KR100905937B1

KR100905937B1 - 선형 홀 센서를 이용한 브러시리스 ｄｃ 모터 및 이 모터속도 신호 구현 방법

Info

Publication number: KR100905937B1
Application number: KR1020070042956A
Authority: KR
Inventors: 송치영; 구정회
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2007-05-03
Filing date: 2007-05-03
Publication date: 2009-07-06
Also published as: US20080272765A1; US7800325B2; JP2010279250A; JP2008278733A; JP5015307B2; KR20080097732A

Abstract

본원 발명은, 선형 홀 센서의 정현파 형태의 홀 신호를 이용하여 상기 선형 홀 센서의 xy 좌표상의 좌표값을 구하는 단계; 상기 좌표값의 합 좌표값을 구하는 단계; 상기 합 좌표값과 x 축과의 각도(θ)를 계산하는 단계, 상기 x 축과의 각도(θ)의 사분면을 결정하는 단계; 및 최종적인 모터의 변위값을 시간변화율로 나눔으로써 속도 신호를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 홀 센서를 이용한 모터 속도 신호 구현 방법을 제공한다.

브러시리스 DC 모터, 래치형 홀 센서, 선형 홀 센서

Description

선형 홀 센서를 이용한 브러시리스 ＤＣ 모터 및 이 모터 속도 신호 구현 방법{BRUSHLESS DC MOTOR USING LINEAR HALL-EFFECT SENSOR AND REALIZATION METHOD OF SPEED SIGNAL THEREOF }

도 1은, 일반적인 형태의 BLDC 모터의 구조를 나타낸 도면이고,

도 2는, 종래의 래치 형태의 홀 센서와 본 발명에 사용된 선형 홀 센서의 출력 파형을 비교하여 나타낸 도면이고,

도 3은, 본 발명의 선형 홀 센서의 출력 값을 2차원 평면상의 좌표값으로 나타내기 위한 개냄도이고,

도 4는, 본 발명의 선형 홀 센서를 이용하여 모터의 회전속도 신호를 구현하는 알고리음을 나타내는 순서도이다.

도 5 내지 도 10은 본 발명의 선형 홀 센서를 적용한 시험 결과들을 각각 나타낸 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100: 샤프트 101: 스테이터

102: 아마츄어 코일 103: 모터 요크

104: 볼 베어링 105: 홀 센서

106: 스테이터 요크 107: 마그넷

108: 베어링 브라켓

본 발명은 제어 시스템의 부피 및 비용을 감소시키도록 속도 센서를 이용하지 않고 브러시리스(brushless) DC(Direcct Current)(BLDC라 함) 모터의 속도를 측정할 수 있는 선형 홀 센서를 이용한 브러시리스 DC 모터 및 이 모터 속도 신호 구현 방법에 관한 것으로, 특히, 본 발명은 BLDC 모터의 로터 위치 정보를 이용하여 모터 구동 신호 생성을 위한 기존의 래치 형태의 홀 센서를 선형(linear) 홀 센서로 대체함으로써 기존의 BLDC 모터에 장착되어 있는 별도의 속도 센서를 제거할 수 있어서, 공간적으로 유리해지고, 센서 고장 배제를 통해 고 신뢰성을 얻을 수 있는 선형 홀 센서를 이용한 브러시리스 DC 모터 및 이 모터 속도 신호 구현 방법에 관한 것이다.

많은 서보 구동 분야에 있어서, 속도 센서가 속도 신호를 검출하는데 사용된다. 이러한 타입의 설계가 갖는 문제점은 모터와 속도 센서의 장착을 위한 추가적인 공간이 필요하다는 것이다. 많은 경우에 속도 센서를 장착하기 위한 충분한 공간이 없으며, 또한 두 개의 별개의 부품을 설치하면 비용이 많이 든다. 이를 해소하기 위해 속도 센서를 제거하는 몇 가지 방법이 있다. 대표적인 것으로는 모터 속도를 측정하는 방법들에는 홀 센서의 펄스를 카운트하고, 수학적 관측기를 이용하는 것이 있다.

