KR20070074855A - 하이브리드 전동기의 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 전동기의 제어 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

[목적 및 작용효과]
본 발명은 하이브리드 전동기의 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 회전자에 계자코일 대신 영구자석을 사용하고, 고정자에 권선을 다상 독립 병렬로 권선하고, 회전자 측에 정류형 엔코더를 고정하여 회동되게 하며, 이에 센서부를 부설하여 구동회로부에 연결시킴으로써, 전동기가 원활히 기동 및 회전하도록 하며, 또한 구성을 간단하게 하여 생산원가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
[구성]
본 발명에 의한 하이브리드 전동기의 제어 장치는, 고정차 측에 권선을 다상 독립 병렬로 권선하고, 전동기의 회전자에 설치되며 상기 전동기의 회전자의 극을 알기 위해 센서부와 연동하여 동작하는 엔코더부; 상기 엔코더부에 의해 상기 전동기의 회전자의 극을 감지한 센서 신호를 출력하는 센서부; 상기 전동기를 구동하기 위한 속도 지령치 신호를 발생하는 속도 입력부; 상기 전동기를 구동하는 구동신호를 발생하는 파워 스위칭 회로부; 상기 속도 지령치 신호와 상기 센서 신호를 입력하여 상기 센서 신호에 동기화된 속도 지령치 신호를 상기 전동기의 구동신호로 출력하는 드라이브 모듈부; 상기 파워 스위칭 회로부로 직류 전원을 인가하는 전원부; 및 상기 전원부로부터 수신한 직류 전원을 로직 전원으로 변환하여 상기 드라이브 모듈부로 인가하는 로직 전원부;를 포함하며, 상기 전동기가 n상으로 구성될 경우 상기 파워 스위칭 회로부와 상기 드라이브 모듈부를 n상의 갯수로 구성하는 것을 특징으로 한다.
하이브리드, 정류엔코더, 다상 독립 병렬, 제어기, 영구자석, 센서

Description

하이브리드 전동기의 제어 장치 및 그 제어 방법{HYBRID MOTOR AND CONTROLLING APPARATUS AND METHOD CONTROLLING THEREOF}
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 전동기의 제어 장치의 구성도
도 2는 도 1에 도시한 로직부(123)의 한 예를 나타낸 회로도
도 3은 도 1에 도시한 드라이브부(125)의 한 예를 나타낸 회로도
도 4는 도 1에 도시한 파워 스위칭 회로부(110)의 한 예를 나타낸 회로도
도 5는 본 발명에 의한 하이브리드 전동기의 고정자 권선의 3상 4극의 예시도
도 6은 본 발명에 의한 다상 무정류자 직류전동기의 제어 방법을 나타낸 흐름도
***** 도면의 주요 부호에 대한 설명 *****
10 : 회전자 20 : 엔코더부
30 : 센서부 40 : 전원부
50 : 로직 전원부 60 : 속도 입력부
70 : 고정자 100 : 제어 모듈
110 : 파워 스위칭 회로부 120 : 드라이브 모듈부
121 : 프로세서부 123 : 로직부
125 : 드라이브부
본 발명은 하이브리드 전동기(Hybrid motor)의 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 회전자에 계자코일 대신 영구자석을 사용하고, 고정자에 권선을 다상 독립 병렬로 회권시키고, 회전자 측에 정류형 엔코더를 고정하여 회동되게 하며, 이에 센서부를 부설하여 구동회로부에 연결시킴으로써, 전동기가 원활히 기동 및 회전하도록 한 하이브리드 전동기(Hybrid motor)와 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 또한, 구성을 간단하게 하여 생산원가를 낮출 수 있는 하이브리드 전동기의 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
종래기술
종래의 직류전동기의 원리는 회전자에 계자코일(여자코일)을 권선하여 적당한 극수로 제작하였으며, 회전자에 브러쉬를 장착한 코일을 권선하여 회전되도록 구성하였다. 그러나, 이렇게 구성된 종래의 직류전동기는 사용중에 정류자 편이 합선 또는 마모 등으로 인하여 브러쉬를 교체하여 주어야 하는 결점이 있었다.
