KR20120086415A

KR20120086415A - 각도센서를 구비한 ｂｌｄｃ 모터 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20120086415A
Application number: KR1020110007621A
Authority: KR
Inventors: 임성룡
Original assignee: 임성룡
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-08-03

Abstract

본 발명에 따른 각도센서를 구비한 BLDC 모터는 회전자와 고정자로 구성된 BLDC 모터, 상기 회전자의 위치를 각도값으로 출력하는 각도센서, 상기 각도센서의 출력을 이용하여 회전자의 위치와 속도를 연산하는 연산부, 상기 연산부의 연산결과를 이용하여 상기 고정자에 공급되는 전류의 진상각을 결정하는 진상각 결정부, 및 상기 진상각 결정부에서 결정된 진상각으로 상기 고정자에 전원을 공급하는 구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 BLDC 모터의 진상각 제어방법은 회전자에 설정된 기준점의 현재 위치(각도값)를 연속적인 아나로그 값으로 출력하는 각도센서의 연속적인 출력을 이용하여 회전자에 형성된 각 자극의 위치를 연산에 의하여 동시에 인식할 수 있기 때문에 모터가 고속으로 회전하는 경우에도 속도에 따른 예측제어가 가능하여 시간지연 없는 정확한 진상각 제어가 가능하다는 장점이 있다.

Description

각도센서를 구비한 ＢＬＤＣ 모터 및 그 제어방법{BLDC motor having Angular sensor and Control method thereof}

본 발명은 BLDC 모터의 토크를 향상시키기 위한 진상각 제어를 위하여 각도센서를 구비한 BLDC 모터 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 홀센서나 포토센서와 같은 디지털 신호를 출력하는 위치센서 대신에 아나로그 신호를 출력하는 각도 센서를 이용하여 회전자의 위치를 검출함으로써 고속 회전시에도 정밀한 진상각 제어가 가능한 각도센서를 구비한 BLDC 모터 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 BLDC 모터는 종래의 브러시(Brush)를 부착한 직류 모터와 같이 기계적인 접점을 가지지 않으므로 잡음이 발생되지 않고 수명도 길어지는 장점이 있기 때문에 산업용기기, 가전기기, 운송기기 등의 모터로서 널리 사용되고 있다.

이러한 BLDC 모터는 영구자석으로 된 회전자의 자극에 맞춰 고정자 권선에 인가되는 전류의 상을 제어하기 위해 회전자의 위치를 검출하기 위한 위치센서로서 홀센서나 포토센서를 주로 사용하고 있다.

상기 종래 기술에 따른 BLDC 모터는 일반적으로 고정자의 U상, V상, W상에 대응하여 120도 간격으로 배치된 3개의 위치센서가 사용되거나, 한국등록특허 제415493호에 개시된 각 상을 각 극별로 독립적으로 권선한 독립다상다극 BLDC 모터의 경우 각 상마다 2개의 위치센서를 사용하기 때문에 9개의 상으로 이루어지는 경우 모두 18개의 위치센서가 사용된다.

따라서, 종래 기술에 따른 BLDC 모터는 복수의 위치센서를 사용하여야 하기 때문에 비용이 크게 상승함은 물론 전술한 바와 같이 18개의 위치센서를 설치해야 하는 경우 모터의 효율을 저해하지 않는 설치방식의 선택도 문제가 된다.

