KR101345150B1 - 제어부 일체형의 bldc 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 BLDC 모터와 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기가 일체로 형성되어진 제어부 일체형의 BLDC 모터에 관한 것으로 특히, 상기 BLDC 모터는, 모터의 회전자 각 상(U, V, W)에 유기되는 역기전력을 검출하는 홀센서와, 모터의 회전각 및 회전속도를 감지하여 회전 상태를 센싱하는 엔코더를 구비하고; 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기는, 외부와 아날로그 혹은 디지털 정보를 교류하기 위한 인터페이스 단자와; 상기 인터페이스 단자를 통해 유입되는 정보와 상기 홀센서와 엔코더를 통해 현 시점의 상기 BLDC 모터 동작 상태에 따른 정보를 입력받아 이를 기준으로 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 CPU와; 상기 CPU에서 출력되는 제어신호에 따라 상기 BLDC 모터의 구동을 위한 모터의 회전자 각 상(U, V, W)에 따른 위상신호와 구동 전력을 공급하는 BLDC 모터 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어부 일체형의 BLDC 모터에 관한 것이다.

Description

제어부 일체형의 BLDC 모터{controller and BLDC motor in one unit}

본 발명은 제어부 일체형의 BLDC 모터에 관한 것으로 특히, BLDC 모터와 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기가 일체로 형성되되 일체형 제어기는 상기 BLDC 모터의 특징 구성인 홀센서(hall sensor)의 검출신호와 함께 상태 감지를 위한 엔코더의 피드백신호를 피드백 받아 구동 제어에 활용하며 외부 장치와의 데이터 통신을 수행할 수 있도록 구성되며, 부가적 혹은 선택적으로 상기 일체형 제어기가 상기 BLDC 모터와 탈부착이 가능하도록 하기 위한 제어부 일체형의 BLDC 모터에 관한 것이다.

일반적으로, 최근 자동화 및 로봇 기술의 발달로 산업 현장을 비롯하여 교육 및 일상생활에서 모터(Motor)를 이용한 모터 제어 시스템이 급격히 증가되고 있고, 하나의 모터 제어 시스템에 필요한 모터의 수도 방대해지기에 이르렀다.

따라서, 모터 제어 시스템이 다수의 모터와 이에 따른 다수의 배선을 구비하는 경우에, 해당 모터 제어 시스템의 부피가 매우 커지게 되었다.

먼저, 일반적인 모터 제어 시스템을 도 1을 참조하여 살펴보면, 모터 제어 시스템은 모터(21)에 대한 위치 또는 속도 제어 신호를 포함하는 통신 데이터를 생성하는 중앙 제어기와, 상기 모터(21)의 회전각 및 회전속도를 감지하여 상기 모터(21)에 대한 회전 상태를 센싱하는 다수의 엔코더(22)와, 상기 엔코더(22)로부터 전달받은 상기 모터(21)에 대한 회전 상태 데이터를 통해 해당 모터(21)에 대한 위치 및 속도를 판별한 후, 상기 중앙 제어기로부터 전달받은 통신 데이터에 포함된 해당 모터(21)에 대한 위치 또는 속도 제어 신호에 따라 상기 모터(21)가 동작하도록 하는 제어 출력(PWM : Pulse Width Modulation)을 생성하는 모터 제어기(20)와, 상기 모터 제어기로부터 제어 출력을 전달받아 상기 모터(21)에 실제 전압을 공급하여 해당 모터(21)를 동작시키는 다수의 앰프(Amp)(23)를 포함하여 이루어진다.

상술한 바와 같이 구성된 종래의 모터 제어 시스템에서는 각각의 모터(21)의 외부에 앰프(23) 및 모터 제어기가 별도로 필요하게 됨에 따라, 다수의 모터(21)를 제어할 필요가 있을 때, 각각의 모터(21)를 구동하기 위하여 상기 앰프(23)와 상기 모터 제어기사이에 4개의 배선이 필요하고, 각각의 모터(21)를 센싱하기 위하여 상기 엔코더(22)와 상기 모터 제어기사이에 6개의 배선이 필요하게 된다.

