KR20130068050A - 홀 센서 신호 발생 장치 - Google Patents

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KR20130068050A
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석정희
양일석
노태문
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 홀 센서 신호를 발생시키는 모터에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 홀 센서 신호 발생 장치는 자성을 가지고 회전축을 중심으로 회전하는 회전자, 상기 회전자 외부에 배치된 고정자에 이격으로 배치되는 홀 센서부 및 구동 클럭을 입력받고, 상기 구동 클럭 및 상기 홀 센서부에서 출력된 홀 센서 신호를 동기화하여, 상기 동기화된 구동 클럭 및 상기 동기화된 홀 센서 신호를 출력하는 클럭 동기화부를 포함한다. 본 발명에 의한 홀 센서 신호 발생 장치는 클럭 신호와 동기화된 홀 센서 신호를 출력하여 모터 외부 제어기에서 발생되는 동기화 오차를 제거한다.

Description

홀 센서 신호 발생 장치{HALL SENSOR SIGNAL GENERATING DEVICE}
본 발명은 홀 센서 신호를 발생시키는 장치에 관한 것이다.
모터, 특히 무정류자(brushless) 모터의 속도를 제어하기 위해서는 모터 회전자의 회전각 및 속도의 측정이 요구된다. 회전자(rotor)의 회전각 및 속도는 회전자와 함께 회전되는 엔코더(encoder) 또는 고정자(stator)에 배치된 홀 센서(hall sensor)에 의해 측정될 수 있다.
홀 센서는 인가되는 자기장에 따라 출력이 변화되는 자기(magnetic) 센서이다. 회전자에 배치된 위치 검출용 자극이 회전함에 따라 홀 센서에 인가되는 자기장이 변화된다. 따라서 고정자에 배치된 홀 센서의 출력 신호를 측정하면 회전자의 회전각 및 속도가 측정될 수 있다. 홀 센서는 고정자에 일정 간격으로 배치되어 다체배 펄스 신호(multiplied pulse signal)를 생성한다. 모터의 속도가 정밀하게 제어되기 위해서는 홀 센서의 출력 신호와 모터 제어기 내부 신호 사이의 오차가 감소되어야 한다.
본 발명은 클럭 신호와 동기화된 홀 센서 신호를 출력하여 모터 외부 제어기에서 발생되는 동기화 오차를 제거하는 홀 센서 신호를 발생 모터를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 의한 홀 센서 신호 발생 장치는 자성을 가지고 회전축을 중심으로 회전하는 회전자, 상기 회전자 외부에 배치된 고정자에 이격으로 배치되는 홀 센서부 및 구동 클럭을 입력받고, 상기 구동 클럭 및 상기 홀 센서부에서 출력된 홀 센서 신호를 동기화하여, 상기 동기화된 구동 클럭 및 상기 동기화된 홀 센서 신호를 출력하는 클럭 동기화부를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 홀 센서 신호 발생 장치는 BLDC 모터에 포함된다.
실시예에 있어서, 상기 홀 센서 신호 발생 장치는 동기 릴럭턴스 모터에 포함된다.
실시예에 있어서, 상기 홀 센서부는 복수 개의 홀 센서들을 포함하며, 상기 홀 센서들은 등간격으로 배치된다.
실시예에 있어서, 상기 홀 센서들은 120도 간격으로 배치된 3개의 홀 센서들이다.
실시예에 있어서, 홀 센서 신호 발생 장치는 내부 구동 클럭을 발생시키는 클럭 발생부 및 외부로부터 외부 구동 클럭 및 제어 신호를 입력받고, 상기 제어 신호에 따라 상기 외부 구동 클럭 및 상기 내부 구동 클럭 중 하나를 선택하여 상기 클럭 동기화부로 전송하는 클럭 제어부를 더 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 내부 구동 클럭의 주파수는 가변된다.
실시예에 있어서, 상기 클럭 제어부는 상기 선택된 구동 클럭의 주파수를 체배하는 체배기를 더 포함한다.
