KR101986736B1 - 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치 및 이의 정렬 방법 - Google Patents

스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치 및 이의 정렬 방법 Download PDF

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KR101986736B1
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KR1020170162034A
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양광웅
신은철
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한국생산기술연구원
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00—Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
    • H02P8/04—Arrangements for starting
    • H02P8/08—Determining position before starting

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Abstract

본 발명은 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 기술에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치는, 엔코더를 장착한 스텝 모터의 회전자를 초기 정렬시키는 장치에 관한 것으로, 외부의 제어에 따라 전원을 인가하는 전원부; 상기 스텝 모터의 고정자의 임의 위치를 기준으로 하여 고정자 좌표계 상에서 4방향으로 상기 전원부를 제어하여 전류를 인가하여 발생하는 회전자의 회전각을 바탕으로 상기 회전자의 초기 전기각을 추정하는 회전자 위치 추정부; 및 추정된 초기 전기각을 실제 전기각으로 정렬시키는 과정을 통해 상기 추정된 초기 전기각이 상기 실제 전기각으로 위치하도록 하는 PID 제어기를 포함한다.

Description

스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치 및 이의 정렬 방법{Apparatus for initial alignment of rotor of step motor and alignment method thereof}
본 발명은 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 기술에 관한 것으로, 상세하게는 엔코더만을 구비하는 스텝 모터의 회전자를 초기 정렬시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 BLDC 모터는 구동을 위해 홀 센서(Hall sensor)와 엔코더를 필요로 한다. 홀 센서를 사용하여 회전자의 초기 전기각 위치를 -30°에서 30° 사이의 오차 범위 이내로 추정할 수 있으며, 홀 센서로 추정한 전기각을 시작으로 엔코더의 변화량을 적분함으로써 모터가 회전할 때 전기각을 알 수 있게 된다.
하지만 스텝 모터는 대부분 개루프 방식으로 제어하고 있기 때문에 폐루프 제어를 위한 홀 센서를 장착하고 있지 않은 경우가 대부분이며, 주로 엔코더만을 사용하여 폐루프 제어를 한다.
이러한 경우, 모터가 허용하는 최대 전류를 특정한 방향으로 흘려 모터의 회전자가 강제로 전류를 흘리는 방향으로 정렬되도록 한다.
이 방법은 모터의 회전자가 임의로 회전할 수 있기 때문에, 모터가 기구적으로 스토퍼에 부딪히는 경우에 제대로 정렬될 수 없는 경우가 발생할 수 있다.
IPMSM(interior permanent magnetic synchronous motor, 표면 부착형 전동기)의 경우에는, 회전자에 의해 발생하는 자기 포화 현상으로 인한 인덕턴스의 분포 차이로부터 회전자의 전기각을 추정할 수 있다.
하지만, 이러한 방법은 IPMSM 모터와 같이 자기 돌극성이 나타나는 모터에서만 사용할 수 있으며, 정확한 인덕턴스 차이를 구분하기 위한 정밀한 전류 측정과 타이밍 제어가 필요하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 홀 센서를 사용하지 않고 엔코더만을 구비한 스텝 모터를 폐루프 제어하기 위해 스텝 모터의 회전자의 초기 전기각 위치를 추정하는 방법을 통해 회전자를 초기 정렬하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치는, 엔코더를 장착한 스텝 모터의 회전자를 초기 정렬시키는 장치에 있어서, 외부의 제어에 따라 전원을 인가하는 전원부; 상기 스텝 모터의 고정자의 임의 위치를 기준으로 하여 고정자 좌표계 상에서 4방향으로 상기 전원부를 제어하여 전류를 인가하여 발생하는 회전자의 회전각을 바탕으로 상기 회전자의 초기 전기각을 추정하는 회전자 위치 추정부; 및 추정된 초기 전기각을 실제 전기각으로 정렬시키는 과정을 통해 상기 추정된 초기 전기각이 상기 실제 전기각으로 위치하도록 하는 PID 제어기를 포함한다.
상기 회전자 위치 추정부는, 4방향으로 인가되는 전류에 의해 각각 발생하는 토크들(τ1, τ2, τ3, τ4)을 계산하고, 계산된 토크들을 하기의 수학식 2에 대입하여 상기 초기 전기각(α0)을 추정한다.
