KR20210051499A - Bldc 모터 시스템 및 구동 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 BLDC 모터 시스템은, 중심축이 존재하는 통형 공간을 형성하며 상기 중심축에 대한 내면에 자기장을 발생시키는 다수개의 코일부가 형성된 스테이터와; 상기 통형 공간에 위치하며, 상기 중심축에 대한 외면에 다수 개의 극성이 상기 중심축 회전 방향으로 교번하는 고정자석부들이 배치되되, 상기 각 고정자석부와 인접하는 고정자석부의 경계는 상기 중심축에 대하여 소정의 기울기를 가지는 스큐가 형성된 로터를 구비하는 모터; 및
상기 코일부에 모터 구동을 위한 전력을 공급하는 구동 회로와; 상기 구동 회로를 스위칭하여 상기 로터를 회전시키되, 상기 구동 회로에서 상기 코일부로 공급되는 전력이 사인파를 형성하도록 스위칭하는 제어 로직을 구비하는 구동 모듈을 포함할 수 있다.

Description

BLDC 모터 시스템 및 구동 장치{SYSTEM and DRIVING DEVICE for BLDC MOTOR}
본 발명은 중공형 BLDC 모터 및 이를 구동하기 위한 구동 회로를 구비한 중공형 BLDC 모터 시스템에 관한 것으로, 특히, 필요한 코깅토크를 줄이면서도 토크 리플 및 이에 의한 소음을 억제한 중공형 BLDC 모터 시스템에 관한 것이다.
DC 모터에서 브러쉬(Brush)가 부착된 모터는 정류자와 브러쉬의 접촉에 의해서 코일에 전류를 흐르게 함과 동시에 정류시키는 기능을 하지만, 브러쉬가 마모되는 단점을 극복하기 위해 브러쉬가 없는 BLDC 모터(brushless DC electric motor)가 많이 사용된다.
BLDC 모터는 토크가 크고 제어성이 우수할 뿐만 아니라 신속성을 도모할 수 있기 때문에 광범위하게 사용되고 있다. BLDC 모터는 회전자인 로터(rotor)의 위치에 따라서 각각 내전형(inner) 및 외전형(outer) BLDC 모터로 구분된다.
외부 자석형(외전형) BLDC 모터에서의 자속의 주 경로는 회전자의 영구자석에서 진행하여 공극을 통하여 고정자의 스테이터를 통하여 다시 영구자석과 요크의 방향으로 진행하는 자기회로를 형성한다.
내부 자석형(내전형)의 경우에는 코일이 감겨진 스테이터 코어의 다수의 "T형" 코어부가 외부에서 내측방향으로 돌출 형성되어 있고, 각 코어부의 내측 종단부가 일정한 지름의 원을 형성하며, 그 내부의 공간에 회전축을 포함한 원통형 영구자석 혹은 중심에 회전축을 포함하거나 결착될 수 있는 원통형 요크에 링형 영구자석이 부착된 로터가 장착된다. 모터가 회전하는 방식은 상기 외부 자석형과 같다.
이러한 BLDC 모터는 자기회로가 축을 중심으로 레이디얼 방향으로 대칭인 구조를 가지고 있으므로 축방향 진동성 노이즈가 적고, 자로의 방향에 대하여 공극이 차지하는 부분이 극히 적어 성능이 낮은 자석을 사용하거나 자석의 양을 줄여도 높은 자속 밀도를 얻을 수 있으므로 토크가 크고 효율이 높다는 장점을 가지고 있다.
내전형 BLDC 모터는 외전형 BLDC 모터에 비하여 로터의 외경이 작아지므로 관성 모멘트를 작게 할 수 있어 속응이 요구되는 용도에 적합하지만, 영구자석의 기계적 강도나 로터와의 접착 강도의 제한 때문에 고속 회전이 어렵고, 반면 외전형 BLDC 모터의 경우는 로터의 외경이 커서 관성 모멘트가 크지만 로터의 안쪽에 영구자석을 부착할 수 있어 고속용으로 적합하다는 특징을 가지고 있다.
