KR20190106432A - 액추에이터 제어장치 - Google Patents

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KR20190106432A
KR20190106432A KR1020180027946A KR20180027946A KR20190106432A KR 20190106432 A KR20190106432 A KR 20190106432A KR 1020180027946 A KR1020180027946 A KR 1020180027946A KR 20180027946 A KR20180027946 A KR 20180027946A KR 20190106432 A KR20190106432 A KR 20190106432A
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임재식
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(주)경인테크
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Abstract

전자계를 생성하는 복수의 권선코일을 가진 고정자 및 고정자에 대해 회전하고 복수의 영구자석을 가진 회전자를 구비한 모터의 제어장치가 개시된다. 제어장치는 회전자의 기준각도위치를 감지하는 모터엔코더와, 모터의 출력단에 연결된 감속기와, 감속기의 출력위치를 감지하는 감속기 엔코더와, 감속기의 출력위치와 회전자의 기준각도위치를 기초로 회전자의 현재각도위치를 추정하고, 추정된 현재각도위치를 기초로 고정자의 전자계 생성을 제어하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 저해상도의 엔코더를 포함하는 모터의 회전자 위치를 정확하게 추정하여 전도익의 정밀한 벡터 제어를 수행함으로써 토크리플을 줄이고 효율을 높일 수 있다.

Description

액추에이터 제어장치{An actuator control device}
본 발명은 저해상도의 엔코더를 가지며 정현파 역기전력을 갖는 영구자석 동기모터를 구비한 액추에이터 제어장치 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 영구자석 동기 모터는 복수의 권선코일들이 내주면을 따라 일정간격으로 배치되어 있는 고정자와 이 고정자의 내측에 동심으로 일정한 공극을 갖도록 배치된 회전자를 포함한다. 회전자는 고정자의 내주로부터 일정한 간격을 유지하며 회전한다. 고정자는 내주를 향해 복수의 치(齒)가 설치되어 있다. 복수의 치(齒)는 각각 코일들이 감겨 있다. 회전자는 내부에 원주방향으로 서로 다른 극을 갖는 복수의 영구자석이 일정한 간격으로 교대로 배치되어 있다.
영구자석 동기 모터의 회전자는 고정자의 권선코일에 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장과 상호작용한다. 고정자 권선코일의 전자계의 극성과 영구자석에 의한 극성이 동일하면 반발력이 발생하고, 극성이 상이하면 흡인력이 발생한다. 회전자는 이러한 반발력과 흡인력에 의해 회전하려고 하는 힘이 발생하고, 결과적으로 회전축을 중심으로 회전하게 된다. 이때, 회전하는 회전자, 즉 영구자석의 정확한 위치를 알아야만 최대 회전력이 발생하는 전자계를 결정할 수 있다. 이와 같이 결정된 전자계는 고정자에 인가되는 전압을 조절하여 전류를 제어함으로써 생성된다. 이를 위해, 영구자석 동기 모터는 회전자의 위치 검출을 위해 엔코더(홀센서 포함)를 사용하고 있다.
액추에이터에 사용되는 영구자석 동기 모터는 경제적인 이유나 공간적 제한 등의 특수한 사정에 의해 적은 수의 홀센서만으로 구성된 저해상도 엔코더를 사용하는 경우가 있다. 한편, 정현파 역기전력을 갖는 영구자석 동기 모터는 소위 식스 스텝(six-step) 구동법을 적용하면 효율이 떨어지기 때문에, 정교한 벡터제어 기법을 적용하는 것이 좋다. 그러나 저해상도의 엔코더(홀센서만 포함)를 가진 영구자석 동기 모터는 벡터제어 기법을 적용하더라도 회전자 위치를 정확하게 검출하기 어렵기 때문에, 토크 리플에 의한 소음과 진동이 발생하고, 효율이 떨어지며 액추에이터의 위치제어 정밀도를 저하시킨다.
본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 저해상도의 엔코더만을 가진 영구자석 동기 모터를 채용하는 액추에이터에 대해 간단한 방법으로 모터 회전자의 위치를 정확하게 알아내어 액추에이터 성능을 개선하는 제어장치를 제공하는데에 있다.