[수학식 2]
Figure 112017119315170-pat00001
상기 회전자 위치 추정부는, 상기 토크를 하기의 수학식 7에 따라 계산하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 7]
Figure 112017119315170-pat00002
여기서, △θ는 전류가 인가되는 경우에 발생하는 토크에 의한 회전자의 회전각
상기 PID 제어기는, 상기 전원부를 제어하여 상기 초기 전기각의 위치로 전류를 인가하여, 초기 전기각과 실제 전기각을 변화시켜, 초기 전기각과 실제 전기각이 만나는 교차 전기각을 확인하고, 상기 교차 전기각으로부터 실제 전기각의 변화량만큼 초기 전기각을 변화시켜, 초기 전기각이 실제 전기각에 위치되도록 하는 정렬 과정을 수행한다.
상기 PID 제어기는, 하기의 수학식 10에 따라 PID 제어를 수행하여 정렬 과정을 수행한다.
[수학식 10]
Figure 112017119315170-pat00003
여기서, ak는 회전자의 실제 전기각이고, α0는 회전자의 추정된 초기 전기각이고, ek는 회전자의 추정된 회전각(θ0)과 회전자의 실제 회전각(θk)의 차이인 에러 값이고, ek - 1는 이전 에러값이며, KP, KD 및 KI는 모터의 특성에 따라 임의 결정되는 상수
상기 PID 제어기는, 초기 회전각에 기 설정된 다수의 오프셋을 순차적으로 인가한 회전각에 대해서 상기 정렬 과정을 수행하여, 각 오프셋이 인가된 경우에 대해서도 초기 전기각과 실제 전기각이 정렬되는지를 확인한다.
상기 PID 제어기는, 정렬 성공 횟수 혹은 정렬 실패 횟수를 확인하고, 기 설정된 기준값과 비교하여, 모터의 정상 여부를 판단한다.
상기 PDI 제어기는 상기 정렬 성공 횟수가 성공 기준값 이상이면 모터가 정상인 것으로 판단하고, 상기 정렬 성공 횟수가 상기 성공 기준값 미만이면 모터가 불량인 것을 판단한다.
상기 PDI 제어기는 상기 정렬 실패 횟수가 실패 기준값 이상이면 모터가 불량인 것으로 판단하고, 상기 정렬 실패 횟수가 상기 실패 기준값 미만이면 모터가 정상인 것으로 판단한다.
본 발명의 실시 예에 따른 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법은, 엔코더를 장착한 스텝 모터의 회전자를 초기 정렬시키는 방법에 있어서, 상기 스텝 모터의 고정자의 임의 위치를 기준으로 하여 고정자 좌표계 상에서 4방향으로 전원부를 제어하여 전류를 인가하여 발생하는 회전자의 회전각을 바탕으로 상기 회전자의 초기 전기각을 추정하는 단계; 및 추정된 초기 전기각을 실제 전기각으로 정렬시키는 과정을 통해 상기 추정된 초기 전기각이 상기 실제 전기각으로 위치시키도록 정렬하는 단계를 포함한다.
상기 추정하는 단계는, 4방향으로 인가되는 전류에 의해 각각 발생하는 토크들(τ1, τ2, τ3, τ4)을 계산하고, 계산된 토크들을 하기의 수학식 2에 대입하여 상기 초기 전기각(α0)을 추정하는 단계이다.
[수학식 2]
Figure 112017119315170-pat00004
상기 추정하는 단계는, 상기 토크를 하기의 수학식 7에 따라 계산하는 단계이다.인 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법.
[수학식 7]
Figure 112017119315170-pat00005
여기서, △θ는 전류가 인가되는 경우에 발생하는 토크에 의한 회전자의 회전각
상기 정렬하는 단계는, 상기 전원부를 제어하여 상기 초기 전기각의 위치로 전류를 인가하여, 초기 전기각과 실제 전기각을 변화시켜, 초기 전기각과 실제 전기각이 만나는 교차 전기각을 확인하고, 상기 교차 전기각으로부터 실제 전기각의 변화량만큼 초기 전기각을 변화시켜, 초기 전기각이 실제 전기각에 위치되도록 하는 단계이다.