그런데, 로터에는 영구자석이 회전면을 따라 N극과 S극이 교번하는 구조로 형성되는데, N극 영역과 S극 영역의 교차 간극에 의해, 코깅토크가 발생한다. 상기 코깅토크는 특히 저속의 속응이 요구되는 분야에서 사용되는 내전형 BLDC 모터의 경우 초기 기동 제어 및 소비전력 절감에 악영항을 끼친다.
대한민국 특허공보 10-1079050호
본 발명은 초기 기동의 코깅토크를 줄이면서도 토크 리플 및 이에 의한 소음을 억제한 중공형 BLDC 모터 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따른 BLDC 모터 시스템은, 중심축이 존재하는 통형 공간을 형성하며 상기 중심축에 대한 내면에 자기장을 발생시키는 다수개의 코일부가 형성된 스테이터와; 상기 통형 공간에 위치하며, 상기 중심축에 대한 외면에 다수 개의 극성이 상기 중심축 회전 방향으로 교번하는 고정자석부들이 배치되되, 상기 각 고정자석부와 인접하는 고정자석부의 경계는 상기 중심축에 대하여 소정의 기울기를 가지는 스큐가 형성된 로터를 구비하는 모터; 및
상기 코일부에 모터 구동을 위한 전력을 공급하는 구동 회로와; 상기 구동 회로를 스위칭하여 상기 로터를 회전시키되, 상기 구동 회로에서 상기 코일부로 공급되는 전력이 사인파를 형성하도록 스위칭하는 제어 로직을 구비하는 구동 모듈을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 사인파는 상기 스테이터의 코일 중심축이 상기 스큐의 시작점을 통과할 때 0도의 위상을 가질 수 있다.
여기서, 상기 고정자석부와 상기 코일부의 상대적 위치를 판별하기 위한 회전 위치 감지 수단을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 회전 위치 감지 수단은, 상기 스테이터의 상기 통형 공간을 양단에서 폐쇄하는 2 덮개판들 중 하나에, 상기 로터에 구비된 자기 기준점의 접근을 감지하며, 서로 전기각으로 120도의 간격이 유지된 3개의 홀센서를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어 로직은, 상기 상대적 회전 위치에 대한 신호로부터 상기 모터의 회전 속도를 계산하고, 상기 상대적 회전 위치를 보다 정밀하게 계산하여, 상기 계산된 상대적 회전 위치 및 회전 속도에 따라 상기 사인파의 주파수 및 위상을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 스테이터는 총 6개의 코일부들을 구비하며, 상기 로터는 총 4개의 고정자석부들을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 로터는 내측에 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 나선 가이드가 접합될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 BLDC 모터를 구동시키는 BLDC 모터 구동 장치는, 상기 BLDC 모터의 코일부에 모터 구동을 위한 전력을 공급하는 구동 회로; 상기 구동 회로를 스위칭하여 상기 BLDC 모터의 로터를 회전시키되, 상기 구동 회로에서 상기 코일부로 공급되는 전력이 사인파를 형성하도록 스위칭하는 제어 로직; 및 상기 BLDC 모터의 상기 코일부와 상기 로터에 형성된 고정자석부의 상대적 회전 위치에 대한 신호를 수신하는 회전 신호 수신부를 포함하되,
상기 제어 로직은, 상기 상대적 회전 위치에 대한 신호로부터 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 계산하고, 상기 상대적 회전 위치를 보다 정밀하게 계산하여, 상기 계산된 상대적 회전 위치 및 회전 속도에 따라 상기 사인파의 주파수 및 위상을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 회전 신호 수신부는, 상기 BLDC 모터에 소정 이격 각도로 배치된 홀 센서들로부터 on/off 신호를 수신하며,
상기 제어 로직은, 상기 수신한 on/off 신호의 변동시점들의 시간 간격으로부터 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 계산하고, 상기 수신한 on/off 신호의 변동시점으로부터 지나간 기준 시간 간격의 개수로부터 상기 상대적 회전 위치를 보다 정밀하게 계산할 수 있다.
