KR20140047437A - 모터 회전자 위치 검출 방법 및 장치 - Google Patents

모터 회전자 위치 검출 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분해능을 구비한 고가의 엔코더 소자 대신 저가형 소자를 이용하여 고분해능으로 모터 회전자 위치 검출 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 방법은, 저가형 홀소자 2개를 이용하여 모터 회전자의 위치를 검출 방법에 있어서, 차량의 전자제어장치(ECU, Electronic Control Unit) 내부의 프리러닝 카운터(Free-Running Counter)를 초기화하는 (a)단계; 상기 홀소자 중 어느 하나의 첫 번째 엣지(Edge)에서 카운팅을 시작하는 (b)단계; 상기 홀소자 중 다른 하나의 두 번째 엣지에서의 카운터(Counter)값을 저장한 후 상기 두 번째 엣지에서의 카운터값을 0으로 초기화하고 카운터를 재시작하는 (c)단계; 상기 첫 번째 엣지와 상기 두 번째 엣지 사이의 카운터 개수를 이용하여 상기 모터의 회전 속도를 산출하는 (d)단계; 및 상기 산출된 속도를 이용하여 단위 시간당 변위를 산출하여 현재 회전자의 위치를 검출하는 (e)단계를 포함할 수 있다.

Description

모터 회전자 위치 검출 방법 및 장치{Motor Rotor Position Detector Method and Apparatus}
본 발명은 회전자 위치 검출 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 고분해능을 구비한 고가의 엔코더 소자 대신 저가형 소자를 이용하여 고분해능으로 모터 회전자 위치 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.
자동차용 전동식 조향장치(EPS, Electrical Power Steering)는 모터의 토크를 이용하여 운전자의 조향력을 보조하는 시스템이다. 일반적으로 전동식 조향장치는 모터, 전자제어장치(ECU, Electronic Control Unit) 및 운전자의 조향력을 감지하는 토크센서 및 동력을 전달하는 기구부로 구성이 되어 있다.
전동식 조향장치에 이용되는 모터는 과거에는 주로 직류모터(DC Motor)이나 최근에는 직류모터는 중량 대비 출력이 작아 중형차급 차량에 이용되기 위해서는 사이즈가 커지고 요구 출력에 미달하는 문제가 존재하여 소형차급에만 이용되고 있다.
중형차급 이상에서 이용되고 있는 모터는 영구자석형 3상 모터가 이용되고 있으며, 직류모터보다 출력이 커서 사이즈를 감소시킬 수 있는 장점이 존재하나 제어가 어려운 단점이 있다.
영구자석형 3상 동기 모터는 정밀한 제어를 위하여 회전자(Rotor)의 표면에 부착되어 있는 영구자석의 위치를 감지하여야 하며 이를 위하여 일반적으로 리졸버 또는 엔코더와 같은 고가의 회전자 위치 검출 장치를 사용하고 있다.
기존에 사용되는 회전자 위치 검출 장치 중 신호 검출용 홀소자를 이용하는 것을 도면과 함께 설명한다.
도 1은 3상 영구자석형 모터의 회전자 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 위치 센서 마그네트 및 신호 검출용 소자를 나타내는 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 3상 영구자석형 모터의 회전자 구조는 축방향 끝에 위치 검출용 보조 마그네트가 존재한다. 이 마크네트의 축방향 쪽에는 도 2와 같은 홀소자들 U, V 및 W가 존재한다.
도 3은 홀소자의 출력신호의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 엔코더의 출력신호의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 홀소자의 출력신호는 모터 1회전당 3개의 신호를 발생하며, U, V 및 W는 서로 120도의 위상차를 가진다. 도 2에서 A와 B는 모터 1회전당 약 1000개 이상의 신호를 발생할 수 있는 엔코더이다.
홀소자 U, V, W는 회전자에 부착되어 있는 메인 영구자석의 위치를 감지하기 위한 소자이며, 주 영구자석의 극수에 따라 모터 1회전당 발생 신호가 달라진다. 도 2에서 홀소자가 감지하는 위치센서 마그네크의 N극, S극 교번이 모터 1회전당 6회가 발생하게 되며, N극과 S극의 교번이 2회 발생하는 것을 전기각 1회전이라고 한다.
전동식 조향장치용 영구자석형 3상 모터의 정밀 제어를 위해서는 전기각 기준으로 1도 미만의 분해능을 필요로 한다. 전기각은 모터의 1회전의 1/3이고 이때 적어도 360개의 신호를 발생할 수 있는 분해능을 구비한 엔코더 소자가 필요하다.
