KR100186421B1

KR100186421B1 - 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법

Info

Publication number: KR100186421B1
Application number: KR1019960019823A
Authority: KR
Inventors: 박영상
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1996-06-04
Filing date: 1996-06-04
Publication date: 1999-05-15
Also published as: KR980006785A

Abstract

본 발명은 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법에 관한 것으로, 종래에는 데드 포인트를 없앤 후 임의의 위치에 있는 로터를 초기위치로 일치시키기 위하여 SW5와 SW6 스위칭신호를 브러쉬리스 직류모터에 가하는 시간이 수백 ms정도의 기동시간이 요구되므로 그 만큼 시간지연이 일어남에 따라 시간손실이 생기고, 시간이 길어짐에 따라 배터리의 손실이 커지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 초기위치를 고정하는 수순없이 바로 스위칭벡터를 찾아 빠른 기동을 할 수 있도록 하여 기동시간을 크게줄이고, 이로인해 반복재생시의 신속성을 구현하고, 기동토오크 향상 및 배터리의 절약효과등을 가져오도록 한다.

Description

헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법

제1도는 일반적인 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 구동회로도.

제2도는 제1도에서, 브러쉬리스 직류모터의 정,역회전시 역기전력에 따른 스위칭구동신호 및 모터위치신호 파형도.

제3도는 제1도에서, 브러쉬리스 직류모터를 구동하기 위한 스위칭신호 및 로터위치를 보여주는 설명도.

제4도는 종래 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동및 정상회전시 스위칭순서도.

제5도는 종래 헤드폰/스케리오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법에 대한 동작흐름도.

제6도는 본 발명 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터 정지시 처리과정도.

제7도는 제5도에서, 인터럽트 발생시의 처리과정도.

제8도는 제7도에서, 속도측정방법에 대한 동작흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 베이스 구동부 20 : 인버터부

M : 브러쉬리스 직류모터 TR1 ~ TR6 : 스위칭소자

본 발명은 브러쉬리스 직류모터의 기동을 시간 지체없이 최적의 스위칭벡터로 스위칭하기 위한 것으로, 특히 브러쉬리스 직류모터 회전시 발생하는 역기전력에 의한 모터위치신호를 찾아내고 이 찾아낸 모터위치 신호의 레벨과 모터의 가속여부를 체크하여 로터의 위치를 인식한 후 모터를 원하는 대로 회전가능하도록 한 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법에 관한 것이다.

종래 브러쉬리스 직류모터의 구동회로는, 제1도에 도시된 바와같이, 모터를 구동시키기 위한 베이스 구동신호를 출력하는 베이스 구동부(10)와; 상기 베이스 구동부(10)로 부터 발생하는 구동신호에 의해 스위칭소자가 턴온 또는 턴오프하여 브러쉬리스 직류모터(M)가 정회전 또는 역회전하도록 하는 인버터부(20)로 구성된다.

이와같이 구성된 종래의 기술에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

베이스 구동부(10)에서 인버터부(20)의 스위칭소자를 온시키기 위한 신호를 가하게 되면, 상기 인버터부(20)의 일부 스위칭소자는 턴온 그리고 일부 스위칭소자는 턴오프됨에 따라 브러쉬리스 직류모터(M)에 전원이 공급되면서 정회전 또는 역회전하게 된다.

상기에서 브러쉬리스 직류모터(M)가 정회전을 하게되면 제2도의 (a)에서와 같은 U,V,W상의 역기전력이 유기되고, 역회전 하게되면 (f)에서와 같은 3상의 역기전력이 유기된다.

브러쉬리스 직류모터(M)를 정회전 또는 역회전시키기 위해 인버터부(20)의 스위칭소자인 6개의 트랜지스터들(TR1 ~ TR6)들을 로터(rotor)의 회전위치에 맞게 조합한 스위칭신호를 만들어 가해주어야 한다.

상기 스위칭신호는 SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6와 같은 6종류의 벡터로서, 예를들어 SW6은 (O,L,H)의 로직(logic)을 갖는데, 로직의 순서는 U,V,W상의 상태를 의미하는 것으로 로직 0는 U상이 오픈상태임을 나타내고, 로직 L은 V상이 로우상태임을 나타내고, 로직 H는 W상이 하이상태임을 나타낸다.

상기에서, 로직이 하이(H)상태이면 싱크(sink) 파워 트랜지스터인 TR4, TR5, TR6가 온(ON)되고, 로직이 로우(L)상태이면 소오스(source) 파워 트랜지스터인 TR1, TR2, TR3가 온(ON)되고, 로직이 오픈(OPEN)상태이면 베이스 구동이 오픈인 상태를 말한다.