여기서, 상기 제어 로직은, 제어를 중단하였던 상기 BLDC 모터를 초기 구동시에는, 상기 on/off 신호의 변동시점이 하나 또는 2개가 도달할 때까지, 상기 코일부로 공급되는 전력이 직류를 형성하도록 스위칭할 수 있다.
상술한 구성에 따른 본 발명의 BLDC 모터 시스템을 실시하면, 초기 기동의 코깅토크를 줄이면서도 토크 리플 및 이에 의한 소음을 억제할 수 있는 이점이 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 스테이터 부분과 로터 부분을 도시한 단면도.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 로터 외면에 형성된 스큐 구조를 도시한 평면도.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 모듈의 구동 회로 및 제어 로직을 개략적으로 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 사상에 따른 BLDC 모터에 적용될 수 있는 회전 위치 감지 수단의 일 실시예를 도시한 평면도.
도 4는 도 3의 홀센서들(HA, HB, HC)의 on/off 신호 조합들로부터 회전 속도 및 정밀한 회전 위치를 계산하는 과정을 도시한 개념 흐름도.
도 5는 도 5의 정밀한 회전 위치를 계산하는 과정들에 대한 상세 흐름도.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 사인파 제어의 수식적 정의들에 대한 사인파와의 관계를 나타낸 개념도.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 중공형 BLDC 모터 시스템의 적용례를 보여주는 사시도.
도 8a 및 8b는 본 발명의 사상에 따른 중공형 BLDC 모터 시스템의 개선된 기능을 설명하기 위해, 종래기술 및 본 발명의 모터 구동시 역기전력과 토크를 나타낸 그래프.
도 9a 및 9b는 상술한 토크 리플 억제 효과를 실제 중공형 BLDC 모터를 구동시키는 MOSFET 스위치 소자의 전류 흐름으로 살펴본 검측 파형도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 BLDC 모터 시스템은, 내부에 스큐가 적용된 고정자석부가 형성된 로터가 회전하는 내전형/중공형 BLDC 모터; 및 상기 BLDC 모터를 사인파 형태의 구동 전력을 인가하여 구동시키는 구동 모듈을 포함한다. 상기 구동 모듈은 독립된 제품인 경우 구동 장치라고 표현할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 스테이터(120) 부분과 로터(140) 부분에 대한 도시한 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 로터(140) 외면에 형성된 스큐 구조를 도시한 것이다. 도시한 바와 같이 로터의 N극 고정자석부(142N)와 S극 고정자석부(142S)의 경계는 축방향에 대하여 소정 각도로 기울기를 가진다.
도시한 BLCD 모터는, 중심축이 존재하는 통형 공간을 형성하며 상기 중심축에 대한 내면에 자기장을 발생시키는 다수개의 코일부들(122)이 형성된 스테이터(120); 및 상기 통형 공간에 위치하며, 상기 중심축에 대한 외면에 다수 개의 극성이 상기 중심축 회전 방향으로 교번하는 고정자석부들(142)이 배치되되, 상기 각 고정자석부와 인접하는 고정자석부의 경계는 상기 중심축에 대하여 소정의 기울기를 가지는 스큐가 형성된 로터(140)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 BLCD 모터는 상기 스테이터(120)와 상기 로터(140)의 상대적인 회전 위치, 보다 구체적으로는 상기 각 코일부와 상기 각 고정자석부(142N, 142S)의 상대적인 회전 위치를 감지하기 위한 회전 위치 감지 수단을 더 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 스테이터(120)의 상기 통형 공간을 양단에서 폐쇄하는 2 덮개판들 중 하나에, 상기 로터(140)에 구비된 자기 기준점의 접근을 감지하는 3개의 홀센서(각 홀센서는 서로 전기각으로 120도 간격을 유지)를 형성할 수 있다. 여기서, 전기각(electrical angle)은 “사인파 교류에서 공간각에 관계없이 한 사이클의 각을 360도로 정하고 이것을 기준으로 하여 표시하는 각”을 의미하는 것으로, 도시한 바와 같이 6개의 코일부와 4개의 고정자석부를 구비한 경우, 전기각으로 120도 간격은, 기계적으로는 60도의 간격이 됨을 알 수 있다.
