KR100470307B1 - 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor : SRM)를 구동하기 위한 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 장치로 회전자의 회전 및 회전 방향에 따른 서로 다른 위상을 갖는 A상, B상 및 Z 상 신호를 출력하는 증분형 엔코더, 증분형 엔코더로부터 A상 B상 신호를 제공받아 회전 방향을 판별하여 회전 방향을 표시하기 위한 UP/DOWN 신호를 출력하는 방향 판별 회로, 방향 판별 회로로부터 제공되는 UP/DOWN 신호를 제공받아 카운트 업/다운 신호를 출력하는 카운터 회로, 카운트 회로로부터 제공되는 카운트 신호를 어드레스 신호로 제공받아 저장된 회전자의 위치에 대한 SRM 구동 데이터를 출력하는 메모리, 메모리로부터 제공되는 SRM 구동 데이터 또는 초기 위치 구동 데이터 중 어느 하나를 선택적으로 출력하는 멀티플렉서, 멀티 플렉서로부터 출력되는 구동 신호를 받아들여 스위치드 릴럭턴스 모터로 구동 신호를 출력하는 구동 회로 및 모터 구동 장치의 동작을 제어하고, 멀티플렉서의 스위칭을 제어하고, 초기 위치 구동 데이터를 출력하는 마이크로 프로세서를 포함하여 구성된다. 본 발명은 SRM을 구동하기 위한 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 장치를 상대적으로 저가이며 제어면에서 우수한 증분형 엔코더와 카운터 회로를 이용하여 더욱 정밀한 위치정보를 가지고 안정적인 구동 회로를 구성할 수 있다.

Description

회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 장치{MOTOR DRIVER USING DETECTING POSITION OF ROTATOR}

본 발명은 모터 구동 장치에 관한 관한 것으로, 구체적으로는 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor: SRM)를 구동하기 위한 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 장치에 관한 것이다.

일반적으로 가변속 운전 분야에서 직류 전동기가 속도제어가 쉽다는 이유로 많이 사용되어 왔다. 그러나 직류 전동기의 경우 정류자편과 브러시를 사용함에 따라 구조가 복잡해 제작단가 및 이의 마모에 따른 유지비가 많이 들며, 보수가 어려운 단점이 있다.

이에 따라 최근에 반도체 스위칭소자와 전력전자 기술의 발달에 의해 구조가 간단하고 효율이 높은 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor : SRM)가 산업용 가변속 응용 분야를 중심으로 증가되고 있다.

SRM은 가변속 전동기로 개발된 VRM(Variable Reluctance Motor: VRM)의 일종으로 구동 전원장치인 인버터를 결합한 것으로 고정자와 회전자가 모두 돌극형으로 되어 있고, 고정자에만 권선이 감겨 있어 고정자에 전류를 흘리면 고정자와 회전자간의 자기 회로의 자로가 최소가 되는 방향, 즉 자기저항이 최소가 되는 방향으로 회전하려는 전자석의 원리를 이용한 전동기이다.

회전자가 최소의 자기저항값을 갖는 위치에 왔을 때 순차적으로 스위칭하여 여자되는 고정자 상을 바꾸어 줌으로써, 회전자는 지속적으로 회전하게 된다. 이와 같이 자기저항이 최소가 되는 시점에서 스위칭하여 구동력을 얻는다는 뜻에서 SRM이라고 한다.

SRM은 다른 전동기보다도 간단한 구조를 가지고 있어 제작 단가가 저렴하고, 기계적으로 견고하며, 고온 등의 열악한 환경에서도 신뢰성이 높으며, 브러시 등이 없어 유지비가 거의 들지 않는 장점을 지니게 된다. 또한 광범위한 변속 범위를 가지고 있으며 초고속 운전이 용이하고, 단위체적당 토오크 및 효율면에서 유도전동기보다 우수하다는 것이 나타나 있다.

이러한 장점에도 SRM은 전류의 크기와 회전자와 고정자의 상대적 위치에 따라 인덕턴스가 매우 비선형적으로 변하는 특성을 지니고 있고, 토오크는 이 인덕턴스의 기울기에 비례하여 발생하기 때문에 비선형 토오크 특성을 가지며 토오크 맥동이 크고 소음이 심한 단점이 있어 실용화에 큰 장애가 되어 오고 있다.

