KR100372235B1 - 브러시리스 모터의 로터위치감지장치 세팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브러시리스 모터의 로터위치감지장치 세팅방법에 관한 것으로, 상세하게는 최대토크 발생점을 산출하고 그 위치를 기준으로 고정자 코일을 권선하여 각각의 브러시리스모터마다 엔코더 설치위치를 세팅하지 않아도 되어 작업효율을 높일 수 있는 브러시리스모터의 로터위치감지장치 세팅방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 브러시리스 모터의 로터위치감지장치 세팅방법에 의하여, 고정자 코일의 한 상을 기준으로 하여 각 상의 기자력을 산출하고, 산출된 각 기자력을 합성하며, 그 합성된 기자력과 기준으로 정한 상의 기자력이 일치하는 지점을 찾고, 기준으로 정한 상의 축으로부터 그 일치점과 각도를 산출하여 그 각도에 해당하는 고정자의 슬롯을 설정하고, 그 슬롯을 기준점으로 하여 기준으로 정한 상의 코일을 권선하고 나머지 각 상의 코일을 권선하여 엔코더를 설치함으로 인하여, 각각의 브러시리스모터마다 엔코더 설치위치를 세팅하지 않아도 되어서 공정효율을 높일 수 있으며, 브러시리스모터의 구동시 엔코더의 설치 위치와 관계없이 고정자 코일에 인가되는 3상 전류의 최대값을 자극(N극)의 시작점에 인가할 수 있어서 최대 토크가 발생할 수 있도록 할 수 있어 브러시리스모터의 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 사용자의 신뢰도를 높일 수 있다.

Description

브러시리스 모터의 로터위치감지장치 세팅방법.

본 발명은 브러시리스 모터의 로터위치감지장치 세팅방법에 관한 것으로, 상세하게는 최대토크 발생점을 산출하고 그 위치를 기준으로 고정자 코일을 권선하여 각각의 브러시리스모터마다 엔코더 설치위치를 세팅하지 않아도 되어 작업효율을 높일 수 있는 브러시리스모터의 로터위치감지장치 세팅방법에 관한 것이다.

도 1은 종래의 브러시리스모터의 로터위치감지장치 세팅방법의 흐름도이다.

도 2는 종래의 브러시리스모터의 상 전류를 인가하는 설명도이다.

브러시리스 모터(Brushless DC Motor)란 통상 DC모터의 중요한 부품인 정류자 대신에 트랜지스터나 금속산화물반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 등을 이용한 제어회로에 의하여 스위칭하여 구동하는 모터이다. 그리고 브러시리스모터는 무 정류자 모터(commutatorless motor)라고도 하는데 브러시리스 모터는 모터의 권선적 측면에서 보면 영구자석형 동기모터이다.

전술한 전류의 스위칭이라는 것은 직류전원으로부터 공급된 전류를 3상 또는 4상의 권선에 분배하는 것이다. 전류 스위칭을 하기 위해서는 로터의 위치를 검출해서 검출된 정보에 기초하여 트랜지스터를 온/오프 시키는 것을 판단하여 모터의 공급전류를 스위칭한다.

로터의 위치를 검출하기 위하여 3개 검출소자를 이용하는데 홀 센서(혹은 광 센서)를 이용하여 로터의 위치를 검출한다.

영구자석로터의 자극(S극과 N극)이 형성하는 자장은 홀 센서에 영향을 미치게 된다. 그에 따라 홀 센서는 N극에 감응되면 하이 신호를 출력하고 S극에 감응되면 로우신호를 출력한다.

홀 센서(S1)(S2)(S3)는 로터의 자석의 자극을 감지하기 위하여 60도의 기계적 각도의 간격을 두고 3개의 홀 센서(S1)(S2)(S3)가 위치한다. 60도의 기계적 각도는 120도의 전기적 각도에 해당한다.

