JP5015307B2 - 線形ホールセンサーを利用した直交座標形速度具現方法 - Google Patents

Description

本発明は制御システムの嵩および費用を減少させるように速度センサーを利用しないでブラシレス（brushless）ＤＣ(Direcct Current)(ＢＬＤＣという)モーターの速度を測定することができる線形ホールセンサーを利用したモーター速度信号具現方法に関するもので、特に、本発明はＢＬＤＣモーターのローター位置情報を利用してモーター駆動信号生成のための既存のラッチ形態のホールセンサーを線形（linear）ホールセンサーで代替することにより既存のＢＬＤＣモーターに装着されている別途の速度センサーを除去することができるので、空間的に有利になり、センサー故障排除を通じて高信頼性を得ることができる線形ホールセンサーを利用したモーター速度信号具現方法に関するものである。

多くのサーボ駆動分野において、速度センサーが速度信号を検出するのに使用される。このようなタイプの設計が有する問題点はモーターと速度センサーの装着のための追加的な空間が必要であるとのことである。多くの場合に速度センサーを装着するための十分な空間がなく、また二つの別個の部品を設置すれば費用が多くかかる。これを解消するために速度センサーを除去する幾つかの方法がある。代表的なものとしてモーター速度を測定する方法等にはホールセンサーのパルスをカウントし、数学的観測機を利用するものがある。

パルスが周期的に発生する高速範囲において有用なホールセンサー信号をカウントする方法は、速度測定において量子化エラーおよび動的範囲を収容することができる。一方、該技術は低速範囲では問題がある。位置制御システムのような分野において、モーターは停止状態から最大許容速度まで広い範囲の速度に亘って動作する。モーターが所定の時走期の間、一つのパルスだけが発生するようにモーターが低速において回転する極端的な場合を考えよう。二つのパルスが測定されるまで速度が徐々に増加すると、推定された速度は以前より２倍高い。この場合量子化エラーは殆ど１００％である。平滑アルゴリズムの活用が助けとなるが基本的な問題を解消することはできない。速度センサーを除去する他の技術は観測機基盤解法にある。しかし、該方法は電気モーターの数学的モデルで構成されるため電気モーターパラメーターにおいて変動に対する敏感度が大きい。特に、これらは低速領域ではデッドゾーン、バックラッシュ等非線形要素の影響が多いので安定的な速度信号観測が容易でない。

具体的にいうと、一般的にモーターの速度信号情報を獲得するために速度センサー（Tachometer）エンコーダ等を使用するが、このような種類のセンサー類等はモーターとリンクされた別途の空間を必要として空間効率面で不利であり、特に接触式センサーの場合は接触面の腐食等に因りシステム故障を誘発するようになる。このような理由で速度センサーリス化が必要となり、これのための多くの関連研究が進行されたし、また進行中である。

例えば、ソフトウエアー的にモーターの速度を推定できる観測機設計による方法を挙げることができる。このような方法は観測機誤差動特性の極性を定めるための利得選定の制限と低周波数における不確実性に対する再構成誤差の問題に因り誘導弾の翼駆動装置のような制御システムにおいて適用する場合、外乱およびパラメーター変動に脆弱であるのでシステムの性能と安定度を満足するのに限界がある。他の接近方法としては上で説明したように、ＢＬＤＣモーターの磁極の位置情報を得るためのホールセンサーのパルスクロック数を利用したＭ方式、Ｔ方式、Ｍ／Ｔ方式等がある。けれども、この方法の短所はパルスが発生する場合に対してのみ新たな速度値を計算するので高速区間では一定時間に十分なパルスが発生して発生されたクロック数をカウンテイングしてモーターの回転速度を具現することができるが、モーターが低速に回転する場合には一定な時間内にパルスが発生しない区間が発生し得るし、これに因り位相遅延の問題が生ずる。即ち、ホールセンサーのパルスクロック数が小さいので高速では満足するほどのモーターの速度情報が得られるが、低速では位相遅延および間違った速度信号が得られるようになり広範囲の速度領域で運用されるシステムに適用するのが困難である。