SRM의 가변속 구동에 많이 사용되고 있는 PI제어기의 경우 알고리즘이 간단하여 아날로그 제어기로도 쉽게 구현이 가능하고, 제어 이득값이 적절히 조정될 경우 좋은 운전 특성을 지니는 장점을 지니고 있으나, 운전점이 달라지거나 시스템의 파라미터가 변하는 경우 제어 이득값을 적절히 조정해 주어야 하는 문제가 있다.

특히, SRM의 비선형 인덕턴스 특성을 지니는 이유로 수학적 모델링이 불가능하고, 정상상태에서의 등가회로가 존재하지 않기 때문에 적절한 제어 이득값을 얻는데 있어 실험적인 방법에 의존하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서 스위치드 릴럭턴스 모터를 효과적으로 구동하기 위한 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 회로를 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 증분형 엔코더의 구성을 보여주는 도면;

도 2는 도 1의 증분형 엔코더의 A상, B상, Z상 출력 신호 파형의 일 예를 보여주는 도면;

도 3은 방향 판별 회로의 일 예를 보여주는 도면;

도 4는 엔코더의 펄스 파형에 따른 방향 판별 회로의 출력 신호 파형을 보여주는 도면; 그리고

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 회로의 구성을 보여주는 블록도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 증분형 엔코더 20: 방향 판별 회로

30: 카운터 회로 40: 메모리

50: 마이크로 프로세서 60: 멀티플렉서

상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor : SRM)를 구동하기 위한 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 장치는: 회전자의 회전 및 회전 방향에 따른 서로 다른 위상을 갖는 A상, B상 및 Z 상 신호를 출력하는 증분형 엔코더; 증분형 엔코더로부터 A상 B상 신호를 제공받아 회전 방향을 판별하여 회전 방향을 표시하기 위한 UP/DOWN 신호를 출력하는 방향 판별 회로; 방향 판별 회로로부터 제공되는 UP/DOWN 신호를 제공받아 카운트 업/다운 신호를 출력하는 카운터 회로; 카운트 회로로부터 제공되는 카운트 신호를 어드레스 신호로 제공받아 저장된 회전자의 위치에 대한 SRM 구동 데이터를 출력하는 메모리; 메모리로부터 제공되는 SRM 구동 데이터 또는 초기 위치 구동 데이터 중 어느 하나를 선택적으로 출력하는 멀티플렉서; 멀티 플렉서로부터 출력되는 구동 신호를 받아들여 스위치드 릴럭턴스 모터로 구동 신호를 출력하는 구동 회로 및; 모터 구동 장치의 동작을 제어하고, 멀티플렉서의 스위칭을 제어하고, 초기 위치 구동 데이터를 출력하는 마이크로 프로세서를 포함한다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.

(실시예)

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

잘 알려진 바와 같이, SRM은 단위체적당 토오크가 높고 제작 단가가 저렴한 전동기로 고정자와 회전자가 돌극(pole)의 구조를 갖는 이중 돌극형 구조이고, 회전자에는 권선이나 영구자석이 없이 규소 강판을 적층한 단단하고 견고한 구조로 되어있다. 고정자에는 유도전동기와 같이 각 상의 위상차를 고려할 필요가 없이, 마주보는 두 극이 같은 방향의 자속을 발생시킬 수 있도록 권선이 직렬 또는 병렬로 간단하게 감겨져 있다.

이러한 돌극형 구조는 정지시 회전자의 구속을 방지하기 위하여 고정자와 회전자 극수가 다르게 설계되며, 고정자와 회전자 극수 비는 최대 토오크를 얻기 위해서 짝수이어야 한다.

SRM은 고정자 권선을 여자시킬 때 가장 가까운 회전자극이 고정자와의 쇄교자속이 최대가 되도록 하는 방향으로, 즉 자기저항이 최소가 되려는 방향으로 회전하려는 전자석의 원리를 이용한 전동기로 순차적으로 스위칭하여 여자되는 고정자상을 바꿔 줌으로써 회전자는 지속적으로 회전하게 된다. 또한 이러한 고정자의 여자순서에 따라 정 역의 회전방향을 결정할 수 있다. SRM의 가변속 구동을 위한 제어 방법은 크게 쵸핑에 의한 제어와 각도 제어로 나눌 수 있다.

