KR100659151B1

KR100659151B1 - 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도제어방법

Info

Publication number: KR100659151B1
Application number: KR1020040010441A
Authority: KR
Inventors: 윤용호; 김덕규; 우무선; 원충연; 최유영
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2006-12-19
Also published as: KR20050082079A

Abstract

본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법은, PM BLDC 전동기의 3상중 임의의 2상에만 홀센서를 설치하고, 그 2상에 설치된 홀센서에 의해 PM BLDC 전동기의 영구자석 회전자의 위치에 대한 2상의 각각에 대한 상대적인 위치를 검출하는 한편 그 2상에 대한 위치 검출신호를 이용하여 실용 적분회로와 영점 검출회로의 조합으로 이루어진 홀센서 신호 추정회로에 의해 나머지 한 상에 대한 위치를 추정하고, 상기 2상에 대한 실제의 검출신호와 나머지 한 상에 대한 추정신호를 PM BLDC 전동기의 속도 제어 알고리즘에 제공하여 최종적으로 PM BLDC 전동기의 속도를 제어한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, PM BLDC 전동기의 3상중 임의의 2상에만 홀센서를 설치하고, 그에 따른 검출신호와 나머지 한 상에 대한 추정신호를 바탕으로 전동기의 속도를 제어하므로, 종래의 전동기의 속도 제어를 위해 사용되던 고가의 장치를 필요로 하지 않아 PM BLDC 전동기의 전체적인 구동 시스템의 제작비용을 대폭 감축시킬 수 있고, 기존의 속도 센서 설치에 있어서의 여러 가지 문제점들을 원천적으로 해결할 수 있는 장점이 있다.

홀센서, 브러시리스 직류전동기, 속도제어

Description

2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법{Method for controlling speed of brushless DC motor using two hall sensors}

도 1은 본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법의 구현을 위해 채용되는 PM BLDC 전동기의 구동 시스템의 개략적인 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 있어서, 2상의 홀센서 신호를 가지고 나머지 한 상의 신호를 추정하는 알고리즘을 도식적으로 보여주는 도면.

도 3은 일반적인 실용 적분회로의 구성을 보여주는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 채용되는 홀센서 신호 추정회로의 구성을 보여주는 도면.

도 5는 도 4의 추정회로의 입력으로 사용된 홀센서 신호(H_A), 홀센서 신호 (H_A)의 적분신호 및 최종적으로 출력되는 추정신호(H_C)를 보여주는 도면.

도 6은 본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법의 구현을 위해 채용되는 속도 판별 알고리즘을 도식적으로 보여주는 도면.

도 7은 도 1의 PM BLDC 전동기의 구동 시스템에 있어서의 EPLD 내부에 구성되어 있는 6 펄스 발생용 디지털 로직 회로의 구성을 보여주는 도면.

도 8은 본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 있어서, 속도 제어를 위해 2개의 실측 홀센서 신호(H_A,H_B)와 나머지 한 상의 추정신호(H_C)를 바탕으로 60°마다 펄스를 발생시키는 시뮬레이션 과정을 보여주는 도면.

도 9는 일반적으로 사용되는 3개의 홀센서를 이용한 방법에 의한 3상에 대한 검출신호와 6 펄스를 보여주는 도면.

도 10은 본 발명의 2개의 홀센서를 이용한 방법에 의한 3상에 대한 검출신호와 6펄스를 보여주는 도면.
도 11 내지 도 13은 실제의 홀센서 신호와 추정한 홀센서 신호에 대한 실험 및 시뮬레이션 결과 파형을 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101...교류 전원 102...정류기

103...인버터 104...PM BLDC 전동기

105...홀센서 106...전류제어기

107...게이트 드라이버 108...EPLD

109...비례적분 제어기 110...D/A 컨버터

111...카운터 112...컴퓨터 시스템

본 발명은 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 PM BLDC 전동기의 속도제어를 수행함에 있어서 별도의 속도 센서 없이 위치 검출 센서인 홀센서(Hall-ICs)를 이용하여 회전자의 위치를 판별함과 함께 속도 센서를 대신하여 사용할 수 있고, 또한 기존의 시스템의 경우 홀센서(Hall-ICs)를 3개 이용하는데 반해 2개의 홀센서(Hall-ICs)를 이용함으로써 제조단가를 낮추고 크기를 줄일 수 있는 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 관한 것이다.

