KR20050082607A - Method for controlling speed of brushless dc motor using two hall sensors and pll - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법은, PM BLDC 전동기의 3상중 임의의 2상에만 홀센서를 설치하고, 그 홀센서의 검출신호를 이용하여 나머지 한 상에 대한 홀센서 신호를 별도로 마련한 홀센서 추정회로에 의해 추정하며, 상기 2개의 실제로 측정한 홀센서 신호와 한 개의 추정 홀센서 신호를 이용하여 전동기의 속도제어를 위한 엔코더를 대신하기 위해 별도로 마련한 디지털 로직 회로에 의해 회전자의 1회전당 6개의 펄스를 발생시키는 한편, 2개의 홀센서를 사용함에 따른 낮은 분해능의 문제를 보상하기 위해 별도로 마련된 PLL에 의해 상기 디지털 로직 회로로부터의 펄스에 대응하여 디지털 로직 회로에서 발생되는 펄스에 비해 상대적으로 더욱 조밀한 간격의 펄스를 발생하여, 그 발생된 펄스를 상기 전동기 구동 시스템의 속도제어부에 제공함으로써 최종적으로 PM BLDC 전동기의 속도를 제어한다.In the speed control method of a brushless DC motor using two Hall sensors and a PLL according to the present invention, a Hall sensor is installed only in an arbitrary two phases among three phases of a PM BLDC motor, and the remaining signal is detected using the detection signal of the Hall sensor. The Hall sensor signal for the phase is estimated by a separate Hall sensor estimation circuit, and is separately prepared to replace the encoder for speed control of the motor using the two actually measured Hall sensor signals and one estimated Hall sensor signal. In response to the pulses from the digital logic circuit by means of a separate PLL to generate six pulses per revolution of the rotor by the digital logic circuit, while compensating for the problem of low resolution caused by the use of two Hall sensors. Generate pulses at a denser interval than the pulses generated in the digital logic circuit, and recall the generated pulses. The speed control unit of the motor drive system finally controls the speed of the PM BLDC motor.
이와 같은 본 발명에 의하면, 2개의 실측 홀센서 신호와 한 개의 추정 홀센서 신호를 이용하여 6개의 펄스를 발생시키고, 다시 6개의 펄스 각각에 대하여 23개의 펄스를 발생시켜 총 138개의 펄스를 이용하여 전동기의 속도 제어에 활용하므로, 고가의 엔코더와 레졸버 없이도 정밀한 속도 제어가 가능하며, 궁극적으로 전체적인 전동기 구동 시스템의 제작비용을 대폭 감축시킬 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, six pulses are generated using two measured Hall sensor signals and one estimated Hall sensor signal, and 23 pulses are generated for each of the six pulses, using a total of 138 pulses. It can be used to control the speed of the motor, so it is possible to precisely control the speed without expensive encoders and resolvers, and ultimately reduce the manufacturing cost of the overall motor drive system.
Description
본 발명은 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 PM BLDC 전동기의 속도제어를 수행함에 있어서 별도의 속도 센서 없이 위치 검출 센서인 홀센서(Hall-ICs) 2개를 이용하여 회전자의 위치를 판별함과 함께 속도 센서 대신에 사용하며, 2개의 홀센서의 사용에 따른 낮은 분해능의 문제점을 PLL(Phase Locked Loop)을 이용하여 보상해 줌으로써 보다 정밀한 속도제어가 가능한 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 관한 것이다. The present invention relates to a speed control method of a brushless DC motor, and more particularly, to performing speed control of a PM BLDC motor by using two Hall sensors (Hall-ICs) which are position detection sensors without a separate speed sensor. It is used instead of the speed sensor to determine the position of the rotor, and compensates the problem of low resolution caused by the use of two Hall sensors by using PLL (Phase Locked Loop). The present invention relates to a speed control method of a brushless DC motor using a sensor and a PLL.
최근 각종 산업기기 및 자동화기기에는 회전자가 영구자석으로 구성된 브러시리스 전동기(이하 PM BLDC 전동기라 칭함)의 사용이 증가하고 있는 추세이다. 이러한 PM BLDC 전동기는 직류전동기의 계자와 전기자를 제거한 형태로서 무브러시로 인한 견고성, 저소음, 무보수성, 긴 수명 및 회전자 손실이 없고 제어가 간단하며 운전 영역이 매우 넓다는 장점을 가지고 있다. Recently, the use of brushless electric motors (hereinafter referred to as PM BLDC electric motors) in which rotors are composed of permanent magnets is increasing in various industrial devices and automation devices. The PM BLDC motor removes the field and armature of the DC motor, and has the advantages of robustness, low noise, no maintenance, long service life, no rotor loss, simple control, and a wide operating range.
한편, 이상과 같은 PM BLDC 전동기의 속도를 제어하는 방법은 속도 센서를 이용하는 방법과 속도 센서를 이용하지 않는 센서리스 방법으로 나눌 수 있다. On the other hand, the method of controlling the speed of the PM BLDC motor as described above can be divided into a method using a speed sensor and a sensorless method without using a speed sensor.