따라서, 상기 SW6 스위칭신호의 로직이 (O,L,H)인 경우 U상이 오픈상태이므로 제1트랜지스터(TR1)가 동작하지 않는 상태이고, V상이 로우이면 제5트랜지스터(TR5)가 온상태이고, W상이 하이이면 제3트랜지스터(TR3)가 온되는 것을 의미한다.

그러면 전원전압(Vs)은 제3트랜지스터(TR3) → 모터(M) → 제5트랜지스터(TR5)를 거치면서 모터를 회전시키게 된다.

상기에서와 같은 6개의 스위칭신호(SW1 ~ SW6)를 브러쉬리스 직류모터(M)에 가하면 로텨(rotor)의 위치가 제3도에 도시한 바와같이 스위칭신호 방향으로 놓이게 되며, 여기서는 SW6 방향을 로터가 놓여지는 초기위치로 가정한다.

종래에, 브러쉬리스 직류모터(M)를 기동하고자 할 경우 로터(rotor)에 대한 위치정보가 없으므로 우선 (L,O,H)의 로직을 갖는 SW5의 스위칭신호를 일정시간 동안 가한 후 다시 (O,L,H)의 로직을 갖는 SW6의 스위칭신호를 일정시간 동안 브러쉬리스 직류모터(M)에 가하게 되면, 제3도에 도시한 바와같이 로터(rotor)가 초기위치에 놓이게 된다.

상기에서와 같이 스위칭신호 SW5 → SW6을 차례로 브러쉬리스 직류모터(M) 가해 로터를 초기위치에 세운 후 (H,O,L)의 로직을 갖는 SW2의 스위칭신호를 가해 회전시키면, 정상적인 회전이 이루어진다.

여기서, SW6의 위치에 로터를 세운 후 SW1의 스위칭신호를 브러쉬리스 직류모터(M)에 가하지 않고 SW2의 스위칭신호를 가하는 이유는 로터와 90°위치에 있는 수위칭신호를 인가할 때 로터가 가장 큰 힘을 발생하기 대문이다.

이후에 제4도에 도시한 바와같이 SW3→SW4→SW5→SW6→SW1과 같은 순서로 스위칭한다.

제4도에서, 기동후의 정상회전시 스위칭신호를 SW2부터 표시하여 놓았으나 이는 설정하기 나름이므로 SW3나 SW1이나 어떤 스위칭신호를 먼저 가해도 무관하며, 스위칭순서는 설정해 놓은 순서대로 행하면 된다.

그리고, 상기에서 초기에 모터를 기동할 때 먼저 SW5 스위칭신호를 주는 이유는 데드 포인트(dead point)를 없애기 위한 것이고, 그다음 SW6 스위칭신호를 주는 이유는 임의의 위치에 있는 로터를 초기위치에 세우기 위함이다.

여기서, 데드 포인트란 로터의 위치가 (N S)가 정상이라면 (S N)이 될 가능성을 의미한다.

그러나, 상기에서와 같은 종래기술에 있어서, 데드 포인트를 없앤 후 임의의 위치에 있는 로터를 초기위치로 일치시키기 위하여 SW5와 SW6 스위칭신호를 브러쉬리스 직류모터에 가하는 시간이 수백 ms정도의 기동시간이 요구되므로 그 만큼 시간지연이 일어남에 따라 시간손실이 생기고, 시간이 길어짐에 따라 배터리의 손실이 커지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 초기위치를 고정하는 수순없이 바로 스위칭벡터를 찾아 빠른 기동을 할 수 있도록 한 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 기동시간을 줄여 레코더를 이용한 반복재생시 신속성, 기동토오크 향상 및 배터리 절약등에 기여하도록 한 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법은, 제5도에 도시한 바와같이, 모터의 정상회전시 설정된 제일 처음의 스위칭신호를 가하는 제1단계와; 상기 제1단계에서 스위칭 신호를 가하여 기동시 정지감시타이머를 이용하여 모터가 정지상태인지 기동상태인지를 체크하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 정지상태인 경우 스위칭신호를 가한 위치에 있는 것으로 판단하여 스위칭신호에 2를 더한 신호를 가한 후 기동의 실패 유무를 체크하는 제3단계와; 상기 제2단계에서 기동중인 경우 인터럽트 유무를 체크하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 인터럽트가 있으면 최적의 스위치를 찾기위한 인터럽트 처리를 행하고 인터럽트가 없으면 상기 제3단계로 진행하는 제5단계와; 상기 제3단계에서 기동이 실패하지 않았으면 제2단계로 진행하고 실패하면 로터를 초기위치로 고정하기 위한 설정되어 있는 두개의 스위칭신호를 가하여 기동하도록 하느 제6단계로 이루어진다.