최근 각종 산업기기 및 자동화기기에는 회전자가 영구자석으로 구성된 브러시리스 전동기(이하 PM BLDC 전동기라 칭함)의 사용이 증가하고 있는 추세이다. 이러한 PM BLDC 전동기는 직류전동기의 계자와 전기자를 제거한 형태로서 무브러시로 인한 견고성, 저소음, 무보수성, 긴 수명 및 회전자 손실이 없고 제어가 간단하며 운전 영역이 매우 넓다는 장점을 가지고 있다.

한편, 이상과 같은 PM BLDC 전동기의 속도를 제어하는 방법은 속도 센서를 이용하는 방법과 속도 센서를 이용하지 않는 센서리스 방법으로 나눌 수 있다.

속도 센서를 이용하는 방법의 경우는 회전자의 위치를 검출하기 위해 자기 센서 혹은 광센서를 사용하며, 속도를 검출하기 위해 엔코더와 레졸버 등의 속도 센서가 필요하다. 그러나, 엔코더와 레졸버의 경우 고가이고, 고속 회전시 측정이 어렵다는 점과 전동기 구동회로의 제조 단가 상승, 부피 증가 등의 문제가 있다.

속도 센서를 이용하지 않는 방법의 경우는 센서를 사용하지 않기 때문에 센서를 이용할 수 없는 곳에서도 사용이 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 센서리스 제어의 경우 제어 대상인 모터의 파라미터가 변경되면 동일한 알고리즘 적용이 어렵고, 복잡한 연산을 필요로 하기 때문에 고성능의 프로세서를 요구하는 단점이 있다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, PM BLDC 전동기의 속도제어를 수행함에 있어서 별도의 속도 센서 없이 위치 검출 센서인 홀센서 (Hall-ICs)를 이용하여 회전자의 위치를 판별함과 함께 속도 센서를 대신하여 사용할 수 있고, 또한 기존의 시스템의 경우 홀센서(Hall-ICs)를 3개 이용하는데 반해 2개의 홀센서(Hall-ICs)를 이용함으로써 제조단가를 낮추고 크기를 줄일 수 있는 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법은,

교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 바꾸고, 그 직류 전원을 인버터를 거쳐 PM BLDC 전동기로 공급하여 전동기를 구동하는 시스템에 있어서의 홀센서를 이용한 PM BLDC 전동기의 속도제어 방법에 있어서,

