KR102378886B1 - Ｂｌｄｃ 모터의 구동제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LDC 모터에 구비된 홀 센서를 통한 회전자의 위치 감지와 더불어 통신을 통한 엔코더의 역기전력 감지를 통해 BLDC 모터의 부하량을 추정하고 회전자의 위치를 감지한 후 이를 기반으로 하여 BLDC 모터를 최적으로 제어할 수 있도록 한 BLDC 모터의 구동제어시스템에 관한 것으로,
BLDC 모터(50)의 회전자 위치를 검출하도록 BLDC 모터(50)에 구비되는 홀 센서(60); BLDC 모터(50)에 구비되어 회전자의 회전수를 계측함과 아울러 역기전력을 감지하는 엔코더(70); BLDC 모터(50)의 작동을 제어하되, 홀 센서(60)에 의한 BLDC 모터(50)의 회전자 위치 신호와 엔코더(70)에 의해 감지되는 BLDC 모터(50)의 역기전력에 따라 BLDC 모터(50)의 작동을 제어하는 구동제어부(10);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＢＬＤＣ 모터의 구동제어시스템{Drive Control System for Brushless Direct Current Motor}

본 발명은 BLDC 모터의 구동제어시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LDC 모터에 구비된 홀 센서를 통한 회전자의 위치 감지와 더불어 통신을 통한 엔코더의 역기전력 감지를 통해 BLDC 모터의 부하량을 추정하고 회전자의 위치를 감지한 후 이를 기반으로 하여 BLDC 모터를 최적으로 제어할 수 있도록 한 BLDC 모터의 구동제어시스템에 관한 것이다.

BLDC 모터(Brushless Direct Current motor)는 직류전동기와 비슷한 출력 특성을 가진 동기전동기의 일종으로, 브러시가 사용되지 않는 점에서 일반 동기전동기와 구별되고 있다,

통상적으로, DC 모터는 도선이 자기장 안에 있을 때 받는 힘인 전자기력에 의해 토크를 얻게 되는데, 브러시(brush)라는 부분이 도선과 닿는 부분이 수시로 바뀌며 돌기 때문에 회전방향이 유지되며 빠른 속도로 돌아갈 수 있다. 이때 가만히 있는 부분을 고정자(stator), 돌고 있는 부분을 회전자(rotor)라 한다. 그러나 DC 모터의 브러시는 항상 맞닿은 채로 돌아가기 때문에 마모되기 쉽고, 경우에 따라 스파크의 원인이 되기도 한다. 또한 모터의 종류에 따라 하드웨어적 성능이 다르기 때문에 정밀하게 속도를 제어하기 매우 어렵다는 단점이 있다.

이에 따라, 브러시를 생략하여 도선이 맞닿아있지 않아도 토크를 만들어낼 수 있으면서, 소프트웨어를 이용하여 더욱 쉽고 편하게 제어할 수 있는 BLDC 모터가 개발된 바 있다. 이러한 BLDC 모터에서는 구동 제어를 위한 회전자의 위치 검출이 필수적으로 요구되는데, 회전자 위치 검출을 위해서는 자속의 세기를 검출하는 복수의 홀 센서를 이용하는 방법이나 고정자에 유기되는 역기전력을 이용하는 방법이 사용되고 있다.

복수의 홀 센서를 이용하는 방법은, 3개의 래치형 홀 센서를 120도 간격으로 설치하고 각각의 래치형 홀 센서에서 출력되는 하이 또는 로우 신호를 이용하여 회전자의 위치를 검출하거나, 2개의 리니어 홀 센서를 90도 간격으로 설치하고 각각의 리니어 홀 센서로부터 출력되는 사인 파형 및 코사인 파형을 이용하여 회전자의 위치를 검출하게 된다.

하지만, 이 경우에는 기구적인 오차나 조립 상의 오차 등으로 인하여 홀 센서들이 이상적인 전기각 간격으로 설치되지 못해 회전자의 위치에 대한 정보에도 오차가 발생할 수 있고, 이로 인해 인버터의 전류 및 토크 리플이 증가하고, 진동과 소음이 발생하여 모터의 구동이 불가능한 상황이 발생될 수도 있으며, 2 내지 3개의 홀 센서가 필수적으로 사용되기 때문에 비용이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 고정자의 역기전력을 이용하는 방법은 별도의 홀 센서를 설치하지 않고 고정자의 역기전력을 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 방법으로, 비도통 구간에서의 상전압을 센싱하여 제로 크로싱 지점을 검출하고 검출된 제로 크로싱 지점을 기초로 회전자의 위치를 검출하게 된다.