상기에서 인터럽트 처리는 제7도에 도시한 바와같이, 모터위치신호의 제로-크로싱 포인트 간격을 이용하여 회전속도와 가속도를 측정하는 제1과정과; 상기 제1과정에서 구한 회전속도와 가속도를 이용하여 기동여부를 체크하는 제2과정과; 상기 제2과정에서 기동중이면 지금까지 실패한 기동실패횟수를 횟수를 측정하고 그 측정한 횟수와 설정된 실패 최대횟수와 비교하는 제3과정과; 상기 제3과정에서 실패횟수가 설정된 실패 최대횟수 보다 많으면 기동실패로 판단하고 적으면 위치정보신호의 제로-크로싱 포인트 간격을 이용하여 노이즈인지 아닌지를 체크하는 제4과정과; 상기 제4과정에서 노이즈로 판단되면 기동실패로 판단하여 모터기동을 종료하고 노이즈가 아니라고 판단되면 현재 가한 스위칭신호가 최적의 스위치군인지를 체크하여 보정한 후 종료하는 제5과정과; 상기 제2과정에서 기동완료라고 판단되면 임의의 스위칭신호를 일정시간동안 가하여 초기위치에 세워두도록 하는 제6과정으로 이루어진다.

이와같이 각 단계로 이루어진 방법에 대한 본 발명의 동작 및 작용효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

기동명령을 인식하면 로터(rotor)의 초기위치에 관계없이 (H,O,L)의 로직을 갖는 SW2의 스위칭신호를 인버터부(20)에 가한다. 여기서, SW2 스위칭신호를 가하지 않고 임의의 스위칭신호를 가해도 되는데, 그 임의의 스위칭신호는 모터를 정상회전시키기 위하여 미리 설정한 순서중 제일먼저 가할 스위칭신호 이어야 한다. 본 발명에서는 제4도에서 정상회전시 설정한 순서하는 가정하에 SW2 스위칭신호를 제일먼저 가하는 것이다.

그리고, 모터 정지시에는 제6도에서와 같이 (O,L,H)의 로직을 갖는 SW6의 스위칭신호를 100ms 시간동안 가하여 가능한한 로터가 제3도에 도시한 SW6 위치에 정지시켜 놓아 기동시 상기 SW2 스위칭신호를 가하면 지체없이 최적의 벡터로 기동할 수 있는 여견을 마련해둔다.

이때 로터가 제3도와 같이 로터 초기위치에 일치되어 있으면,(H,O,L)의 로직을 갖는 SW2 스위칭신호를 가하면 즉시 기동될 것이고, 로터가 어떤 원인에 의해 정지시의 SW6 위치에서 SW5 또는 SW1 위치방향으로 옮겨져 있으면 SW2를 가할 때 최적의 벡터는 아니라도 어떤 형태로든 로터가 이동할 것이다.

여기서, SW2를 가하는 이유는 앞에서 언급한 바와같이 모터 정지시(O,L,H)의 로직을 갖는 SW6 스위칭신호를 100ms 동안 가하여 가능한한 SW6 위치에 두기 때문에 그 SW6 위치에서 가장 큰 힘을 받을 수 있는 90°방향에 있는 스위칭신호가 SW2이기 때문이다.

따라서, 로터의 정지위치를 SW5 위치에 두게되면 처음에 SW1 스위칭신호를 가하고 로토의 정지위치를 SW4에 두게되면 SW6을 가하면 된다.

상기에서 SW2를 가한 후 로터의 이동이 없으면 정지감시 타이머에 의해 오보플로우(OVER FLOW)가 생기고, 이동이 있으면 인터럽트가 발생한다.

브러쉬리스 직류모터(M)가 정회전하게 되면, 제2도의 (a)에서와 같은 3상의 역기전력이 발생하고, 이 3상의 역기전력에 의해 로터의 위치정보에 해당하는 모터위치신호(Zero-Emf Sig)를 (b)에서와 같이 얻을 수 있다. 이때 제2도의 (b)에서와 같은 모터위치신호를 얻기위하여는 (c)(d)(e)에서와 같은 베이스 구동신호를 인버터부(20)에 가해주어야 하며, 도면에서 source TR은 제1 ~ 제3트랜지스터(TR1 ~ TR3)이고, sink TR은 제4 ~ 제6트랜지스터(TR4 ~ TR6)이다.