또한, 상기 종래 기술에 따른 BLDC 모터의 경우 각각의 위치센서의 출력을 이용하여 모터에 인가되는 전류의 진상각을 제어하는 방식이기 때문에 3,000 rpm 정도의 저속 회전시에는 상관이 없으나 6,000 rpm 내외의 고속 회전시에는 시간지연으로 인하여 정확한 진상각 제어가 곤란하여 모터의 토크를 향상시키지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 복수의 위치센서를 사용하는 대신에 회전자에 설정된 기준점의 현재 위치를 각도값으로 측정하는 하나의 각도센서를 이용하여 회전자에 설치된 각 자극의 현재 위치를 연산에 의해 거의 동시에 인식함으로써 속도에 따른 예측제어가 가능하여 모터가 고속으로 회전하는 경우에도 정확한 진상각 제어가 가능하도록 하는 각도센서를 구비한 BLDC 모터 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 각도센서를 구비한 BLDC 모터는 회전자와 고정자로 구성된 BLDC 모터, 상기 회전자의 위치를 각도값으로 출력하는 각도센서, 상기 각도센서의 출력을 이용하여 회전자의 위치와 속도를 연산하는 연산부, 상기 연산부의 연산결과를 이용하여 상기 고정자에 공급되는 전류의 진상각을 결정하는 진상각 결정부, 및 상기 진상각 결정부에서 결정된 진상각으로 상기 고정자에 전원을 공급하는 구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 각도센서는 회전자에 설정된 기준점의 각도값을 출력하고, 상기 연산부는 상기 기준점의 각도값을 이용하여 회전자에 설치된 자극 전체의 위치와 그에 따른 회전자의 속도를 연산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 BLDC 모터는, 각 상(相)을 각 극별로 독립적으로 병렬로 고정자 권선하고 상호 연결 없이 각 권선 코일은 n개의 각 풀 H 브리지(full H bridge)에 연결되며, n개의 풀 H 브리지는 병렬로 직류전원에 연결되고, n개의 다상으로 구성된 고정자와, 여자 영역(exciting area)에 자속 집중이 되도록 필요한 극수로 구성된 회전자로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 각도센서를 이용하여 회전자에 설정된 기준점의 위치를 각도값으로 검출하는 제1단계, 상기 제1단계에서 검출된 각도값을 이용하여 회전자에 설치된 자극 전체의 위치와 그에 따른 회전자의 속도를 연산하는 제2단계, 상기 제2단계의 결과를 이용하여 고정자에 공급되는 전류의 진상각을 결정하는 제3단계, 및 상기 제3단계에서 결정된 진상각으로 고정자에 전류를 공급하는 제4단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 BLDC 모터의 진상각 제어방법은 회전자에 설정된 기준점의 현재 위치(각도값)를 연속적인 아나로그 값으로 출력하는 하나의 각도센서를 이용하여 모터의 진상각을 제어하는 방식이기 때문에 상의 수가 증가하는 경우에도 종래와 같이 복수의 위치센서를 설치할 필요가 없어서 모터의 제조비용 및 공정을 현저히 간소화할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 BLDC 모터의 진상각 제어방법은 각도센서의 연속적인 출력을 이용하여 회전자에 형성된 각 자극의 위치를 연산에 의하여 동시에 인식할 수 있기 때문에 모터가 고속으로 회전하는 경우에도 속도에 따른 예측제어가 가능하여 시간지연 없는 정확한 진상각 제어가 가능하다는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC 모터의 전체 구성을 나타낸 블럭도,
도2a와 도2b는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC 모터, 상기 모터에 설치된 각도센서의 구성을 나타낸 도면,
도2c는 상기 각도센서가 적용된 BLDC 모터의 제어구성을 나타낸 블럭도,
도3a는 본 발명에 따른 5상 6극 모터의 고정자를 도시한 도면,
도3b는 본 발명에 따른 5상 6극 모터의 고정자 권선의 도면,
도 4a, 4b, 4c는 본 발명에 따른 회전자의 예,
도 5는 본 발명에 따른 5상 모터의 극성 제어 계통을 도시한 회로도,
도 6은 5상 6극 모터에서 3상이 여자되는 경우, 출력되는 토오크 개략도,
도 7a는 8상 6극 모터에서 3상 간격이 어드밴스드 정류되는 것을 나타내는 도면,
도 7b는 8상 6극 모터에서 5상 간격이 어드밴스드 정류되는 것을 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 무변 출력 무정류자 직류모터의 무변 출력 특성을 나타내는 도면이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.

본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 BLDC 모터가 각 상을 각 극별로 독립적으로 병렬로 권선한 독립다상다극 BLDC 모터로 구성된 경우를 일예로서 설명하나 이에 한정되지 아니하며, 본 발명에 따른 진상각 제어방법은 다른 일반적인 BLDC 모터에 모두 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 직류 모터의 전체 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 직류(DC)전원부(102)와 전원 스위칭부(104), 구동부(106), 입력부(108), PWM제어부(110), 속도제어부(112), 극성제어부(114), 무정류자 직류(BLDC) 모터(120)로 구성된다.