상기 PM BLDC 전동기의 3상중 임의의 2상에만 홀센서를 설치하고, 그 2상에 설치된 홀센서에 의해 PM BLDC 전동기의 영구자석 회전자의 위치에 대한 2상의 각각에 대한 상대적인 위치를 검출하는 한편 그 2상에 대한 위치 검출신호를 이용하여 실용 적분회로와 영점 검출회로의 조합으로 이루어진 홀센서 신호 추정회로에 의해 나머지 한 상에 대한 위치를 추정하고, 상기 2상에 대한 실제의 검출신호와 나머지 한 상에 대한 추정신호를 PM BLDC 전동기의 속도 제어 알고리즘에 제공하여 최종적으로 PM BLDC 전동기의 속도를 제어하는 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법을 구현하기 위해 채용되는 PM BLDC 전동기의 구동 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법을 구현하기 위해 채용되는 PM BLDC 전동기의 구동 시스템은 교류 전원(101)을 공급받아 직류 전원으로 바꾸는 정류기(102)와, 정류기(102)로부터 출력되는 직류 전원을 입력받아 PM BLDC 전동기(104)를 구동하기 위한 스위칭 전원을 출력하는 인버터(103)와, PM BLDC 전동기(104)의 3상중 임의의 2상에 설치되어 그 2상에 대한 PM BLDC 전동기(104)의 영구자석 회전자의 상대적인 위치를 검출하는 홀센서(105)와, 인버터(103)를 거쳐 PM BLDC 전동기(104)로 공급되는 전류에 대한 히스테리시스(hysteresis) 전류제어를 수행하는 전류제어기(106)와, 상기 인버터(103)의 반도체 스위칭 소자의 게이트 단자에 소자의 온/오프 구동을 위한 게이트 신호를 송출하는 게이트 드라이버(107)와, 상기 PM BLDC 전동기(104)의 3상중 임의의 2상에 설치된 홀센서(105)에 의해 검출된 2상에 대한 위치신호와 그 2개의 검출신호를 바탕으로 홀센서 추정 회로(도 4 참조)에 의해 추정된 나머지 한 상에 대한 홀센서 신호를 바탕으로 전동기의 속도제어를 위해 내부에 구성된 디지털 로직 회로(도 7 참조)에 의해 전동기의 회전자의 1회전당(홀센서 검출 펄스신호의 1 Cycle당) 60°의 간격으로 6개의 펄스를 발생시키는 EPLD(Erasable Programmable Logic Device)(108)와, PM BLDC 전동기(104)의 미리 주어진 기준속도 (ω_ref)와 실제속도(ω)와의 오차에 대하여 비례적분 제어를 수행하는 비례적분 제어기(109)와, 비례적분 제어기(109)로부터의 출력신호(디지털 신호)를 아날로그 신호로 변환하는 한편 기준전류신호(I_ref)를 출력하는 D/A(digital-to-analog) 컨버터 (110)와, 상기 PM BLDC 전동기(104)의 3상중 임의의 2상에 설치된 홀센서(105)에 의한 검출 신호를 카운팅하여 전동기의 실제속도(ω)를 산출해내는 카운터(111)와, 상기 PM BLDC 전동기(104)에 대한 기준속도(ω_ref)를 제공하는 한편, PM BLDC 전동기(104)의 속도 제어와 관련된 각종 파라미터(parameter) 및 제어명령을 입력하는 컴퓨터 시스템 (112)을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 비례적분 제어기(109)와 D/A 컨버터(110) 및 카운터(111)는 그와 같은 기능들을 내장하는 한 개의 마이크로프로세서(예를 들면, 80C196KC)로 대체될 수 있다.

그러면, 이상과 같은 PM BLDC 전동기의 구동 시스템을 바탕으로 본 발명의 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 대하여 설명해 보기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 있어서, 2상의 홀센서 신호를 가지고 나머지 한 상의 신호를 추정하는 알고리즘을 도식적으로 보여주는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, PM BLDC 전동기(104)의 3상(예컨대, A,B,C 3상)중 임의의 2상(예를 들면, A,B상)에 홀센서(105)를 설치하고, 그 2개의 홀센서(105)에 의해 PM BLDC 전동기(104) 내의 영구자석 회전자에 대한 상대적인 위치 검출신호 (H_A,H_B)를 얻고, 그것을 이용하여 나머지 한 상(C상)에 대한 위치신호(H_C)를 추정하는 것이다.

일반적으로 PM BLDC 전동기의 경우 각 상의 위치 판별을 위해 통상 각 상에 대해(3상의 경우, 3상 모두에 대해) 홀센서를 갖는다. 그러나, 본 발명의 경우에는 전술한 바와 같이 2개의 홀센서를 이용하여 나머지 한 상에 대한 위치신호를 추정하게 되며, 이를 위해 홀센서 신호 추정회로가 도입된다.

적분회로는 주파수 측면에서 볼 때, 주파수가 2배로 될 때마다 이득은 1/2이 되는 특성이 있고, 위상 측면에서는 입력에 대하여 -90°의 지연이 생긴다. 이와 같은 적분회로는 톱니파 또는 삼각파를 만드는 경우와 타이머에 응용될 경우 및 미분형 센서의 출력을 실제의 변위값으로 변환하는 회로 등에 많이 활용되고 있다.

도 3은 일반적인 적분회로를 나타낸다. 이 적분회로에 있어서 입력전류 i₁ 와 피드백 전류 i_f는 같으며(i₁ = i_f), 이를 이용하여 적분회로를 해석한다. 적분 동작은 콘덴서 C의 충전특성을 이용하는데, 전류 i가 콘덴서 C에 흐르면, C에 충전 되는 전압 V는 다음의 수식으로 나타낼 수 있다.