그리고, 역회전시에는 제2도의 (f) 내지 (j)에서와 같은 파형을 갖는다. 상기에서 인터럽트란 제2도의 (b) 및 (g)와 같은 모터위치신호(Zero-Emf Sig)에 해당하는 펄스가 제로 크로싱하는 포인트를 말한다.

상기에서 SW2를 가한 후 로터가 이동하여 인터럽트가 발생하면, 인터럽트 간격을 이용하여 최적의 스위치를 찾아내어 보정하기 위한 인터럽트 처리에 대하여 제7도에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

정지감시 타이머를 이용하여 인터럽트가 발생하는 간격을 이용하여 속도 및 가속도를 측정하고, 이 측정한 속도및 가속도에 의거하여 모터의 기동중인지 또는 기동완료상태인지를 체크한다.

체크결과, 계속해서 기동중이면 인터럽트 횟수를 측정하는 기동실패횟수를 계산하고, 이 계산한 기동실패횟수가 설정된 최대실패횟수(Fail max)보다 많으면 일정위치에 세운 후 기동하는 알고리즘으로 전환하고, 기동실패횟수가 설정된 최대실패횟수 보다 적으면 인터럽트가 발생하는 간격을 이용하여 노이즈인지 아닌지를 다시 체크한다.

상기에서 인터럽트 간격이 짧아 노이즈성으로 판단되면 스위칭신호의 변화없이 같은 스위칭 상태를 유지하며 인터럽트 루틴을 빠져나오고, 노이즈가 아니라고 판단되면 SW2 스위칭신호에 의해 로터가 최적의 위치에 있는 최적의 스위칭인지를 판단한다.

즉, 제3도에서와 같이 SW6의 위치에 로터가 있고 시계방향 회전이면 로터와 90°에 제일 가까운 SW2가 최적의 벡터이고, 초기위치가 SW6에서 많이 이동되어 있으면 SW2는 최적의 벡터가 아니므로 최적의 벡터로 바꾸어야 한다.

여기서, 최적의 스위치는 제2도의 (b)에서 모터위치신호(Zero-Emf Sig)가 하이(H)일때는 SW5,SW3,SW1의 홀수 스위칭신호가 최적의 스위치군이고, 상기 모터위치신호(Zero-Emf Sig)가 로우(L)일때는 SW6,SW4,SW2의 짝수 스위칭신호가 최적의 스위치군이다.

따라서, 모터위치신호(Zero-Emf Sig)가 하이(H)일때의 인터럽트에서는 SW5,SW3,SW1중에서 하나를 내보내야 최적이고, 로우(L)일때는 SW6,SW4,SW2중 하나를 내보내야 최적이 된다.

그러므로, SW2의 스위칭신호에 의한 모터위치신호가 하이(H)상태이면 최적의 스위치가 아니므로 그 해당 스위칭신호에 2를 더하여 (SW(X)=SW(X+2)) 90°위치에 있는 수위칭신호를 가하여 최적이 될 수 있는 로우상태의 모터위치신호를 발생하도록 하고, 상기에서 로우(L)상태이면 이는 최적의 스위치로 판단하고 가속여부를 체크한다.

체크결과, 가속상태가 아니면 이는 로터가 SW6방향을 기준으로 반시계 방향으로 있는 것으로 판단하여 해당스위칭신호에 3을 더하고 (SW(X)=SW(X+3)), 가속상태이면 상기 로터가 SW6방향을 기준으로 시계방향으로 있는 것으로 판단하여 해당스위칭신호에 1을 더하여(SW(X)=SW(X+1)) 최적의 스위치를 찾아가도록 한다.

이상에서와 같이 인터럽트 발생시 모터의 위치신호레벨과 모터의 가속여부를 체크하여 로터의 위치를 찾고, 이 찾은 로터가 가장 큰 힘을 받을 수 있는 스위칭신호를 찾아내어 빠른 시간안에 정상회전이 가능하도록 한다.

상기에서 인터럽트 간격을 이용하여 속도및 가속도를 측정하는 방법에 대하여는제8도에 도시한 흐름도에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

모터위치신호(Zero-Emf Sig)를 이용하여 인터럽트 발생시간을 t1, t2에 저장토록 하고, 상기 t1, t2에 저장한 인터럽트 발생시간의 간격을 체크하여 현재속도(tspeed), 1샘플링 이전속도(tspeed1) 및 이 속도간격으로 측정한 가속도(△tspeed)를 연산한다.

