JP5792788B2

JP5792788B2 - モータの速度制御システム及び方法

Info

Publication number: JP5792788B2
Application number: JP2013243586A
Authority: JP
Inventors: グ・ボン・ヨン
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: KR101387221B1; JP2014110761A; US9030139B2; US20140152203A1

Description

本発明は、モータの速度制御システム及び方法に関し、特に、モータの速度を制御するにあたり、デューティ（ｄｕｔｙ）値と位相（ｐｈａｓｅ）値を同時に制御することにより、モータの効率を最大化することができるモータの速度制御システム及び方法に関する。

モータの速度を制御する方式として、開ループ制御（ｏｐｅｎｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌ）方式及び閉ループ制御（ｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌ）方式がある。開ループ制御方式は、モータの現在速度を検出しないため、周辺の環境変化によって速度制御が正確になされない可能性がある。その反面、閉ループ制御方式は、速度制御が周辺環境に適応的に反応することにより、常に一定の速度を維持することができる。従来は、デューティを用いてモータの速度を制御する方式を用いていたが、モータの特性によって最大効率を実現することができない場合もあった。

図１は従来の閉ループ制御方式のモータの速度制御システムの一例を示す図面である。

図１に図示されたように、従来のモータの速度制御システムは、速度測定部１０７と、比較部１０２と、速度制御部１０３と、制限部１０４と、ＰＷＭ生成部１０５と、を含んで構成される。

上記のような従来のモータの速度制御システムにおいて、ＰＷＭを用いた速度制御の場合、デューティが０％である時に最低速度となり、デューティが１００％である時に最高速度となる。ＰＷＭ生成部１０５がデューティ１００％のＰＷＭをモータ１０６に印加する場合にも、モータ１０６の速度が基準速度１０１に達しない場合には、それ以上速度を制御することができない。通常、デューティ値のみで速度を制御する際に、モータ１０６の最大速度が制限される場合が多い。即ち、速度制御部１０３の制御結果として１００％以上のデューティが出るとしても、物理的に１００％が最大デューティであるため、制限部１０４はデューティ値を０〜１００％の範囲内に制限する。従って、モータの効率を最大化することができないという問題がある。

韓国公開特許公報第１０‐２０１２‐００７６７２４（２０１２．０７．１０．公開）韓国公開特許公報第１０‐２０１０‐００４１７９４（２０１０．０４．２２．公開）

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、モータの速度を制御するにあたり、モータに印加される電流のデューティ（ｄｕｔｙ）値と位相（ｐｈａｓｅ）値を同時に制御することにより、モータの効率を最大化することができるモータの速度制御システム及び方法を提供することをその目的とする。

上記の目的を果たすための本発明によるモータの速度制御システムは、モータに設けられているホールセンサからの信号を受信してモータの現在速度を測定する速度測定部と、前記速度測定部によって測定されたモータの現在速度と基準速度とを比較して誤差を算出する比較部と、前記比較部によって算出された誤差に基づいてモータの速度制御値を出力する速度制御部と、前記速度制御部によって出力された速度制御値を一定範囲の値に制限する制限部と、前記制限部によって制限された一定範囲の値に応じて、モータに印加される電流のデューティを制御するデューティ制御部と、前記制限部によって制限された一定範囲の値に応じて、モータに印加される電流の位相を制御する位相制御部と、前記デューティ制御部によるデューティ制御及び前記位相制御部による位相制御に基づいて、モータ駆動信号を生成してモータに印加するモータ駆動部と、を含むことを特徴とする。

ここで、前記制限部によって制限された速度制御値と前記ホールセンサからの信号に基づいて、モータの速度を制御するためのデューティ制御または位相制御を決定する制御決定部をさらに含むことができる。

また、前記位相制御部による電流の位相制御は、前記ホールセンサからの信号を基準として電流の方向が変わり始めるタイミングを調節することによりなされることができる。

また、前記モータ駆動部は互いに並列に接続された第１単位回路部及び第２単位回路部を含んでおり、前記第１単位回路部は、互いに直列に接続された第１Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及び第１Ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴを含み、前記第２単位回路部は、互いに直列に接続された第２Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ及び第２Ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴを含む。