본 발명에 의한 홀 센서 신호 발생 장치는 클럭 신호와 동기화된 홀 센서 신호를 출력하여 모터 외부 제어기에서 발생되는 동기화 오차를 제거한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 홀 센서 신호 발생 장치가 모터 외부 제어기와 연결된 모습을 도시하는 블록도이다.
도 2는 도 1의 홀 센서 신호 발생 장치의 출력 홀 센서 신호와 외부 모터 제어기 내부에서 측정되는 입력 홀 센서 신호 및 외부 모터 제어기의 구동 클럭을 도시하는 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 홀 센서 신호 발생 장치가 모터 외부 제어기와 연결된 모습을 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 홀 센서 발생 모터가 모터 외부 제어기와 연결된 모습을 도시하는 블록도이다.
도 5는 도 4의 홀 센서 신호 발생 장치의 동기화된 출력 홀 센서 신호와 외부 모터 제어기 내부에서 측정되는 입력 홀 센서 신호 및 외부 모터 제어기의 구동 클럭을 도시하는 타이밍도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 이하에서 사용되는 용어들은 오직 본 발명을 설명하기 위하여 사용된 것이며 본 발명의 범위를 한정하기 위해 사용된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 홀 센서 신호 발생 장치가 모터 외부 제어기와 연결된 모습을 도시하는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 홀 센서 신호 발생 장치(1)는 회전자(10), 제 1 홀센서(20), 제 2 홀센서(21) 및 제 3 홀센서(22)를 포함한다. 본 실시예에서는 3개의 홀센서를 가지는 홀 센서 신호 발생 장치에 대하여 설명한다. 그러나 이는 예시적인 것으로 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 하나 이상의 홀센서를 가지는 홀 센서 신호 발생 장치들에 대하여 모두 적용될 수 있다.
홀 센서 신호 발생 장치(1)는 홀 센서 신호를 발생시켜 외부, 본 실시예에서는 모터 외부 제어기, 로 출력한다. 홀 센서 신호 발생 장치(1)는 BLDC(Brushless Direct Current)모터, 혹은 동기 릴럭턴스 모터(SynRM: Synchronous Reluctance Motor)에 포함될 수 있다.
회전자(10)는 자석이 결합되어 자기장을 형성한다. 회전자(10)에 결합되는 자석은 링 영구 자석(ring permanent magnet)일 수 있다. 회전자(10)는 모터의 고정자에 인가되는 전류의 방향에 따라 회전된다. 회전자(10)의 회전은 제어 회로에 의하여 전류의 방향은 주기적으로 계속 변화됨에 따라 지속된다.
회전자(10)는 자성을 가지므로, 회전자(10)의 회전에 의하여 모터의 고정자에 인가되는 자기장이 변화된다. 변화된 자기장을 측정하는 것으로 회전자(10)의 위치, 즉 회전각과 속도가 측정될 수 있다.
제 1 홀센서(20), 제 2 홀센서(21) 및 제 3 홀센서(22)는 모터의 고정자에 등간격으로 배치된다. 본 실시예에서는 3개의 홀센서가 120도 간격으로 배치된다. 홀 센서에 수직 방향으로 자기장이 인가되면 자기장 방향에 수직된 전위차(electric potnetial)가 발생된다. 따라서 회전자(10)가 회전함에 따라 제 1 홀센서(20), 제 2 홀센서(21) 및 제 3 홀센서(22)는 60도의 위상차를 가지는 구형파 펄스 신호를 출력한다.
제 1 홀센서(20), 제 2 홀센서(21) 및 제 3 홀센서(22)에서 출력된 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)는 외부 모터 제어기로 입력된다. 외부 모터 제어기는 입력 홀 센서 신호(S1', S2' 및 S3')로부터 회전자의 회전각 및 속도를 측정하여 모터에 입력되는 전류를 제어한다. 외부 모터 제어기는 디지털 회로로 구성되며, 구동 클럭(MC_CLK)에 동기화되어 동작된다. 따라서 제 1 홀센서(20), 제 2 홀센서(21) 및 제 3 홀센서(22)로부터 입력되는 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)가 외부 모터 제어기의 구동 클럭(MC_CLK)과 동기화되어 있지 않으면 외부 모터 제어기 내부에서 측정되는 입력 홀 센서 신호(S1', S2' 및 S3')에 동기화 오차가 발생된다.
