KR101336472B1 - Ｂｌｄｃ 모터제어 시스템의 홀소자 이상판정 방법 - Google Patents

Abstract

BLDC 모터의 회전자 위치판별을 위해 사용하는 3개의 홀소자의 출력합성치를 판정함으로써 홀소자의 이상상태를 판정하는 BLDC 모터의 홀소자 이상판정 방법에 있어서, 제어부가, 3개의 검출용 홀소자(110a, 110b, 110c)들로부터의 출력치(Hu, Hv, Hw)의 합성치가 "0"의 값으로부터 소정의 오차범위를 벗어나는지 여부를 판단하는 단계와; 단계에서 오차범위를 벗어나는 경우, 홀소자에 이상이 있다고 판정하는 단계 및, BLDC 모터(100)를 센서리스 방식으로 제어하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

ＢＬＤＣ 모터제어 시스템의 홀소자 이상판정 방법{A METHOD FOR DISCRIMINATING THE MALFUNCITION OF BLDC MOTOR CONTROL SYSTEM}

본 발명은 BLDC 모터의 홀소자 이상판정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 BLDC 모터의 회전자 위치판별을 위해 사용하는 3개의 홀소자의 출력합성치를 판정함으로써 홀소자의 이상상태를 판정하는 BLDC 모터의 홀소자 이상판정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, BLDC(Brushless DC)모터는 DC 모터에서 정류자 역할을 하는 브러시를 제거하고 DC모터의 성질은 그대로 유지되도록 고안된 것으로, 그 구성으로는 3상 코일(U상 코일, V상 코일, W상 코일)로 이루어진 고정자, 영구 자석으로 이루어진 회전자, 그리고 위치 검출 소자를 포함한다.

이러한 BLDC 모터는 BLDC 모터의 고정자측 코일의 각 상으로 전류를 흘려주고, 이 전류에 의해 코일에 자계가 발생하도록 하여 회전자를 회전시킨다. 이 때, BLDC 모터는 회전자의 자계의 세기를 검출하고, 검출된 자계의 세기에 따라 코일의 각상에 흐르는 전류의 방향을 전환시키기 위한 스위칭 소자들을 순차적으로 온/오프시킴으로써 회전자가 한쪽 방향으로 계속해서 회전하도록 한다.

즉, BLDC 모터는 브러시를 사용하지 않고, 브러시가 수행하던 회전자의 위치 검출을 회전자의 자계의 세기를 이용하는 홀 소자를 통해 검출하며, 이렇게 검출된 신호를 이용해 BLDC모터 회전자의 위치를 제어하는 소정의 위치제어용 신호를 발생시킨다.

모터의 회전자를 한쪽 방향으로 계속해서 회전시키기 위해서는 회전자의 위치(회전자의 자계의 세기)를 검출하고, 검출된 회전자의 위치에 따라 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 전환시키기 위한 스위칭 소자들을 순차적으로 온, 오프 시켜야 한다.

이때, 회전자의 자계에 의해 형성되며 위상이 120°차이가 나는 3개의 신호를 통해 회전자의 정확한 위치를 알 수 있는데, 이러한 3개의 홀 신호는 홀센서나 홀 IC 등과 같은 홀 검출기를 통해 검출된다.

이와 같은 BLDC 모터 및 구동회로를 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다. 도 1에서 보는 바와 같이, BLDC 모터(100) 및 모터 구동 회로(200)가 BLDC 모터 시스템을 구성한다.

상기 BLDC 모터(100)는 고정자 측에 설치되어 있는 3상의 코일(130)(U상, V상, W상)과, 회전자측에 설치되어 있는 영구 자석 및 회전자의 자계의 세기(회전자의 위치)를 검출하는 3개의 홀 소자(110a, 110b, 110c)를 포함한다.

도 1에서 각각의 홀 소자(110a, 110b, 110c)는 회전자의 자계의 세기(회전자의 위치)에 대응하며 위상이 180°차이가 나는 한쌍의 신호들(홀 신호쌍)(Hu+, Hu-; Hv+, Hv-; Hw+, Hw-)을 출력한다. 여기서, 각각의 홀 소자(110a, 110b, 110c)에서 출력되는 신호(Hu+, Hv+, Hw+)는 위상이 120°차이가 난다.

한편 상기 모터 구동 회로(200)는 홀소자로부터 출력되는 신호를 수신하여 일정한 3상 기준신호를 생성하며, 생성된 일정한 3상 기준신호를 이용하여 3상의 코일(130)에 180°통전을 위한 전류를 공급하여 회전자(120)의 회전을 제어한다. 여기서, 도 1에 나타낸 바와 같이 상기 모터 구동 회로(200)는 기준신호 발생부(220) 및 모터 구동부(240)를 포함한다.