도시한 스테이터(120)는 총 6개의 코일부(122)들을 구비한다. 상기 코일부(122)들은 도시한 바와 같이 스테이터 프레임에 연속된 보빈에 코일이 감겨진 형태로 구현하는 것이 현재는 일반적이지만, 다른 구현에서는 루프 코어 등 다른 동적 자계 생성 수단을 이용할 수도 있다. 상기 코일부(122)는 상기 구동 모듈이 공급하는 구동 전력에 의해 발산하는 자계의 극성 및 크기가 결정된다.
도시한 로터(140)는 총 4개의 고정자석부를 구비한다. 도면에서는 상기 고정자석부(142N, 142S)로서 자성 입자들이 착자되어 형성된 것을 표현하였지만, 다른 구현에서는 막대형/판형 영구자석들의 조합으로 구현하거나, 전자석으로 구현할 수도 있다. 상기 고정자석부(142N, 142S)는 전자석으로 구현한 경우에도 극성이 일정하게 유지된다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 모듈의 구동 회로 및 제어 로직을 개략적으로 도시한 것이다.
도시한 구동 모듈은, 상기 코일부(122)에 모터 구동을 위한 전력을 공급하는 구동 회로(300); 및 상기 구동 회로를 스위칭하여 상기 로터를 회전시키되, 상기 구동 회로(300)에서 상기 코일부(122)로 공급되는 전력이 사인파를 형성하도록 스위칭하는 제어 로직(200)을 포함할 수 있다. 여기서, 제어 로직은 구동IC/제어IC 상에서 동작하는 펌웨어, 소프트웨어, 논리소자연결과, 디지털/아날로그 제어 회로로 구현될 수 있으며, 이들을 모두 포함하는 개념으로 사용한다.
한편, 상기 구동 회로(300) 및 제어 로직(200)으로 이루어진 구동 모듈은, 모터(100)와 별도로 독립된 BLDC 모터 구동 장치로 실시될 수 있으며, 이러한 독립된 BLDC 모터 구동 장치의 경우, 본 발명의 BLDC 모터를 구동하는데 사용되는 것이 적합하지만, 공지 기술의 BLDC 모터나 향후 개발될 BLDC 모터를 구동하는데 이용될 수도 있음은 물론이다.
상술한 관점의 BLDC 모터를 구동시키는 BLDC 모터 구동 장치는, 상기 BLDC 모터의 코일부에 모터 구동을 위한 전력을 공급하는 구동 회로(300); 상기 구동 회로를 스위칭하여 상기 BLDC 모터의 로터를 회전시키되, 상기 구동 회로에서 상기 코일부로 공급되는 전력이 사인파를 형성하도록 스위칭하는 제어 로직(200); 및 상기 BLDC 모터의 상기 코일부와 상기 로터에 형성된 고정자석부의 상대적 회전 위치에 대한 신호를 수신하는 회전 신호 수신부(280)를 포함한다.
여기서, 상기 제어 로직(200)은, 상기 상대적 회전 위치에 대한 신호로부터 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 계산하고, 상기 상대적 회전 위치를 보다 정밀하게 계산하여, 상기 계산된 상대적 회전 위치 및 회전 속도에 따라 상기 사인파의 주파수 및 위상을 조절하는 개선된 기능을 수행한다.
