KR100348621B1 - 스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로 - Google Patents

스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로에 관한 것으로, 종래에는 스위치소자를 구동하기 위해서는 전원을 필요로 하며 보통 아랫상의 에미터에 대비하여 15V정도의 전원을 사용하게 되므로 SMPS를 필요로 하며, 스위치드 리럭턴스 모터의 경우 회로의 토포로지(TOPOLOGY)가 특수하기 때문에 IPM(Intelligent Power Module)과 같이 집적화된 파워 모듈의 사용이 어려우며 특히 외장형의 프리휠링 다이오드를 사용하기 때문에 회로 설계시 컴팩트한 설계가 어려운 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 모터의 고정자 요크에 보조 권선을 감아 스위치소자의 턴오프시 전류의 프리휠링을 만들어 주며, 이 전류를 이용하여 제어 전원을 발생시켜 별도의 SMPS를 필요로 하지 않음으로서 가격을 낮추고, 별도의 프리휠링 다이오드를 제거함으로써 컴팩트한 설계가 가능하도록 한 것이다.

Description

스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로{DRIVING CIRCUIT FOR SWITCHED RELUCTANCE MOTOR}
본 발명은 컴팩트(Compact)한 설계와 가격 저감이 가능하도록 한 스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로에 관한 것으로, 특히 모터의 고정자 요크에 보조권선을 감아 파워 소자의 턴오프시 전류의 프리휠링 패스(path)를 만들어주며, 이때 보조권선을 통해 발생하는 전류를 이용하여 제어 전원을 발생시키도록 한 스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로에 관한 것이다.
도 2는 6/4 구조를 갖는 스위치드 리럭턴스 모터(SRM)의 구동회로도로서, 이에 도시한 바와같이, 입력되는 전원을 평활시켜 얻어지는 직류전압을 모터로 공급하는 직류 링크 커패시터(C)와, 병렬로 N상의 수 만큼 각각 연결되는 N개의 모터 권선(La,Lb,Lc)과, 이 모터 권선(La,Lb,Lc)에 상,하로 직렬연결된 상,하위 스위치소자(Q1a,Q1b,Q1c)(Q2a,Q2b,Q2c)와, 상기 상위 스위치소자(Q1a,Q1b,Q1c)의 콜렉터와 하위 스위치소자(Q2a,Q2b,Q2c)의 콜렉터 사이에 연결된 프리휠 다이오드(FRD2,FRD4,FRD6)와, 상기 상위 스위치소자(Q1a,Q1b,Q1c)의 에미터와 하위 스위치소자(Q2a,Q2b,Q2c)의 에미터 사이에 연결된 프리휠 다이오드(FRD3,FRD5,FRD7)로 구성한다.
이와같이 구성된 종래기술에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 1에서와 같이 6/4 구조를 갖는 스위치드 리럭턴스 모터(SRM)는 회전자의 돌극성 원리를 이용하여 리럭턴스 토오크를 이용한다.
스위치드 리럭턴스 모터(SRM)는 구동 특성상 항상 전류는 한 방향으로 흐르게 되어 있으며, 각 상의 권선에 대한 상위 스위치 소자와 하위 스위치 소자가 항상 같이 턴온되고, 턴오프되게 된다.
그러면 스위치드 리럭턴스 모터(SRM)의 동작에 대하여 도 2에 의거하여 살펴보면, 직류 링크 커패시터(C)가 입력되는 전원을 평활시켜 만들어진 직류전압을 스위치드 리럭턴스 모터(SRM)로 공급한다.
따라서 상기 스위치드 리럭턴스 모터(SRM)는 회전하게 된다.
이때, 고정자 권선 A상에 전기가 유기될 수 있도록 하이상태의 A상의 게이트신호를 모터 권선(La)에 직렬연결된 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)의 게이트로 각각 공급한다.
그러면 상기 A상의 상, 하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)가 동시에 턴온된다.
상기 A상의 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)가 온됨에 따라 A상의 모터 권선(La)으로 전류가 흐르게 되고, 이에따라 A상의 모터 권선(La)에 자속을 유기시킬 수 있게 된다.
이렇게 일정시간 동안 A상의 모터 권선(La)에 전류가 흐르게 한다음 로우상태의 게이트신호를 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)로 출력한다.
따라서 상기 상, 하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)는 동시에 턴오프되고, A상의 모터 권선(La)에 유기된 자속은 프리휠 다이오드(FRD2), 직류 링크 커패시터(C), 프리휠 다이오드(FRD3) 및 모터 권선(La)의 루프를 통해 제거되면서 모터는 원활하게 회전하게 된다.
