KR20110016573A - 회전자 위치 센서 - Google Patents

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KR20110016573A
KR20110016573A KR1020090074151A KR20090074151A KR20110016573A KR 20110016573 A KR20110016573 A KR 20110016573A KR 1020090074151 A KR1020090074151 A KR 1020090074151A KR 20090074151 A KR20090074151 A KR 20090074151A KR 20110016573 A KR20110016573 A KR 20110016573A
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김용철
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엘지이노텍 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

3상 대칭 교류 전압을 인가하여 회전자를 회전시켜 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 회전자 위치 센서에 관한 것이다. 상기 회전자 위치 센서는 내부에 영구자석을 포함하고, 상기 영구자석의 주위로 상기 3상 대칭 교류 전압의 각각의 상의 교류 전압이 인가되는 제1상 권선, 제2상 권선 및 제3상 권선을 포함하며, 상기 제1상 권선, 제2상 권선 및 제3상 권선은 각각 직렬로 제1 저항, 제2 저항 및 제3 저항이 연결되어 디지털 신호 처리 장치(DSP, digital signal processor)로 연결되는 전동기 및 상기 회전자의 회전에 따라 제1상 권선, 제2상 권선 및 제3상 권선에 발생되는 역기전력을 입력받아 연산에 의해 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 디지털 신호 처리 장치를 포함한다.
전동기, 회전자, 위치, 회전각, 센서, 영구자석

Description

회전자 위치 센서{rotor position sensor}
본 발명은 회전자 위치 센서에 관한 것으로, 특히 EPS(Electronic Power Steering) 전동기에 적용할 수 있는 회전자 위치 센서에 관한 것이다.
인버터에 의한 교류 전동기의 가변 주파수(가변속) 및 가변 전압 구동이 널리 사용되면서 정밀한 속도(위치)제어가 요구될 경우 속도(위치) 검출 센서를 전동기에 부착해 전동기 속도(위치)를 검출 및 제어하는 방식이 보편적으로 사용되고 있다. 속도(위치) 검출 센서로는 일반적으로 증분형 엔코더(incremental encoder)가 많이 사용되고 있으며 절대형 엔코더(absolute encoder) 내지 레졸버(resolver)등도 이용되고 있다.
엔코더와 레졸버는 모두 전동기의 회전 위치를 검출하는 소자로 전동기 회전 속도는 인버터 제어장치 내부에서 적절한 연산(상기 엔코더의 출력 펄스를 계수하여 전동기의 기계적 자속각으로 변환하는 소위 M/T method 라는 방법을 사용함)을 통해 일정시간 내의 회전 위치 이동량의 계산해 위치변화/시간변화의 계산을 통해 속도를 검출하는 것이 가능하다.
교류전동기 및 인버터로 구성되는 시스템에 있어서, 이러한 시스템이 적용되는 응용분야에 따라 속도제어 또는 위치제어를 목표로 하며, 여기서 속도제어와 위치제어 모두 전동기의 속도 및 위치 2가지 정보를 검출하는 것이 필요하다.
최근 적용분야가 확대되고 있는 영구자석 동기 전동기의 경우 유도전동기와 달리 회전자가 영구자석으로 구성되거나 영구자석이 부착된 회전자가 이용되며, 이러한 회전자의 절대 위치 정보를 검출하는 것이 필요하다. 여기서 절대 위치란 회전자의 정방향 또는 역방향 회전에 따른 위치(회전각)를 의미한다.
종래 증분형 엔코더(incremental encoder)는 5개의 홀(hall) IC와 별도의 센싱을 위한 자석을(magnet) 이용하였다. 이러한 증분형 엔코더(incremental encoder)는 저분해능이며, 5개의 홀(hall) IC로부터 전동기 제어기에 전달되는 5개의 출력 신호(센서 신호)간의 각도 정밀도가 부정확하게 된다면 전동기 구동시 리플이 커지고 소음 또는 진동이 심해지는 단점이 있다. 또한, 인쇄회로기판상의 홀(hall) IC의 개수 많음으로 인해 IC간의 각도 정밀도 관리 문제 또는 단가 상승 문제 등이 발생한다.
