KR100281053B1 - 인버터 보호장치가 포함된 모터구동회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터구동회로에 관한 것으로, 특히 전원이 끊겼을 경우, 모터와 모터구동회로를 보호하는 인버터보호회로에 관한 것이다. 본 발명의 모터구동회로는 이러한 목적을 달성하기 위하여 마이컴전원과 전압감지전원 및 스위칭소자구동전원을 출력하는 SMPS, 전압감지전원이 반전입력단에 입력되고 마이컴전원에 연결된 제1저항과 전압감지전원에 연결된 제2저항의 병렬저항에 인가된 기준전압이 비반전입력단에 입력되며 제3저항에 의해 정귀환(positive feedback)되도록 구성된 비교기, 비교기의 출력과 마이컴전원의 출력을 인가받아 인버터논리신호를 출력하는 인버터로직회로, 스위칭소자구동전원과 인버터논리신호를 인가받아 모터구동신호를 출력하는 스위칭소자구동부 그리고, 직류전원과 모터구동신호를 인가받아 모터를 구동시키는 스위칭소자를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

인버터 보호장치가 포함된 모터구동회로

본 발명은 직류모터의 구동회로에 관한 것으로, 특히 인버터보호회로에 관한 것이다.

BLDC모터와 그 구동회로의 개략적인 구조는 도 1에 나타낸 것과 같다.

전원부(20)는 SMPS(Switching Mode Power Supply) 등으로 구성되어 상용전원인 교류전압을 직류전압으로 변환시킨다. 스위칭소자구동부(40)는 전원부(20)에서 변환된 직류전압을 인가받고 마이콤(60)으로부터 모터구동로직신호를 인가받아 스위칭소자를 제어시키는 스위칭제어신호를 발생시킨다. 이러한 스위칭소자구동부(40)는 기능에 따라 여러가지 하드웨어적인 요소가 부가될 수 있다.

스위칭소자(50)는 스위칭제어신호에 따라 전원부(20)에서 인가받는 직류전압을 3상전압으로 변환시켜 모터(10)에 인가한다. 이 3상전압은 모터(10)의 권선(도면미도시)에 자기장을 발생시켜 모터의 회전자(도면미도시)가 회전하게 된다. 모터의 회전자가 회전함으로써 압축기(도면미도시)가 구동된다.

모터 회전자의 회전에 따라 권선에는 역기전력이 출력되는데, 역기전력 검지부(80)는 이러한 역기전력을 검출하여 마이콤(60)으로 인가한다. 이 역기전력의 검출에 따라 마이콤(60)은 모터가 정확하게 동작되도록 스위칭소자구동부(40)를 제어한다. 또, 마이콤(60)은 스위칭소자(50)로부터 전류를 검지하는 과전류검지부(70)로부터 모터에 인가되는 전류값을 인가받고, 전원부(20)의 전압을 검지하는 전압검지부(30)로부터 마이콤에 인가되는 전압을 검지하여 지나치게 높은 전압 혹은, 전류가 모터에 인가되면, 전원부의 전원을 차단시킴으로써, 모터의 안정적인 동작을 도모한다.

스위치소자(50)는 도 2에 나타낸 것과 같이 각각 3개씩 상위(upper)(51)와 하위(lower)(52)으로 구분된 6개의 스위치소자로 구성되고, 스위치의 조합에 의해 전압을 출력하는 3개의 출력단자로 구성되어 있다. 이 3개의 출력단자들에서 출력되는 전압에 의해 모터의 회전자가 회전하도록 구성되어 있다.

인버터의 동작원리를 첨부된 도면, 도 2와 도 3 및 도 4를 참조로 하여 설명하도록 한다. 도 3은 각 스위치에 인가되는 제어신호의 파형을 나타낸 것이고, 도 4a 부터 도 4f는 제어신호에 의해 모터의 회전자(rotor)(13')가 구동되는 것을 도시한 것이다. 인버터는 제1스위치와 제4스위치가 짝지워져 동작하고, 제2스위치와 제5스위치가 짝지워지며, 제3스위치와 제6스위치가 짝지워져 동작한다. 즉, 상위스위치와 하위스위치가 하나씩 짝지워져 동작한다. 이 때, 제1스위치와 제2스위치 및 제3스위치는 상위(upper)스위치이고, 제4스위치와 제5스위치 및 제6스위치는 하위(lower)스위치이다. 상위스위치가 도통되면 모터의 코일에는 하이(high)의 전압이 인가되고, 하위스위치가 도통되면 모터의 코일에는 로(low)의 전압이 인가되며, 둘 다 차단되면 모터의 코일에는 오픈상태(Open Phase)가 된다.