상기 기준신호 발생부(220)는 홀소자로부터 출력되는 신호(Hu+, Hu-; Hv+, Hv-; Hw+, Hw-)를 입력받아, 이에 대응하며 상기 모터 구동부(460)를 제어하기 위한 3상 기준신호(isou, isov, isow)를 출력한다. 상기 기준신호 발생부(220)는 홀소자로부터 출력되는 신호(Hu+, Hu-; Hv+, Hv- ; Hw+, Hw-)의 크기(amplitude)가 홀소자의 온도 등에 의하여 변하여도 일정한 3상 기준신호(isou, isov, isow)를 생성하는데, 이에 대한 구체적인 방법은 아래에서 설명한다.

여기서, 3상 기준신호(isou, isov, isow)는 홀소자로부터 출력되는 신호(Hu+, Hu-; Hv+, Hv-; Hw+, Hw-)에 대응하여 생성되므로, 3상 기준신호(isou, isov, isow)에는 회전자의 자계의 세기(회전자의 위치)의 정보도 포함되어 있다.

한편 상기 모터 구동부(240)는 3상 기준신호 발생부(220)로부터 출력되는 3상 기준신호(isou, isov, isow)를 입력받으며, 이에 따라 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 전환시켜, 회전자가 한쪽 방향으로 계속 회전하도록 한다.

이와 같은 BLDC 모터와 그 구동회로는 회전자의 위치를 정밀하게 검출해야 하며, 그 위치를 검출하기 위하여 회전자 위치검출용 홀소자가 필요하다.

이러한 홀소자는 다른 홀센서에 비해서 정밀도가 높으나, 열에 약한 반도체 IC로 구성되어 있기 때문에 홀센서에 비해서 열에 의한 파손의 위험이 높다. 그런데, 이러한 홀소자가 열에 의하여 파손되거나 혹은 정상적인 작동이 불가능한 경우에는 모터의 구동이 정상적으로 이루어지기 어렵기 때문에 이를 사전에 방지하고, 파손에 의하여 홀소자를 사용할 수 없는 경우에는 센서리스 방식으로 모터를 구동할 수밖에 없게 된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 BLDC 모터에서 회전자 위치를 검출하기 위한 홀소자의 이상여부의 판정을 용이하게 할 수 있는 홀소자 이상판정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 홀소자의 이상여부를 판정하면 BLDC 모터의 제어방식을 센서리스(SENSORLESS) 제어방식으로 전환함으로써 BLDC 모터가 정상동작할 수 있도록 하는 홀소자 이상판정 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 회전자 측에 영구자석을 포함하며, 고정자 측에 3상 코일과 회전축을 중심으로 나란히 45°씩 이격되어 배치되는 3개의 검출용 홀소자를 포함하는 BLDC 모터와, 상기 BLDC 모터의 제어부를 포함하는 BLDC 모터제어 시스템의 홀소자 이상판정 방법으로서: 상기 제어부는, 상기 3개의 검출용 홀소자들로부터의 출력치의 합성치가 "0"의 값으로부터 소정의 오차범위를 벗어나는지 여부를 판단하는 단계와; 상기 단계에서 오차범위를 벗어나는 경우, 상기 홀소자에 이상이 있다고 판정하는 단계; 및, 상기 BLDC 모터를 센서리스 방식으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 오차범위를 벗어나는지 여부를 판단하는 단계에서 오차범위내일 경우, 패턴이 일정한지의 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며, 패턴이 일정할 경우, 홀소자에 이상이 있다고 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 BLDC 모터의 홀소자 이상판정 방법에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

즉, BLDC 모터에서 회전자 위치를 검출하기 위한 홀소자의 이상상태에 대한 판정을 용이하게 함으로써 BLDC 모터의 고장 진단 및 수리를 용이하게 한다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 BLDC 모터의 홀소자 이상판정 방법에 의하면 홀소자의 오작동을 감지하면 BLDC 모터의 제어방식을 센서리스(SENSORLESS) 제어방식으로 전환함으로써 BLDC 모터가 정상동작할 수 있도록 함으로써 BLDC 회로의 동작 신뢰성을 향상시킨다는 장점이 있다.