본 발명은 3개의 홀(hall) IC로 절대 위치(회전각)정보을 구현함으로써 리플을 감소시키고 소음 또는 진동을 저감시킨 고분해능 회전자 위치 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회전자 위치 센서는 3상 대칭 교류 전압을 인가하여 회전자를 회전시켜 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 센서에 있어서, 내부에 영구자석을 포함하고, 상기 영구자석의 주위로 상기 3상 대칭 교류 전압의 각각의 상의 교류 전압이 인가되는 제1상 권선, 제2상 권선 및 제3상 권선을 포함하며, 상기 제1상 권선, 제2상 권선 및 제3상 권선은 각각 직렬로 제1 저항, 제2 저항 및 제3 저항이 연결되어 디지털 신호 처리 장치(DSP, digital signal processor)로 연결되는 전동기 및 상기 회전자의 회전에 따라 제1상 권선, 제2상 권선 및 제3상 권선에 발생되는 역기전력을 입력받아 연산에 의해 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 디지털 신호 처리 장치를 포함한다.
2개의 홀 IC를 사용하지 않아도 되어 2개의 홀 IC의 셋팅시 발생될 수 있는 각도 오차를 제거할 수 있으며, 제조 비용이 절감된다. 또한, 다수의 홀(hall) IC로부터 전동기 제어기에 전달되는 5개의 출력 신호(센서 신호)간의 각도 정밀도가 부정확하게 될 경우 발생되는 전동기 구동시의 리플로 인한 소음 또는 진동이 감소된다. 종래 증분형 회전자 위치 센서에 비해 아날로그 형식으로 변경되어 디지털 신호 처리 장치의 연산 속도에 맞는 분해능까지 분해능을 높힐 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는, '회전자의 절대 위치'란 회전자의 회전에 따른 위치 또는 회전각을 나타내고, 회전자 위치 센서는 이러한 회전자의 절대 위치를 검출하는 센서를 말한다. 회전자의 회전에 따른 회전각은 기준 축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 검출될 수 있다.
도 1은 전동기의 회전자 위치 센싱을 위한 증분형 (incremental) 홀 IC를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 전동기(10)에 센싱을 위한 자석(110)과 인쇄회로기판(120)에 위치한 5개 홀 IC(121, 123)를 이용하여 전동기의 위치를 검출한다. 자석(110)은 6개의 극(pole)을 가진 주 자석(111)와 주 자석(111)을 이격하여 둘러싼 72개의 극을 가진 FG 자석(113)을 포함한다.
인쇄회로기판(120)에 위치한 3개의 홀 IC(121)는 주 자석(111)과 회전자의 극을 판별하기 위한 센서이며, 2개의 홀 IC(123)는 FG 자석(113)의 극을 판별하기 위한 센서로서 보다 정밀하게 회전자의 위치를 판별하기 위하여 이용된다. 5개 홀 IC(121, 123)에서 발생되는 출력 신호를 이용하여 전동기 제어기에서 제어해줌으로써 전동기는 구동된다.
도 2는 전동기의 회전자 위치 센싱을 위한 증분형 (incremental) 홀 IC의 펄스 출력 파형을 나타내는 파형도이다.
도 2를 참조하면, 파형(210, 220)는 FG 자석(113)의 극을 판별하기 위한 2개의 홀 IC(123)로부터의 출력 파형을 나타내고, 파형(230, 240, 250)는 주 자석(111)과 회전자의 극을 판별하기 위한 3개의 홀 IC(121)로부터의 출력 파형을 나타낸다.
주 자석(111)과 회전자의 극을 판별하기 위한 3개의 홀 IC(121)로부터의 출력 파형의 하나인 파형(250)의 펄스 파형 한 주기동안 FG 자석(113)의 극을 판별하기 위한 2개의 홀 IC(123)로부터의 출력 파형인 파형(210, 220)은 12번 온(on)되는 분해능을 나타낸다. 이러한 분해능을 높이면 회전자 위치 센싱의 성능이 향상된다.
