KR20210013102A - 외부 부재를 구동 또는 위치시키기 위한 메카트로닉 어셈블리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모터 제어 유닛에 의해 공급되는 순환비 또는 변조된 주파수로 전원 공급 신호를 수신하기 위한 2선식 연결을 갖는 다상 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터로서, 마이크로 컨트롤러 및 상기 브러시리스 모터의 코일의 전원 공급 신호를 전달하는 전원 스테이지를 포함하는 전자 회로와, 정류기 및 상기 마이크로 컨트롤러와 상기 전자 회로의 연속적인 전원 신호를 전달하기 위한 변조된 신호의 필터링 중 적어도 하나 포함하는 전원 공급 스테이지를 포함하는 액추에이터에 관한 것이다. 상기 전자 회로는 상기 변조된 신호의 상승 에지 및 하강 에지의 시간적 결정에 의해 마이크로 컨트롤러의 외부에 있거나 마이크로 컨트롤러에 통합되는 스테이지를 포함하고, 상기 스테이지는 상기 두 개의 선들 상의 변조된 신호를 분석한 회전 방향 설정값; 목표 로터 위치 설정값; 사전 녹음된 동작의 목표 시퀀스; 및 목표 속도 중 적어도 하나를 제공하며, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 브러시리스 모터 코일에 전력을 공급하는 상기 전원 스테이지로부터의 출력으로 상기 설정값들 및 상기 연속적인 전원 공급 신호에 따라 각 위상의 전원 공급 신호를 제어한다.
Description
본 발명은 메카트로닉스(mechatronics) 분야, 특히 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터에 관한 것이다. 제어 아키텍처(architecture)를 수정하지 않고 현재 솔루션을 개선하면서, 특정 응용 분야에서 브러시 모터를 브러시리스 모터로 대체할 수 있는 방법을 제안한다.
브러시가 일정한 속도로 작동하는 모터는 DC 전압과 온/오프 스위치만 있으면 된다. 속도는 전압을 변경하여 광범위하게 변경된다. 이러한 모터를 사용하는 자동차 응용 분야의 경우, 일 방향 또는 다른 방향으로 전류 흐름을 제어하는 두 쌍의 트랜지스터(transistor)로 구성된 소위 "H-브리지(H-bridge)"와 같은 아키텍처를 가진 전자 제어 유닛(ECU)를 사용함으로써, 양극(bipolar) 전류(음, 양) 및 양 방향 동작을 얻을 수 있는 것이 개시되어 있다.
펄스 폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation)에 의해 변조된 신호로서, 1차 값(일반적으로 배터리 전압에서 0V 스위칭, 일반적으로 12V)을 취하는 구형(rectangular) 신호에 의한 변조로 중간 전압을 생성하는 데 사용되는 신호는 모터의 속도를 제어하는 알려진 일반직인 방식으로 사용된다. 모터 권선은 그 저항과 인덕턴스(inductance)를 통해 저역 통과 필터(low-pass filter)처럼 작동하므로, 고주파 PWM 파형이 권선에서 거의 일정한 전류를 생성할 수 있다. 속도를 더욱 정확하게 조절하기 위해 홀 효과(Hall effect) 센서나 광학 코더(optical coder)와 같은 속도 센서를 추가하여 폐쇄 회로 제어 장치를 구성할 수 있다.
특히 모터의 수명과 그에 따른 성능을 향상시키려는 경우 브러시리스 모터로 변경하는 것이 유리하다. 그런 다음이 단순한 기존 ECU 아키텍처를 통해 모터에 전력을 공급하고 및 제어할 수 있는 것이 바람직하다.
유럽특허 제293208호는, 기존의 ECU 아키텍처를 수정하지 않고(즉, 다른 것을 변경하지 않고) 브러시리스 모터로 브러시 모터를 대체 가능하게 하는 최신 기술로서 공지되어 있다. 제공되는 솔루션은 마이크로 컨트롤러(microcontroller)가 없는 간단한 전자 회로를 통해, 센서에서 로터로의 신호를 통해 트랜지스터를 직접 제어하는 것을 제안한다.
미국특허 제9774279호는 PWM 신호를 제공하는 전원 공급 입력, PWM 신호를 수신하고 합성된 3상 제어 신호를 발행하는 모터, 제어 신호를 수신하고 수신된 제어 신호에 응답하여 액추에이터를 재배치하도록 작동하는 브러시리스 DC 모터, PWM 신호를 수신하는 컨트롤러를 포함하는 액추에이터의 움직임을 제어하기 위한 시스템을 개시하고 있다. 상기 컨트롤러는 PWM 신호의 진폭을 감지하는 진폭 감지 모듈과, PWM 신호의 극성을 감지하는 감지 및 제어 모듈로 구성된다.