그런다음 다시 고정자 권선 B상에 전기가 유기될 수 있도록, 하이상태의 B상의 게이트신호를 모터 권선(Lb)에 직렬연결된 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)의 게이트로 각각 공급한다.
따라서 상기 B상의 상, 하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)가 동시에 턴온된다.
상기 B상의 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)가 온됨에 따라 모터 권선(Lb)으로 전류가 흐르게 되고, 이에따라 B상의 모터 권선(Lb)에 자속을 유기시킬 수 있게 된다.
이렇게 소정시간 동안 B상의 모터 권선(Lb)에 전류가 흐르게 한다음 로우상태의 게이트신호를 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)로 출력한다.
따라서 상기 상, 하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)는 동시에 턴오프되고, B상의 모터 권선(Lb)에 유기된 자속은 프리휠 다이오드(FRD4), 직류 링크 커패시터(C), 프리휠 다이오드(FRD5) 및 모터 권선(Lb)의 루프를 통해 제거되면서 모터는 원활하게 회전하게 된다.
그리고, C상의 경우도 상기에서와 같은 동작에 의해 동작된다.
이와같은 일을 반복하게 됨으로써, 스위치드 리럭턴스 모터(SRM)는 회전하게 된다.
앞에서 설명한 바와같이, 윗상의 스위치소자와 아랫상의 스위치소자를 동시에 턴온시키게 되면, 도 3의 (a)에서와 같이 Q1→L1→Q2를 통하여 전류가 흐르게 되며, 턴오프시에는 도 3의 (b)에서와 같이 모터권선(L1)으로 흐르는 전류의 방향이 일정하도록 D1→L1→D2를 통하여 프리휠링 하게 된다.
그러나, 상기에서와 같은 종래기술에 있어서, 스위치소자를 구동하기 위해서는 전원을 필요로 하며 보통 하위 스위치소자의 에미터에 대비하여 15V정도의 전원을 사용하게 되므로 SMPS를 필요로 하며, 스위치드 리럭턴스 모터의 경우 회로의 토포로지(TOPOLOGY)가 특수하기 때문에 IPM(Intelligent Power Module)과 같이 집적화된 파워 모듈의 사용이 어려우며 특히 외장형의 프리휠링 다이오드를 사용하기 때문에 회로 설계시 컴팩트한 설계가 어려운 문제점이 있다.
따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고정자의 요크에 보조 권선을 감아 프리휠링 다이오드의 숫자를 줄이며, 파워소자의 턴오프시 전류의 프리휠링 패스에서 발생하는 전류를 이용하여 제어에 필요한 전원을 발생시키도록 한 스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 프리휠링 다이오드의 숫자를 줄여 더 컴팩트한 설계와 가격을 줄이도록 한 스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로를 제공함에 있다.
도 1은 6/4구조를 갖는 3상 스위치드 리럭턴스 모터(SRM)의 구조도.
도 2는 6/4 구조를 갖는 스위치드 리럭턴스 모터(SRM)의 구동회로도.
도 3은 도 2에서, 윗상 스위치소자와 아랫상 스위치소자가 동시에 턴온, 턴오프시의 동작 원리 설명도.
도 4는 6/4구조를 갖는 3상 스위치드 리럭턴스 모터에서, 본 발명의 보조권선을 감은 상태를 보여주는 구조도.
도 5는 본 발명 스위치드 리럭턴스 모터(SRM)의 구동회로도.
도 6은 도 5에서, 제어부의 상세도.
도 7은 도 5에서, 스위치 오프 및 스위치 온시의 세부 동작회로도.
도 8은 도 5에서, 캐패시터에 충전되는 전원을 실제로 사용하고자 할 경우의 충전회로도.