이를 위해, 상기 제어 로직(200)은, 상기 상대적 회전 위치에 대한 신호로부터 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 계산하는 현재 속도 계산부(260); 상기 상대적 회전 위치에 대한 신호로부터 상기 상대적 회전 위치를 보다 정밀하게 계산하는 위치 정밀 계산부(240); 및 상기 계산된 상대적 회전 위치 및 회전 속도에 따라 결정된 주파수 및 위상으로 상기 사인파가 형성될 수 있도록 상기 구동 회로(300)에 대한 구동 신호를 출력하는 구동 신호 출력부(220)를 포함할 수 있다.
도면에서는 상기 회전 신호 수신부(280)도 상기 제어 로직(200)에 포함된 것으로 표현하였는데, 이는 상기 현재 속도 계산부(260), 위치 정밀 계산부(240), 구동 신호 출력부(220)와 함께 마이컴의 내부 기능 블록들로 구현될 수 있으며, 이러한 구현 방식이 실시에 있어 용이함을 반영한 것이다.
상기 회전 신호 수신부(280)는 BLDC 모터로부터 상대적 회전 위치에 대한 신호를 수신하는 바, 먼저, BLDC 모터에서 로터의 고정자석부와 스테이터의 코일부의 상대적 회전 위치를 감지하는 회전 위치 감지 수단을 살펴보겠다.
상기 제어 로직(200)은, 상기 사인파(SIN PWM)는 상기 스테이터의 코일(122) 중심축이 상기 스큐의 시작점을 통과할 때 0도의 위상을 가지도록 제어한다.
도 3은 본 발명의 사상에 따른 BLDC 모터에 적용될 수 있는 회전 위치 감지 수단의 일 실시예를 도시한다.
도시한 회전 위치 감지 수단은, 상기 스테이터(120)의 상기 통형 공간을 폐쇄하는 전면 덮개판에, 상기 로터(140)에 구비된 자기 기준점의 접근을 감지하는 3개의 홀센서(HA, HB, HC)로 구현한 것이다. 여기서, HA 홀센서와 HB 홀센서, HB 홀센서와 HC 홀센서는 전기각으로 120도의 회전 간격을 가지고 있다.
상기 홀센서들(HA, HB, HC)은 스테이터에 고정되어 있으면서, 회전하는 로터에 구비된 자기 신호 발생 수단으로부터의 자기를 감지한다. 상기 로터에 별도의 영구자석 등 자기 신호 발생 수단을 구비할 수도 있지만, 4개로 분할되며 착자되어 형성된 상기 고정자석부에서 발생되는 자기 신호를 감지할 수 있다.
후자의 경우, 상기 홀센서들(HA, HB, HC)은 원통형 스테이터의 말단에 위치하므로, 해당 말단의 자극 변경점이 앞서는 방향으로 로터가 회전하는 경우, 스큐가 형성된 로터의 스큐 시작 시점에서 on/off 신호의 트랜지션이 발생한다.
후자의 경우, 상기 로터의 회전 각도에 따른 상기 홀센서들(HA, HB, HC)의 on/off 신호 조합은 하기 표 1과 같다.
Figure pat00001
상기 표에서 CW는 시계방향 회전에 대한 각도을 의미하며, CCW는 반시계방향 회전에 대한 각도를 의미한다.
그런데, 상술한 상기 홀센서들(HA, HB, HC)의 on/off 신호들의 조합으로는 60도 단위로만 회전 각도가 감지됨을 알 수 있다.
상기 홀센서들(HA, HB, HC)의 on/off 신호 조합들로부터 보다 정밀한 회전 위치를 계산하는 방안을 제시하겠다.
도 4는 상기 홀센서들(HA, HB, HC)의 on/off 신호 조합들로부터 회전 속도 및 정밀한 회전 위치를 계산하는 과정을 도시한 개념도이며, 도 5는 상기 과정들에 대한 흐름도이다.
