KR102354927B1 - Bldc 모터의 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 BLDC 모터의 제어 방법은, 모터에 마련된 적어도 하나의 홀 센서로부터 홀 신호를 수신하는 단계; 상기 홀 신호에 의해 상기 모터의 회전이 멈춘 것으로 판단하는 단계; 상기 모터의 현재 회전 위치에서 정방향 및 역방향으로 소정 각도만큼 회전하도록 하는 테스트 신호를 출력하는 단계; 상기 테스트 신호를 출력한 이후, 상기 모터가 회전하는 경우, 상기 테스트 신호의 출력을 중지하고 정상적인 모터 제어를 수행하는 단계; 및 소정 시간동안 상기 테스트 신호를 출력한 이후에도 상기 모터의 회전이 멈춘 경우, 상기 모터에 오류가 발생한 것으로 판단하여, 상기 모터의 회전을 정지하도록 제어하는 단계를 포함한다.

Description

BLDC 모터의 제어 장치 및 제어 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING BLDC MOTOR AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 BLDC 모터의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 BLDC 모터의 구동 과정에서 멈춤(stuck) 현상이 발생하는 경우, 그 원인을 진단할 수 있는 BLDC 모터의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

BLDC 모터(Brushless DC Motor)는 종래의 DC 모터(Direct Current Motor)에 존재하던 브러쉬(brush)를 제거한 것으로서, 전기자석으로 구성되는 고정자에 공급되는 전류를 제어하여 자기력을 형성하고, 자기력에 따라 영구자석을 포함하는 회전자를 회전시킨다. 이와 같은 BLDC 모터는 브러쉬의 마찰로 인한 소음, 진동을 감소 시키고 수명이 연장되는 효과가 있어, 자동차 엔진, 연료 펌프 등을 비롯하여 다양한 분야에 활용되고 있다.

이러한 BLDC모터는 영구자석으로 이루어진 회전자와, 3개의 코일 즉, U상, V상 및 W상 코일이 권선되어 있는 고정자를 구비하며, 고정자에 권선되어 있는 U상, V상 및 W상 코일에 전류가 공급되면 공급된 전류에 따라 U상, V상 및 W상 코일이 각기 자계를 발생하여 영구자석으로 이루어진 회전자를 회전시킴으로써 구동된다. 이 때, 상술한 바와 같은 BLDC모터의 각 3상에는 입력되는 전압과 PWM(Pulse width modulation)신호의 듀티비(Duty ratio)에 따라 각각 다른 전류량을 갖는 전류가 인가되며, 이 때, 각 3상에 인가되는 전류는 BLDC모터 제어 시스템을 통해 전류량이 제어되어 공급된다.

BLDC 모터의 회전을 제어함에 있어, 일반적으로 회전자의 위치를 3개의 홀 센서(Hall sensor)를 구비하고, 홀 센서에서 출력하는 홀 신호에 따라 BLDC 모터를 제어한다.

BLDC 모터의 구동 중 그 자리에 멈추게 되는 현상(stuck 현상)이 발생할 수 있다. 멈춤 현상이 발생하는 원인은 기구적인 결함에 의해 발생하는 경우, 일시적인 홀 센서의 이상 또는 회전자가 회전 가능한 범위의 임계값에 다다르는 경우를 들 수 있다.

종래의 BLDC 모터 제어 장치는 이러한 멈춤 현상이 발생한 경우, 즉시 모터 작동을 중단 시키거나 홀 센서 신호를 보상하여 재구동 하는 등의 방식을 취하였으나, 멈춤 현상의 발생 원인을 근본적으로 해결할 수는 없었다.

본 발명의 목적은 BLDC 모터의 구동 과정에서 멈춤(stuck) 현상이 발생하는 경우 테스트 신호를 통해 모터의 회전을 유도하여 멈춤 현상의 발생 원인을 찾고, 이를 해결할 수 있는 BLDC 모터의 제어 장치 및 제어 방법을 제공함에 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 모터의 위치를 센싱하여 홀 신호를 출력하는 적어도 하나의 홀 센서; 상기 모터에 전류를 공급하여 상기 모터가 회전하도록 구동하는 모터 구동부; 및 상기 홀 신호에 기초하여 상기 모터의 회전을 제어하고, 상기 홀 신호에 의해 상기 모터의 회전이 멈춘 것으로 판단되는 경우, 상기 모터의 현재 회전 위치에서 정방향 및 역방향으로 소정 각도만큼 회전하도록 하는 테스트 신호를 상기 모터 구동부에 출력하는 모터 제어부를 포함하는 BLDC 모터의 제어 장치에 의해서 달성될 수 있다.