유럽특허 제2932088호에 개시된 솔루션은 모터의 최적 성능을 얻으려는 경우 항상 만족스럽지 않다. 실제로, 마이크로 컨트롤러가 없는 단순한 아키텍처와 설명된 단순한 로직 테이블(logic table)들은 전류와 그에 따른 매우 일정하지 않은 토크를 갖는 모터의 작동을 유도하고; 그에 따라 모터의 출력이 영향을 받는다. 또한, 임계 조건(critical conditions)에 도달했을 때(고온, 기계적 정지) 진단 또는 종료 기능을 추가하려는 경우, 이러한 제어를 수행할 수 없다. 또한, 다른 특성들(예컨대, 주파수의 텀)을 가진 PWM 신호를 통해 모터를 제어하려는 경우, 이는 전자 아키텍처로 인해 허용되지 않는다.
미국특허 제9774279호에 공개된 솔루션은 마이크로 컨트롤러를 추가하여 선험적으로 개선할 수는 있으나, 그 설명이 모호하고, 특별히 만족스러운 것은 아니다. 실제로 브러시리스 모터는 ECU에 의해 생성된 PWM 신호의 진폭을 통해 제어된다. 그러나, PWM 신호의 진폭은 배터리가 제공하는 공급 전압의 변화, 과도(transient) 전압 펄스, 전기 기계나, 연결 선 또는 전자 회로 근처에 위치한 부품에서 발생하는 전자기 간섭(electromagnetic interferences )과 같은 손상을 일으킬 수 있다. 이러한 손상을 입으면, 전자 제어 회로에 의해 감지된 신호가 왜곡되고, 브러시리스 DC 모터(BLDC)가 만족스러운 방식으로 제어되지 않게 된다. 이러한 단점들 완화하기 위해, 종래 기술의 솔루션은 디지털 처리에 의한 구형 신호의 재구성을 제안하나, 이러한 디지털 처리는 상당한 계산 자원을 소비하고 추가 전력 소비를 발생시키는 작업이다. 또한, 이 특허에서 모터에 공급되는 신호가 2선식(two-wire) 신호인지 아닌지 여부도 명확하지 않다.
본 발명의 목적은 전압 진폭의 변화에 민감하지 않고 전기 모터의 작동을 최적화시킬 수 있는, 브러시 모터 대신 사용할 수 있는, 집적 전자 회로를 구비한 액추에이터를 제안함으로써, 전술한 문제에 대한 해결책을 제시하는 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 모터 제어 유닛에 의해 공급되는 순환비(cyclic ratio) 또는 변조된 주파수를 갖는 변조된 전력 공급 신호를 수신하기 위한 2선식 연결을 갖는 다상 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터에 관한 것으로서, 상기 액추에이터는 마이크로 컨트롤러 및 상기 브러시리스 모터의 코일의 전력 공급 신호를 전달하는 전원 스테이지를 더 포함하고, 상기 전원 스테이지는 전자 회로의 연속적인 공급 신호를 전달하기 위해 상기 변조된 신호의 정류기 및/또는 필터링을 포함하는 전원 스테이지를 포함하고, 상기 전자 회로는, 다음을 제공하도록 변조된 신호의 상승 에지 및 하강 에지의 시간적 결정에 의해 마이크로 컨트롤러의 외부에 있거나 마이크로 컨트롤러에 통합되는 스테이지를 포함하고:
-상기 두 개의 선들 상의 변조된 신호를 분석한 회전 방향 설정값, 및/또는
-목표 로터 위치 설정값, 및/또는
-사전 녹음된 동작의 목표 시퀀스, 및/또는
-목표 속도,
상기 마이크로 컨트롤러는, 상기 브러시리스 모터의 코일들에 전원을 공급하는 상기 전원 공급 스테이지의 출력으로, 상기 전원 공급 명령들 및 상기 신호에 따라 각 상의 전원 공급 신호를 조절한다.
상기 전력 공급 스테이지는 바람직하게는 2N 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistors)(MOSFET)를 포함하고, 여기서 N은 상기 브러시리스 모터의 위상 수이다.
바람직한 실시예에서, 상승/하강 에지의 검출은 입력 신호에 의한 변조된 신호의 하이 레벨과 로우 레벨 사이의 중간 값에 대응하는 임계값을 통과할 때를 결정함으로써 달성된다.