상술한 과제를 달성하기 위한 정현파 역기전력을 갖는 영구자석 동기모터를 구비한 액추에이터의 제어장치를 제공한다. 영구자석 동기모터는 전자계를 생성하는 복수의 권선코일로 이루어진 고정자 및 고정자에 대해 회전하고 복수의 영구자석으로 이루어진 회전자를 구비한다. 액추에이터의 제어장치는, 회전자의 기준각도위치를 감지하는 모터엔코더와, 모터의 출력단에 연결된 감속기와, 감속기의 출력위치를 감지하는 감속기 엔코더와, 감속기의 출력위치와 회전자의 기준각도위치를 기초로 회전자의 현재각도위치를 추정하고, 추정된 현재각도위치를 기초로 고정자의 전자계 생성을 제어하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 제어대상을 제어하기 위해 감속기 출력 측에 장착된 고해상도 엔코더(예를 들면 위치센서)의 출력값을 활용하여 모터의 회전자 위치를 추정함으로써 별도의 부가장치 없이 소프트웨어적 처리만으로 회전자의 위치를 더 정확하게 추정하여 모터를 제어할 수 있다.
감속기엔코더의 해상도(Rr)(감속기 1회전당 엔코더 펄스수)는 다음 식을 만족하여야 한다.
Rr > Rm·N
여기서, N은 상기 감속기의 감속비(감속기 1회전당 모터의 회전수), Rm은 모터엔코더의 해상도이다.
상기 모터 엔코더는 적어도 하나의 홀센서로 이루어질 수 있다.
상기 회전자의 현재각도위치(θm)는 다음 식으로 결정될 수 있다.
θm=θm0 + N·Δθr (여기서, θm0은 회전자의 기준각도위치, N은 감속기의 감속비, Δθr은 회전자의 기준각도위치에 대응하는 감속기의 기준출력위치(θr0)에서 변화된 미소출력변화량)
정현파 역기전력을 갖는 영구자석 동기 모터를 구비한 액추에이터 제어장치는 회전자의 기준각도위치를 감지하는 단계와, 감속기에 의해 상기 모터의 출력을 감속하는 단계와, 감속기의 출력위치를 감지하는 단계와, 감속기의 출력위치와 기준각도위치를 기초로 상기 회전의 현재각도위치를 추정하고, 추정된 현재각도위치를 기초로 고정자의 전자계 생성을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 영구자석 동기 모터는 별도의 부가장치 없이 기존의 감속기 출력 측 엔코더의 출력값을 이용하여 소프트웨어적 처리만으로 회전자의 위치를 더 정확하게 추정함으로써 토크리플을 감소시켜 진동과 소음을 줄일 수 있고, 모터 효율을 높이며 보다 정밀한 위치제어를 실현할 수 있다..
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동기모터와 감속기의 결합구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 동기모터의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 동기모터의 정현파 역기전력 파형이다.
도 4는 3개의 홀센서에 의해 감지되어 출력되는 출력펄스이다.
도 5는 도 2에서 회전자가 미소 이동한 상태를 나타내는 모식도이다.
도 6은 감속기의 회전 상태를 나타내는 모식도이다.
도 7은 감속기 엔코더의 12비트 출력 펄스를 나타내는 도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액추에이터 제어장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 액추에이터 제어방법을 나타내는 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 동기모터를 구비한 액추에이터의 제어장치(100)를 상세히 설명한다.
도 1은 모터(110)와 감속기(120)의 결합상태를 나타낸 사시도이고, 도 2는 모터(130)의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 모터(110)는 구동축(112)에 장착된 모터 구동기어(114)를 포함한다. 구동기어(114)에는 종동기어로서 감속기(120)가 맞물려 있다. 감속기(120)는 모터(110)의 회전에 대해 N:1의 감속비로 회전한다. 감속기(120)는 전술한 회전식 종동기어로만 한정되지 않으며, 예를 들면 선형 왕복 운동하는 볼스크류, 링크 및 기어로 결합된 형태 등이 적용될 수 있다. 감속기(120)는 출력축(122)에 장착된 감속기 구동기어(124)를 포함한다. 감속기 구동기어(124)는 제어대상(1)을 제어하거나 또 다른 종동기어(미도시)에 맞물릴 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 모터(110)는 영구자석 동기식 BLAC(Brushless Alternating Current) 모터로서, 2개의 영구자석(117,118)과 3개의 권선코일을 포함한다. 물론 도 2는 2극 BLAC 모터(110)를 예로 들어 도시하고 있지만 이러한 형태로만 한정되지 않는다.