펄스가 주기적으로 발생하는 고속 범위에서 유용한 홀 센서 신호를 카운트하는 방법은 속도 측정에 있어서 양자화 에러 및 동적 범위를 수용할 수 있다. 한편 이 기술은 저속 범위에서는 문제가 있다. 위치 제어 시스템과 같은 분야에 있어서, 모터는 정지 상태로부터 최대 허용 속도까지 넓은 범위의 속도에 걸쳐 동작한다. 모터가 소정의 시주기 동안 하나의 펄스만이 발생하도록 모터가 저속에서 회전하는 극단적인 경우를 생각하자. 두 개의 펄스가 측정되기까지 속도가 서서히 증가하면, 추정된 속도는 이전보다 두 배 높다. 이 경우 양자화 에러는 거의 100%이다. 평활 알고리즘의 활용이 도움이 되지만 기본적인 문제를 해소할 수는 없다. 속도 센서를 제거하는 다른 기술은 관측기 기반 해법에 있다. 그러나 이 방법은 전기 모터의 수학적 모델로 구성되기 때문에 전기 모터 파라미터에서 변동에 대한 민감도가 크다 특히, 이들은 저속영역에서는 데드존, 백래시 등 비선형 요소의 영향이 많아 안정적인 속도 신호 관측이 쉽지 않다.

구체적으로 말하면, 일반적으로 모터의 속도신호 정보를 획득하기 위하여 속도센서(Tachometer), 엔코더 등을 사용하지만 이런 종류의 센서류들은 모터와 링크된 별도의 공간을 필요로 하여 공간 효율면에서 불리하며 특히 접촉식 센서의 경우는 접촉면의 부식등으로 인하여 시스템 고장을 유발할 수 있게 된다. 이런 이유로 속도센서리스화가 필요하게 되며 이를 위한 많은 관련 연구가 진행되었으며 또한 진행중이다.

예컨대, 소프트웨어적으로 모터의 속도를 추정할 수 있는 관측기 설계에 의한 방법을 들 수 있다. 이와 같은 방법은 관측기 오차 동특성의 극성을 정하기 위 한 이득 선정의 제한과 저주파수에서의 불확실성에 대한 재구성 오차의 문제로 인해 유도탄의 날개 구동장치와 같은 제어시스템에서 적용할 경우 외란 및 파라미터 변동에 취약하여 시스템의 성능과 안정도를 만족하는데 한계가 있다. 다른 접근 방법으로는 위에서 설명한 바와 같이 BLDC 모터의 자극의 위치정보를 얻기 위한 홀 센서의 펄스 클럭수를 이용한 M방식, T방식, M/T방식 등이 있다. 하지만 이 방법의 단점은 펄스가 발생하는 경우에 대해서만 새로운 속도 값을 계산하므로 고속구간에서는 일정시간에 충분한 펄스가 발생하여 발생된 클럭수를 카운팅하여 모터의 회전속도를 구현할 수 있으나, 모터가 저속으로 회전할 경우에는 일정한 시간안에 펄스가 발생하지 않는 구간이 발생할 수 있으며, 이로 인해 위상 지연의 문제가 생긴다. 즉 홀 센허의 펄스 클럭수가 작아서 고속에서는 만족할 만한 모터의 속도 정보가 얻어지지만 저속에서는 위상지연 및 잘못된 속도 신호가 얻어지게 되어 광범위의 속도영역에서 운용되는 시스템에 적용하기가 곤란하다.

본 발명은 상기의 종래 문제점들을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서 첫째, 속도센서리스화를 통한 개발 공간을 확보함으로서 개발 공간이 협소한 모터 구동시스템에 적용할 수 있도록 한 선형 홀 센서를 이용한 브리시리스 DC 모터 및 이 모터 신호 구현방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

둘째, 비접촉식 센서를 사용하여 고속회전용 BLDC모터에 적용이 가능하며 저속에서도 완벽한 속도신호 구현을 하여 광범위한 속도범위에서 속도검출을 가능하게 한 선형 홀 센서를 이용한 브러시리스 DC 모터 및 이 모터 속도 신호 구현 방법 을 제공하는데 그 목적이 있다.

