리된 값에 따라 상기 브러시리스 직류모터의 구동을 위한 전압지령치를 출력하는 전류제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치.
The method of claim 1,
The drive control unit may include:
A first comparator for comparing a control speed input by a user to drive the brushless DC motor and thus an actual speed of the brushless DC motor;
A speed controller for outputting a current command value for controlling the electric angular speed of the brushless DC motor according to the value processed by the first comparator;
A second comparator for comparing the actual current with a current command value output from the speed controller;
And a current controller for outputting a voltage command value for driving the brushless DC motor according to the value processed by the second comparator.
제1항에 있어서,
상기 역기전력 추정부는,
상기 전압지령치를 이용하여 추정 직류전류를 출력하는 직류전류 추정기와,
상기 추정 직류전류와 상기 실제전류를 비교하는 비교기와,
상기 비교기에서 처리된 값에 따라 역기전력을 추정하는 역기전력 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치.
The method of claim 1,
The back EMF estimator,
A direct current estimator for outputting an estimated direct current using the voltage command value;
A comparator for comparing the estimated direct current with the actual current;
And a back electromotive force estimator for estimating back electromotive force according to the value processed by the comparator.
제3항에 있어서,
상기 역기전력 추정기는,
상기 추정 직류전류와 상기 실제전류의 오차를 기반으로 다음 식
Figure 112012063513241-pat00030

를 사용하여 역기전력의 크기를 산출하며,
여기서
Figure 112012063513241-pat00031
는 실제전류,
Figure 112012063513241-pat00032
는 추정전류,
Figure 112012063513241-pat00033
는 고정자 인덕턴스,
Figure 112012063513241-pat00034
는 추정 역기전력,
Figure 112012063513241-pat00035
는 실제 역기전력인 것을 특징으로 하는 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치.
The method of claim 3,
The back EMF estimator,
Based on the error between the estimated DC current and the actual current
Figure 112012063513241-pat00030

To calculate the magnitude of back EMF,
here
Figure 112012063513241-pat00031
Is the actual current,
Figure 112012063513241-pat00032
Is the estimated current,
Figure 112012063513241-pat00033
Stator inductance,
Figure 112012063513241-pat00034
Is the estimated back EMF,
Figure 112012063513241-pat00035
Brushless DC motor driving device, characterized in that the actual back EMF.
제1항에 있어서,
상기 전기각 추정부는,
상기 역기전력을 이용하여 전기각을 산출하는 전기각 추정기와,
상기 전기각을 이용하여 실제 전기각속도를 산출하는 전기각속도 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치.
The method of claim 1,
The electrical angle estimator,
An electric angle estimator for calculating an electric angle using the counter electromotive force;
Brushless DC motor operating apparatus without a position sensor, characterized in that it comprises an electric angular velocity estimator for calculating the actual electric angular velocity using the electric angle.
제1항에 있어서,
상기 각오차 보정부는,
상기 전류지령치와 상기 실제전류를 비교하는 비교기와,
상기 비교기에서 처리된 값의 극성을 서로 다르게 변환하여 출력하는 오차극성 변환기와,
상기 오차극성 변환기의 출력신호에 따라 각오차를 저감하기 위한 각오차 성분을 출력하는 각오차 보정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치.
The method of claim 1,
The angle error correction unit,
A comparator for comparing the current command value with the actual current;
An error polarity converter for converting and outputting different polarities of the values processed by the comparator;
And a angular error compensator for outputting an angular error component for reducing angular error according to the output signal of the error polarity converter.
제6항에 있어서,
상기 각오차 보정기는,
상기 전류지령치와 상기 실제전류의 오차를 기반으로 전기각 360도를 30도로 나누어 왜곡된 전류를 통해 추정 회전자의 위치가 실제 회전자 위치보다 앞선 경우인지 뒤진 경우인지를 판단하고, 상기 오차극성 변환기를 통해 출력된 값을 비례적분하여 각오차 성분을 출력하는 것을 특징으로 하는 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치.
The method according to claim 6,
The angular error corrector,
Based on the error between the current command value and the actual current, the electric angle 360 degrees is divided by 30 degrees to determine whether the estimated rotor position is ahead or behind the actual rotor position through the distorted current, and the error polarity converter. Brushless DC motor operation apparatus without a position sensor, characterized in that for outputting the angular error component by proportionally integrating the value output through.
제1항에 있어서,
상기 모터구동부는,
상기 전기각과 상기 각오차 성분에 따라 상기 브러시리스 직류모터를 구동하는 다수개의 상 중 어느 하나의 상으로 전환시킬 시점을 판별하는 전환시점 판별기와,
상기 전압지령치와 상기 전환시점 판별기의 상 전환시점에 따라 상기 브러시리스 직류모터의 회전각 및 속도를 제어하기 위한 펄스 형태의 제어신호를 출력하는 PWM회로와,
상기 PWM회로의 제어신호에 따라 직류전압을 3상 교류전압으로 가변하여 상기 브러시리스 직류모터를 구동하는 구동인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치.
The method of claim 1,
The motor drive unit includes:
A switching time discriminator for determining a time point for switching to any one of a plurality of phases driving the brushless DC motor according to the electric angle and the angle error component;
A PWM circuit for outputting a pulse-shaped control signal for controlling the rotation angle and speed of the brushless DC motor according to the voltage command value and the phase switching time of the switching time discriminator;
And a drive inverter for driving the brushless DC motor by varying the DC voltage into a three-phase AC voltage according to the control signal of the PWM circuit.
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