도 3은 본 실시예에 따른 회전자 위치 센싱을 위한 전동기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에서는 회전자(rotor)가 영구자석(320)으로 구성되거나 영구자석(320)이 부착된 회전자가 이용될 수 있으며, 이러한 전동기를 '영구자석 동기 전동기'라 칭한다. 전동기(300)는 영구자석 동기 전동기 고정자(310) 및 회전자인 영구자석(320)를 포함하고, 영구자석 동기 전동기 고정자(310)는 U상 고정자 권선(311), V상 고정자 권선(313), W상 고정자 권선(315)의 3상 고정자 권선을 포함한다. 3상 고정자 권선(311, 313, 315)에 3상 대칭 교류 전압 즉, 3상 대칭 교류 전류를 인가할 경우, 인가된 전압(또는 전류)의 주파수의 속도로 영구자석(320)은 회전한다. 고정자(310)와 회전자인 영구자석(320)간의 위치 차이를 전기적 자속각(Qe)이라 한다. 회전자인 영구자석(320) 축을 d축이라고 하여, 회전자의 위치 즉, 전기적 자속각(Qe)에 맞춰 d축 전압 및 전류를 제어하는 것에 의해 전체 자속을 조정할 수 있다. 따라서, 전동기 속도 제어시 회전자인 영구자석(320)의 전기적 자속각(Qe)의 정확한 검출이 중요하다. 여기서, 직접 속도를 검출하지 않고 속도 센서의 출력은 모두 회전자의 절대 위치 정보이고, 속도 정보는 시간 변화에 따른 절대 위치 정보 변화의 연산을 통해 얻을 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 회전자 위치 센서를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 전동기(300)의 U상 고정자 권선(311), V상 고정자 권선(313), W상 고정자 권선(315)에 각각 직렬로 제1저항(351), 제2저항(353), 제3저항(355)을 연결하여 디지털 신호 처리 장치(DSP, digital signal processor, 400)로 연결한다. 제1저항(351), 제2저항(353), 제3저항(355)는 인쇄회로기판(350)에 위치할 수 있다. 여기서, 제1저항(351), 제2저항(353), 제3저항(355)은 1k Ω 이상일 수 있다. 3상 영구자석 동기 전동기에서는 회전자의 회전에 따라 3상 평형한 역기전력 성분이 발생된다. 이렇게 고저항값을 가진 저항을 U상 고정자 권선(311), V상 고정자 권선(313), W상 고정자 권선(315)에 연결함으로써 전동기 구동시 발생되는 대전류가 인쇄회로기판(350)내 회로로 흐르지 않게 된다.
U상 고정자 권선(311), V상 고정자 권선(313), W상 고정자 권선(315)에서 각각 디지털 신호 처리 장치(400)로 연결되는 중간에는 회전자의 회전에 따라 U상 고정자 권선(311), V상 고정자 권선(313), W상 고정자 권선(315)에서 각각 발생된 역기전력을 측정하는 전압 신호 검출기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
디지털 신호 처리 장치(400)는 3상의 U상 고정자 권선(311), V상 고정자 권 선(313), W상 고정자 권선(315)로부터 발생된 역기전력을 입력받아 회전자의 절대 위치 정보 즉, 회전각를 연산할 수 있다. 전동기(300) 구동시 발생되는 역기전력의 크기는 다음 수학식 1와 같다. 수학식 1을 참조하면, 역기전력의 크기는 회전 각속도에 비례하여 발생되는 것을 확인할 수 있다.
Figure 112009049138749-PAT00001
여기서, N은 턴수, d는 미분 연산자, Φ는 쇄교 자속, t는 시간, Θ는 회전각 및 w는 회전 각속도이다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 디지털 신호 처리 장치(400)에서 회전자의 절대 위치 정보 즉, 회전각의 연산 방법에 대하여 설명한다.