셋째, 기존의 속도정보 획득을 위해 주로 사용되었던 속도센서(Tachometer)와 비교하여 고신뢰성의 속도센서구현을 가능하게 하는데 목적이 있다. 대표적인 예로서 속도센서(Tachometer)는 DC모터와 동일한 구조인 브러시와 정류자의 접촉에 의한 역기전력 값으로 브러시와 정류자의 접촉상태에 따라 센서의 정밀도(Sensitivity)가 변화하는 경우가 있지만 본 발명의 방법은 주변자계의 세기에 따라 출력전압이 변화하는 비접촉센서인 선형 홀센서를 이용한 속도신호 구현을 통해 보다 높은 신뢰성을 확보할 수 있도록 한 선형 홀 센서를 이용한 브러시리스 DC 모터 및 이 모터 속도 신호 구현 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 샤프트, 스테이터, 아마추어 코일, 로터 요크, 볼 베어링, 홀 센서, 스테이터 요크, 마그넷, 베어링 브라켓을 구비하는 브러시리스 DC 모터에 있어서, 상기 홀 센서는 선형 홀 센서인 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터가 제공된다.

본 발명에 따르면, 선형 홀 센서의 정현파 형태의 홀 신호를 이용하여 상기 선형 홀 센서의 xy 좌표상의 좌표값을 구하는 단계; 상기 좌표값의 합 좌표값을 구하는 단계; 상기 합 좌표값과 x 축과의 각도(θ)를 계산하는 단계, 상기 x 축과의 각도(θ)의 사분면을 결정하는 단계; 및 최종적인 모터의 변위값을 시간변화율로 나눔으로써 속도 신호를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 홀 센서를 이용한 모터 속도 신호 구현 방법이 제공된다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 장치 및 방법을 설명한다.

도 1은 일반적인 형태의 BLDC 모터의 구조를 나타낸다.

도면에 있어서, 100은 샤프트이고, 101은 스테이터이고, 102는 아마추어 코일이고, 103은 로터 요크이고, 104는 볼 베어링이고, 105는 홀 센서이고, 106은 스테이터 요크이고, 107은 마그넷이고, 108은 베어링 브라켓이다.

본 발명은 도 1에 도시한 바와 같은 BLDC 모터의 구동을 위해 필수적으로 사용되는 마그넷 극성 검출 센서인 래치(latch)형 홀 센서를 선형 홀 센서로 대체하여 모터의 속도신호를 구현하는 알고리즘을 개시한다. 이를 통해 모터 구동을 위한 구동신호 생성뿐만 아니라 모터의 회전자 위치 및 속도신호 정보를 획득하는 것을 가능하게 한다. 또한 선형 홀 센서를 적용하여 회전자의 위치 변화에 다른 자계변화를 검출하고 이를 전압으로 출력하도록 하였으며, 기존의 BLDC 모터 구동회로와의 호환성을 위해 래치형태의 홀 센서 출력과 동일한 구동 신호를 생성할 수 있도록 하였다.

도 2는 종래의 래치 형태의 홀 센서와 본 발명에 사용된 선형 홀 센서의 출력 파형을 비교하여 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이, 종래의 래치형 홀 센서의 출력 파형은 구형파 형태이고, 본 발명의 선형 홀 센서의 파형은 정현파형을 가짐을 알 수 있다.

도 3은 선형 홀 센서의 출력 값을 2차원 평면상의 좌표값으로 나타내기 위한 개념도인데, 도시된 바와 같이, 도 2에 도시한 정현파 형태의 홀 신호(h_A, h_B, h_C) 중 도 3의 A 상 좌표값(x₁, y₁)과 B상 좌표값(x₂,y₂)을 구한다. 도 3에 도시한 바와 같이, A 상을 y 축상의 좌표값으로 설정하면, B 상은 A 상과 전기적으로 도 3에 도시된 바와 같이 120도의 위상차를 나타내므로, B 상이 x축과 이루는 각은 30도가 되므로 A 상 및 B 상의 좌표값은 다음 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

x₁ = 0, y₁ = h_A

x₂= h_Bcos(30 °), y2 = h_Bsin(30 °) (1)

이와 같이 얻어진 A, B 상의 좌표값을 이용하여 합 좌표값을 구한다. 즉, 합 좌표값은 P(x₁+x₂, y₁+y₂)가 된다. 좌표값과 P와 x 축이 이루는 각도 값(θ)은 식(2)을 통해 얻을 수 있게 된다.