상기 정렬하는 단계는, 하기의 수학식 10에 따라 PID 제어를 수행하여 정렬 과정을 수행하는 단계이다.
[수학식 10]
Figure 112017119315170-pat00006
여기서, ak는 회전자의 실제 전기각이고, α0는 회전자의 추정된 초기 전기각이고, ek는 회전자의 추정된 회전각(θ0)과 회전자의 실제 회전각(θk)의 차이인 에러 값이고, ek - 1는 이전 에러값이며, KP, KD 및 KI는 모터의 특성에 따라 임의 결정되는 상수
상기 정렬하는 단계는, 초기 회전각에 기 설정된 다수의 오프셋을 순차적으로 인가한 회전각에 대해서 상기 정렬 과정을 수행하여, 각 오프셋이 인가된 경우에 대해서도 초기 전기각과 실제 전기각이 정렬되는지를 확인하는 것을 포함한다.
상기 정렬하는 단계는, 정렬 결과에 따른 정렬 성공 횟수 혹은 정렬 실패 횟수를 확인하고, 기 설정된 기준값과 비교하여, 모터의 정상 여부를 판단하는 것을 포함한다.
상기 정렬하는 단계는, 상기 정렬 성공 횟수가 성공 기준값 이상이면 모터가 정상인 것으로 판단하고, 상기 정렬 성공 횟수가 상기 성공 기준값 미만이면 모터가 불량인 것을 판단하는 것을 포함한다.
상기 정렬하는 단계는, 상기 정렬 실패 횟수가 실패 기준값 이상이면 모터가 불량인 것으로 판단하고, 상기 정렬 실패 횟수가 상기 실패 기준값 미만이면 모터가 정상인 것으로 판단하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 스텝 모터의 회전자 초기 정렬 기술을 이용하면, 홀 센서를 사용하지 않고 엔코더의 미소 이동만으로 스텝 모터의 회전자 전기각 위치를 검출할 수 있다.
그리고, 모터에 최소한의 토크를 가해 모터의 회전자 이동을 최소화함으로 전기각 위치 검출에 소요되는 시간과 회전량을 최소화할 수 있다.
또한, 전기각 검출 후 점검 과정을 수행함으로써, 전기각이 올바르게 검출되었는지를 확인함으로써, 검출된 전기각의 정확성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스텝 모터의 회전자 초기 정렬 방법에 따른 과정을 수행하는 장치의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 있어서 회전자에 전류를 인가함에 따라 토크가 발생하는 경우를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 있어서 회전자에 전류가 인가되는 경우에 발생하는 토크에 의해 회전자가 회전하는 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 회전자의 추정된 초기 전기각을 실제 전기각 위치로 정렬시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 “~사이에”와 “바로 ~사이에” 또는 “~에 이웃하는”과 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 개시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
본 발명에서는 스텝 모터의 초기 전기각을 추정한 결과를 바탕으로 회전자를 초기 위치로 정렬하는 방법이 제공되며, 회전자의 전기각을 모르는 상태에서 90° 간격으로 구형파 토크 프로파일을 발행시켜 이동 거리를 측정함으로써 초기 전기각 위치를 추정하고, 추정한 전기각 위치를 회전자의 실제 전기각 위치로 수렴하도록 PID 위치 제어기를 구동함으로써 모터의 회전을 최소화하면서 전기각을 추정한다.
그리고, 모터를 좌우로 약간씩 회전시켜 PID 위치 제어기 오차가 0으로 수렴하는지를 점검함으로써 전기각이 올바르게 정렬되었는지 확인하는 과정을 거친다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스텝 모터의 회전자 초기 정렬 방법에 따른 과정을 수행하는 장치의 일례를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법을 설명한다.
먼저, 스텝 모터의 회전자(즉, 자석)(110)의 초기 위치(즉, 초기 전기각)를 추정한다(S200). 상기 단계 S200은 회전자 위치 추정부(140)에 의해 수행된다.
이를 위해, 회전자 위치 추정부(140)는 고정자(즉, 3상 코일)(120) 좌표계 상의 임의 위치를 기준(0°)으로 하여 0° 방향, 90° 방향, 180° 방향 및 270° 방향으로 전류를 인가하고, 4방향으로 전류 인가 시의 토크를 각각 계산한다.