예를 들어, 상승/하강 에지의 감지는 입력 신호가 공칭 진폭 이하의 20 내지 45% 사이의 상승 임계값을 통과하고, 입력 신호가 공칭 진폭 이상의 55 내지 80% 사이의 하강 임계값을 통과할 때를 결정하여 수행된다.
선택적이지만 제한적이지 않은 방식으로, 모터는 그 출력이 전자 제어 유닛에 연결된 위치 인코더를 작동시키거나, 또는 마이크로 컨트롤러가 전자 제어 유닛으로 전송되는 위치 신호를 시뮬레이션하는 것이 가능하다.
대안적인 실시예에서, 마이크로 컨트롤러는 변조된 신호의 순환비 측정을 수행하여, 순환비에 따른 위치 명령을 해석한다.
또 다른 대안적인 실시예에서, 마이크로 컨트롤러는 변조된 신호의 주파수 측정을 수행하여, 주파수에 따른 위치 명령을 해석한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 비 제한적인 예에 대한 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 설명될 것이다:
-도 1은 본 발명에 따른 액추에이터의 제 1 실시예의 개략적인 개념도이다,
-도 2는 본 발명에 따른 액추에이터의 제 2 실시예의 개략적인 개념도이다,
-도 3은 본 발명에 따른 액추에이터의 제 3 실시예의 개략적인 개념도이다, 그리고
-도 4는 본 발명에 따른 액추에이터의 제 3 실시예의 개략적인 개념도이다.
-도 1은 본 발명에 따른 액추에이터의 제 1 실시예의 개략적인 개념도이다,
-도 2는 본 발명에 따른 액추에이터의 제 2 실시예의 개략적인 개념도이다,
-도 3은 본 발명에 따른 액추에이터의 제 3 실시예의 개략적인 개념도이다, 그리고
-도 4는 본 발명에 따른 액추에이터의 제 3 실시예의 개략적인 개념도이다.
도 1에는 전자 회로(2) 및 절대 위치 인코더(absolute position encoder)(3)와 연결된 브러시리스 모터(1)를 포함하는 액추에이터의 예시적인 실시예가 도시되어 있으며, 상기 인코더는 본 발명의 구현에서 선택적이다.
이 액추에이터는 두 개의 선들(wires)(5, 6)을 통해 전송되는 변조된 PWM 신호를 통해 모터를 제어하는 전자 컴퓨터와 온보드(on-board) 소프트웨어로 구성된 전자 제어 유닛(ECU)(4)으로부터 신호를 수신한다.
전자 제어 유닛은 일반적으로 위치 제어를 제공하는 위치 피드백 센서와 연결된 브러시 모터를 제어하도록 구성된다. 전자 제어 유닛은 일반적으로 단자들(terminals)(5, 6)에서 출력 신호의 극성(polarity)을 제어하는 목적으로 사용되는 H-브리지(7)로 구성되며, 이 신호에는 전력, 토크 또는 속도 및 방향에 대한 정보가 포함된다. H-브리지(7)는 모터 단자들의 전류를 역전시켜 모터의 회전 방향을 역전시키는 것, 모터 단자들의 전압을 변조하여 모터의 속도를 변경하는 것 두 가지 기능을 달성 가능하게 한다.
H-브리지(7)는 인코더(3)의 데이터를 처리하는 회로(9)의 데이터에 따라 폐쇄 루프 서보 제어를 제공하는 PID 조절기(8)로부터 정보를 수신한다. 인코더의 데이터로부터 도출된 폐 루프 서보 제어(closed loop servo-control)는 본 발명에서 필수적인 것은 아니고, 정보 제공을 위해 본원에 기술된다. 또한, 본 발명은 전자 전력 제어 유닛(4)과 관련된 것이 아님을 명시한다.
전자 회로(2)는 2선식(two-wire) 연결을 통해 전자 전력 제어 장치(4)에 연결된 두 개의 단자들(5, 6)을 갖는 입력을 포함하여, 펄스 폭에 따라 변조된 전력 전류를 전달한다. 전자 회로(2)는 추가 전원을 공급하기 위한 단자를 포함하지 않으므로, 2선식 신호는 방향(즉, 모터의 회전 방향), 토크 또는 속도(즉, 모터가 회전해야 하는 속도) 및 전원(신호는 모터 위상에 적용되는 전력을 전달함)에 관한 정보를 포함한다.