도 1a는 일반적인 3상 BLCD 모터 및 그의 구동회로를 개략적으로 도시한 도면.
도 1b는 일반적인 홀소자의 출력파형도.
도 2a는 본 발명의 구체적인 실시예에서 회전자 위치 검출용 홀소자의 위치를 도시한 도면.
도 2b는 본 발명의 구체적인 실시예에서 도 2a에 도시된 바와 같은 홀소자 위치에 따른 각 홀센서들의 출력신호를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에서 3개의 홀소자에 의하여 발생되는 3상 교류 정현파의 파형도.
도 4는 3개의 홀소자로부터의 출력치를 합성하기 위한 하나의 실시예를 나타내는 도면.
도 5는 3개의 홀소자로부터의 출력치를 합성하기 위한 다른 실시예를 나타내는 도면.
도 6A는 3개의 홀소자가 전부 정상인 경우의 출력파형도.
도 6B는 3개의 홀소자중 하나에 이상이 발생한 경우의 출력파형도.
도 7A는 3개의 홀소자가 전부 정상인 경우의 합성출력치에 있어서의 리플상태를 나타내는 파형도.
도 7B는 3개의 홀소자중 이상이 발생한 경우의 합성출력치에 있어서의 리플상태를 나타내는 파형도.
도 8은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 홀센서 오동작 감지방법 및 이를 이용한 모터 제어방법을 단계적으로 도시한 흐름도.

이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 BLDC 모터의 홀소자 이상판정 방법 및 그에 따른 BLDC 모터 제어방법의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2a는 본 발명의 구체적인 실시예에서 회전자 위치 검출용 홀소자의 위치를 도시한 도면이며, 도 2b는 홀소자 위치에 따른 각 홀센서들의 출력신호를 나타낸 도면이고, 도 3은 3개의 홀소자에 의하여 발생되는 3상 교류 정현파의 파형도이며, 도 4는 홀센서 이상검출 방법 및 이를 이용한 모터 제어방법을 단계적으로 도시한 흐름도이다.

BLDC 모터에서, 고정자는 영구자석으로 구성된 회전자의 자석수와 일치하는 3상으로 된 다수의 코일권선부로 구성된다. 회전자에 장착되는 자석들은 일반적으로 세라믹 자석이다. 고정자에 설치된 코일권선부와 회전자에 설치된 영구자석은 회전자에 자속밀도 분포를 형성하여 상기 회전자가 일정속도로 회전될 때, 도 1b에 도시된 바와 같은 사다리꼴 전자구동력(EMF)파형이 고정자의 코일권선부에 유도된다. 각 상(Phase)별로 사다리꼴 전자구동력(EMF)의 누적효과는 고정자의 유도전류에 대하여 대략적으로 평편형의 파형을 생성하는 것이다.

도 1b에 도시된 직사각형 전류 차단신호가 고정자의 코일권선부에 인가되면 일정한 토크가 생성된다. 상기 전류의 차단작동은 제1a도에 도시된 교류서어보 모터에서 180°에 걸쳐 연속적인 사인파형 전류의 인가와는 반대로 120°에 걸쳐 불연속적으로 인가됨을 알 수 있다. 하나의 코일권선부로부터 다른 코일 권선부로의 이러한 불연속적인 전류의 정류현상은 무브러쉬 직류모터의 코깅특성에 주된 원인이 있다.

상기 전자구동력(EMF)의 진폭은 속도와 비례하고, 상기 속도는 고정자의 코일권선부에 인가된 신호의 전압진폭을 제어함에 의해서 조절된다. 고정자에서 전류차단의 진폭은 발생된 토오크와 선형적으로 비례하고 상기 발생된 토오크를 제어한다. 회전자의 위치와는 무관하게 균일한 토오크 생성을 위해서는 전류의 정류현상이 예정된 회전자의 각도에 따라서 발생되어야만 한다. 이러한 각도들은 고장자에 장착된 3개의 홀효과 검지센서에 의해 검지되고, 모터제어부로 피드백정보를 제공하여 모터의 회전자 전류를 절환하게 된다. 또한, 저가의 저분해성 타코미터가 회전자의 속도신호를 제공하도록 사용가능한다.

정류작동 논리로 보면, BLDC 모터의 전류-토오크특성 및 전압-속도 특성은 브러쉬방식의 직류모터의 특성과 거의 유사하다. 결과적으로, BLDC 모터에 대한 조절회로는 매우 간단하고, 브러쉬방식의 직류모터 구동에 대한 조절특성을 호환하도록 구성될수 있다.