この際、好ましくは、前記第１Ｐチャンネル型及びＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴと、前記第２Ｐチャンネル型及びＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴの各ソース端子とドレイン端子との間にはダイオードがそれぞれ設けられる。

また、上記の目的を果たすための本発明によるモータの速度制御方法は、速度測定部、比較部、速度制御部、制限部、デューティ制御部、位相制御部及びモータ駆動部を含むモータの速度制御システムによるモータの速度制御方法であって、ａ）前記速度測定部により、モータに設けられているホールセンサからの信号を受信してモータの現在速度を測定する段階と、ｂ）前記比較部により、前記速度測定部によって測定されたモータの現在速度と基準速度とを比較して誤差を算出する段階と、ｃ）前記速度制御部により、前記比較部によって算出された誤差に基づいてモータの速度制御値を出力する段階と、ｄ）前記制限部により、前記速度制御部によって出力された速度制御値を一定範囲の値に制限する段階と、ｅ）前記デューティ制御部により、前記制限部によって制限された一定範囲の値に応じて、モータに印加される電流のデューティを制御する段階と、ｆ）前記位相制御部により、前記制限部によって制限された一定範囲の値に応じて、モータに印加される電流の位相を制御する段階と、ｇ）モータ駆動部により、前記デューティ制御部によるデューティ制御または前記位相制御部による位相制御に基づいて、モータ駆動信号を生成してモータに印加する段階と、を含むことを特徴とする。

ここで、前記段階ｄ）とｅ）及びｆ）の間に、制御決定部により、前記制限部によって制限された速度制御値と前記ホールセンサからの信号に基づいて、モータの速度を制御するためのデューティ制御または位相制御を決定する段階をさらに含むことができる。

上記のような本発明によると、デューティ（ｄｕｔｙ）値と位相（ｐｈａｓｅ）値をモータの速度を制御するフィードバック（ｆｅｅｄｂａｃｋ）値として同時に用いて、モータに印加される電流のデューティ値と位相値を同時に制御することにより、モータの効率を最大化することができる長所がある。

従来の閉ループ制御方式のモータの速度制御システムの一例を示す図面である。本発明の実施形態によるモータの速度制御システムの構成を概略的に示す図面である。図２のモータの速度制御システムのモータ駆動部の内部回路構成を示す図面である。本発明の実施形態によるモータの速度制御方法の実行過程を示すフローチャートである。ホールセンサを用いた単相ＢＬＤＣモータの駆動部のスイッチの駆動信号パターンを示す図面である。デューティ制御と位相制御の組合せの例を概念的に示す図面である。デューティと位相を交互に変えながらモータの速度を制御することを概念的に示す図面である。

本明細書及び請求範囲に用いられた用語や単語は、通常的かつ辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者が自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則にしたがって本発明の技術的思想にかなう意味と概念に解釈されるべきである。
明細書の全体において、ある構成要素を「含む」ということは、特別に反対される記載がない限り、他の構成要素を除くのでなく、他の構成要素をさらに含むことができるということを意味する。また、明細書に記載された「…部」、「…器」、「モジュール」、「システム」などの用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を意味し、これはハードウェアやソフトウェアまたはハードウェア及びソフトウェアの結合により具現されることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図２は本発明の実施形態によるモータの速度制御システムの構成を概略的に示す図面である。

図２を参照すると、本発明によるモータの速度制御システムは、速度測定部２１０と、比較部２０２と、速度制御部２０３と、制限部２０４と、デューティ制御部２０６と、位相制御部２０７と、モータ駆動部２０８と、を含んで構成される。

前記速度測定部２１０は、モータ２０９に設けられているホールセンサ２０９ｓからの信号を受信してモータ２０９の現在速度を測定する。

前記比較部２０２は、前記速度測定部２１０によって測定されたモータ２０９の現在速度と基準速度とを比較して誤差を算出する。

前記速度制御部２０３は、前記比較部２０２によって算出された誤差に基づいてモータ２０９の速度制御値を出力する。

前記制限部２０４は、前記速度制御部２０３によって出力された速度制御値を一定範囲の値に制限する。

前記デューティ制御部２０６は、前記制限部２０４によって制限された一定範囲の値に応じて、モータ２０９に印加される電流のデューティを制御する。

前記位相制御部２０７は、前記制限部２０４によって制限された一定範囲の値に応じて、モータ２０９に印加される電流の位相を制御する。

前記モータ駆動部２０８は、前記デューティ制御部２０６によるデューティ制御及び前記位相制御部２０７による位相制御に基づいて、モータ駆動信号を生成してモータ２０９に印加する。