なお、特許文献１は、ホールセンサを備えるブラシレスＤＣモーターに関する先行技術文献である。

特開２００６−１７４５２６号公報

本発明は前記の従来問題点等を解決するためになったものであって、第１に、速度センサーリス化を通じた開発空間を確保することにより、開発空間が狭小なモーター駆動システムに適用できるようにした線形ホールセンサーを利用したモーター信号具現方法を提供することにその目的がある。

第２に、非接触式センサーを使用して高速回転用ＢＬＤＣモーターに適用が可能であり、低速においても完璧な速度信号具現をして広範囲な速度範囲において速度検出を可能にした線形ホールセンサーを利用しモーター速度信号具現方法を提供することにその目的がある。

第３に、既存の速度情報獲得のために主に使用された速度センサー（Tachometer)と比較して高信頼性の速度センサー具現を可能にするのに目的がある。代表的な例として、速度センサー（Tachometer）はＤＣモーターと同一な構造であるブラシと整流子の接触による逆起電力値でブラシと整流子の接触状態に従ってセンサーの精密度（Sensitivity）が変化する場合があるが、本発明の方法は周辺磁界の強さに従って出力電圧が変化する非接触センサーである線形ホールセンサーを利用した速度信号具現を通じてより高い信頼性を確保できるようにした線形ホールセンサーを利用したモーター速度信号具現方法を提供することにその目的がある。

本発明によれば、線形ホールセンサーの正弦波形態のホール信号を利用して前記位置センサーのｘｙ座標上の座標値を求める段階と、前記座標値の和座標値を求める段階と、前記和座標値とｘ軸との角度（θ）を計算する段階と、前記ｘ軸との角度（θ）の四分面を決定する段階と、最終的なモーターの変位値を時間変化率で除することにより、速度信号を求める段階と、を含むことを特徴とする線形ホールセンサーを利用したモーター速度信号具現方法が提供される。

本発明によれば、第１に、速度センサーリス化を通じた開発空間を確保することにより、開発空間が狭小なモーター駆動システムに適用することができ、第２に、非接触式センサーを使用して高速回転用ＢＬＤＣモーターに適用が可能であり、低速においても完璧な速度信号具現をして広範囲な速度範囲で速度検出を可能にすることができるし、第３に、既存の速度情報獲得のために主に使用された速度センサーと比較して高信頼性の速度センサーを具現することができる。代表的な例として速度センサーはＤＣモーターと同一な構造のブラシと整流子の接触による逆起電力値でブラシと整流子の接触状態に従ってセンサーの精密度(Sensitivity)が変化する場合があるが、本発明の方法は周辺磁界の強さに従って、出力電圧が変化する非接触センサーである線形ホールセンサーを利用した速度信号具現を通じてより高い信頼性を確保することできる効果を得ることができる。

さらに、本願発明においては、モーターの回転子位置変化による磁界変化を利用した速度信号具現アルゴリズムから二つのホール信号を使用してホール信号の位相差および三角関数を利用してモーターの回転角を計算し、時間変化に対するモーターの回転角変化値を通じてモーターの実際速度値を測定することができる効果がある。

一般的な形態のＢＬＤＣモーターの構造を表した図である。 従来のラッチ形態のホールセンサーと本発明に使用された線形ホールセンサーの出力波形を比較して表した図である。 本発明の線形ホールセンサーの出力値を２次元平面相の座標値に表すための概念図である。 本発明の線形ホールセンサーを利用してモーターの回転速度信号を具現するアルゴリズムを表す順序図である。 本発明の線形ホールセンサーを適用した試験結果等を表した図である。 本発明の線形ホールセンサーを適用した試験結果等を表した図である。 本発明の線形ホールセンサーを適用した試験結果等を表した図である。 本発明の線形ホールセンサーを適用した試験結果等を表した図である。 本発明の線形ホールセンサーを適用した試験結果等を表した図である。 本発明の線形ホールセンサーを適用した試験結果等を表した図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施例に基づく本発明の装置および方法を説明する。