도 3에서 입력전압 V₁에 의해 흐르는 입력전류 i₁ 은 A점이 가상의 접지 (imaginary earth)인 개념을 이용하면 다음의 수식으로 표현할 수 있다.

그리고, 피드백 전류 i_f에 의해 콘덴서 C에 충전되는 전압은 상기 수학식 1 및 2와 A점이 가상의 접지인 개념을 이용하면 다음의 수식으로 표현할 수 있다.

적분회로의 출력전압 V_O는 상기 수학식 3에서 보듯이 콘덴서 C에 관계되며, 이 C는 용량성 리액턴스를 정의한 다음의 수학식 4에서 알 수 있듯이 주파수에 영향을 받는다. 따라서, 적분회로는 입력주파수 f_i의 범위를 고려해야 하는데, 이의 기준이 되는 주파수를 적분 동작 한계주파수 f_C라 한다.

여기서, 회로설계시 주의 사항으로는 낮은 주파수일 때의 이득을 제한하지 않으면, 직류 오프셋 전압이 작아져도 연산 증폭기가 포화상태로 들어가 버린다. 또한, 입력 전압 V₁의 주파수 f가 f_C(=1/2πR_SC)보다 작으면, 이 회로의 동작은 단순한 반전 증폭회로가 되며 V_O/V_i= -R_S/R₁가 된다. f_C＜ f 일 때는 적분 동작이 되며, f＜ f_C 일 때는 반전 증폭기로 동작하게 된다.

도 4는 상기 도 3의 실용 적분회로와 영점 검출회로를 포함한 본 발명의 방법에 도입되는 홀센서 신호 추정회로를 보여주는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 실용 적분회로를 통해 출력된 삼각파와 영점 (ground)을 비교하여 영점 이상의 값에서 펄스가 발생되도록 함으로써 홀센서 신호(H_C)를 추정하게 된다. 여기서, 이 홀센서 신호(H_C)를 추정하는 것과 관련하여 설명을 부연해 보기로 한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 3상 PM BLDC 전동기에 부착된 A상의 홀센서 신호(Ha)를 실용 적분회로의 입력신호로 이용하고, 이때 실용 적분회로의 출력으로 나오는 신호는 영점 검출회로와 비교하게 된다. 따라서 최종적으로 영점 검출회로와 비교되어 출력된 신호는 추정한 C상의 홀센서 신호(Hc)로서 실제적으로 전동기에 부착한 C상의 홀센서 신호와 동일하게 나타난다. 본 발명에 있어서 3상의 홀센서 신호는 120도 위상차를 두고 있기 때문에 3상중 2상의 신호만을 이용하여 나머지 한 상의 신호를 검출하게 되는데, 본 발명에서 제시하는 회로(홀센서 신호 추정회로)(도 4)를 이용하여 특히 A상의 신호로 C상의 신호를 만들게 된다. 즉, 3상 전동기에서 실제적으로 부착된 2상의 홀센서 신호만 알고 있으면 부착되지 않은 나머지 홀센서 신호를 간접적으로 검출할 수 있게 되는 것이다.
위에서 언급한 내용에 대한 실험 및 시뮬레이션 결과 파형을 도 11, 12 및 13에 나타내었다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 추정한 홀센서 신호(Hc)는 실제적으로 설치된 홀센서 신호(Hc)와 비교했을 경우 위상차가 발생되지 않았고, A상의 홀센서 신호와 위상차가 240도 나타남을 보임으로써 동일함을 보여주고 있다.

도 5는 상기 도 4의 추정회로의 입력으로 사용된 홀센서 신호(H_A)와, 그 홀센서 신호(H_A)의 적분된 신호 및 최종적으로 출력되는 추정신호 H_C를 보여주는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 추정된 H_C신호도 실제로 홀센서에 의해 검출된 홀센서 신호(H_A)처럼 구형파 형태를 취하고 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 방법 구현을 위해 채용되는 속도 판별 알고리즘을 도식적으로 보여주는 도면이다.

