KR20130064184A - 영구자석 동기 전동기 및 이의 제어 방법 - Google Patents

영구자석 동기 전동기 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 인크리멘탈 타입 인코더를 이용한 영구자석 동기 전동기(PMSM; permanent magnet synchronous motor) 모듈이 개시되며, 상기 전동기 모듈은 상기 전동기의 역기전력과 상기 홀-상태 신호로부터 위상차를 연산하기 위한 위상차 연산부; 및 상기 전동기로부터 홀-상태 신호를 입력받아 홀-상태를 검출하고, 상기 홀-상태에 대한 정보를 상기 위상차 연산부로 제공하며, 상기 위상차를 이용하여 상기 전동기의 각도를 보정하기 위한 마이크로 프로세서 유닛;을 포함할 수 있다.

Description

영구자석 동기 전동기 및 이의 제어 방법{PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 영구자석 동기 전동기와 그것의 제어 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 영구자석 동기 전동기의 각도를 보정하는 방법에 관한 것이다.
인크리멘탈(incremental) 타입 인코더를 사용하는 영구자석 동기 전동기는 전동기의 회전자가 회전해야 회전자의 초기 위치(각도)의 범위를 3개의 홀-상태 신호(u, v, w)를 통해 알 수 있다. 따라서, 종래에는 상기 전동기의 제어기를 온(ON) 시키고 나서, 홀-상태 변화 포인트까지를 인코더로부터 출력되는 신호의 에지(edge)를 카운팅하여 카운트 수에 해당하는 만큼의 위상차를 보정해주었다. 그러나, 2개의 인코더로부터 출력되는 신호가 이상적이지 않은 경우, 즉 듀티 비(duty ratio)가 50%가 아니거나 2개의 신호가 정확히 90도의 위상차를 가지지 않는 경우, 상기 위상차가 부정확하며 제어기가 리셋될 때마다 이 값이 매번 바뀌게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 앞선 문제점을 해결하고자 새로운 방식의 영구자석 동기 전동기 및 이를 제어하는 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인크리멘탈 타입 인코더를 이용한 영구자석 동기 전동기(PMSM; permanent magnet synchronous motor) 모듈로서, 상기 전동기 모듈은 상기 전동기의 역기전력과 상기 홀-상태 신호로부터 위상차를 연산하기 위한 위상차 연산부; 및 상기 전동기로부터 홀-상태 신호를 입력받아 홀-상태를 검출하고, 상기 홀-상태에 대한 정보를 상기 위상차 연산부로 제공하며, 상기 위상차를 이용하여 상기 전동기의 각도를 보정하기 위한 마이크로 프로세서 유닛;을 포함할 수 있다.
상기 위상차 연산부는 상기 역기전력의 제로-크로싱(zero-crossing) 포인트와 상기 홀-상태의 변화 포인트 사이의 간격에 해당하는 위상차를 연산할 수 있다.
상기 영구자석 동기 전동기 모듈은 상기 전동기의 역기전력의 제로-크로싱 포인트를 저장하기 위한 저장부를 더 포함할 수 있다.
인크리멘탈 타입 인코더를 이용한 영구자석 동기 전동기(PMSM; permanent magnet synchronous motor) 제어 방법으로서, 상기 제어 방법은 상기 전동기로부터 홀-상태 신호를 입력받아 상기 홀-상태를 검출하는 단계; 상기 전동기의 역기전력과 상기 홀-상태의 변화 포인트로부터 위상차를 연산하는 단계; 상기 위상차를 이용하여 상기 전동기의 각도를 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 위상차를 연산하는 단계는 상기 역기전력의 제로-크로싱(zero-crossing) 포인트와 상기 홀-상태의 변화 포인트의 간격에 해당하는 위상차를 연산할 수 있다.
상기 제어 방법은 상기 홀-상태를 검출하는 단계 이전에 상기 전동기의 역기전력의 제로-크로싱 포인트를 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 전동기의 인코더로부터 출력되는 신호가 이상적이지 않더라도, 항상 같은 위치에 초기 각도를 설정할 수 있으므로 항상 동일한 수준의 모터 출력 성능을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀-상태 신호와 역기전력 신호를 도시하는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 제어 방법의 순서도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기의 블록도를 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 모듈(100)은 인크리멘탈 타입 인코더를 이용한 영구자석 동기 전동기(PMSM; permanent magnet synchronous motor) 모듈로서, 상기 전동기의 역기전력과 상기 홀-상태 신호로부터 위상차를 연산하기 위한 위상차 연산부(110); 및 상기 전동기로부터 홀-상태 신호를 입력받아 홀-상태를 검출하고, 상기 홀-상태에 대한 정보를 상기 위상차 연산부로 제공하며, 상기 위상차를 이용하여 상기 전동기의 각도를 보정하기 위한 마이크로 프로세서 유닛(120)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기는 회전자를 구비하여 회전 운동을 하는 전동부(130)를 포함할 수 있다.
위상차 연산부(110)는 상기 역기전력의 제로-크로싱(zero-crossing) 포인트와 상기 홀-상태의 변화 포인트 사이의 간격에 해당하는 위상차를 연산할 수 있다.
영구자석 동기 전동기 모듈(100)은 상기 전동기의 역기전력의 제로-크로싱 포인트를 저장하기 위한 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 모듈(100)은 상기 전동기의 회전자의 각도를 보정하기 위해 인코더로부터 출력되는 신호(이하, "인코더 신호"라 함)를 이용하지 않고 전동기 또는 전동부(130)의 역기전력을 이용한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 모듈(100)은 실시간으로 전동기 또는 전동부(130)의 역기전력을 모니터링하지 않고, 최초에 미리 전동부(130)의 역기전력의 제로-크로싱 포인트(zero-crossing point)를 저장부에 저장해놓고, 상기 각도의 보정을 위해 이 포인트를 이용할 수 있다.