도시한 S100 단계에서는 소정의 모니터링 시간 간격(예: 1msec)으로 상기 홀센서들의 신호들을 독출하거나, 상기 홀센서로부터의 신호 변경을 대기하는 방식으로 수행될 수 있다. 한편, 보다 정밀한 위치 계산을 위해, 홀센서들 신호의 트랜지션 이후 상기 모니터링 시간 간격의 개수를 카운트한다.
도시한 S200 단계에서는 PWM의 듀티비로 사인파의 위상을 표시할 수 있다. 예컨대, 도 2a의 출력 회로(300)를 공지의 BLDC 모터 구동용 칩을 적용하는 경우, 상기 출력 회로(300)에 인가되는 사인파를 표현하는 PWM의 듀티비를 조절하여, 상기 출력 회로(300)가 출력할 구동 전력 사인파의 위상을 지시할 수 있다.
도시한 S300 단계에서는 상기 PWM의 듀티비로 표현된 위상에 맞는 사인파 형태의 모터 구동 전력을 출력한다.
도시한 S100 단계에서는 소정의 제어 시간 간격(예: 1msec)으로 상기 출력 회로(300)가 출력할 구동 전력 사인파의 위상을 지시할 수 있다. 상기 모니터링 시간 간격과 제어 시간 간격은 서로 동일한 것이 구현이 용이하지만, 서로 달라도 무방하다.
도시한 S100 단계에서는 도 5에 도시한 BLDC 모터 구동 동작 개시 단계(S110)에 의해 개시될 수 있으며, S100 단계에서 상기 홀센서들의 신호들을 접수하면서, 도 5에 도시한 상기 소정의 모니터링 시간 간격을 카운팅하는 단계(S120)를 수행할 수 있다.
상기 홀센서 신호들의 트랜지션 이후 상기 카운트된 모니터링 시간 간격의 개수에, 현재 파악된 회전 속도에 의해 60도 회전에 소요되는 모니터링 시간 간격의 개수로 60도를 나눈 단위 각도를 곱하여, 상기 표 1에서 판별된 위상각도에 추가할 각도를 산출할 수 있다.
이를 위해, 도 2a의 상기 회전 신호 수신부(280)는, 상기 BLDC 모터에 소정 이격 각도로 배치된 홀 센서들로부터 on/off 신호를 수신하며, 상기 제어 로직(200)은, 상기 수신한 on/off 신호의 변동시점들의 시간 간격으로부터 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 계산하고, 상기 수신한 on/off 신호의 변동시점으로부터 지나간 기준 시간 간격의 개수로부터 상기 상대적 회전 위치를 보다 정밀하게 계산한다.
상술한 상대적 회전 위치 정밀 계산은 BLDC 모터를 초기 구동시 상기 on/off 신호의 변동시점이 하나가 도달할 때 개시되어 변동시점이 2개가 도달할 때까지 수행된다. 이 구간에서는 토크 리플도 약하므로 빠른 모터 기동을 위한 구현의 경우, 상기 제어 로직(200)은, 제어를 중단하였던 상기 BLDC 모터를 초기 구동시에는, 상기 on/off 신호의 변동시점이 하나 또는 2개가 도달할 때까지, 상기 코일부로 공급되는 전력이 직류를 형성하도록 스위칭할 수 있다.
상술한 정밀 회전 위치(위상각도) 산출 과정이 도시한 S200 단계에서 수행되며, 도 5에 도시한 바와 같이, 표 1에서 도출한 위상에 추가될 위상을 계산하는 단계(S210); 이후 홀센서 신호들의 트랜지션이 발생되기 전까지 계산된 위상만큼 사인파(구동 전력 파형)의 위상을 증가시키는 단계(S240); 및 홀센서 신호들의 트랜지션이 발생되면 표 1에서 도출한 위상으로 사인파를 위치보상하는 단계(S230)로 세분화할 수 있다.