ここで、前記制限部２０４によって制限された速度制御値と前記ホールセンサ２０９ｓからの信号に基づいて、モータ２０９の速度を制御するためのデューティ制御または位相制御を決定する制御決定部２０５をさらに含むことができる。

また、前記位相制御部２０７による電流の位相制御は、前記ホールセンサ２０９ｓからの信号を基準として電流の方向が変わり始めるタイミングを調節することによりなされることができる。

また、前記モータ駆動部２０８は、互いに並列に接続された第１単位回路部２０８ａ及び第２単位回路部２０８ｂを含んでおり、前記第１単位回路部２０８ａは互いに直列に接続された第１Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１及び第１Ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ２を含み、前記第２単位回路部２０８ｂは互いに直列に接続された第２Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ３及び第２Ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ４を含む。

この際、好ましくは、前記第１Ｐチャンネル型及びＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２と、前記第２Ｐチャンネル型及びＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ３、Ｑ４の各ソース端子とドレイン端子との間にはダイオードがそれぞれ設けられる。

以下、上記の構成を有する本発明によるモータの速度制御システムによるモータの速度制御方法について説明する。

図４は本発明の実施形態によるモータの速度制御方法の実行過程を示すフローチャートである。

図４を参照すると、本発明によるモータの速度制御方法は、上述の速度測定部２１０、比較部２０２、速度制御部２０３、制限部２０４、デューティ制御部２０６、位相制御部２０７及びモータ駆動部２０８を含むモータの速度制御システムによるモータの速度制御方法であって、まず、前記速度測定部２１０により、モータ２０９に設けられているホールセンサ２０９ｓからの信号を受信してモータ２０９の現在速度を測定する（Ｓ４０１）。

次に、前記比較部２０２により、前記速度測定部２１０によって測定されたモータ２０９の現在速度と予め設定された基準速度２０１とを比較して誤差を算出する（Ｓ４０２）。

次に、前記速度制御部２０３により、前記比較部２０２によって算出された誤差に基づいてモータの速度制御値を出力する（Ｓ４０３）。

次に、前記制限部２０４により、前記速度制御部２０３によって出力された速度制御値を一定範囲の値に制限する（Ｓ４０４）。

その後、前記デューティ制御部２０６により、前記制限部２０４によって制限された一定範囲の値に応じて、モータ２０９に印加される電流のデューティを制御する（Ｓ４０５）。

次に、前記位相制御部２０７により、前記制限部２０４によって制限された一定範囲の値に応じて、モータに印加される電流の位相を制御する（Ｓ４０６）。この際、このような位相制御部２０７による電流の位相制御は、前記ホールセンサ２０９ｓからの信号を基準として電流の方向が変わり始めるタイミングを調節することによりなされることができる。

ここで、さらに好ましくは、前記Ｓ４０４とＳ４０５及びＳ４０６の間に、制御決定部２０５により、前記制限部２０４によって制限された速度制御値と前記ホールセンサ２０９ｓからの信号に基づいて、モータ２０９の速度を制御するためのデューティ制御または位相制御を決定する段階をさらに含むことができる。

上記のようにして前記デューティ制御部２０６によるデューティ制御または前記位相制御部２０７による位相制御が完了すると、モータ駆動部２０８により、そのデューティ制御または位相制御に基づいてモータ駆動信号を生成してモータ２０９に印加する（Ｓ４０７）。上記の段階を行うことにより本発明のモータの速度制御方法が終了する。