하지만, 이 경우에는 BLDC 모터의 속도가 낮을 경우 역기전력의 크기가 매우 낮아지면서 역기전력 크로싱 지점을 판별하지 못하는 상황이 발생하게 되어 저속 구동에 어려움이 발생하고, 초기 구동 알고리즘과 역기전력 제로 크로싱 검출 판별 알고리즘이 별도로 필요하기 때문에 알고리즘 복잡도가 증가하는 문제점이 있다.

한편, 본 발명과 관련한 선행기술을 조사한 결과 BLDC 모터와 관련한 다수의 특허문헌이 검색되었으며, 그 중에서 본 발명과 밀접한 선행기술을 소개하면 다음과 같다.

특허문헌 1은, BLDC(Brushless DC) 모터에 최초로 구동 명령(ignition on)이 입력되는 최초 구동 입력 단계, 상기 BLDC 모터의 회전자를 기설정된 특정 위치로 강제 정렬하는 제 1 위치 정렬 단계, 강제 정렬한 BLDC 모터의 회전자를 일정속도까지 가속시켜, 강제 구동하는 강제 구동 단계, 상기 BLDC 모터의 피드백 제어를 수행하는 피드백 제어 단계, 상기 BLDC 모터로 정지 명령(ignition off)이 입력되는 구동 정지 단계 및 상기 BLDC 모터의 회전자를 상기 기설정된 특정 위치로 다시 한번 강제 정렬하는 제 2 위치 정렬 단계로 이루어지는 BLDC 모터의 구동 제어 방법을 개시하고 있다.

특허문헌 2는, BLDC 모터의 회전자 위치에 대응하는 신호를 출력하는 위치 센서부와, 위치 센서부로부터 출력되는 신호에 따라 BLDC 모터의 회전을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하여 인버터부에 출력하는 모터 제어부 및 PWM 신호에 따라 스위칭되어 BLDC 모터를 구동하는 인버터부를 포함하고, 위치 센서부는 하나의 홀 센서로 구비함으로써, 하나의 홀 센서만으로 회전자의 위치를 검출하고 BLDC 모터를 제어하는 BLDC 모터 제어시스템 및 그 제어방법을 개시하고 있다.

KR 10-2017-0035082 A KR 10-2020-0082358 A

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, BLDC 모터에 구비된 홀 센서를 통한 회전자의 위치 감지와 더불어 통신을 통한 엔코더의 역기전력 감지를 통해 BLDC 모터의 부하량을 추정하고 회전자의 위치를 감지한 후 이를 기반으로 하여 BLDC 모터를 최적으로 제어할 수 있도록 한 BLDC 모터의 구동제어시스템에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, BLDC 모터의 회전자 위치를 검출하도록 BLDC 모터에 구비되는 홀 센서; BLDC 모터에 구비되어 회전자의 회전수를 계측함과 아울러 역기전력을 감지하는 엔코더; BLDC 모터의 작동을 제어하되, 홀 센서에 의한 BLDC 모터의 회전자 위치 신호와 엔코더에 의해 감지되는 BLDC 모터의 역기전력에 따라 BLDC 모터의 작동을 제어하는 구동제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 BLDC 모터의 구동제어시스템에 따르면, 상기 구동제어부는 시스템 전체를 제어하기 위한 MCU로 이루어진 주제어부와, BLDC 모터의 제어 정보와 파라미터가 저장되도록 EEPROM으로 이루어진 저장부, BLDC 모터에 대한 제어신호를 발생하는 게이트드라이버 모듈과, MOSFETs으로 이루어지며 BLDC 모터에 6채널로 연결되어 게이트드라이버 모듈의 제어신호를 BLDC 모터에 전달하는 스위칭부 및 전원공급을 위한 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 BLDC 모터의 구동제어시스템에 따르면, 상기 구동제어부는 주제어부에 BLDC 모터의 제어 정보를 입력하고 BLDC 모터와 관련한 신호를 출력하는 입출력부와, 주제어부와 다른 장치와의 통신을 위한 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 BLDC 모터의 구동제어시스템에 따르면, 상기 입출력부는 아날로그 제어 신호가 입력되는 아날로그 입력부와, 디지털 제어 신호가 입력되는 디지털 입력부 및 BLDC 모터의 작동정보가 출력되는 출력부를 포함하고, 상기 통신부는 RS232 통신 또는 RS485 통신을 위한 제1통신부와 CAN 통신 또는 USB 통신을 위한 제2통신부 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 BLDC 모터의 구동제어시스템에 따르면, 상기 전원부는 입력전압이 12VDC~24VDC이고, 입력전류가 10Arms인 400W급으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 BLDC 모터의 구동제어시스템은 구동제어부에서 홀 센서에 의한 BLDC 모터의 회전자 위치 신호와 엔코더에 의해 감지되는 BLDC 모터의 역기전력에 따라 BLDC 모터의 작동을 제어함에 따라 BLDC 모터를 최적으로 제어되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 본 발명의 BLDC 모터의 구동제어시스템에 따르면, 저장부에 저장된 제어신호에 따라 BLDC 모터의 자동제어가 가능하고 6채널의 스위칭부를 통해 BLDC 모터의 정밀제어가 가능하게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 본 발명의 BLDC 모터의 구동제어시스템에 따르면, 구동제어부의 통신부를 통해 외부에서 BLDC 모터를 제어할 수 있고, 구동제어부의 입출력부를 통해 BLDC 모터에 대한 모니터링이 가능하게 되는 효과가 있다.