상술한 S200 단계에 의해 구해지는 속도, 주기, 분해능, 추가 위상에 대한 수식적 정의들을 나타내면 하기 표 2와 같다.
Figure pat00002
상기 표 2의 수식적 정의들에 대한 사인파와의 관계를 나타내면 도 6과 같다.
도시한 S300 단계는, 상기 S200 단계에서 산출된 위상의 사인파 형태의 전력으로 BLDC 모터를 구동하는 단계(S310); 상기 제어 시간 간격 동안 BLDC 모터에 대한 정지(구동 중단) 지시의 접수 여부를 확인하는 단계(S320); 정지 지시에 따라 BLDC 모터 구동을 중단하는 단계(S330)로 세분화할 수 있다. 상기 S320 단계에서 정지 지시가 없으면 상기 S115 단계로 복귀할 수 있다. 만약, 상기 모니터링 시간 간격과 제어 시간 간격이 동일하면, 복귀한 S115 단계에서 바로 다음 시간 간격에 대한 위상 계산 단계(S210)가 수행된다.
한편, 상술한 것과 반대 방향으로 회전하는 경우, 스큐의 종료 지점에서 상기 홀센서들(HA, HB, HC)의 신호가 트랜지션하므로, 스큐 영역 통과 시간 동안 앞선 행태로 사인파를 생성하도록 제어한다.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 중공형 BLDC 모터 시스템의 적용례를 보여준다.
도시된 바와 같이, 중공형 BLDC 모터 시스템은 자동차 시트의 전후 이동 장치로서 적용될 수 있으며, 시트를 플로어에 장착시키는 슬라이드 레일(600)의 내부에 슬라이드 레일(600)의 어퍼레일(620)을 전후 이동시키도록 차량의 레일상에 내장되는 중공형 BLDC 모터(100)와, 상기 중공형 BLDC 모터(100)를 제어하도록 차량에 내장되는 출력 회로(300) 및 제어 로직(200)의 형태로 구현되었다.
도시한 적용례의 중공형 BLDC 모터(100)의 로터는 내측에 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 나선 가이드가 접합되어, 상기 슬라이드 레일(600)의 어퍼레일(620)을 전후 이동시킬 수 있다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 사상에 따른 중공형 BLDC 모터 시스템의 개선된 기능을 설명하기 위해, 종래기술 및 본 발명의 모터 구동시 역기전력과 토크를 나타낸 그래프이다.
로터에 스큐를 적용한 경우, 역기전력은 파형도의 실선으로 나타낸 바와 같이 사인파와 유사한대, 도 8a와 같이 종래기술의 구형파 3상 상전류로 모터를 구동하면, 토크에 리플이 발생한다.
반면, 도 8b와 같이 본 발명 제안에 따라 사인파 3상 상전류로 모터를 구동하면, 토크에 리플이 억제되고 일정한 토크를 발생시킴을 알 수 있다.
도 9a 및 9b는 상술한 토크 리플 억제 효과를 실제 중공형 BLDC 모터를 구동시키는 MOSFET 스위치 소자의 전류 흐름으로 살펴본 것이다. 도 9b와 같이 종래기술의 구형파 3상 상전류로 모터를 구동하면, MOSFET 스위치에 흐르는 전류도 구형파 형태를 나타내며, 도 8b와 같이 본 발명 제안에 따라 사인파 3상 상전류로 모터를 구동하면 MOSFET 스위치에 흐르는 전류도 사인파 형태를 나타냄을 알 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 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.
