KR101201908B1 - 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 종래에는 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치는 고가의 전류 센서 및 마이컴으로 인해 드라이브 가격이 높았고 모터 형상이 변경되었을 경우 복잡한 프로그램을 수정해야 하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 감안한 본 발명은 회전자의 D축과의 벡터도에서의 상관 관계를 이용하여 고정된 3상의 센싱 마그넷과; 상기 센싱 마그넷의 상대적 위치를 계측하는 홀 센서와; 상기 홀 센서의 계측에 의해 회전자의 상대적 위치를 결정하여 동기 릴럭턴스 모터를 제어하는 컨트롤 IC로 구성되어 컨트롤 IC 특성과 전압과 자속, 전압과 전류 및 전류와 회전자의 D축과의 벡터도에서의 상관 관계를 이용하여 고정자와 홀 센서 및 회전자와 센싱 마그넷의 상대적 위치를 결정함으로써 컨트롤 IC로 동기 릴럭턴스 모터를 제어함으로써 드라이브의 단순화하고, 드라이브 적용 용이성을 증대시키는 효과가 있다.

Description

동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치 및 방법{CONTROL APPARATUS AND METHOD OF SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTOR}

도 1은 종래 동기 릴럭턴스 모터를 구동하는 드라이브 구성을 보인 블록도.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 동기 릴럭턴스 모터의 드라이브 구성을 보인 예시도.

도 3은 도 2의 로터의 구성을 보인 블록도.

도 4는 본 발명에 의한 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 일례의 단면도.

도 5는 본 발명에 의한 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 자속 벡터의 일례를 나타내는 도.

도 6은 본 발명에 의한 로터의 구성을 보인 도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

20:컨트롤 IC 42:홀센서

43:센싱 마그넷 44:동기 릴럭턴스 모터

본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 제어 IC와 홀 센서를 이용하여 동기 릴럭턴스 모터를 제어할 수 있게 한 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치는 홀 소자, 리졸버 또는 광 인코더 등의 위치 센서를 사용하여 로터의 각도 정보를 취득한다. 종래 동기 릴럭턴스 모터의 드라이브는 마이컴 및 전류 센서를 이용하여 회전자의 위치를 추정하여 모터의 속도를 제어한다.

도 1은 종래 동기 릴럭턴스 모터를 구동하는 드라이브 구성을 보인 블록도이다. 드라이브는 정류부에 교류 전원을 공급하는 교류 전원부(1)와; 상기 교류 전원부(1)의 교류 전원을 정류하여 직류직류 변환기(3)에 직류 전원을 공급하는 정류부(2)와; 인버터에 직류 전원을 공급하는 직류직류 변환기(3)와; 직류직류 변환기(3)로부터 직류 전원을 공급받아 마이컴의 PWM 신호에 의해 동기 릴럭턴스 모터(5)를 구동하는 인버터(4)와; 전류 센서(6)에 의해 측정된 모터 인가전류에 기반하여 모터(5)의 회전자 위치를 추정하여 PWM 지령치에 의한 인버터(4) 제어를 통해 모터(5)의 속도를 제어하는 마이컴(7)으로 구성된다.

종래 동기 릴럭턴스 모터(5)의 제어 장치는 동기 릴럭턴스 모터(5)를 제어하 기 위해 전류 센서(6)를 통해 모터 인가 전류를 센싱한 후 소프트웨어적으로 회전자의 위치를 추정한다. 상기 동기 릴럭턴스 모터(5)의 제어 장치는 고가의 전류 센서(6) 및 마이컴(7)으로 인해 드라이브 가격이 높았고 모터 형상이 변경되었을 경우 복잡한 프로그램을 수정해야 하는 문제점이 있다. 또한, 마이컴(7)에 프로그램을 로딩하기 위해 별도의 에뮬레이터가 필요한 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 제어 IC와 홀 센서를 이용하여 동기 릴럭턴스 모터를 제어함으로써 드라이브를 단순하게 제어할 수 있도록 한 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 회전자의 D축과의 벡터도에서의 상관 관계를 이용하여 고정된 3상의 센싱 마그넷과; 상기 센싱 마그넷의 상대적 위치를 계측하는 홀 센서와; 상기 홀 센서의 계측에 의해 회전자의 상대적 위치를 결정하여 동기 릴럭턴스 모터를 제어하는 컨트롤 IC로 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치는 고정자와 홀 센서, 그리고 회전자와 센싱 마그넷 사이의 최적 상대 위치를 선정함으로써 하드웨어적으로 동작하는 저가의 컨트롤 IC 적용을 가능케 하여 드라이브의 가격저감을 가능케 한다. 또한, 모터 형상이 변경되었을 때도 단순한 저항 소자 튜닝을 통해 적용이 가능케 하여 적용 용이성을 증대시킨다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 첨부된 것으로, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 동기 릴럭턴스 모터의 드라이브 구성을 보인 예시도이고, 도 3은 도 2의 로터의 구성을 보인 블록도이고, 도 4는 본 발명에 의한 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 일례의 단면도이고, 도 5는 본 발명에 의한 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 자속 벡터의 일례를 나타내는 도이고, 도 6은 본 발명에 의한 로터의 구성을 보인 도이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 의한 것으로, 동기 릴럭턴스 모터의 드라이브를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

