KR20190001984A - 전동기의 회전자 위치 추정 시스템 및 방법 - Google Patents

전동기의 회전자 위치 추정 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동기의 회전 위치를 홀 센서(Hall Sensor)를 통해 검출할 때, 홀 센서의 입력에 더블 위상 고정 루프(Double Phase Lock Loop)를 설치하고, 설치된 더블 위상 고정 루프를 통해 홀 센서에서 검출된 위치 정보의 리플 성분이 제거되도록 함으로써 전동기의 회전자 위치를 안정적으로 추정할 수 있도록 하는, 전동기의 회전자 위치 추정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전동기의 회전자 위치 추정 시스템은, 전원이 공급되면 회전자를 회전시키는 전동기; 상기 회전자의 회전 각도를 검출하고, 검출된 회전 각도에 따라 홀(Hall) 신호를 출력하는 하나 이상의 홀 센서; 상기 하나 이상의 홀 센서로부터 출력된 각 홀 신호를 입력받아 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지되도록 하여 고주파 성분을 감쇠시키는 제1 PLL; 상기 제1 PLL에서 출력되는 신호에 대해, 홀센서 패턴각을 보상하여 입력받고 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지되도록 하여 고주파 성분을 감쇠시키는 제2 PLL; 및 상기 하나 이상의 홀 센서로부터 출력된 각 홀 신호가 상기 제1 PLL 및 상기 제2 PLL을 통해 고주파 성분이 감쇠되도록 제어하고, 상기 제2 PLL에서 출력되는 신호에 근거해 상기 회전자의 위치를 추정하는 제어부를 포함한다.

Description

전동기의 회전자 위치 추정 시스템 및 방법{Method and system for estimating a position of rotator in electric motor}
본 발명은 전동기의 회전자 위치 추정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 전동기의 회전 위치를 홀 센서(Hall Sensor)를 통해 검출할 때, 홀 센서에 더블 위상 고정 루프(Double Phase Lock Loop)를 설치하고, 설치된 더블 위상 고정 루프를 통해 홀 센서에서 검출된 위치 정보의 리플 성분이 제거되도록 함으로써 전동기의 회전자 위치를 안정적으로 추정할 수 있도록 하는, 전동기의 회전자 위치 추정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 영구자석 동기 전동기(PMSM;Permanent Magnet Synchronous Motor)는 회전자(rotator)의 자속이 고정자인 영구자석의 자계와 동기되어 회전하기 때문에 회전자의 위치 정보가 반드시 필요하며, 이를 위해 홀 센서와 같은 위치검출장치가 사용된다.
홀 센서를 이용해 회전자의 위치 정보를 검출하는 방법은 영구자석 동기 전동기에 3개의 홀 센서를 설치하여 각 홀 센서의 출력으로부터 회전자 속도 및 위치 정보를 얻어내는 방식이 주로 사용되고 있다. 이때, 3 개의 홀 센서들은 그 출력 신호들이 전기 각(electrical angle)으로 서로 120도의 위상 차를 갖도록 배치되며, 이로 인해 도 1과 같이 전기 각의 60도 간격으로 새로운 홀 센서 신호가 출력된다. 홀 센서의 출력 패턴은 High '1', Low '0'의 조합으로 001, 010, 011, 100, 101, 110의 6가지 패턴이고, 60도 간격의 패턴을 표현하면 도 1과 같고, 홀 센서의 입력에 PLL(Phase Lock Loop)을 통해 회전자의 위치 정보를 추정할 수 있다. 도 1은 일반적인 영구자석 동기 전동기의 회전자 위치 추정 방식을 나타낸 도면이다.