図１は一般的な形態のＢＬＤＣモーター１の構造を表す断面図である。

図面において、１００はシャフトであり、１０１はステーターであり、１０２はアーマチュアコイルであり、１０３はローターヨークであり、１０４はボールベアリングであり、１０５はホールセンサーであり、１０６はステーターヨークであり、１０７はマグネットであり、１０８はベアリングブラケットである。

本発明は、図１に図示したようなＢＬＤＣモーター１の駆動のために必須的に使用されるマグネット極性検出センサーであるラッチ（latch）形ホールセンサーを線形ホールセンサーに代替してモーターの速度信号を具現するアルゴリズムを開示する。これを通じてモーター駆動のための駆動信号生成ばかりでなくモーターの回転子位置および速度信号情報を獲得することを可能にする。さらに、線形ホールセンサーを適用して回転子の位置変化に他の磁界変化を検出し、これを電圧に出力するようにしたし、既存のＢＬＤＣモーター駆動回路との互換性のためにラッチ形態のホールセンサー出力と同一な駆動信号を生成できるようにした。

図２は、従来のラッチ形態のホールセンサーと本発明に使用された線形ホールセンサーの出力波形とを比較して表した図面であって、図示されたように、従来のラッチ形ホールセンサーの出力波形は球形波形態であり（方形波形を有し）、本発明の線形ホールセンサーの波形は、正弦波形を有することを分かる。

図３は、線形ホールセンサーの出力値を２次元平面上の座標値で表すための概念図であるが、図示のように、図２に図示した正弦波形態のホール信号（ｈ_A，ｈ_B，ｈ_C）中，図３のＡ相座標値（ｘ₁，ｙ₁）とＢ相座標値（ｘ₂，ｙ₂）を求める。図３に図示したように、Ａ相をｙ軸上の座標値に設定すれば、Ｂ相はＡ相と電気的に図３に図示されたように１２０度の位相差を表すので、Ｂ相がｘ軸となす角は３０度になるのでＡ相およびＢ相の座標値は次の式（１）のように表すことができる。なお、図３のｘｙ直交座標系においては、原点からの距離がホール信号の絶対値、ｘ軸となす角がホール信号の位相となる。

このように得られたＡ，Ｂ相の座標値を利用して和座標値を求める。即ち、和座標値はＰ（ｘ₁＋ｘ₂，ｙ₁＋ｙ₂）となる。座標値Ｐとｘ軸がなす角度値（θ）は式（２−１）を通じて得ることができるようになる。

式（２−１）で得られた角度値は実際モーターの相対的変化量情報を提供するようになる。得られた角度値を式（２−２）において絶対値を取って角度の範囲が１四分面内（第１象限）の角度になるようにする。次にｘ軸と実際の角度（θ）が幾つの四分面（象限）の角であるかを確認して式（３）のように実際の角度値を求める。

上の式（３）において、θ＝θの場合は１四分面の角度であり、θ＝180−θの場合は２四分面（第２象限）の角度であり、θ＝180＋θの場合は３四分面（第３象限）の角度であり、θ＝360−θの場合は４四分面（第４象限）の角度の場合である。

式（３）を通じて求められた座標値において考慮すべき事項は四分面の境界区間においては、実際にモーターが動いた角度は微少であるが、時間変化に対する角度変化量は大きく表れるので微分をする場合、実際速度値でない非正常的に大きな値で計算され得る。このような問題点を防止するために次の式（４）のような数式を通じて境界区間においても実際モーターの変位量を計算可能にした。即ち、微少な変位量を正確に計算することにより、実際の角度が幾らの四分面に属するかを分かるようにした。