도1에서, 직류전원부(102)는 상용 교류전원을 정류하여 직류로 변환하여 사용하거나 배터리로 구현되어 전원 스위칭부(104)에 직류전원(V+,V-)을 제공하고, 전원 스위칭부(104)는 구동부(106)의 구동신호에 따라 전력반도체소자(스위칭소자)를 온/오프하여 직류전원부(102)의 전원을 BLDC 모터(120)의 고정자 권선에 전달한다.

여기서, 전원 스위칭부(104)는 고정자 권선에 직류전원을 인가하기 위한 것이므로 모터의 종류(즉, 고정자 권선의 상 수)에 따라 구성이 달라질 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 고정자 권선을 5상으로 한 경우를 보여 준다.

그리고, 하나의 상을 구동하기 위해서는 4개의 스위칭소자(Q1~Q4)가 필요한데, 이들이 'H'자 형태로 연결되므로 'H브리지'라고 하고 전원 스위칭부(104)는 다수의 H브리지로 이루어진다.

이때, 상기 스위칭 소자로는 트랜지스터, IGBT, MOSFET, FET 등이 널리 사용된다.

상기 입력부(108)는 조작자의 조작에 의해 모터의 회전속도를 지령하는 지령신호를 제공하고, PWM제어부(110)는 입력부(108)의 지령값과 속도제어부(112)의 제어신호에 따라 모터의 회전속도를 제어하기 위한 PWM신호를 발생한다.

예컨대, 전기자전거의 경우에 자전거의 핸들에 장착된 그립의 조작에 따라 지령값이 정해진다.

상기 속도제어부(112)는 폐루프 제어시에 BLDC 모터(120)에 설치된 각도센서(127)의 출력을 입력받아 속도제어신호를 PWM제어부(110)에 제공하고, 극성제어부(114)는 각도센서(127)의 출력을 입력받아 구동부(106)에 제공하며, 구동부(106)는 극성제어부(114)의 각도센서 출력과 PWM제어부(110)의 PWM신호를 입력받아 전원 스위칭부(104)의 스위칭 소자를 제어하기 위한 구동신호를 제공한다.

본 발명에 따른 BLDC 모터(120)는 고정자의 상수와 회전자의 극수를 적용대상의 요건에 따라 자유롭게 설계할 수 있으나 본 발명의 실시예에서는 고정자가 5상이고, 회전자 극수는 6극(3개의 N극과 3개의 S극)으로 된 경우를 예로 들어 설

이러한 본 발명의 모터(120)는 2, 3, 4, 5, 6....n개 상의 다상형의 모터로서, 여자되는 2, 3, 4, 5, .... a(<1a≤n-1)개의 상과 여자되지 않는 2, 3, 4, 5, ....b(b=n-a)개 상으로 구성하여 1개의 상(相)씩 교번(交番)하여 기동, 회전하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 BLDC 모터(120)는 도2a에 도시된 바와 같이, 고정자(125)와 회전자(126)로 된 모터 본체와, 회전자(126)와 동일 축상에 연결되는 각도센서(127)로 이루어진다.

상기 각도센서는 도2b에 도신한 바와 같이 구성되어 회전자의 위치에 관한 정보를 인지하여 아나로그 신호인 각도값으로 출력하는데, 상기 속도제어부 및 극성제어부는 이를 이용하여 회전자의 속도와 자극의 위치를 인식하여 모터의 진상각을 제어하게 되는데 이와 같은 제어구성은 도2c에 도시하였다.

구체적으로는, 상기 각도센서는 회전자에 설정된 기준점의 위치에 따른 전압을 출력하게 되는데 일예로서 0도의 경우에는 0V 360도의 경우에는 5V를 출력하게 된다.