속도 센서를 이용하는 방법의 경우는 회전자의 위치를 검출하기 위해 자기 센서 혹은 광센서를 사용하며, 속도를 검출하기 위해 엔코더와 레졸버 등의 속도 센서가 필요하다. 그러나, 엔코더와 레졸버의 경우 고가이고, 고속 회전시 측정이 어렵다는 점과 전동기 구동회로의 제조 단가 상승, 부피 증가 등의 문제가 있다.In the case of using a speed sensor, a magnetic sensor or an optical sensor is used to detect the position of the rotor, and a speed sensor such as an encoder and a resolver is required to detect the speed. However, the encoder and the resolver are expensive and difficult to measure at high speed, and the manufacturing cost of the motor driving circuit is increased, and the volume is increased.
속도 센서를 이용하지 않는 방법의 경우는 센서를 사용하지 않기 때문에 센서를 이용할 수 없는 곳에서도 사용이 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 센서리스 제어의 경우 제어 대상인 모터의 파라미터가 변경되면 동일한 알고리즘 적용이 어렵고, 복잡한 연산을 필요로 하기 때문에 고성능의 프로세서를 요구하는 단점이 있다. In the case of not using the speed sensor, since the sensor is not used, it can be used even where the sensor is not available. However, in the case of sensorless control, if the parameters of the motor to be controlled are changed, the same algorithm is difficult to apply, and complicated computations are required, which requires a high performance processor.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, PM BLDC 전동기의 속도제어를 수행함에 있어서 별도의 속도 센서 없이 위치 검출 센서인 홀센서 2개를 이용하여 회전자의 위치를 판별함과 함께 속도 센서 대신에 사용하며, 2개의 홀센서의 사용에 따른 낮은 분해능의 문제점을 PLL을 이용하여 보상해 줌으로써 보다 정밀한 속도제어가 가능한 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다. The present invention has been made in view of the above-mentioned matters. In performing the speed control of the PM BLDC motor, the position of the rotor is determined by using two Hall sensors, which are position detection sensors, without a separate speed sensor. It is used instead of sensor and compensates for the problem of low resolution by using two Hall sensors by using PLL to provide speed control method of brushless DC motor using two Hall sensors and PLL that can control speed more precisely. Has its purpose.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법은, In order to achieve the above object, a speed control method of a brushless DC motor using two Hall sensors and a PLL according to the present invention,
교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 바꾸고, 그 직류 전원을 인버터를 거쳐 PM BLDC 전동기로 공급하여 전동기를 구동하는 시스템에 있어서의 홀센서를 이용한 PM BLDC 전동기의 속도제어 방법에 있어서, In the speed control method of a PM BLDC motor using a Hall sensor in a system in which an AC power is supplied to the DC power supply, the DC power is supplied to a PM BLDC motor via an inverter, and the motor is driven.
상기 PM BLDC 전동기의 3상중 임의의 2상에만 홀센서를 설치하고, 그 홀센서의 검출신호를 이용하여 나머지 한 상에 대한 홀센서 신호를 별도로 마련한 홀센서 추정회로에 의해 추정하며, 상기 2개의 실제로 측정한 홀센서 신호와 한 개의 추정 홀센서 신호를 이용하여 전동기의 속도제어를 위한 엔코더를 대신하기 위해 별도로 마련한 디지털 로직 회로에 의해 회전자의 1회전당 6개의 펄스를 발생시키는 한편, 2개의 홀센서를 사용함에 따른 낮은 분해능의 문제를 보상하기 위해 별도로 마련된 PLL에 의해 상기 디지털 로직 회로로부터의 펄스에 대응하여 디지털 로직 회로에서 발생되는 펄스에 비해 상대적으로 더욱 조밀한 간격의 펄스를 발생하여, 그 발생된 펄스를 상기 전동기 구동 시스템의 속도제어부에 제공함으로써 최종적으로 PM BLDC 전동기의 속도를 제어하는 점에 그 특징이 있다. The Hall sensor is installed only in any two phases of the three phases of the PM BLDC motor, and is estimated by the Hall sensor estimation circuit which separately prepares the Hall sensor signal for the other phase by using the detection signal of the Hall sensor. By using the actually measured Hall sensor signal and one estimated Hall sensor signal, 6 pulses per revolution of the rotor are generated by a digital logic circuit separately prepared to replace the encoder for speed control of the motor. In order to compensate for the problem of low resolution due to the use of the Hall sensor, a separate PLL generates pulses with a denser interval than those generated in the digital logic circuit in response to the pulses from the digital logic circuit. By providing the generated pulse to the speed control unit of the motor drive system, the speed of the PM BLDC motor is finally achieved. Its features are in controlling it.