상기 첨부된 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 의한 동기 릴럭턴스 모터(44)의 드라이브를 설명하면, 회전자의 D축(41)과의 벡터도에서의 상관 관계를 이용하여 고정된 3상의 센싱 마그넷(43)과; 상기 센싱 마그넷(43)의 상대적 위치를 계측하는 홀 센서(42)와; 상기 홀 센서(42)의 계측에 의해 회전자의 상대적 위치를 결정하여 동기 릴럭턴스 모터(44)를 제어하는 컨트롤 IC(20)로 구성된다.

본 발명의 실시 예에서는 컨트롤 IC(20) 특성과 수학식 1 및 수학식 2에 기초한 전압과 자속, 전압과 전류 및 전류와 회전자의 D축(41)과의 벡터도에서의 상관 관계를 이용하여 고정자와 홀 센서(42) 및 회전자와 센싱 마그넷(43)의 상대적 위치를 결정함으로써 저가의 컨트롤 IC(20)를 통해 동기 릴럭턴스 모터(44)의 제어를 가능케 한다. 그 결과 드라이브의 가격 저감과 드라이브 적용 용이성을 증대시 킨다.

여기서, E는 전압이고, Φ는 자속이다.

여기서, T는 토크이고, P는 극수이고, L_d는 동기 d축 인덕턴스이고, L_q는 동기 q축 인덕턴스이고, Is는 전류이고,

는 전류각(회전자의 D축과 전류가 이루는 각)을 각각 나타낸다.

도 3은 도 2의 로터의 구성을 보인 블록도이다. U상 코일축은 고정자에서 3상 중 한상인 U상 권선의 중심을 나타내고, 센싱 마그넷(43)은 샤프트(31)에 고정되어져 회전자(32)와 물리적으로 상대적 위치가 고정되어 있다. 그리고 홀 센서 Ha, Hb, Hc 는 전기적으로 120도 위상차로 위치하여 센싱 마그넷(43)의 N, S극에 의한 자속을 입력받아 하이, 로우 신호를 출력한다. 홀 센서와 센싱 마그넷(43)의 N, S 극에 의해 홀 센서는 하이 신호 또는 로우 신호를 출력한다.

동기 릴럭턴스 모터를 구동하는데 있어 동기 릴럭턴스 모터의 드라이브는 전압과 자속, 전압과 전류 및 전류와 회전자(32)의 D축과의 벡터도에서의 상관관계를 이용하여 고정자와 홀 센서 및 회전자(32) D축과 센싱 마그넷(43) N극 또는 S극 중심의 상대적 위치를 결정하여 구동한다. 또한, 동기 릴럭턴스 모터의 드라이브는 동기 릴럭턴스 모터를 구동하는데 있어 홀 센서를 고정자 코일축 중심 부근에 위치시키고 센싱 마그넷 N극 또는 S극 중심을 회전자(32) D축 중심 부근에 위치시켜 구동한다.

상기 동기 릴럭턴스 모터의 드라이브 구성을 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명에서 사용되는 용어를 정의한다.

본 발명에서 사용되는 컨트롤 IC는 120도 2상 통전 방식의 PWM 전압을 인버터에 출력하는 소자이고, 홀 센서는 반도체(홀 소자)의 전극에 전류를 흐르게 한 후 수직 방향으로 자기장을 인가하면 전류의 방향과 자기장 방향에 수직하게 전위차(electric potential)가 발생함을 이용한 센서이고, 센싱 마그넷은 센싱 자석이고, 역률은 부하에 흐르는 전류가 얼마만큼의 일을 했는가의 비율을 수치로 나타내는 것이고, 토크는 회전축에 작용하는 중심축 주위의 짝힘이다.

이하, 상기 동기 릴럭턴스 모터 구성을 설명하면, 도 4는 본 발명에 의한 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 일례의 단면도이다.

컨트롤 IC는 일반적으로 기동시는 120도 2상 통전 방식의 PWM 전압을 인버터에 출력하는데 도 4와 같이 홀 센서(42) Ha가 센싱 마그넷(43) S극의 중심에 있고, Hb, Hc가 각각 센싱 마그넷의 N극에 위치했을 때는 모터에 3상 전압 중 2상인 Vu+와 Vw-를 인가한다. 그 결과 합성 전압 벡터 Vs는 도 5와 같이 되고 전압(V)과 자속(λ)은 수학식 1처럼 서로 90도의 위상차를 지니고 있기 때문에 도 5와 같이 전압과 자속의 U, V, W 세축은 서로 90도 위상차를 지닌다. 그리고 저속에서는 역률이 일반적으로 크기 때문에 전압과 전류의 위상차(

)는 약 35도 ~ 45도가 된다.