즉, 엔코더 소자는 모터 1회전당 360×3인 1080개 이상의 신호 분해능을 구비하고 있어야 한다. 이러한 분해능을 구비하고 있는 소자는 고가이다. 또한, 이러한 분해능을 구비하고 있는 엔코더 소자는 설계의 자유도를 감소시키는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고분해능을 구비한 고가의 엔코더 소자 대신 저가형 소자를 이용하여 고분해능으로 모터 회전자 위치 검출 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 모터 회전자 위치 검출 방법은, 저가형 홀소자 2개를 이용하여 모터 회전자의 위치를 검출 방법에 있어서, 차량의 전자제어장치(ECU, Electronic Control Unit) 내부의 프리러닝 카운터(Free-Running Counter)를 초기화하는 (a)단계; 상기 홀소자 중 어느 하나의 첫 번째 엣지(Edge)에서 카운팅을 시작하는 (b)단계; 상기 홀소자 중 다른 하나의 두 번째 엣지에서의 카운터(Counter)값을 저장한 후 상기 두 번째 엣지에서의 카운터값을 0으로 초기화하고 카운터를 재시작하는 (c)단계; 상기 첫 번째 엣지와 상기 두 번째 엣지 사이의 카운터 개수를 이용하여 상기 모터의 회전 속도를 산출하는 (d)단계; 및 상기 산출된 속도를 이용하여 단위 시간당 변위를 산출하여 현재 회전자의 위치를 검출하는 (e)단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 (d)단계는, 상기 카운터의 주기를 T1이라 하고, 상기 카운터의 값을 N이라 하며, 상기 홀소자 중 어느 하나의 첫 번째 신호와 상기 홀소자 중 다른 하나의 두 번째 신호 사이의 간격 분해능을 Theta라 하면, 상기 모터의 회전 속도를 상기 Theta를 상기 T1과 상기 N을 곱한 값으로 나눈 값으로 산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 (e)단계는, 상기 모터의 제어를 위하여 상기 회전자의 위치를 필요로 하는 모터 제어 주기를 T2라 하고, 이전 각도를 Angle이라 하면, 상기 현재 회전자의 위치를 상기 산출된 모터의 회전 속도에 상기 T2를 곱한 후 상기 Angle을 더한 값으로 산출할 수 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 모터 회전자 위치 검출 장치는, 저가형 홀소자 2개를 이용하여 모터 회전자의 위치를 검출 방법에 있어서, 차량의 전자제어장치(ECU, Electronic Control Unit) 내부의 프리러닝 카운터(Free-Running Counter)를 초기화하는 초기화부; 상기 홀소자 중 어느 하나의 첫 번째 엣지(Edge)에서 카운팅을 시작하며, 상기 홀소자 중 다른 하나의 두 번째 엣지에서의 카운터(Counter)값을 저장한 후 상기 두 번째 엣지에서의 카운터값을 0으로 초기화하고 카운터를 재시작하는 제어부; 상기 첫 번째 엣지와 상기 두 번째 엣지 사이의 카운터 개수를 이용하여 상기 모터의 회전 속도를 산출하는 회전속도산출부; 및 상기 산출된 속도를 이용하여 단위 시간당 변위를 산출하여 현재 회전자의 위치를 검출하는 위치검출부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 회전속도산출부는, 상기 카운터의 주기를 T1이라 하고, 상기 카운터의 값을 N이라 하며, 상기 홀소자 중 어느 하나의 첫 번째 신호와 상기 홀소자 중 다른 하나의 두 번째 신호 사이의 간격 분해능을 Theta라 하면, 상기 모터의 회전 속도를 상기 Theta를 상기 T1과 상기 N을 곱한 값으로 나눈 값으로 산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 위치검출부는, 상기 모터의 제어를 위하여 상기 회전자의 위치를 필요로 하는 모터 제어 주기를 T2라 하고, 이전 각도를 Angle이라 하면, 상기 현재 회전자의 위치를 상기 산출된 모터의 회전 속도에 상기 T2를 곱한 후 상기 Angle을 더한 값으로 산출할 수 있다.
본 발명은 저가 저분해능 소자를 이용하여 기존 고가 소자의 분해능 또는 더 우수한 분해능을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 고분해능으로 정밀한 모터 회전자의 위치 검출이 가능하여 정밀한 모터 제어가 가능하다.
또한, 본 발명은 기존의 고가 소자를 이용하지 않아도 되는바 성능 향상될 뿐만 아니라 원가 절감의 효과도 존재한다.