따라서, 만일 각도센서의 출력이 2.5V인 경우에는 상기 회전자의 기준점은 현재 180도의 위치에 있고, 이를 이용할 경우 상기 기준점에 대하여 회전자에 설치된 자극 들의 상대적 위치는 이미 알고 있는 것이기 때문에 이들 자극들의 현재 위치도 연산에 의하여 동시에 산출할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 BLDC 모터의 진상각 제어방법은 회전자에 설정된 기준점의 현재 위치(각도값)를 연속적인 아나로그 값으로 출력하는 하나의 각도센서를 이용하여 모터의 진상각을 제어하는 방식이기 때문에 상의 수가 증가하는 경우에도 종래와 같이 복수의 위치센서를 설치할 필요가 없어서 모터의 제조비용 및 공정을 현저히 간소화할 수 있게 된다.

또한, 상기 각도센서는 정류엔코더와 로터리 엔코더와 동일한 기능을 동시에 수행할 수 있기 때문에 BLDC 모터의 제어뿐만 아니라 서보 모터, 고속 스핀들모터의 제어 등에 모두 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 BLDC 모터의 진상각 제어방법은 각도센서의 연속적인 출력을 이용하여 회전자에 형성된 각 자극의 위치를 연산에 의하여 동시에 인식할 수 있기 때문에 모터가 고속으로 회전하는 경우에도 속도에 따른 예측제어가 가능하여 시간지연 없는 정확한 진상각 제어가 가능하게 된다.

즉, 각도센서에 의해 회전자(또는 자극)의 현재 위치를 파악하고 회전 방향(미리 결정된 방향)과 상기 각도센서의 출력을 이용하여 연산한 속도값에 따라 진상각을 미리 예측하여 결정하는 방식이기 때문에 전구간에 걸쳐 모터의 토크를 향상시킬 수 있는데, 특히 6,000 rpm 이상의 고속 회전시 제어에 용이하다.

한편, 본 발명에 따른 BLDC 모터의 고정자(125)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 규소강판(이하, 적층판이라고도 한다)에 권취용 슬롯(winding slot)(302)이 형성되어 있고, 이와 같은 슬롯(302)에 도 3b에 도시된 바와 같은 고정자 권선이 권취되어 있다.

도 3a 및 3b를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 5상 6극형의 고정자의 권선을 위해 30개의 슬롯이 형성되어 있고, 5상(A~E상)은 각 상별로 독립적으로 병렬로 권취되어 있다.

그리고 본 발명에 따른 직류모터의 회전자는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 영구자석으로 구성되거나 도 4c에 도시된 바와 같이 전자석으로 구성된다.

도 4a는 본 발명에 따른 6극형 영구자석 회전자(126)의 일 실시예인 내부형 회전자(17)를 도시한 도면이다.

도 4a를 참조하면, 내부형 회전자(17)는 막대형(bar type) 영구자석(171)을 다수의 공극(172)이 형성된 규소강판의 적층판(173) 속에 삽입 고정시키고, 적층판은 비자성 허브(hub)의 더브 테일형(dove tail type) 홀더(holder)(174)에 조합하여 내부형 회전자(17)를 구성한다.

도 4b는 본 발명에 따른 6극형 영구자석 회전자(126)의 다른 실시예인 외부형 회전자(27)로서 팬케이크형(pan-cake type)의 영구자석 회전자(27)를 도시한 도면이다.

도 4b를 참조하면, 외부형 회전자(27)는 영구자석(271), 공극(272) , 적층판(273), 홀더(274)로 이루어진다.

도 4c는 본 발명에 따른 6극형 영구자석 회전자(126)의 다른 실시예로서, 슬립 링형(slip ring type)의 전자석 회전자(37)를 도시한 도면이다.

도 4c를 참조하면, 규소강판으로 된 적층판(373)에 다수의 공극(372)이 형성되어 있고, 그 내부에 코일(375)이 권취되어 있으며, 자성 허브로 된 홀더(374)에 적층판을 조합하여 구성하였으며 회전자 축(11)을 거쳐 결선된 코일을 통해 통전된다. 이때, 미설명부호 11은 축을 나타낸다.

한편, 본 발명에 따른 정류 엔코더(commutator encoder)(122)는 도 5에 도시된 바와 같이, 감지영역(506)과 비감지 영역을 갖는 원형판(502)과 광센서들(PA1~PE2)이 부착된 센서판(504)으로 구성된다. 원형판(504)의 감지영역(오목하게 파인 부분:506)과 비감지영역(나머지 부분)은 후술하는 바와 같이, 고정자 상수와 회전자 극수 및 여자되는 상수에 따라 정해지는데, 원형판(504)은 회전자의 축(127)과 함께 회전하면서 감지영역(506)에서 광센서(photo sensor) 를 온시켜 해당 고정자 권선이 여자되게 하고, 비감지영역에서는 해당 광센서를 오프시켜 해당 고정자 권선이 여자되지 못하도록 한다.