먼저 제1스위치에 하이(high)의 제어신호가 인가된다. 그러면, 제1스위치가 도통(turn on)되어 U코일에 하이(High)의 전압이 인가된다. 이 때, U코일에 플레밍의 왼손법칙에 의한 자기력이 발생되어 모터의 회전자가 도4a에 나타낸 것과 같이 회전한다. 회전자의 모양은 상황에 따라 180°위상차로 바뀔 수도 있다.

제1스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제6스위치에 하이(high)의 제어신호가 인가되어 제6스위치가 도통된다. 그러면, W코일에 로(low)의 전압이 인가되어 상술한 과정에 의해 U코일에 발생되었던 자기력의 반대 극성을 가진 자기력이 W코일에 발생된다. 즉, 만약 U코일에 N극의 자기력이 발생되었다면, W코일에는 S극의 자기력이 발생된다는 것이다. 이러한 자기력에 의해 모터의 회전자는 도4b에 나타낸 것과 같이 60° 회전한다.

제6스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제1스위치는 차단(turn off)되고, 제2스위치가 도통(turn on)된다. 그러면, V코일에 하이(high)의 전압이 인가되어 상술한 과정에 의해 W코일에 발생되었던 자기력의 반대 극성을 가진 자기력이 V코일에 발생된다. V코일과 W코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 도4c에 나타낸 것과 같이 60° 회전한다.

제2스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제6스위치는 차단되고, 제4스위치가 도통된다. 그러면, U코일에 로(low)의 전압이 인가되어 제1스위치가 도통되었을 때 발생되었던 자기력의 반대극성을 가진 자기력이 U코일에 발생된다. 이 U코일의 자기력과 V코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 도4d에 나타낸 것과 같이 60° 회전한다.

제4스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제2스위치는 차단되고, 제3스위치가 도통된다. 그러면, W코일에 하이(high)의 전압이 인가되어 제6스위치가 도통되었을 때 발생되었던 자기력의 반대극성을 가진 자기력이 W코일에 발생된다. 이 W코일의 자기력과 U코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 도4e에 나타낸 것과 같이 60° 회전한다.

제3스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제4스위치는 차단되고, 제5스위치가 도통된다. 그러면, V코일에 로(low)의 전압이 인가되어 제2스위치가 도통되었을 때 발생되었던 자기력의 반대극성을 가진 자기력이 V코일에 발생된다. 이 V코일의 자기력과 W코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 도4f에 나타낸 것과 같이 60° 회전한다.

상술한 것과 같이 제1스위치부터 제6스위치가 번갈아 도통되었다가 차단되는 과정을 반복함으로써 모터가 동작하는 것이다.

그런데, 종래의 구동회로는 다음과 같은 문제점이 있었다. 종래의 구동회로는 인버터의 각 스위치에 인가되는 제어신호로 모터를 회전시킨다. 그런데, 불시에 발생하는 정전이나, 사용자의 실수로 인해 전원이 차단되면, 종래의 구동회로는 인버터에 제어신호를 조절하는 마이컴의 전원이 꺼지게 된다. 이 때, 인버터에 잘못된 제어신호가 인가됨으로써, 상위스위치와 하위스위치가 동시에 도통(turn on)되는 암쇼트(Arm Short)가 발생한다. 암쇼트가 발생하면, DC전원의 양(+)전극과 음(-)전극이 순간적으로 쇼트가 되어 상,하위 스위치소자가 손상될 우려가 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 정전 또는, 사고에 의해 전원이 제거되었을 때, 마이컴의 전원이 꺼지기 전에 모터를 정지시켜 스위칭소자 및 모터를 보호하는 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 직류모터의 구동회로를 도시한 블록도.

도 2는 직류모터의 구동회로에서 인버터를 상세히 도시한 회로도.

도 3은 인버터의 각 스위치에 인가되는 제어신호를 도시한 파형도.

