KR20200027717A - 홀 센서의 부착 위치에 따른 오차를 보상하여 구동되는 bldc 전동기 및 이의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

홀 센서의 부착 위치에 따른 오차를 보상하여 구동되는 BLDC 전동기 및 이의 제어 방법이 개시된다. 개시된 BLDC 전동기는 고정자 및 회전자를 포함하고, 구간들 별로 구동이 제어되는 모터; 상기 회전자의 위치를 검출하는 홀 센서들; 상기 홀 센서들에서 각각 출력된 홀 신호들에 기초하여 상기 모터를 구동하기 위한 제어 신호를 산출하는 제어부; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 모터를 구동하는 구동부;를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 홀 신호들에 기초하여 이전 구간들의 동작 시간을 산출하고, 상기 이전 구간들의 동작 시간을 평균하여 현재 구간의 동작 시간을 산출하고, 상기 현재 구간의 동작 시간에 기초하여 상기 현재 구간의 상기 제어 신호를 산출하되, 상기 이전 구간들 각각의 동작 시간은, 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간과 상기 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간에 기초하여 산출된다.

Description

홀 센서의 부착 위치에 따른 오차를 보상하여 구동되는 BLDC 전동기 및 이의 제어 방법{BLDC motor driven by compensating error according to attachment position of all sensor and Method for controlling thereof}

본 발명의 실시예들은 모터가 등가감속도 운동을 수행하는 경우 발생하는 홀 센서의 부착 위치에 따른 오차를 보상하여 구동될 수 있는 BLDC 전동기 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전동기는 고정되어 있고 관통되어 있는 형상의 고정자와, 고정자 내에서 회전하는 회전자의 구조로 이루어져 있다. 소형의 전동기의 경우, 고정자는 주로 영구자석을 사용하고, 회전자에는 코일을 감아 여기에 전류를 흘려 전자석이 되게 해서 고정자와 회전자 간의 상호작용으로 회전하도록 되어 있다.

한편, 최근 반도체의 발달로 영구자석을 회전자로 사용하고 고정자에는 코일을 감아 여기에 전원을 공급하여 고정자들을 순차적으로 자화시킨다. 이에 따라 마치 고정자가 돌아가는 것처럼 하면 여기에 자기적으로 대응하는 회전자도 함께 돌아가게 된다. 이러한 전동기를 BLDC 전동기라 한다.

일반적인 BLDC 전동기에서의 제어 방식은 회전자 정보를 검출하기 위한 기구적인 위치 센서가 필요하다. 일반적으로 저렴한 복수의 홀 센서를 이용하여 회전자의 위치를 6개 구간(Section)으로 구별하여 회전자의 위치를 검출할 수 있다. 홀 센서는 이상적으로 120도의 물리적 간격을 두고 3개가 모터에 배치된다.

도 1에서는 이상적으로 홀 센서가 배치된 경우의 인버터 내의 스위치의 통전 상태 및 동작 구간을 도시하고 있다. 도 1를 참조하면, 홀 센서의 출력 신호인 홀 신호에 따라 구간을 6개로 나누고, 각 구간마다 인버터 내의 6개의 스위치의 온/오프를 제어하여 전류의 흐름을 제어함으로써 회전자가 일정한 방향으로 회전하도록 하여 토크가 발생할 수 있도록 한다.

하지만, 실제로는 기구적인 센서 부착 오차 등으로 인해 홀 센서의 전기적 위상이 정확하게 120도 간격을 유지하며 배치되기는 어렵다. 이는 도 2에 도시된 바와 같다. 따라서, 기구적인 센서 부착 오차 등으로 인하여 스위치의 온/오프 시점이 이상적인 경우 보다 늦거나 빠를 수 있다. 아는 도 3에 도시된 바와 같다. 이 때, 검은 선이 이상적인 신호, 빨간 선이 오차가 포함된 신호이다. 이러한 잘못된 위치 정보로 인하여 인버터의 전류 및 토크 리플이 증가하고, 진동 및 소음도 커질 수 있는 문제점이 있다.