이 연산한 인터럽트가 100㎲ 이하로 발생하면 노이즈로 판단하여 회전동작을 멈추고, 노이즈가 아니라고 판단되면 가속도가 (+)방향인지 (-)방향인지를 체크하고, 속도가 정상속도의 근처인지 아니면 기동중인 속도 인지를 체크하는데 현재속도(tspeed)가 800㎲≤tspeed≤1.1㎳ 사이에 존재하면 정상속도로 판단하고 상기의 범위에 속하지 않으면 기동중으로 판단한다.

이상에서와 같이 브러쉬리스 직류모터 회전시 발생하는 역기전력에 의한 모터위치신호를 찾아내고 이 찾아낸 모터위치신호의 레벨과 모터의 가속여부를 체크하여 로터의 위치를 인식하면서 브러쉬리스 직류모터를 회전하고, 다시 이 동작을 반복하면서 로터의 위치를 정확히 찾아내면서 구동하도록 함으로써 기동시간을 크게 줄이며, 이로인해 반복재생시의 신속성을 구현하고, 기동토오크 향상 및 배터리의 절약효과등을 가져온다.

Claims

모터의 정상회전시 설정된 제일 처음의 스위칭신호를 가하는 제1단계와; 상기 제1단계에서 스위칭신호를 가하여 기동시 정지감시타이머를 이용하여 모터가 정지상태인지 기동상태인지를 체크하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 정지상태인 경우 스위칭신호를 가한 위치에 있는 것으로 판단하여 스위칭신호에 2를 더한 신호를 가한 후 기동의 실패 유무를 체크하는 제3단계와; 상기 제2단계에서 기동중인 경우 인터럽트 유무를 체크하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 인터럽트가 있으면 최적의 스위치를 찾기위한 인터럽트 처리를 행하고 인터럽트가 없으면 상기 제3단계로 진행하는 제5단계와; 상기 제3단계에서 기동이 실패하지 않았으면 제2단계로 진행하고 실패하면 로터를 초기위치로 고정하기 위한 설정되어 있는 두개의 스위칭신호를 가하여 기동하도록 하는 제6단계로 이루어짐을 특징으로 하는 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법.
제1항에 있어서, 제1단계에서 임의의 스위칭신호는 SW1~SW4중 어느하나인 것을 특징으로 하는 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법.
제1항에 있어서, 제3단계에서 2를 더하는 것은 로터의 회전력을 가장크게 받는 90°에 가장 가까운 스위칭신호를 선택하도록 하기 위한 것임을 특징으로 하는 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법.
제1항에 있어서, 인터럽트 처리는 모터위치신호의 제로-크로싱 포인트 간격을 이용하여 회전속도와 가속도를 측정하는 제1과정과; 상기 제1과정에서 구한 회전속도와 가속도를 이용하여 기동여부를 체크하는 제2과정과; 상기 제2과정에서 기동중이면 지금까지 실패한 기동실패횟수를 횟수를 측정하고 그 측정한 횟수와 설정된 실패 최대횟수와 비교하는 제3과정과; 상기 제3과정에서 실패횟수가 설정된 실패 최대횟수보다 많으면 기동실패로 판단하고 적으면 위치정보신호의 제로-크로싱 포인트 간격을 이용하여 노이즈인지 아닌지를 체크하는 제4과정과; 상기 제4과정에서 노이즈로 판단되면 기동실패로 판단하여 모터기동을 종료하고 노이즈가 아니라고 판단되면 현재 가한 스위칭신호가 최적의 스위치군인지를 체크하여 보정한후 종료하는 제5과정과; 상기 제2과정에서 기동완료라고 판단되면 임의의 스위칭신호를 일정시간동안 가하여 초기위치에 세워두도록 하는 제6과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법.
제4항에 있어서, 제4과정에서 노이즈는 인터럽트 간격이 100㎲ 이하일 경우 노이즈로 판단함을 특징으로 하는 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법.
제4항에 있어서, 제5과정에서 최적의 스위칭신호가 아니면 현재의 스위칭신호에 2를 더하고 최적의 스위칭신호라고 판단하면 모터의 가속여부를 체크하는 과정과, 상기 과정에서 가속으로 판단되면 현재의 스위칭신호에 1을 더하고 가속상태가 아니면 3을 더하여 최적의 스위치를 찾아내어 보정하도록 하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 헤드폰/스테레오용 브러쉬리스 직류모터의 기동방법.