KR100242445B1 - 센서리스 3상 비엘디시 모터의 구동 회로 - Google Patents

Abstract

이 발명은 홀 센서를 사용하지 않는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 구동 회로에 관한 것으로서, 모터 회전시 고정자측 코일의 각 상전압을 서로 비교하기 위한 비교부와, 비교부의 출력 신호 파형에서 포지티브 에지를 감지하기 위한 포지티브 에지 감지 회로와, 포지티브 에지 감지 회로로부터 출력되는 펄스 신호를 이용하여 기준 전압, 기준 전압 이상 및 기준 전압 이하의 3상태를 반복하며 서로 120도의 위상차를 갖는 3개의 계단 전압을 발생하는 계단 전압 발생부와, 상기 펄스 신호의 한 주기 내에서 홀 바이어스 전압 이상과 이하를 반복하는 사다리꼴 전압을 발생하기 위한 사다리꼴 전압 발생부와, 발생된 각 계단 전압과 사다리꼴 전압의 차이 전압을 이용하여 고정자측 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 제어하는 정류부를 포함하여 이루어져 있다.

Description

센서리스 3상 비엘디시 모터의 구동 회로

이 발명은 모터의 구동 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 홀 센서를 사용하지 않는 센서리스(sensorless) 3상 비엘디시 모터의 구동 회로에 관한 것이다.

일반적으로 3상 비엘디시(BLDC; brushless direct current) 모터를 구동하기 위해서는 영구 자석으로 이루어진 회전자의 자극의 세기를 검출하는 일이 필요한데, 이를 위해 종래에는 3개의 홀 센서(hall sensor)를 이용하는 방식이 주로 사용되었고, 좀 더 최근에는 하나의 홀 센서만을 이용하는 방식이 사용되고 있다.

3개의 홀 센서를 이용하여 모터를 구동하는 방식은, 모터 외부에 홀 센서 3개를 120도의 위상차가 나도록 기구적으로 달아서 회전자측 영구 자석의 메인 마그네트(main magnet)로부터 검출되는 서로 120도 위상차를 갖는 3개의 홀 신호를 감지한 후, 이를 이용하여 출력 구동 회로에 있는 구동 트랜지스터들을 순차적으로 스위칭하는 방식이다.

하나의 홀 센서를 이용하여 모터를 구동하는 방식은, 모터 외부에 장착된 하나의 홀 센서를 통해 영구 자석의 서브 마그네트(sub magnet) 홀 신호, 즉 메인 마그네트 홀 신호 주기의 1/3의 주기를 갖는 홀 신호를 감지하고, 이를 이용하여 메인 마그네트(이하 ″영구 자석″이라 한다) 홀 신호와 동일한 주기를 갖으며 서로 120도의 위상차를 갖는 3개의 3상(state) 계단 전압을 만들어낸 후, 이 3상 계단 전압과 서브 마그네트 홀 신호를 이용하여 출력 구동 회로에 있는 구동 트랜지스터들을 순차적으로 스위칭하는 방식이다. 3개 또는 하나의 홀 센서를 이용하여 모터를 구동하는 방법과 관련된 자세한 기술이 대한민국 특허 출원번호 96-37803호의 ″1-홀 신호를 이용한 3상 비엘디시 모터의 소프트-스위칭 회로″에 개시되어 있다.

그러나, 이와 같이 모터 구동을 위해 홀 센서를 사용하게 되면 시스템의 크기가 커지고 제작비용이 증가한다는 문제점이 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 홀 센서를 사용하지 않는 모터 구동 방법이 사용되기도 한다. 일반적으로 홀 센서를 사용하지 않는 센서리스 모터 구동 회로는, 모터 회전시 고정자 코일의 각 상에서 발생하는 역기전력(back electromotive force)을 이용하여 모터를 구동한다. 이는 기구적으로 회전자측 영구 자석의 S/N 경계면이 고정자 코일의 정중앙에 위치하는 상태에서 역기전력은 최대 또는 최소값을 갖고, 바로 이 시점이 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 전환시켜(이하 ″정류″라 한다) 코일이 띠고 있는 자극을 바꾸어 주어야 할 시점이 되기 때문이다.

그러나, 이렇게 역기전력을 이용하는 센서리스 모터 구동 회로 역시 몇가지 문제점을 가지고 있다. 그중 한가지 문제점은, 코일에 흐르는 상전류(phase current)와 코일 자체 저항 등으로 인하여 순수한 역기전력만을 검출하는 일이 어렵다는 점이다. 그리고 비록 순수한 역기전력을 검출했다 하더라도 이를 이용하여 정류를 하는 과정에서 출력 구동 회로에 있는 구동 트랜지스터들을 스위칭하는 방식이 하드-스위칭(hard-switching) 방식이었기 때문에, 스위칭 과정에서 스파크(spark)를 유발할 수 있고 이로 인해 전자기 방해(electromagnetic interference) 특성을 악화시켜 이를 방지하기 위한 스너버(snubber)의 사용이 불가피해지게 된다는 또다른 문제점이 존재한다.

