KR101927514B1 - 정현파 전류구동 드라이브 ic로 단일 홀-센서를 갖는 bldc 모터를 구동하는 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

정현파 전류구동 드라이브 ic로 단일 홀-센서를 갖는 bldc 모터를 구동하는 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

모터의 코일에 제공하는 정현파 구동전류를 생성하기 위한 PWM 제어신호를 출력하는 정현파 ROM, 상기 정현파 ROM의 동작을 제어하는 정류 제어부, 홀-센서로부터의 홀-센서 출력신호를 기초로 홀-위치 검출신호를 생성하는 홀 위치 검출부, 상기 홀-위치 검출신호를 기초로 상기 모터의 커뮤테이션 시간을 추정하는 커뮤테이션 추정신호를 추정하는 커뮤테이션 시간 추정부, 및 상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호를 이용하여 상기 정류 제어부의 동작을 제어하기 위한 정류부 제어신호를 생성하는 정류상태 제어부를 포함하는, BLDC 모터 컨트롤러를 공개한다.

Description

정현파 전류구동 드라이브 IC로 단일 홀-센서를 갖는 BLDC 모터를 구동하는 방법 및 이를 위한 장치{Method for driving a BLDC motor with a single hall sensor using a sinusoidal current drive IC and a device for the same}
본 발명은 한 개의 홀-센서를 사용하는 BLDC 모터 컨트롤러(BLDC Motor Controller)의 정현파 구동을 위한 초기 구동 방법과 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
대한민국 특허공개번호 10-2013-0108227에는 BLDC 모터의 홀-센서 체결구조의 예가 공개되어 있다. BLDC 모터는 모터하우징 내주면에 고정되어 코일이 권선되는 스테이터와, 스테이터 내측에 설치되며 마그네트가 고정되는 로터, 상기 마그네트의 자력을 센싱하는 홀-센서가 부착되는 홀-센서 기판 등을 포함할 수 있다. 스테이트의 상측과 하측에는 한 쌍의 인슐레이터가 배치될 수 있으며, 인슐레이터에 형성된 권선가이드에는 상기 홀-센서기판이 설치될 수 있다. 상기 홀-센서기판은 원판형상을 형성될 수 있으며, 중앙에 회전축이 관통 설치되도록 관통홀이 제공될 수 있다.
상기 홀-센서기판의 하부면에는 다수개의 홀-센서가 일정한 간격으로 로터의 외주면을 따라 마련되는 마그네트의 자력을 감지함으로써 상기 로터의 위치를 검출하는 데에 이용될 수 있다.
대한민국 특허공개번호 10-2007-0095606에는 BLDC 모터의 홀-센서 위치추정방법의 예가 공개되어 있다. 구체적으로는 일반적인 홀-센서의 출력 파형도 및 BLDC 모터의 홀-센서 위치추정을 위한 회로 구성도가 공개되어 있다. 이 예에서, 스테이터에 설치된 코일들은 각각 3개씩 전기적으로 120도의 위상차를 갖고 있으며, 코일에 전류가 흐름에 따라 회전자계가 발생될 수 있다. 상기 스테이터에 고정되는 홀-센서는 120도의 위상차를 갖는 3개의 홀-센서들 또는 90도의 위상차를 갖는 2개의 홀-센서들로 구성될 수 있으며, 이로써 회전하는 로터의 위치를 검출할 수 있다. 이러한 BLDC 모터는 홀-센서가 검출한 로터위치신호를 받아서 로터의 자속 방향과 90도를 이루는 회전자계가 발생하도록 스테이터 코일에 전류를 공급하는 전원을 스위칭하기 위한 스위칭소자에 PWM 신호를 발생시켜 스테이터와 로터 사이에 회전토크가 발생하도록 스위칭할 수 있다.
상기 홀-센서는 도체나 반도체에 전류를 흘리고, 여기에 수직방향의 자계를 주면 전류와 자계의 수직방향에 전위차가 생기는 홀효과를 이용하여 입력단자간에 전류를 흘리고, 전류에 직각방향으로 센서면에 자계를 가하면 전류와 자계 모두에 직각인 방향으로 자계와 제어전류의 곱에 비례하는 홀전압이 발생하는 원리를 이용한 것이다.
이러한 BLDC 모터의 로터는 스테이터의 회전자계로부터 자계를 얻기 위하여 2극 이상의 영구자석이 부착되며, BLDC 모터의 회전에 의해 영구자석이 N극에서 S극으로, 또는 S극에서 N극으로 변화하며, 홀-센서를 통해 출력파형을 얻게 되고, 이 홀-센서의 출력파형은 BLDC 모터의 동작을 제어하는 제어부(ex: 마이컴)로 입력될 수 있다.
대한민국 특허공개번호 10-2013-0065411에는 BLDC 모터의 홀-센서 고장 판단방법의 예가 공개되어 있다. 이 예에는 120도의 위상차를 갖는 3개의 홀-센서들이 스테이터에 설치되어 있다. 각 홀-센서는 로터(회전자)가 회전함에 따라 온/오프의 디지털 신호를 발생시켜 상기 로터의 위치 정보를 알려준다. 3개의 홀-센서를 이용하면 서로 다른 6개의 신호조합이 만들어지고, 이를 통해 60도의 정밀도를 가지고 모터의 회전자의 위치를 확인할 수 있다.