특히, 본 발명에서는 감지영역의 크기를 적절히 조절하여 n개의 상중에서 a개의 상만이 여자되게 한다.

그리고 본 발명에서 각 상은 2개의 광센서(Photo Sensor) (PA1,PA2; PB1, PB2; ..; PE1, PE2)를 갖고 정류 엔코더(122)와 연계하여 작동할 수 있도록 구성된다.

한 상이 갖는 한 개의 광센서와 다른 한 개의 광센서는 회전자의 극(極) 간격 각도 상에 격리하여 배치되고, 각 상의 각 광센서는 상의 간격 각도 상에 순서대로 배치된다.

이와 같이 n상일 경우 2n개의 광센서가 회전자의 위치를 감지하고, 광센서의 감지신호는 전원 스위칭부(switching stage)(104)에 전달되어 고정자 권선에 흐르는 전류의 방향과 간격(interval)을 지시하여 모터를 기동하고 회전하게 한다.

한편, 본 발명에서 전원 스위칭부(104)는 도 5에 도시된 바와 같이, 5개의 풀 H 브리지 (full H bridge)로 구성되어 정류 엔코더(122)의 광센서신호에 따라 해당 스위칭 소자(Q 1 ~Q 20 )를 온/오프한다.

도 5를 참조하면, A상의 H브리지는 PA1 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q 1 ,Q 4 )와 PA2 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q 2 ,Q 3 )로 이루어지고, 그 사이에는 A상의 고정자 권선이 연결되어 있다.

B상의 H브리지는 PB1 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q 5 ,Q 8 )와 PB2 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q 6 ,Q 7 )로 이루어지고, 그 사이에는 B상의 고정자 권선이 연결되어 있 으며, 동일한 방식으로 C상 내지 E상의 H브리지가 연결되어 있다.

그리고 정류 엔코더의 센서판(504)에는 A상에 대응하는 한쌍의 광센서 PA1과 PA2가 소정의 방식으로 정해진 간격을 두고 설치되어 있고, B상에 대응하는 한쌍의 광센서 PB1과 PB2가 PA1과 PA2에 이어 설치되어 있으며, 동일한 방식으로 광센서 PC1, PD1, PE1, .. PC2, PD2, PE2가 연결되어 있다.

이때, 한쌍의 광센서는 회전자의 극을 감지하기 위한 것으로서, PA1이 회전자의 N극을 감지할 때 PA2는 회전자의 S극을 감지하도록 배치되어야 하고, 동일한 방식으로 광센서들이 배치되어 한쌍의 광센서가 동시에 온되는 경우가 발생되지 않도록 해야 한다.

특히, 본 발명에서는 n개의 상 중에서 여자되는 상수를 n-1 이하로 하고, 어드밴스드 정류를 위해 광센서의 위치를 적절히 조절하여 성능을 개선하였다.

도 5에 도시된 본 발명의 실시예에서는 5상 중에서 3상이 여자되는 경우를 보여준다. 즉, PA1과 PE1으로 순차 배열된 N극을 감지하는 광센서 중에서 PA1, PB1, PC1 광센서가 감지영역에서 온되어 A상 H브리지의 스위칭소자(Q 1 ,Q 4 ), B상 H브리지의 스위칭소자(Q 5 ,Q 8 ), C상 H브리지의 스위칭 소자(Q 9 ,Q 12 )를 온시키고 나머지 스위칭소자는 오프되어 있다.

따라서, A상 내지 C상의 고정자 권선에는 화살표 방향으로 전류가 흐르게(즉, 여자) 된다.

다른 한편, 본 발명에 따라 정류 엔코더(122)를 구현함에 있어서 감지영역(506) 즉, 발광을 인식하는 부분에 위치하는 광센서의 수는 회전자의 극수/2에 의해 결정된다.