인크리멘탈 타입 인코더를 이용한 영구자석 동기 전동기는 제어기(MCU)를 온(ON) 하였을 때 전동기의 회전자의 위치(각도)를 정확히 알 수 없고, 단지 전동기로부터의 3개의 홀-상태 신호(u, v, w)를 통해 상기 회전자가 어느 구간에 있는지를 파악할 수 있다. 예컨대, 상기 홀-상태 신호가 6-상태라면 60도의 간격으로 상기 회전자의 위치(각도)를 파악할 수있고, 이는 곧 최대 ±30도의 각도의 오류가 있음을 의미한다.
따라서, 이 각도를 정확하게 보정하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 모듈(100)은 전동기 또는 전동부(130)의 역기전력을 이용할 수 있다. MCU(120)는 역기전력의 제로-크로싱 포인트를 미리 저장해놓고 제로-크로싱 포인트와 가장 가까운 홀-상태 변화 포인트를 검출하여, 상기 제로-크로싱 포인트로부터 상기 홀-상태 변화 포인트 사이의 간격에 해당하는 위상차를 계산할 수 있다. 계산된 위상차가 상기 전동기의 각도 보정을 위한 오프셋으로 이용될 수 있다.
여기서, 홀-상태 변화 포인트라 함은 상기 3개의 홀-상태 신호(u, v, w)로부터 검출된 각 홀-상태 신호의 값(0 또는 1)으로 구성된 세(3) 자리의 이진 값이 변화하는 포인트를 의미한다. 예컨대, 상기 3개의 홀-상태 신호로부터 검출된 세 자리의 이진 값이 101로부터 100으로 변한 경우, 그 변한 지점을 홀-상태 변화 포인트라고 지칭한다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 모듈은 전동기의 각도(위치)를 구하는 과정에서, 인코더 신호를 사용하지 않고 미리 저장해둔 역기전력의 제로-크로싱 포인트를 이용한다. 따라서, 인코더 신호가 이상적이지 않더라도 전동기의 각도를 보정할 수 있고, 각도의 오차 또한 종래의 기술에 비해 개선되었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 모듈이 위상차 계산을 통해 각도의 보정을 수행하는 동작은 아래의 도 2와 관련하여 좀더 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀-상태 신호와 역기전력 신호를 도시하는 그래프이다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 홀-상태 신호를 도시한다. 홀-상태 신호는 0 또는 1의 값을 가질 수 있다. 도 2의 (d)는 (a) 내지 (c)의 홀-상태 신호가 나타내는 값을 3-비트의 이진 값으로 변환하여 나타낸 결과를 도시한다. 도 2의 (a)가 최상위 비트(MSB)가 되며, 도 2의 (b)가 그다음, 도 2의 (c)가 최하위 비트(LSB)가 될 수 있다. 도 2의 (d)에 도시된 그래프의 에지(edge)를 검출하여 홀-상태의 변화 여부를 감지할 수 있다.
도 2의 (e)는 전동기의 회전자에 의한 역기전력을 도시한다. 포인트 Pzc1 내지 Pzc3 는 상기 역기전력의 제로-크로싱 포인트를 표시한다. MCU(120)는 이러한 역기전력의 제로-크로싱 포인트 중 적어도 하나를 저장부에 미리 저장해놓고 있다가, 상기 제로-크로싱 포인트와 상기 홀-상태의 변화 포인트 사이의 간격에 해당하는 위상차를 계산할 수 있다. 상기 홀-상태의 변화 포인트의 검출은 상기 도 2의 (d)에 도시된 신호의 에지를 검출하는 것으로 가능하다.
MCU(120)는 상기 제로-크로싱 포인트를 지난 뒤, 미리 지정된 홀-상태의 변화 포인트를 검출하면, 상기 전동기의 회전자의 각도를 "0"으로 설정한 뒤, 상기 위상차를 더하여 현재 회전자의 각도를 설정할 수 있다.
한편, MCU(120)는 상기 미리 지정된 홀-상태의 변화 포인트를 검출하고 나서, 상기 제로-크로싱 포인트까지의 간격에 해당하는 위상차를 계산할 수도 있다. 다시 말하면, 상기 제로-크로싱 포인트와 상기 홀-상태의 변화 포인트의 시간적인 순서는 서로 변경될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 제어 방법의 순서도이다. 인크리멘탈 타입 인코더를 이용한 영구자석 동기 전동기 제어 방법으로서, 상기 전동기로부터 홀-상태 신호를 입력받아 상기 홀-상태를 검출하는 단계(S310); 상기 전동기의 역기전력과 상기 홀-상태의 변화 포인트로부터 위상차를 연산하는 단계(S320); 상기 위상차를 이용하여 상기 전동기의 각도를 보정하는 단계(S330)를 포함할 수 있다.
단계 S310은 전동기의 회전자의 회전에 의한 홀-상태 신호로부터 홀-상태를 검출할 수 있다. 상기 홀-상태 신호는 일반적으로 3개(u, v, w)이며, 이들이 나타내는 이진(binary) 값을 조합하여 나타내는 홀-상태는 6개의 상태이다. 상기 홀-상태 신호는 후술할 것처럼 전동기의 각도 보정을 위한 기준으로 사용될 수 있다.
단계 S320는 상기 전동기의 각도 보정을 위한 위상차를 연산하기 위한 단계로서, 상기 전동기의 역기전력과 상기 홀-상태 신호로부터 추출된 홀-상태의 변화 포인트를 이용하여 상기 위상차를 연산할 수 있다. 상기 전동기의 역기전력은 상기 전동기의 회전자의 회전에 따라 주기적으로 변하며, 상기 홀-상태 신호도 상기 전동기의 회전자의 회전에 따라 주기적으로 변한다. 이 둘 사이의 차이가 바로 상기 전동기의 각도를 보정할 오프셋으로 사용될 위상값에 해당한다.
단계 S330에서, 상기 연산된 위상차를 이용하여 상기 전동기의 각도를 보정할 수 있다.
위상차를 연산하는 단계(S320)는 상기 역기전력의 제로-크로싱(zero-crossing) 포인트와 상기 홀-상태의 변화 포인트의 간격에 해당하는 위상차를 연산할 수 있다. 다시말하면, 상기 역기전력의 제로-크로싱 포인트에서 상기 전동기의 각도(또는 위치)를 "0"으로 설정하고, 이 포인트로부터 상기 홀-상태의 변화 포인트 사이에 해당하는 위상차를 계산할 수 있다. 이 계산된 위상차를 상기 전동기의 각도(또는 위치)에 가산하면, 보정된 전동기의 각도를 획득할 수 있다.
또한, 상기 제어 방법은 상기 홀-상태를 검출하는 단계 이전에, 상기 전동기의 역기전력의 제로-크로싱 포인트를 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
위에서 본 발명의 실시예들이 설명되었으며, 당해 기술 분야에 속한 통상의 지식을 가진 자는 이러한 실시예들은 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 예시적인 것임을 인식할 수 있고, 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 변형, 수정 등이 가능함을 인식할 것이다.
110: 위상차 연산부 120: MCU
130: 전동부

