KR100425012B1 - 브러시리스 직류전동기의 회전자 위치 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브러시리스 직류전동기의 회전자 위치 검출 장치에 관한 것으로서, 특히 극 위치 센서를 구비하여 회전자의 위치를 나타내는 위치 정보 신호를 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류전동기의 회전자 위치 검출 장치에 관한 것이다.

본 발명인 브러시리스 직류전동기의 회전자 위치 검출 장치는 N극과, S극이 교번하는 M개의 극이 링형으로 일체로 이루어진 자석과, 상기 자석을 보호하고 지지하며, 전동기 축에 연결된 자석 홀더로 구성된 회전자부와; 상기 회전자부로부터 일정한 거리만큼 분리되어, 상기 자석의 자속을 감지하여 상기 회전자부의 위치에 관한 위치 정보 신호를 생성시키기 위해 직류전동기 고정자 권선의 상 수만큼의 극 위치 센서용 회로들로 구성된 고정자부로 구성된다.

Description

브러시리스 직류전동기의 회전자 위치 검출 장치{APPARATUS FOR POSITION DETECTION OF ROTOR FOR BLDCM}

본 발명은 브러시리스 직류전동기의 회전자 위치 검출 장치에 관한 것으로서, 특히 극 위치 센서를 구비하여 회전자의 위치를 나타내는 위치 정보 신호를 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류전동기의 회전자 위치 검출 장치에 관한 것이다.

브러시리스(brushless) 직류 전동기는 반드시 회전자의 위치를 검출하여야 전원을 인가하는 순서를 정할 수 있기 때문에, 상기 위치 검출 장치는 필수적이다. 지금까지 사용되어져 온 위치 검출 장치는 엔코더, 리졸버, 타코 제너레이터(Tacho Generator) 등이 있다. 상기 엔코더는 검출 방식에 따라 광학 방식, 자기 방식, 브러시 방식으로, 출력 방식에 따라 증분 방식, 절대 방식으로 나눌 수 있다. 상기 엔코더는 변위량이 디지털량인데 비하여, 리졸버는 변위량이 아날로그량으로 변환되는 것이 특징이며, 사인과 코사인으로 표시되는 2개 전압을 얻어 위치를 검출하는데 사용된다. 종류는 1상 입력 2상 출력, 2상 입력 1상 출력으로 나눌 수 있다.

도 1a는 종래 기술에 따른 자기 엔코더의 일실시예의 사시도를 도시한 것으로서, 자기 저항(1)과 자기 드럼(2)으로 구성되며, 상기 자기 드럼(2)의 외부 원주를 착자시킴으로써, 상기 자기 저항(1)이 외부 원주와 마주보도록 위치시킨다.

도 1b는 종래 기술에 따른 자기 엔코더의 다른 일실시예의 사시도를 도시한 것으로서, 자기 저항(1)과 자기 드럼(2)으로 구성되며, 상기 자기 드럼(2)의 측면에 상기 자기 저항(1)을 착자시킴으로써, 상기 자기 저항(1)을 측면으로 마주보도록 위치시킨다. 도 1a와 1b의 원리는 동일하다.

도 2는 도 1a와 1b의 자기 저항을 측정하는 회로의 구성도를 도시한 것으로, 전원(E)을 인가받는 자기 저항과, 상기 자기 저항을 변화시켜 자기를 전기로 바꾸는 상기 자기 저항에 인가되는 자계(H)가 도시된다. 전류(i)가 화살표 방향으로 흐를 때, 저항(R)을 갖는다. 상기 자계(H)가 상기 전류(i)의 방향에 직각이 되도록 인가되면 상기 저항(R)은 감소된다.

도 3은 도 2의 회로에서 발생된 자기 저항의 변화와 출력 파형을 도시한 그래프를 도시한 것으로서, 상기 자기 드럼(2)의 착자 패턴에 따라 자기 저항(1)이 놓여 있는 자기 드럼(2)의 회전에 대한 신호 출력을 나타낸다.

상기 자기 저항(1)은 온도에 민감하고 하나의 자기 저항의 사용은 출력 드리프트를 야기하기 쉽다. 또한, 자기 엔코더는 외부의 강한 자계 구조에 노출되어 있거나 내부의 자기 파우더가 조각나서 비산될 수 있고, 그럼으로써 오동작을 할 수 있다. 또한 자기 파우더가 자기 드럼에 들어가서 붙어 버렸을 때, 오동작을 할 수 있다.

상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 온도의 영향을 적게 받고 출력전압을 증가시킨 회전자 위치검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 홀 센서를 이용한 극 위치 센서용 회로를 통하여 위치 정보 신호를 생성하여 전동기 제어용 제어보드에 제공함으로써 전원인가의 순서를 정확하게 정할 수 있는 회전자 위치검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1a는 종래 기술에 따른 자기 엔코더의 일실시예의 사시도.