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법을 구현하기 위해 채용되는 PM BLDC 전동기의 구동 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다. 1 is a view schematically showing a drive system of a PM BLDC motor employed to implement a speed control method of a brushless DC motor using two Hall sensors and a PLL according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법을 구현하기 위해 채용되는 PM BLDC 전동기의 구동 시스템은 교류 전원(101)을 공급받아 직류 전원으로 바꾸는 정류기(102)와, 정류기 (102)로부터 출력되는 직류 전원을 입력받아 PM BLDC 전동기(104)를 구동하기 위한 스위칭 전원을 출력하는 인버터(103)와, PM BLDC 전동기(104)의 3상중 임의의 2상에 설치되어 그 2상에 대한 PM BLDC 전동기(104)의 영구자석 회전자의 상대적인 위치를 검출하는 홀센서(105)와, 상기 인버터(103)를 거쳐 PM BLDC 전동기(104)로 공급되는 전류에 대한 히스테리시스(hysteresis) 전류제어를 수행하는 전류제어기 (106)와, 상기 인버터(103)의 반도체 스위칭 소자의 게이트 단자에 소자의 온/오프 구동을 위한 게이트 신호를 송출하는 게이트 드라이버(107)와, 상기 PM BLDC 전동기(104)의 3상중 임의의 2상에 설치된 홀센서(105)에 의해 검출된 2상에 대한 위치신호와 그 2개의 검출신호를 바탕으로 홀센서 추정 회로(도 4 참조)에 의해 추정된 나머지 한 상에 대한 홀센서 신호를 바탕으로 전동기의 속도제어를 위해 내부에 구성된 디지털 로직 회로(도 7 참조)에 의해 전동기의 회전자의 1회전당(홀센서 검출 펄스신호의 1 Cycle당) 60°의 간격으로 6개의 펄스를 발생시키는 EPLD(Erasable Programmable Logic Device)(108)와, 2개의 홀센서를 사용함에 따른 낮은 분해능의 문제를 보상하기 위해 상기 EPLD(108)로부터의 펄스에 대응하여 EPLD(108)에서 발생되는 펄스에 비해 상대적으로 더욱 조밀한 간격의 다수의 펄스를 발생하는(예컨대, EPLD(108)에서 발생되는 회전자 1회전당 6개의 펄스에 대하여 각 펄스당 23개의 펄스를 발생하여 총 138개의 펄스를 발생하는) PLL(109)과, PLL(109)로부터의 입력 펄스수를 카운팅하여 전동기의 실제 속도(ω)를 산출하는 카운터(110)와, PM BLDC 전동기(104)의 미리 주어진 기준속도(ωref)와 실제속도(ω)와의 오차에 대하여 비례적분 제어를 수행하는 비례적분 제어기(111)와, 비례적분 제어기(109)로부터의 출력신호(디지털 신호)를 아날로그 신호로 변환하는 한편 기준전류신호(Iref)를 출력하는 D/A(digital-to-analog) 컨버터(112)와, 상기 PM BLDC 전동기(104)에 대한 기준속도(ωref)를 제공하는 한편, PM BLDC 전동기(104)의 속도 제어와 관련된 각종 파라미터(parameter) 및 제어명령을 입력하는 컴퓨터 시스템(113)을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 비례적분 제어기(111)와 D/A 컨버터(112) 및 카운터(110)는 그와 같은 기능들을 내장하는 한 개의 마이크로프로세서(예를 들면, 80C196KC)로 대체될 수 있다.Referring to FIG. 1, a drive system of a PM BLDC motor, which is employed to implement a speed control method of a brushless DC motor using two Hall sensors and a PLL, according to the present invention, receives an AC power source 101 to supply a DC power source. Any of three phases of the switching rectifier 102, the inverter 103 which receives the DC power output from the rectifier 102, and outputs switching power for driving the PM BLDC motor 104, and the PM BLDC motor 104. Mounted on two phases of the PM BLDC motor 104 and detecting the relative position of the permanent magnet rotor of the PM BLDC motor 104, and supplied to the PM BLDC motor 104 via the inverter 103. A current controller 106 that performs hysteresis current control with respect to the current, and a gate driver 1 that transmits a gate signal for driving on / off of the device to a gate terminal of the semiconductor switching device of the inverter 103. 07) and a Hall sensor estimation circuit based on the position signals for the two phases detected by the Hall sensors 105 installed in any two phases of the three phases of the PM BLDC motor 104 and the two detection signals (Fig. Per one revolution of the rotor of the motor (Hall sensor detection pulse) by a digital logic circuit (see Fig. 7) configured internally for speed control of the motor based on the Hall sensor signal for the remaining phase estimated by Erasable Programmable Logic Device (EPLD) 108 for generating six pulses at 60 ° intervals per one cycle of the signal, and EPLD 108 to compensate for the problem of low resolution due to the use of two Hall sensors. Each pulse for each six revolutions of the rotor generated in EPLD 108 generates a number of pulses that are more closely spaced than pulses generated in EPLD 108 in response to pulses from Generates 23 pulses per pulse, totaling 13 PLL 109 which generates eight pulses, a counter 110 which counts the number of input pulses from PLL 109 to calculate the actual speed ω of the motor, and a given given of PM BLDC motor 104 A proportional integral controller 111 which performs proportional integral control on the error between the reference speed ω ref and the actual speed ω, and converts an output signal (digital signal) from the proportional integral controller 109 into an analog signal. On the other hand, a digital-to-analog (D / A) converter 112 for outputting a reference current signal I ref and a reference speed ω ref for the PM BLDC motor 104 are provided. Computer system 113 for inputting various parameters and control commands related to speed control of 104. Here, the proportional integral controller 111, the D / A converter 112, and the counter 110 may be replaced with one microprocessor (for example, 80C196KC) incorporating such functions.
그러면, 이상과 같은 PM BLDC 전동기의 구동 시스템을 바탕으로 본 발명의 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 대하여 설명해 보기로 한다. Then, the speed control method of the brushless DC motor using the two Hall sensors and the PLL of the present invention based on the drive system of the PM BLDC motor as described above will be described.