SRM은 상의 점호 및 소호를 위해 위치정보가 요구되므로 위치센서를 필요로 한다. 이러한 위치센서로는 절대위치 엔코더, 홀 센서(Hall sensor), 광커플러(Opto coupler) 등을 사용할 수 있다. 절대위치 엔코더를 사용하는 경우 초기위치 검출이 바로 이루어지고 어드밴스각과 드웰각을 제어하기가 용이하지만 가격이 너무 비싸다는 단점이 있다. 경제적인 면을 고려한다면 가장 저렴한 광커플러와 같은 방식을 이용하는 것이 바람직하지만 최초의 제작시에 어드밴스각과 드웰각이 고정되어 각도제어가 어렵고 미리 모터의 최적 제어각도를 구하는 과정이 필요하게 된다. 이러한 최적의 제어각도를 구하는 과정은 SRM의 비선형성 때문에 실질적인 실험을 통한 경험적으로 수치에 의존해야만 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 절대위치 엔코더보다는 가격면에서 유리하고 광커플러보다는 제어면에서 유리한 600펄스의 증분형 엔코더를 사용하였다.

도 1은 일반적인 증분형 엔코더의 구성을 보여주는 도면으로, 도면에서 참조부호 10은 증분형 엔코더이고, 11은 회전 디스크, 12는 발광소자, 14는 고정 슬리트, 16은 A, B, Z 상을 검출하는 다수개의 수광소자 이다. 그리고 후술하는 바와 같이, 카운터회로를 사용하여 각도를 0.6도씩 조정할 수 있는 근사 절대위치 엔코더를 구성한다. 도 2에는 도 1의 증분형 엔코더의 A상, B상, Z상 출력 신호 파형의 일 예를 보여주는 도면이 도시도어 있다.

도 3은 방향 판별 회로의 일 예를 보여주는 도면이고, 도 4는 엔코더의 펄스파형에 따른 방향 판별 회로의 출력 신호 파형을 보여주는 도면이다.

도면을 참조하여, 증분형 엔코더와 카운터회로를 사용하여 SRM의 회전자의 위치정보를 판별하기 위해 절대위치 검출 회로를 구성한다. 4비트의 UP/DOWN 카운터로 D Flip-flop를 사용하여 회전방향을 판별한다. 엔코더의 신호는 시계방향으로 회전하는 경우 A상 신호가 B상 신호보다 90°앞서도록 되어 있다.

A상 엔코더 펄스는 D Flip-flop의 D단자에, B상 엔코더 펄스는 클럭단자로 신호가 들어가도록 한다. 또한 A상 엔코더 펄스는 NAND1, NAND2로 각각 입력된다. 이렇게 하면 정방향 회전시 NAND2의 출력은 계속 HIGH신호를 유지하게 되어 다운 카운트가 금지되고, NAND1의 출력으로 카운트 UP하게 된다. 이와 비슷하게 반시계방향으로 회전하는 경우에는 UP신호가 HIGH상태로 되어 카운트 UP이 금지되어 DOWN신호가 인가되어 카운트 DOWN하게 된다. 도 4에서 정방향 회전과 역방향 회전시 엔코더 A상 신호와 엔코더 B상 신호 및 카운터에 연결된 UP, DOWN 신호를 나타내고 있다. 그리고 제어 전원으로부터 엔코더 보호와 노이즈 저감을 위하여 포토 커플러를 사용하여 엔코더 전원을 분리하여 사용한다.

증분형 엔코더를 사용할 경우 전원을 인가할 때마다 카운터의 값은 리셋되기 때문에 초기전원 인가시 임의의 특정한 위치에 회전자극을 놓고 카운터를 프리셋하는 과정이 필요하게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, SRM의 A상의 고정자극과 임의의 한 회전자극을 일치시키고 그 위치를 카운터에 프리셋시키기 위하여 마이크로프로세서의 소프트웨어 인터럽트(software interrupt)를 이용한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전자 위치 검출을 이용한 모터구동 회로의 구성을 보여주는 블록도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 회로는 SRM(5)에 장착되는 증분형 엔코더(10), 방향 판별 회로(20), 카운터 회로(30), 메모리(40), 마이크로 프로세서(50), 멀티플렉서(60) 및, 구동회로(70)를 포함하여 구성된다.