그런데, 영구자석 동기 전동기는 홀 센서의 정보 갱신 시점에 입력 신호의 고주파 성분이 추정각에 리플이 나타나는 영향을 주게 되어 안정된 위치 추정이 어렵게 되고, 위치 추정 결과에 리플이 존재하는 경우에 토크 리플 성분이 발생하는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제10-0842727호(등록일 : 2008.06.25)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 전동기의 회전 위치를 홀 센서(Hall Sensor)를 통해 검출할 때, 홀 센서에 더블 위상 고정 루프(Double Phase Lock Loop)를 설치하고, 설치된 더블 위상 고정 루프를 통해 홀 센서에서 검출된 위치 정보의 리플 성분이 제거되도록 함으로써 전동기의 회전자 위치를 안정적으로 추정할 수 있도록 하는, 전동기의 회전자 위치 추정 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전동기의 회전자 위치 추정 시스템은, 전원이 공급되면 회전자를 회전시키는 전동기; 상기 회전자의 회전 각도를 검출하고, 검출된 회전 각도에 따라 홀(Hall) 신호를 출력하는 하나 이상의 홀 센서; 상기 하나 이상의 홀 센서로부터 출력된 각 홀 신호를 입력받아 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지되도록 하여 고주파 성분을 감쇠시키는 제1 PLL; 상기 제1 PLL에서 출력되는 신호에 대해, 홀센서 패턴각을 보상하여 입력받고 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지되도록 하여 고주파 성분을 감쇠시키는 제2 PLL; 및 상기 하나 이상의 홀 센서로부터 출력된 각 홀 신호가 상기 제1 PLL 및 상기 제2 PLL을 통해 고주파 성분이 감쇠되도록 제어하고, 상기 제2 PLL에서 출력되는 신호에 근거해 상기 회전자의 위치를 추정하는 제어부를 포함한다.
상기 제1 PLL은, 상기 홀센서 패턴각에 대한 입력 신호의 변화 시에 적분값을 제로(0)로 리셋(Reset)시키는 리셋 적분기를 포함할 수 있다,
상기 제어부는, 상기 제2 PLL에서 출력되는 신호의 위상(Phase)을 일정 각도 이상으로 이동(Shift)시키고, 위상이 이동된 신호에 근거해 상기 회전자의 위치를 추정할 수 있다.
상기 하나 이상의 홀 센서는, 상기 회전자의 주위에 120도 간격으로 배치될 수 있다.
상기 하나 이상의 홀 센서는, 상기 회전자의 회전 각도에 따라 서로 다른 위상의 홀(Hall) 신호를 각각 출력할 수 있다.
상기 제어부는, 3상(U상, V상, W상) 출력을 스위칭하기 위한 3상 스위칭 회로를 가지고, 상기 3상 스위칭 회로 내 스위치 6개의 PWM 듀티 제어를 통해 상기 전동기의 출력 제어를 위한 전류 제어를 실행하는 인버터 제어기를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전동기의 회전자 위치 추정 방법은, (a) 전동기가 전원의 공급에 따라 회전자를 회전시키는 단계; (b) 하나 이상의 홀 센서가 상기 회전자의 회전 각도를 검출하고, 검출된 회전 각도에 따라 홀(Hall) 신호를 출력하는 단계; (c) 제1 PLL이 상기 하나 이상의 홀 센서로부터 각 홀 신호를 입력받아 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지시키며 고주파 성분을 감쇠시켜 출력하는 단계; (d) 제2 PLL이 상기 제1 PLL에서 출력되는 신호에 대해, 홀센서 패턴각을 보상하여 입력받고 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지시키며 고주파 성분을 감쇠시켜 출력하는 단계; 및 (e) 제어부가 상기 제2 PLL에서 출력되는 신호에 근거해 상기 회전자의 위치를 추정하는 단계를 포함한다.
상기 (c) 단계에서 상기 제1 PLL은, 상기 홀센서 패턴각에 대한 입력 신호의 변화 시에 리셋 적분기를 통해 적분값을 제로(0)로 리셋(Reset)시키고 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지시켜 고주파 성분이 감쇠된 신호를 출력할 수 있다.