도 1은 3상 영구자석형 모터의 회전자 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 위치 센서 마그네트 및 신호 검출용 소자를 나타내는 도면이다.
도 3은 홀소자의 출력신호의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 엔코더의 출력신호의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 장치에 관한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 방법에 관한 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
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. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어”있다거나 “직접 접속되어”있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함될 수 있다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다
본 발명에 따른 모터 회전자 위치 검출 장치는 고가의 엔코더 소자를 대체하여 저가형 소자를 이용하여 고분해능을 구비한 모터 회전자 위치 검출이 가능한 장치이다. 구체적으로 본 발명에 따른 모터 회전자 위치 검출 장치는 저가형 소자 중 홀소자 두 개를 이용한 것이 바람직하며, 두 개의 홀소자를 각각 H1 및 H2라 명한다.
본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에는 두 개의 홀소자를 이용하여 모터 회전자의 위치를 검출하는 장치 및 방법에 관하여 설명하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
엔코더 소자는 보통 홀소자와 동일한 성은의 기능을 가진 소자가 32개 이상 집적되어 있는 소자이다. 즉, 홀소자 2개를 이용하면 분해능은 대략 1/16정도로 감소된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 장치에 관한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 장치(500)는 초기화부(510), 제어부(520), 회전속도산출부(530) 및 위치검출부(540)를 포함한다.
초기화부(510)는 차량의 전자제어장치(ECU, Electronic Control Unit) 내부의 프리러닝 카운터(Free-Running Counter) 초기화한다.
초기화부(510)는 차량의 전자제어장치의 마이크로컨트롤유닛(MCU, Micro Control Unit)에서 수행될 수도 있다.
마이크로컨트롤유닛의 기능 중 내부 클락(Clock) 신호나 클락의 체배 신호에 연동하여 카운팅(Counting)이 가능한 카운터(Counter) 기능을 구비하고 있다.
즉, 초기화부(510)는 카운터 기능을 이용하여 전자제어장치 내부의 프리러닝 카운터를 초기화 할 수 있다.
제어부(520)는 H1의 첫 번째 엣지(Edge)에서 카운팅을 시작한다.
또한 제어부(520)는 H2의 두 번째 엣지에서의 카운터(Counter)값 저장한 후 두 번째 엣지에서의 카운터값을 0으로 초기화 후 카운터를 재시작한다.
구체적으로 제어부(520)는 앞서 설명한 카운터 기능을 이용하여 카운팅을 수행할 수 있으며, 카운터의 카운팅 주기는 모터의 최대 회전 속도를 감안하여 설정하는 것이 바람직하다.
회전속도산출부(530)는 H1의 첫 번째 엣지(Edge)와 두 번째 엣지 사이의 카운터 개수를 이용하여 모터의 회전 속도를 산출한다.
구체적으로 회전속도산출부(530)는 수학식 1을 이용하여 모터의 회전 속도를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
W = Theta/(N×T1)
수학식 1에서 W가 모터의 회전 속도이다. T1은 카운터의 주기이고, N은 카운터값이다. Theta는 H1의 첫 번째 신호와 H2의 두 번째 신호 사이의 간격 분해능을 의미한다.
위치검출부(540)는 회전속도산출부(530)에서 산출된 모터 회전 속도를 이용하여 단위 시간당 변위를 산출하여 현재 회전자의 위치를 검출한다.
구체적으로 위치검출부(540)는 수학식 2를 이용하여 현재 회전자의 위치를 검출할 수 있다.
[수학식 2]
P = Angle+Theta/(N×T1)×T2
수학식 2에서 P는 현재 회전자의 위치를 의미한다. Angle은 이전 각도를 의미하며, T2는 모터 제어를 위하여 회전자의 위치정보가 필요로 하는 모터 제어주기를 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 장치(500)는 저가 저분해능 홀 소자를 이용하여 기존 고가 소자의 분해능 또는 더 우수한 분해능을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 장치(500)는 고분해능으로 정밀한 모터 회전자의 위치 검출이 가능하여 정밀한 모터 제어가 가능하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 장치(500)는 기존의 고가 소자를 이용하지 않아도 되는바 성능 향상뿐만 아니라 원가 절감의 효과도 존재한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 방법에 관한 흐름도이다.
도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 방법에 관하여 설명하면, 초기화부(510)가 차량의 전자제어장치(ECU, Electronic Control Unit) 내부의 프리러닝 카운터(Free-Running Counter)를 초기화한다(S610 단계).