도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 BLDC 모터의 회전자 위치 검출용 홀소자의 오류 검출방법에서 각각의 홀소자(110a, 110b, 110c)에 포함되는 홀 소자들(Ha, Hb, Hc)은 고정자측에 축을 중심으로 서로 45°씩 이격되어 나란히 배열된다. 반면에 회전자측에 설치되는 영구자석은 회전자의 축을 중심으로 90°에 걸쳐 N극, S극이 번갈아 2개씩 배치된다. 이와 같은 홀 소자와 영구자석의 배치에 의하면 각각의 홀소자(110a, 110b, 110c)들은 도 2b에 도시된 바와 같은 신호를 출력한다.

도 3은 이러한 3개의 홀소자(110a, 110b, 110c)에 의한 파형을 나타낸다. 도면에서 보는 바와 같이, 홀소자는 전기적으로 120°인 위상차를 가지게 되므로, 이들이 출력하는 신호의 파형은 결국 3상 교류파형의 형태와 같게 된다.

도시한 바와 같이 3개의 홀소자(110a, 110b, 110c)로부터의 출력치(Hu, Hv, Hw)는 그의 진폭값이 어느 시점에서건 “0”으로 됨을 알 수 있다. 그런데, 3개의 홀소자의 어느 것이든 열충격이나 기타의 외부의 요인에 의하여 정상적인 작동을 하지 못하게 되는 경우 이들 3개의 홀소자로부터의 출력치(Hu, Hv, Hw)의 합은 정확한“0”값을 나타내지 못하고 오차를 나타내게 된다.

따라서 본 발명에서는 상기 모터 구동 회로(200)에서 상기 홀소자(110a, 110b, 110c)로부터 출력된 (Hu, Hv, Hw)의 합성치가 “0”에 수렴하지 못하거나, 혹은 일정한 오차범위를 벗어나게 되는 경우, 이를 상기 홀소자(110a, 110b, 110c)의 오작동으로 간주한다. 그리고 그에 따라 센서리스 제어방식에 의해 상기 BLDC 모터(100)를 구동하게 된다.

도 4는 본원발명의 방법에 따라서 홀소자의 이상여부를 판정하기 위하여 3개의 홀소자(11a, 110b, 110c)로 부터의 출력치를 합성하기 위한 하나의 실시예를 나타내는 도면이다.

본원발명의 방법을 구현하기 위한 홀소자의 출력치를 합성하기 위한 수단은 당업자에게 있어 주지된 다양한 방법을 사용할 수 있다. 하나의 실시예로서, 도시한 바와 같이, 3개의 홀소자(11a, 110b, 110c)로 부터의 출력은 각각 다이오드로 입력되고 이에 의하여 출력신호의 합성치가 구해지고, 이 합성출력치는 제어부를 구성하는 마이크로 프로세서로 입력되어 모터 구동신호로 사용된다.

도 5는 3개의 홀소자로부터의 출력치를 합성하기 위한 다른 실시예를 나타내는 도면으로서, 이 실시예에서는, 3개의 홀소자(11a, 110b, 110c)로 부터의 출력이 마이크로 프로세서의 ACD(Analog-to-Digital) 포트에 각각 입력되고, 마이크로프로세서내에서의 연산을 통한 소프트웨어적으로 합성치를 출력하도록 하는 방법을 도시하고 있다.

이와 같은 방법을 통하여 3개의 홀소자(11a, 110b, 110c)로 부터 출력된 신호를 합성하는 경우, 3개의 홀소자가 아무런 이상없이 정상적으로 작동하는 경우, 도 6A에서와 같은 출력파형이 나타나게 된다. 3개의 홀소자(11a, 110b, 110c)로 부터의 출력(Hu, Hv, Hw)는 상술한 바와 같이 120°의 위상차를 가지는 3상 교류파형의 형태를 가지게 되며, 그 경우, 합성출력치에 있어서의 리플상태는 도 7A에서 나타낸 바와 같은 파형을 보이게 된다.

3개의 홀소자(11a, 110b, 110c)는 이상적인 소자가 아니라는 점을 감안한다면, 그로부터의 출력 합성치는 공차에 따른 어느 정도의 리플을 나타내게 된다. 따라서, 출력 합성치가 0가 되지 않더라도, 통상적인 오차범위 내에 있는 리플파형을 나타내는 경우에는 3개의 홀소자(11a, 110b, 110c)가 정상상태에 있는 것으로 간주하게 된다.

이와는 달리, 예를 들어 3개의 홀소자(11a, 110b, 110c)중, 홀소자(110c)에 이상이 발생한 경우, 그의 출력치인 Hw가 도 6B에서 나타낸 바와 같은 파형을 나타내게 되며, 따라서 출력 합성치는 도 7B에서 나타낸 바와 같은 파형을 나타내게 된다.