홀 센서는 자석의 자극에 의하여 신호를 출력하는데, 전술하였다시피 N극에서 하이신호를 출력하고 S극에서 로우신호를 출력한다.

홀 센서는 자극의 중심에서 신호를 출력한다. 그래서 자극의 중심인 d축에서 전류의 세기가 최대가 되게된다. 그러나 d축에서 전류가 최대가 되더라도 토크는 최대가 되지 않는다.

토크가 최대가 되게 하기 위해서는 자극의 시작점인 q축에서 전류가 최대값이 되어야 한다. q축은 d축과 90°만큼 차이가 난다.

그리하여 엔코더의 정확한 위치를 파악하기 위하여 로터를 회전시켜 권선에서의 역기전력을 측정하여 a축과 q축이 일치하는 위치를 판단해서 엔코더의 위치를 결정하였다.

이하에서는 엔코더의 세팅 위치선정방법을 설명하겠다.

일단 엔코더의 위치를 선정한다(S1). 엔코더의 위치를 선정한 후에는 로터를 회전시켜서 고정자코일에 역기전력을 발생시킨다(S2).

이때 a상의 역기전력의 파형을 영교자점 추출(Zero Crossing Detect)을 한다(S3).

a상의 역기전력의 파형을 영교차점 추출을 한 다음에는 엔코더의 출력 파형과 비교를 한다(S4).

엔코더의 출력 파형과 a상의 역기전력의 파형을 영교차점 추출한 파형을 비교하여 그 결과가 일치하는지를 판단한다(S5).

만약 판단(S5)에서 엔코더의 출력 파형과 a상의 역기전력의 파형을 영교차점 추출한 파형이 일치한다고 판단되면 단계(S1)에서 선정한 위치에 엔코더를 세팅한다(S6).

그러나 판단(S5)에서 엔코더의 출력 파형과 a상의 역기전력의 파형을 영교차점 추출한 파형이 일치하지 않는다고 판단되면 단계(S1)에서 선정한 엔코더의 위치를 재 선정(S7)하고, 일치할 때까지 과정을 반복한다.

그런데 전술한 엔코더의 위치 결정작업을 수 작업으로 설정하며 모터마다 해주어야 하기 때문에 공정효율이 저하되고 정확도가 떨어지며 그로 인하여 브러시리스모터의 운전 신뢰도가 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 고정자 코일의 한 상을 기준으로 하여 각 상의 기자력을 산출하고, 산출된 각 기자력을 합성하며, 그 합성된 기자력과 기준으로 정한 상의 기자력이 일치하는 지점을 찾고, 기준으로 정한 상의 축으로부터 그 일치점과 각도를 산출하여 그 각도에 해당하는 고정자의 슬롯을 설정하고, 그 슬롯을 기준점으로 하여 기준으로 정한 상의 코일을 권선하고 나머지 각 상의 코일을 권선하여 엔코더를 설치함으로 인하여, 각각의 브러시리스모터마다 엔코더 설치위치를 세팅하지 않아도 되어서 공정효율을 높일 수 있으며, 브러시리스모터의 구동시 엔코더의 설치 위치와 관계없이 고정자 코일에 인가되는 3상 전류의 최대값을 자극(N극)의 시작점에 인가할 수 있어서 최대 토크가 발생할 수 있도록 할 수 있는 브러시리스모터의 로터위치감지장치 세팅방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 종래의 브러시리스모터의 로터위치감지장치 세팅방법의 흐름도이다.

도 2는 종래의 브러시리스모터의 상 전류를 인가하는 설명도이다.

도 3은 본 발명에 따른 브러시리스모터의 로터위치감지장치 세팅방법의 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 따른 브러시리스모터의 권선도이다.

도 5는 본 발명에 따른 브러시리스모터 권선의 각 상의 기자력 설명도이다.

도 6은 본 발명에 따른 브러시리스모터의 상 전류를 인가하는 설명도이다.

도 7은 본 발명에 따른 브러시리스모터의 고정자의 평면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 브러시리스모터의 하우징의 평면도이다.