도 1b는 종래 기술에 따른 자기 엔코더의 다른 일실시예의 사시도.

도 2는 도 1a와 1b의 자기 저항을 측정하는 회로의 구성도.

도 3은 도 2의 회로에서 발생된 자기 저항의 변화와 출력 파형을 도시한 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 회전자 위치 검출 장치의 단면도.

도 5a는 도 4의 회전자부의 사시도.

도 5b는 도 4의 회전자부의 자석의 정면도와 단면도.

도 5c는 도 4의 회전자부의 코아의 정면도와 단면도.

도 5d는 도 4의 회전자부의 자석 홀더의 정면도와 단면도 및 배면도.

도 6a는 도 4의 고정자부(극 위치 센서용 회로)의 정면도.

도 6b는 도 4의 고정자부(홀센서)의 배면도.

도 7은 극 위치 센서용 회로의 구성도.

도 8은 본 발명에 따른 회전자 위치 검출 장치의 블록 다이아그램.

도 9는 각 극 위치 센서용 회로로부터의 위치 정보 신호.

도 10a는 도 9의 위치 정보 신호를 처리하는 논리 회로의 일실시예.

도 10b는 도 10a의 논리 회로의 입력 및 출력 신호를 나타내는 다이아그램.

도 10c는 도 10a의 논리 회로를 통하여 전체 위치 정보 신호의 출력 신호를 나타내는 다이아그램.

본 발명인 브러시리스 직류전동기의 회전자 위치 검출 장치는 N극과, S극이 교번하는 M개의 극이 링형으로 일체로 이루어진 자석과, 상기 자석을 보호하고 지지하며, 전동기 축에 연결된 자석 홀더로 구성된 회전자부와; 상기 회전자부로부터 일정한 거리만큼 분리되어, 상기 자석의 자속을 감지하여 상기 회전자부의 위치에 관한 위치 정보 신호를 생성시키기 위해 직류전동기 고정자 권선의 상(phase) 수만큼의 극 위치 센서용 회로들로 구성된 고정자부로 구성된다.

도 4는 본 발명에 따른 회전자 위치 검출 장치의 단면도를 도시한 것으로, 예를 들면 6극으로 구성되고, 회전자부(40)과, 고정자부(45)로 구성된다. 자세하게는, 상기 회전자부(40)는 전동기(도시되지 않음)의 회전자 축과 연결되는 로타((44)와; 자석(41)과; 상기 자석(41)의 자속을 차폐하는 코어(42) 및; 상기 자석(41)와 코어(42)를 고정시키는 자석 홀더(43)로 구성된다. 상기 고정자(45)는 자속을 검출하는 홀센서(46)과; 상기 홀센서(46)로부터의 자속을 위치 정보 신호로 변환시키는 극 위치 센서용 회로(47)로 구성된다. 상기 극은 6개에 국한되는 것은아니다.

도 5a는 도 4의 회전자부의 사시도를 도시한 것으로서, 상기 자석(41)이 6극이 일체로 구성되고, 상기 자석(41)을 고정하는 자석 홀더(43)가 도시된다.

도 5b는 도 4의 회전자부의 자석의 정면도와 단면도를 도시한 것으로서, 상기 자석(41)은 링(ring)형으로 구성되고, N극과 S극이 60°의 간격으로 교차하여, 축방향으로 6극으로 착자된다. 화살표는 착자방향을 나타낸다. 상기 자석의 재질은 희토류계인 NdFeBr이다.

도 5c는 도 4의 회전자부의 코아의 정면도와 단면도를 도시한 것으로서, 상기 자석(41)의 자속이 상기 홀센서(46)쪽으로 많이 나올 수 있도록 상기 자석(41)의 뒷면에 위치된다. 상기 코아(42)의 재질은 일반 자성재질로 이루어진다.

도 5d는 도 4의 회전자부의 자석 홀더의 정면도와 단면도 및 배면도를 도시한 것으로서, 상기 자석(41) 및 코아(42)를 보호 및 지지하기 위한 것으로 전동기 회전시 전동기 회전자 축(도시되지 않음)에 고정되어 축과 같이 회전한다. 상기 자석 홀더(43)의 재질은 알루미늄이다.

도 6a는 도 4의 고정자부(극 위치 센서용 회로)의 정면도를 도시한 것으로서, 7개의 극 위치 센서용 회로(47)는 각각 7개의 홀센서(46)를 구비하고, 상기 홀센서(46)로부터 받은 자속에 관한 신호를 입력받아 위치 정보 신호를 생성한다. 상기 극 위치 센서용 회로(47)는 상기 자석(41)의 위치에 따라 'H', 'L' 신호인 위치 정보 신호로 변환하여 출력한다. 상기 극 위치 센서용 회로(47)와 전동기 제어용 제어보드간의 인터페이스가 커넥터(48)이다. 상기 커넥터(48)는 10핀으로 구성되고, 전동기 제어용 제어보드로부터 전원을 인가받아 극 위치 센서용 회로(47)에 인가하고, 상기 위치 정보 신호를 상기 전동기 제어용 제어보드로 출력한다.