상기 회전자 위치 추정부(140)는 전원부(150)를 제어하여 고정자(120)로 전류가 인가되도록 한다.
이때, 본 발명의 스텝 모터에는 홀 센서가 구비되어 있지 않으며, 엔코더(130)만이 구비되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에 공지되어 있듯이 엔코더는 회전각의 절대 위치를 출력한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 있어서 회전자에 전류를 인가함에 따라 토크가 발생하는 경우를 설명하기 위한 예시도이다.
이때, 스텝 모터의 회전자 d축으로 전류(i)를 인가할 때 전기각(φ)의 위치에 따라 발생하는 토크(τ)는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017119315170-pat00007
여기서, Kτ는 토크 상수이다.
수학식 1에 따라, 0° 방향으로 전류를 인가한 경우에 발생하는 토크(τ1), 90° 방향으로 전류를 인가하는 경우에 발생하는 토크(τ2), 180° 방향으로 전류를 인가하는 경우에 발생하는 토크(τ3) 및 270°방향으로 전류를 인가하는 경우에 발생하는 토크(τ4)를 계산할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 4개 방향(0° 방향, 90° 방향, 180° 방향 및 270° 방향)으로 전류를 인가하는 경우에 있어서의 토크들(τ1, τ2, τ3, τ4)을 계산하면, 하기의 수학식 2에 따라 회전자의 초기 전기각(α0)을 추정할 수 있다.
Figure 112017119315170-pat00008
상기에서와 같이, 회전자의 초기 전기각을 추정하기 위해서는 4개 방향(0° 방향, 90° 방향, 180° 방향 및 270° 방향)으로 전류를 인가하는 경우에 있어서의 토크를 알아야 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 있어서 회전자에 전류가 인가되는 경우에 발생하는 토크에 의해 회전자가 회전하는 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 임의의 방향으로 회전자에 전류를 인가할 때 발생하는 토크(작용 토크, τ)가 회전자에 작용하고, 작용 토크(τ)에 의해 회전자가 소정의 각도(회전각, △θ)만큼 회전한다.
스텝 모터의 경우 모터가 회전할 때 마찰이나 코킹으로 인한 정지 마찰 토크(τc)가 크기 때문에, 모터의 회전자는 작용 토크(τ)에 의해 순간적으로 움직이지만 마찰 토크(τc)로 인해 바로 정지하게 된다. 따라서, 회전자가 회전하기 위해서는 작용 토크(τ)는 마찰 토크(τc)보다 충분히 커야 한다.
따라서, 작용 토크(τ)와 회전각(△θ) 사이의 관계식을 알 수 있으면, 회전각(△θ)에 따른 작용 토크(τ)를 계산할 수 있다.
도 3에서와 같이, t1 구간에서는 작용 토크(τ)와 마찰 토크(τc)에 의해 각가속도(αa)가 발생하고, t2 구간에서는 작용 토크(τ)가 없고 마찰 토크(τc)만 작용하기 때문에 각감속도(αf)에 의해 속도가 줄어 모터는 정지하게 된다.
회전자의 회전각(△θ)을 각가속도(αa)와 각감속도(αf)를 이용하여 표현하면 하기의 수학식 3과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112017119315170-pat00009
여기서, t1 는 각가속도(αa)가 발생한 총 시간이고, t2 는 각감속도(αf)가 발생한 총 시간이다.
그리고, 각가속도(αa)와 각감속도(αf)는 작용 토크(τ)와 마찰 토크(τc)를 이용하여 표현하면 하기의 수학식 4와 같이 정리될 수 있다.
Figure 112017119315170-pat00010
여기서, I는 회전자의 관성 모멘트이다.
그리고, 각가속도(αa)와 각감속도(αf)를 시간과 최대 속도(vmax)와의 관계는 하기의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017119315170-pat00011
그리고, 수학식 4와 수학식 5를 수학식 3에 대입하여 정리하면 다음과 같은 수학식 6을 얻을 수 있다.