특히, BLDC 전동기의 회전자가 등가감속도 운동을 수행하는 경우, 등가감속도 운동에 따른 시간 오차 등이 누적되며, 이 경우 고속 구간에서 탈조가 발생되어가 운전이 불가능한 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 모터가 등가감속도 운동을 수행하는 경우 발생하는 홀 센서의 부착 위치에 따른 오차를 보상하여 구동될 수 있는 BLDC 전동기 및 이의 제어 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, BLDC 전동기에 있어서, 고정자 및 회전자를 포함하고, 구간들 별로 구동이 제어되는 모터; 상기 회전자의 위치를 검출하는 홀 센서들; 상기 홀 센서들에서 각각 출력된 홀 신호들에 기초하여 상기 모터를 구동하기 위한 제어 신호를 산출하는 제어부; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 모터를 구동하는 구동부;를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 홀 신호들에 기초하여 이전 구간들의 동작 시간을 산출하고, 상기 이전 구간들의 동작 시간을 평균하여 현재 구간의 동작 시간을 산출하고, 상기 현재 구간의 동작 시간에 기초하여 상기 현재 구간의 상기 제어 신호를 산출하되, 상기 이전 구간들 각각의 동작 시간은, 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간과 상기 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기가 제공된다.

상기 이전 구간들 각각의 동작 시간은, 상기 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간의 2배수 값과 상기 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간의 차이 값일 수 있다.

상기 현재 구간의 동작 시간은 아래의 수학식과 같이 표현될 수 있다.

여기서, T(n)는 상기 현재 구간에서의 동작 시간, m는 상기 이전 구간들의 개수, T(n-k)는 상기 이전 구간들의 동작 시간을 각각 의미함.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 홀 센서들 및 구간들 별로 구동이 제어되는 모터를 포함하는 BLDC 전동기의 구동 제어 방법에 있어서, 상기 홀 센서의 신호들에 기초하여 상기 이전 구간의 동작 시간을 산출하고, 상기 이전 구간의 동작 시간을 평균하여 현재 구간의 동작 시간을 산출하는 단계; 상기 현재 구간의 동작 시간에 기초하여 상기 현재 구간의 상기 제어 신호를 산출하는 단계; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 모터를 구동하는 단계;를 포함하되, 상기 이전 구간들 각각의 동작 시간은, 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간과 상기 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 제어 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 모터가 등가감속도 운동을 수행하는 경우 발생하는 홀 센서의 부착 위치에 따른 오차를 보상하여 구동될 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 6개의 구간으로 하나의 회전을 나눌 수 없었던 3개의 홀 신호를 이용하여 360도의 해상도를 구현할 수 있으므로, BLDC 전동기의 정밀 제어가 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 정밀 제어를 위해 사용되었던 엔코더나 레졸버가 없이도 360도의 해상도를 구현할 수 있으며, 정밀한 제어 시퀀스 구현으로 효율을 더 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1는 이상적으로 홀 센서가 배치된 경우의 인버터 내의 스위치의 통전 상태 및 동작 구간을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 홀 센서의 기구적 부착 오차의 개념을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 전동기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 BLDC 전동기의 모터가 등가감속도로 회전하는 경우의 홀 신호 및 회전자의 위치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 전동기의 제어 방법의 흐름도를 도시한 도면이다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 전동기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, BLDC 전동기(400)는 모터(410), 홀 센서(420), 제어부(430) 및 구동부(440)를 포함한다.

모터(410)는 고정자 및 고정자 내부에서 회전하는 구성되며, 3상 전류를 사용하여 구동될 수 있다. 이 때, 고정자에는 코일이 감겨있으며, 회전자는 영구 자석일 수 있다.