대한민국 특허공개번호 10-2000-0028483에는 단일 홀-센서를 이용한 드럼모터의 위치제어방법의 예가 공개되어 있다. 일반적으로 3상 전원으로 동작하는 스테이터에 복수 개의 홀소자가 설치되는 것에 비하여, 이 특허발명에서는 1개의 홀소자만을 설치한다. 1개의 홀소자가 출력하는 신호를 기초로, 실제로는 설치되지 않은 다른 홀소자가 설치되었을 경우에 상기 다른 홀소자가 출력할 것으로 추정되는 의사신호를 생성하는 것이 특징이다.
대한민국 특허공개번호 10-2000-0050654에는 BLDC 모터를 제어할 때에 모터에 인가되는 구동전류가 정현파 전류파형이 되도록, 3상 전류 구동부를 구동하는 PWM 신호의 폭을 가변시키는 기술이 공개되어 있다.
본 발명은, 한 개의 홀-센서를 사용하는 BLDC 모터 컨트롤러에서 정현파로 구동하고 초기 구동 시 구동실패를 방지하며 부드러운 초기 구동을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 관점에 따른 방법은, 홀 위치 검출부(11), 커뮤테이션 시간 추정부(12), 정현파 ROM(13), 정현파 PWM 블록(14), 및 정류상태 제어부(15)을 포함하는 BLDC 모터 컨트롤러에서, 상기 정류상태 제어부의 상태 천이 방법으로서, 모터 정지 상태에서 상기 모터를 구동하기 위하여 모터 구동 상태가 되면, 상기 각 블록들을 초기화하는 '웜-업(Warm Up) 상태', 외부 전류 및 구동시간을 결정하는 외부의 소프트 스타트 블록을 리셋하는 'SS 리셋 상태', 상기 소프트 스타트 블록을 이네이블하는 'SS 이네이블 상태'로 천이하는 단계; 외부의 홀-센서의 입력에 따라 상기 홀-센서의 신호가 '1'이 되면 '얼라인먼트1 상태'로 천이를 하며, 상기 홀-센서의 신호가 '0'이면 '얼라인먼트0 상태'로 천이하는 단계; 상기 모터의 UVW에 임의의 전류를 흘려 상기 모터의 위치를 정렬하고 '소프트 스타트 a 상태'로 천이하는 단계; 상기 모터가 8 사이클 동안 가속이 되면 '소프트 스타트 b 상태'로 천이하는 단계; 및 상기 '소프트 스타트 b 상태'에서 동기 수행이 완료되면 '단일 홀 커뮤테이션 상태'로 천이하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 정류상태 제어부의 상태 천이 방법은, 상기 '소프트 스타트 a 상태', 상기 '소프트 스타트 b 상태', 또는 상기 '단일 홀 커뮤테이션 상태'에서, 상기 모터의 물리적인 한계보다 고속으로 회전하거나 혹은 상기 모터가 정해놓은 RPM보다 낮게 회전할 경우 '락(Lock) 상태'로 천이하는 단계; 및 미리 결정된 시간 이후 상기 모터의 구동을 초기부터 다시 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 '소프트 스타트 a 상태'에서는 상기 홀-센서의 입력을 받아 커뮤테이션 시간을 추정하도록 되어 있으며, 상기 '소프트 스타트 b 상태'에서는 32 사이클 동안 커뮤테이션을 수행하고 내부 커뮤테이션 시간 추정부(12)과 상기 홀-센서의 입력과의 동기를 수행하도록 되어 있을 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 관점에 따른 BLDC 모터 컨트롤러는, 홀 위치 검출부(11); 커뮤테이션 시간 추정부(12); 정현파 ROM(13); 정현파 PWM 블록(14); 및 정류상태 제어부(15)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 정류상태 제어부에서는, 모터 정지 상태에서 상기 모터를 구동하기 위하여 모터 구동 상태가 되면, 상기 각 블록들이 초기화하는 '웜-업 상태', 외부 전류 및 구동시간을 결정하는 외부의 소프트 스타트 블록을 리셋하는 'SS 리셋 상태', 상기 소프트 스타트 블록을 이네이블하는 'SS 이네이블 상태'로 천이하는 단계; 외부의 홀-센서의 입력에 따라 상기 홀-센서의 신호가 '1'이 되면 '얼라인먼트1 상태'로 천이를 하며, 상기 홀-센서의 신호가 '0'이면 '얼라인먼트0 상태'로 천이하는 단계; 상기 모터의 UVW에 임의의 전류를 흘려 상기 모터를 180도에서 알 수 있는 위치로 정렬하고 '소프트 스타트 a 상태'로 천이하는 단계; 상기 모터가 8 사이클 동안 가속이 되면 '소프트 스타트 b 상태'로 천이하는 단계; 및 상기 '소프트 스타트 b 상태'에서 동기 수행이 완료되면 '단일 홀 커뮤테이션 상태'로 천이하는 단계를 수행하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 상기 정류상태 제어부는, 상기 '소프트 스타트 a 상태', 상기 '소프트 스타트 b 상태', 또는 상기 '단일 홀 커뮤테이션 상태'에서, 상기 모터의 물리적인 한계보다 고속으로 회전하거나 혹은 상기 모터가 정해놓은 RPM보다 낮게 회전할 경우 '락 상태'로 천이하는 단계; 및 미리 결정된 시간 이후 상기 모터의 구동을 초기부터 다시 수행하는 단계를 더 수행하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 상기 '소프트 스타트 a 상태'에서는 상기 홀-센서의 입력을 받아 커뮤테이션 시간을 추정하도록 되어 있으며, 상기 '소프트 스타트 b 상태'에서는 32 사이클 동안 커뮤테이션을 수행하고 내부 커뮤테이션 시간 추정부(12)과 상기 홀-센서의 입력과의 동기를 수행하도록 되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 BLDC 모터 컨트롤러는, 모터의 코일에 제공하는 정현파 구동전류를 생성하기 위한 PWM 제어신호를 출력하는 정현파 ROM(13), 상기 정현파 ROM의 동작을 제어하는 정류 제어부(16), 홀-센서로부터의 홀-센서 출력신호를 기초로 홀-위치 검출신호를 생성하는 홀 위치 검출부(11), 상기 홀-위치 검출신호를 기초로 상기 모터의 커뮤테이션 시간을 추정하는 커뮤테이션 추정신호를 추정하는 커뮤테이션 시간 추정부(12), 및 상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호를 이용하여 상기 정류 제어부의 동작을 제어하기 위한 정류부 제어신호를 생성하는 정류상태 제어부(15)를 포함할 수 있다. 