Figure 112017119315170-pat00012
수학식 6으로부터 △θ ∝ τ(τ-τc) 관계임을 알 수 있으며, τc가 τ에 비해 충분히 작다면 하기 수학식 7과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112017119315170-pat00013
따라서, 수학식 7로부터 회전각(△θ)에 비례하여 발생하는 토크의 비율을 측정할 수 있다. 그리고, 회전각(△θ)은 엔코더의 이동량으로부터 측정할 수 있다.
따라서, 4개 방향(0° 방향, 90° 방향, 180° 방향 및 270° 방향)으로 전류를 인가하는 경우에 있어서의 토크들(τ1, τ2, τ3, τ4)은 다음의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017119315170-pat00014
여기서, △θ1은 고정자 좌표계 상에서 0° 방향으로 전류가 인가된 경우에 작용하는 토크에 의해 회전하는 회전자의 회전각이고, △θ2는 고정자 좌표계 상에서 90° 방향으로 전류가 인가된 경우에 작용하는 토크에 의해 회전하는 회전자의 회전각이고, △θ3은 고정자 좌표계 상에서 180° 방향으로 전류가 인가된 경우에 작용하는 토크에 의해 회전하는 회전자의 회전각이고, △θ4는 고정자 좌표계 상에서 270° 방향으로 전류가 인가된 경우에 작용하는 토크에 의해 회전하는 회전자의 회전각이다.
수학식 8에 따라, 4개 방향(0° 방향, 90° 방향, 180° 방향 및 270° 방향)으로 전류를 인가하는 경우에 있어서의 토크들(τ1, τ2, τ3, τ4)을 계산할 수 있고, 계산되는 토크들(τ1, τ2, τ3, τ4)을 수학식 2에 대입하면 회전자의 초기 전기각(α0)을 추정할 수 있다.
즉, 본 발명에 있어서, 회전자 위치 추정부(140)는 전원부(150)를 제어하여 고정자 좌표계 상의 4방향(0° 방향, 90° 방향, 180° 방향 및 270° 방향)으로 전류를 인가하고, 4방향 각각에 대해서 전류 인가 시에 작용하는 토크에 의한 회전자의 회전각을 바탕으로 토크를 계산하고, 계산된 4개의 토크들(τ1, τ2, τ3, τ4)을 수학식 2에 대입하여 회전자의 초기 전기각(α0)을 추정한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 단계 S200에서 회전자 위치 추정부(140)에 의해 추정된 회전자 초기 전기각(α0)은 회전자의 대략적인 위치이기 때문에 좀 더 정확하게 회전자의 초기 전기각을 추정할 필요가 있다.
이에 따라 단계 S200에서 회전자의 초기 전기각을 추정한 후, 추정된 초기 전기각을 실제 전기각으로 정렬시키는 과정이 이루어진다(S210). 상기 단계 S210에서의 전기각 정렬은 PID 제어기(160)에 의해 수행될 수 있다.
단계 S200에서 회전자 초기 전기각(α0)이 정확하게 추정되었다면, 회전자의 추정된 회전각(θ0)과 회전자의 실제 회전각(θk)이 일치하기 때문에, 에러(ek)는 0이다.
하지만, 단계 S200에서 회전자 초기 전기각(α0)이 정확하게 추정되지 않았다면, 회전자의 추정된 회전각(θ0)과 회전자의 실제 회전각(θk)이 일치하지 않기 때문에 에러(ek)가 발생하며, 회전자의 추정된 회전각(θ0)과 회전자의 실제 회전각(θk)의 차이인 에러(ek)는 하기 수학식 8과 같이 정의된다.
즉, 단계 S210에서는 회전자의 추정된 회전각(θ0)과 회전자의 실제 회전각(θk)의 차이가 0이 되도록, 추정된 초기 전기각(α0)과 실제 전기각(αk)을 정렬시키는 동작이 이루어진다. 이때, 추정된 초기 전기각(α0)이 실제 전기각(αk) 위치로 정렬되도록 한다.
Figure 112017119315170-pat00015
한편, 단계 S210에서 PID 제어기(160)가 추정된 초기 전기각(α0)이 실제 전기각(αk)의 위치로 정렬되도록 PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어를 수행하며, 하기의 수학식 10과 같이 정의되는 PID 제어를 수행한다.