홀 센서(420)는 회전자의 위치를 검출하기 위해 모터(410) 내부에 부착하며, 홀 신호를 출력한다. 일례로, 홀 센서(420)는 120도 각도로 3개가 부착될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

제어부(430)는 홀 센서(420)에서 각각 출력된 홀 신호들에 기초하여 모터(410)를 구동하기 위한 제어 신호를 산출한다. 이 때, 제어부(430)는 프로세서에 의해 구현될 수 있다.

구동부(440)는 제어 신호에 기초하여 모터(410)를 구동한다. 이 때, 구동부(440)는 인버터를 포함하며, 인버터 내에는 복수개의 스위치, 일례로 6개의 스위치가 포함된다. 6개의 스위치는 상기한 제어 신호에 기초하여 온/오프가 제어된다.

한편, 상기에서 언급한 바와 같이, 기구적인 센서 부착 오차 등으로 인해 홀 센서(420)의 전기적 위상이 정확하게 120도 간격을 유지하며 배치되기는 어려우며, 스위치의 온/오프 시점이 이상적인 경우 보다 늦거나 빠를 수 있다.

따라서, 종래 기술에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 홀 신호를 통해 결정되는 각 구간의 동작 시간을 MCU 카운터를 이용하여 산출하고, 각 구간을 평균하여 얻은 시간을 이용해 가상의 홀 신호를 만들어 통전하는 방식을 사용하였다.

즉, 홀 센서가 이상적으로 부착되어 있어 있는 경우, 각 구간의 모터의 동작 시간은 동일하며(도 3 참조), 이는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

여기서, n(n는 1 이상이 정수임)는 현재 구간의 시간, n-k(k는 1 이상의 정수임)는 k차의 이전 구간의 시간을, T( )는 특정 구간의 모터의 동작 시간, k+1는 구간의 개수를 각각 의미한다.

이 때, 홀 센서의 부착 위치 오차 등으로 인해 실제적으로 각 구간의 동작 시간은 상이할 수 있으며, 종래 기술의 경우 m차(m는 1 이상의 정수임) 동안의 오차를 포함한 신호를 평균하는 방식으로 오차를 보상한다. 즉, 이전 구간들의 모터의 동작 시간을 평균하여 현재 구간의 동작 시간을 산출하고, 상기 산출된 동작 시간에 기초하여 가상의 홀 신호를 생성하여 모터를 제어할 수 있다. 이에 따라, 모터가 등속으로 회전하는 경우, 각 구간의 시간을 동일하게 만들 수 있다. 이는 아래의 수학식 2과 같이 표현된다.

여기서, m는 현재 구간에서의 동작 시간을 산출하기 위해 필요한 이전 구간의 개수를 각각 의미한다.

그러나, 모터가 등속으로 회전하는 경우에만 상기한 종래의 기술이 적용될 수 있고, 모터가 등가감속도로 회전하는 경우 상기에서 설명한 종래의 평균법을 적용하더라도 오차의 보상이 되지 않으며, 경우에 따라 오차가 누적되어 더 크게 나타날 수 있다.

즉, 등가감속도 구간에서는 현재 구간과 현재 구간의 직전 구간 사이에 가속도만큼 시간 오차가 발생하고, 이러한 시간 오차는 시간이 지날수록 지속적으로 누적되어 발생하게 된다. 따라서, 이러한 오차로 인해 정상 상태에 도달하기 전까지는 전류 리플이 발생하게 된다. 또한, 고속 운전 특성을 필요로 하는 BLDC 전동기에서 기구적 위치 오차가 크면 고속 구간에서 탈조가 발생하거나, 운전이 불가능해질 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 모터가 등가감속도로 회전하는 경우 오차를 보상할 수 있는 방법을 제시한다. 이 때, 아래에서 설명하는 본 발명은 등가감속도 구간뿐만 아니라 등속 구간에서도 역시 적용될 수 있다.

먼저, 제어부(430)는 홀 신호에 기초하여 이전 구간들에서의 동작 시간을 산출한다. 일례로, 제어부(430)는 MCU 카운터를 이용하여 이전 구간의 동작 시간을 산출할 수 있다.