도 2는 본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 있어서, 2상의 홀센서 신호를 가지고 나머지 한 상의 신호를 추정하는 알고리즘을 도식적으로 보여주는 도면이다.FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an algorithm for estimating a signal of one phase with a hall sensor signal of two phases in a speed control method of a brushless DC motor using two Hall sensors and a PLL according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, PM BLDC 전동기(104)의 3상(예컨대, A,B,C 3상)중 임의의 2상(예를 들면, A,B상)에 홀센서(105)를 설치하고, 그 2개의 홀센서(105)에 의해 PM BLDC 전동기(104) 내의 영구자석 회전자에 대한 상대적인 위치 검출신호 (HA,HB)를 얻고, 그것을 이용하여 나머지 한 상(C상)에 대한 위치신호(HC)를 추정하는 것이다.As shown in FIG. 2, the Hall sensor 105 is placed on any two phases (eg, A and B phases) of three phases (eg, A, B, and C three phases) of the PM BLDC motor 104. The position detection signals (H A , H B ) relative to the permanent magnet rotor in the PM BLDC motor 104 are obtained by the two Hall sensors 105, and the remaining one phase (C phase) is used by the two Hall sensors 105. Estimate the position signal H C with respect to.
일반적으로 PM BLDC 전동기의 경우 각 상의 위치 판별을 위해 통상 각 상에 대해(3상의 경우, 3상 모두에 대해) 홀센서를 갖는다. 그러나, 본 발명의 경우에는 전술한 바와 같이 2개의 홀센서를 이용하여 나머지 한 상에 대한 위치신호를 추정하게 되며, 이를 위해 홀센서 신호 추정회로가 도입된다.In general, PM BLDC motors usually have a Hall sensor for each phase (for all three phases, for all three phases) for position determination. However, in the case of the present invention, as described above, two Hall sensors are used to estimate the position signals for the other phase, and for this purpose, a Hall sensor signal estimation circuit is introduced.
적분회로는 주파수 측면에서 볼 때, 주파수가 2배로 될 때마다 이득은 1/2이 되는 특성이 있고, 위상 측면에서는 입력에 대하여 -90°의 지연이 생긴다. 이와 같은 적분회로는 톱니파 또는 삼각파를 만드는 경우와 타이머에 응용될 경우 및 미분형 센서의 출력을 실제의 변위값으로 변환하는 회로 등에 많이 활용되고 있다.In terms of frequency, the integrating circuit has a characteristic that the gain is 1/2 for every frequency doubled, and there is a -90 ° delay with respect to the input in terms of phase. Such integrated circuits are widely used for making sawtooth waves or triangle waves, for applications to timers, and circuits for converting outputs of differential sensors to actual displacement values.
도 3은 일반적인 적분회로를 나타낸다. 이 적분회로에 있어서 입력전류 i1 와 피드백 전류 if는 같으며(i1 = if), 이를 이용하여 적분회로를 해석한다. 적분 동작은 콘덴서 C의 충전특성을 이용하는데, 전류 i가 콘덴서 C에 흐르면, C에 충전되는 전압 V는 다음의 수식으로 나타낼 수 있다.3 shows a general integrating circuit. In this integrated circuit, the input current i 1 and the feedback current i f are the same (i 1 = i f ), and the integrated circuit is analyzed using this. The integration operation uses the charging characteristic of the capacitor C. When the current i flows through the capacitor C, the voltage V charged to the C can be expressed by the following equation.
도 3에서 입력전압 V1에 의해 흐르는 입력전류 i1 은 A점이 가상의 접지 (imaginary earth)인 개념을 이용하면 다음의 수식으로 표현할 수 있다.In FIG. 3, the input current i 1 flowing by the input voltage V 1 can be expressed by the following equation using the concept that A point is an imaginary earth.
그리고, 피드백 전류 if에 의해 콘덴서 C에 충전되는 전압은 상기 수학식 1 및 2와 A점이 가상의 접지인 개념을 이용하면 다음의 수식으로 표현할 수 있다.The voltage charged in the capacitor C by the feedback current i f can be expressed by the following equation using the concept of Equations 1, 2, and A being a virtual ground.
적분회로의 출력전압 VO는 상기 수학식 3에서 보듯이 콘덴서 C에 관계되며, 이 C는 용량성 리액턴스를 정의한 다음의 수학식 4에서 알 수 있듯이 주파수에 영향을 받는다. 따라서, 적분회로는 입력주파수 fi의 범위를 고려해야 하는데, 이의 기준이 되는 주파수를 적분 동작 한계주파수 fC라 한다.The output voltage V O of the integrating circuit is related to the capacitor C as shown in Equation 3, which is influenced by the frequency as shown in Equation 4 below defining the capacitive reactance. Therefore, the integrating circuit must consider the range of the input frequency f i , and the reference frequency thereof is referred to as the integral operating limit frequency f C.