Figure 112017119315170-pat00016
여기서, ak는 회전자의 실제 전기각이고, α0는 회전자의 추정된 초기 전기각이고, ek는 회전자의 추정된 회전각(θ0)과 회전자의 실제 회전각(θk)의 차이인 에러 값이고, ek - 1는 이전 에러값이며, KP, KD 및 KI는 모터의 특성에 따라 임의 결정되는 상수로서, KI는 회전자가 360° 이동하는 데에 걸려야 하는 총 시간 분의 360°로 결정된다.
도 5는 회전자의 추정된 초기 전기각을 실제 전기각 위치로 정렬시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 회전자의 추정 위치에 따른 회전자의 추정된 회전각이 θ0이고, 회전자의 추정 위치에 따른 회전자의 추정된 초기 전기각이 α0이고, 회전자의 실제 위치에 따른 실제 회전각이 θk이고, 회전자의 실에 위치에 따른 실제 전기각이 ak인 것으로 가정하면, 단계 S210에서의 PID 제어기(160)의 PID 제어를 통해, 회전자의 추정된 초기 전기각 α0이 회전자의 실제 전기각 ak 위치로 정렬된다.
PID 제어 시, PID 제어기(160)는 전원부(150)를 제어하여 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)의 위치로 전류를 인가하여, 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)과 회전자의 실제 전기각(ak)을 변화시킨다.
이때, 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)과 회전자의 실제 전기각(ak)은 만나는 방향으로 변화된다.
그리고, PID 제어기(160)는 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)과 회전자의 실제 전기각(ak)을 변화시키면서 실제 전기각(ak)의 변화량을 확인한다.
그리고, PID 제어기(160)는 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)과 회전자의 실제 전기각(ak)이 만나는 전기각(‘교차 전기각’, αc)을 확인하고, 이때까지의 실제 전기각(ak)의 변화량을 확인한다.
그리고, PID 제어기(160)는 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)과 회전자의 실제 전기각(ak)의 교차 지점으로부터 실제 전기각(ak)의 변화량만큼 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)을 실제 전기각(ak) 방향으로 변화시켜, 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)이 회전자의 실제 전기각(ak)에 위치되도록 한다.
즉, 본 발명에 있어 PID 제어기(160)는 인가되는 전류에 의한 변화에 따라 발생하는 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)과 회전자의 실제 전기각(ak)의 교차지점으로부터 실제 전기각(ak)의 변화량만큼 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)을 변화시켜, 회전자의 추정된 초기 전기각(α0)이 회전자의 실제 전기각(ak)에 위치되도록 한다.
이상에서 살펴본 바와 같은 단계 S200에서의 초기 전기각 추정 및 단계 S210에서의 추정된 초기 전기각과 실제 전기각의 정렬은 모터가 정상 상태인 것을 전제로 한다.
따라서, 단계 S210에서의 추정된 초기 전기각(α0)과 실제 전기각(ak)의 정렬이 이루어졌다고 하더라도 모터가 정상 상태인 것을 보증하는 것은 아니기 때문에, S200 및 S210에 따른 초기 전기각 추정이 정상 상태인 모터에 대해서 이루어졌는지에 대해 검증할 필요가 있다.
이에 따라, 단계 S210에서의 회전자의 초기 전기각이 결정된 후, 정상 상태인 모터에 대해서 초기 전기각 추정이 이루어졌는지를 검증하는 과정이 이루어지며, 이러한 과정은 PID 제어기(160)에 의해 수행될 수 있다.
단계 S200에서의 회전자의 추정된 초기 회전각(θ0)을 바탕으로 한 경우에 대해서 단계 S210에서의 추정된 초기 전기각(α0)과 실제 전기각(ak)의 정렬 과정이 정상적으로 이루어졌기 때문에, 회전자의 추정된 초기 회전각(θ0)에 소정의 오프셋을 준 후 단계 S210에서의 PDI 제어를 한 후에도 추정된 초기 전기각(α0)과 실제 전기각(ak)은 정렬되어야 한다.
이에 따라, 본 발명에서는 PID 제어기(160)가 회전자의 추정된 초기 회전각(θ0)에 기 설정된 다수의 오프셋을 순차적으로 인가한 회전각에 대해서 단계 S210과 같은 정렬 과정을 수행하는 경우에 있어서도 추정된 초기 전기각(α0)과 실제 전기각(ak)이 정렬되는지를 확인하고, 정렬 결과에 따라 모터의 정상 여부를 판단한다.