즉, 3개의 홀소자(11a, 110b, 110c)중 어느 하나가 정상적인 상태가 아닌 경우에는, 그의 출력합성치의 파형에 있어서의 리플이 통상적인 오차범위보다 훨씬 크게 나타나게 되므로, 이러한 경우가 발생하게 되면 BLDC 모터제어 시스템의 제어부는 홀소자에 있어서 이상이 있다고 판정하게 되고, BLDC 모터를 센서리스 방식으로 제어하게 된다.

이와 같은 과정을 도 8에 도시된 흐름도를 참조하여 설명하면, 우선 상기 BLDC 모터(100)의 구동이 시작되면, 상기 홀소자(110a, 110b, 110c)들을 초기화한다(S100).

그리고 상기 모터 구동 회로(200)인 제어부는 상기 홀소자(110a, 110b, 110c)들로부터의 출력치(Hu, Hv, Hw)의 합성치가 “0”인지 아닌지의 여부를 지속적으로 감시한다(S200).

여기서 에러신호가 상기 홀소자(110a, 110b, 110c)들로부터의 출력치(Hu, Hv, Hw)의 합성치가 “0”의 값이거나, 일정한 오차범위내에 있는 경우에는, 상기 홀소자(110a, 110b, 110c)들을 이용한 상기 BLDC 모터(100)의 제어방식을 지속하지만, 상기 제200단계(S200)에서 상기 홀소자(110a, 110b, 110c)들로부터의 출력치(Hu, Hv, Hw)의 합성치가 “0”가 아니거나, 또는 일정한 오차범위를 벗어나는 경우에는, 상기 홀소자(110a, 110b, 110c)들로부터 수신되는 신호를 무시하고 상기 BLDC 모터(100)를 센서리스 방식으로 전환하여 제어한다(S300).

여기서 상기 제300단계(S300)에서 사용되는 센서리스 제어방식은 본 발명의 출원 이전에 알려진 다양한 센서리스 제어방식을 모두 포함할 수 있다. 이에 따르면 BLDC 모터(100)의 전류나 역기전력 등을 이용하여 회전자의 위치를 판별할 수 있게 된다.

그리고 결정된 제어방식에 따라 상기 BLDC 모터(100)를 구동함으로써 상기 홀소자(110a, 110b, 110c)의 이상발생 여부와 무관하게 상기 BLDC 모터(100)를 안정적으로 제어할 수 있다.

한편, 상술한 제어방식에 따라서 상기 3개의 검출용 홀소자(110a, 110b, 110c)들로부터의 출력치(Hu, Hv, Hw)의 합성치가 "0"의 값으로부터 소정의 오차범위를 벗어나는지 여부를 판단한 결과, 그의 리플값이 오차범위내인 경우라고 하더라도, 도 7B에서와 같이 파형에 있어서의 패턴이 일정하게 나타나는 경우는, 3개의 검출용 홀소자(110a, 110b, 110c)중의 일부 홀소자가 이상이 있다고 판정하고, 마찬가지로 제어부는 BLCD모터를 센서리스 방식으로 제어하게 된다(S500).

이와 같은 본 발명의 실시예에 의하면 새로운 구성의 추가 없이도 로직만으로 홀소자의 이상여부에 대한 판정을 행할 수 있고 그 결과에 따라 BLDC 모터의 안정적인 제어를 할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (2)

1. 회전자 측에 영구자석을 포함하며, 고정자 측에 3상 코일과 회전축을 중심으로 나란히 45°씩 이격되어 배치되는 3개의 검출용 홀소자(110a, 110b, 110c)를 포함하는 BLDC 모터(100)와, 상기 BLDC 모터(100)의 제어부를 포함하는 BLDC 모터제어 시스템의 홀소자 이상판정 방법으로서: 상기 제어부는,
   (가) 상기 3개의 검출용 홀소자(110a, 110b, 110c)들로부터의 출력치(Hu, Hv, Hw)의 합성치가 "0"의 값으로부터 소정의 오차범위를 벗어나는지 여부를 판단하는 단계와;
   (나) 상기 (가)단계에서 오차범위를 벗어나는 경우, 상기 홀소자에 이상이 있는 것으로 판정하는 단계;
   (다) 상기 BLDC 모터(100)를 센서리스 방식으로 제어하는 단계; 및
   (라) 상기 (가) 단계에서 오차범위내일 경우,패턴이 일정한지의 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며,
   상기 (라) 단계에서 패턴이 일정할 경우, 홀소자에 이상이 있다고 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터제어 시스템의 홀소자 이상판정 방법.
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