도 2는 도 1의 홀 센서 신호 발생 장치의 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)와 외부 모터 제어기 내부에서 측정되는 입력 홀 센서 신호(S1', S2' 및 S3') 및 외부 모터 제어기의 구동 클럭을 도시하는 타이밍도이다.
도 2를 참조하면, 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)는 제 1 홀센서(20), 제 2 홀센서(21) 및 제 3 홀센서(22)에서 출력된 60도의 위상차를 가지는 구형파 펄스 신호이다. 입력 홀 센서 신호(S1', S2' 및 S3')는 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)가 외부 모터 제어기 내부로 입력된 신호이다.
외부 모터 제어기에서, 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)의 변화는 외부 모터 제어기의 구동 클럭에 맞추어 나타난다. 따라서 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)가 외부 모터 제어기의 구동 클럭과 동기화되어 있지 않으면 외부 모터 제어기 내부에서 측정되는 입력 홀 센서 신호(S1', S2' 및 S3')에 동기화 오차가 발생되는 것을 확인할 수 있다.
따라서 외부 모터 제어기에서 측정된 회전자의 회전각 및 속도는 동기화에 의한 오차를 가진다. 따라서 모터 속도 제어 과정에서 오차가 발생되므로 정밀한 속도 제어가 어려워진다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 홀 센서 신호 발생 장치가 모터 외부 제어기와 연결된 모습을 도시하는 블록도이다. 도 3을 참조하면, 홀 센서 신호 발생 장치(100)는 회전자(110), 제 1 홀센서(120), 제 2 홀센서(121), 제 3 홀센서(122) 및 클럭 동기화부(130)를 포함한다.
도 3의 회전자(110), 제 1 홀센서(120), 제 2 홀센서(121) 및 제 3 홀센서(122)는 도 1의 회전자(10), 제 1 홀센서(20), 제 2 홀센서(21) 및 제 3 홀센서(22)와 유사한 구조 및 동작을 가진다. 회전자(110)의 회전에 의해 고정자에 인가되는 자기장이 변화된다. 이에 따라 제 1 홀센서(120), 제 2 홀센서(121) 및 제 3 홀센서(122)는 60도의 위상차를 가지는 구형파 펄스 출력 신호를 출력한다. 출력된 출력 홀 센서 신호는 클럭 동기화부(130)로 전달된다.
클럭 동기화부(130)는 외부로부터 구동 클럭(MC_CLK)을 입력받는다. 클럭 동기화부(130)는 입력된 구동 클럭 및 출력 홀 센서 신호를 동기화한다. 클럭 동기화부(130)는 동기화된 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3) 및 구동 클럭(CLKout)을 출력한다.
모터 외부 제어기는 동기화된 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)를 입력받는다. 또, 모터 외부 제어기는 출력 홀 센서 신호와 동기화된 구동 클럭(CLKout)을 구동 클럭으로서 입력받는다. 제 1 홀센서(120), 제 2 홀센서(121) 및 제 3 홀센서(122)로부터 입력되는 동기화된 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)는 외부 모터 제어기의 구동 클럭(CLKout)과 동기화되어 있으므로 동기화 오차가 발생되지 않는다.
따라서 본 실시예에 의한 홀 센서 신호 발생 장치(100)는 홀 센서 신호 및 그와 동기화된 구동 클럭을 출력한다. 모터 외부 제어기는 홀 센서 신호 발생 장치로부터 출력된 구동 클럭을 디지털 회로의 구동 클럭으로 사용한다. 따라서 모터 외부 제어기에서 홀 센서 신호를 입력받을 때에 동기화 오차가 발생되지 않는다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 홀 센서 발생 모터가 모터 외부 제어기와 연결된 모습을 도시하는 블록도이다. 도 4를 참조하면, 홀 센서 신호 발생 장치(200)는 회전자(210), 제 1 홀센서(220), 제 2 홀센서(221), 제 3 홀센서(222), 클럭 발생부(230), 클럭 제어부(240) 및 클럭 동기화부(250)를 포함한다.