상기 (e) 단계에서 상기 제어부는, 상기 제2 PLL에서 출력되는 신호의 위상(Phase)을 일정 각도 이상으로 이동(Shift)시키고, 위상이 이동된 신호에 근거해 상기 회전자의 위치를 추정할 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 하나 이상의 홀 센서는, 상기 회전자의 주위에 120도 간격으로 배치될 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 하나 이상의 홀 센서는, 상기 회전자의 회전 각도에 따라 서로 다른 위상의 홀(Hall) 신호를 각각 출력할 수 있다.
상기 (e) 단계 이후에 상기 제어부는, 3상(U상, V상, W상) 출력을 스위칭하기 위한 3상 스위칭 회로를 가진 인버터 제어기를 통해, 상기 3상 스위칭 회로 내 스위치 6개의 PWM 듀티 제어를 통해 상기 전동기의 출력 제어를 위한 전류 제어를 실행할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전동기의 회전자 위치 추정 시에 홀 센서의 정보 갱신 시점에 입력 신호의 고주파 성분을 감쇠시킴으로써 추정 각의 리플이 제거됨으로써 안정된 위치 추정이 가능하다.
따라서, 회전자의 위치 정보에 리플이 제거됨으로써 토크 리플 성분의 발생을 방지할 수 있다.
그리고, 전동기에서 고속 또는 저속으로 회전하는 회전자의 위치에 대해, 홀 센서를 이용하여 리플 성분이 제거된 위치 정보를 검출함으로써 전동기의 속도를 정확하게 제어할 수 있다.
도 1은 일반적인 영구자석 동기 전동기의 회전자 위치 추정 방식을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동기의 회전자 위치 추정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명이 실시예에 따른 하나 이상의 홀 센서가 배치되는 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1 PLL 및 제2 PLL의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전동기의 회전자 위치 추정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 홀 센서에서 출력된 홀 신호가 제1 PLL 및 제2 PLL에 입력되어 처리되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제2 PLL에서 출력되는 회전자의 추정각을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제1 PLL 및 제2 PLL을 통해 홀 신호를 시뮬레이션 한 결과로 얻은 신호 파형을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 홀 센서에서 출력된 홀 신호를 제1 PLL 및 제2 PLL에 입력하여 연산한 후 획득한 추정각 신호를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 회전자의 위치를 추정하기 위한 홀 신호를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동기의 회전자 위치 추정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전동기의 회전자 위치 추정 시스템(100)은, 전동기(Motor)(110), 하나 이상의 홀 센서(Hall Sensor)(120 ~ 124), 제1 위상 고정 루프(Phase Lock Loop)(이하 제1 PLL)(130), 제2 위상 고정 루프(Phase Lock Loop)(이하 제2 PLL)(140) 및 제어부(150)를 포함한다.
전동기(110)는 전원이 공급되면 회전자를 회전시킨다.
하나 이상의 홀 센서(120 ~ 124)는 회전자의 회전 각도를 검출하고, 검출된 회전 각도에 따라 각각 홀(Hall) 신호를 출력한다.
또한, 하나 이상의 홀 센서(120 ~ 124)(Hall_A, Hall_B, Hall_C)는, 도 3에 도시된 바와 같이 회전자의 주위에 120도 간격으로 배치될 수 있다. 도 3은 본 발명이 실시예에 따른 하나 이상의 홀 센서가 배치되는 구조를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 홀 센서(Hall_A, Hall_B, Hall_C)는, 전동기(110)의 회전자가 회전하는 각도에 따라 서로 다른 위상의 홀(Hall) 신호를 각각 출력할 수 있다.
제1 PLL(130)은 하나 이상의 홀 센서(120 ~ 124)로부터 출력된 각 홀(hall) 신호를 입력받아 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지되도록 하여 고주파 성분을 감쇠시킨다.