이러한 2선식 신호(5, 6)는, 한편으로는 공급 스테이지(10)로 전송되고, 다른 한편으로는 마이크로 컨트롤러(11)로 전송된다. 공급 스테이지(10)는 마이크로 컨트롤러(11) 및 전원 스테이지(12)에 지속적인 전력 공급 신호를 전달하기 위해 정류기(rectifier) 및/또는 필터링(filtering)을 포함한다.
마이크로 컨트롤러(11)는 상승 전압 에지와 하강 전압 에지를 감지하기 위해 두 개의 선들(5, 6)을 통해 전송되는 PWM 신호를 분석하고, 다음을 계산한다:
-상기 두 개의 선들(5, 6)로부터의 신호를 분석한 회전 방향 설정 값, 및/또는
-로터 목표 위치에 대한 설정 값, 및/또는
-사전 기록된 일련의 움직임에 대한 설정 값, 및/또는
-속도 설정 값.
마이크로 컨트롤러(11)의 출력은 명령에 따라 전원 스테이지(12)의 개방 및 폐쇄를 제어한다. 전원 스테이지(12)는 2N 트랜지스터로 구성되며, 이때 N은 모터(1)의 전기 위상 수이다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것처럼 모터 출력이 상대적으로 낮을 때(일반적으로 15W 미만) 전원 스테이지(12)는 마이크로 컨트롤러(11)에 통합될 수 있다.
위치 제어의 해석
액추에이터는 ECU 유닛(4)에서 나오는 PWM 전력 신호를 사용하여 상술한 바와 같이 마이크로 프로세서(11)와 전원 스테이지(12)에 공급한다.
전원 스테이지(12)는 모터의 다양한 작동 프로세스를 제어하기 위해 공급 스테이지(10)에 의해 정류 및/또는 필터링되어 정류된 공급 신호를 상기 브러시리스 모터의 각 위상에 전달한다.
제 1 실시예에 따르면, 위치 명령을 해석하기 위해 PWM의 순환비 측정이 수행된다. 펄스 폭 변조의 순환비는 다음 예시와 같이 다양한 작동 프로세스를 제어하도록 코딩된다:
-85%의 순환비에 대한 교정(calibration) 위치,
-90%의 순환비에 대한 교정 위치,
-95%의 순환비에 대한 교정 위치.
다른 순환비를 선택함으로써 중간 위치 또는 추가 명령이 더해질 수 있다. 일 예로서 제공된 이 실시예에서, 마이크로 컨트롤러는 PWM 신호의 순환비를 해석하도록 구성된다.
제 2 실시예에 따르면, 위치 명령을 해석하기 위해 PWM 주파수의 측정이 수행된다. 펄스 폭 변조 주파수는 다음 예시와 같은 다양한 작동 프로세스를 제어하도록 코딩된다:
-18Khz의 PWM 신호에 대한 닫힌 위치,
-20Khz 신호에 대한 교정 위치,
-22Khz의 PWM 신호에 대한 개방 위치.
다른 주파수를 선택함으로써 중간 위치 또는 추가 명령이 더해질 수 있다. 예로서 제공된 이 실시예에서, 마이크로 컨트롤러는 PWM 신호의 주파수를 해석하도록 구성된다.
공급 스테이지(10)는 전원 스테이지(12)에 직접(추가 처리없이) 공급하기 위해 신호(5, 6)를 필터링하고 가능하면 정류하는 데 사용된다. PWM 주파수와 순환비(예: 90%)는 낮은 값의 커패시터(일반적으로 220μF 미만)를 사용하여 공급 신호를 필터링할 수 있을만큼 충분히 크다.
마이크로 컨트롤러에 의해 수행 가능한 추가 처리
마이크로 컨트롤러(11)를 통합하는 액추에이터를 사용하면 데이터 처리 코드에 의해 작동되는 다음과 같은 추가 기능들을 수행할 수 있다:
-실패 시 기준 위치로의 복귀,
-저속 정지 속도에 도달,
-위치에 따라 로터의 이동 속도를 조정,
-온도 조건에 따른 전류 제어,
-소비 최소화,
-온도 또는 전류 피크에 도달 시 모터 제어를 중단.
대안적인 실시예에 따르면, 모터(1)는 도 3에 도시된 바와 같이 위치 인코더(3)를 포함하지 않는다. 이 경우, 위치 신호는 마이크로 프로세서(11)에 의해 시뮬레이션되고 정보 피드백은 전용 라인(13)을 통해 수행된다.