또한, 종래의 교류(AC) 전동기, 직류(DC) 전동기, 소용량 BLDC 전동기 등은 전동기의 동작을 제어하는 컨트롤러가 일체형으로 구성되어 있기 때문에 제작 및 수리, 유지, 보수가 어려운 문제점이 있었다. 즉, 종래의 일체형 컨트롤러는 교류(AC) 전동기의 경우 대전압, 저전류 제어로 컨트롤러 사이즈가 크고 가격이 비싸며 제어가 까다로운 단점이 있었다. 그리고, 직류(DC) 전동기의 경우에도 저전압, 대전류 제어로 직류(DC) 전동기의 플래쉬현상 등으로 컨트롤러의 제작이 까다로운 단점이 있었다. 그리고, 대용량 전류제어이므로 스위칭소자의 가격이 비싼 단점도 있었다. 또한, 이들 전동기는 서지전압, 리액턴스, 고조파 등이 발생하여 전동기의 컨트롤러 설계가 상당히 까다롭고 가격이 비싼 단점이 있었다.
또한, 종래의 일체형 컨트롤러는 전동기 특성상 독립구동이 불가능하여 전동기나 컨트롤러의 이상 발생시 시스템 자체가 구동하지 않으며, 비상운전 또한 불가능하다.
또한, 종래의 전동기 제어 통전방식은 사인파나 구형파, 사다리꼴 등의 방식으로 기동시와 정지시에 역기전력이 발생하기 때문에 컨트롤러의 구성 및 제어가 까다롭다. 그리고, 통전시 스위칭소자의 암단락현상{스위칭소자의 동시 온(On)현상으로 회로가 쇼트(Short)되어 스위칭소자를 파괴시킨다}이 발생하므로 이를 막기 위해서 하드웨어(H/W)나 소프트웨어(S/W)로 혼선(Crossfire)방지회로를 구성해야 한다.
또한, 기존의 전동기 제어 통전방식은 상·하단 스위칭소자를 동시에 온(On)과 오프(Off)한다. 오프(Off)시에 전동기 코일에 잔류 전력(히스테리시스 현상)이 남아 있고, 다시 온(On)시 입력전력과 이 잔류 전력에 의해 서지전압 등 이상현상 이 발생하며, 이를 막기 위해서 하드웨어(H/W)나 소프트웨어(S/W)의 여러 가지 방식으로 회로를 구성하므로 드라이브 사이즈가 커지고, 제어가 어렵고, 컨트롤러 가격이 비싼 단점이 있었다.
또한, 기존의 전동기 제어 통전방식은 전자 전동기가 아님으로 동기화가 필요없다(선형제어나 정속제어시 폐회로 제어방식을 사용). 그리고, 선형제어가 까다롭고, 정속제어시 고급 알고리즘이 사용되어야 하는 단점이 있다. 또한, 소용량 BLDC 전동기는 전자 전동기로 센서신호에 의해 구동하나, 전동기 결선이 와이(Y) 결선, 델타(△) 결선으로 속도제어는 일반적인 교류(AC) 전동기 제어 방식을 택하므로 제어가 까다로운 단점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 회전자에 계자코일 대신 영구자석을 사용하고, 고정자에 권선을 다상 독립 병렬로 회권시키고, 회전자 측에 정류형 엔코더를 고정하여 회동되게 하며, 이에 센서부를 부설하여 구동회로부에 연결시킴으로써, 전동기가 원활히 기동 및 회전하도록 한 하이브리드 전동기의 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 구성을 간단하게 하여 생산원가를 낮출 수 있는 하이브리드 전동기의 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 하이브리드 전동기의 동작을 제어하는 모듈 을 기존과 같이 일체형으로 구현하지 않고 상별 독립제어가 가능하고 착탈식으로 설치 가능한 모듈로 구성하여 이상 발생시 모듈만 교체하도록 함으로써, 제작, 수리, 유지, 보수 등이 편리한 하이브리드 전동기의 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 하이브리드 전동기의 제어 장치는, 고정차 측에 권선을 다상 독립 병렬로 권선하고, 전동기의 회전자에 설치되며 상기 전동기의 회전자의 극을 알기 위해 센서부와 연동하여 동작하는 엔코더부; 상기 엔코더부에 의해 상기 전동기의 회전자의 극을 감지한 센서 신호를 출력하는 센서부; 상기 전동기를 구동하기 위한 속도 지령치 신호를 발생하는 속도 입력부; 상기 전동기를 구동하는 구동신호를 발생하는 파워 스위칭 회로부; 상기 속도 지령치 신호와 상기 센서 신호를 입력하여 상기 센서 신호에 동기화된 속도 지령치 신호를 상기 전동기의 구동신호로 출력하는 드라이브 모듈부; 상기 파워 스위칭 회로부로 직류 전원을 인가하는 