여기서, 상기 앰프(23)와 상기 모터 제어기사이에 필요한 4개의 배선에 는 상기 앰프(23)를 켜고 끄는 역할을 하는 이네이블(Enable) 배선과, 상기 모터(21)에 실제 인가할 전압에 비례하는 값(듀티(Duty)가 0%이면 0V, 100%이면 최대 전압)으로 신호파의 진폭에 따라서 펄스폭을 변환하여 해당 모터(21)에 대한 위치 및 속도 제어 신호에 따라 상기 모터(21)가 동작하도록 하는 제어 출력 배선과, 상기 모터(21)의 회전 방향(정방향인지 아니면 역방향인지)을 설정하는 디렉션(Direction) 배선과, 그라운드를 위한 GND(GrouND) 배선이 포함된다.

또한, 상기 엔코더(22)와 상기 모터 제어기(20)사이에 필요한 6개의 배선에는 상기 엔코더(22)가 위상(Phase)이 다른 2개의 신호정보(A신호와 B신호)를 상기 모터 제어기(20)에 제공하기 위한 A+ 배선, A- 배선, B+ 배선 및 B- 배선과, 전원인가를 위한 전원(VCC) 배선과, 그라운드를 위한 GND 배선이 포함된다.

이에 따라, 종래의 모터 제어 시스템에서는 모터(21)의 개수에 비례하여 상당량의 배선이 필요하게 된다. 즉, 상기 한개의 모터(21)를 제어하기 위하여 상기 앰프(23)와 상기 모터 제어기사이에 4개의 배선과 상기 엔코더(22)와 상기 모터 제어기사이에 6개의 배선을 합한 10개의 배선이 필요하므로, 상기 모터(21)의 개수가 n개이면, 전체 종래의 모터 제어 시스템에서는 10n개의 배선이 필요하게 된다.

한편, 종래의 모터 제어 시스템에서는 클럭 발생을 위한 수정발진자(Crystal)(도 1에 도시되지 않음)가 네트워크 모듈(도 1에 도시되지 않음), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; 이하, CPU라 함)(도 1에 도시되지 않음), 모터 제어기(20)에 각각 1개씩 연결되어 있는데, 해당 수정발진자는 클럭을 발생하여 각각 연결된 네트워크 모듈, 중앙 처리장치 및 모터 제어기(20)에 인가하였다.

따라서, 종래의 모터 제어 시스템에서는 모터의 개수에 비례하여 상당량의 배선이 필요하고, 별도의 상용 모터 제어기 및 상용 앰프를 사용하므로 해당 모터에 맞는 모터 제어기와 앰프를 선택해야 하며, 그렇지 않으면 모터 제어기 및 앰프에 맞는 모터를 선택해야 하기 때문에 그 선정의 폭에 있어서 제한이 커지게 되는 문제점이 있었다. 특히, 사용하고자 하는 모터의 종류가 다르거나 용량이 다를 경우 이러한 문제는 더욱 커진다.

또한, 종래의 모터 제어 시스템에서는 모터 개수를 가감할 때마다 모터 제어기 및 앰프 개수를 가감해야 하므로, 전체 종래의 모터 제어 시스템의 하드웨어에 대한 구조 변경이 불가피 해지는데, 이로 인하여 전체 종래의 모터 제어 시스템을 구성할 때, 모터 제어기 및 앰프 부착을 위한 위치 설정에 있어서 적지 않은 부담이 되고 유지보수 또한 어려워지는 문제점이 있었다. 특히, 매니퓰레이터(Manipulator)등과 같은 로봇시스템 뿐만 아니라 힘 전달 햅틱 장치(Force Feedback Haptic Device)와 같은 다수의 모터를 사용하는 모터 제어 시스템에서는 더욱 어려워진다.

그리고 종래의 모터 제어 시스템에서는 수정발진자가 그 기능에 비해 사이즈(Size)가 크므로, 전체 모터 제어 시스템의 부피를 소형화하는데 걸림돌이 되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점들을 해소하기 위해 제안되어진 기술이 대한민국 등록특허 10-0446858호(발명의 명칭: 일체형 모터부를 이용하여 소형화된 모터 제어 시스템 및 방법)에 개시된 기술이며, 모터 제어 시스템의 제어 및 네트워크 연결을 위한 보드들을 일체화하고 수정발진자의 수를 줄인 일체형 모터부를 구현하여 분산 제어 방식의 모터 제어 시스템이 소형화되도록 한 기술이다.

상술한 대한민국 등록특허 10-0446858호의 기술 개발 이후 산업용 혹은 가전기기용으로 구동제어부와 일체형인 모터가 지속적으로 개발되어져 왔으며, 산업용기기나 가전기기 혹은 운송기기 등의 모터로서 널리 사용되고 있는 BLDC 모터의 경우 그 대표적인 예가 첨부한 도 2에 도시되어진 대한민국 등록특허 10-0963294호(발명의 명칭: 비엘디씨 모터 일체형 정현파 제어기 및 정현파 제어방법)의 기술이다.