3상 영구자석 동기 전동기에서는 회전자의 회전에 따라 발생되는 3상의 역기전력은 전기적으로 120도의 위상차를 가지고 그 크기는 동일하므로 다음 수학식 2 내지 4로 표현될 수 있다. 이하에서, U상 고정자 권선(311)에서 발생되는 역기전력을 U상 역기전력으로, V상 고정자 권선(313)에서 발생되는 역기전력을 V상 역기전력은으로, W상 고정자 권선(315)에서 발생되는 역기전력을 W상 역기전력으로 나타내기로 한다.
Figure 112009049138749-PAT00002
Figure 112009049138749-PAT00003
Figure 112009049138749-PAT00004
여기서, Vp는 역기전력의 피크값, w는 회전각속도(=2πf), f는 회전 주파수, t는 시간 및 Φ는 회전자의 각도를 나타낸다.
도 5는 본 실시예에 따른 역기전력을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, Vp를 1, Φ를 초기인 0도, wt를 1로 가정했을 때의 U상 역기전력, V상 역기전력, W상 역기전력인 3상 역기전력을 확인할 수 있다. U상 역기전력, V상 역기전력, W상 역기전력은 각각 그 크기는 같고 120도의 위상차를 가진다.
도 6은 본 실시예에 따른 역기전력의 조합을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, W상 역기전력(610)에서 V상 역기전력(620)을 벡터적으로 빼면 (W-V)상 역기전력(630)이 생성되는데, 이러한 (W-V)상 역기전력(630)은 U상 역기전력(650)과는 90도의 위상차를 가지고 그 크기는 U상 역기전력(650) 보다
Figure 112009049138749-PAT00005
배 크다. (W-V)상 역기전력(630)을
Figure 112009049138749-PAT00006
으로 나누면, U상 역기전력(650)과는 그 크기가 동일하며 90도의 위상차를 가지는 신호(640)를 생성할 수 있다. 여기서, U상 역기전력(650)과는 그 크기가 동일하며 90도의 위상차를 가지는 신호(640)를 U'상 역기전력(640)으로 나타내고, 다음 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112009049138749-PAT00007
따라서, 상기 수학식 2와 수학식 5에 의해 본 실시예에 따른 회전자의 절대 위치 정보 즉, 회전자의 회전각는 다음 수학식 6에 의해 구할 수 있다.
Figure 112009049138749-PAT00008
도 7은 도 6에 따른 역기전력을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, U'상 역기전력(640)에 따른 역기전력의 파형은 (W-V)상 역기전력(630)에 따른 파형과 위상차를 동일하고, 그 크기만
Figure 112009049138749-PAT00009
로 나누어짐을 확인할 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따라 연산된 회전자의 절대 위치 정보와 실제의 회전자 절대 위치 정보를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따라 연산된 회전자의 절대 위치 정보와 실제 의 회전자 절대 위치 정보는 그래프에서 일치하였음을 확인할 수 있다.
이러한, 본 실시예에 따른 회전자 위치 센서는 회전자를 이용하는 다양한 장치에 적용할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 예를 들어, EPS(Electronic Power Steering) 전동기에 적용할 수 있다.
상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.
이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 전동기의 회전자 위치 센싱을 위한 증분형 (incremental) 홀 IC를 설명하는 도면이다.