(2)

식(2)에서 얻어진 각도 값은 실제 모터의 상대적 변화량 정보를 제공하게 된 다. 얻어진 각도 값을 식(2)에서 절대치를 취하여 각도의 범위가 1 사분면 내의 각도가 되도록 한다. 다음으로 x 축과 실제의 각도(θ)가 몇 사분면의 각인지를 확인하여 식 (3)과 같이 실제의 각도값을 구한다.

x₁ + x₂ > 0 and y₁ + y₂ >0 then θ = θ

x₁ + x₂ < 0 and y₁ + y₂ >0 then θ = 180 - θ

x₁ + x₂ < 0 and y₁ + y₂ < 0 then θ = 180 + θ

x₁ + x₂ > 0 and y₁ + y₂ < 0 then θ = 360 - θ (3)

위 식 (3)에 있어서, θ = θ의 경우는 1 사분면의 각도이고, θ = 180 - θ의 경우는 2 사분면의 각도이고, θ = 180 + θ의 경우는 3 사분면의 각도이고, θ = 360 - θ의 경우는 4 사분면의 각도의 경우이다.

식 (3)을 통해 구해진 좌표값에서 고려해야할 사항은 사분면의 경계구간에서는 실제로 모터가 움직인 각도는 미소하지만, 시간변화에 대한 각도 변화량은 크게 나타나므로 미분을 할 경우 실제 속도값이 아닌 비정상적으로 큰 값으로 계산될 수 있다. 이런 문제점을 방지하기 위하여 다음 식 (4)과 같은 수식을 통해 경계구간에서도 실제 모터의 변위량을 계산가능하도록 하였다. 즉, 미소한 변위량을 정확하게 계산함으로써 실제의 각도가 몇 사분면에 속하는지를 알 수 있도록 하였다.

if abs(θ(k-1) - θ(k))) > 180 then

θ(k-1) - θ(k) = abs(θ(k-1) - θ(k)) - 360

×(θ(k-1) - θ(k))/abs(θ(k-1) - θ(k)) (4)

식(4)을 통해 얻어진 최종적인 모터의 각도 변위 값(Δθ)을 시간 변화율(ΔT)로 나눔으로서 속도신호를 구현할 수 있게 된다. 식 4에 있어서, abs는 절대값을 의미하며, k-1은 샘플링 타임으로서 이전 값을 k는 샘플링 타임으로서 현재 값을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 선형 홀 센서 신호를 이용한 모터의 회전 속도 신호를 구현하는 알고리즘을 나타낸 순서도이다.

먼저 도 3에서 설명한 바와 같이, 단계 S10에서는 식 (1)을 이용하여 선형 홀 센서의 정현파 형태의 홀 신호를 이용하여 상기 선형 홀 센서의 xy 좌표상의 좌표값을 구하게 된다. 이어서 단계 S20에서는 상기 좌표값의 합 좌표값을 구하게 된다. 그리고 이어서 단계 S30에서는 상기 식 (2)에 의해 상기 합 좌표값과 x 축과의 각도(θ)를 계산하게 된다. 그리고 단계 S40에서는 상기 식 (3)에 의해 상기 x 축과의 각도(θ)의 사분면을 결정하게 된다. 상기 단계 S40에서의 각도(θ)의 사분면을 결정하는 단계는 상기 식 (4)에 의해 각 사분면에서의 경계구간의 변위량을 구하는 단계를 더 포함한다. S50에서는 최종으로 최종적인 모터의 변위값을 시간변화율로 나눔으로써 속도 신호를 구하게 된다.