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도 1은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 구동제어시스템을 개략적으로 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 구동제어시스템의 모식도.
도 3은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 구동제어시스템의 회로 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 BLDC 모터의 구동제어시스템에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 발명의 기술적 사항에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.

아울러, 본 발명의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예이다.

그리고, 아래 실시예에서의 선택적인 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

이에, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한, 도 1은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 구동제어시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 구동제어시스템의 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 구동제어시스템의 회로 구성도이다.

본 발명에 따른 BLDC 모터의 구동제어시스템은 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, BLDC 모터(50)의 회전자 위치를 검출하도록 BLDC 모터(50)에 구비되는 홀 센서(60)와, BLDC 모터(50)에 구비되어 회전자의 회전수를 계측함과 아울러 역기전력을 감지하는 엔코더(70)와, BLDC 모터(50)의 작동을 제어하되, 홀 센서(60)에 의한 BLDC 모터(50)의 회전자 위치 신호와 FOC(Field Oriented Control) 방식으로 제어되는 엔코더(70)에 의해 감지된 BLDC 모터(50)의 역기전력에 따라 BLDC 모터(50)의 작동을 제어하는 구동제어부(10);를 포함하여 이루어진다.

이와 같이, 상기 구동제어부(10)가 홀 센서(60)를 이용하여 BLDC 모터(50)의 회전자 위치를 감지함과 아울러 엔코더(70)에 의해 감지된 BLDC 모터(50)의 역기전력를 통해 BLDC 모터(50)에 작용하는 부하를 감지하여 BLDC 모터(50)를 제어함에 따라 BLDC 모터(50)를 최적으로 제어할 수 있게 된다. 따라서, BLDC 모터(50)는 홀 센서(60)와 엔코더(70) 중 하나 또는 둘 모두에서 신호가 입력되는 경우에만 작동된다.

상기 구동제어부(10)는 시스템 전체를 제어하기 위한 MCU로 이루어진 주제어부(15)와, BLDC 모터(50)의 제어 정보와 파라미터가 저장되도록 EEPROM으로 이루어진 저장부(16), BLDC 모터(50)에 대한 제어신호를 발생하는 게이트드라이버 모듈(17)과, MOSFETs으로 이루어지며 BLDC 모터(50)에 6채널로 연결되어 게이트드라이버 모듈(17)의 제어신호를 BLDC 모터(50)에 전달하는 스위칭부(18)와, 전원공급을 위한 전원부(11)와, 주제어부(15)에 BLDC 모터(50)의 제어 정보를 입력하고 BLDC 모터(50)와 관련한 신호를 출력하는 입출력부(12) 및 주제어부(15)와 다른 장치와의 통신을 위한 통신부(13)를 포함하여 이루어진다.

이에 따라, 저장부(16)에 저장된 제어 정보에 따라 게이트드라이버 모듈(17)이 BLDC 모터(50)를 제어하게 되어 BLDC 모터(50)에 대한 자동제어가 가능하게 된다. 그리고, BLDC 모터(50)에 6채널로 연결된 스위칭부(18)를 이용하여 BLDC 모터(50)를 정밀하게 제어할 수 있게 된다. 즉, 홀 센서(60)의 신호에 따라 BLDC 모터(50)를 6 스텝으로 정밀하게 제어할 수 있게 되는 것이다.