이때, 제1 PLL(130)은 도 4에 도시된 바와 같이, 홀센서 패턴각에 대한 입력 신호의 변화 시에 적분값을 제로(0)로 리셋(Reset)시키는 리셋 적분기(136)를 포함할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1 PLL 및 제2 PLL의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 PLL(130)은 리셋 적분기(136) 이외에 비례기(132) 및 적분기(134)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 비례기(132) 및 적분기(134)는 일반적인 PLL 회로에 포함된 구성으로서, 당 기술 분야에 공지된 바 그 기능은 생략한다.
제2 PLL(140)은 제1 PLL(130)에서 출력되는 신호에 대해, 홀센서 패턴각을 보상하여 입력받고 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지되도록 하여 고주파 성분을 감쇠시켜 출력한다. 또한, 제2 PLL(140)은 도 4에 도시된 바와 같이 비례기(142) 및 적분기(144)를 포함할 수 있다.
제어부(150)는 하나 이상의 홀 센서로부터 출력된 각 홀 신호가 제1 PLL(130) 및 제2 PLL(140)을 통해 고주파 성분이 감쇠되도록 제어하고, 제2 PLL(140)에서 출력되는 신호에 근거해 회전자의 위치를 추정한다. 여기서, 제어부(150)는 추정된 회전자 위치값을 비롯하여, 다른 데이터 값을 저장하기 위한 특정 메모리를 구비한다.
또한, 제어부(150)는 제2 PLL(140)에서 출력되는 신호의 위상(Phase)을 일정 각도 이상으로 이동(Shift)시키고, 위상이 이동된 신호에 근거해 회전자의 위치를 추정할 수 있다.
그리고, 제어부(150)는 3상(U상, V상, W상) 출력을 스위칭하기 위한 3상 스위칭 회로를 구비하고, 3상 스위칭 회로 내의 스위치 6개를 수 kHz 내지 수십 kHz까지의 주파수로 PWM 듀티 제어를 통해 전동기의 출력 제어를 위한 전류 제어를 실행하는 인버터 제어기를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전동기의 회전자 위치 추정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 회전자 위치 추정 시스템(100)에서, 전동기(110)는 전원의 공급에 따라 회전자를 회전시킨다(S510).
이어, 하나 이상의 홀 센서(120 ~ 124)는 회전자의 회전 각도를 검출하고, 검출된 회전 각도에 따라 홀(Hall) 신호를 출력한다(S520).
이때, 하나 이상의 홀 센서(120 ~ 124)는 도 3에 도시된 바와 같이 전동기(110)의 회전자 주변에 120도 간격으로 배치된다.
따라서, 하나 이상의 홀 센서(120 ~ 124)는 회전자의 회전 각도에 따라 서로 다른 위상의 홀(Hall) 신호를 검출하여 제1 PLL(130)에 각각 출력할 수 있다. 이때, 홀 신호는 도 6에 도시된 바와 같이 홀센서 각도(θhall)이고(①), 제1 PLL(130)과 제2 PLL(140)에 각각 입력된다(①). 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 홀 센서에서 출력된 홀 신호가 제1 PLL 및 제2 PLL에 입력되어 처리되는 과정을 나타낸 도면이다.
이어, 제1 PLL(130)은 하나 이상의 홀 센서(120 ~ 124)로부터 각 홀 신호를 입력받아 비례 적분(PI:Propotional Integral)하여 특정 위상으로 유지시키며 고주파 성분을 감쇠시켜 출력한다(S530). 도 6의 제1 PLL(130)에서, 비례기(132)는 1차 각도 오차를 입력받아 연산하여 1차 추정 각속도를 출력하고(②), 적분기(136)는 1차 추정 각속도를 입력받아 연산하여 추정 각도를 출력하며, 출력된 추정 각도는 입력단에 회기(feedback)된다(③). 따라서, 제1 PLL(130)에서는 입력단으로부터 입력된 홀 신호(θhall)와 회기된 추정 각도 간에 1차 각도 오차가 발생된다(④).