전원부; 및 상기 전원부로부터 수신한 직류 전원을 로직 전원으로 변환하여 상기 드라이브 모듈부로 인가하는 로직 전원부;를 포함하며, 상기 전동기가 n상으로 구성될 경우 상기 파워 스위칭 회로부와 상기 드라이브 모듈부를 n상의 갯수로 구성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 드라이브 모듈부는, 상기 속도 지령치 신호와 상기 센서 신호를 입력하여 상기 센서 신호에 동기화된 속도 지령치 신호를 출력하는 프로세서부; 상기 프로세서부의 속도 지령치 신호와 상기 센서부의 센서 신호를 로직 IC로 조합하여 전동기 구동신호를 출력하는 로직부; 및 상기 로직부의 전동기 구동신호를 수신하여 상기 파워 스위칭 회로부를 구동하기 위한 신호를 출력하는 드라이브부;를 포함한다.
또한, 상기 전동기는 고정자를 전기자로 회전자를 영구자석으로 구성한 전동기로서, 상기 회전자는 2n극으로 구성하고, 상기 고정자는 n상으로 구성한다.
그리고, 상기 전동기의 권선은 다상 독립 병렬 권선형으로 형성하고, 상기 전동기의 각상별 코일은 다상의 전동기가 되더라도 항상 각 코일의 여자조건이 동일하도록 구성한다.
또한, 상기 전원부는 풀브릿지 컨버터회로로 구성하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환한다.
또한, 상기 로직 전원부는 상기 전원부로부터 수신한 직류 전원을 DC/DC 변환기를 이용하여 로직 전원으로 변환한다.
또한, 상기 엔코더부는 캡형 엔코더판에 광을 차단하는 광차단부와 광을 검출하는 광검출부를 형성한다.
또한, 상기 센서부는 포토 센서를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 프로세서부는 상기 프로세서부에 내장되어 있는 A/D 변환기를 이용하여 아날로그 신호의 속도 지령치 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호의 속도 지령치 신호와 상기 센서부의 센서 신호를 입력받아 상기 센서 신호가 입력될 때만 속도 지령치 신호를 출력한다.
또한, 상기 파워 스위칭 회로부는 제 1 내지 제 4 스위칭소자를 이용하여 H 브릿지 회로로 구성되며, 상기 제 1 내지 제 4 스위칭소자는 트랜지스터(TR), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 포함한 스위칭 소자 중에서 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하이브리드 전동기의 고정자 권선은 다상 독립 병렬 권선 방법을 사용한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 하이브리드 전동기의 제어 방법은, (a) 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 인가하고 상기 직류 전원을 로직 전원으로 변환하여 인가하는 단계; (b) 전동기의 속도 지령치 신호를 입력하는 단계; (c) 상기 전동기의 속도 지령치 신호를 디지털 신호로 변환한 후 변환한 속도 지령치 신호와 센서 신호를 조합하여 상기 센서 신호에 동기화된 속도 지령치 신호를 출력하는 단계; (d) 상기 속도 지령치 신호와 상기 센서 신호를 조합하여 전동기의 상하단 구동신호를 출력하는 단계; (e) 상기 전동기의 상하단 구동신호를 이용하여 상기 전동기를 구동하는 구동신호를 발생하는 단계; (f) 상기 구동신호에 의해 전동기가 회전하는 단계; 및 (g) 상기 전동기의 회전자의 극을 감지한 센서 신호를 발생하여 상기 (c) 단계 이전으로 돌아가는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 전동기의 제어장치로, 상기 속도 지령치 신호와 상기 센서 신호를 입력하여 상기 센서 신호에 동기화된 속도 지령치 신호를 출력하는 프로세서부와, 상기 프로세서부의 속도 지령치 신호와 상기 센서부의 센서 신호를 로직 IC 로 조합하여 전동기 구동신호를 출력하는 로직부와, 상기 로직부의 전동기 구동신호를 수신하여 파워 스위칭 회로부를 구동하기 위한 신호를 출력하는 드라이브부를 모듈화한 하이브리드형 제어모듈을 사용한다.