式（４）を通じて得られた最終的なモーターの角度変位値（Δθ）を時間変化率（ΔＴ）で除することにより、速度信号を具現することができるようになる。式（４）において、absは絶対値を意味し、k-1はサンプリングタイムであって以前値を、kはサンプリングタイムであって現在値を表す。

図４は本発明の線形ホールセンサー信号を利用したモーターの回転速度信号を具現するアルゴリズムを表した順序図である。

先ず、図３において説明したように、段階Ｓ１０では式（１）を利用して線形ホールセンサーの正弦波形態のホール信号を利用して前記位置センサーのｘｙ座標上の座標値を求めるようになる。次いで、段階Ｓ２０では前記座標値の和座標値を求めるようになる。そして、次いで、段階Ｓ３０では前記式（２−１），（２−２）によって前記和座標値とｘ軸との角度（θ）を計算するようになる。そして段階Ｓ４０では前記式（３）によって前記ｘ軸との角度（θ）の四分面を決定するようになる。前記段階Ｓ４０における角度（θ）の四分面を決定する段階は前記式（４）によって各四分面における境界区間の変位量を求める段階をさらに含む。段階Ｓ５０では最後に最終的なモーターの変位値を時間変化率で除することにより速度信号を求めるようになる。

図５ないし図１０は本発明の線形ホールセンサーを適用した試験結果等をそれぞれ表した図面である。

図５ないし図９ではモーターが一定速度で回転する場合に対する試験結果を本発明の線形ホールセンサーを利用したモーターの速度信号を既存の速度信号と比較して示したが、上の試験結果から分かるように本発明に速度信号値と従来の速度センサーによる速度値が殆ど類似になることを分かる。

しかし、図１０はモーターを低速から高速に速度を可変する場合に対する結果値であって、図１０の結果値から分かるように、本発明の場合はモーター速度信号値が高速ばかりでなく、低速においても非常に良好であることを分かることができた。しかし、図１０から確認されるように、従来の速度センサーの場合はモーターの正逆回転時、ブラシと整流子の接触状態不良に因り逆回転時の速度信号にノイズ成分が表れのを確然に確認することができる。

今まで本発明を一実施例を参照して記述したが、本発明はこれに制限されず、当業者によって様々な修正および変形実施が可能である。

１００ シャフト
１０１ ステーク
１０２ アーマチュアコイル
１０３ モーターヨーク
１０４ ボールベアリング
１０５ ホールセンサー
１０６ ステークヨーク
１０７ マグネット
１０８ ベアリングブラケット

Claims (4)

1. 線形ホールセンサーの正弦波形態のホール信号を利用して前記線形ホールセンサーのｘｙ座標上の座標値を求める段階と、
   前記座標値の和座標値を求める段階と、
   前記和座標値とｘ軸との角度（θ）を計算する段階と、
   前記ｘ軸との角度（θ）の四分面を決定する段階と、
   最終的なモーターの変位値を時間変化率で除することにより速度信号を求める段階と、
   を含むことを特徴とする線形ホールセンサーを利用したモーター速度信号具現方法。
2. 前記角度（θ）の四分面を決定する段階は、
   各四分面における境界区間の変位量を求める段階、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のモーター速度信号具現方法。
3. 前記和座標値とｘ軸との角度（θ）は次の式によって求めることを特徴とする請求項１に記載のモーター速度信号具現方法（ここで、ｙ₁＋ｙ₂はｘｙ座標上の任意の二つのホール信号等のｙ座標値であり、ｘ₁＋ｘ₂はｘｙ座標上の任意の二つのホール信号等のｘ座標値である。）。
   

   
4. 前記ｘ軸との角度（θ）の四分面を決定する段階においてモータの変位値は次の式によって求めることを特徴とする請求項１に記載のモーター速度信号具現方法（ここで、kは現在のサンプリングタイムであり、k-1は以前のサンプリングタイムである。）。
   

   

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