KR100325664B1

KR100325664B1 - 가변 이득을 가진 모터 구동 시스템

Info

Publication number: KR100325664B1
Application number: KR1019990027547A
Authority: KR
Inventors: 정동열
Original assignee: 김덕중; 페어차일드코리아반도체 주식회사
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2002-03-06
Also published as: KR20010009266A; US6291950B1

Abstract

이 발명은 가변이득을 가진 모터 구동 시스템에 관한 것으로, 외부의 서보로부터 제1, 제2 제어전압을 입력받아, 상기 제1, 제2 제어전압의 차이에 비례하는 전류를 출력하는 트랜스 컨덕턴스 증폭기; 절대값 회로부; 상기 절대값 회로부의 출력전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전류/전압 변환기; 상기 전류/전압 변환기의 출력을 비반전단으로 입력받고, 피드백신호를 반전단으로 입력받아, 모터의 구동신호를 발생하는 구동기; 외부로부터 입력되는 상기 모터의 각상에 대한 홀신호에 따라 상기 모터의 구동이 최대로 되도록 온/오프 신호를 출력하는 커뮤테이션 디스트리뷰터; 상기 구동기의 출력에 따라 온/오프 됨으로써, 상기 구동신호를 모터에 가하는 파워 트랜지스터부; 상기 파워 트랜지스터부에서 출력되는 구동신호를 감지하여 전압으로 변환하는 출력전류감지부를 포함하고, 외부의 핀으로 간단히 전압이득을 조절할 수 있는 전압 증폭기를 구동기의 피드백 입력단자에 설치하여 전체시스템의 전달특성을 간단하게 조정한다.

Description

가변 이득을 가진 모터 구동 시스템{A motor drive system having variable gain}

이 발명은 모터에 관한 것으로 특히, CD-ROM 스핀들 모터를 구동시키는 가변 이득을 가진 모터 구동 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 CD-ROM 스핀들(spindle) 모터로는 3상 비엘디시(BLDC: brushless direct current) 모터가 이용된다. 비엘디시 모터의 출력 토크(torque)는 모터 부하에 흐르는 전류에 비례한다. 스핀들 모터 구성에서 회전속도를 제어하기 위해흔히 출력전류를 감지하여 이 전류가 입력 제어전압에 비례하도록 시스템이 구성된다.

본 발명의 기술적 과제는 이러한 모터 구동 시스템의 이득을 간단하게 가변시키는 것이다.

도1은 이 발명의 제1 실시예에 따른 스핀들 모터의 회전속도를 제어하기 위한 모터 구동 시스템의 구성도이다.

도2a는 도1의 모터 구동 시스템의 이상적인 전달함수 특성을 나타낸 도면이다.

도2b는 도1의 모터 구동 시스템의 실제적인 전달함수 특성을 나타낸 도면이다.

도3은 이 발명의 제2 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 구성도이다.

이러한 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 외부의 핀으로 간단히 전압이득을 조절할 수 있는 전압 증폭기를 구동기의 피드백 입력단자에 설치하여 전체시스템의 전달특성을 간단하게 조정한다.

본 발명의 하나의 특징에 따른 모터 구동 시스템은,

외부의 서보로부터 제1, 제2 제어전압을 입력받아, 상기 제1, 제2 제어전압의 차이에 비례하는 전압을 출력하는 제어전압 출력부;

상기 제어전압 출력부의 출력을 비반전단으로 입력받고, 피드백신호를 반전단으로 입력받아, 모터의 구동신호를 발생하는 구동기;

외부로부터 입력되는 상기 모터의 각상에 대한 홀신호에 따라 상기 모터의 구동이 최대로 되도록 온/오프 신호를 출력하는 커뮤테이션 디스트리뷰터;

상기 구동기의 출력에 따라 온/오프 됨으로써, 상기 구동신호를 모터에 가하는 파워 트랜지스터부;

상기 파워 트랜지스터부에서 출력되는 구동신호를 감지하여 전압으로 변환하는 출력전류감지부; 및

외부의 핀에 의해 전압이득이 가변되며, 상기 출력전류감지부의 출력전압을 증폭하여 상기 피드백 신호로서 상기 구동기에 공급하는 전압증폭부

를 포함한다.