그리고 감지영역의 간격(축의 각)은 다음의 수학식 1에 의해 결정된다.

--------- [수학식 1]

따라서, 예시된 5상 6극 모터에서는 3상만 여자되는 모터를 구성하므로 감지영역의 축의 각은 36°이다.

도 5에서 한 상이 여자되는 예를 들면, 한 상의 하프 H 브리지 Q₁과 Q₄에 연결된 광센서(PA1)와 한 상의 다른 하프 H 브리지 Q₂와 Q₃에 연결된 광센서(PA2)는 각각 다른 극의 같은 위치에 설치된다.

따라서, 회로에 통전이 되면 한 상의 광센서(PA1)는 감지영역 안에 위치하고 있으므로 정(+) 펄스를 송출하게 되고, 이에 따라 H 브리지의 Q₁과 Q₄를 온(on)하게 되어 고정자 권선이 통전되어 Q₁과 Q₄가 루프(loop)시킨 해당 고정자 권선이 여자(exciting)된다.

한편, 회전자(126)가 회전을 하는 동안, 하프 H 브리지 Q₁과 Q₄의 온(on)되는 간격은 정류 엔코더(122)의 감지영역의 폭과 같게 된다.

즉, Q₁과 Q₄의 하프 H 브리지의 여자되는 간격은 축각도 36°이다. 다음 축각도 24°(60°?36°) 동안은 광센서(PA1) 및 광센서(PA2)도 비감지 영역 상에 있게 되어 한 상의 H 브리지의 Q₁,Q₄,Q₂,Q₃는 모두 오프(off) 상태에 있게 된다.

다음에 광센서(PA2)가 광센서(PA1)와 같이 정류 엔코더(122)의 회전에 따라 Q₂,Q₃를 온(on)하게 되어 한 상은 독립적으로 회전자(126)를 기동 회전하도록 통전된다.

도 5의 센서판 상에 광센서의 설치간격(°)은 다음 수학식 2에 의해 결정된 다.

--------- [수학식 2]

따라서, 예시된 도 5의 광센서는 10개이고, 설치간격은 12°이다. 각 상의 두 광센서의 간격은 360。/회전자의 극수이다.

따라서, 광센서(PA1)과 광센서(PA2)의 간격은 60°이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 5상 6극 모터에서 3상은 항상 여자되고, 2상은 항상 비여자 상태가 된다. 따라서, 각 상의 여자되는 간격(전기 각)은 다음 수학식 3에 의하여 결정된다.

--------- [수학식 3]

그리고 각 상의 비여자되는 간격(전기 각)은 다음 수학식 4에 의하여 결정된다. 따라서, 도 5의 각 상의 여자되는 전기 각은 108°이고, 비여자되는 전기 각은 72°이다.

--------- [수학식 4]

도 6은 본 발명에 따른 5상 6극 모터의 각 광센서의 송출펄스와, 전류의 입력방향과 토오크의 간격과 윤곽을 도시한 것이다. 정류 엔코더(122)의 감지영역 의 간격에 따라 각 광센서가 송출하는 펄스와 같은 간격의 전류가 코일에 통전되고, 토오크가 생성된다.

따라서, 부분 구형파(partial wave)의 전류가 입력되고, 구형 토오크의 파워가 출력된다.

따라서, 도 6에서 5상 6극 모터가 3상은 항상 여자되어 있으며, 2상은 항상 비여자 상태인 것을 알 수 있다.

따라서, 토오크의 합계는 직선 토오크 스킴(scheme)이 된다.

도 5와 도 6의 도시에서 알 수 있는 바와 같이, 다상 다극의 모터를 몇 상이 항상 여자되게 할 것인가의 설계는 정류 엔코더의 감지영역의 간격을 얼마로 할 것인가에 의하여 결정되는 것이다.

따라서, 본 발명의 모터는 극 변경 영역(pole changing area)에서 발생하는 모든 문제를 해결하고, 또한 고속회전이 원활히 되기 위해서는 어드밴스드 정류(Advanced Commutation)가 필요하여 다상 중 하나의 상 이상의 비여자상이 존재하도록 고안된 것이다.