구체적으로, PDI 제어기(160)는 기 설정된 다수의 오프셋을 순차적으로 회전자의 추정된 초기 회전각에 인가하고(S220), 각 오프셋이 인가된 경우에 대해서 초기 전기각과 실제 전기각을 정렬시킨다(S230).
그리고, PDI 제어기(160)는 정렬 성공 횟수 혹은 정렬 실패 횟수를 확인하고(S240), 기 설정된 기준값과 비교하여, 모터의 정상 여부를 판단한다(S250).
예를 들어, PDI 제어기(160)는 정렬 성공 횟수가 성공 기준값 이상이면 모터가 정상인 것으로 판단하고, 정렬 성공 횟수가 성공 기준값 미만이면 모터가 불량인 것을 판단한다.
다른 예로, PDI 제어기(160)는 정렬 실패 횟수가 실패 기준값 이상이면 모터가 불량인 것으로 판단하고, 정렬 실패 횟수가 실패 기준값 미만이면 모터가 정상인 것으로 판단한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 기능 혹은 모든 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
한편, 본 발명의 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치 및 방법을 실시 예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 기재된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 회전자
120 : 고정자
130 : 엔코더
140 : 회전자 위치 추정부
150 : 전원부
160 : PID 제어기

Claims (18)

  1. 엔코더를 장착한 스텝 모터의 회전자를 초기 정렬시키는 장치에 있어서,
    외부의 제어에 따라 전원을 인가하는 전원부;
    상기 스텝 모터의 고정자의 임의 위치를 기준으로 하여 고정자 좌표계 상에서 4방향으로 상기 전원부를 제어하여 전류를 인가하여 발생하는 회전자의 회전각을 바탕으로 상기 회전자의 초기 전기각을 추정하는 회전자 위치 추정부; 및
    추정된 초기 전기각을 실제 전기각으로 정렬시키는 과정을 통해 상기 추정된 초기 전기각이 상기 실제 전기각으로 위치하도록 하는 PID 제어기를 포함하고,
    상기 PID 제어기는, 상기 전원부를 제어하여 상기 초기 전기각의 위치로 전류를 인가하여, 초기 전기각과 실제 전기각을 변화시켜, 초기 전기각과 실제 전기각이 만나는 교차 전기각을 확인하고, 상기 교차 전기각으로부터 실제 전기각의 변화량만큼 초기 전기각을 변화시켜, 초기 전기각이 실제 전기각에 위치되도록 하는 정렬 과정을 수행하는 것인 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 위치 추정부는,
    4방향으로 인가되는 전류에 의해 각각 발생하는 토크들(τ1, τ2, τ3, τ4)을 계산하고, 계산된 토크들을 하기의 수학식 2에 대입하여 상기 초기 전기각(α0)을 추정하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치.
    [수학식 2]
    Figure 112017119315170-pat00017
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전자 위치 추정부는, 상기 토크를 하기의 수학식 7에 따라 계산하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치.
    [수학식 7]
    Figure 112017119315170-pat00018

    여기서, △θ는 전류가 인가되는 경우에 발생하는 토크에 의한 회전자의 회전각
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 PID 제어기는, 하기의 수학식 10에 따라 PID 제어를 수행하여 정렬 과정을 수행하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치.
    [수학식 10]
    Figure 112018129204472-pat00019

    여기서, ak는 회전자의 실제 전기각이고, α0는 회전자의 추정된 초기 전기각이고, ek는 회전자의 추정된 회전각(θ0)과 회전자의 실제 회전각(θk)의 차이인 에러 값이고, ek-1는 이전 에러값이며, KP, KD 및 KI는 모터의 특성에 따라 임의 결정되는 상수
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 PID 제어기는, 초기 회전각에 기 설정된 다수의 오프셋을 순차적으로 인가한 회전각에 대해서 상기 정렬 과정을 수행하여, 각 오프셋이 인가된 경우에 대해서도 초기 전기각과 실제 전기각이 정렬되는지를 확인하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 PID 제어기는, 정렬 성공 횟수 혹은 정렬 실패 횟수를 확인하고, 기 설정된 기준값과 비교하여, 모터의 정상 여부를 판단하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 PID 제어기는 상기 정렬 성공 횟수가 성공 기준값 이상이면 모터가 정상인 것으로 판단하고, 상기 정렬 성공 횟수가 상기 성공 기준값 미만이면 모터가 불량인 것을 판단하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 PID 제어기는 상기 정렬 실패 횟수가 실패 기준값 이상이면 모터가 불량인 것으로 판단하고, 상기 정렬 실패 횟수가 상기 실패 기준값 미만이면 모터가 정상인 것으로 판단하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 장치.