또한, 입출력부(12)를 통해 각종 제어 신호를 입력하고 BLDC 모터(50)의 신호를 출력함으로써 BLDC 모터(50)에 대한 외부 모니터링이 가능하게 됨은 물론 통신부(13)를 통해 외부에서 BLDC 모터(50)를 제어할 수 있게 된다.

여기서, 상기 전원부(11)는 입력전압이 12VDC~24VDC이고, 입력전류가 10Arms가 되도록 함으로써, 400W급 모터 드라이버를 구성할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 그리고, 산업용 인터페이스를 구성하는 상기 입출력부(12)는 아날로그 제어 신호가 입력되는 아날로그 입력부(AI)와 디지털 제어 신호가 입력되는 디지털 입력부(DI)를 포함하는 3개의 입력부와, BLDC 모터(50)의 작동정보가 출력되는 3개의 출력부(O)를 포함한다. 이때, 출력부(O)는 오픈 콜렉터(Open Collector) 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 산업용 인터페이스를 구성하는 상기 통신부(13)는 RS232 통신 또는 RS485 통신을 위한 직렬 연결용의 제1통신부(RS)와, 다른 장치와의 CAN 통신이나 USB 통신을 위한 제2통신부(USB) 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 BLDC 모터의 구동제어시스템은 BLDC 모터에 구비된 홀 센서를 이용하여 회전자의 위치를 감지함과 아울러 엔코더를 통해 BLDC 모터의 역기전력을 감지하여 BLDC 모터의 부하량을 추정함으로써 BLDC 모터를 최적으로 제어하게 된다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시 예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 발명의 설명에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10...구동제어부
11...전원부
12...입출력부
13...통신부
15...MCU
16...저장부(EEPROM)
17...게이트드라이버(Gate Driver) 모듈
18...스위칭부(MOSFETs)
50...BLDC 모터
60...홀 센서
70...엔코더

Claims (5)

1. BLDC 모터(50)의 회전자 위치를 검출하도록 BLDC 모터(50)에 구비되는 홀 센서(60);
   BLDC 모터(50)에 구비되어 회전자의 회전수를 계측함과 아울러 역기전력을 감지하고 FOC(Field Oriented Control) 방식으로 제어되는 엔코더(70);
   BLDC 모터(50)의 작동을 제어하되, 홀 센서(60)에 의한 BLDC 모터(50)의 회전자 위치 신호와 엔코더(70)에 의해 감지되는 BLDC 모터(50)의 역기전력에 따라 BLDC 모터(50)의 작동을 제어하는 구동제어부(10);를 포함하고,
   상기 구동제어부(10)는 시스템 전체를 제어하기 위한 MCU로 이루어진 주제어부(15)와, BLDC 모터(50)의 제어 정보와 파라미터가 저장되도록 EEPROM으로 이루어진 저장부(16)와, BLDC 모터(50)에 대한 제어신호를 발생하는 게이트드라이버 모듈(17)과, MOSFETs으로 이루어지며 BLDC 모터(50)에 6채널로 연결되어 게이트드라이버 모듈(17)의 제어신호를 BLDC 모터(50)에 전달하는 스위칭부(18)와, 아날로그 제어 신호가 입력되는 아날로그 입력부와 디지털 제어 신호가 입력되는 디지털 입력부 및 BLDC 모터(50)의 작동정보가 출력되는 오픈 콜렉터 방식의 출력부를 구비하여 주제어부(15)에 BLDC 모터(50)의 제어 정보를 입력하고 BLDC 모터(50)와 관련한 신호를 출력하는 입출력부(12)와, RS232 통신 또는 RS485 통신을 위한 제1통신부와 CAN 통신 또는 USB 통신을 위한 제2통신부 중 하나 이상을 포함하여 상기 주제어부(15)와 다른 장치 사이에 통신이 이루어지도록 하는 통신부(13) 및 전원공급을 위한 전원부(11)를 포함하며,
   BLDC 모터(50)를 6 스텝으로 제어하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 구동제어시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 전원부(11)는 입력전압이 12VDC~24VDC이고, 입력전류가 10Arms인 400W급으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 구동제어시스템.

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