Claims (6)

  1. 인크리멘탈 타입 인코더를 이용한 영구자석 동기 전동기(PMSM; permanent magnet synchronous motor) 모듈로서,
    상기 전동기의 역기전력과 상기 홀-상태 신호로부터 위상차를 연산하기 위한 위상차 연산부; 및
    상기 전동기로부터 홀-상태 신호를 입력받아 홀-상태를 검출하고, 상기 홀-상태에 대한 정보를 상기 위상차 연산부로 제공하며, 상기 위상차를 이용하여 상기 전동기의 각도를 보정하기 위한 마이크로 프로세서 유닛;을 포함하는, 영구자석 동기 전동기 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 위상차 연산부는:
    상기 역기전력의 제로-크로싱(zero-crossing) 포인트와 상기 홀-상태의 변화 포인트 사이의 간격에 해당하는 위상차를 연산하는, 영구자석 동기 전동기 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전동기의 역기전력의 제로-크로싱 포인트를 저장하기 위한 저장부를 더 포함하는, 영구자석 동기 전동기 모듈.
  4. 인크리멘탈 타입 인코더를 이용한 영구자석 동기 전동기(PMSM; permanent magnet synchronous motor) 제어 방법으로서,
    상기 전동기로부터 홀-상태 신호를 입력받아 상기 홀-상태를 검출하는 단계;
    상기 전동기의 역기전력과 상기 홀-상태의 변화 포인트로부터 위상차를 연산하는 단계;
    상기 위상차를 이용하여 상기 전동기의 각도를 보정하는 단계를 포함하는, 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 위상차를 연산하는 단계는:
    상기 역기전력의 제로-크로싱(zero-crossing) 포인트와 상기 홀-상태의 변화 포인트의 간격에 해당하는 위상차를 연산하는, 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 홀-상태를 검출하는 단계 이전에,
    상기 전동기의 역기전력의 제로-크로싱 포인트를 저장하는 단계를 더 포함하는, 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.

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KR20170111037A (ko) 2016-03-25 2017-10-12 주식회사 에스에프에이 비접촉식 기판 틸팅장치

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