122 : 코일부 120 : 스테이터
140 : 로터 200 : 제어 로직
220 : 구동 신호 출력부 240 : 위치 정밀 계산부
260 : 현재 속도 계산부 280 : 회전 신호 수신부
300 : 구동 회로

Claims (10)

  1. 중심축이 존재하는 통형 공간을 형성하며 상기 중심축에 대한 내면에 자기장을 발생시키는 다수개의 코일부가 형성된 스테이터와;
    상기 통형 공간에 위치하며, 상기 중심축에 대한 외면에 다수 개의 극성이 상기 중심축 회전 방향으로 교번하는 고정자석부들이 배치되되, 상기 각 고정자석부와 인접하는 고정자석부의 경계는 상기 중심축에 대하여 소정의 기울기를 가지는 스큐가 형성된 로터
    를 구비하는 모터; 및
    상기 코일부에 모터 구동을 위한 전력을 공급하는 구동 회로와;
    상기 구동 회로를 스위칭하여 상기 로터를 회전시키되, 상기 구동 회로에서 상기 코일부로 공급되는 전력이 사인파를 형성하도록 스위칭하는 제어 로직
    를 구비하는 구동 모듈
    을 포함하는 BLDC 모터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사인파는 상기 스테이터의 코일 중심축이 상기 스큐의 시작점을 통과할 때 0도의 위상을 가지는 BLDC 모터 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고정자석부와 상기 코일부의 상대적 위치를 판별하기 위한 회전 위치 감지 수단을 더 포함하는 BLDC 모터 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회전 위치 감지 수단은,
    상기 스테이터의 상기 통형 공간을 양단에서 폐쇄하는 2 덮개판들 중 하나에, 상기 로터에 구비된 자기 기준점의 접근을 감지하며, 서로 전기각으로 120도의 간격이 유지된 3개의 홀센서
    를 포함하는 BLDC 모터 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어 로직은, 상기 상대적 회전 위치에 대한 신호로부터 상기 모터의 회전 속도를 계산하고, 상기 상대적 회전 위치를 보다 정밀하게 계산하여, 상기 계산된 상대적 회전 위치 및 회전 속도에 따라 상기 사인파의 주파수 및 위상을 조절하는 BLDC 모터 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터는 총 6개의 코일부들을 구비하며,
    상기 로터는 총 4개의 고정자석부들을 구비하는 BLDC 모터 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 로터는 내측에 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 나선 가이드가 접합된 BLDC 모터 시스템.
  8. BLDC 모터를 구동시키는 BLDC 모터 구동 장치에 있어서,
    상기 BLDC 모터의 코일부에 모터 구동을 위한 전력을 공급하는 구동 회로;
    상기 구동 회로를 스위칭하여 상기 BLDC 모터의 로터를 회전시키되, 상기 구동 회로에서 상기 코일부로 공급되는 전력이 사인파를 형성하도록 스위칭하는 제어 로직; 및
    상기 BLDC 모터의 상기 코일부와 상기 로터에 형성된 고정자석부의 상대적 회전 위치에 대한 신호를 수신하는 회전 신호 수신부를 포함하되,
    상기 제어 로직은, 상기 상대적 회전 위치에 대한 신호로부터 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 계산하고, 상기 상대적 회전 위치를 보다 정밀하게 계산하여, 상기 계산된 상대적 회전 위치 및 회전 속도에 따라 상기 사인파의 주파수 및 위상을 조절하는 BLDC 모터 구동 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 회전 신호 수신부는, 상기 BLDC 모터에 소정 이격 각도로 배치된 홀 센서들로부터 on/off 신호를 수신하며,
    상기 제어 로직은, 상기 수신한 on/off 신호의 변동시점들의 시간 간격으로부터 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 계산하고,
    상기 수신한 on/off 신호의 변동시점으로부터 지나간 기준 시간 간격의 개수로부터 상기 상대적 회전 위치를 보다 정밀하게 계산하는 BLDC 모터 구동 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어 로직은,
    제어를 중단하였던 상기 BLDC 모터를 초기 구동시에는, 상기 on/off 신호의 변동시점이 하나 또는 2개가 도달할 때까지, 상기 코일부로 공급되는 전력이 직류를 형성하도록 스위칭하는 BLDC 모터 구동 장치.
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