도 9는 본 발명에 따른 브러시리스모터의 제어 회로도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10:고정자 11:슬롯

20:하우징 30:고정자코일

40:엔코더 50:제어부

BAT:배터리 C:커패시터

S1, S2, S3:홀센서

상기한 목적을 실현하기 위하여 본 발명에 따른 브러시리스 모터의 로터위치감지장치 세팅방법은, 브러시리스모터에 있어서, 브러시리스모터의 고정자 코일 한 상을 기준으로 하여 각 상의 기자력을 산출하는 제1산출단계, 제1산출단계에서 산출한 각 상의 기자력을 합성하는 기자력합성단계, 제1산출단계에서 산출한 기자력중 기준으로 정한 상의 축과 기자력합성단계에서 산출한 기자력축이 일치하는 지점을 산출하는 제2산출단계, 제2산출단계에서 산출한 지점과 기준으로 정한 상의 기자력의 축의 각도를 산출하는 제3산출단계, 제3산출단계에서 산출한 각도에 의하여 고정자의 해당 슬롯을 산출하는 제4산출단계, 제4산출단계에서 산출한 슬롯을 기준점으로 하여 기준으로 정한 상의 코일을 권선하고 나머지 각 상의 코일을 권선하는 권선단계, 권선단계 후 엔코더를 설치하는 엔코더 설치단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 양호한 실시 예를 상세하게 설명하겠다.

도 3은 본 발명에 따른 브러시리스모터의 로터위치감지장치 세팅방법의 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 따른 브러시리스모터의 권선도이다.

도 5는 본 발명에 따른 브러시리스모터 권선의 각 상의 기자력 설명도이다.

도 6은 본 발명에 따른 브러시리스모터의 상 전류를 인가하는 설명도이다.

도 7은 본 발명에 따른 브러시리스모터의 고정자의 평면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 브러시리스모터의 하우징의 평면도이다.

도 9는 본 발명에 따른 브러시리스모터의 제어 회로도이다.

본 발명에 따른 브러시리스 모터는, 영구자석 로터와, 전류가 공급되면 자장을 발생시켜 로터를 회전시키는 고정자코일(30)과, 로터의 위치를 감지하는 엔코더(30)와, 엔코더(40)의 출력을 입력으로 받아서 로터의 주기를 감지하여 인버터의 구동시기를 산출하여 인버터구동신호를 출력하는 제어부(50)와, 제어부(50)가 출력하는 인버터구동신호에 따라서 스위칭되는 인버터(Tr1, Tr2, Tr3, Tr4, Tr5, Tr6)를 구비한다.

브러시리스모터(이하 BLDC모터)는 자석의 위치에 따라서 토크가 변화한다. 그래서 자석의 위치에 따라서 권선의 3상 전류값을 변화시켜야 한다.

이하에서는 각 권선에 3상 전류의 최대값을 인가하여 최대의 토크를 발생시키기 위하여 로터의 위치를 감지하는 엔코더의 설치 위치를 결정하는 방법을 설명하겠다.

도 4는 각 슬롯(11)에 권선된 고정자 코일(30)과 그 고정자 코일(30)을 전면부에서 본 시점으로 전류의 흐름을 표시를 한 것이다.

1번 슬롯에서 9번 슬롯까지가 자극 한쌍(2극)의 해석범위가 되는데, 이 자극 한쌍(2극)의 권선에 의한 각 상의 축을 살펴보면 다음과 같다.

a상 권선은 4번, 5번 슬롯에서 8번, 9번 슬롯으로 전류가 흐르는데, 그것에 의한 a축은 6번, 7번 슬롯사이를 지난다.

그리고 b상 권선은 1번, 2번 슬롯에서 5번, 6번 슬롯으로 전류가 흐르는데, 그것에 의한 b축은 3번, 4번 슬롯사이를 지난다.

