KR101716308B1 - Bldc 모터의 리딩 커런트 앵글조절 구조 - Google Patents

Bldc 모터의 리딩 커런트 앵글조절 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 BLDC 모터의 약계자 제어를 위한 리딩 커런트 앵글조절 구조에 있어서: BLDC 방식의 로터와 스테이터를 지닌 본체(10); 본체(10)의 일단에서 스테이터에 대향하도록 설치되고, 로터의 역기전력에 대응한 신호를 생성하는 홀센서 PCB(20); 및 상기 홀센서 PCB(20)를 내면에 수용한 상태로 본체(10)의 일단에 회전 가능하게 결합되는 커버(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 홀센서 PCB가 설치된 커버의 회전각도 변경함으로 역기전력의 위상을 변동하는 방식으로 약계자제어를 구현하여 BLDC 모터의 연구개발 또는 양산과정에서 생산성 향상을 도모하는 효과가 있다.

Description

BLDC 모터의 리딩 커런트 앵글조절 구조{Structure for adjusting leading current angle of BLDC motor}
본 발명은 BLDC 모터의 제어에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 양산에서 BLDC 모터 약계자 제어의 신뢰성과 안정성을 확보하기 위한 BLDC 모터의 리딩 커런트 앵글조절 구조에 관한 것이다.
BLDC 모터의 종류 중 매립형(IPM) 타입의 모터는 릴럭턴스 토크를 이용하는 약계자 제어를 실시한다. 이는 동일한 사이즈의 모터에서 동일한 입력에 대하여 토크를 더 증대시킬 수 있는 방법이다. 종래의 경우 약계자 제어의 최적화를 위해서 제어로직을 조절하거나, 홀센서 마그넷의 각도를 변경시키거나, 홀센서의 각도를 바꾸는 방법 등을 도입한다.
이러한 약계자 제어와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제0575669호(선행문헌 1), 홀센서 각도 변경과 관련되는 선행기술문헌으로 한국 공개특허공보 제2008-0015581호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.
선행문헌 1은 단위 전류당 최대 토크가 나오는 최적점의 리딩 앵글을 연산하는 과정과; 토오크 전류 지령치 및 자속전류 지령치를 연산하고, 토크 전압 지령치 및 자속전압 지령치로 변환하는 과정과; 액티브 벡터 인가시간을 연산하는 과정과; 각 상을 도통시키는 게이트 도통주기를 계산하는 과정과; 각 상의 인버터 스위칭 소자를 스위칭하기 위한 게이트신호를 생성하는 과정으로 수행된다. 이에, 리딩 앵글 보상 오류를 막아 시스템의 신뢰성을 향상하는 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 로터의 회전수를 검출하여 콘트롤 집적회로에 출력하는 홀센서를 상기 콘트롤 집적회로에서 연산하는 걸리는 연산 지연시간에 따른 지연 시간만큼의 각도를 산출하여 상기 산출된 지연시간 각도만큼 회전축을 중심으로 하는 수직선을 기준으로 하여 로터의 회전 반대방향에 장착함으로써, 모터의 토오크 출력을 향상하게 되어 회전수 및 진동량을 상승하는 효과를 기대한다.
그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 BLDC 모터의 연구개발 또는 양산과정에서 약계자 제어를 고려한 홀센서의 기준각 조절을 신속하고 정확하게 수행하는 방안에 대하여 명확한 개시가 미흡하다.
1. 한국 등록특허공보 제0575669호 "PMSM 약계자 제어방법" (공개일자 : 2005.07.21.) 2. 한국 공개특허공보 제2008-0015581호 "브러쉬리스 직류 진동모터" (공개일자 : 2008.02.20.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, BLDC 모터의 연구개발 또는 양산과정에서 홀센서 PCB가 설치된 커버의 회전각도를 변경함으로써 역기전력의 위상을 변경하여 약계자제어가 구현되도록 하는 BLDC 모터의 리딩 커런트 앵글조절 구조를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 BLDC 모터의 약계자 제어를 위한 리딩 커런트 앵글조절 구조에 있어서: BLDC 방식의 로터와 스테이터를 지닌 본체; 본체의 일단에서 스테이터에 대향하도록 설치되고, 로터의 역기전력에 대응한 신호를 생성하는 홀센서 PCB; 및 상기 홀센서 PCB를 내면에 수용한 상태로 본체의 일단에 회전 가능하게 결합되는 커버;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 커버는 외주면에 복수의 호형장공을 구비하고 복수의 볼트를 이용하여 회전위치를 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 본체와 커버는 상대적인 회전위치를 인식하기 용이하도록 마크와 눈금을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 커버는 호형레일 상에 지지된 홀센서 PCB의 위치변동을 유발하기 위한 미세조절수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 미세조절수단은 홀센서 PCB의 일측 변부에 호형레일을 결합하고, 단부에 조절홈을 지닌 웜축을 호형레일에 웜기어 방식으로 맞물리는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 홀센서 PCB가 설치된 커버의 회전각도 변경함으로 역기전력의 위상을 변동하는 방식으로 약계자제어를 구현하여 BLDC 모터의 연구개발 또는 양산과정에서 생산성 향상을 도모하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 외형을 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 주요부를 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 홀센서 신호를 나타내는 그래프
도 4는 본 발명의 변형예에 따른 미세조절수단을 나타내는 구성도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 BLDC 모터의 약계자 제어를 위한 리딩 커런트 앵글조절 구조에 관하여 제안한다. IPM 방식의 동기전동기는 SPM 방식의 동기전동기에 비해 등가적인 공극이 작아 고정자의 인덕턴스가 크기 때문에 전기자 반작용의 효과가 크다. 따라서 고정자 전류를 이용하여 공극 자속을 감소시킬 수 있어 일정 출력 영역에서 약계자 운전이 가능하다. 즉, IPM 방식의 BLDC 모터에서 동일한 입력에 대비하여 출력을 최대로 끌어내기 위해서 릴럭턴스 토크를 이용한 약계자 제어를 실시한다.