제어부(520)가 H1의 첫 번째 엣지(Edge)에서 카운팅을 시작한다(S620 단계).
또한, 제어부(520)가 H2의 두 번째 엣지에서의 카운터(Counter)값 저장한 후 두 번째 엣지에서의 카운터값을 0으로 초기화한 후 카운터를 재시작한다(S630 단계).
회전속도산출부(530)가 첫 번째 엣지와 상기 두 번째 엣지 사이의 카운터 개수를 이용하여 모터의 회전 속도를 산출한다(S640 단계).
위치검출부(540)가 산출된 속도를 이용하여 단위 시간당 변위를 산출하여 현재 회전자의 위치를 검출한다(S650 단계).
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 회전자 위치 검출 장치(500)의 블록도는 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 개념적 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도는 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블록을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.
또한 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 저가형 홀소자 2개를 이용하여 모터 회전자의 위치를 검출 방법에 있어서,
    차량의 전자제어장치(ECU, Electronic Control Unit) 내부의 프리러닝 카운터(Free-Running Counter)를 초기화하는 (a)단계;
    상기 홀소자 중 어느 하나의 첫 번째 엣지(Edge)에서 카운팅을 시작하는 (b)단계;
    상기 홀소자 중 다른 하나의 두 번째 엣지에서의 카운터(Counter)값을 저장한 후 상기 두 번째 엣지에서의 카운터값을 0으로 초기화하고 카운터를 재시작하는 (c)단계;
    상기 첫 번째 엣지와 상기 두 번째 엣지 사이의 카운터 개수를 이용하여 상기 모터의 회전 속도를 산출하는 (d)단계; 및
    상기 산출된 속도를 이용하여 단위 시간당 변위를 산출하여 현재 회전자의 위치를 검출하는 (e)단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 회전자 위치 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d)단계는,
    상기 카운터의 주기를 T1이라 하고, 상기 카운터의 값을 N이라 하며, 상기 홀소자 중 어느 하나의 첫 번째 신호와 상기 홀소자 중 다른 하나의 두 번째 신호 사이의 간격 분해능을 Theta라 하면,
    상기 모터의 회전 속도를 상기 Theta를 상기 T1과 상기 N을 곱한 값으로 나눈 값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 회전자 위치 검출 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (e)단계는,
    상기 모터의 제어를 위하여 상기 회전자의 위치를 필요로 하는 모터 제어 주기를 T2라 하고, 이전 각도를 Angle이라 하면,
    상기 현재 회전자의 위치를 상기 산출된 모터의 회전 속도에 상기 T2를 곱한 후 상기 Angle을 더한 값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 회전자 위치 검출 방법.
  4. 저가형 홀소자 2개를 이용하여 모터 회전자의 위치를 검출 방법에 있어서,
    차량의 전자제어장치(ECU, Electronic Control Unit) 내부의 프리러닝 카운터(Free-Running Counter)를 초기화하는 초기화부;
    상기 홀소자 중 어느 하나의 첫 번째 엣지(Edge)에서 카운팅을 시작하며, 상기 홀소자 중 다른 하나의 두 번째 엣지에서의 카운터(Counter)값을 저장한 후 상기 두 번째 엣지에서의 카운터값을 0으로 초기화하고 카운터를 재시작하는 제어부;
    상기 첫 번째 엣지와 상기 두 번째 엣지 사이의 카운터 개수를 이용하여 상기 모터의 회전 속도를 산출하는 회전속도산출부; 및
    상기 산출된 속도를 이용하여 단위 시간당 변위를 산출하여 현재 회전자의 위치를 검출하는 위치검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 회전자 위치 검출 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전속도산출부는,
    상기 카운터의 주기를 T1이라 하고, 상기 카운터의 값을 N이라 하며, 상기 홀소자 중 어느 하나의 첫 번째 신호와 상기 홀소자 중 다른 하나의 두 번째 신호 사이의 간격 분해능을 Theta라 하면,
    상기 모터의 회전 속도를 상기 Theta를 상기 T1과 상기 N을 곱한 값으로 나눈 값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 회전자 위치 검출 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 위치검출부는,
    상기 모터의 제어를 위하여 상기 회전자의 위치를 필요로 하는 모터 제어 주기를 T2라 하고, 이전 각도를 Angle이라 하면,
    상기 현재 회전자의 위치를 상기 산출된 모터의 회전 속도에 상기 T2를 곱한 후 상기 Angle을 더한 값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 회전자 위치 검출 장치.
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