따라서, 회전자에 계자코일 대신 영구자석을 사용하고, 고정자에 권선을 다상 독립 병렬로 권선하고, 회전자 측에 정류형 엔코더를 고정하여 회동되게 하며, 이에 센서부를 부설하여 구동회로부에 연결시킴으로써, 전동기가 원활히 기동 및 회전하도록 한다.
하이브리드 전동기와 제어 장치
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 전동기의 제어 장치의 구성도이다.
상기 하이브리드 전동기의 제어 장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 고정자(70) 및 회전자(10)와, 상기 회전자(10)에 설치된 엔코더부(20) 및 센서부(30)와, 전원부(40)와, 로직 전원부(50)와, 속도 입력부(60)와, 프로세서부(121), 로직부(123) 및 드라이브부(125)로 구성된 드라이브 모듈부(120)와, 상기 드라이브 모듈부(120)와 파워 스위칭 회로부(110)로 구성된 제어 모듈(100)를 포함한다. 이때, 본 발명에서는 상기 전동기(10)가 다상으로 구성될 경우 상기 제어 모듈(100)을 n상의 갯수로 구성한다.
상기 하이브리드 전동기는 고정자를 전기자로 회전자를 영구자석으로 구성한 전동기로서, 상기 회전자는 다극(예를 들어, 2극, 4극, 6극,......2n극)으로 구성할 수 있고, 상기 고정자는 다상(예를 들어, 2상, 3상, 4상, 6상,......n상)으로 구성할 수 있다. 그러므로, 상기 하이브리드 전동기는 극수나 상수를 필요에 따라 용이하게 증감할 수 있고 상기 하이브리드 전동기 본체의 길이나 두께, 형태를 필요에 따라 용이하게 변형할 수도 있다.
그리고, 상기 하이브리드 전동기의 권선은 다상 독립 병렬 권선형으로 형성하고, 상기 하이브리드 전동기의 각상별 코일은 다상의 전동기가 되더라도 항상 각 코일의 여자조건(Exciting condition)이 동일하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 하이브리드 전동기의 회전자(10)에 설치된 엔코더부(20)는 상기 하이브리드 전동기의 축에 부착되며 상기 하이브리드 전동기의 회전자(10)의 극을 알기 위해 상기 센서부(30)와 연동하여 동작한다. 상기 엔코더부(20)는 회전자의 위치를 감지하기 위해 엔코더판에 광을 차단하는 광차단부(미도시)와 광을 검출하는 광검출부(미도시)를 형성하고 있다. 이러한 특징으로 상기 하이브리드 전동기의 여자각을 조절하고, 상기 하이브리드 전동기의 입력 파형을 부분파로 입력하도록 만들어 준다.
상기 센서부(30)는 상기 엔코더부(20)에 의해 상기 하이브리드 전동기의 회전자의 극(위치)을 감지한 센서 신호를 상기 로직부(123)와 상기 프로세서부(121)로 출력한다. 상기 센서부(30)는 포토센서를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 전원부(40)는 풀브릿지 컨버터회로로 구성하여 직류 전원인 경우에는 직접 직류 전원을 공급하고 교류 전원인 경우에는 교류 전원을 직류 전원으로 변환 하여 변환된 직류 전원을 상기 로직 전원부(50)와 상기 파워 스위칭 회로부(110)로 공급한다. 본 발명에서는 상기 전원부(40)의 전압을 조정함으로써 상기 하이브리드 전동기의 속도를 조절할 수 있다.
상기 로직 전원부(50)는 상기 전원부(40)로부터 수신한 직류 전원을 로직 전원으로 사용하기 위하여 DC/DC 변환기를 이용하여 로직 전원으로 만든다. 이때, 변환된 로직 전원은 상기 드라이브 모듈부(120)로 인가된다.