따라서 이 발명의 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 센서리스 3상 비엘디시 모터를 구동하는 데에 있어서 역기전력을 이용하지 않으면서 모터 정류 과정에서 소프트-스위칭(soft-switching) 방식을 도입한 센서리스 3상 비엘디시 모터 구동 회로를 제공하는 데에 있다.

도 1은 이 발명의 실시예에 따른 센서리스 3상 비엘디시 모터의 구동 회로도,

도 2는 도 1에 도시된 출력 제어 회로의 입력단에 포함된 차동 증폭기의 연결도,

도 3은 도 1에 도시된 센서리스 3상 비엘디시 모터 구동 회로의 타이밍도이다.

상기의 과제를 달성하기 위한 이 발명에서,

비교부는 모터 회전시 고정자측 코일의 각 상전압(phase voltage)을 서로 비교하는데, 한 번에 두 개의 상전압씩 각각 비교한다. 모서리 감지 회로는 비교부의 출력 신호 파형에서 포지티브 에지(positive edge) 또는 네가티브 에지(negative edge)를 감지하여 펄스 신호로 출력한다. 타이밍 및 듀티 제어 회로는 입력되는 펄스 신호를 전기적으로 일정 각도 만큼 지연시킨 후 지연된 신호의 각 주기 내에서 온 듀티(on-duty)와 오프 듀티(off-duty)가 동일해지도록 조절한다.

신호 발생부는 이와 같이 타이밍과 듀티가 조절된 펄스 신호를 이용하여 3개의 계단 전압과 하나의 사다리꼴 전압을 발생하는데, 이 때 발생되는 3개의 계단 전압은 서로 120도의 위상차를 갖으며 입력되는 펄스 신호의 3-주기 동안 기준 전압, 기준 전압 이상 및 기준 전압 이하의 3상태(state)를 반복하는 계단 전압이고, 사다리꼴 전압은 입력되는 펄스 신호의 매 주기마다 홀 바이어스 전압(hall bias voltage) 이상과 이하 사이를 스윙한다. 정류부는 신호 발생부를 통해 발생되는 각 계단 전압과 사다리꼴 전압의 차이 전압을 이용하여 고정자 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 제어한다.

이 발명에 따른 센서리스 모터 구동 회로는, 정류(commutation)를 위해 역기전력을 직접 검출하는 대신에 코일의 각 상전압의 변화를 검출하여 이를 역기전력과의 타이밍도에 매칭(matching)시킴으로써 정확한 역기전력 파형을 유추한다. 그리고, 유추된 역기전력이 최대 또는 최소값을 갖는 시점이 되기 전, 즉 기구적으로 영구 자석의 S/N 경계면이 고정자 코일의 정중앙에 위치하기 얼마 전에 이미 정류를 수행하여 모터가 좀 더 원만하게 회전할 수 있도록 한다.

이하, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위해 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명하기로 한다.

도 1은 이 발명의 실시예에 따른 센서리스 3상 비엘디시 모터의 구동 회로도이다.

도 1에서 도시한 바와 같이 센서리스 3상 비엘디시 모터의 구동 회로에서,

비교부(10)는 제1∼제3 비교기(11∼13)로 구성되는데, 제1 비교기(11)는 U상 전압(VU)과 V상 전압(VV)을, 제2 비교기(12)는 V상 전압(VV)과 W상 전압(VW)을, 그리고 제3 비교기(13)는 U상 전압(VU)과 W상 전압(VW)을 각각 비교한다.

포지티브 에지 감지 회로(20)는 제1∼제3 비교기(11∼13)의 출력 신호(UV_OUT, VW_OUT, UW_OUT) 파형에서 포지티브 에지를 감지하여 제1 펄스 신호(PE)로 출력한다.

타이밍 및 듀티 제어 회로(25)는 입력되는 제1 펄스 신호(PE)를 전기각 30도 만큼 지연시킨 후 지연된 신호의 각 주기 내에서 온 듀티와 오프 듀티가 동일해지도록 조절된 제2 펄스 신호(PE')를 발생한다. 이처럼 제1 펄스 신호(PE)를 전기적으로 30도 만큼 지연시키는 이유는 다음에 설명하기로 한다.