도 4a 내지 도 4f는 인버터의 각 스위치에 인가된 제어신호에 따라 회전하는 모터의 회전자를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 모터 구동회로를 도시한 개략도.

도 6은 포토커플러를 도시한 회로도.

도 7은 본 발명의 비교기에서 처리하는 참조전압과 기준전압 및 출력전압을 도시한 파형도.

도 8a는 참조전압 V1을 설정하기 위해 배열된 저항의 연결관계를 도시한 회로도.

도 8b는 참조전압 V2를 설정하기 위해 배열된 저항의 연결관계를 도시한 회로도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

110 : SMPS 111 : 정류기

112 : 변압부 112' : 제1권선

112'' : 제2권선 112''' : 제3권선

120 : 비교기 130 : 인버터로직회로

135 : 포토커플러 136 : 포토다이오드

137 : 포토트랜지스터 140 : 스위칭소자구동회로

150 : 스위칭소자 210 : 전압감지전원

210 : 비교기의 출력전압

본 발명은 전압감지단의 출력과 마이컴전원부의 출력을 비교하여, 일정 레벨(level)이하로 떨어진 후, 회복된 전압이 정상적인 동작에 의한 것이 아니면, 스위칭소자구동부의 동작을 재개하지 않는 것이 특징이다. 본 발명은 도 5에 나타낸 것과 같이 SMPS, 비교기, 인버터로직회로, 스위칭소자구동부, 그리고 스위칭소자를 포함하여 구성된다.

SMPS는 교류 혹은, 직류의 전압을 인가받아 모터의 구동에 필요한 각종 전원을 생성한다. 이러한 전원으로는 마이컴을 동작시키는 마이컴전원, 전압감지부에 인가되는 전압감지전원 및, 스위치소자를 구동시키기 위한 스위치소자구동전원 등이 있다.

본 발명의 SMPS는 도 5에 도시된 것과 같이 정류부(111)와, 변압부(112)로 구성되어 있다. 정류부는 교류전압을 직류전압으로 정류하는 역할을 수행하고, 변압부는 정류부에서 정류된 직류전압을 적절한 레벨의 전압으로 변압시키는 역할을 수행한다.

변압부는 제1권선과 제2권선 및 제3권선을 포함하여 구성된다. 제1권선(112')은 정류부에 연결되고, N1회의 회전수를 갖도록 구성되고, 제2권선(112'')은 제1권선에 대향하고 회전방향이 동일하며 N2회의 회전수를 갖도록 구성되고, 제3권선(112''')은 제1권선에 대향하고 회전방향은 반대로 구성된다. 제2권선을 통해 전압감지부가 SMPS의 직류연결부(DC LINK)의 전압을 검출할 수 있다. 제3권선은 복수개가 존재할 수 있고, 마이컴전원과 스위칭소자구동부 등 모터의 구동에 필요한 각종 전원을 출력한다.

비교기(120)는 SMPS에서 출력된 전압감지부의 전압감지전원이 반전입력단(-)에 입력되고, 기준전압이 비반전입력단(+)에 입력된다. 기준전압은 SMPS에서 출력된 전압감지전원에 연결된 제1저항(R1)과 마이컴전원에 연결된 제2저항(R2)의 병렬 저항에 인가된 전압이다. 그리고, 비교기의 출력은 제3저항(R3)에 의해 비반전입력단(+)으로 정귀환(positive feedback)된다.

마이컴에 내장된 인버터로직회로(130)는 비교기의 출력을 인가받아 인버터논리신호를 출력한다. 이 때, 인버터로직회로의 구동전원은 SMPS(110)에서 공급된 마이컴전원이다.

그리고, 스위칭소자구동부(140)는 인버터논리신호를 인가받아 모터구동신호를 출력한다. 이 때, 스위칭소자구동부의 구동전원은 SMPS(110)에서 공급된다. 또, 스위칭소자는 모터구동신호를 인가받아 직접 모터를 구동시킨다. 이 때, 스위칭소자의 구동전원은 정류기(111)에서 출력된 직류전원이다.

그리고, 본 발명의 구동회로는 인버터로직회로와 스위칭소자구동부의 절연을 위하여 도 6에 나타낸 것과 같이 포토커플러(135)에 의해 절연된다. 포토커플러는 포토다이오드(136)와 포토트랜지스터(137)를 응용하여 구성된다.