모터(110)는 전자계를 발생하는 고정자(116), 고정자(116)에 대해 회전 가능하게 내측에 배치된 회전자(119) 및 회전자(119)의 위치를 감지하는 모터엔코더(ME)로서 3개의 홀센서(A,B,C)를 포함한다. 고정자(116)에서 발생된 전자계와 회전자(119)의 영구자석 자계는 상호 작용하여 반발력 또는 흡인력이 발생하고, 그 결과 회전자(119)가 회전할 수 있다.
고정자(116)는 고정자 철심으로 요크(111), 요크(111)의 내주면에서 구동축(112)을 향해 돌출하는 다수의 치(齒)(113), 및 다수의 치(113)에는 감긴 권선코일(115)를 포함한다. 권선코일(115)은 전류가 인가되면 전자계를 발생한다. 도 2에서, 권선코일(115)은 설명의 편의상 집중권으로 나타냈지만, 분포권으로 권선되는 것이 BLAC 모터에 적합하다.
회전자(119)는 원기둥 형상으로 고정자(116)와 동심으로 내측에 공극을 두고 배치된다. 회전자(119)는 구동축(112)을 중심으로 회전한다.
영구자석(117,118)은, 알리코 자석, 훼라이트 자석, 네오디움 자석 또는 사마륨 코발트 자석 중 적어도 하나로 제조된다. 영구자석(117,118)은 N극, S극 영구자석(117,118)으로 구성된다.
영구자석(117,118)은 영구자석의 중앙부를 지나 요크(111) 내면을 향해 최대 자속(m)을 발생시킨다. 이때, 발생된 자속(m)은 고정자(116)의 치(113)에 감겨진 권선코일(115)에 의해 발생된 전자계와 상호 반응한다.
모터엔코더(ME)는 한정되지 않는 3개의 홀센서(A,B,C)로 구성된다. 홀센서(A,B,C)는 영구자석(117,118)의 자계를 감지하여 회전자의 위치를 감지한다. 도 3 및 4는 각각 동기모터(110)의 정현파 역기전력 파형 및 3개의 홀센서(A,B,C)에 의해 감지되는 출력 펄스를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 3개의 홀센서(A,B,C)는 각각 N, S극 자석에 대해 하이(H)와 로우(L) 출력펄스를 생성한다. 이때, 3개의 홀센서(A,B,C)의 출력펄스는 각각 120°의 위상차를 가진다. 이와 같이, 모터엔코더(ME), 즉 3개의 홀센서(A,B,C)에 의해 회전자(영구자석)의 위치를 감지하는 해상도(Rm)는 매우 낮은 6에 불과하다. 여기서 모터엔코더(ME)의 해상도(Rm)는 모터(110)의 1회당 회전자의 위치를 감지하여 출력하는 펄스 수이다.
도 5는 회전자(119)가 홀센서A에서 홀센서B를 향해 Δθm 만큼 이동한 상태를 나타낸다. 영구자석(117)의 자속이 m과 같을 때 주어진 전류로 반시계 방향으로 최대 토크로 구동하기 위해서는 벡터 q와 같이 자속을 발생시켜야 한다. 홀센서(A)에 기반하여 회전자(119) 위치를 추정하면 모터제어부(130)는 자속 p를 발생하도록 제어할 수밖에 없다. 홀센서(A)에 기반한 회전자(119) 위치와 실제 위치와는 Δθm 만큼 차이 나고, 벡터 p에 사상된 성분 r이 토크에 기여한다. 따라서, 모터(110)는 최대토크(q)보다 작은 토크(r)가 발생한다. 결과적으로, 회전자(119)의 미소 이동량(Δθm)을 정확히 알아야만 최대토크를 발생하기 위한 동기적 정밀 벡터제어가 가능하다.
도 6은 도 5에 나타낸 모터(110)의 회전자 위치에 대응하는 감속기(120) 상태를 나타낸 도이다. 감속기(120)는 모터(110)의 회전에 대해 N:1의 감속비를 가진다. 도 6에서, 홀센서(A)에 기반한 회전자(119) 기준각도위치θm0에 대응하는 감속기(120)의 기준출력위치는 θr0이다. 또한, 모터(110)의 회전자(119)의 현재각도위치θm에 대응하는 감속기(120)의 현재출력위치는 기준출력위치θr0에서 Δθr 만큼 이동한 θr이다.