계단 전압 발생 회로(30)는 제2 펄스 신호(PE')의 상승연(rising edge)부터 시작해서 한주기 동안 기준 전압(Vref) 이상의 상태, 다음의 반주기 동안 기준 전압의 상태, 다음의 한주기 동안 기준 전압 이하의 상태, 그리고 마지막 반주기 동안 다시 기준 전압의 상태를 반복하는 3개의 3상태 계단 전압(U-Stair, V-Stair, W-Stair)을 발생하며, 3개의 계단 전압(U-Stair, V-Stair, W-Stair)은 서로 120도의 위상차를 갖는다.

사다리꼴 전압 발생 회로(40)는 입력되는 제2 펄스 신호(PE')의 한 주기 내에서 홀 바이어스 전압(Hall Bias) 이상과 이하 사이를 스윙하는 사다리꼴 전압(TZ)을 반복하여 발생한다.

출력 제어 회로(50)는 3개의 차동 증폭기를 포함하는데, 도 2에서 도시한 바와 같이 각 차동 증폭기(51, 52, 53)의 하나의 입력 단자로는 각 계단 전압(U-Stair, V-Stair, W-Stair)이 인가되고, 각 차동 증폭기(51, 52, 53)의 다른 하나의 입력 단자로는 사다리꼴 전압(TZ)이 공통으로 인가된다.

인가된 각 계단 전압(U-Stair, V-Stair, W-Stair)과 사다리꼴 전압(TZ)의 차이 전압에 의해 각 차동 증폭기의 출력 전류(Ic1∼Ic6)가 조절되고, 이 출력 전류(Ic1∼Ic6)를 이용하여 출력 구동 회로(60)에 있는 6개의 구동 트랜지스터(Q1∼Q6)를 스위칭할 6개의 스위칭 신호를 발생한다. 그리고, 이 출력 구동 회로(60)의 구동 트랜지스터(Q1∼Q6)가 순차적으로 스위칭되어 정류를 수행함으로써 모터를 구동할 수 있게 된다.

이 때, 출력 제어 회로(50)의 차동 증폭기(51∼53)를 구동하기 위해 사용되는 각 계단 전압과 사다리꼴 전압의 차이 전압이 홀 바이어스 전압을 기준으로 100mV 이내인 구간에서만 출력 구동 회로(60)의 구동 트랜지스터(Q1∼Q6)를 소프트-스위칭하는 것이 가능하다는 점을 염두에 두어야 한다. 왜냐하면, 일반적인 차동 증폭기는 입력되는 두 전압의 차가 홀 바이어스 전압을 기준으로 4V_T(≒100mV; V_T:열전압) 이내인 구간에서만 점진적으로 증가하거나 감소하는 전류를 출력하기 때문이다.

그리고, 이 발명의 실시예에 따른 모터 구동 회로는 역기전력이 최대 또는 최소값을 갖는 시점이 되기 60도 전에 이미 정류를 시작하도록 설계되었기 때문에, 각 계단 전압과 사다리꼴 전압의 차이 전압이 홀 바이어스 전압을 기준으로 100mV 이내인 구간에 이 정류 시점이 포함될 수 있도록 타이밍을 제어하기 위해서 포지티브 에지 감지 회로(20)로부터 출력되는 펄스 신호(PE)를 전기적으로 30도 지연시킨다.

또, 출력 제어 회로(50)의 차동 증폭기(51∼53)를 구동하기 위해서 사다리꼴 전압 대신에 펄스 신호(PE')의 각 온 듀티에서는 홀 바이어스 이하의 전압에서 이상의 전압으로 점진적으로 증가하고 각 오프 듀티에서는 홀 바이어스 이상의 전압에서 이하의 전압으로 점진적으로 감소하는 형태의 삼각파 전압을 이용할 수도 있다.

도 3은 도 1에서 도시한 센서리스 3상 비엘디시 모터 구동 회로의 타이밍도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 고정자 코일 각 상의 상전압(VU, VV, VW)을 비교하여 만든 펄스 신호(PE)는 각 역기전력(UB-EMF, VB-EMF, WB-EMF)이 음의 최대값일 때 하이 레벨의 전압을 출력한다. 이는 기구적으로 볼 때 모터 영구 자석의 S-N 경계면이 고정자 코일의 정중앙에 위치한 상태임을 이해할 수 있다. 그러나, 이 발명에 따른 모터 구동 회로는 이 시점에서 정류를 수행하는 것이 아니라 이 시점보다 전기적으로 60도 앞선 시점에서 정류를 수행하도록 설계되었다.