또한 c상 권선은 7번, 8번 슬롯에서 2번, 3번 슬롯으로 전류가 흐르는데, 그것에 의한 c축은 1번, 9번 슬롯사이를 지난다. 그리하여 a축, b축, c축은 120°간격을 이루고 있다.

이때 자극(N극)의 중심이 d축이 된다. 그리고 자극(N극)의 시작점은 q축이 되는데 d축과 q축은 90°만큼 차이가 난다.

영구자석 로터와 고정자(10) 사이에 최대의 토크가 발생하려면 자극사이에서 각 상에 흐르는 전류값이 최대가 되어야 한다. 그렇게 되기 위해서는 q축에서 전류값이 최대가 되어야 하는데,

그리하여 q축에서 전류의 최대값이 흐르게 해야 한다.

그런데 여기에서 자극의 중심에서는 d축이 형성되는데 이 d축은 N극의 중심에서 형성된다. d축과 90°만큼 차이가 나는 곳이 바로 q축인데, 이 q축은 a축보다 ω 만큼 빠르다.

q축과 a축이 최초로 만나는 지점에 엔코더가 위치하여야 권선에 전류를 인가하여 토크가 최대로 발생하는 시점을 알 수 있다. q축이 a축과 만나는 점을 찾으면 b축과 c축도 마찬가지로 120°간격으로 q축과 맞출 수 있다.

a축과 q축이 일치하는 지점을 찾는 과정을 설명하면 다음과 같다.

ω=0°일 때 a상의 기자력을 산출한다(S10). 이때 a상의 기자력을 기준으로 하고은 기준축으로두면 축을 중심으로 좌우로 대칭이다.

그리고 b상과 c상의 기자력을 산출한다(S20).

그리고 나서 산출된 a, b, c상의 기자력을 합성한다(S30). a, b, c상의 기자력을 합성하면 q축의 기자력이 산출된다(S40).

단계(S40)에서 q축의 기자력이 산출되고 나면 q축과 a축이 일치하는 지점을 산출한다(S50).

단계(S50)에서 q축과 a축이 일치하는 지점을 산출하고 나면 기준축으로부터의 각도를 산출한다(S60). 이때에는 기준축인 a축으로부터의 각도이다.

각도를 산출하고 나면 산출된 각도에 의하여 해당 슬롯(11)을 선정한다(S70). 본 실시예서는 6번 슬롯과 7번 슬롯 사이이다.

슬롯(11)이 선정되고 나면 선정된 슬롯(11)을 기준으로 a상 코일을 권선한다(S80). 그리고 b상과 c상 역시 마찬가지로 권선한다.

단계(S80)에서 권선을 하고 나서 고정자(10)를 하우징(20)에 결합한 후에는 엔코더를 설치(S90)하게 되는데, 이때 엔코더의 설치 위치는 어디라도 관계가 없다.

다시 설명하면, a축과 q축이 일치하는 점을 찾아서 그 점의 각도에 해당하는 슬롯(11)을 기준으로 권선을 하고 엔코더를 설치하여 로터의 위치를 감지하고, 그 감지된 데이터에 의하여 3상 전류를 각 상의 권선에 인가하면 토크를 최대한 발생시킬 수 있다.

브러시리스모터의 제어동작은 다음과 같다.

엔코더는 영구자석 로터의 위치를 감지하게 되는데, 본 실시예에서는 홀 센서를 이용하여 엔코더를 구현한다.

영구자석로터의 자극(S극과 N극)이 형성하는 자장은 홀 센서에 영향을 미치게 된다. 그에 따라 홀 센서는 N극에 감응되면 하이 신호를 출력하고 S극에 감응되면 로우신호를 출력한다.

제어부(50)는 로터의 위치를 검출하기 위하여 홀 센서(S1)(S2)(S3)의 출력을 점검한다.