도 2에 도시되어진 선행기술은, BLDC 모터를 구동하기 위한 제어기는 전원부(11), 정류부(12), 인버터(13), 회전자위치검출부(14), 제어부(17) 및 로직부(16)로 구성되어 있으며 BLDC모터와 일체형으로 만들어진 것이 특징이다.

이때 상기 정류부(12)는 전원부(11)로부터 공급되는 AC전원을 정류 및 평활시켜 DC전원을 공급하기 위한 것으로 통상의 정류기 및 평활콘덴서로 구성되어 있으며, 인버터(13)는 상기 정류부(12)에서 공급되는 DC전원을 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류전원(U, V, W)으로 바꾸어 비엘디시 모터(14)에 공급하도록 구성되어 있다. 즉, 인버터(13)는 3상 교류전원(U, V, W)을 스위칭하기 위한 6개의 스위칭소자(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)와 다이오드로 구성되어 있다. 로직부(16)에서는 상기 6개의 스위칭소자의 게이트에 정현파 PWM신호를 공급하여 통상의 BLDC 모터(14)를 구동하도록 구성되어 있다.

또한, 회전자 위치검출부(15)는 비엘디시 모터의 회전자에 공급되는 3상 교류전원으로부터 각 상(U, V, W)의 단자전압의 역기전력의 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 홀센서로 검출하여 회전자의 위치정보를 제어부(17) 및 로직부(16)에 입력하여 정현파 PWM신호를 생성하기 위한 60ㅀ기준파형(20)을 만들고, 제어부(17)는 홀센서로 측정하여 얻은 각 상(U, V, W)의 파형 중에서 두 개의 상(UV, VW, WU)을 앤드(AND)로직으로 결합하여 3개의 파형을 얻고, 앤드로직으로 결합하여 얻은 파형 3개를 OR로직으로 결합할 경우에 FG 출력파형의 60ㅀ기준파형(20)이 만들어진다.

상술한 기술들은 공통적으로 모터와 모터의 구동을 위한 제어부가 일체로 구현됨에 따라 구동부의 효율 즉, 제어동작의 신뢰성을 증대시키기 위한 기술들인데, 기술의 발전 혹은 운영방식의 변화 등에 능동적으로 대처하기에는 기술적으로 한계가 존재한다.

즉, 제어부 일체형 모터가 장착된 장비의 기능을 변경하기 위해서는 동력을 발생시키는 모터의 제어부 기능을 변경하여야 하는데, 이를 위해서는 새로운 제어부 일체형 모터로 교체하여야 하는 것이다.

또한, 모터의 고장은 모터 코어의 단선 등이 주요 요인이지만, 제어부의 고장요인은 모터의 고장원인과 같이 단순하지 않기 때문에, 모터가 고장이라고 판단되는 경우 실제 제어부의 고장이라 하더라도 모터 전체를 교체해야 하는 것이다.

상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은, 제어부 일체형의 BLDC 모터에 관한 것으로 특히, BLDC 모터와 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기가 일체로 형성되되 일체형 제어기는 상기 BLDC 모터의 특징 구성인 홀센서(hall sensor)의 검출신호와 함께 상태 감지를 위한 엔코더의 피드백신호를 피드백 받아 구동 제어에 활용하며 외부 장치와의 데이터 통신을 수행할 수 있도록 구성되며, 부가적 혹은 선택적으로 상기 일체형 제어기가 상기 BLDC 모터와 탈부착이 가능하도록 하기 위한 제어부 일체형의 BLDC 모터를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제어부 일체형의 BLDC 모터의 특징은, BLDC 모터와 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기가 일체로 형성되어진 제어부 일체형의 BLDC 모터에 있어서: 상기 BLDC 모터는, 모터의 회전자 각 상(U, V, W)에 유기되는 역기전력을 검출하는 홀센서와, 모터의 회전각 및 회전속도를 감지하여 회전 상태를 센싱하는 엔코더를 구비하고; 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기는, 외부와 아날로그 혹은 디지털 정보를 교류하기 위한 인터페이스 단자와; 상기 인터페이스 단자를 통해 유입되는 정보와 상기 홀센서와 엔코더를 통해 현 시점의 상기 BLDC 모터 동작 상태에 따른 정보를 입력받아 이를 기준으로 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 CPU와; 상기 CPU에서 출력되는 제어신호에 따라 상기 BLDC 모터의 구동을 위한 모터의 회전자 각 상(U, V, W)에 따른 위상신호와 구동 전력을 공급하는 BLDC 모터 구동부를 포함하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제어부 일체형의 BLDC 모터의 부가적인 특징으로, 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기는 BLDC모터의 구동을 위해 상기 인터페이스 단자를 통해 업로드 되는 운영 프로그램 또는 BLDC모터의 구동에 따른 데이터 등이 저장되어진 비휘발성 메모리를 더 포함하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제어부 일체형의 BLDC 모터의 부가적인 다른 특징으로, 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기의 인터페이스 단자는 USB 통신 단자와 RS-485 통신 단자를 구비하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제어부 일체형의 BLDC 모터의 부가적인 또 다른 특징으로, 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기는 상기 BLDC 모터와 탈착 가능한 것을 특징으로 하는 데 있다.