여기서, 제1 PLL(130)은, 홀센서 패턴각에 대한 입력 신호의 변화 시에 리셋 적분기(136)를 통해 적분값을 제로(0)로 리셋(Reset)시키고 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지시켜 고주파 성분이 감쇠된 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 도 6에서, 제1 PLL(130)은 리셋 적분기(136)를 통해 리셋 적용된 각도를 출력해 제2 PLL(140)에 입력한다(⑤). 이때, 제1 PLL(130)에서 얻어진 각도 정보에, 홀 센서 각도 정보를 활용하여 옵셋(offset) 값을 보정할 수 있다. 리셋 적분기(136)는 처음에 홀 신호(θhall)가 인가될 때 홀센서 엣지 신호(리셋 신호)를 발생시킨다(⑤-1).
이어, 제2 PLL(140)은 제1 PLL(130)에서 출력되는 신호에 대해, 홀센서 패턴각을 보상하여 입력받고 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지시키며 고주파 성분을 감쇠시켜 출력한다(S540). 도 6에서, 제2 PLL(140)의 입력단에는 처음에 제1 PLL(130)과 함께 입력받은 각도 신호(+)와, 제1 PLL(130)로부터 입력받은 각도 신호(+), 제2 PLL(140)의 출력단에서 회기(feedback) 된 신호(-) 간에 각도 오차가 발생한다(⑥). 제2 PLL(140)에서, 비례기(142)는 각도 오차를 입력받아 연산하여 2차 추정 각속도를 출력한다(⑦). 따라서, 적분기(144)는 2차 추정 각속도를 입력받아 연산하여 도 7에 도시된 바와 같이 2차 추정 각도를 출력한다(⑧).
이어, 제어부(150)는 제2 PLL(140)에서 출력되는 신호에 근거해 회전자의 위치를 추정한다(S550). 즉, 제어부(150)는 제2 PLL(140)의 적분기(144)에서 도 7에 도시된 바와 같이 출력되는 2차 추정 각도를 통해 회전자의 위치를 인식하는 것이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제2 PLL에서 출력되는 회전자의 추정각을 나타낸 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 하나의 제1 PLL(130)을 통해 획득한 추정각 신호보다 제1 PLL(130) 및 제2 PLL(140)의 더블(Double) PLL을 이용해 획득한 추정각 신호가 리플 성분이 대폭 감소된 신호임을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 홀 센서(120 ~ 124)에서 검출된 홀 신호에 대해, 제1 PLL(130) 및 제2 PLL(140)을 이용하여 시뮬레이션 한 결과 신호는 도 8에 도시된 바와 같이 리플 성분이 줄어든 신호임을 알 수 있다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제1 PLL 및 제2 PLL을 통해 홀 신호를 시뮬레이션 한 결과로 얻은 신호 파형을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 홀 센서(120 ~ 124)에서 검출된 홀 신호를 실제로 제1 PLL(130) 및 제2 PLL(140)에 입력하여 연산한 후 얻게 되는 추정각 신호는 도 9에 도시된 바와 같이 리플 감쇠 특성이 우수한 신호임을 알 수 있다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 홀 센서에서 출력된 홀 신호를 제1 PLL 및 제2 PLL에 입력하여 연산한 후 획득한 추정각 신호를 나타낸 도면이다.
이때, 제어부(150)는, 제2 PLL(140)에서 출력되는 신호의 위상(Phase)을 일정 각도 이상으로 이동(Shift)시키고, 위상이 이동된 신호에 근거해 회전자의 위치를 추정할 수 있다.