도 2는 전동기의 회전자 위치 센싱을 위한 증분형 (incremental) 홀 IC의 펄스 출력 파형을 나타내는 파형도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 회전자 위치 센싱을 위한 전동기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 회전자 위치 센서를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 역기전력을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 실시예에 따른 역기전력의 조합을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 따른 역기전력을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 실시예에 따라 연산된 회전자의 절대 위치 정보와 실제의 회전자 절대 위치 정보를 나타낸 그래프이다.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
300: 전동기 311: U상 고정자 권선
313: V상 고정자 권선 315: W상 고정자 권선
350: 인쇄회로기판 351: 제1저항
353: 제2저항 355: 제3저항
400: 디지털 신호 처리 장치

Claims (10)

  1. 3상 대칭 교류 전압을 인가하여 회전자를 회전시켜 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 센서에 있어서,
    내부에 영구자석을 포함하고, 상기 영구자석의 주위로 상기 3상 대칭 교류 전압의 각각의 상의 교류 전압이 인가되는 제1상 권선, 제2상 권선 및 제3상 권선을 포함하며, 상기 제1상 권선, 제2상 권선 및 제3상 권선은 각각 직렬로 제1 저항, 제2 저항 및 제3 저항이 연결되어 디지털 신호 처리 장치(DSP, digital signal processor)로 연결되는 전동기 및
    상기 회전자의 회전에 따라 제1상 권선, 제2상 권선 및 제3상 권선에 발생되는 역기전력을 입력받아 연산에 의해 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 디지털 신호 처리 장치를 포함하는 회전자 위치 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 저항, 제2 저항 및 제3 저항은 각각 적어도 1k Ω의 저항값을 가지는 회전자 위치 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리 장치에 입력되는
    상기 제1상 권선에서 발생되는 역기전력은
    Figure 112009049138749-PAT00010
    이고 상기 제2상 권선에서 발생되는 역기전력은
    Figure 112009049138749-PAT00011
    이며 상기 제3상 권선에서 발생되는 역기전력은
    Figure 112009049138749-PAT00012
    이되,
    상기 제3상 권선에서 발생되는 역기전력에서 상기 제2상 권선에서 발생되는 역기전력을 벡터적으로 빼서
    Figure 112009049138749-PAT00013
    으로 나눈 것을 변형된 역기전력이라 할 때,
    변형된 역기전력은
    Figure 112009049138749-PAT00014
    이고
    상기 회전자의 회전에 따른 위치를 나타내는 각(Φ)은
    Figure 112009049138749-PAT00015
    인 연산에 의해 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 회전자 위치 센서.
    여기서, Vp는 역기전력의 피크값, w는 회전각속도(=2πf), f는 회전 주파수, t는 시간 및 Φ는 회전자의 각도임.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자는 상기 영구자석인 회전자 위치 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자는 상기 영구자석이 부착된 회전자 위치 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기는 EPS(Electronic Power Steering) 전동기인 회전자 위치 센서.
  7. 3상 대칭 교류 전압을 인가하여 회전자를 회전시켜 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 센싱방법에 있어서,
    전동기의 내부 영구자석 주위의 상기 3상 대칭 교류 전압의 각각의 상의 교류 전압이 인가되는 제1상 권선, 제2상 권선 및 제3상 권선에서 상기 회전자의 회전에 따라 각각 발생되는 역기전력을 입력받는 단계;
    상기 입력된 역기전력으로부터 연산에 의해 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 단계를 포함하는 회전자 위치 센싱방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 입력된 역기전력으로부터 연산에 의해 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 단계는,
    상기 제1상 권선에서 발생되는 역기전력은
    Figure 112009049138749-PAT00016
    이고 상기 제2상 권선에서 발생되는 역기전력은
    Figure 112009049138749-PAT00017
    이며 상기 제3상 권선에서 발생되는 역기전력은
    Figure 112009049138749-PAT00018
    이되,
    상기 제3상 권선에서 발생되는 역기전력에서 상기 제2상 권선에서 발생되는 역기전력을 벡터적으로 빼서
    Figure 112009049138749-PAT00019
    으로 나눈 것을 변형된 역기전력이라 할 때,
    변형된 역기전력은
    Figure 112009049138749-PAT00020
    이고
    상기 회전자의 회전에 따른 위치를 나타내는 각(Φ)은
    Figure 112009049138749-PAT00021
    인 연산에 의해 상기 회전자의 회전에 따른 위치를 검출하는 회전자 위치 센싱방법.
    여기서, Vp는 역기전력의 피크값, w는 회전각속도(=2πf), f는 회전 주파수, t는 시간 및 Φ는 회전자의 각도임.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전자는 상기 영구자석인 회전자 위치 센싱방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전자는 상기 영구자석이 부착된 회전자 위치 센싱방법.
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