다음으로, 제어부(430)는 이전 구간들의 동작 시간을 평균하여 현재 구간의 동작 시간을 산출한다.

이 때, 이전 구간들 각각의 동작 시간은, 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간과 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간에 기초하여 산출될 수 있다. 보다 정확하게는, 이전 구간들 각각의 동작 시간은, 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간의 2배수 값과 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간의 차이 값과 대응될 수 있다. 일례로, 현재 구간이 n이고, 이전 구간이 n-k인 경우, 이전 구간의 직전 구간은 n-k-1이고, 이전 구간의 직직전 구간은 n-k-2이다.

이에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 5의 (a)는 BLDC 전동기의 모터가 등가감속도로 회전하는 경우의 홀 신호 및 회전자의 위치를 나타낸 도면이고, 도 5의 (b)는 하나의 구간 전의 회전자의 위치를 도 5의 (a)의 회전자의 위치와 중첩되게 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, BLDC 전동기의 모터가 등가감속도로 회전하는 경우 수학식 1과 같은 관계는 만족되지 못하며, 각 구간마다 △t 만큼의 시간 오차가 지속적으로 발생하며, 이러한 성분이 누적되어 누적 오차가 된다. 따라서, 각각의 구간의 시간 오차가 일정하다고 가정하면, 해당 구간의 모터의 동작 시간 및 해당 구간의 직전 구간의 모터의 동작 시간은 아래의 수학식 3과 같은 관계를 가진다.

참고로, △t가 0인 경우, BLDC 전동기의 모터는 등속도 회전을 한다.

이 때, 수학식 3을 참조하면, 각각의 구간의 동작 시간은, 해당 구간의 직전 구간의 동작 시간의 2배수 값과 해당 구간의 직직전 구간의 동작 시간의 차이 값과 대응될 수 있으며, 이는 아래의 수학식 4과 같이 표현될 수 있다.

따라서, 본 발명의 제어부(430)는 △t 만큼의 시간 오차를 반영하기 위해, 현재 구간의 동작 시간에 대응되는 이전 구간들의 동작 시간의 평균값의 산출 시, 이전 구간들의 동작 시간을 "직접" 이용하는 것이 아니라 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간의 2배수 값과 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간의 차이 값을 이용한다.

일례로서, 3개의 이전 구간의 동작 시간을 이용한 현재 구간의 동작 시간은 아래의 수학식 5와 같이 산출될 수 있다.

따라서, 이를 일반화하여 m개의 이전 구간들의 동작 시간을 이용하여 현재 구간의 동작 시간을 산출하면 아래의 수학식 6과 같이 표현된다.

여기서, T(n)는 현재 구간에서의 동작 시간, m는 이전 구간들의 개수, T(n-k)는 이전 구간들의 동작 시간을 각각 의미한다.

한편, 상기에서는 이전 구간들의 동작 시간을 산출하기 위한 직전 구간의 동작 시간 및 직직전 구간의 동작 시간은 홀 신호에 의해 측정된 값을 사용하는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 직전 구간의 동작 시간 및 직직전 구간의 동작 시간은 상기한 내용에 위해 현재 구간의 동작 시간의 산출 이전에 미리 산출된 값을 사용할 수도 있다.

마지막으로, 제어부(430)는 현재 구간의 동작 시간에 기초하여 현재 구간의 홀 신호를 생성하여 제어 신호를 산출한다.

정리하면, 수학식 6을 통해, 본 발명은 기구적인 센서 부착 오차와 등가감속도에 따른 시간 오차를 모두 보상할 수 있다. 또한, 본 발명을 적용하면, 기존의 등가감속도 구간에서 발생하는 토크 리플의 크기를 감소시킬 수 있으며, 그에 따른 시스템 안정화가 가능하다. 그리고, 기존의 6구간으로 밖에 1회전을 나눌 수 없었던 홀 신호 3개를 이용하여 360도의 해상도를 구현해 낼 수 있으므로 BLDC 전동기의 정밀 제어가 가능하다. 기존의 정밀 제어를 위해 사용되었던 엔코더나 레졸버의 값비싼 위치 센서 없이도 360도의 해상도를 구현해 냄으로써 산업에 적용하기 더 적절하며, 정밀한 제어 시퀀스 구현으로 종래의 BLDC 전동기보다 효율도 더 높일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 전동기의 제어 방법의 흐름도를 도시한 도면이다. 이하, 각 단계 별로 수행되는 과정을 설명하기로 한다.