여기서, 상기 모터 제어부는, 소정 시간동안 상기 테스트 신호를 출력한 이후에도 상기 모터의 회전이 멈춘 경우, 상기 모터에 오류가 발생한 것으로 판단하여, 상기 모터의 회전을 정지하도록 제어할 수 있다.

여기서, 상기 모터 제어부는, 상기 테스트 신호를 출력한 이후, 상기 모터가 회전하는 경우, 상기 테스트 신호의 출력을 중지하고, 정상적인 모터 제어를 수행할 수 있다.

또한, 상기 목적은 본 발명에 따라, BLDC 모터의 제어 방법에 있어서, 모터에 마련된 적어도 하나의 홀 센서로부터 홀 신호를 수신하는 단계; 상기 홀 신호에 의해 상기 모터의 회전이 멈춘 것으로 판단하는 단계; 상기 모터의 현재 회전 위치에서 정방향 및 역방향으로 소정 각도만큼 회전하도록 하는 테스트 신호를 출력하는 단계; 상기 테스트 신호를 출력한 이후, 상기 모터가 회전하는 경우, 상기 테스트 신호의 출력을 중지하고 정상적인 모터 제어를 수행하는 단계; 및 소정 시간동안 상기 테스트 신호를 출력한 이후에도 상기 모터의 회전이 멈춘 경우, 상기 모터에 오류가 발생한 것으로 판단하여, 상기 모터의 회전을 정지하도록 제어하는 단계를 포함하는 BLDC 모터의 제어 방법에 의해서 달성될 수 있다.

상술한 본 발명에 따라, BLDC 모터의 구동 과정에서 멈춤(stuck) 현상이 발생하는 경우 테스트 신호를 통해 모터의 회전을 유도하여 멈춤 현상의 발생 원인을 찾고, 이를 해결할 수 있는 BLDC 모터의 제어 장치 및 제어 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 장치를 도시한 것이다.
도 2는 BLDC 모터의 회전에 따른 홀 신호의 패턴의 일 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 방법의 흐름도이다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다. 본 발명의 사상은 첨부된 도면 외에 모든 변경, 균등물 내지 대체물에 까지도 확장되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 장치를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, BLDC 모터 제어 장치는 복수의 홀 센서(100), 모터 구동부(200) 및 모터 제어부(300)를 포함한다.

홀 센서(100)는 도체에 전류가 흐르는 상태에서 전류의 방향과 수직으로 자기장이 형성될 때 전류가 흐르는 도체 내에서 전류와 수직방향으로 전기장이 형성되는 홀 효과(Hall effect)를 이용하여 모터의 회전 위치를 감지할 수 있다. 홀 센서(100)는 3개가 구비되는 것이 바람직하며, 원주 방향으로 일정한 각도만큼 이격되어 BLDC 모터의 고정자 측에 배열될 수 있다.

한편, 3개의 홀 센서(100)의 배열 및 회전자에 부착된 영구자석이 이루는 각도에 따라, 모터의 회전자가 회전하게 되면, 홀 센서(100)는 도 2에 도시된 것과 같은 홀 신호를 출력할 수 있다. 3개의 홀 센서 A, B, C가 출력하는 홀 신호를 ABC로 정의하면, 모터가 1번 방향으로 회전하는 경우(DIR=1), 순차적으로 100, 110, 010, 011, 001, 101, 100, … 을 출력하는 것이 바람직하다.

모터 구동부(200)는 후술할 모터 제어부(300)의 제어에 따라 모터에 전류를 공급하여 모터가 회전하도록 구동한다. 모터 구동부(200)는 고정자에 감겨진 코일에 3상 전류를 공급하며, 이에 따라 발생한 전자기장에 의해 영구자석이 부착된 회전자를 회전하도록 할 수 있다. BLDC 모터의 구조 및 회전 원리는 공지된 바와 같으므로, 그 설명을 생략하기로 한다.

모터 제어부(300)는 홀 신호에 기초하여 모터의 회전을 제어한다. 모터 제어부(300)는 3개의 홀 센서(100)로부터 수신되는 홀 신호를 통해 모터의 회전속도 및 회전방향을 감지할 수 있으며, 외부의 지령에 따라 모터 회전을 위한 전류를 공급하도록 제어신호를 모터 구동부(200)에 출력할 수 있다.