도 7은 감속기엔코더(RE)의 해상도를 나타낸다. 감속기엔코더(RE)는 고해상도, 예를 들면 12비트(4096) 이상으로서 제어대상(1)의 제어를 위해 필수적으로 배치된다. 감속기엔코더(RE)는 광학식, 자기식 엔코더를 비롯하여 레졸버(resolver), 분압기(potentiometer)와 같은 아날로그 형태일 수 있다. 아날로그 식의 감속기엔코더(RE)는 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기가 해상도를 결정한다. 이와 같은 고해상도의 감속기엔코더(RE)는 감속기(120)의 현재출력위치θr, 즉 θr0+Δθr 를 그 해상도에 준하는 만큼 정확하게 감지할 수 있다. 여기서, θr0에 해당하는 회전자의 기준각도위치θm0는 홀센서A에 의해 정확히 알 수 있으므로, Δθr 를 알면 감속비 N:1을 감안하여 현재각도위치θm를 알수 있다. 결과적으로, 회전자의 현재각도위치θm 는 다음 식으로 결정할 수 있다.
θm=θm0 + N·Δθr
여기서, θm0은 회전자의 기준각도위치, N은 감속기의 감속비, Δθr은 회전자의 기준각도위치에 대응하는 감속기의 기준출력위치(θr0)에서 변화된 미소출력변화량이다.
예를들어, 도 2와 같이 모터(110)에 부착된 모터엔코더(ME)가 120° 간격으로 배치된 3개의 홀센서이고, 회전자는 2극이라 할 때, 회전자(119)의 1회전 동안 6개의 홀센서 상태 변화가 발생한다. 따라서 모터엔코더(ME)의 해상도 Rm은 6이다. 예를 들면 12비트의 감속기엔코더(RE)가 감속기(120) 측에 부착되어 있다고 할 때, 감속기엔코더(RE)의 해상도Rr는 4096이다. 이때, 감속기(120)의 감속비 100:1을 고려한 감속기엔코더(RE)의 해상도Rr의 실질 해상도는 40.96(4096/100)으로서, 감속기엔코더(RE)로 모터엔코더(ME)보다 6배 이상 더 정밀하게 회전자의 위치를 추정할 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 액추에이터(100)의 제어장치(100)의 전체적 구조를 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액추에이터 제어장치(100)의 블록도이다. 도시한 바와 같이, 액추에이터 제어장치(100)는 모터(110), 제어대상(1)에 연결된 감속기(120), 및 모터제어부(130)를 포함한다. 모터(110) 및 감속기(120)는 앞에서 상세히 설명하였으므로 그 설명을 생략한다.
모터제어부(130)는 시스템제어부(미도시)의 구동각도명령에 따라 모터홀센서(A,B,C)의 기반으로 한 회전자(119)의 기준각도위치와 감속기엔코더(RE)의 출력위치 정보를 기초로 모터(110)를 동기 제어한다.
모터제어부(130)는 예를 들면 시스템온칩(SoC)과 같은 제어기능을 가진 집적회로, 또는 CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processing Unit)와 같은 범용프로세서로 구현될 수 있다. 범용프로세서는 제어 동작을 수행할 수 있도록 하는 제어프로그램(혹은 명령)을 실행하며, 모터제어부(130)는 제어프로그램이 설치되는 비휘발성의 메모리와, 설치된 제어프로그램의 적어도 일부가 로드되는 휘발성의 메모리를 더 포함할 수 있다.
도 9는 정현파 역기전력을 갖는 영구자석 동기모터(110)를 구비한 액추에이터의 제어장치(100)의 제어 과정을 나타내는 순서도이다.
먼저, 모터엔코더(ME)의 해상도를 Rm, 감속기엔코더(RE)의 해상도를 Rr이라 한다. 여기서 해상도의 단위는 회전자 1회전 당 엔코더 펄스 수이다. 모터(110)의 회전자(119)의 현재각도위치를 θm, 감속기(120)의 현재출력위치 θr라 한다.
단계 S11에서, 모터엔코더(ME), 예를 들면 홀센서A,B,C를 이용하여 상기 회전자(119)의 현재각도위치(θm)를 감지한다. 여기서, 현재각도위치(θm)는 기준각도위치(θm0)에 미소이동량(Δθm)를 더한 값이나, 미소이동량(Δθm)는 홀센서A,B,C로는 알수 없다.
단계 S12에서, 감속기(120)에 의해 상기 모터의 출력을 N: 1로 감속한다.
단계 S13에서, 감속기엔코더(RE)를 이용하여 감속기(120)의 현재출력위치(θr)를 감지한다. 여기서, 현재출력위치(θr)는 기준각도위치(θm0)에 상응하는 기준출력위치(θr0)에 Δθr을 더한 값이다.