여기서, 회로설계시 주의 사항으로는 낮은 주파수일 때의 이득을 제한하지 않으면, 직류 오프셋 전압이 작아져도 연산 증폭기가 포화상태로 들어가 버린다. 또한, 입력 전압 V1의 주파수 f가 fC(=1/2πRSC)보다 작으면, 이 회로의 동작은 단순한 반전 증폭회로가 되며 VO/Vi = -RS/R1 가 된다. fC ＜ f 일 때는 적분 동작이 되며, f ＜ fC 일 때는 반전 증폭기로 동작하게 된다. Here, as a precaution in circuit design, if the gain at the low frequency is not limited, the operational amplifier enters the saturation state even when the DC offset voltage becomes small. Further, if the frequency f of the input voltage V 1 is smaller than f C (= 1 / 2πR S C), the operation of this circuit becomes a simple inverting amplifier circuit and V O / V i = -R S / R 1 . When f C <f, integral operation is performed, f When <f C , it operates as an inverting amplifier.
도 4는 상기 도 3의 실용 적분회로와 영점 검출회로를 포함한 본 발명의 방법에 도입되는 홀센서 신호 추정회로를 보여주는 도면이다.4 is a diagram illustrating a Hall sensor signal estimating circuit introduced in the method of the present invention including the practical integrating circuit and the zero point detecting circuit of FIG. 3.
도 4에 도시된 바와 같이, 홀센서 신호 추정회로는 상기 도 3의 실용 적분회로, 즉 연산증폭기와, 그 연산증폭기의 음(-)의 입력단자에 직렬로 접속된 저항(R1)과, 연산증폭기의 음(-)의 입력단자와 출력단자 사이의 궤환회로에 접속된 커패시터(C)로 이루어진 통상의 적분회로에 있어서, 상기 궤환회로의 커패시터(C)에 병렬로 또 다른 저항(R2)이 접속되고, 연산증폭기의 출력단에는 또 다른 제2연산증폭기의 음(-)의 입력단자가 접속되도록 구성되어, 상기 연산증폭기의 음(-)의 입력단자를 통해 홀센서에 의해 실제로 검출한 홀센서 신호(HA)를 입력받아 상기 제2연산증폭기의 출력단자를 통해 최종적으로 홀센서를 설치하지 않은 나머지 한 상에 대한 홀센서 추정신호(HC)를 출력한다. 즉, 실용 적분회로를 통해 출력된 삼각파와 영점 (ground)을 비교하여 영점 이상의 값에서 펄스가 발생되도록 함으로써 홀센서 신호(HC)를 추정하게 되는 것이다. 이상과 같은 홀센서 신호 추정회로는 상기 EPLD (108)(도 1 참조) 내에 마련될 수도 있고, 별개의 부품으로 마련되어 상기 도 1의 홀센서(105)와 EPLD(108) 사이에 설치될 수도 있다.As shown in FIG. 4, the Hall sensor signal estimating circuit includes a practical integrating circuit of FIG. 3, that is, an operational amplifier and a resistor R 1 connected in series to a negative input terminal of the operational amplifier, In a conventional integrating circuit consisting of a capacitor (C) connected to a feedback circuit between a negative (−) input terminal and an output terminal of an operational amplifier, another resistor (R 2 ) in parallel to the capacitor (C) of the feedback circuit is provided. ) Is connected, and the output terminal of the operational amplifier is connected to the negative input terminal of another second operational amplifier, and actually detected by the Hall sensor through the negative input terminal of the operational amplifier. The hall sensor signal H A is input to output the hall sensor estimation signal H C for the other phase where the hall sensor is not finally installed through the output terminal of the second operational amplifier. That is, the Hall sensor signal H C is estimated by comparing the triangular wave output through the practical integrating circuit with the ground so that a pulse is generated at a value greater than or equal to zero. The Hall sensor signal estimation circuit as described above may be provided in the EPLD 108 (see FIG. 1), or may be provided as a separate component and installed between the Hall sensor 105 and the EPLD 108 of FIG. 1. .
도 5는 상기 도 4의 추정회로의 입력으로 사용된 홀센서 신호(HA)와, 그 홀센서 신호(HA)의 적분된 신호 및 최종적으로 출력되는 추정신호 HC를 보여주는 도면이다.FIG. 5 illustrates a Hall sensor signal H A used as an input of the estimation circuit of FIG. 4, an integrated signal of the Hall sensor signal H A , and an estimated signal H C finally outputted.
도 5에 도시된 바와 같이, 추정된 HC 신호도 실제로 홀센서에 의해 검출된 홀센서 신호(HA)처럼 구형파 형태를 취하고 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, it can be seen that the estimated H C signal actually takes the form of a square wave like the Hall sensor signal H A detected by the Hall sensor.
도 6은 본 발명의 방법 구현을 위해 채용되는 속도 판별 알고리즘을 도식적으로 보여주는 도면이다. Figure 6 is a schematic diagram illustrating a speed discrimination algorithm employed for implementing the method of the present invention.
일반적으로, 속도를 측정하기 위해서는 엔코더나 레졸버와 같은 속도 센서를 사용해야만 한다. 그러나, 본 발명의 방법에서는 위치 판별용 센서인 홀센서의 신호를 가지고 속도 센서를 대신할 수 있는 알고리즘을 도입한다. In general, to measure speed, you must use a speed sensor such as an encoder or resolver. However, the method of the present invention introduces an algorithm that can replace the speed sensor with the signal of the Hall sensor, which is a position determination sensor.
도 6에 도시된 바와 같이, 홀센서 신호는 120°의 위상차를 가지고 발생하며, 각 상은 서로 60°씩 교차하게 된다.As shown in FIG. 6, the Hall sensor signal is generated with a phase difference of 120 °, and each phase crosses each other by 60 °.