일반적으로, 속도를 측정하기 위해서는 엔코더나 레졸버와 같은 속도 센서를 사용해야만 한다. 그러나, 본 발명의 방법에서는 위치 판별용 센서인 홀센서의 신호를 가지고 속도 센서를 대신할 수 있는 알고리즘을 도입한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 홀센서 신호는 120°의 위상차를 가지고 발생하며, 각 상은 서로 60°씩 교차하게 된다.

이와 같은 방법으로 EPLD(도 1 참조) 내에서 60°마다 펄스가 발생되도록 회로를 구현하여, 일반적인 엔코더에서 발생되는 A상과 B상의 펄스와 같은 역할을 할 수 있도록 펄스를 발생시켜 일종의 저분해능의 엔코더를 구성하게 되는 것이다.

도 7은 EPLD 내부에 구성되어 있는 6 펄스 발생용 디지털 로직 회로의 구성을 보여주는 도면이다.

도 7을 참조하면, 이 디지털 로직 회로는 두 개의 홀센서 신호와 상기 도 4의 홀센서 신호 추정회로를 통해 추정된 나머지 한 개의 홀센서 신호(H_C)를 입력으로 이용하여 디지털 소자와 플립플롭(flip-flop) 등을 이용하여 속도 판별의 기준이 되는 6 펄스를 발생시키게 된다.

도 8은 속도 제어를 위해 2개의 홀센서 신호(H_A,H_B)로부터 추정한 나머지 한 상 신호(H_C)를 포함하여 각 상에 대한 홀센서 신호를 가지고 각각의 홀센서 신호의 상승시간과 하강시간을 검출하여, 60°마다 펄스를 발생시키는 과정을 보여주는 도면이다. 이와 같은 자료(데이터)는 마이크로프로세서(80C196KC)(도 1 참조)의 카운터(111)를 이용하여 속도를 측정할 수 있는 기준값으로 사용된다.

한편, 도 9는 일반적으로 사용되는 3개의 홀센서를 이용한 방법에 의한 3상에 대한 검출신호와 6펄스를 보여주는 것이고, 도 10은 본 발명의 2개의 홀센서를 이용한 방법에 의한 3상에 대한 검출신호와 6펄스를 보여주는 것으로서, 양자를 비교해 볼 때 상호 동일한 결과를 얻음을 알 수 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법은 2개의 홀센서에 의해 PM BLDC 전동기의 3상중 임의의 2상에 대하여 영구자석 로터의 위치에 대한 상대적인 위치신호를 얻고, 그 얻어진 2개의 검출신호를 바탕으로 나머지 한 상에 대한 위치신호를 추정하며, 그렇게 하여 얻어진 3상에 대한 홀센서 신호를 이용하여 전동기의 속도를 제어하므로, 종래에 전동기의 속도제어를 위해 사용되는 고가의 속도 센서인 엔코더와 레졸버의 역할을 충분히 대신하게 되며, 따라서 PM BLDC 전동기의 전체적인 구동 시스템의 제작비용을 대폭 감축시킬 수 있고, 기존의 속도 센서 설치에 있어서의 여러 가지 문제점들을 원천적으로 해결할 수 있는 장점이 있다.

Claims

교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 바꾸고, 그 직류 전원을 인버터를 거쳐 PM BLDC 전동기로 공급하여 전동기를 구동하는 시스템에 있어서의 홀센서를 이용한 PM BLDC 전동기의 속도제어 방법에 있어서,

상기 PM BLDC 전동기의 3상중 임의의 2상에만 홀센서를 설치하고, 그 2상에 설치된 홀센서에 의해 PM BLDC 전동기의 영구자석 회전자의 위치에 대한 2상의 각각에 대한 상대적인 위치를 검출하는 한편 그 2상에 대한 위치 검출신호를 이용하여 실용 적분회로와 영점 검출회로의 조합으로 이루어진 홀센서 신호 추정회로에 의해 나머지 한 상에 대한 위치를 추정하고, 상기 2상에 대한 실제의 검출신호와 나머지 한 상에 대한 추정신호를 PM BLDC 전동기의 속도 제어 알고리즘에 제공하여 최종적으로 PM BLDC 전동기의 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 2개의 홀센서를 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법.
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