상기 정류상태 제어부는, 상기 모터의 구동을 시작한 이후, 상기 홀-위치 검출신호가 최초로 변화하는 시점부터 상기 모터를 미리 결정된 회수만큼 회전시키도록 상기 정류부 제어신호를 생성하는 소프트 스타트 상태로 천이하고, 상기 소프트 스타트 상태에서, 상기 홀-센서 출력신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어지거나, 또는 상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어진 경우에만, 단일 홀 커뮤테이션 상태로 천이하도록 되어 있고, 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태는, 상기 모터의 회전속도가 미리 결정된 상한값보다 작고 미리 결정된 하한값 이상인 경우에는 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태를 계속 유지하도록 상기 정류부 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 소프트 스타트 상태는, 상기 모터의 구동을 시작한 이후 상기 홀-위치 검출신호가 최초로 변화하는 시점부터 상기 모터를 미리 결정된 제1회수만큼 회전시키도록 상기 정류부 제어신호를 생성하는 소프트 스타트 a 상태, 및 상기 소프트 스타트 a 상태가 종료되면, 상기 모터를 미리 결정된 제2회수만큼 회전시키도록 상기 정류부 제어신호를 생성하는 소프트 스타트 b 상태를 포함하며, 상기 소프트 스타트 b 상태에서 상기 홀-센서 출력신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어지거나, 또는 상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어진 경우에만, 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태로 천이하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 상기 소프트 스타트 a 상태 또는 상기 소프트 스타트 b 상태에서, 상기 모터의 회전속도가 상기 상한값보다 크거나 또는 상기 하한값보다 작은 경우에는 상기 모터의 구동을 초기부터 다시 시작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태에서, 상기 모터의 회전속도가 상기 상한값보다 크거나 또는 상기 미리 결정된 하한값보다 작은 경우에는, 상기 모터의 구동을 초기부터 다시 시작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태에서, 상기 정류 제어부는 상기 PWM 제어신호를 생성하기 위하여 상기 커뮤테이션 추정신호에 따라 상기 정현파 ROM을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따라 모터의 코일에 제공하는 정현파 구동전류를 생성하기 위한 PWM 제어신호를 출력하는 정현파 ROM의 동작을 제어하는 정류 제어부, 홀-센서로부터의 홀-센서 출력신호를 기초로 홀-위치 검출신호를 생성하는 홀 위치 검출부, 상기 홀-위치 검출신호를 기초로 상기 모터의 커뮤테이션 시간을 추정하는 커뮤테이션 추정신호를 생성하는 커뮤테이션 시간 추정부, 및 상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호를 이용하여 상기 정류 제어부의 동작을 제어하기 위한 정류부 제어신호를 생성하는 정류상태 제어부를 포함하는 BLDC 모터 컨트롤러에서 상기 모터를 제어하는 방법을 제공할 수 있다. 이때, 상기 정류상태 제어부가, 상기 모터의 구동을 시작한 이후, 상기 홀-위치 검출신호가 최초로 변화하는 시점부터 상기 모터를 미리 결정된 회수만큼 회전시키도록 상기 정류부 제어신호를 생성하는 소프트 스타트 상태로 천이하는 단계, 및 상기 소프트 스타트 상태에서, 상기 홀-센서 출력신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어지거나, 또는 상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어진 경우에만, 단일 홀 커뮤테이션 상태로 천이하는 단계를 포함할 수 있다. 그리고 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태는, 상기 모터의 회전속도가 미리 결정된 상한값보다 작고 미리 결정된 하한값 이상인 경우에는 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태를 계속 유지하도록 상기 정류부 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 모터가 초기에 구동 실패 및 부드러운 초기 구동을 할 수 있어 모터의 신뢰성을 향상할 수 있으며 소음에 민감한 응용분야에 사용할 수 있다.
도 1은 일반적인 3개의 홀-센서를 이용한 BLDC 모터의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 구성을 나타낸다.
도 3은 일반적인 BLDC 모터 컨트롤러의 구성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 컨트롤러의 구성을 나타낸 것이다.
도 5는 도 4에 나타낸 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 컨트롤러의 상태 천이도의 예를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
<BLDC 모터의 구성>
일 실시예에서 BLDC 모터는 도 1과 같은 구성을 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 구성을 나타낸 것이다.
BLDC 모터(1')는, BLDC 모터 컨트롤러(100), 구동부(200), 코일들이 감긴 스테이터(300), 홀-센서들이 설치된 홀-센서기판(400), 및 전원부(500)를 포함할 수 있다. 그리고 도시되지 않은 회전자(로터)가 포함될 수 있다.