한편, 모터 제어부(300)는 입력되는 홀 신호에 의해 모터의 회전이 멈춤(stuck) 상태인 것으로 판단할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 도 2에서 모터가 1번 방향으로 회전하는 경우, 순차적으로 60도 단위로 100, 110, 010, 011, 001, 101, 100, … 을 출력하는 것이 바람직하나, 순차적으로 100, 110, 010, 001이 출력되는 경우, 모터의 회전이 정지되며, 모터 제어부(300)는 모터의 회전이 멈춤(stuck) 상태인 것으로 판단할 수 있다. 또한, 3개의 홀 센서(100)의 배열 상 000, 111은 출력될 수 없으므로, 이 값이 출력되는 경우에도 모터의 회전이 정지될 수 있다.

모터의 회전이 멈춤 상태가 발생하는 원인은 다음을 예로 들 수 있다.

기구적인 결함에 의한 마찰력 발생 또는 전기적 결함으로 인한 구동 신호의 오류 등으로 인해 모터가 회전할 수 없거나, 모터의 회전자는 한 방향으로 최대 회전할 수 있는 회전수에 임계값이 있는데 이 임계값에 도달한 경우 더 이상 동일한 방향으로 회전할 수 없으며, 일시적인 홀 센서(100)의 이상으로 실제 회전 위치와 다른 값을 출력할 수 있다.

상기 원인 중 기구적 또는 전기적 결함이 발생하지 않은 경우라면, 모터를 멈춤 상태에서 한 단계, 즉 도 2에서 60도만큼 회전하는 것으로, 멈춤 상태에서 벗어날 수 있을 것이며, 기구적 또는 전기적 결함이 발생한 경우라면 더 이상 BLDC 모터의 정상적인 동작이 불가능할 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 모터 제어부(300)는 모터의 현재 회전 위치에서 정방향 및 역방향으로 소정 각도만큼 회전하도록 하는 테스트 신호를 모터 구동부(200)에 출력한다. 예를 들어, 홀 신호가 100, 110, 010, 001가 출력된 상태에서 멈춤 현상이 발생하는 경우, 001의 정역방향의 다음인 110, 101을 각각 주기적으로 출력할 수 있다.

이 때, 테스트 신호를 출력한 이후, 모터가 다시 기존 방향(DIR=1)으로 회전이 시작되어 홀 신호를 통해 이를 감지하는 경우, 일시적인 홀 센서(100)의 이상인 것으로 판단하여, 모터 제어부(300)는 테스트 신호의 출력을 중지하고 정상적인 모터 제어를 수행할 수 있다.

또한, 테스트 신호를 출력한 이후, 모터가 종전과 반대 방향(DIR=0)으로 회전되어 홀 신호를 통해 이를 감지하는 경우, 종전 방향으로 회전 가능한 임계에 도달한 것이므로, 모터 제어부(300)는 모터를 정상적으로 반대 방향으로 회전하도록 제어할 수 있다.

이와 달리, 소정 시간동안 테스트 신호를 출력 하였음에도 모터의 멈춤 상태가 해제되지 않고, 홀 신호를 통해 계속해서 멈춤 상태의 동일한 신호가 입력되는 경우, 모터 제어부(300)는 모터 자체에 기구적 또는 전기적 결함이 발생한 것으로 판단하여 모터의 동작을 정지하도록 제어한다.

상술한 본 발명에 따른 BLDC 모터의 제어 장치에 따르면, BLDC 모터의 구동 과정에서 멈춤(stuck) 현상이 발생하는 경우 테스트 신호를 통해 모터의 회전을 유도하여 멈춤 현상의 발생 원인을 찾고, 이를 해결할 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 제어 방법의 흐름도이다.

BLDC 모터 제어 장치는 모터에 마련된 적어도 하나의 홀 센서(100)로부터 홀 신호를 수신하고, 수신한 홀 신호에 기반하여 모터의 회전을 제어한다. 앞서 설명한 바와 같이, 3개의 홀 센서가 원주 방향으로 일정한 각도만큼 이격되어 BLDC 모터의 고정자 측에 배열될 수 있다.