도 5 내지 도 9에서는 모터가 일정 속도로 회전하는 경우에 대한 시험 결과를 본 발명의 선형 홀 센서를 이용한 모터의 속도 신호를 기존의 속도신호와 비교하여 나타내었는데, 위의 시험결과로부터 알 수 있듯이 본 발명에 속도 신호값과 종래의 속도 센서에 의한 속도 값이 거의 유사하게 되는 것을 알 수 있다.

그러나, 도 10은 모터를 저속에서 고속으로 속도를 가변하는 경우에 대한 결과값으로서, 도 10의 결과 값에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 경우는 모터 속도 신호값이 고속뿐만 아니라 저속에서도 매우 양호함을 알 수 있었다. 그러나 도 10으로부터 확인되는 바와 같이 종래의 속도 센서의 경우는 모터의 정역 회전시 브러시와 정류자의 접촉상태 불량으로 인해 역회전시의 속도신호에 노이즈 성분이 나타남을 확연하게 확인할 수 있다.

본 발명에 따르면, 첫째, 속도센서리스화를 통한 개발 공간을 확보함으로써 개발 공간이 협소한 모터 구동시스템에 적용할 수 있으며, 둘째, 비접촉식 센서를 사용하여 고속회전용 BLDC모터에 적용이 가능하며 저속에서도 완벽한 속도신호 구현을 하여 광범위한 속도범위에서 속도검출을 가능하게 할 수 있으며, 셋째, 기존의 속도정보 획득을 위해 주로 사용되었던 속도센서와 비교하여 고신뢰성의 속도센서를 구현할 수 있다. 대표적인 예로서 속도센서는 DC모터와 동일한 구조인 브러시와 정류자의 접촉에 의한 역기전력 값으로 브러시와 정류자의 접촉상태에 따라 센 서의 정밀도(Sensitivity)가 변화하는 경우가 있지만 본 발명의 방법은 주변자계의 세기에 따라 출력전압이 변화하는 비접촉센서인 선형 홀센서를 이용한 속도신호 구현을 통해 보다 높은 신뢰성을 확보 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한 본원발명에서는 모터의 회전자 위치 변화에 따른 자계 변화를 이용한 속도 신호 구현 알고리즘에서 2개의 홀 신호를 사용하여 홀 신호의 위상차 및 삼각함수를 이용하여 모터의 회전각을 계산하고 시간변화에 대한 모터의 회전각 변화값을 통해 모터의 실제 속도값을 측정할 수 있는 효과가 있다.

지금까지 본 발명을 일 실시예를 잠조로 하여 기술하였으나 본 발명은 이에 제한되지 않으며 당업자에 의해 여러 가지로 수정 및 변형실시될 수 있다.

Claims

삭제
선형 홀 센서의 정현파 형태의 홀 신호를 이용하여 상기 선형 홀 센서의 xy 좌표상의 좌표값을 구하는 단계;

상기 좌표값의 합 좌표값을 구하는 단계;

상기 합 좌표값과 x 축과의 각도(θ)를 계산하는 단계;

상기 x 축과의 각도(θ)의 사분면을 결정하는 단계; 및

최종적인 모터의 변위값을 시간변화율로 나눔으로써 속도 신호를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 홀 센서를 이용한 모터 속도 신호 구현 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 각도(θ)의 사분면을 결정하는 단계는 각 사분면에서의 경계구간의 변위량을 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 속도 신호 구현 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 합 좌표값과 x 축과의 각도(θ)는 다음 식에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 모터 속도 신호 구현 방법.

(여기서, y₁+y₂는 xy좌표상의 임의의 두 개의 홀 신호들의 y 좌표 값이고,

x₁+x₂는 xy좌표상의 임의의 두 개의 홀 신호들의 x 좌표 값이다.)
제 2 항에 있어서,

상기 x 축과의 각도(θ)의 사분면을 결정은 다음 식에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 모터 속도 신호 구현 방법.

if abs(θ(k-1) - θ(k))) > 180 then

θ(k-1) - θ(k) = abs(θ(k-1) - θ(k)) - 360

×(θ(k-1) - θ(k))/abs(θ(k-1) - θ(k))

(여기서, k는 현재의 샘플링 타임이고, k-1은 이전의 샘플링 타임이다.)