이와 같은 방법으로 EPLD(도 1 참조) 내에서 60°마다 펄스가 발생되도록 회로를 구현하여, 일반적인 엔코더에서 발생되는 A상과 B상의 펄스와 같은 역할을 할 수 있도록 펄스를 발생시켜 일종의 저분해능의 엔코더를 구성하게 되는 것이다.In this way, the circuit is implemented to generate a pulse every 60 ° in the EPLD (see FIG. 1), and generates a pulse to act as a pulse of phase A and phase B generated by a general encoder, thereby providing a kind of low resolution. The encoder is configured.
도 7은 EPLD 내부에 구성되어 있는 6 펄스 발생용 디지털 로직 회로의 구성을 보여주는 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing the configuration of a 6-pulse digital logic circuit constructed in an EPLD.
도 7을 참조하면, 이 디지털 로직 회로는 두 개의 홀센서 신호와 상기 도 4의 홀센서 신호 추정회로를 통해 추정된 나머지 한 개의 홀센서 신호(HC)를 입력으로 이용하여 디지털 소자와 플립플롭(flip-flop) 등을 이용하여 속도 판별의 기준이 되는 6 펄스를 발생시키게 된다.Referring to FIG. 7, the digital logic circuit uses two Hall sensor signals and the other Hall sensor signal H C estimated by the Hall sensor signal estimating circuit of FIG. (Flip-flop) is used to generate 6 pulses as the standard for speed discrimination.
도 8은 PLL의 기본회로를 보여주는 도면이다.8 is a diagram illustrating a basic circuit of a PLL.
도 8을 참조하면, PLL은 입력신호의 주파수 및 위상과 전압 제어 발진기의 발진 주파수 및 위상을 비교하여 그 비교에 의한 오차에 비례하는 직류 전압을 발생하는 위상비교기(801)와, 위상비교기(801)에 의해 출력되는 오차 전압 신호 내의 고조파를 필터링하는 한편 오차 전압을 증폭하는 저역필터(802)와, 소정 값의 주파수를 발생시키는 한편 저역필터(802)를 통해 출력되는 전압을 제어하는 VCO (Voltage Controlled Oscillator)(803)로 구성된다. Referring to FIG. 8, the PLL compares the frequency and phase of an input signal with an oscillation frequency and phase of a voltage controlled oscillator, and generates a phase comparator 801 and a phase comparator 801 which generates a DC voltage proportional to an error caused by the comparison. A low pass filter 802 for filtering the harmonics in the error voltage signal output by the amplification voltage and amplifying the error voltage, and a VCO (Voltage generating a frequency of a predetermined value and controlling the voltage output through the low pass filter 802). Controlled Oscillator) (803).
이상과 같은 구성의 PLL은 입력신호에 동기를 맞추고 잠금(Locked) 역할을 수행한다. 입력신호의 위상이 변하면 즉, 주파수가 변하면 VCO(803)의 주파수(fo)가 입력신호의 주파수(fi)와 동일하게 유지하도록 위상검출기(801)의 출력이 증가하거나 감소한다. 입력신호 주파수(fi)와 VCO(803)의 주파수(fo)가 다르면 두 신호 사이의 위상각 또한 다르다. 위상검출기(801)와 저역필터(802)의 출력은 두 신호의 위상차에 비례하고, 이 비례전압은 VCO(803)로 궤환되며, VCO(803)와 입력신호의 두 주파수가 같아질 때까지 VCO 주파수(fo)가 제어된다.The PLL configured as described above synchronizes with the input signal and performs a locked role. If the phase of the input signal changes, that is, the frequency changes, the output of the phase detector 801 increases or decreases so that the frequency f o of the VCO 803 remains the same as the frequency f i of the input signal. If the input signal frequency f i and the frequency f o of the VCO 803 are different, the phase angle between the two signals is also different. The outputs of the phase detector 801 and the low pass filter 802 are proportional to the phase difference of the two signals, and this proportional voltage is fed back to the VCO 803, until the two frequencies of the VCO 803 and the input signal are equal. The frequency f o is controlled.
위상검출기(801)에 인가된 입력신호(Vi)와 VCO 출력신호(VO)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.Is applied to the phase detector 801 the input signal (V i) and the VCO output signal (V O) is given by:
여기서, θi와 θo는 두 신호의 상대 위상각이고 두 신호를 곱하여, 합과 차의 주파수 출력인 vd는 다음의 수식과 같다.Here, θ i and θ o are the relative phase angles of the two signals and multiply the two signals so that the frequency output of the sum and the difference v d is given by
여기서, PLL이 잠겨지면 fi=fo, 2πfit = 2πfot 와 같이 같아지고 주파수 출력 vd는 다음과 같다.Here, when the PLL is locked, f i = f o , 2πf i t = 2πf o t, and the frequency output v d is
여기서, 두 번째 코사인 항은 제2고조파 항(2×2πfit)이고, 저역통과필터에 의해 필터링된다. 필터의 출력에서 제어전압은 다음의 식과 같이 표현된다.Here, the second cosine term is the second harmonic term (2 × 2πf i t), which is filtered by a low pass filter. The control voltage at the output of the filter is expressed by the following equation.