도 4의 회전자(210), 제 1 홀센서(220), 제 2 홀센서(221) 및 제 3 홀센서(222)는 도 3의 회전자(110), 제 1 홀센서(120), 제 2 홀센서(121) 및 제 3 홀센서(122)와 유사한 구조 및 동작을 가진다. 회전자(210)의 회전에 의해 고정자에 인가되는 자기장이 변화된다. 이에 따라 제 1 홀센서(220), 제 2 홀센서(221) 및 제 3 홀센서(222)는 60도의 위상차를 가지는 구형파 펄스 출력 신호를 출력한다. 출력된 출력 홀 센서 신호는 클럭 동기화부(250)로 전달된다.
클럭 발생부(230)는 내부 구동 클럭을 발생시킨다. 클럭 발생부(230)에서 발생되는 내부 구동 클럭의 주파수는 조절될 수 있다. 클럭 발생부(230)는 발생된 내부 구동 클럭을 클럭 제어부(240)로 전달한다.
클럭 제어부(240)는 클럭 발생부로부터 내부 구동 클럭을 입력받는다. 또, 클럭 제어부(240)는 외부로부터 외부 구동 클럭(MC_CLK) 및 제어 신호를 입력받는다. 클럭 제어부(240)에 입력된 제어 신호에 따라 동기화에 사용될 구동 클럭이 내부 구동 클럭일지 외부 구동 클럭일지 선택된다.
또한 클럭 제어부(240)는 체배기(multiplier)를 포함할 수 있다. 체배기는 선택된 구동 클럭을 체배하여 구동 클럭의 주기를 조절한다. 클럭 제어부(240)는 선택된 구동 클럭, 체배기가 사용된 경우 체배기를 통해 주기가 조절된 구동 클럭, 을 클럭 동기화부(250)로 전달한다.
클럭 동기화부(250)는 입력된 구동 클럭 및 출력 홀 센서 신호를 동기화한다. 클럭 동기화부(250)는 동기화된 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3) 및 구동 클럭(CLKout)을 출력한다.
홀 센서 신호 발생 장치(200)로 입력되는 제어 신호 및 외부 구동 클럭 역시 구형파 펄스 신호이므로, 홀 센서 신호 발생 장치(200)의 입력 인터페이스는 디지털 신호가 될 수 있다. 또, 홀 센서 신호 발생 장치(200)에서 출력되는 신호인 출력 홀 센서 신호 및 구동 클럭은 모두 구형파 펄스 신호이므로, 홀 센서 신호 발생 장치(100)의 출력 인터페이스는 디지털 신호가 될 수 있다.
모터 외부 제어기는 동기화된 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)를 입력받는다. 또, 모터 외부 제어기는 출력 홀 센서 신호와 동기화된 구동 클럭(CLKout)을 구동 클럭으로서 입력받는다. 제 1 홀센서(220), 제 2 홀센서(221) 및 제 3 홀센서(222)로부터 입력되는 동기화된 출력 홀 센서 신호(S1, S2 및 S3)는 외부 모터 제어기의 구동 클럭(CLKout)과 동기화되어 있으므로 동기화 오차가 발생되지 않는다.
따라서 본 실시예에 의한 홀 센서 신호 발생 장치(200)는 홀 센서 신호 및 그와 동기화된 구동 클럭을 출력한다. 구동 클럭은 내부에서 생성된 내부 구동 클럭일 수도 있고, 외부로부터 입력된 외부 구동 클럭이 피드백된 것일 수도 있다. 모터 외부 제어기는 홀 센서 신호 발생 장치로부터 출력된 구동 클럭을 디지털 회로의 구동 클럭으로 사용한다. 따라서 모터 외부 제어기에서 홀 센서 신호를 입력받을 때에 동기화 오차가 발생되지 않는다.