상술했던 바와 같이, 방향 판별 회로(20)는 엔코더(10)로부터 출력되는 A상 B상 신호를 제공받아 SRM(5)의 회전자 회전 방향에 따라 UP 또는 DOWN 신호를 카운터 회로로 제공한다. 카운터 회로(30)는 UP 또는 DOWN 신호를 제공받아 카운트를 증가하거나 감소하여 해당 카운트 신호를 메모리(40)의 어드레스 신호로 제공한다.

증분형 엔코더(10)를 사용할 경우 전원을 인가할 때마다 카운터 회로(30)의 값은 리셋되기 때문에 초기전원 인가시 임의의 특정한 위치에 회전자극을 놓고 카운터 회로(30)를 프리셋하는 과정이 필요하게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, SRM(5)의 A상의 고정자극과 임의의 한 회전자극을 일치시키고 그 위치를 카운터에 프리셋시키기 위하여 마이크로 프로세서(50)의 소프트웨어 인터럽트를 이용한다.

엔코더(10)의 Z상 신호는 카운터 회로(30)의 클리어 단자(CLR)와 연결되어 SRM(5)이 1회전할 때마다 카운터를 리셋 시켜주는 역할을 한다. 카운터 회로(30)의 LOAD는 0x257로 고정되어 있는데 SRM(5)이 역방향으로 회전할 때 카운터의 값을 600으로 하여 링카운터를 구성하여 연속적인 회전자 위치를 검출한다.

SRM(5)의 전류 로직은 메모리(40)과 카운터 회로(30)의 출력값 및 멀티플렉서(60)의 선택만으로 간단하게 이루어진다. 메모리(40)는 카운터 회로(30)에서 출력된 절대위치값을 어드레스로 입력받아 여자상을 결정하여 주는 역할을 한다. 절대위치에 따른 각각의 주소에는 현재 여자시켜 주어야 할 여자상과 다음에 여자시켜 줄 상에 대한 정보가 기록되어 있다. 메모리(40)의 출력 데이터는 멀티플렉서(60)를 통하여 구동회로(70)의 입력되어 SRM(5)으로 구동 신호가 제공된다. 멀티플렉서(60)는 초기위치 확보시에는 마이크로 프로세서(50)로부터 제동되는 초기 구동 시호를 제공받아 출력한다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 장치의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, SRM을 구동하기 위한 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 장치를 상대적으로 저가이며 제어면에서 우수한 증분형 엔코더와 카운터 회로를 이용하여 더욱 정밀한 위치정보를 가지고 안정적인 구동 회로를 구성할 수 있다.

Claims (1)

1. 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor : SRM)를 구동하기 위한 모터 구동 장치에 있어서:

   회전자의 회전 및 회전 방향에 따른 서로 다른 위상을 갖는 A상, B상 및 Z 상 신호를 출력하는 증분형 엔코더;

   증분형 엔코더로부터 A상 B상 신호를 제공받아 회전 방향을 판별하여 회전 방향을 표시하기 위한 UP/DOWN 신호를 출력하는 방향 판별 회로;

   방향 판별 회로로부터 제공되는 UP/DOWN 신호를 제공받아 카운트 업/다운 신호를 출력하는 카운터 회로;

   카운터 회로로부터 제공되는 카운트 신호를 어드레스 신호로 제공받아 저장된 회전자의 위치에 대한 SRM 구동 데이터를 출력하는 메모리;

   메모리로부터 제공되는 SRM 구동 데이터 또는 초기 위치 구동 데이터 중 어느 하나를 선택적으로 출력하는 멀티플렉서;

   멀티 플렉서로부터 출력되는 구동 신호를 받아들여 스위치드 릴럭턴스 모터로 구동 신호를 출력하는 구동 회로 및;

   모터 구동 장치의 동작을 제어하고, 멀티플렉서의 스위칭을 제어하고, 초기 위치 구동 데이터를 출력하는 마이크로 프로세서를 포함하는 회전자 위치 검출을 이용한 모터 구동 장치.