상기 속도 입력부(60)는 상기 하이브리드 전동기를 구동하기 위한 속도 지령치 신호를 입력한다. 상기 속도 입력부(60)는 디지털 스위치 또는 아날로그 스위치를 사용하며, 아날로그 신호로 된 속도 지령치 신호를 상기 프로세서부(121)의 A/D 변환부(미도시)로 인가한다.
상기 제어 모듈(100)은 앞에서 설명한 바와 같이, 파워 스위칭 회로부(110)와 드라이브 모듈부(120)로 구성되며, 상기 드라이브 모듈부(120)는 프로세서부(121), 로직부(123) 및 드라이브부(125)로 구성된다.
여기서, 상기 프로세서부(121)는 내장된 A/D 변환기(미도시)를 이용하여 아날로그 신호의 속도 지령치 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호의 속도 지령치 신호와 상기 센서부의 센서 신호를 입력받아 상기 센서 신호가 입력될 때만 속도 지령치 신호를 출력한다. 이때, 상기 센서 신호와 동기화된 상기 속도 지령치 신호는 상기 로직부(123)로 출력되며, 상기 하이브리드 전동기의 선형제어와 정속제어가 가능하도록 한다.
상기 로직부(123)는 상기 프로세서부(121)로부터 수신한 속도 지령치 신호와 상기 센서부(30)로부터 수신한 센서 신호를 로직 IC로 조합하여 전동기 구동신호를 출력한다.
이를 구현하기 위한 상기 로직부(123)는 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 프로세서부(121)로부터 수신한 속도 지령치 신호(PWM0)와 상기 센서부(30)로부터 수신한 센서 신호(S1)를 인버터(G1)를 통해 입력하여 AND 연산한 신호(A1)를 출력하는 AND 게이트(G2)와, 상기 인버터(G1)의 출력 신호를 입력하여 반전된 신호(A2)를 출력하는 인버터(G3)와, 상기 프로세서부(121)로부터 수신한 속도 지령치 신호(PWM1)와 상기 센서부(30)로부터 수신한 센서 신호(S2)를 인버터(G4)를 통해 입력하여 AND 연산한 신호(A3)를 출력하는 AND 게이트(G5)와, 상기 인버터(G4)의 출력 신호를 입력하여 반전된 신호(A4)를 출력하는 인버터(G6)로 구성된다.
상기 드라이브부(125)는 상기 로직부(123)로부터 전동기 구동신호(A1 내지 A4)를 수신하여 상기 파워 스위칭 회로부(110)를 구동하기 위한 신호를 출력한다.
상기 드라이브부(125)는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 로직부(123)로부터 전동기 구동신호(A1,A3)를 수신하여 상기 파워 스위칭 회로부(110)의 스위칭소자(Q1,Q3)를 구동하기 위한 신호(B1,B3)를 출력하는 제 1 IC 칩(G11)과, 상기 로직부(123)로부터 전동기 구동신호(A2,A4)를 수신하여 상기 파워 스위칭 회로부(110)의 스위칭소자(Q2,Q4)를 구동하기 위한 신호(B2,B4)를 출력하는 제 2 IC 칩(G21)으로 구성된다.
상기 파워 스위칭 회로부(110)는 상기 하이브리드 전동기를 구동하는 구동신호를 발생하는 회로로서, 도 4에 도시한 바와 같이 제 1 내지 제 4 스위치 소자(Q1 내지 Q4)를 이용하여 H 브릿지 형태로 회로를 구성한다. 이때, 상기 제 1 내지 제 4 스위치 소자(Q1 내지 Q4)는 트랜지스터로서 TR, IGBT, MOSFET 등을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 다상 무정류자 직류전동기 제어 장치는 상기 하이브리드 전동기가 다상으로 구성될 경우 상기 파워 스위칭 회로부(110)와 상기 드라이브 모듈부(120)로 구성된 제어 모듈(100)를 n상의 갯수로 구성한다.
하이브리드 전동기의 고정자 권선의 3상 4극
도 5는 본 발명에 의한 하이브리드 전동기의 고정자 권선의 3상 4극의 예시도이다.