스테이터(300)에 감긴 3개의 코일들은 각각 구동부(200)로부터 U상 정현파 구동전류(IU), V상 정현파 구동전류(IV), 및 W상 정현파 구동전류(IW)를 제공받을 수 있다.
홀-센서기판(400)은 스테이터(300)에 고정되어 있을 수 있다. 홀-센서기판(400)에는 제1홀-센서(401), 제2홀-센서(402), 및 제3홀-센서(403)이 설치되어 있을 수 있다. 제1홀-센서(401), 제2홀-센서(402), 및 제3홀-센서(403)는 각각, 제1홀-센서 출력신호(SH1), 제2홀-센서 출력신호(SH2), 및 제3홀-센서 출력신호(SH3)를 포함하는 홀-센서 출력신호(SH)를 출력하여 BLDC 모터 컨트롤러(100)에게 제공할 수 있다.
BLDC 모터 컨트롤러(100)는 제공받은 홀-센서 출력신호(SH)를 기초로 U상 정현파 PWM 신호(U+, U-), V상 정현파 PWM 신호(V+, V-), 및 W상 정현파 PWM 신호(W+, W-)를 생성하여 구동부(200)에게 제공할 수 있다.
구동부(200)는 각 상(phase) 마다 한 쌍의 스위칭 소자들을 포함하여 구성될 수 있다. 도 1에서 구동부(200)는 6개의 스위칭 소자들을 포함할 수 있다. 제1 U상 스위칭 소자(211), 제2 U상 스위칭 소자(212), 제1 V상 스위칭 소자(221), 제2 V상 스위칭 소자(222), 제1 W상 스위칭 소자(231), 및 제2 W상 스위칭 소자(232)의 게이트에는 각각 제1 U상 정현파 PWM 신호(U+), 제2 U상 정현파 PWM 신호(U-), 제1 V상 정현파 PWM 신호(V+), 제2 V상 정현파 PWM 신호(V-), 제1 W상 정현파 PWM 신호(W+), 및 제2 W상 정현파 PWM 신호(W-)가 제공될 수 있다.
전원부(500)는 구동부(200)에 전력을 공급할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 BLDC 모터(1)의 구성도이다. 도 1과 비교해보면, 한 개의 홀-센서(401)만이 사용된다는 점이 다르다.
<비교 실시예>
도 3은 도 2에 나타낸 BLDC 모터 컨트롤러(100)의 일 실시예에 따른 구성을 나타낸 것으로서, 한 개의 홀-센서(401)를 이용한 구성을 나타낸다.
도 3에 도시한 BLDC 모터 컨트롤러(100)는 홀 위치 검출부(Hall position Detector)(11), 커뮤테이션 시간 추정부(Commutation Time Estimator)(12), 정현파 ROM(Sine Wave ROM)(13), 정현파 PWM 신호 생성부(Sine Wave PWM Generator)(14), 정류 제어부(Comm. Ctrl)(16), 리드 앵글부(17), 및 PWM 검출부(18)를 포함할 수 있다.
먼저 홀 위치 검출부(11)가 홀-센서 출력신호(SH1)룰 수신하여, 이를 기초로 BLDC 모터(1)의 영구자석을 포함하는 회전자의 자세를 측정할 수 있다. 회전자의 회전에 따라 홀-센서(401)는 양의 값과 음의 값 사이를 시간에 따라 전환하는 홀-위치 검출신호를 제공할 수 있다. 홀 위치 검출부(11)는 홀-센서(401)가 제공하는 홀-센서 출력신호(SH1)가 상기 양의 값을 갖는지 아니면 상기 음의 값을 갖는지 여부를 검출할 수 있으며, 따라서 상기 홀-센서 출력신호(SH1)의 상승에지(Rising Edge) 혹은 하강에지(Falling Edge)를 검출할 수 있다.
상기 홀-센서 출력신호(SH1)와 상기 홀-위치 검출신호는 모두 펄스 트레인 형태의 모양을 가질 수 있다. 다만 홀-센서 출력신호(SH1)가 아날로그 신호라면 상기 홀-위치 검출신호는 디지털 신호일 수 있다.
커뮤테이션 시간 추정부(12)는, 상기 홀-센서기판(400)에 오직 한 개의 홀-센서(401)만이 부착된 상태에서, 상기 한 개의 홀-센서(401)를 이용하여 상기 모터의 회전자가 1회 회전하는 각도인 360도 회전에 소요된 시간을 나타내는 제1커뮤테이션 시간(T1)을 모니터링 할 수 있다.
또한, 커뮤테이션 시간 추정부(12)는, 상기 모니터링된 제1커뮤테이션 시간(T1)을 6으로 나누어 제2커뮤테이션 시간(T2)을 산출할 수 있다. 이때, 상기 산출된 제2커뮤테이션 시간(T2)은 상기 회전자가 60도 회전에 소요된 시간으로 간주할 수 있다.
상기 산출된 제2커뮤테이션 시간(T2)을 이용하여, 'U', 'V', 및 'W'로 각각 표기되는 각 상(phase)에 따른 정현파 구동전류인, 'U'상의 정현파 구동전류(IU), 'V'상의 정현파 구동전류(IV), 및 'W'상의 정현파 구동전류(IW)를 생성하기 위한 PWM 제어신호(SU_PWM, SV_PWM, SW_PWM)를 생성할 수 있다. 상기 PWM 제어신호는 정현파 ROM(13)을 이용하여 생성할 수 있다.