즉, 제어부(150)는 리플 성분이 제거된 도 10에 도시된 바와 같은 홀 신호를 이용하여 회전자의 위치에 따른 회전 각도를 추정할 수 있다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 회전자의 위치를 추정하기 위한 홀 신호를 나타낸 도면이다. 도 10에서, ③ 및 ④는 다음 단계에서의 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티(duty)를 결정하기 위한 전류 제어기의 연산이 시작되는 시점을 나타내고, ① 및 ② 사이는 홀 센서의 신호 값이 바뀌는데 소요된 시간(THall_update)을 나타낸다.
도 10에서, ① 또는 ②와 같이 홀센서의 신호값이 변하는 경우, 제어부(150)는 홀 센서(120)의 신호 변화에 의하여 트리거되는 이벤트(event)를 발생시키고, 발생된 이벤트에 의거 제어부(150) 내의 특정 메모리에 홀센서의 신호값이 변화할 때의 시간 정보 즉, 홀센서의 신호값 변환 지점에서의 시간(THall)을 측정하기 위한 CPU의 내부 클럭 카운터(clock counter) 값이 자동으로 기록된다.
이렇게 제어부(150)의 특정 메모리에 홀센서의 신호값이 변화될 때의 시간 정보(THall)를 측정하기 위한 CPU의 내부 클럭 카운터(clock counter) 값이 자동으로 기록됨에 따라, 이에 근거해 홀센서의 신호값이 변화했을 때의 시간 정보를 정확하게 알 수 있다.
도 10에 표시된 ④ 시점과 같이 직전 연산 시점 ③ 이후에 홀센서의 신호값이 변한 경우, ④ 시점에서의 시간 정보 즉, PWM 스위칭 듀티를 결정하기 위한 연산이 시작될 때의 시간(Tcurrent)은 CPU의 내부 클럭 카운터값을 읽어들여 확인한다. ④ 시점 연산 시에는 이전의 홀센서 신호값이 변화할 때의 시간 정보(THall)와 그 이전의 홀센서 신호값이 변화할 때의 시간 정보(THall_old)를 바탕으로 회전자의 회전속도를 계산하고, TCurrent와 THall 간의 시간차(ΔT)를 바탕으로 ④ 시점에서의 정확한 회전자 위치 정보를 계산한다.
이후에 제어부(150)는, 전술한 바와 같이 계산(추정) 된 회전자의 위치 정보에 따라 3상(U상, V상, W상) 출력을 스위칭하기 위한 3상 스위칭 회로를 가진 인버터 제어기를 통해, 3상 스위칭 회로 내의 스위치 6개를 수 kHz 내지 수십 kHz까지의 주파수로 PWM 듀티 제어를 통해 전동기의 출력 제어를 위한 전류 제어를 실행할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전동기의 회전 위치를 홀 센서(Hall Sensor)를 통해 검출할 때, 홀 센서에 더블 위상 고정 루프(Double Phase Lock Loop)를 설치하고, 설치된 더블 위상 고정 루프를 통해 홀 센서에서 검출된 위치 정보의 리플 성분이 제거되도록 함으로써 전동기의 회전자 위치를 안정적으로 추정할 수 있도록 하는, 전동기의 회전자 위치 추정 시스템 및 방법을 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전동기의 회전자 위치 추정 시스템
110 : 전동기
120 ~ 124 : 홀 센서
130 : 제1 PLL
140 : 제2 PLL
150 : 제어부

Claims (12)

  1. 전원이 공급되면 회전자를 회전시키는 전동기;
    상기 회전자의 회전 각도를 검출하고, 검출된 회전 각도에 따라 홀(Hall) 신호를 출력하는 하나 이상의 홀 센서;
    상기 하나 이상의 홀 센서로부터 출력된 각 홀 신호를 입력받아 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지되도록 하여 고주파 성분을 감쇠시키는 제1 PLL;
    상기 제1 PLL에서 출력되는 신호에 대해, 홀센서 패턴각을 보상하여 입력받고 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지되도록 하여 고주파 성분을 감쇠시키는 제2 PLL; 및
    상기 하나 이상의 홀 센서로부터 출력된 각 홀 신호가 상기 제1 PLL 및 상기 제2 PLL을 통해 고주파 성분이 감쇠되도록 제어하고, 상기 제2 PLL에서 출력되는 신호에 근거해 상기 회전자의 위치를 추정하는 제어부;