以下、上記の本発明によるモータの速度制御方法についてより詳細に説明する。

図５はホールセンサを用いた単相ＢＬＤＣモータの駆動部のスイッチの駆動信号パターンを示す図面である。

図５に図示されたように、ホールセンサの出力（ＨＡＬＬＯＵＴＰＵＴ）が変わる瞬間を基準としてＰＯＵＴ１、ＰＯＵＴ２、ＮＯＵＴ１、ＮＯＵＴ２信号を変化させる。本発明の方法による（交番）位相制御は、ホールセンサ信号を基準としてハイ（ｈｉｇｈ）からロー（ｌｏｗ）またはローからハイに交番（ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ）が始まるタイミングを調節することである。通常、位置信号が検出されて交番が始まるまで時間遅延が発生して、電圧を変化させても電流変化はモータのインダクタンスで遅れて増加するため、ホールセンサ信号の出力前に交番を行うと（即ち、パルス入力信号の「ハイ」または「ロー」値を変更させると）、モータの速度が速くなることができる。

従って、本発明によるモータの速度制御方法は、速度を制御するにあたり、デューティ値と位相値を同時に制御することにより効率を最大化することを目的とする。

従来は、制限部がデューティ値を０〜１００％に制限した。本発明によると、位相制御（ｐｈａｓｅｃｏｎｔｒｏｌ）に対する制御値を考慮して、制限部２０４の上限を１００以上にすることができる。

図６はデューティ制御と位相制御の組合せの例を概念的に示す図面である。

図６の（ａ）は、デューティを０〜１００、位相を０〜１００とした場合である。（ｂ）は、制限部２０４の制限範囲を０〜２００とし、デューティ値と位相を組合せた場合を示す。組合せの方法は予め決定された値を基準とすることができる。

図７はデューティと位相を交互に変えながらモータの速度を制御することを概念的に示す図面である。

図７に図示されたように、最初にはデューティ値のみを用いて速度を制御する。その後デューティまたは速度が特定瞬間に到達すると、デューティ値を位相値に変えて速度を制御する。この際、デューティ値と位相の初期値は、モータの特性に応じて適切に設定した後、図７のようにモータの速度制御を行う。

一方、本発明の方法によってデューティ制御と位相制御を行う際に、この二つのうち何れか一つに優先順位を設定して制御を行うことができる。例えば、デューティ制御に優先順位を設定した場合には、先にデューティを調整してモータが最大速度に達すると位相を一段階（１ｓｔｅｐ）調整する。次に、さらにデューティを調整する。モータが最大速度に達すると、さらに位相を一段階調整する。前記図７は、このような制御方式を示す図面である。このようにデューティ値を用いて最大速度（ＲＰＭ）に達した後に位相値を調整すると、モータはさらに速くなることができる。

他の例として、位相制御に優先順位を設定した場合には、先に位相を調整してモータの速度が基準速度または最大速度に達するとデューティ値を調整する。この場合は、先に位相を調整してモータの速度を調整する際に、モータの速度が基準速度に達しないと、デューティ値を用いて微細調整する方式である。

上述したように、本発明によるモータの速度制御方法は、デューティ（ｄｕｔｙ）値と位相（ｐｈａｓｅ）値をモータの速度を制御するフィードバック（ｆｅｅｄｂａｃｋ）値として同時に用いて、モータに印加される電流のデューティ値と位相値を同時に制御することにより、モータの効率を最大化することができる長所がある。

また、デューティ値だけでなく位相値もフィードバックされるため、ホールセンサからの信号のサンプル毎に存在する回転子の位置偏差に関わらず、最適の位相値を検出することができる長所がある。

以上、好ましい実施形態を参照して本発明について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様に変更、応用されることができることは、当技術分野の通常の技術者において自明である。従って、本発明の真の保護範囲は添付の特許請求の範囲により解釈されるべきであり、それと同等な範囲内の全ての技術的思想は本発明の権利範囲に属すると解釈されるべきである。

１０１、２０１基準速度
１０２、２０２比較部
１０３、２０３速度制御部
１０４、２０４制限部
１０５ＰＷＭ生成部
２０５制御決定部
２０６デューティ制御部
２０７位相制御部
２０８モータ駆動部
２０９モータ
１０７、２１０速度測定部
２０９ｓホールセンサ