단계 S14에서, 감속기의 현재출력위치(θr)를 기초로 상기 회전자의 현재각도위치(θm)를 추정한다. 여기서, 감속기의 현재출력위치(θr)를 기초로 회전자의 현재각도위치(θm)를 추정하기 위해서는 다음 식을 만족하여만 한다.
Rr < N·Rm
여기서, Rm은 모터엔코더(ME)의 해상도, N은 감속기의 감속비, Rr은 감속기엔코더의 해상도이다.
만일, 감속기(120)가 이상적인 특성을 갖는다면, 다음 식을 사용하여 위치를 추정할 수 있다.
θm = N ×θr
여기서, θm은 회전자의 현재각도위치, N은 감속비, θr 은 감속기의 현재출력위치이다.
만일, 감속기(120)가 비이상적인 특성을 가지면, 다음 방법으로 회전자의 현재각도위치(θm)를 추정할 수 있다. 기준각도위치(θm0)로부터 이동한 미소이동량(Δθm)은 다음과 같다.
Δθm = N × Δθr
θm = θm0 + Δθm
= θm0 + N ×Δθr
여기서, θm0은 회전자의 기준각도위치, N은 감속기의 감속비, Δθr은 회전자의 기준각도위치(θm0)에 상응하는 감속기의 기준출력위치(θr0)로부터 변화된 미소출력변화량이다.
요약하면, Rr < N·Rm의 관계식을 만족할 때 θm = θm0 + N ×Δθr 의 관계식을 이용하면 모터엔코더(ME)로 측정하는 것보다 더 정밀하게 회전자(119)의 위치를 추정할 수 있다.
단계 S15에서, 상기 추정된 현재각도위치(θm)를 기초로 상기 고정자의 전자계 생성을 제어하면 최대토크에 가까운 자속을 생성하여 모터(110)의 효율을 향상시킬 수 있고, 더불어 토크리플을 감소시켜 진동과 소음을 줄일 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 한정된 예시적 실시예와 도면을 통해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 예시적 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 예시적 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 모터 제어장치
110: 모터
111: 요크
112: 구동축
113: 치(齒)
114: 모터 구동기어
115: 권선코일
116: 고정자
117,118: 영구자석
119: 회전자
120: 감속기
122: 출력축
124: 감속기 구도기어
130: 모터 제어부
ME: 모터엔코더
RE: 감속기엔코더

Claims (5)

  1. 고정자 및 회전자를 포함하는 정현파 역기전력을 갖는 영구자석 동기모터를 구비한 액추에이터 제어장치에 있어서,
    상기 회전자의 기준각도위치를 감지하는 모터엔코더와;
    상기 동기모터의 출력단에 연결된 감속기와;
    상기 감속기의 출력위치를 감지하는 감속기 엔코더와;
    상기 감속기의 출력위치와 상기 회전자의 기준각도위치를 기초로 상기 회전자의 현재각도위치를 추정하고, 상기 추정된 현재각도위치를 기초로 상기 고정자의 전자계 생성을 제어하는 제어부를 포함하는 액추에이터 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감속기엔코더의 해상도(Rr)(감속기 1회전당 엔코더 펄스수)는 다음 식을 만족하는 액추에이터 제어장치.
    Rr >Rm·N (여기서, N은 상기 감속기의 감속비, Rm은 모터엔코더의 해상도)
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모터 엔코더는 적어도 하나의 홀센서로 이루어지는 액추에이터 제어장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 현재각도위치(θm)는 다음 식으로 결정되는 액추에이터 제어장치.
    θm=θm0 + N·Δθr (여기서, θm0은 회전자의 기준각도위치, N은 감속기의 감속비, Δθr은 회전자의 기준각도위치에 대응하는 감속기의 기준출력위치(θr0)에서 변화된 미소출력변화량)
  5. 고정자 및 회전자를 포함하는 정현파 역기전력을 갖는 영구자석 동기모터를 구비한 액추에이터 제어방법에 있어서,
    상기 회전자의 기준각도위치를 감지하는 단계와;
    상기 동기모터의 출력단에 연결된 감속기에 의해 상기 모터의 출력을 감속하는 단계와;;
    상기 감속기의 출력위치를 감지하는 단계와;
    상기 감속기의 출력위치와 상기 기준각도위치를 기초로 상기 회전자의 현재각도위치를 추정하는 단계와;
    상기 추정된 현재각도위치를 기초로 상기 고정자의 전자계 생성을 제어하는 단계를 포함하는 액추에이터 제어방법.

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