이때, 약계자 제어를 대별하면 제어 알고리즘의 연산으로 스위칭 타이밍을 변경하는 방법과 기구적으로 자석 등의 위치변경으로 역기전력의 위상을 바꾸어 스위칭 타이밍을 변경하는 방법이 있다. 본 발명은 소프트웨어 지향적인 전자의 방식보다는 하드웨어 지향적인 후자의 방식을 택한다.
본 발명에 따르면 본체(10)가 BLDC 방식의 로터와 스테이터를 지니는 구조이다. 본체(10)는 영구자석을 로터 내부에 삽입한 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)로서 마그네틱토크(Magnetic-torque)와 릴럭턴스토크(Reluctance-torque)를 동시에 이용하여 넓은 속도 범위와 고효율 특성을 구현한다. 이에, 전기자동차, 가전기기, 공작기기 분야에 활용성이 높다. 다만 고속 운전에서 증가하는 역기전력을 억제하기 위해 스테이터의 d축 전류에 음의 값을 인가하는 약계자 제어를 요한다.
또, 본 발명에 따르면 홀센서 PCB(20)가 본체(10)의 일단에서 스테이터에 대향하도록 설치되고, 로터의 역기전력에 대응한 신호를 생성하는 구조를 지닌다. 홀센서 PCB(20)는 본체(10)의 규격에 따라 1~3개의 홀소자(Hall IC)를 구비한다. 홀센서 PCB(20)의 홀소자는 스테이터의 코어티스에 접촉하지 않은 상태로 대향하여 상대적인 위치변동을 허용한다. 도시에서 일측의 단자대(11)는 스테이터에 전원을 입력하는 부분이고, 타측의 단자대(12)는 로터에 의해 유발되는 역기전력 신호를 출력하는 부분이다.
한편, BLDC 모터의 약계자 제어를 실시하게 되면 토크는 증가하나 회전속도는 떨어지는 경향이 있다. 이러한 토크의 증가량과 회전속도 감소량이 단자대(11)(12)를 통하여 실시간으로 확인되므로 연구개발 또는 양산과정에서 BLDC 모터의 약계자 제어를 용이하게 검증할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 커버(30)가 상기 홀센서 PCB(20)를 내면에 수용한 상태로 본체(10)의 일단에 회전 가능하게 결합되는 구조를 지닌다. 커버(30)는 본체(10)에서 외부로 노출된 로터축과 반대측에 회전 가능한 상태로 결합된다. 커버(30)의 회전은 내부에 수용된 홀센서 PCB(20)의 위치변동을 유발한다. 홀센서 PCB(20)에 탑재된 홀소자의 기준위치는 기구적으로 결정될 수 있지만 약계자 제어시 역기전력에 대응한 리딩 커런트 앵글의 변동을 요한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 커버(30)는 외주면에 복수의 호형장공(31)을 구비하고 복수의 볼트(32)를 이용하여 회전위치를 유지하는 것을 특징으로 한다. 도 1에서 커버(30)의 상변에 짧은 호형장공(31)과 하변에 긴 호형장공(31)이 형성된 상태를 예시한다. 호형장공(31)은 원호형으로 형성되는 장공을 의미한다. 커버(30)의 호형장공(31)을 통하여 본체(10)에 볼트(32)를 체결하면 본체(10)에 대한 커버(30)의 회전위치 변동과 유지가 가능하다.
도 3(a)는 홀센서 PCB(20)의 초기 설정된 기준위치에서 역기전력(UEMF) 신호와 홀소자(Hall IC) 신호의 리딩 에지가 일치된 상태를 예시하지만, 도 3(b)는 홀센서 PCB(20)의 위치변동 후에 역기전력(UEMF) 신호에 대응한 홀소자(Hall IC) 신호의 리딩 에지가 변동된 상태를 예시한다. 로터의 저속 회전 영역에서 역기전력의 발생량이 적어서 모터 제어에 큰 영항을 미치지 아니하지만, 고속으로 회전하는 경우에는 발생하는 역기전력도 로터의 속도에 비례하여 증대된다. 이에, 본 발명과 같이 커버(30)의 회전에 의한 홀센서 PCB(20)의 위치변동으로 리딩 커런트 앵글을 조절하면 약계자 제어를 구현할 수 있다. 예컨대, 동일한 부하조건으로 모터를 구동하면서 커버(30)를 회전시켜 약계자 제어를 실시하면 전류가 감소한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 본체(10)와 커버(30)는 상대적인 회전위치를 인식하기 용이하도록 마크(15)와 눈금(35)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본체(10)에 마크(15)를 각인하고 이에 대응하여 커버(30)에 눈금(35)을 각인하면 커버(30)의 회전에 의한 홀센서 PCB(20)의 위치변동을 인식하기 용이하다. 즉, 모터를 조립한 후에 마크(15)와 눈금(35)을 확인하면서 커버(30)를 회전시키면 약계자 제어의 정도를 조절한다. 이에, BLDC 모터의 연구개발은 물론 양산과정에서 편의성을 증대할 수 있다.
본 발명의 변형예로서, 상기 커버(30)는 호형레일(42) 상에 지지된 홀센서 PCB(20)의 위치변동을 유발하기 위한 미세조절수단(40)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 전술한 호형장공(31)을 사용하는 방식은 홀센서 PCB(20)의 위치변동 폭을 크게 조절할 수 있는 반면 미세조절수단(40)은 상대적으로 작은 범위로 홀센서 PCB(20)의 위치변동을 유발한다.
이때, 상기 미세조절수단(40)은 홀센서 PCB(20)의 일측 변부에 호형레일(42)을 결합하고, 단부에 조절홈(48)을 지닌 웜축(46)을 호형레일(42)에 웜기어 방식으로 맞물리는 것을 특징으로 한다. 도 4에서 홀센서 PCB(20)는 외측의 변부에 섹터기어 형태의 웜휠(44)을 구비하고, 내측과 외측의 변부에 배치되는 호형레일(42) 상으로 회동 가능하게 지지된다. 홀센서 PCB(20)의 회동 각도가 크지 않으므로 많은 틈새를 요하지 않으며 이러한 틈새는 유연한 러버나 수지 성분의 실링재로 은폐한다. 홀센서 PCB(20)의 웜휠(44)에 맞물리는 웜축(46)은 일단이 커버(30)의 외측으로 유도된다. 물론 웜축(46)의 단부는 노출되지 않고 은폐되지만 공구를 넣어서 조절홈(48)을 통하여 홀센서 PCB(20)의 위치변동을 유발할 수 있다. 이에, 전술한 호형장공(31)을 사용하는 방식보다 미세한 조절이 가능하다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 본체 11, 12: 단자대
15: 마크 20: 홀센서 PCB
22: 단자대 30: 커버
31: 호형장공 32: 볼트
35: 눈금 40: 미세조절수단
42: 호형레일 44: 웜휠
46: 웜축 48: 조절홈