도 6b는 도 4의 고정자부(홀센서)의 배면도를 도시한 것으로, 상기 극 위치 센서용 회로(47)의 뒷면에 배치된 7개의 홀센서(46)가 도시된다.

도 7은 극 위치 센서용 회로의 구성도를 도시한 것으로서, 상기 극 위치 센서용 회로(47)는 포지티브 공급 전압(+5V)을 인가받는 제 1 단자와, 네거티브 공급 전압(-5V)을 인가받는 제 2 단자와, 상기 자석의 자속을 출력하는 제 3 단자로 구성된 홀센서(46)와; 상기 제 1 단자와 제 3 단자에 연결된 저항(R1)과; 애노드가 상기 제 3 단자에 연결되어 상기 위치 정보 신호(POS_NO)를 생성하는 다이오드(D1)와; 상기 다이오드(D1)의 캐소드와 접지에 연결된 저항(R2) 및; 상기 다이오드(로부터 상기 위치 정보 신호를 전달받는 출력단(도시되지 않음)으로 구성된다.

상기 극 위치 센서용 회로(47)에 대한 기본 개념은 비접촉식 자속 센싱에 의해 자석의 N, S극의 위치에 따라 위치 정보 신호로 +5V, 0V를 출력하는 것이다. 상기 홀센서(46)는 +5V와 -5V를 인가받아 활성화되고, 자석의 N극이 지날 때 하이(+5V)를 출력하여 상기 다이오드(D1)을 통과하여 저항(R2) 양단에 약 5V를 인가하고, 이때 위치 정보 신호(POS_NO)는 하이이고, 자석의 S극이 지날 때 로우(-5V)를 출력하여 상기 다이오드(D1)을 통과하지 못하고, 저항(R2) 양단에는 0V가 출력되어 위치 정보 신호(POS_NO)는 로우이다. 상기 홀센서(46)로는 알레고(Allegro)사의 UG3113이 사용된다.

도 8은 본 발명에 따른 회전자 위치 검출 장치의 블록 다이아그램을 도시한것으로서, 자석(81)과, 제너 다이오드(82)와, 공급 전원(83)과, 극 위치 센서용 회로(84a) 내지 (84g)와, 각 위치 정보 신호(POS1) 내지 (POS7)이 도시된다. 상기 회전자 위치 검출 장치는 전동기 제어용 제어보드로부터 상기 커넥터(48)를 통하여 +5V, 0V, -15V의 전원을 인가받아, 상기 제너 다이오드(82)를 사용하여 -5V를 생성하여 +5V와 함께 상기 극 위치 센서용 회로(47)로 각각 인가하여 활성화시킨다. 상기 자석(81)이 전동기 회전자와 함께 회전하여 상기 홀센서(46)에 N극 및 S극이 쇄교함에 따른 하이나 로우인 신호를 출력하여, 상기 출력된 신호는 상기 다이오드(D1)과 저항(R2)를 통하여 위치 정보 신호(POS1) 내지 (POS7)를 상기 커넥터(48)를 통하여 전동기 제어용 제어보드에 제공한다.

도 9는 각 극 위치 센서용 회로로부터의 위치 정보 신호를 도시한 것으로서, 상기 로터(44)의 위치에 대해 고정자 권선의 7상(고정자 권선의 상 수가 7상에 한정되는 것은 아님)을 제어하기 위해서는 14개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)(1상에 대하여 상단 IGBT와 하단 IGBT가 필요)가 필요하고, 상기 IGBT를 제어하기 위해 14개의 구간으로 나눌 수 있다. 상기 위치 정보 신호(POS1)은 1번 상에 대한 위치 정보에 해당하고, 마찬가지로 위치 정보 신호(POS2), (POS3),..., (POS7)은 각각 2번상, 3번상,..., 7번상에 대한 위치 정보에 해당한다. 따라서, 전류 인가 시점은 상기 위치 정보 신호로부터 산정될 수 있다.

도 10a는 도 9의 위치 정보 신호를 처리하는 논리 회로의 일실시예를 도시한 것으로서, 위치 정보 신호(POS1), (POS2)가 입력에 해당되며, 상기 위치 정보 신호(POS1), (POS2)의 조합으로 7상 중의 2번째 상에 대한 제어신호를 생성한다.