상기 커뮤테이션 시간 추정부(12)는 상기 제1커뮤테이션 시간(T1) 및 상기 제2커뮤테이션 시간(T2)을 이용하여 커뮤테이션 추정신호를 생성하여 정현파 ROM(13)에 제공할 수 있다. 상기 커뮤테이션 추정신호에는 모터의 코일에 제공되는 정현파 구동전류들(IU, IV, IW)들을 생성하기 위한 PWM 제어신호들(SU_PWM, SV_PWM, SW_PWM)의 생성시점에 관한 정보가 포함될 수 있다.
즉, 정현파 ROM(13)은 커뮤테이션 시간 추정부(12)로부터 상기 제1커뮤테이션 시간(T1) 및/또는 상기 제2커뮤테이션 시간(T2)에 관한 정보를 포함하는 상기 커뮤테이션 추정신호를 입력받을 수 있다. 그 후, 정현파 ROM(13)은 상기 제2커뮤테이션 시간(T2)을 기초로 각각 120도의 위상 차이를 갖는 서로 구분되는 3개의 PWM 제어신호인, U상 PWM 제어신호(SU_PWM), V상 PWM 제어신호(SV_PWM), 및 W상 PWM 제어신호(SW_PWM)를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 PWM 제어신호는 리드 앵글부(17)에서 얻을 수 있는 코일에 대한 홀-센서의 위치에 관한 정보, 상기 PWM 검출부(18)에서 얻을 수 있는 듀티의 최대값 및 정류 제어부(16)의 지시에 따라 생성될 수 있다.
상기 생성된 3개의 PWM 제어신호들은 정현파 PWM 신호 생성부(14)에 입력될 수 있다. 정현파 PWM 신호 생성부(14)는 상기 3개의 PWM 제어신호들(SU_PWM, SV_PWM, SW_PWM)을 이용하여 정현파 PWM 신호인 U상 정현파 PWM 신호(U+, U-), V상 정현파 PWM 신호(V+, V-), 및 W상 정현파 PWM 신호(W+, W-)를 생성할 수 있다.
상기 생성된 정현파 PWM 신호들(U+, U-, V+, V-, W+, W-)은 BLDC 모터(1)의 구동부(200)에 포함된 스위칭 소자들(211, 212, 221, 222, 231, 232)에 공급될 수 있다.
상기 스위칭 소자들(211, 212, 221, 222, 231, 232)은 각각 상기 정현파 PWM 신호들(U+, U-, V+, V-, W+, W-)에 의해 온/오프되어 상기 정현파 구동전류들(IU, IV, IW)을 코일에 공급할 수 있다.
상기 정현파 구동전류들(IU, IV, IW)에 의해 상기 BLDC 모터(1)가 회전할 수 있다. 상기 정현파 구동전류들(IU, IV, IW)들은 각각 실질적으로 정현파의 모양을 갖거나, 정현파와 유사한 모양을 가질 수 있다.
예컨대 상기 U상 정현파 PWM 신호(U+, U-)는 상기 구동부(200)에 포함된 한 쌍의 U상 스위칭 소자(211, 212)에 제공되며, 상기 한 쌍의 U상 스위칭 소자(211, 212)는 상기 U상 정현파 구동전류(IU)를 생성할 수 있다. 그리고 상기 V상 정현파 PWM 신호(V+, V-)는 상기 구동부(200)에 포함된 한 쌍의 V상 스위칭 소자(221, 222)에 제공되며, 상기 한 쌍의 V상 스위칭 소자(221, 222)는 상기 V상 정현파 구동전류(IV)를 생성할 수 있다. 그리고 상기 W상 정현파 PWM 신호(W+, W-)는 상기 구동부(200)에 포함된 한 쌍의 W상 스위칭 소자(311, 312)에 제공되며, 상기 한 쌍의 W상 스위칭 소자(311, 312)는 상기 W상 정현파 구동전류(IW)를 생성할 수 있다.
상기 BLDC 모터(1)가 일정한 속도로 회전하고 있을 때는 커뮤테이션 시간 추정부(12)에서 각각의 60도에 해당하는 시간을 비교적 정확하게 예측하고 생성할 수 있지만, 상기 BLDC 모터(1)가 정지한 상태에서 기동을 시작할 때는 상기 BLDC 모터(1)의 초기 위치를 알 수 없기 때문에 기동 실패가 발생하고 또한 BLDC 모터(1)가 부드럽게 기동되지 않는 문제를 가지고 있다.
BLDC 모터(1)에서 한 개의 홀-센서를 사용하는 경우, 상기 한 개의 홀-센서에 인접해 있는 회전자의 자성이 N극일 확률과 S극일 확률은 각각 50%이다. 따라서 이 경우 초기 구동 시 구동 실패가 생길 수 있으며, 구동되더라도 초기에 BLDC 모터(1)가 부드럽게 스타트하지 못하게 된다.
이와 반대로, BLDC 모터(1)에서 홀-센서를 3개 사용하는 경우에는 BLDC 모터(1)를 부드럽게 구동할 수 있지만, 복수 개의 홀-센서를 채택함으로 인하여 제작비용이 증가하는 문제가 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은 하나의 홀-센서(Hall Sensor)를 사용하는 정현파 구동 BLDC 모터(1)의 초기 구동 제어에 관한 기술로서, 홀-센서를 1개만 사용하더라도 초기 구동 실패가 생기지 않으며 부드러운 스타트가 가능하도록 하는 데 목적이 있다.