제안되는 실시예에 의하면, BLDC 모터와 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기가 일체로 형성되되 일체형 제어기는 상기 BLDC 모터의 특징 구성인 홀센서(hall sensor)의 검출신호와 함께 상태 감지를 위한 엔코더의 피드백신호를 피드백 받아 구동 제어에 활용하며 외부 장치와의 데이터 통신을 수행할 수 있도록 구성되며, 부가적 혹은 선택적으로 상기 일체형 제어기가 상기 BLDC 모터와 탈부착이 가능하도록 하여 유지보수 및 구동제어에 대한 신뢰성이 증가하게 된다.

도 1은 전통적인 방식의 모터 제어 시스템을 나타낸 블록도.
도 2는 종래 일체형 BLDC 모터 제어기의 전체 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 제어부 일체형의 BLDC 모터의 전체 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 제어부 일체형의 BLDC 모터에 관하여 상세히 설명한다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 제어부 일체형의 BLDC 모터의 전체 구성도로써, 도시되어진 바와 같이 본 발명에 따른 제어부 일체형의 BLDC 모터(100)는, BLDC 모터부(110)와 상기 BLDC 모터부(110)의 구동을 제어하는 제어부(120)가 일체로 형성되어진다.

이때 상기 BLDC 모터부(110)는, BLDC 모터(111)와, 상기 BLDC 모터(111)의 회전자 각 상(U, V, W)에 유기되는 역기전력을 검출하는 홀센서(112)와, 상기 BLDC 모터(111)의 회전각 및 회전속도를 감지하여 회전 상태를 센싱하는 엔코더(113)를 구비한다.

또한, 상기 BLDC 모터부(110)의 구동을 제어하는 제어부(120)는, 외부와 아날로그 혹은 디지털 정보를 교류하기 위해 USB 통신 단자와 RS-485 통신 단자를 구비한 인터페이스 단자(121)와, 상기 인터페이스 단자(121)를 통해 유입되는 정보와 상기 홀센서(112)와 엔코더(113)를 통해 현 시점의 상기 BLDC 모터(111)의 동작 상태에 따른 정보를 입력받아 이를 기준으로 상기 BLDC 모터(111)의 구동을 제어하는 CPU(123)와; 상기 CPU(123)에서 출력되는 제어신호에 따라 상기 BLDC 모터(111)의 구동을 위한 모터의 회전자 각 상(U, V, W)에 따른 위상신호와 구동 전력을 공급하는 BLDC 모터 구동부(122)로 구성되어진다.

이때 부가적으로 상기 BLDC 모터(111)의 구동을 제어하는 제어부(120)는 상기 BLDC모터(111)의 구동을 위해 상기 인터페이스 단자(121)를 통해 업로드 되는 운영 프로그램 또는 BLDC모터(111)의 구동에 따른 데이터 등이 저장되어진 비휘발성 메모리(EEPROM: 124)를 더 포함한다.

부가적으로 본 발명에 따른 제어부 일체형의 BLDC 모터(100)는 선택적으로 상기 제어부(120)가 상기 BLDC 모터부(110)와 탈부착이 가능하며, 상기 제어부(120)가 상기 BLDC 모터부(110)와 탈부착 되도록 구현하는 경우, 상기 CPU(123)와 홀센서(112)간의 신호 전달을 위한 접속수단과 상기 CPU(123)와 엔코더(113)간의 신호 전달을 위한 접속수단 및 상기 BLDC 모터(111)와 BLDC 모터 구동부(122)간의 신호 전달을 위한 접속수단을 구비하게 되는데, 통상적인 잭 형상을 갖는 것이 바람직하다.