***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****
10 : 제어부 FRD : 프리휠 다이오드
La,Lb,Lc : 모터권선 L : 보조권선
Qa,Qb,Qc : 스위치소자 S : 전원제어용 스위치소자
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 6/4구조를 갖는 스위치드 리럭턴스 모터에서 있어서, 각상의 모터권선이 권회된 고정자의 요크를 통하여 서로 커플링되어 있는 보조권선과, 상기 보조 권선 상,하에 각각 연결되는 다이오드와, 상기 보조 권선과 하측 다이오드 사이에 연결되어 스위치소자 오프시 제어 전원으로 사용할 전압을 충전시키는 전원용 캐패시터와, 상기 전원용 캐패시터 및 하측 다이오드와 병렬로 연결되어 상기 전원용 캐패시터에 충전되는 전압을 일정한 전압으로 유지시켜 주기 위한 전원제어용 스위치소자와, 상기 전원용 캐패시터에 충전되는 전압의 크기에 따라 상기 스위치소자의 온/오프동작을 제어하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명 스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로도로서, 이에 도시한 바와 같이, 입력되는 전원을 평활시켜 얻어지는 직류전압을 모터로 공급하는 직류 링크 커패시터(C)와, 병렬로 N상의 수 만큼 각각 연결되어 있는 각상의 모터 권선(La,Lb,Lc)과, 이 모터 권선(La,Lb,Lc)에 상,하로 직렬연결된 상,하위 스위치소자(Q1a,Q1b,Q1c)(Q2a,Q2b,Q2c)와, 상기 각상의 모터 권선(La,Lb,Lc)이 권회된 고정자의 요크를 통하여 서로 커플링되어 있는 보조권선(L)과, 상기 보조 권선(L) 상,하에 연결되는 다이오드(D1,D2)와, 상기 보조 권선(L)과 하측 다이오드(D2) 사이에 연결되어 스위치소자 오프시 제어 전원으로 사용할 전압을 충전시키는 전원용 캐패시터(C1)와, 상기 전원용 캐패시터(C1) 및 하측 다이오드(D2)와 병렬로 연결되어 상기 전원용 캐패시터(C1)에 충전되는 전압을 일정한 전압으로 유지시켜 주기 위한 전원제어용 스위치소자(S)와, 상기 전원용 캐패시터(C1)에 충전되는 전압의 크기에 따라 상기 스위치소자(S)의 온/오프동작을 제어하는 제어부(10)로 구성한다.
그리고, 상기 제어부(10)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 저항(R1)과 제너 다이오드(ZD) 및 저항(R2,R3)으로 각각 분압한 전원용 캐패시터(C1)의 입력측과 접지측(G) 사이의 전압을 반전단자(-) 및 비반전단자(+)로 입력받아 비교하고 이에따른 스위치 제어신호를 생성하는 비교기(COMP)로 구성한다.
이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 도 4에 도시한 바와 같이 각상의 모터권선(A,A'),(B,B'),(C,C')이 철심에 서로 대향되게 권회된 고정자의 요크부에 보조권선(L,L')을 권회하고 일예로, A,C상의 모터권선(A,A'),(C,C') 사이의 고정자의 요크부에 보조 권선(L,L')을 감고, 상기 각상의 모터권선(A,B,C)은 상위 스위치소자(Q1a,Q1b,Q1c)와 연결되고, 상기 각상의 모터권선(A',B',C')은 하위 스위치소자(Q2a,Q2b,Q2c)와 연결되어 있다.
그리고, 전류가 한 방향으로만 흐르게 되므로 항상 각상의 모터권선(A,B,C)은 N극, 각상의 모터권선(A',B',C')은 S극의 역할을 하게 되며, 자속(FLUX)이 흐르는 패스(PATH)는 N극에서 S극방향으로 흐르게 된다.
따라서 도 4에서와 같은 위치에 보조 권선(L,L')을 감으면, 도 4의 자속방향 표시에서와 같이 모든 상의 플럭스 패스는 그 보조 권선(L,L')을 통하게 된다.
이상에서와 같이 보조 권선을 감게 되면, 모터 권선(La,Lb,Lc)은 보조 권선(L)과 도 5에서와 같이 요크를 통하여 서로 커플링되어 있게 되고, 프리휠링 다이오드(FWD)를 필요로 하지 않고 보조 권선(L)의 출력부분에 다이오드(D1,D2)가 달리게 된다.
가령, 고정자 권선 A상에 자속이 유기될 수 있도록 하이상태의 A상의 게이트신호를 모터 권선(La)에 직렬연결된 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)의 게이트로 각각 공급하면, 상기 A상의 상, 하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)가 동시에 턴온된다.
상기 A상의 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)가 온됨에 따라 모터 권선(La)으로 전류가 흐르게 되고, 이에따라 A상의 모터 권선(La)에 자속을 유기시킬 수 있게 된다.
이렇게 일정시간 동안 A상의 모터 권선(La)에 전류가 흐르게 한다음 로우상태의 게이트신호를 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)로 출력한다.
이에따라 상기 상, 하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)는 동시에 턴오프되어 자속이 감소하게 되고, 이때 보조권선(L)에는 도 4에서와 같이 요크를 통해 자속이 흐르던 방향을 유지하기 위해 그 보조 권선(L)으로 전류가 유기되게 된다.