BLDC 모터 제어 장치는 모터의 구동 제어 중 홀 신호의 입력 패턴에 따라 모터의 회전이 멈춘 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참고할 때, 모터가 DIR=1 방향으로 회전 시 순차적으로 100, 110, 010, 011, 001, 101, 100, … 이 수신되는 것이 아닌, 100, 110, 010, 001이 수신되는 경우 , 모터의 회전이 정지될 수 있다. 이와 같은, 모터의 회전이 멈춤 상태가 되는 원인은 기구적인 결함에 의한 마찰력 발생 또는 전기적 결함으로 인한 구동 신호의 오류 등으로 인해 모터가 회전할 수 없거나, 모터의 회전자는 한 방향으로 최대 회전할 수 있는 회전수에 임계값이 있는데 이 임계값에 도달한 경우 더 이상 동일한 방향으로 회전할 수 없으며, 일시적인 홀 센서의 이상으로 실제 회전 위치와 다른 값을 출력할 수 있다.

BLDC 모터 제어 장치는 모터의 현재 회전 위치에서 정방향 및 역방향으로 소정 각도만큼 회전하도록 하는 테스트 신호를 출력한다. 예를 들어, 홀 신호가 100, 110, 010, 001가 출력된 상태에서 멈춤 현상이 발생하는 경우, 001의 정역방향의 다음인 110, 101을 각각 주기적으로 출력할 수 있다.

테스트 신호의 출력 이후, 모터가 다시 정상적으로 회전하는 경우, BLDC 모터 제어 장치는 홀 센서의 일시적인 이상 또는 모터의 회전이 정방향으로 회전 가능한 임계에 도달한 것으로 판단하여, 다시 종래와 같이 정상 제어를 수행한다.

이와 달리, 테스트 신호를 출력한 지 소정 시간이 경과한 후에도 모터의 멈춤 상태가 해제되지 않고, 홀 신호를 통해 계속해서 멈춤 상태의 동일한 신호가 입력되는 경우, BLDC 모터 제어 장치는 모터 자체에 기구적 또는 전기적 결함이 발생한 것으로 판단하여 모터의 동작을 정지하도록 제어한다.

상술한 본 발명에 따른 BLDC 모터의 제어 방법에 따르면, BLDC 모터의 구동 과정에서 멈춤(stuck) 현상이 발생하는 경우 테스트 신호를 통해 모터의 회전을 유도하여 멈춤 현상의 발생 원인을 찾고, 이를 해결할 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 제어 방법은, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100: 홀 센서 200: 모터 구동부
300: 모터 제어부

Claims (4)

1. BLDC 모터의 제어 장치에 있어서,
   모터의 위치를 센싱하여 홀 신호를 출력하는 적어도 하나의 홀 센서;
   상기 모터에 전류를 공급하여 상기 모터가 회전하도록 구동하는 모터 구동부; 및
   상기 홀 신호에 기초하여 상기 모터의 회전을 제어하고, 상기 홀 신호에 의해 상기 모터의 회전이 멈춘 것으로 판단되는 경우, 상기 모터의 현재 회전 위치에서 정방향 및 역방향으로 소정 각도만큼 회전하도록 하는 테스트 신호를 상기 모터 구동부에 출력하는 모터 제어부를 포함하고,
   상기 모터 제어부는,
   소정 시간동안 상기 테스트 신호를 출력한 이후에도 상기 모터의 회전이 멈춘 경우, 상기 모터에 오류가 발생한 것으로 판단하여, 상기 모터의 회전을 정지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, BLDC 모터의 제어 장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 모터 제어부는,
   상기 테스트 신호를 출력한 이후, 상기 모터가 회전하는 경우, 상기 테스트 신호의 출력을 중지하고, 정상적인 모터 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는, BLDC 모터의 제어 장치.
   
4. BLDC 모터의 제어 방법에 있어서,
   모터에 마련된 적어도 하나의 홀 센서로부터 홀 신호를 수신하는 단계;
   상기 홀 신호에 의해 상기 모터의 회전이 멈춘 것으로 판단하는 단계;
   상기 모터의 현재 회전 위치에서 정방향 및 역방향으로 소정 각도만큼 회전하도록 하는 테스트 신호를 출력하는 단계;
   상기 테스트 신호를 출력한 이후, 상기 모터가 회전하는 경우, 상기 테스트 신호의 출력을 중지하고 정상적인 모터 제어를 수행하는 단계; 및
   소정 시간동안 상기 테스트 신호를 출력한 이후에도 상기 모터의 회전이 멈춘 경우, 상기 모터에 오류가 발생한 것으로 판단하여, 상기 모터의 회전을 정지하도록 제어하는 단계를 포함하는, BLDC 모터의 제어 방법.
   

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