<제1 실시예>
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 컨트롤러(110)의 구성을 나타낸다.
도 4에 나타낸 BLDC 모터 컨트롤러(110)의 구조는 도 2에 나타낸 본 발명의 일 실시예에 나타낸 BLDC 모터(1)를 위해 사용될 수 있다.
도 4를 도 3과 비교하여 설명하면, 도 4에 도시된 BLDC 모터 컨트롤러(110)는 도 2에 도시된 BLDC 모터 컨트롤러(100)의 구성에서 정류상태 제어부(15)를 더 포함하도록 되어 있을 수 있다.
정류상태 제어부(15)는 모터가 초기에 구동할 때 초기 위치 검출을 원활하게 하여 모터의 초기 위치를 결정하고 점차적으로 모터를 가속하여 내부의 커뮤테이션 시간 추정부(12)가 모터의 위치를 원활하게 결정할 수 있도록 하여 모터가 초기 구동실패 방지 및 부드러운 초기 구동이 가능하도록 한다.
도 4를 살펴보면, 정류상태 제어부(15)의 출력은 정류 제어부(16)를 거쳐 정현파 ROM(13)의 동작에 영향을 주는 기능을 하게 된다. 따라서 정류상태 제어부(15)에서 실행되는 스테이트 머신은, 정류 제어부(16)를 제어하기 위하여 홀 위치 검출부(11) 및 커뮤테이션 시간 추정부(12)의 출력값을 이용하도록 되어 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류상태 제어부(15)의 상태 천이도를 나타낸다.
도 5에 도시한 바와 같이, 오직 한 개의 홀-센서만을 이용하는 구성에 있어서, 먼저 모터 정지상태에서 상기 모터를 구동하기 위하여 모터의 상태를 모터 구동상태로 전환할 수 있다.
모터 구동상태가 되면, 도 4에 나타낸 정현파 구동전류들(IU, IV, IW)을 0으로 만들어주는 상태인 웜업(Warm Up) 상태(S1)로 된다.
그 다음, 웜업 상태(S1)에서 예컨대 100ms가 흐른 후에, 외부 전류 및 구동시간을 결정하는 블록으로서 상기 정류상태 제어부(15)의 외부에 존재하는 소프트 스타트 블록(Soft Start Block)을 리셋(Reset)하는 SS 리셋 상태(S2)로 천이한다.
그 다음, 예컨대 SS 리셋 상태(S2)에서 2ms가 흐른 후에, 상기 소프트 스타트 블록을 이네이블(Enable)하는 SS 이네이블 상태(S3)로 천이한다.
그 다음, 예컨대 SS 이네이블 상태(S3)에서 2ms가 흐른 후에, 홀-센서 출력신호(SH1)가 예컨대 '1'이면 얼라인먼트1 상태(S4)로 천이를 하며, 상기 홀-센서 출력신호(SH1)가 '0'이면 얼라인먼트0 상태(S5)로 천이를 할 수 있다. 상기 홀-센서 츨력신호(SH1)는 언제나 '1' 또는 '0'의 값을 가질 수 있다.
상기 홀-센서 근처에 모터의 회전자의 N극이 S극보다 더 가까이 배치된 상태(또는 S극이 N극보다 더 가까이 배치된 상태)에서는 상기 홀-센서 츨력신호(SH1)가 '1'을 나타내고, 따라서 상기 얼라인먼트1 상태(S4)로 천이한다.
이와 달리, 상기 홀-센서 근처에 모터의 회전자의 S극이 N극보다 더 가까이 배치된 상태(또는 N극이 S극보다 더 가까이 배치된 상태)에서는 상기 홀-센서 츨력신호(SH1)가 '0'을 나타내고, 따라서 상기 얼라인먼트0 상태(S5)로 천이한다.
상기 얼라인먼트1 상태(S4)에서, 상기 정류상태 제어부(15)는 정류 제어부(16)에게 제1명령을 전달한다. 상기 제1명령은 상기 모터의 회전자의 N극이 S극보다 더 가까이 배치된 상태에서 S극이 N극보다 더 가까이 배치된 상태로 전환되도록 지시하는 명령 (또는 상기 모터의 회전자의 S극이 N극보다 더 가까이 배치된 상태에서 N극이 S극보다 더 가까이 배치된 상태로 전환되도록 지시하는 명령)이다. 상기 명령에 따라 정류 제어부(16)는 정현파 ROM(13)이 상기 명령에 대응하는 PWM 제어신호(SU_PWM, SV_PWM, SW_PWM)를 생성하도록 제어할 수 있다.
상기 얼라인먼트0 상태(S5)에서, 상기 정류상태 제어부(15)는 정류 제어부(16)에게 제2명령을 전달한다. 상기 제2명령은 상기 모터의 회전자의 S극이 N극보다 더 가까이 배치된 상태에서 N극이 S극보다 더 가까이 배치된 상태로 전환되도록 지시하는 명령 (또는 상기 모터의 회전자의 N극이 S극보다 더 가까이 배치된 상태에서 S극이 N극보다 더 가까이 배치된 상태로 전환되도록 지시하는 명령)이다. 상기 명령에 따라 정류 제어부(16)는 정현파 ROM(13)이 상기 명령에 대응하는 PWM 제어신호(SU_PWM, SV_PWM, SW_PWM)를 생성하도록 제어할 수 있다.