Claims

モータに設けられているホールセンサからの信号を受信してモータの現在速度を測定する速度測定部と、
前記速度測定部によって測定されたモータの現在速度と基準速度とを比較して誤差を算出する比較部と、
前記比較部によって算出された誤差に基づいてモータの速度制御値を出力する速度制御部と、
前記速度制御部によって出力された速度制御値を一定範囲の値に制限する制限部と、
前記制限部によって制限された一定範囲の値に応じて、モータに印加される電流のデューティを制御するデューティ制御部と、
前記制限部によって制限された一定範囲の値に応じて、モータに印加される電流の位相を制御する位相制御部と、
前記デューティ制御部によるデューティ制御及び前記位相制御部による位相制御に基づいて、モータ駆動信号を生成してモータに印加するモータ駆動部と、
前記制限部によって制限された速度制御値と前記ホールセンサからの信号に基づいて、モータの速度を制御するためのデューティ制御または位相制御を決定する制御決定部と、を含むモータの速度制御システム。
前記位相制御部による電流の位相制御は、前記ホールセンサからの信号を基準として電流の方向が変わり始めるタイミングを調節することによりなされる、請求項１に記載のモータの速度制御システム。
前記モータ駆動部は互いに並列に接続された第１単位回路部及び第２単位回路部を含んでおり、前記第１単位回路部は、互いに直列に接続された第１Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ及び第１Ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴを含み、前記第２単位回路部は、互いに直列に接続された第２Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ及び第２Ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１に記載のモータの速度制御システム。
前記第１Ｐチャンネル型及びＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴと、前記第２Ｐチャンネル型及びＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴの各ソース端子とドレイン端子との間にはダイオードがそれぞれ設けられる、請求項４に記載のモータの速度制御システム。
速度測定部、比較部、速度制御部、制限部、デューティ制御部、位相制御部及びモータ駆動部を含むモータの速度制御システムによるモータの速度制御方法であって、
ａ）前記速度測定部により、モータに設けられているホールセンサからの信号を受信してモータの現在速度を測定する段階と、
ｂ）前記比較部により、前記速度測定部によって測定されたモータの現在速度と基準速度とを比較して誤差を算出する段階と、
ｃ）前記速度制御部により、前記比較部によって算出された誤差に基づいてモータの速度制御値を出力する段階と、
ｄ）前記制限部により、前記速度制御部によって出力された速度制御値を一定範囲の値に制限する段階と、
ｅ）前記デューティ制御部により、前記制限部によって制限された一定範囲の値に応じて、モータに印加される電流のデューティを制御する段階と、
ｆ）前記位相制御部により、前記制限部によって制限された一定範囲の値に応じて、モータに印加される電流の位相を制御する段階と、
ｇ）モータ駆動部により、前記デューティ制御部によるデューティ制御または前記位相制御部による位相制御に基づいて、モータ駆動信号を生成してモータに印加する段階と、
h) 前記段階ｄ）とｅ）及びｆ）の間に、制御決定部により、前記制限部によって制限された速度制御値と前記ホールセンサからの信号に基づいて、モータの速度を制御するためのデューティ制御または位相制御を決定する段階と、を含むことを特徴とするモータの速度制御方法。
前記段階ｆ）での前記位相制御部による電流の位相制御は、前記ホールセンサからの信号を基準として電流の方向が変わり始めるタイミングを調節することによりなされる、請求項５に記載のモータの速度制御方法。
前記段階ｅ）でのデューティ制御と前記段階ｆ）での位相制御を行う際に、この二つのうち何れか一つに優先順位を設定して制御を行う、請求項５に記載のモータの速度制御方法。
前記デューティ制御に優先順位を設定した場合には、先にデューティを調整して予め指定された第１デューティに達するかまたは予め指定された第１モータ速度に達すると位相を一段階調整し、さらにデューティを調整した後、予め指定された第２デューティに達するかまたは予め指定された第２モータ速度に達すると、さらに位相を一段階調整する方式により制御を行う、請求項７に記載のモータの速度制御方法。
前記位相制御に優先順位を設定した場合には、先に位相を調整してモータの速度が基準速度または最大速度に達するとデューティ値を調整する方式により制御を行う、請求項７に記載のモータの速度制御方法。
前記位相を先に調整してモータの速度を調整する際に、モータの速度が基準速度に達しないと、デューティ値を用いて微細調整する方式により制御を行う、請求項９に記載のモータの速度制御方法。