예를 들어, 센서의 시뮬레이션은 응용 예에서 정지 상태를 검색하는 시점의 위치를 결정함으로써 수행된다. 따라서 위치는 이러한 정지 상태에서 수행되는 모터 스텝의 수를 계산하여 결정될 수 있다.
정보 피드백은, 일반적으로 PWM 유형의 신호에 의해 수행되며, 이는 마이크로 컨트롤러(11)에 의해 전송되고, 예를 들어 PWM 주파수 또는 특정 순환비를 이용하여 정보의 종류를 코딩할 수 있다. 따라서, 전송될 수 있는 다양한 종류의 정보는 예를 들어 설정된 온도 달성, 위치 오류, 기계적 오류, 비정상적인 전류 소비 등이다.
도 4는 본 발명에 따른 액추에이터의 제 4 실시예의 개략적인 개념도이다.
이 실시예에서, 마이크로 컨트롤러(11)는 전원 스테이지(12)를 포함하지만, 외부화된 디코딩 스테이지(14)는 포함하지 않는다. 이 대안은 특히 2선식 입력 신호의 필터를 포함하는 디코딩 기능을 마이크로 컨트롤러로 수행할 수 없는 경우(예: 제어할 전압 레벨이 너무 높을 때) 관심을 가질 수 있다.
디코딩 스테이지(14), 마이크로 컨트롤러(11) 및 전원 스테이지(12)와 같은 다양한 요소가 세 개의 개별 요소인 실시예를 고려하는 것도 가능하다.
Claims (8)
- 모터 제어 유닛(4)에 의해 공급되는 순환비 또는 변조된 주파수로 전원 공급 신호를 수신하기 위한 2선식 연결(5, 6)을 갖는 다상 브러시리스 모터(1)를 포함하는 액추에이터로서,
마이크로 컨트롤러(11), 전원 스테이지(12), 및 전원 공급 스테이지(10)를 포함하는 전자 회로(2)를 더 포함하고,
상기 전원 공급 스테이지(10)는 정류기 및 상기 마이크로 컨트롤러(11)와 상기 전자 회로(2)의 전원 스테이지(12)에 연속적인 전원 신호를 전달하기 위한 변조된 신호의 필터링 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 전자 회로(2)는 상기 변조된 신호의 상승 에지 및 하강 에지의 시간적 결정에 의해 마이크로 컨트롤러(11)의 외부에 있거나 마이크로 컨트롤러(11)에 통합되는 디코딩 스테이지를 포함하고,
상기 디코딩 스테이지는 상기 두 개의 선들 상의 변조된 신호를 분석한 회전 방향 설정값, 목표 로터 위치 설정값, 사전 녹음된 동작의 목표 시퀀스, 및 목표 속도 중 적어도 하나를 제공하며,
상기 마이크로 컨트롤러(11)는 상기 브러시리스 모터(1) 코일에 전력을 공급하는 상기 전원 스테이지(12)의 출력으로, 상기 목표들 및 상기 연속적인 전원 공급 신호에 따라 전원 스테이지(12)를 제어하는 것을 특징으로 하는, 다상 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 전원 스테이지(12)는 2N 전계 효과의 모스 전계 효과 트랜지스터를 포함하고, 상기 N은 상기 브러시리스 모터의 위상 수인 것을 특징으로 하는, 다상 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상승/하강 에지의 검출은, 변조된 신호의 하이 레벨과 로우 레벨 사이의 중간 레벨에 해당하는 임계값의 입력 신호에 의한 통과를 결정함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 다상 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상승/하강 에지의 검출은, 입력 신호가 공칭 진폭의 20% 내지 45% 사이의 레벨에 해당하는 제 1 임계값을 상향 통과하는 것을 결정하고, 입력 신호가 공칭 진폭의 55% 내지 80%의 레벨에 해당하는 제 2 임계값을 하향 통과하는 것을 결정함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 다상 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 모터(1)는 상기 전자 제어 유닛(4)에 그 출력이 연결된 위치 인코더(3)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 다상 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 컨트롤러(11)는 상기 전자 제어 유닛(4)으로 전송되는 위치 신호를 시뮬레이션하는 것을 특징으로 하는, 다상 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로 컨트롤러는 상기 순환비의 함수로서 위치 명령을 해석하기 위해 상기 변조된 신호의 순환비의 측정을 수행하는 것을 특징으로 하는, 다상 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로 컨트롤러는 상기 주파수에 따라 위치 명령을 해석하기 위해 상기 변조된 신호의 주파수의 측정을 수행하는 것을 특징으로 하는, 다상 브러시리스 모터를 포함하는 액추에이터.
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