상기한 제어전압 출력부는,

외부의 서보로부터 제1, 제2 제어전압을 입력받아, 상기 제1, 제2 제어전압의 차이에 비례하는 전류를 출력하는 트랜스 컨덕턴스 증폭기;

상기 트랜스 컨덕턴스 증폭기로부터 출력되는 전류에 절대값을 취하는 절대값 회로부;

상기 절대값 회로부의 출력전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전류/전압 변환기를 포함한다.

그러면, 통상의 지식을 지니자가 본 발명의 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조로 하여 본발명의 실시예에 관하여 설명하기로 한다.

제어 입력 전압(EC, ECR)은 서보(servo)로부터 입력되며 회전속도 제어를 위한 제어 입력전압이고, 이 두 제어 입력 전압(EC, ECR)의 차의 부호 즉, EC-ECR 전압이 양이냐 음이냐에 따라 스핀들 모터의 회전방향이 결정된다. 이 제어 입력 전압(EC, ECR)은 트랜스 컨덕턴스 증폭기(10)를 통하여 전류로 출력되며, 이 전류는 스핀들 모터의 정방향 역방향에 대해서도 부하 모터(M, 16)에 구동전류를 공급하도록 제어 입력 전압 차의 부호에 무관하게 항상 소오싱 혹은 싱킹 전류를 공급하기위해 절대값 회로(11)를 거친후 전류/전압 변환기(12)를 거쳐 구동기(13)의 양의 입력단으로 들어간다. 전류/전압 변환은 전류전압변환기(12)에서 그라운드와 구동기(13)의 양의 입력노드(n1) 사이에 연결된 저항(R1)에 의해 이루어지며, 그 전압은 다음식과 같다.

Vn1 = GmR1 vertEC -ECR vert

커뮤테이션 디스트리뷰터(17)는 홀 입력신호(H1, H2, H3)에 따라 모터(M, 16)의 회전이 최대 토크가 발생하도록 파워 트랜지스터(14)의 온/오프 신호를 발생하며, 구동기(13)는 파워 트랜지스터(14)에 구동신호를 주어 3상 출력 U, V, W를 모터(M, 16)에 가한다.

이때, 모터(M, 16)에 공급되는 전류(U, V, W)는 출력전류감지회로(15)를 거쳐 전압으로 변환되어 구동기(13)의 부의 입력단으로 입력되어 부궤환루프를 형성한다.

이 부궤환 루프에 의해 출력단의 모터 구동전류는 제어입력전압(EC, ECR)의 차에 비례하게 되어 모터(M, 16)의 회전속도를 제어하게 된다.

또한, 이 출력전류감지회로(15)는 출력단의 온 되어 있는 전력 트랜지스터에 흐르는 전류, 즉 모터에 흐르는 전류를 감지하며, 그라운드 사이에 센싱 저항(Rs)을 연결하여 전압으로 변환된다.

이때, 구동기(13)의 입력 노드(n2)의 전압은 Vn2 = IoRs 로 표시된다. 부궤환 루프에 의해 구동기 입력단 양단간의 전압차는 영이 되므로, 즉, 구동기(13) 양의 입력단 전압(Vn1)과 부의 입력단 전압(Vn2)는 같아지므로 다음의 수식이 성립한다.

GmR1 vertEC -ECR vert = IoRs

위의 식으로부터 도1의 모터 구동 시스템의 전달함수 즉, 이득(GM)은 다음과 같다.

GM = Io/ vertEC -ECR vert = GmR1/Rs

위의 수학식3의 이득 특성을 그래프로 나타내면 도2a와 같다.

도2a는 도1의 모터 구동 시스템의 이상적인 전달함수 특성을 나타낸다.

도2a에서와 같이, 모터 구동전류(Io)는 제어입력전압(EC, ECR)의 차에 비례한다.

그러나, 실제의 모터 구동 시스템의 전달함수 특성은 도 2b와 같은 형태가 된다. 도2b는 도1의 모터 구동 시스템의 실제적인 전달함수 특성을 나타낸 도면이다. 도2b에서와 같이, 실제의 전달함수 특성은 가운데 및 양끝 부분이 평행이다. 이는 두 제어입력전압(EC, ECR)의 차가 영일 때는 실제 모터(M, 16)가 회전하지 않도록 옵셋 전압(Eoff+, Eoff-)을 두어 제어입력전압(EC, ECR)차가 이 옵셋 전압(Eoff+, Eoff-) 이상으로 될 때에만 모터(M, 16)에 전류가 공급되도록 하여 모터(M, 16)가 회전을 하도록 하기 위해서이다.