따라서 상술한 구성에 따른 본 발명에 따른 제어부 일체형의 BLDC 모터(100)는 모터가 장착된 장비의 기능을 변경하고자 하는 경우 혹은 초기 세팅동작에서, 중앙통제실과 같은 외부 제어 장치에서 발생되는 신호를 인터페이스 단자(121)를 통해 입력받아 이를 비휘발성 메모리(EEPROM: 124)에 저장하거나 실시간으로 CPU(123)에서 이를 반영하여 운영 프로그램으로 등록하게 된다.

이후 상기 CPU(123)는 등록되어진 운영 프로그램에 따라 BLDC 모터 구동부(122)를 제어하여 BLDC 모터(111)를 구동하게 되는데, 이때 상기 홀센서(112)와 엔코더(113)를 통해 현 시점의 상기 BLDC 모터(111)의 동작 상태에 따른 정보를 입력받게 된다.

상기 홀센서(112)와 엔코더(113)를 통해 현 시점의 상기 BLDC 모터(111)의 동작 상태에 따른 정보를 입력받은 상기 CPU(123)는 상기 홀센서(112)와 엔코더(113)를 통해 피드백 되는 상기 BLDC 모터(111)의 동작 상태에 따른 정보를 기준으로 등록된 운영 프로그램에 따라 상기 BLDC 모터 구동부(122)를 제어하게 된다.

또한, 본 발명에서 부가적으로 언급한 바와 같이 상기 제어부(120)가 상기 BLDC 모터부(110)와 탈부착이 가능한 경우는, 제어부 일체형 모터가 장착된 장비의 기능을 변경하기 위해서는 동력을 발생시키는 모터의 제어부 기능을 변경하여야 하는데, 종래에는 새로운 제어부 일체형 모터로 교체하였으나, 탈착 가능한 제어부(120)만을 새로운 제어부로 교체할 수 있게 된다.

또한, 모터의 고장은 모터 코어의 단선 등이 주요 요인이지만, 제어부의 고장요인은 모터의 고장원인과 같이 단순하지 않기 때문에, 모터가 고장이라고 판단되는 경우 제어부만을 우선적으로 교체해 고장의 유무를 확인 할 수 있어 유지보수에 편의성이 증대된다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.

100 : 제어부 일체형의 BLDC 모터
110 : BLDC 모터부
120 : 제어부
111 : BLDC 모터
112 : 홀센서
113 : 엔코더
121 : 인터페이스 단자
123 : CPU
122 : BLDC 모터 구동부
124 : 비휘발성 메모리(EEPROM)

Claims (4)

1. BLDC 모터와, 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기가 일체로 형성되어진 제어부 일체형의 BLDC 모터에 있어서:
   상기 BLDC 모터는, 모터의 회전자 각 상(U, V, W)에 유기되는 역기전력을 검출하는 홀센서와, 모터의 회전각 및 회전속도를 감지하여 회전 상태를 센싱하는 엔코더를 구비하고;
   상기 제어기는 외부기기와 데이터 통신을 수행하기 위한 USB 통신 단자와 RS-485 통신 단자를 인터페이스 단자로 구비하고, 상기 인터페이스 단자를 통해 업로드 되는 운영 프로그램 또는 BLDC모터의 구동에 따른 데이터 등이 저장되어진 비휘발성 메모리를 내장하되;
   상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 제어기는 상기 인터페이스 단자를 통해 실시간으로 유입되는 정보 또는 비휘발성 메모리에 저장된 정보와, 상기 홀센서와 엔코더를 통해 현 시점의 상기 BLDC 모터 동작 상태에 따른 정보를 입력받아 이를 기준으로 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 CPU와; 상기 CPU에서 출력되는 제어신호에 따라 상기 BLDC 모터의 구동을 위한 모터의 회전자 각 상(U, V, W)에 따른 위상신호와 구동 전력을 공급하는 BLDC 모터 구동부를 포함하고,
   상기 제어기가 상기 BLDC 모터와 전기적/기구적으로 탈부착 가능하게 구성되고, 상기 CPU와 홀센서간, 상기 CPU와 엔코더간 및 상기 BLDC 모터와 BLDC 모터 구동부 간의 신호전달을 위한 접속수단인 잭을 갖는 것을 특징으로 하는 제어부 일체형의 BLDC 모터.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

Images