상기 하이브리드 전동기의 고정자 권선은 코일의 슬롯(slot)에 들어가는 쪽의 전류의 흐름과 나오는 쪽의 전류의 흐름이 서로 다른 것을 이용하여 전자극(N극, S극)을 형성하고 회전자의 극과 서로 상관하여 회전력을 일으키는 권선 방법이다.
다상 무정류자 직류전동기의 제어 방법
도 6은 본 발명에 의한 하이브리드 전동기의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1 및 도 6을 참조하여 설명하면, 먼저 상기 전원부(40)를 통해 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전원으로 변환하여 상기 로직 전원부(50) 및 상기 파워 스위칭 회 로부(110)에 인가하고, 상기 로직 전원부(50)를 통해 상기 직류 전원을 로직 전원으로 변환하여 상기 드라이브 모듈부(120)에 인가한다(단계 S10).
그 다음, 상기 속도 입력부(60)에서 상기 하이브리드 전동기의 속도 지령치 신호를 상기 드라이브 모듈부(120)의 프로세서부(121)로 입력한다(단계 S20).
그 다음, 상기 프로세서부(121)에서 상기 하이브리드 전동기의 속도 지령치 신호를 디지털 신호로 변환(단계 S30)한 후 변환한 속도 지령치 신호와 상기 센서부(30)로부터 수신한 센서 신호를 조합하여 상기 센서 신호에 동기화된 속도 지령치 신호를 상기 로직부(123)로 출력한다(단계 S40).
그 다음, 상기 로직부(123)에서는 상기 프로세서부(121)로부터 수신한 속도 지령치 신호와 상기 센서부(30)로부터 수신한 상기 센서 신호를 조합하여 상기 하이브리드 전동기의 상하단 구동신호를 상기 드라이브부(125)로 출력한다(단계 S50).
그 다음, 상기 드라이브부(125)에서는 상기 로직부(123)로부터 수신한 상기 하이브리드 전동기의 상하단 구동신호를 드라이빙하여 상기 파워 스위칭 회로부(110)를 구동하기 위한 신호를 출력한다(단계 S60).
그 다음, 상기 파워 스위칭 회로부(110)에서는 상기 드라이브부(125)로부터 수신한 신호에 의해 스위칭되어 상기 하이브리드 전동기를 구동하는 신호를 출력한다(단계 S70).
그 다음, 상기 파워 스위칭 회로부(110)의 구동 신호에 의해 상기 회전자(10)가 회전한다(단계 S80).
그 다음, 상기 센서부(30)에서는 상기 하이브리드 전동기의 회전자(10)의 극을 감지한 센서 신호를 상기 프로세서부(121) 및 상기 로직부(123)로 출력하여 상기 회전자(10)의 동작을 제어하도록 한다.
이와 같이, 상기 다상 무정류자 직류전동기 제어 장치는 상기 센서부(30)에서 회전자의 극을 감지한 센서 신호와 상기 속도 입력부(60)에서 입력한 전동기의 속도 지령치 신호를 조합하여 상기 센서 신호에 동기된 속도 지령치 신호를 발생하고, 이 속도 지령치 신호를 이용하여 상기 전동기의 제어 신호를 발생하여 상기 전동기가 구동되도록 하였다. 따라서, 상기 전동기의 각 상의 코일에는 구형파의 교번 전류가 흐르게 됨으로써 전동기를 원활하게 구동할 수 있다.