도 10b는 도 10a의 논리 회로의 입력 및 출력 신호를 나타내는 다이아그램을도시한 것으로서, 상기 위치 정보 신호(POS1), (POS2)는 1번상과, 2번상의 위치 정보로서, 상기 논리 회로를 통과한 출력(EPLD_SW_20), (EPLD_SW_21)을 나타낸다. 출력(EPLD_SW_20)는 2번 상의 '하단 상전류'에 해당하고, 출력(EPLD_SW_21)은 2번상의 '상단 상전류'에 해당된다.

도 10c는 도 10a의 논리 회로를 통하여 전체 위치 정보 신호의 출력 신호를 나타내는 다이아그램을 도시한 것으로, 각 상에서 하이(H) 신호가 나오고 있을 때는 상단의 IGBT가 전류 제어를 위해 스위칭을 하며, 하단의 IGBT는 쉰다. '0'신호가 나올 때는 연산 구간으로 상단과 하단의 IGBT가 모두 스위칭을 하지 않는다. 로우(L)신호가 나오고 있을 때는 상단의 IGBT는 쉬고, 하단의 IGBT가 전류제어를 위해 스위칭을 한다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 본 발명은 온도에 영향을 받지 않는 홀센서를 사용함으로써, 로터의 위치에 관한 위치 정보 신호를 보다 정확하게 생성하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 코어를 사용함으로써, 자석의 자속을 홀센서에 의해 대부분 감지되게 하여, 보다 정확한 위치 정보 신호를 생성할 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 브러시리스 직류전동기의 회전자 위치 검출 장치에 있어서,

   N극과, S극이 교번하는 M개의 극이 링형으로 일체로 이루어진 자석과, 상기 자석을 보호하고 지지하며, 전동기 축에 연결된 자석 홀더로 구성된 회전자부와;

   상기 회전자부로부터 일정한 거리만큼 분리되어, 상기 자석의 자속을 감지하여 상기 회전자부의 위치에 관한 위치 정보 신호를 생성시키기 위해 직류전동기 고정자 권선의 상 수만큼의 극 위치 센서용 회로들로 구성된 고정자부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 검출 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자부는 상기 자석과 자석 홀더 사이에 자성재질인 코어를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 검출 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 각 극 위치 센서용 회로는 포지티브 공급 전압을 인가받는 제 1 단자와, 네거티브 공급 전압을 인가받는 제 2 단자와, 상기 자석의 자속을 출력하는 제 3 단자로 구성된 홀센서와; 상기 제 1 단자와 제 3 단자에 연결된 제 1 저항과; 애노드가 상기 제 3 단자에 연결되어 상기 위치 정보 신호를 생성하는 다이오드와; 상기 다이오드의 캐소드와 접지에 연결된 제 2 저항 및; 상기 다이오드로부터 상기 위치 정보 신호를 전달받는 출력단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 검출 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 고정자부는 외부의 전동기 제어용 제어보드로부터 전원을 인가받아 각 극 위치 센서용 회로 내의 홀센서에 인가하고, 상기 출력단들로부터 상기 위치 정보 신호를 상기 전동기 제어용 제어보드로 출력시키는 커넥터를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 검출 장치.
5. 브러시리스 직류전동기의 회전자 위치 검출 장치에 있어서, 상기 회전자 위치 검출 장치는:

   자석과, 상기 자석을 보호하고 지지하며, 전동기 축에 연결된 자석 홀더로 구성된 회전자부와;

   상기 회전자부로부터 일정한 거리만큼 분리된 극 위치 센서용 회로로 구성된 고정자부로 이루어지고, 상기 극 위치 센서용 회로는 포지티브 공급 전압을 인가받는 제 1 단자와, 네거티브 공급 전압을 인가받는 제 2 단자와, 상기 자석의 자속을 출력하는 제 3 단자로 구성된 홀센서와; 상기 제 1 단자와 제 3 단자에 연결된 제 1 저항과; 애노드가 상기 제 3 단자에 연결되어 위치 정보 신호를 생성하는 다이오드와; 상기 다이오드의 캐소드와 접지에 연결된 제 2 저항 및; 상기 다이오드로부터 상기 위치 정보 신호를 전달받는 출력단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 검출 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 자석은 N극과, S극이 교번하는 M개의 극이 링형으로 일체로 이루어지고, 상기 극 위치 센서용 회로는 직류전동기 고정자 권선의 상 수만큼인 것을 특징으로 하는 회전자 위치 검출 장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 회전자부는 상기 자석과 자석 홀더 사이에 자성재질인 코어를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 검출 장치.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 고정자부는 외부의 전동기 제어용 제어보드로부터 전원을 인가받아 각 극 위치 센서용 회로 내의 홀센서에 인가하고, 상기 출력단들로부터 상기 위치 정보 신호를 상기 전동기 제어용 제어보드로 출력시키는 커넥터를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 검출 장치.