또한, 모터(M, 16)에 필요 이상의 과도한 전류가 공급되면, 모터(M, 16)가손상을 받게되므로 이러한 것을 방지하기 위해 출력전류(Io)의 최대값은 도2b와 같이, Iomax로 제한된다.

그러나, 도1에 도시된 바와 같은 제1 실시예의 모터 구동 시스템은 전달함수 특성을 바꾸기가 어렵고, 이를 바꾸기 위해서는 비용이 많이 드는 문제점이 있다.

따라서, 외부의 핀으로 간단히 전압이득을 조절할 수 있는 전압 증폭기를 구동기의 피드백 입력단자에 설치하여 전체시스템의 전달특성을 간단하게 조정하는 것을 제2 실시예로서 도3에 도시하였다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 구성도이다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 시스템은, 트랜스 컨덕턴스 증폭기(110), 절대값 회로부(111) 및 전류/전압 변환기(112)로 이루어진 제어전압 출력부(130), 구동기(113), 커뮤테이션 디스트리뷰터(117), 파워 트랜지스터부(114), 출력전류감지부(115) 및 전압증폭기(120)를 포함한다.

전류/전압 변환기(112)는 상기 절대값 회로부의 출력전류를 전압으로 변환하기 위해, 절대값 회로부 출력에 연결되고, 타측이 접지되는 저항(R1)을 포함한다.

전압 증폭기(120)는 외부의 핀(PIN)에 인가되는 전압에 따라 전압이득이 변화되는 전압 증폭기로서, 출력전류감지부(115)의 출력전압을 증폭하여 구동기(113)의 반전단자로 출력한다.

출력전류 감지부(115)는 파워 트랜지스터부(114)에서 출력되는 전류를 센싱저항(Rs)을 이용하여 전압으로 변환한다.

이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 사용자에 의해 전원이 인가되면, 이 발명의 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 동작이 시작된다.

동작이 시작되면, 외부의 서보(100)로부터 제어전압(EC, ECR)이 트랜스 컨덕턴스 증폭기(110)로 입력된다. 제어 입력 전압(EC, ECR)은 서보(servo)로부터 입력되며 회전속도 제어를 위한 제어 입력전압이고, 이 두 제어 입력 전압(EC, ECR)의 차의 부호 즉, EC-ECR 전압이 양이냐 음이냐에 따라 스핀들 모터의 회전방향이 결정된다.

다음, 트랜스컨덕터(110)는 제어전압(EC, ECR)의 차이에 비례하는 전류를 출력하고, 이 전류는 스핀들 모터의 정방향 역방향에 대해서도 부하 모터(M, 116)에 구동전류를 공급하도록 절대값 회로(111)에서 절대값으로 변환되어 출력된다.

다음, 절대값 회로(111)의 출력전류는 전류/전압 변환기(112)의 저항(R1)를 통해 흐르고, 이때 노드(n1)의 전압(Vn1)은 구동기(113)의 비반전단으로 입력된다.

즉, 전류/전압 변환은 전류전압변환기(112)에서 그라운드와 구동기(113)의 양의 입력노드(n1) 사이에 연결된 저항(R1)에 의해 이루어지며, 그 전압은 수학식1과 같다.

한편, 커뮤테이션 디스트리뷰터(117)는 홀 입력신호(H1, H2, H3)에 따라 모터(M, 116)의 회전이 최대 토크가 발생하도록 파워 트랜지스터(114)의 온/오프 신호를 발생하며, 구동기(113)는 파워 트랜지스터(114)에 구동신호를 주어 3상 출력 U, V, W를 모터(M, 116)에 가한다.

이때, 모터(M, 116)에 공급되는 전류(U, V, W)는 출력전류감지회로(115)를 거쳐 전압으로 변환되고, 전압 증폭기(120)를 통해 증폭되어 구동기(113)의 반전단으로 입력되어 부궤환루프를 형성한다. 여기서, 출력전류감지회로(115)는 출력단의 온 되어 있는 전력 트랜지스터에 흐르는 전류, 즉 모터에 흐르는 전류를 감지하며, 그라운드 사이에 센싱 저항(Rs)을 연결하여 전압으로 변환된다.

이 부궤환 루프에 의해 출력단의 모터 구동전류는 제어입력전압(EC, ECR)의 차에 비례하게 되어 모터(M, 116)의 회전속도를 제어하게 된다.