본 발명에 의한 하이브리드 전동기는 고정자를 전기자로, 회전자를 영구자석으로 구성되어 있다. 일반적으로, 고정자의 권선을 솔레노이드형 권선으로 구성하게 되면 정현파의 토오크 리플(Torque ripple)을 생성하는 전동기로 구현할 수 있기 때문에 본 발명에서는 상기 고정자 권선을 다상 독립 병렬 권선으로 권선하여 사다리꼴의 토오크 리플을 생성하는 원리의 전동기로서 파워전동기에 적합하도록 하였다. 그리고, 본 발명에서는 양극성(Bipolar) 방식을 채택하여 여자코일의 동손(Copper loss)을 최대로 극소화시켜 전동기의 효율을 향상시킬 수 있게 하며, 다상화(예를 들어, 2상 1여자, 3상 2여자, 4상 3여자, 5상 4여자, n상 n-1 여자, n상 n-2 여자 등)하여 코일의 이용을 높여 컴팩트 디자인이 가능하게 하고, 토오크 리플을 개선하였으며, 엔코더부와 센서부를 간단하고 안전하게 구성하여 전동기의 기 동 및 회전 특성을 향상시켰으며, 또한 본 발명은 구조가 간단한 전동기를 제작하여 전동기의 생산원가를 절감시킬 수 있도록 하였다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시 예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 하이브리드 전동기의 제어 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 전동기의 구동시 (n-1)상으로 전력을 분산제어하므로 기존의 컨트롤러보다 전력부담을 줄일 수 있는 반면, 상당 H 브릿지 회로를 구성하므로 스위칭 소자는 두 배가 들어간다. 그러나, 동급 마력수 스위칭소자의 용량에 비해 하이브리드 전동기는 분산제어{회로의 전류 부담을 (n-1)상으로 줄임}로 스위칭소자의 용량을 줄일 수 있어 스위칭소자 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명에 의한 하이브리드 전동기는 제어기의 모듈화에 의해 상당 독립 구동회로를 구비한다. 본 발명에 의한 하이브리드 전동기의 경우 전동기상에 이상이 생겨도 이상이 발생하지 않는 나머지 상으로 전동기 구동이 가능하다(비상운전가능). 또한, 상당 독립회로가 구성되므로 전동기에 의한 컨트롤러 파괴시 다른 컨트롤러에 영향을 미치지 않는다.
또한, 전동기 전원(DC 전원)인가는 부분 통전 방식으로 스위칭시 포지티브 (Positive)(CW)와 네가티브(Negative)(CCW) 구간 사이에 쉬는 구간으로 인하여 혼선(스위칭소자의 암단락 현상)이 방지되기 때문에 혼선방지회로를 하드웨어(H/W)나 소프트웨어(S/W)로 구성할 필요가 없다. 기동시와 정지시는 통전하지 않고, 운전시만 통전하므로 역기전력이 발생하지 않는다.
그리고, 전동기의 온(On)과 오프(Off)시 발생되는 서지전압과 리액턴스를 제거할 수 있다. 이 때문에 전동기 드라이브 설계시 기존의 교류(AC) 전동기나 직류(DC) 전동기보다 컴팩터하게 설계할 수 있다.
또한, 센서신호와 속도지령(PWM)신호를 동기화함으로 쉽고, 간단하게 전동기를 선형 및 정속제어가 가능하고, 속도 변화 오차가 없어 위치 제어가 가능하다.
또한, 속도제어는 전압제어 방식으로 속도지령(PWM)제어를 하며, 저주파수로 구동하므로 기존의 고주파 스위칭보다 스위칭 노이즈를 저감할 수 있다.
또한, 고정자의 상수와 회전자의 극수를 필요에 따라 그 수를 늘이거나 줄일 수 있으며, 이와 연계하여 고정자와 회전자의 모양을 필요에 따라 자유로이 설계가 가능하고 팬케이크(Pan cake) 형태, 인너 로우터(Inner rotor) 형태, 아우터 로우터(outer rotor) 형태 리니어 형태 등의 구성이 가능하여 산업 전반에 걸쳐 용도에 따라 다양한 전동기의 설계와 제작이 가능한 하이브리드 전동기이다.