θe = θi - θo 일 때 θe 는 위상 에러(phase error)가 되며, 필터 출력전압은 입력신호와 VCO 신호 사이의 위상차에 비례하고, VCO의 제어전압으로서 사용된다.When θ e = θ i -θ o , θ e becomes a phase error, and the filter output voltage is proportional to the phase difference between the input signal and the VCO signal and used as the control voltage of the VCO.
일반적으로 속도를 측정하기 위해서는 엔코더나 레졸버와 같은 속도 센서를 사용해야만 한다. 그러나, 본 발명의 방법에서는 위치 판별용 센서인 홀센서를 2개 이용하고, 이를 사용할 경우 낮은 분해능의 문제점을 보상하기 위해 즉, 보다 정밀한 속도 제어를 수행하기 위해 회전자속도에 비례하는 펄스를 만드는 엔코더를 대치할 수 있는 PLL을 도입한다.In general, to measure speed, you must use a speed sensor such as an encoder or resolver. However, in the method of the present invention, two Hall sensors, which are position determination sensors, are used, and pulses proportional to the rotor speed are generated to compensate for the problem of low resolution, that is, to perform more precise speed control. Introduce a PLL to replace the encoder.
도 9는 2개의 실제 검출 홀센서 신호와 한 개의 추정 홀센서 신호를 바탕으로 한 회전자의 1회전당 6 펄스의 신호와, 그에 따라 PLL에서 발생되는 펄스의 구성을 보여주는 도면이다.FIG. 9 is a diagram showing the configuration of a signal of 6 pulses per revolution of a rotor based on two actual detection Hall sensor signals and one estimated Hall sensor signal, and thus the pulses generated in the PLL.
도 9를 참조하면, 홀센서의 신호는 120°의 위상차를 가지고 발생하며, 각 상은 서로 60°씩 교차하게 된다. 이와 같은 방법으로 EPLD(108)(도 1 참조) 내에는 60°마다 펄스가 발생되도록 회로가 구현되며, 여기서 발생되는 6개의 펄스가 PLL 회로에 입력되어 PLL 회로로부터 회전자의 1회전당 더욱 세분화된 다수의 펄스, 예를 들면 138개(6×23=138)의 펄스를 얻고, 이를 이용하여 전동기의 실제속도를 산출하게 되는 것이다.Referring to FIG. 9, the signal of the hall sensor is generated with a phase difference of 120 °, and each phase crosses each other by 60 °. In this way, a circuit is implemented in the EPLD 108 (see FIG. 1) such that a pulse is generated every 60 °, where six pulses are input to the PLL circuit to further refine the rotor per revolution from the PLL circuit. A plurality of pulses, for example, 138 (6 × 23 = 138) pulses are obtained, and the actual speed of the motor is calculated using the pulses.
도 10은 본 발명의 방법에 있어서, 정밀한 속도 제어를 위해 PLL을 이용하여 회전자의 위치신호를 발생시키는 메커니즘을 보여주는 도면이다.10 is a view showing a mechanism for generating a position signal of a rotor using a PLL in the method of the present invention for precise speed control.
도 10에 도시된 바와 같이, 회전자 위치신호 발생 메커니즘은 회전자 위치를 알 수 있는 홀센서의 신호(HA,HB)와 그 두 개의 홀센서 신호(HA,HB )를 이용하여 홀센서 신호 추정회로에 의해 얻은 추정신호 HC를 가지고 회전자가 1회전을 하였을 경우 6개의 펄스를 발생하는 EPLD 부분(210)과, 회전자 주파수의 변화에 비례하면서 출력신호의 주파수를 증가시키는 PLL 부분(211)으로 크게 구성된다. 여기서, 이 PLL 부분(211)으로는 루프 필터의 출력신호를 안정되게 하고 동기신호 발생 등의 부가적인 기능도 가지고 있는 PLL IC 4046B가 사용된다. 또한, 회전자 주파수에 비례하면서 출력주파수를 증가시킬 수 있게 하기 위해 BCD(binary code decimal) 스위치(212)와 프로그래머블 카운터(213)(IC 4522B)를 부가적으로 더 사용한다.As shown in FIG. 10, the rotor position signal generation mechanism uses signals of the Hall sensors H A and H B capable of knowing the rotor position and the two Hall sensor signals H A and H B. EPLD section 210 that generates six pulses when the rotor makes one revolution with the estimated signal H C obtained by the Hall sensor signal estimation circuit, and a PLL that increases the frequency of the output signal in proportion to the change in the rotor frequency. The portion 211 is largely composed. As the PLL portion 211, a PLL IC 4046B is used which stabilizes the output signal of the loop filter and also has additional functions such as synchronization signal generation. In addition, a binary code decimal (BCD) switch 212 and a programmable counter 213 (IC 4522B) are additionally used to increase the output frequency in proportion to the rotor frequency.