이때, 구동기(113)의 입력 노드(n2)의 전압은 Vn2 = IoRsA1 로 표시된다. 부궤환 루프에 의해 구동기(113) 입력단 양단간의 전압차는 영이 되므로, 즉, 구동기(113) 양의 입력단 전압(Vn1)과 부의 입력단 전압(Vn2)는 같아지므로 다음의 수식이 성립한다.

GmR1 vertEC -ECR vert = IoRsA1

위의 식으로부터 도3의 모터 구동 시스템의 전달함수 즉, 이득(GM)은 다음과 같다.

GM = Io/ vertEC -ECR vert = GmR1/RsA1

따라서, 전압 증폭기(120)의 전압이득(A1)을 외부에서 간단하게 조정함에 의해 모터 구동 시스템의 전달특성(GM)을 조정할 수 있다.

전압 증폭기(120)는 외부 조정핀(PIN)에 인가되는 전압에 따라 전압이득이조정되며, 다른 등가물로의 변환이 가능하다.

한편, 트랜스 컨덕턴스 증폭기(110)의 이득(Gm) 및 저항(R1)의 값은 고정되어 있기 때문에 센싱저항(Rs)의 값을 변화시켜 시스템 전달 특성을 변화할 수도 있다. 그러나, 이 방법은 센싱저항(Rs)에 흐르는 전류가 크므로 전력 레이팅(Power rating)이 크면서 동시에 저항값의 변화가 작은 고정밀도의 저항을 사용하여야 하므로 비용이 많이 든다.

따라서, 전압 증폭기(120)의 외부 조정핀(PIN)을 조정하는 방법은 적은 비용으로 간단하게 시스템 전달 특성을 조정할 수 있다.

이상에서와 같이, 이 발명의 실시예에서, 외부의 핀으로 간단히 전압이득을 조절하는 전압 증폭기를 구동기의 피드백 입력단자에 설치하여 전체시스템의 전달특성을 간단하게 조정함으로써, 적은 비용으로 시스템 전달특성을 조정할 수 있게 된다.

Claims

(정정) 외부의 서보로부터 제1, 제2 제어전압을 입력받아, 상기 제1, 제2 제어전압의 차이에 비례하는 전압을 출력하는 제어전압 출력부;

상기 제어전압 출력부의 출력을 비반전단으로 입력받고, 피드백신호를 반전단으로 입력받아, 모터의 구동신호를 발생하는 구동기;

외부로부터 입력되는 상기 모터의 각상에 대한 홀신호에 따라 상기 모터의 구동이 최대로 되도록 온/오프 신호를 출력하는 커뮤테이션 디스트리뷰터;

상기 구동기의 출력에 따라 온/오프 됨으로써, 상기 구동신호를 모터에 가하는 파워 트랜지스터부;

상기 파워 트랜지스터부에서 출력되는 구동신호를 감지하여 전압으로 변환하는 출력전류 감지부; 및

외부의 핀에 의해 전압이득이 가변되며, 상기 출력전류 감지부의 출력전압을 증폭하여 상기 피드백 신호로서 상기 구동기에 공급하는 전압증폭부를 포함하며,

상기 전압 증폭부는 외부의 핀(PIN)에 인가되는 전압에 따라 전압이득이 변화되는 전압 증폭기인 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
제1항에 있어서,

상기한 제어전압 출력부는,

외부의 서보로부터 제1, 제2 제어전압을 입력받아, 상기 제1, 제2 제어전압의 차이에 비례하는 전류를 출력하는 트랜스 컨덕턴스 증폭기;

상기 트랜스 컨덕턴스 증폭기로부터 출력되는 전류에 절대값을 취하는 절대값 회로부;

상기 절대값 회로부의 출력전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전류/전압 변환기를 포함하는 모터 구동 시스템.
제2항에 있어서,

상기 전류/전압 변환기는,

상기 절대값 회로부의 출력전류를 전압으로 변환하기 위해, 일측이 절대값 회로부 출력에 연결되고, 타측이 접지되는 저항(R1)을 포함하는 모터 구동 시스템.
(삭제)
제1항에 있어서,

상기 출력전류 감지부(15)는 상기 파워 트랜지스터부(14)에서 출력되는 구동신호인 전류를 센싱저항(Rs)을 이용하여 전압으로 변환하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
제5항에서,

상기 센싱저항의 저항값을 변화하여 전체 시스템의 전달 특성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.