먼저, 단계(610)에서는 홀 센서의 신호들에 기초하여 이전 구간의 동작 시간을 산출하고, 이전 구간의 동작 시간을 평균하여 현재 구간의 동작 시간을 산출한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 현재 구간의 동작 시간을 산출하기 위한 이전 구간들 각각의 동작 시간은, 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간의 2배수 값과 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간의 차이 값과 대응될 수 있다. 그리고, 현재 구간의 동작 시간은 상기의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.

다음으로, 단계(620)에서는 현재 구간의 동작 시간에 기초하여 현재 구간의 제어 신호를 산출한다.

마지막으로, 단계(630)에서는, 제어 신호에 따라 모터를 구동한다.

지금까지 본 발명에 따른 BLDC 전동기의 제어 방법의 실시예들에 대하여 설명하였으며, 이에는 앞서 도 4 내지 도 5에서 설명한 BLDC 전동기(400)에 관한 구성이 그대로 적용될 수 있다. 따라서, 커플링 잡음 전압 산출 방법에 대한 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (5)

1. BLDC 전동기에 있어서,
   고정자 및 회전자를 포함하고, 구간들 별로 구동이 제어되는 모터;
   상기 회전자의 위치를 검출하는 홀 센서들;
   상기 홀 센서들에서 각각 출력된 홀 신호들에 기초하여 상기 모터를 구동하기 위한 제어 신호를 산출하는 제어부; 및
   상기 제어 신호에 따라 상기 모터를 구동하는 구동부;를 포함하되,
   상기 제어부는, 상기 홀 신호들에 기초하여 이전 구간들의 동작 시간을 산출하고, 상기 이전 구간들의 동작 시간을 평균하여 현재 구간의 동작 시간을 산출하고, 상기 현재 구간의 동작 시간에 기초하여 상기 현재 구간의 상기 제어 신호를 산출하되,
   상기 이전 구간들 각각의 동작 시간은, 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간과 상기 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 이전 구간들 각각의 동작 시간은, 상기 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간의 2배수 값과 상기 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간의 차이 값인 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 제어 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 현재 구간의 동작 시간은 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기.
   
   

   

   
   여기서, T(n)는 상기 현재 구간에서의 동작 시간, m는 상기 이전 구간들의 개수, T(n-k)는 상기 이전 구간들의 동작 시간을 각각 의미함.
4. 홀 센서들 및 구간들 별로 구동이 제어되는 모터를 포함하는 BLDC 전동기의 구동 제어 방법에 있어서,
   상기 홀 센서의 신호들에 기초하여 상기 이전 구간의 동작 시간을 산출하고, 상기 이전 구간의 동작 시간을 평균하여 현재 구간의 동작 시간을 산출하는 단계;
   상기 현재 구간의 동작 시간에 기초하여 상기 현재 구간의 상기 제어 신호를 산출하는 단계; 및
   상기 제어 신호에 따라 상기 모터를 구동하는 단계;를 포함하되,
   상기 이전 구간들 각각의 동작 시간은, 해당 이전 구간의 직전 구간의 동작 시간과 상기 해당 이전 구간의 직직전 구간의 동작 시간에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 제어 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 현재 구간의 동작 시간은 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 제어 방법.
   
   

   

   
   
   여기서, T(n)는 상기 현재 구간에서의 동작 시간, m는 상기 이전 구간들의 개수, T(n-k)는 상기 이전 구간들의 동작 시간를 각각 의미함.
   
   

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