여기서, 모터가 전기에너지를 기계에너지로 전환하는 과정에서 고정자의 코일에 통전하여 여자되어서 액티브(active) 자속이 기자력(magnetic motive force)을 발생시키는 타이밍과 고속 회전하는 회전자의 패시브(passive) 자속이 작용되는 타이밍은 액티브 자속이 패시브 자속보다 지연되기 마련이다.

따라서, 이 타이밍을 맞게 하기 위하여 어드밴스드 정류가 필요하게 된다.

도 7a는 본 발명의 다른 실시예에서 8상 6극 모터에서 5상만 여자되게 한 경우이고, 도 7b는 같은 8상 6극 모터에서 3상만 여자되게 한 경우이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 도 7b의 모터는 도 7a의 모터보다 더 고속 으로 회전시킬 수가 있다. 나아가 초고속 모터를 구성할 때에는 극성 제어부(114)에서 마이크로프로세서 장치에 의거 각 광센서를 전진 배치시킨 상기 각 광 센서와 전자결합 변경하여서 속도에 맞게 점진적으로 어드밴스드 정류(advanced commutation)할 수가 있다.

도 8은 무변 출력 무정류자 직류모터의 토오크와 속도의 관계를 나타내는 도면이다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이 , 본 발명의 직류모터는 토오크와 속도의 관계가 변하지 않는 출력 특성을 가진다.

또한, 본 발명의 직류모터는 순방향(CW) 및 역방향(CCW) 회전 능력을 갖으므로 양방향성 작용(bi-directional operation)을 제공한다. 즉, 극성제어부(114)에서 각 상이 보유하고 있는 이중 광센서(dual photo sensor)를 전자결합 변경하면 모터는 정방향에서 역방향으로 또는 역방향에서 정방향으로 원활히 기동하고 회전할 수 있다.

광센서의 전자결합 변경을 5/1000(sec) 이내로 빈번히 하면 양방향성 작용이 원활히 된다. 그리고 본 발명의 모터는 리니어 형으로도 구현될 수 있다.

Claims

회전자와 고정자로 구성된 BLDC 모터;
상기 회전자의 위치를 각도값으로 출력하는 각도센서;
상기 각도센서의 출력을 이용하여 회전자의 위치와 속도를 연산하는 연산부;
상기 연산부의 연산결과를 이용하여 상기 고정자에 공급되는 전류의 진상각을 결정하는 진상각 결정부; 및
상기 진상각 결정부에서 결정된 진상각으로 상기 고정자에 전원을 공급하는 구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 각도센서를 구비한 BLDC 모터.
제1항에 있어서,
상기 각도센서는 회전자에 설정된 기준점의 각도값을 출력하고,
상기 연산부는 상기 기준점의 각도값을 이용하여 회전자에 설치된 자극 전체의 위치와 그에 따른 회전자의 속도를 연산하는 것을 특징으로 하는 각도센서를 구비한 BLDC 모터.
제2항에 있어서,
상기 각도값은 기준점이 현재 위치하는 각도에 대응하는 전압값인 것을 특징으로 하는 각도센서를 구비한 BLDC 모터.
제3항에 있어서, 상기 BLDC 모터는,
각 상(相)을 각 극별로 독립적으로 병렬로 고정자 권선하고 상호 연결 없이 각 권선 코일은 n개의 각 풀 H 브리지(full H bridge)에 연결되며, n개의 풀 H 브리지는 병렬로 직류전원에 연결되고, n개의 다상으로 구성된 고정자와;
여자 영역(exciting area)에 자속 집중이 되도록 필요한 극수로 구성된 회전자로 이루어진 것을 특징으로 하는각도센서를 구비한 BLDC 모터.
각도센서를 이용하여 회전자에 설정된 기준점의 위치를 각도값으로 검출하는 제1단계;
상기 제1단계에서 검출된 각도값을 이용하여 회전자에 설치된 자극 전체의 위치와 그에 따른 회전자의 속도를 연산하는 제2단계;
상기 제2단계의 결과를 이용하여 고정자에 공급되는 전류의 진상각을 결정하는 제3단계; 및
상기 제3단계에서 결정된 진상각으로 고정자에 전류를 공급하는 제4단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 각도센서를 구비한 BLDC 모터의 제어방법.