도 5는 도 4의 홀 센서 신호 발생 장치의 동기화된 출력 홀 센서 신호와 외부 모터 제어기 내부에서 측정되는 입력 홀 센서 신호(S1', S2' 및 S3') 및 외부 모터 제어기의 구동 클럭을 도시하는 타이밍도이다.
도 5를 참조하면, 동기화된 출력 홀 센서 신호는 제 1 홀센서(120), 제 2 홀센서(121) 및 제 3 홀센서(122)에서 출력된 후 동기화된 60도의 위상차를 가지는 구형파 펄스 신호이다. 입력 홀 센서 신호(S1', S2' 및 S3')는 동기화된 출력 홀 센서 신호가 외부 모터 제어기 내부로 입력된 신호이다.
외부 모터 제어기에서, 동기화된 출력 홀 센서 신호의 변화는 외부 모터 제어기의 구동 클럭에 맞추어 나타난다. 도 2의 홀 센서 신호 발생 장치는 출력 홀 센서 신호가 외부 모터 제어기의 구동 클럭과 동기화되어 있다. 따라서 도 1의 홀 센서 신호 발생 장치와 달리 도 4의 홀 센서 신호 발생 장치가 사용되면 외부 모터 제어기 내부에서 측정되는 입력 홀 센서 신호(S1', S2' 및 S3')에 동기화 오차가 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라 모터 외부 제어기가 회전자의 회전각 및 속도를 측정하는 과정에서 동기화 오차가 제거되므로 보다 정밀한 모터 속도 제어가 가능해진다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형될 수 있다. 예를 들어, 회전자, 홀센서, 클럭 발생부, 클럭 제어부 및 클럭 동기화부의 세부적 구성은 사용 환경이나 용도에 따라 다양하게 변화 또는 변경될 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어서는 안되며 후술하는 특허 청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허 청구범위와 균등한 범위에 대하여도 적용되어야 한다.
1, 100, 200: 홀 센서 신호 발생 장치
10, 110, 210: 회전자
20, 120, 220: 제 1 홀센서
21, 121, 221: 제 2 홀센서
22, 122, 222: 제 3 홀센서
230: 클럭 발생부
240: 클럭 제어부
130, 250: 클럭 동기화부

Claims (8)

  1. 자성을 가지고 회전축을 중심으로 회전하는 회전자;
    상기 회전자 외부에 배치된 고정자에 이격으로 배치되는 홀 센서부;및
    구동 클럭을 입력받고, 상기 구동 클럭 및 상기 홀 센서부에서 출력된 홀 센서 신호를 동기화하여, 상기 동기화된 구동 클럭 및 상기 동기화된 홀 센서 신호를 출력하는 클럭 동기화부를 포함하는 홀 센서 신호 발생 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 홀 센서 신호 발생 장치는 BLDC 모터에 포함되는 홀 센서 신호 발생 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 홀 센서 신호 발생 장치는 동기 릴럭턴스 모터에 포함되는 홀 센서 신호 발생 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 홀 센서부는 복수 개의 홀 센서들을 포함하며, 상기 홀 센서들은 등간격으로 배치되는 홀 센서 신호 발생 장치.
  5. 제 5항에 있어서,
    상기 홀 센서들은 120도 간격으로 배치된 3개의 홀 센서들인 홀 센서 신호 발생 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    내부 구동 클럭을 발생시키는 클럭 발생부;및
    외부로부터 외부 구동 클럭 및 제어 신호를 입력받고, 상기 제어 신호에 따라 상기 외부 구동 클럭 및 상기 내부 구동 클럭 중 하나를 선택하여 상기 클럭 동기화부로 전송하는 클럭 제어부를 더 포함하는 홀 센서 신호 발생 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 내부 구동 클럭의 주파수는 가변되는 홀 센서 신호 발생 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 클럭 제어부는 상기 선택된 구동 클럭의 주파수를 체배하는 체배기를 더 포함하는 홀 센서 신호 발생 장치.
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