Claims (5)

  1. BLDC 모터의 약계자 제어를 위한 리딩 커런트 앵글조절 구조에 있어서:
    BLDC 방식의 로터와 스테이터를 지닌 본체(10);
    본체(10)의 일단에서 스테이터에 대향하도록 설치되고, 로터의 역기전력에 대응한 신호를 생성하는 홀센서 PCB(20); 및
    상기 홀센서 PCB(20)를 내면에 수용한 상태로 본체(10)의 일단에 회전 가능하게 결합되는 커버(30);를 포함하여 이루어지되,
    상기 커버(30)는 호형레일(42) 상에 지지된 홀센서 PCB(20)의 위치변동을 유발하기 위한 미세조절수단(40)을 구비하고,
    상기 미세조절수단(40)은 홀센서 PCB(20)의 일측 변부에 호형레일(42)을 결합하고, 단부에 조절홈(48)을 지닌 웜축(46)을 호형레일(42)에 웜기어 방식으로 맞물리는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 리딩 커런트 앵글조절 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 커버(30)는 외주면에 복수의 호형장공(31)을 구비하고 복수의 볼트(32)를 이용하여 회전위치를 유지하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 리딩 커런트 앵글조절 구조.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 본체(10)와 커버(30)는 상대적인 회전위치를 인식하기 용이하도록 마크(15)와 눈금(35)을 구비하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 리딩 커런트 앵글조절 구조.
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