Claims (12)

  1. 하이브리드 전동기의 제어 장치에 있어서,
    고정차 측에 권선을 다상 독립 병렬로 권선하고, 전동기의 회전자에 설치되며 상기 전동기의 회전자의 극을 알기 위해 센서부와 연동하여 동작하는 엔코더부;
    상기 엔코더부에 의해 상기 전동기의 회전자의 극을 감지한 센서 신호를 출력하는 센서부;
    상기 전동기를 구동하기 위한 속도 지령치 신호를 발생하는 속도 입력부;
    상기 전동기를 구동하는 구동신호를 발생하는 파워 스위칭 회로부;
    상기 속도 지령치 신호와 상기 센서 신호를 입력하여 상기 센서 신호에 동기화된 속도 지령치 신호를 상기 전동기의 구동신호로 출력하는 드라이브 모듈부;
    상기 파워 스위칭 회로부로 직류 전원을 인가하는 전원부; 및
    상기 전원부로부터 수신한 직류 전원을 로직 전원으로 변환하여 상기 드라이브 모듈부로 인가하는 로직 전원부;를 포함하며,
    상기 전동기가 n상으로 구성될 경우 상기 파워 스위칭 회로부와 상기 드라이브 모듈부를 n상의 갯수로 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 드라이브 모듈부는:
    상기 속도 지령치 신호와 상기 센서 신호를 입력하여 상기 센서 신호에 동기 화된 속도 지령치 신호를 출력하는 프로세서부;
    상기 프로세서부의 속도 지령치 신호와 상기 센서부의 센서 신호를 로직 IC로 조합하여 전동기 구동신호를 출력하는 로직부; 및
    상기 로직부의 전동기 구동신호를 수신하여 상기 파워 스위칭 회로부를 구동하기 위한 신호를 출력하는 드라이브부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전동기는 고정자를 전기자로 회전자를 영구자석으로 구성한 전동기로서, 상기 회전자는 2n극으로 구성하고, 상기 고정자는 n상으로 구성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전동기의 권선은 다상 독립 병렬 권선형으로 형성하고,
    상기 전동기의 각상별 코일은 다상의 전동기가 되더라도 항상 각 코일의 여자조건이 동일하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 엔코더부는 캡형 엔코더판에 광을 차단하는 광차단부와 광을 검출하는 광검출부를 형성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센서부는 포토 센서인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 프로세서부는:
    상기 프로세서부에 내장되어 있는 A/D 변환기를 이용하여 아날로그 신호의 속도 지령치 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호의 속도 지령치 신호와 상기 센서부의 센서 신호를 입력받아 상기 센서 신호가 입력될 때만 속도 지령치 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 파워 스위칭 회로부는 제 1 내지 제 4 스위칭소자를 이용하여 H 브릿지 회로로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하이브리드 전동기의 고정자 권선은 다상 독립 병렬 권선인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 고정자 권선은,
    코일의 슬롯(slot)에 들어가는 쪽의 전류의 흐름과 나오는 쪽의 전류의 흐름이 서로 다른 것을 이용하여 N극 및 S극을 형성하고, 회전자의 극과 서로 상관하여 회전력을 일으키는 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어 장치.
  11. 하이브리드 전동기의 제어 방법으로서,
    (a) 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 인가하고 상기 직류 전원을 로직 전원으로 변환하여 인가하는 단계;
    (b) 전동기의 속도 지령치 신호를 입력하는 단계;
    (c) 상기 전동기의 속도 지령치 신호를 디지털 신호로 변환한 후 변환한 속도 지령치 신호와 센서 신호를 조합하여 상기 센서 신호에 동기화된 속도 지령치 신호를 출력하는 단계;
    (d) 상기 속도 지령치 신호와 상기 센서 신호를 조합하여 전동기의 상하단 구동신호를 출력하는 단계;
    (e) 상기 전동기의 상하단 구동신호를 이용하여 상기 전동기를 구동하는 구동신호를 발생하는 단계;
    (f) 상기 구동신호에 의해 전동기가 회전하는 단계; 및
    (g) 상기 전동기의 회전자의 극을 감지한 센서 신호를 발생하여 상기 (c) 단계 이전으로 돌아가는 단계;를 포함하는 하이브리드 전동기의 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전동기의 제어장치로, 상기 속도 지령치 신호와 상기 센서 신호를 입력하여 상기 센서 신호에 동기화된 속도 지령치 신호를 출력하는 프로세서부와, 상기 프로세서부의 속도 지령치 신호와 상기 센서부의 센서 신호를 로직 IC로 조합하여 전동기 구동신호를 출력하는 로직부와, 상기 로직부의 전동기 구동신호를 수신하여 파워 스위칭 회로부를 구동하기 위한 신호를 출력하는 드라이브부를 모듈화한 하이브리드형 제어모듈을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전동기의 제어 방법.
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