홀 센서(S1)(S2)(S3)는 로터의 위치에 따라서 하이 혹은 로우 신호를 출력하는데 3개의 홀 센서(S1)(S2)(S3)의 출력이 모두 하이(1)/하이(1)/하이(1)라면 로터의 N극이 홀 센서(S1)(S2)(S3)의 위치에 있는 것이다. 홀 센서(S1)(S2)(S3)의 출력은 제어부(50)로 입력된다.

제어부(50)는 3개의 홀 센서(S1)(S2)(S3)의 출력이 입력되면 그에 따라서 인버터트랜지스터(Tr1)(Tr2)(Tr3)(Tr4)(Tr5)(Tr6)의 구동시기를 산출한다.

인버터 트랜지스터(Tr1)(Tr2)(Tr3)(Tr4)(Tr5)(Tr6)의 구동시기가 산출되고 나면 제어부(50)는 인버터구동신호를 인버터트랜지스터(Tr1)(Tr2)(Tr3)(Tr4)(Tr5)(Tr6)의 베이스 단자로 출력하여 인버터트랜지스터(Tr1)(Tr2)(Tr3)(Tr4)(Tr5)(Tr6)를 구동시킨다.

그에 따라서 모터의 고정자 코일(30)에 전류가 흐르고 로터가 회전을 하게된다.

로터가 회전함에 따라서 3개의 홀 센서(S1)(S2)(S3)는 지속적으로 로터의 위치를 감지하는데 홀 센서(S1)(S2)(S3)의 출력은 제어부(50)로 입력된다.

제어부(50)는 입력된 홀 센서(S1)(S2)(S3)가 감지한 로터의 위치에 따라서 계속적으로 인버터트랜지스터(Tr1)(Tr2)(Tr3)(Tr4)(Tr5)(Tr6)를 제어한다.

본 발명에 따른 브러시리스 모터의 로터위치감지장치의 세팅방법에 의하여, 고정자 코일의 한 상을 기준으로 하여 각 상의 기자력을 산출하고, 산출된 각 기자력을 합성하며, 그 합성된 기자력과 기준으로 정한 상의 기자력이 일치하는 지점을 찾고, 기준으로 정한 상의 축으로부터 그 일치점과 각도를 산출하여 그 각도에 해당하는 고정자의 슬롯을 설정하고, 그 슬롯을 기준점으로 하여 기준으로 정한 상의 코일을 권선하고 나머지 각 상의 코일을 권선하여 엔코더를 설치함으로 인하여, 각각의 브러시리스모터마다 엔코더 설치위치를 세팅하지 않아도 되어서 공정효율을 높일 수 있으며, 브러시리스모터의 구동시 엔코더의 설치 위치와 관계없이 고정자 코일에 인가되는 3상 전류의 최대값을 자극(N극)의 시작점에 인가할 수 있어서 최대 토크가 발생할 수 있도록 할 수 있어 브러시리스모터의 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 사용자의 신뢰도를 높일 수 있다.

Claims (1)

1. 브러시리스모터에 있어서,

   상기 브러시리스모터의 고정자 코일 한 상을 기준으로 하여 각 상의 기자력을 산출하는 제1산출단계,

   상기 제1산출단계에서 산출한 각 상의 기자력을 합성하는 기자력합성단계,

   상기 제1산출단계에서 산출한 기자력중 기준으로 정한 상의 축과 상기 기자력합성단계에서 산출한 기자력축이 일치하는 지점을 산출하는 제2산출단계,

   상기 제2산출단계에서 산출한 지점과 기준으로 정한 상의 기자력의 축의 각도를 산출하는 제3산출단계,

   상기 제3산출단계에서 산출한 각도에 의하여 고정자의 해당 슬롯을 산출하는 제4산출단계,

   상기 제4산출단계에서 산출한 상기 슬롯을 기준점으로 하여 기준으로 정한 상의 코일을 권선하고 나머지 각 상의 코일을 권선하는 권선단계,

   상기 권선단계 후 엔코더를 설치하는 엔코더 설치단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러시리스모터의 로터위치감지장치의 세팅방법.