    를 포함하는 전동기의 회전자 위치 추정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 PLL은, 상기 홀센서 패턴각에 대한 입력 신호의 변화 시에 적분값을 제로(0)로 리셋(Reset)시키는 리셋 적분기를 포함하는, 전동기의 회전자 위치 추정 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2 PLL에서 출력되는 신호의 위상(Phase)을 일정 각도 이상으로 이동(Shift)시키고, 위상이 이동된 신호에 근거해 상기 회전자의 위치를 추정하는, 전동기의 회전자 위치 추정 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 홀 센서는, 상기 회전자의 주위에 120도 간격으로 배치되는, 전동기의 회전자 위치 추정 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 하나 이상의 홀 센서는, 상기 회전자의 회전 각도에 따라 서로 다른 위상의 홀(Hall) 신호를 각각 출력하는, 전동기의 회전자 위치 추정 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 3상(U상, V상, W상) 출력을 스위칭하기 위한 3상 스위칭 회로, 및 상기 3상 스위칭 회로 내 스위치 6개의 PWM 듀티 제어를 통해 상기 전동기의 출력 제어를 위한 전류 제어를 실행하는 인버터 제어기를 포함하는, 전동기의 회전자 위치 추정 시스템.
  7. (a) 전동기가 전원의 공급에 따라 회전자를 회전시키는 단계;
    (b) 하나 이상의 홀 센서가 상기 회전자의 회전 각도를 검출하고, 검출된 회전 각도에 따라 홀(Hall) 신호를 출력하는 단계;
    (c) 제1 PLL이 상기 하나 이상의 홀 센서로부터 각 홀 신호를 입력받아 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지시키며 고주파 성분을 감쇠시켜 출력하는 단계;
    (d) 제2 PLL이 상기 제1 PLL에서 출력되는 신호에 대해, 홀센서 패턴각을 보상하여 입력받고 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지시키며 고주파 성분을 감쇠시켜 출력하는 단계; 및
    (e) 제어부가 상기 제2 PLL에서 출력되는 신호에 근거해 상기 회전자의 위치를 추정하는 단계;
    를 포함하는 전동기의 회전자 위치 추정 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 제1 PLL은, 상기 홀센서 패턴각에 대한 입력 신호의 변화 시에 리셋 적분기를 통해 적분값을 제로(0)로 리셋(Reset)시키고 비례 적분(PI)하여 특정 위상으로 유지시켜 고주파 성분이 감쇠된 신호를 출력하는, 전동기의 회전자 위치 추정 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 제어부는, 상기 제2 PLL에서 출력되는 신호의 위상(Phase)을 일정 각도 이상으로 이동(Shift)시키고, 위상이 이동된 신호에 근거해 상기 회전자의 위치를 추정하는, 전동기의 회전자 위치 추정 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 하나 이상의 홀 센서는, 상기 회전자의 주위에 120도 간격으로 배치되는, 전동기의 회전자 위치 추정 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 하나 이상의 홀 센서는, 상기 회전자의 회전 각도에 따라 서로 다른 위상의 홀(Hall) 신호를 각각 출력하는, 전동기의 회전자 위치 추정 방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 (e) 단계 이후에 상기 제어부는, 3상(U상, V상, W상) 출력을 스위칭하기 위한 3상 스위칭 회로를 가진 인버터 제어기를 통해, 상기 3상 스위칭 회로 내 스위치 6개의 PWM 듀티 제어를 통해 상기 전동기의 출력 제어를 위한 전류 제어를 실행하는, 전동기의 회전자 위치 추정 방법.
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