동기 릴럭턴스 모터의 토크는 수학식 2에서 알 수 있듯이 회전자의 D축과 전류 벡터 Is가 이루는 전류각

이 45도일 때 최대가 된다. 컨트롤 IC(20)는 홀 센서(42)의 신호에 따라 전압을 출력하는 특성으로 인해 전기적으로 60도 동안은 같은 전압 벡터를 모터에 인가하게 된다. 따라서 회전자(32) D축이 전류 벡터 Is로부터 회전 반대 방향으로 45도 위치에 있게 되면 전압 벡터가 일정 위치에 있는 상태에서 회전자(32)가 회전 방향 전기각 60도로 회전하게 되어 전류각은 -15도가 되고 역방향 토크가 발생하게 된다.

따라서 역방향 코드가 발생되지 않으면서 안정적으로 구동되어질 수 있는 회전자(32)의 D축(60) 위치는 전류 벡터 Is로부터 회전 반대방향으로 75도 부근에 위치해 있어야 한다. 즉, 회전자(32) D축(60)은 Vs로부터 회전 반대방향으로 '(35~45도)+75도=110~120도 ' 위치인 센싱 마그넷(43) 중심으로부터의 0~10도 (전기각) 사이에 위치하게 되면 동기 릴럭턴스 모터의 안정된 기동 및 구동성을 확보할 수 있다.

도 6은 본 발명에 의한 로터의 구성을 보인 도이다. U상 코일축은 고정자에서 3상 중 한상인 U상 권선 와인딩의 중심을 나타내고, 센싱 마그넷(43)은 샤프트에 고정되어져 회전자와 물리적으로 상대적 위치가 고정되어 있다. 그리고 홀 센서(42) Ha, Hb, Hc는 전기적으로 120도 위상차로 위치하여 센싱 마그넷(43)의 N,S 극에 의한 자속을 입력받아 High, Low 신호를 출력한다.

이상, 상기 구성의 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치는 센싱 마그넷(43)를 회전자의 D축(60)과의 벡터도에서의 상관 관계를 이용하여 고정되게 구성하고, 홀 센 서(42)를 상기 센싱 마그넷(43)의 상대적 위치를 계측하도록 구성하고, 컨트롤 IC(20)를 상기 홀 센서(42)의 계측에 의해 회전자의 상대적 위치를 결정하여 동기 릴럭턴스 모터를 제어하도록 구성한다. 즉, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치는 서로 다른 장치 구성에 의해 구현 가능하지만 필요에 따라 장치 구성을 합치거나 세분화된 구성으로 구현될 수 있다.

또한, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치는 일련의 절차를 수행하는 프로그램의 실행이 가능한 마이크로 컨트롤러와 같은 프로세서에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 홀 센서(42)의 계측에 의해 회전자(32)의 상대적 위치를 결정하여 동기 릴럭턴스 모터를 제어하는 컨트롤 IC(20)와; 상기 홀 센서(42)의 하이 신호 또는 로우 신호를 입력하는 입력 인터페이스를 포함할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 컨트롤 IC 특성과 전압과 자속, 전압과 전류 및 전류와 회전자의 D축과의 벡터도에서의 상관 관계를 이용하여 고정자와 홀 센서 및 회전자와 센싱 마그넷의 상대적 위치를 결정함으로써 컨트롤 IC로 동기 릴럭턴스 모터를 제어함으로써 드라이브의 단순화하고, 드라이브 적용 용이성을 증대시키는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 회전자의 D축과의 벡터도에서의 상관 관계를 이용하여 고정된 3상의 센싱 마그넷과;

   상기 센싱 마그넷의 상대적 위치를 계측하는 홀 센서와;

   상기 홀 센서의 계측에 의해 회전자의 상대적 위치를 결정하여 동기 릴럭턴스 모터를 제어하는 컨트롤 IC로 구성되고,

   상기 컨트롤 IC는,

   전압과 자속, 전압과 전류 및 전류와 회전자의 D축과의 벡터도에서의 상관관계를 이용하여 고정자와 홀 센서의 상대적 위치, 및 회전자 D축과 센싱 마그넷 N극 또는 S극 중심의 상대적 위치를 결정하여 구동하는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 센싱 마그넷은

   샤프트에 고정되어져 회전자와 물리적으로 상대적 위치에 고정되게 구성된 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 홀 센서는

   전기적으로 120도 위상차로 위치하여 센싱 마그넷의 N, S극에 의한 자속을 입력받아 하이, 로우 신호를 출력하게 구성된 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치.
4. 삭제
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동기 릴럭턴스 모터는

   홀 센서를 고정자 코일축 중심 부근에 위치시키고 센싱 마그넷 N극 또는 S극 중심을 회전자 D축 중심 부근에 위치시켜 구동하게 구성된 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어 장치.

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