따라서, 도 3에서 도시한 바와 같은 계단 전압(U-Stair, V-Stair, W-Stair)과 사다리꼴 전압(TZ) 또는 삼각파 전압(TA)을 생성하여, 각 계단 전압과 사다리꼴 또는 삼각파 전압의 차이 전압으로 출력 제어 회로(50)의 차동 증폭기(51, 52, 53)를 구동한다. 그러면 이 차이 전압이 홀 바이어스 전압(Hall Bias)을 기준으로 100mV 이하인 구간, 즉 도면에서 사다리꼴 전압 또는 삼각파 전압이 홀 바이어스 전압(Hall Bias)과 동일해지는 시점 직전부터 직후까지의 구간 내에서 정류가 수행된다. 이러한 과정으로 정류가 수행되면, 정류 시점에서 점진적으로 증가하거나 감소하는 상전류(IU, IV, IW)가 고정자 코일의 각 상에 흐르게 된다.

따라서 이 발명에 따른 센서리스 3상 비엘디시 모터 구동 회로의 효과는, 홀 센서를 사용하지 않으면서도 모터 구동 트랜지스터의 소프트-스위칭을 가능하게 하므로, 시스템의 크기와 제작비용을 줄일 수 있고 안정된 모터 구동 특성을 얻을 수 있다는 것이다.

Claims (5)

1. 홀 센서를 사용하지 않는 센서리스 모터 구동 회로에 있어서,

   모터 회전시 고정자측 코일의 각 상전압을 서로 비교하기 위한 비교부,

   상기 비교부의 출력 신호 파형의 모서리를 감지하기 위한 모서리 감지 회로,

   상기 모서리 감지 회로로부터 출력되는 제1 펄스 신호를 전기적으로 일정 각도 만큼 지연시킨 후 지연된 신호의 각 주기 내에서 온 듀티와 오프 듀티가 동일해지도록 조절된 제2 펄스 신호를 발생하는 타이밍 및 듀티 제어 회로,

   서로 120도의 위상차를 갖으며 상기 제2 펄스 신호의 3-주기동안 기준 전압, 기준 전압 이상 및 기준 전압 이하의 3상태를 갖는 3개의 계단 전압을 반복하여 발생하는 계단 전압 발생부,

   상기 제2 펄스 신호의 매 주기마다 홀 바이어스 전압 이상과 이하 사이를 스윙하는 사다리꼴 전압을 반복하여 발생하는 사다리꼴 전압 발생부, 및

   상기 각 계단 전압과 사다리꼴 전압의 차이 전압을 이용하여 정류를 수행하는 정류부를 포함하여 이루어져 있는 센서리스 모터 구동 회로.
2. 제1항에서,

   상기 감지되는 모서리는 포지티브 에지인 센서리스 모터 구동 회로.
3. 제1항에서,

   상기 계단 전압은,

   상기 제2 펄스 신호의 상승연부터 한주기 동안 기준 전압 이상의 상태, 다음의 반주기 동안 기준 전압의 상태, 다음의 한주기 동안 기준 전압 이하의 상태, 그리고 마지막 반주기 동안 다시 기준 전압의 상태를 반복하는 센서리스 모터 구동 회로.
4. 제3항에서,

   상기 정류부는,

   제1 입력 단자와 제2 입력 단자로 인가되는 두 신호의 차에 의해 구동되는 차동 증폭기 3개를 포함하는데,

   3개의 제1 입력 단자로는 상기 3개의 계단 전압이 각각 인가되고, 3개의 제2 입력 단자로는 상기 사다리꼴 전압이 공통으로 인가되는 센서리스 모터 구동 회로.
5. 홀 센서를 사용하지 않는 센서리스 모터 구동 회로에 있어서,

   모터 회전시 고정자측 코일의 각 상전압을 서로 비교하기 위한 비교부,

   상기 비교부의 출력 신호 파형의 모서리를 감지하기 위한 모서리 감지 회로,

   상기 모서리 감지 회로로부터 출력되는 제1 펄스 신호를 전기적으로 일정 각도 만큼 지연시킨 후 지연된 신호의 각 주기 내에서 온 듀티와 오프 듀티가 동일해지도록 조절된 제2 펄스 신호를 발생하는 타이밍 및 듀티 제어 회로,

   서로 120도의 위상차를 갖으며 상기 제2 펄스 신호의 3-주기동안 기준 전압, 기준 전압 이상 및 기준 전압 이하의 3상태를 갖는 3개의 계단 전압을 반복하여 발생하는 계단 전압 발생부,

   상기 제2 펄스 신호의 각 온 듀티에서는 홀 바이어스 이하의 전압에서 이상의 전압으로 점진적으로 증가하고 각 오프 듀티에서는 홀 바이어스 이상의 전압에서 이하의 전압으로 점진적으로 감소하는 형태의 삼각파 전압을 반복하여 발생하는 삼각파 전압 발생부, 및

   상기 각 계단 전압과 사다리꼴 전압의 차이 전압을 이용하여 정류를 수행하는 정류부를 포함하여 이루어져 있는 센서리스 모터 구동 회로.

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