상가 얼라인먼트1 상태(S4)에서, 홀-센서 출력신호(SH1)가 예컨대 '1'에서 '0'으로 바뀌는 순간에 '소프트 스타트 a 상태(S6)'로 천이할 수 있다.
이와 달리 상기 얼라인먼트0 상태(S5)에서, 홀-센서 출력신호(SH1)가 예컨대 '0'에서 '1'으로 바뀌는 순간에 '소프트 스타트 a 상태(S6)'로 천이할 수 있다.
상기 '소프트 스타트 a 상태(S6)'에서는 모터의 특성에 맞게 상기 모터를 가속할 수 있다. 이때, 예컨대 8 사이클 동안 상기 모터의 특성에 맞게 미리 설정된 시간으로 상기 모터의 가속을 수행할 수 있다. '소프트 스타트 a 상태(S6)'는 모터 구동의 초기구간에 해당하며, 따라서 상기 홀-센서 츨력신호(SH1)에 의한 피드백을 신뢰하기 어렵다. 따라서 상기 '소프트 스타트 a 상태(S6)'에서는 오픈 루프 방식으로 상기 정류 제어부(16)를 제어하여 상기 모터를 수회 예컨대 8 사이클 회전하도록 명령할 수 있다. 상기 명령에 따라 정류 제어부(16)는 정현파 ROM(13)이 상기 명령에 대응하는 PWM 제어신호(SU_PWM, SV_PWM, SW_PWM)를 생성하도록 제어할 수 있다.
상기 '소프트 스타트 a 상태(S6)'에서는 상기 홀-센서의 입력을 받아 커뮤테이션 시간을 추정할 수 있다. 그러나 상기 '소프트 스타트 a 상태(S6)'에서는 상기 홀-센서 츨력신호(SH1) 및 커뮤테이션 시간 추정부(12)의 출력값의 신뢰성이 낮을 수 있다. 따라서 일 실시예에서 상기 '소프트 스타트 a 상태(S6)'에서는 이 값들을 이용하지 않고, 회전자를 미리 결정된 회수, 예컨대 8회를 회전시킬 수 있다.
상기 모터가 미리 결정된 회수(사이클) 예컨대 8 사이클 동안 가속이 되면 '소프트 스타트 b 상태(S7)'로 천이를 할 수 있다.
상기 '소프트 스타트 b 상태(S7)'에서는 상기 가속된 모터에서 상기 홀-센서로부터의 홀-센서 출력신호(SH1)와 상기 커뮤테이션 시간 추정부(12)에서 추정한 시간과의 동기를 맞추기 위해, 미리 결정된 회수, 예컨대 32 사이클 동안 커뮤테이션을 수행할 수 있다.
즉, 홀-센서 출력신호(SH1)는 '1'과 '0'을 번갈아 가면서 출력하게 되는데, 그 값이 '1'에서 '0'으로 천이하는 하강에지시점 및 '0'에서 '1'로 천이하는 상승에지시점에서는 모터의 회전자의 위치를 정확하게 알 수 있다. 그리고 상기 커뮤테이션 시간 추정부(12)에서도 '1'과 '0'을 번갈아가면서 반복적으로 출력하는 커뮤테이션 추정신호를 생성할 수 있다. 이때 상기 얼라인먼트1 상태(S4), 상기 얼라인먼트0 상태(S5), 및 상기 소프트 스타트 a 상태(S6)에서는, 상기 홀-센서 출력신호(SH1)의 모양과 상기 커뮤테이션 추정신호의 모양이 유사할 수 있지만, 상기 홀-센서 출력신호(SH1)의 상승에지시점과 상기 커뮤테이션 추정신호의 상승에지시점이 서로 동기화되지 않을 가능성이 크다. 그러나 상기 '소프트 스타트 b 상태(S7)' 동안 상기 홀-센서 출력신호(SH1)의 상승에지시점과 상기 커뮤테이션 추정신호의 상승에지시점이 서로 동기화될 수 있다.
상기 '소프트 스타트 b 상태(S7)' 동안 상기 홀-센서 출력신호(SH1)와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기가 성공적으로 이루어졌는지를 확인하기 위하여, 정류상태 제어부(15)는, 홀 위치 검출부(11)의 출력신호인 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 시간 추정부(12)의 출력신호인 상기 커뮤테이션 추정신호를 서로 비교할 수 있다.
상기 '소프트 스타트 b 상태(S7)'에서 동기 수행이 완료되면 '단일 홀 커뮤테이션(One Hall Comm.) 상태(S8)'로 천이하여 모터가 원활히 구동되도록 할 수 있다.
상기 '소프트 스타트 b 상태(S7)'에서 미리 결정된 회수, 예컨대 32사이클 동안 회전하는 동안 상기 홀-센서 출력신호(SH1)와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기가 성공적으로 이루어지지 않는다면, 'Lock 상태(S9)'로 천이하게 된다.
상기 '소프트 스타트 a 상태(S6)', 상기 '소프트 스타트 b 상태(S7)', 또는 상기 '단일 홀 커뮤테이션 상태(S8)'에서 모터의 물리적인 한계보다 고속으로 회전하거나 혹은 모터가 정해놓은 RPM보다 낮게 회전할 경우 'Lock 상태(S9)'로 천이를 하고 미리 결정된 시간(예컨대, 5초) 이후 모터 구동을 초기부터 다시 수행을 할 수 있다.