본 발명의 구동회로는 다음과 같이 동작한다. 비교기(120)는 기준전압이 출력값에 정귀환되므로, 히스테리시스성질을 갖게 된다. 도 7은 비교기의 반전입력단에 입력되는 전원전압감지부의 파형과 비교기의 출력단에 출력되는 전압(220)의 파형을 도시한 파형도이다. 출력이 하이(high)일 때, 전원전압감지부의 전압이 V₁을 넘으면 출력은 로(low)가 되고, 출력이 로(low)일 때, 전원전압감지부의 전압이 V₂보다 작아지면 출력이 하이(high)로 된다.

비교기는 비반전입력단에 입력되는 전원전압감지부의 전압과 도 7에서 계산된 소정의 참조전압을 비교하여 전원전압감지부의 전압이 참조전압(V₂)보다 떨어지면, 전원장치가 차단된 것으로 판단한다. 이 참조전압은 도 7에 나타낸 것과 같이 비교기의 출력이 하이(high)이면 V₁이고, 비교기의 출력이 로(low)이면 V₂이다. 출력전압(220)이 하이(high)이면, V1은 도 8a에 나타낸 제 2 저항(R2)에 인가되는 전압과 같다. 그리고, 출력전압(220)이 로(low)이면, 출력단이 접지된 것과 마찬가지이므로 V2는 도 8b에 나타낸 제 2 저항(R2)와 제 3 저항(R3)의 병렬저항에 인가되는 전압과 같다. 도 8a는 출력전압이 하이(high)일 때의 등가회로로서, 제 1 저항(R1)과 제 3 저항(R3)의 병렬저항과 제 2 저항(R2)가 직렬로 연결된 회로이다. 그리고, 도 8b는 출력전압이 로(low)일 때의 등가회로로서, 제 2 저항(R2)와 제 3 저항(R3)의 병렬저항과 제 1 저항(R1)이 직렬로 연결된 회로이다.

따라서, 비교기는 비반전입력단에 입력된 전원전압감지부의 전압이 소정의 참조전압(V2)보다 떨어지면, 인버터로직회로는 더이상 인버터로직신호를 출력하지 않게 되어 모터의 구동을 정지시키게 된다.

본 발명은 종래의 구동회로에 비해 급작스레 발생하는 정전사고나, 사용자의 부주의에 의한 전원차단 시, 모터의 암쇼트(Arm Short) 등과 같은 오동작을 방지할 수 있다. 왜냐하면, 본 발명의 구동회로는 정전사고와 같은 급작스런 전압의 하강을 미리 감지하여 인버터로직신호의 발생을 중단시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 본 발명은 종래의 구동회로에 비해 마이컴과 모터의 손상이 줄어드는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 마이컴전원과 전압감지전원 및 스위칭소자구동전원을 출력하는 SMPS;

   상기 전압감지전원이 반전입력단에 입력되고, 상기 마이컴전원에 연결된 제1저항과 전압감지전원에 연결된 제2저항의 병렬저항에 인가된 기준전압이 비반전입력단에 입력되고, 제3저항에 의해 정귀환(positive feedback)되도록 구성된 비교기;

   상기 비교기의 출력과 상기 마이컴전원의 출력을 인가받아 인버터논리신호를 출력하는 인버터로직회로;

   상기 스위칭소자구동전원과 상기 인버터논리신호를 인가받아 모터구동신호를 출력하는 스위칭소자구동부; 그리고,

   직류전원과 상기 모터구동신호를 인가받아 모터를 구동시키는 스위칭소자를 포함하여 이루어진 모터구동회로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 SMPS는 교류전압을 직류전압으로 정류하는 정류부; 그리고,

   상기 정류부에 연결되고 N1회의 회전수를 갖는 제1권선과, 상기 제1권선에 대향하고 회전방향이 동일하며 N2회의 회전수를 갖고 전압감지전원이 출력되는 제2권선과, 상기 제1권선에 대향하며 회전방향이 반대이고 마이컴전원이 출력되는 제3권선이 포함되어 이루어진 변압부를 포함하는 것이 특징인 모터구동회로.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터로직회로의 출력단과 상기 스위치소자구동부의 입력단 사이가 포토커플러로 절연된 것이 특징인 모터구동회로.