  10. 엔코더를 장착한 스텝 모터의 회전자를 초기 정렬시키는 방법에 있어서,
    상기 스텝 모터의 고정자의 임의 위치를 기준으로 하여 고정자 좌표계 상에서 4방향으로 전원부를 제어하여 전류를 인가하여 발생하는 회전자의 회전각을 바탕으로 상기 회전자의 초기 전기각을 추정하는 단계; 및
    추정된 초기 전기각을 실제 전기각으로 정렬시키는 과정을 통해 상기 추정된 초기 전기각이 상기 실제 전기각으로 위치시키도록 정렬하는 단계를 포함하고,
    상기 정렬하는 단계는, 상기 전원부를 제어하여 상기 초기 전기각의 위치로 전류를 인가하여, 초기 전기각과 실제 전기각을 변화시켜, 초기 전기각과 실제 전기각이 만나는 교차 전기각을 확인하고, 상기 교차 전기각으로부터 실제 전기각의 변화량만큼 초기 전기각을 변화시켜, 초기 전기각이 실제 전기각에 위치되도록 하는 단계인 것인 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 추정하는 단계는,
    4방향으로 인가되는 전류에 의해 각각 발생하는 토크들(τ1, τ2, τ3, τ4)을 계산하고, 계산된 토크들을 하기의 수학식 2에 대입하여 상기 초기 전기각(α0)을 추정하는 단계
    인 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112017119315170-pat00020
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 추정하는 단계는, 상기 토크를 하기의 수학식 7에 따라 계산하는 단계
    인 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법.
    [수학식 7]
    Figure 112017119315170-pat00021

    여기서, △θ는 전류가 인가되는 경우에 발생하는 토크에 의한 회전자의 회전각
  13. 삭제
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 정렬하는 단계는, 하기의 수학식 10에 따라 PID 제어를 수행하여 정렬 과정을 수행하는 단계
    인 스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법.
    [수학식 10]
    Figure 112018129204472-pat00022

    여기서, ak는 회전자의 실제 전기각이고, α0는 회전자의 추정된 초기 전기각이고, ek는 회전자의 추정된 회전각(θ0)과 회전자의 실제 회전각(θk)의 차이인 에러 값이고, ek-1는 이전 에러값이며, KP, KD 및 KI는 모터의 특성에 따라 임의 결정되는 상수
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 정렬하는 단계는, 초기 회전각에 기 설정된 다수의 오프셋을 순차적으로 인가한 회전각에 대해서 정렬 과정을 수행하여, 각 오프셋이 인가된 경우에 대해서도 초기 전기각과 실제 전기각이 정렬되는지를 확인하는 것을 포함하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 정렬하는 단계는, 정렬 결과에 따른 정렬 성공 횟수 혹은 정렬 실패 횟수를 확인하고, 기 설정된 기준값과 비교하여, 모터의 정상 여부를 판단하는 것을 포함하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 정렬하는 단계는, 상기 정렬 성공 횟수가 성공 기준값 이상이면 모터가 정상인 것으로 판단하고, 상기 정렬 성공 횟수가 상기 성공 기준값 미만이면 모터가 불량인 것을 판단하는 것을 포함하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 정렬하는 단계는, 상기 정렬 실패 횟수가 실패 기준값 이상이면 모터가 불량인 것으로 판단하고, 상기 정렬 실패 횟수가 상기 실패 기준값 미만이면 모터가 정상인 것으로 판단하는 것을 포함하는
    스텝 모터의 회전자의 초기 정렬 방법.
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