상기 '단일 홀 커뮤테이션 상태(S8)'에서 상기 모터의 회전속도가 상기 모터의 물리적인 한계보다 작거나 또는, 상기 모터가 미리 정해놓은 RPM 이상인 경우에는 '단일 홀 커뮤테이션 상태(S8)'를 계속 유지할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들을 이용하여, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.

Claims (6)

  1. 모터의 코일에 제공하는 정현파 구동전류를 생성하기 위한 PWM 제어신호를 출력하는 정현파 ROM;
    상기 정현파 ROM의 동작을 제어하는 정류 제어부;
    홀-센서로부터의 홀-센서 출력신호를 기초로 홀-위치 검출신호를 생성하는 홀 위치 검출부;
    상기 홀-위치 검출신호를 기초로 상기 모터의 커뮤테이션 시간을 추정하는 커뮤테이션 추정신호를 추정하는 커뮤테이션 시간 추정부; 및
    상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호를 이용하여 상기 정류 제어부의 동작을 제어하기 위한 정류부 제어신호를 생성하는 정류상태 제어부;
    를 포함하며,
    상기 정류상태 제어부는,
    상기 모터의 구동을 시작한 이후, 상기 홀-위치 검출신호가 최초로 변화하는 시점부터 상기 모터를 미리 결정된 회수만큼 회전시키도록 상기 정류부 제어신호를 생성하는 소프트 스타트 상태로 천이하고,
    상기 소프트 스타트 상태에서, 상기 홀-센서 출력신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어지거나, 또는 상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어진 경우에만, 단일 홀 커뮤테이션 상태로 천이하도록 되어 있고,
    상기 단일 홀 커뮤테이션 상태는, 상기 모터의 회전속도가 미리 결정된 상한값보다 작고 미리 결정된 하한값 이상인 경우에는 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태를 계속 유지하도록 상기 정류부 제어신호를 생성하며,
    상기 단일 홀 커뮤테이션 상태에서, 상기 모터의 회전속도가 상기 상한값보다 크거나 또는 상기 미리 결정된 하한값보다 작은 경우에는, 상기 모터의 구동을 초기부터 다시 시작하는 것을 특징으로 하는,
    BLDC 모터 컨트롤러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소프트 스타트 상태는,
    상기 모터의 구동을 시작한 이후 상기 홀-위치 검출신호가 최초로 변화하는 시점부터 상기 모터를 미리 결정된 제1회수만큼 회전시키도록 상기 정류부 제어신호를 생성하는 소프트 스타트 a 상태, 및
    상기 소프트 스타트 a 상태가 종료되면, 상기 모터를 미리 결정된 제2회수만큼 회전시키도록 상기 정류부 제어신호를 생성하는 소프트 스타트 b 상태를
    포함하며,
    상기 소프트 스타트 b 상태에서 상기 홀-센서 출력신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어지거나, 또는 상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어진 경우에만, 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태로 천이하도록 되어 있는,
    BLDC 모터 컨트롤러.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소프트 스타트 a 상태 또는 상기 소프트 스타트 b 상태에서, 상기 모터의 회전속도가 상기 상한값보다 크거나 또는 상기 하한값보다 작은 경우에는 상기 모터의 구동을 초기부터 다시 시작하는 것을 특징으로 하는,
    BLDC 모터 컨트롤러.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태에서, 상기 정류 제어부는 상기 PWM 제어신호를 생성하기 위하여 상기 커뮤테이션 추정신호에 따라 상기 정현파 ROM을 제어하는 것을 특징으로 하는, BLDC 모터 컨트롤러.
  6. 모터의 코일에 제공하는 정현파 구동전류를 생성하기 위한 PWM 제어신호를 출력하는 정현파 ROM의 동작을 제어하는 정류 제어부, 홀-센서로부터의 홀-센서 출력신호를 기초로 홀-위치 검출신호를 생성하는 홀 위치 검출부, 상기 홀-위치 검출신호를 기초로 상기 모터의 커뮤테이션 시간을 추정하는 커뮤테이션 추정신호를 생성하는 커뮤테이션 시간 추정부, 및 상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호를 이용하여 상기 정류 제어부의 동작을 제어하기 위한 정류부 제어신호를 생성하는 정류상태 제어부를 포함하는 BLDC 모터 컨트롤러에서 상기 모터를 제어하는 방법으로서,
    상기 정류상태 제어부가,
    상기 모터의 구동을 시작한 이후, 상기 홀-위치 검출신호가 최초로 변화하는 시점부터 상기 모터를 미리 결정된 회수만큼 회전시키도록 상기 정류부 제어신호를 생성하는 소프트 스타트 상태로 천이하는 단계; 및
    상기 소프트 스타트 상태에서, 상기 홀-센서 출력신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어지거나, 또는 상기 홀-위치 검출신호와 상기 커뮤테이션 추정신호 간의 동기화가 성공적으로 이루어진 경우에만, 단일 홀 커뮤테이션 상태로 천이하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 단일 홀 커뮤테이션 상태는, 상기 모터의 회전속도가 미리 결정된 상한값보다 작고 미리 결정된 하한값 이상인 경우에는 상기 단일 홀 커뮤테이션 상태를 계속 유지하도록 상기 정류부 제어신호를 생성하며,
    상기 단일 홀 커뮤테이션 상태에서, 상기 모터의 회전속도가 상기 상한값보다 크거나 또는 상기 미리 결정된 하한값보다 작은 경우에는, 상기 모터의 구동을 초기부터 다시 시작하는 것을 특징으로 하는,
    BLDC 모터의 제어방법.
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