이상과 같은 구성에 의해 기존의 홀센서를 사용했을 경우의 낮은 분해능의 문제점 등을 해결하여 정밀속도를 요구하는 분야에 적용할 수 있고, 기존의 엔코더나 레졸버와 같은 속도센서를 대신할 수 있어 경제적으로도 이득을 보게 된다. With the above configuration, it can be applied to the field requiring precision speed by solving the problem of low resolution when using the existing Hall sensor, and can replace the speed sensor such as encoder or resolver. You will also benefit economically.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법은 2개의 홀센서에 의해 PM BLDC 전동기의 3상중 임의의 2상에 대하여 영구자석 로터의 위치에 대한 상대적인 위치신호를 얻고, 그 얻어진 2개의 검출신호를 바탕으로 나머지 한 상에 대한 위치신호를 추정하며, 그렇게 하여 얻어진 3상에 대한 홀센서 신호를 이용하여 6개의 펄스를 발생시키고, 다시 6개의 펄스 각각에 대하여 더욱 세분화된 다수의 펄스를 발생시켜 그 발생된 다수의 펄스를 이용하여 전동기의 속도를 산출하고, 그것과 주어진 기준속도를 비교하여 최종적으로 전동기의 속도를 제어하므로, 고가의 속도 센서인 엔코더와 레졸버 없이도 정밀한 속도 제어가 가능하며, 궁극적으로 전체적인 전동기 구동 시스템의 제작비용을 대폭 감축시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, the speed control method of the brushless DC motor using two Hall sensors and PLL according to the present invention is the position of the permanent magnet rotor with respect to any two phases of the three phases of the PM BLDC motor by the two Hall sensors Obtains the position signal relative to, and estimates the position signal for the other phase based on the two detected signals, and generates six pulses using the Hall sensor signal for the three phases thus obtained. It generates expensive pulses for each of the three pulses and calculates the speed of the motor using the generated multiple pulses, compares it with a given reference speed, and finally controls the speed of the motor. Precise speed control is possible without the need for sensors, encoders and resolvers, ultimately greatly reducing the overall manufacturing cost of the motor drive system. There is an advantage that can be reduced.
도 1은 본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법을 구현하기 위해 채용되는 PM BLDC 전동기의 구동 시스템을 개략적으로 보여주는 도면.1 is a view schematically showing a drive system of a PM BLDC motor employed to implement a speed control method of a brushless DC motor using two Hall sensors and a PLL according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 있어서, 2상의 홀센서 신호를 가지고 나머지 한 상의 신호를 추정하는 알고리즘을 도식적으로 보여주는 도면.2 is a diagram schematically illustrating an algorithm for estimating a signal of one phase with a hall sensor signal of two phases in a speed control method of a brushless DC motor using two Hall sensors and a PLL according to the present invention.
도 3은 일반적인 실용 적분회로의 구성을 보여주는 도면.3 is a view showing the configuration of a general practical integrating circuit.
도 4는 본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 채용되는 홀센서 신호 추정회로의 구성을 보여주는 도면.4 is a view showing the configuration of a Hall sensor signal estimation circuit employed in the speed control method of a brushless DC motor using two Hall sensors and a PLL according to the present invention.
도 5는 도 4의 추정회로의 입력으로 사용된 홀센서 신호(HA), 홀센서 신호 (HA)의 적분신호 및 최종적으로 출력되는 추정신호(HC)를 보여주는 도면.5 is a view showing an estimation signal (H C) that is integrated signal, and finally output of the Hall sensor signals (H A), the Hall sensor signal (H A) used as an input to the estimation circuit of Fig.
도 6은 본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법의 구현을 위해 채용되는 속도 판별 알고리즘을 도식적으로 보여주는 도면.6 is a diagram schematically illustrating a speed discrimination algorithm employed for implementing a speed control method of a brushless DC motor using two Hall sensors and a PLL according to the present invention.
도 7은 도 1의 PM BLDC 전동기의 구동 시스템에 있어서의 EPLD 내부에 구성되어 있는 6 펄스 발생용 디지털 로직 회로의 구성을 보여주는 도면.FIG. 7 is a diagram showing the configuration of a six-pulse digital logic circuit constructed inside an EPLD in the drive system of the PM BLDC motor of FIG. 1; FIG.
도 8은 본 발명에 따른 2개의 홀센서와 PLL을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 속도 제어방법에 채용되는 PLL의 기본회로를 보여주는 도면.8 is a diagram illustrating a basic circuit of a PLL employed in a speed control method of a brushless DC motor using two Hall sensors and a PLL according to the present invention.
도 9는 2개의 실측 홀센서 신호, 한 개의 추정 홀센서 신호를 바탕으로 한 회전자 1회전당 6 펄스의 신호와, 그에 따라 PLL에서 발생되는 펄스의 구성을 보여주는 도면.9 is a diagram showing the configuration of a signal of 6 pulses per revolution of the rotor based on two measured Hall sensor signals, one estimated Hall sensor signal, and thus the pulses generated in the PLL.
도 10은 본 발명의 방법에 있어서, 정밀한 속도 제어를 위해 PLL을 이용하여 회전자의 위치신호를 발생시키는 메커니즘을 보여주는 도면.10 shows a mechanism for generating a position signal of a rotor using a PLL for precise speed control in the method of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
101...교류 전원 102...정류기101 AC power supply 102 rectifier
103...인버터 104...PM BLDC 전동기103 ... Inverter 104 ... PM BLDC Motor
105...홀센서 106...전류제어기105 Hall sensor 106 Current controller
107...게이트 드라이버 108...EPLD107 ... gate driver 108 ... EPLD
109...PLL 110...카운터109 ... PLL 110 ... Counter
111...비례적분 제어기 112...D/A 컨버터111 ... Proportional integral controller 112 ... D / A converter
113...컴퓨터 시스템 113 ... Computer System
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