이때 전원제어용 스위치소자(S)가 턴온되어 있다면, 도 7의 (b)와 같이 상기 전원제어용 스위치소자(S)→보조 권선(L)→다이오드(D1)→캐패시터(Path2)를 통하여 프리휠링을 하게 되고, 상기 전원제어용 스위치소자(S)가 턴오프되어 있다면 다이오드(D2)를 통하여 전원용 캐패시터(C1)에 충전하게 된다.(Path3)
상기 전원용 캐패시터(C1)에 충전된 전압을 제어 전원으로 사용하기 위해서는 일정한 전압으로 유지할 필요가 있다.
따라서 제어부(10)에서는 전원제어용 스위치소자(S)를 제어하게 된다. 즉 전원용 캐패시터(C)의 전압이 15V를 유지해야 한다면 상기 제어부(10)에 간단한 비교기를 제공하고 이를 이용하여 전원제어용 스위치소자(S)를 제어하도록 한다.
그러면 제어부(10)에 대하여 도 6에 의거하여 살펴보면, 비교기(COMP)는 저항(R1)과 제너 다이오드(ZD)에 의해 분압된 전원용 캐패시터(C1)의 입력측(P1) 전압을 비교기(COMP)의 반전단자(-)에 기준전압으로 입력받고, 저항(R2,R3)에 의해 분압된 전압을 비반전단자(+)에 비교전압으로 입력받아 비교한다.
비교 결과, 전원용 캐패시터(C1)의 입력측에 걸리는 제어 전압이 어느 이상이 되면, 저항(R2,R3)에 의해 분압된 전압이 저항(R1) 및 제너다이오드(ZD)에 의해 분압된 기준전압보다 크게 되어 비교기(COMP)는 하이신호를 출력하고, 그리고 제어 전압이 어느 이하가 되면 상기 비교기(COMP)는 로우신호를 출력한다.
상기 비교기(COMP)에서 로우신호를 출력하면 전원제어용 스위치소자(S)는 턴오프되고, 상기 비교기(COMP)에서 하이신호를 출력하면 상기 전원제어용 스위치소자(S)는 턴온된다.
그리고, 전원용 캐패시터(C1)를 보조 권선(L)과 직렬로 연결하지 않으면, 상기 전원용 캐패시터(C1)에는 매우 큰 전압이 걸리게 되나 보조 권선(L)과 직렬로 연결이 되면 대부분의 전압은 보조 권선(L)에 걸리며 충전되는 동안에 전원용 캐패시터(C1)에는 낮은 전압만이 걸리게 된다.
그리고 도 6에서 알 수 있듯이 상기 전원용 캐패시터(C1)의 전압은 P1이 P2에 비해 +Vc를 갖게 된다.
전원제어용 스위치소자(S)가 턴온되면 P2는 접지(G)와 같은 전위가 되며, 이 부분은 하위 스위치소자(Q2a-Q2c)의 에미터와 같은 전위가 된다. 따라서 이때의 P1의 전위는 하위 스위치소자(Q2a-Q2c)의 에미터보다 +Vc의 전위를 갖게 되고, 이에따라 제어 전원으로 사용할 수가 있다.
또한 이때 P1이 접지(G)보다 전위가 높으므로 D2는 끊어진 상태가 된다.
반면에 전원제어용 스위치소자(S)가 턴오프 되었을 때는 도 7의 (a)와 같이 다이오드(D2)→전원용 캐패시터(C1)→보조 권선(L)→다이오드(D1)를 통해 전류(Path3)가 흐르며, 역시 전원용 캐패시터(C1)에는 Vc와 같은 극성을 갖도록 충전이 되게 된다.
이때 항상 Vc는 제어 전원, 예를 들어 15V 이하로 제어부(10)에 의하여 제어되므로 전원제어용 스위치소자(S)는 낮은 전압의 소자를 사용할 수 있다.
그런다음 다시 고정자 권선 B상에 자속이 유기될 수 있도록, 하이상태의 B상의 게이트신호를 모터 권선(Lb)에 직렬연결된 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)의 게이트로 각각 공급하면, 상기 B상의 상, 하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)가 동시에 턴온된다.
상기 B상의 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)가 온됨에 따라 모터 권선(Lb)으로 전류가 흐르게 되고, 이에따라 B상의 모터 권선(Lb)에 자속을 유기시킬 수 있게 된다.
이렇게 소정시간 동안 B상의 모터 권선(Lb)에 전류가 흐르게 한다음 로우상태의 게이트신호를 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)로 출력하면, 상기 상, 하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)는 동시에 턴오프된다.
따라서, 자속이 감소함에 따라 상기의 설명에서와 같이 요크를 통하여 보조 권선(L)으로 전류가 유기되게 된다.
이때 전원제어용 스위치소자(S)의 턴온 또는 턴오프 상태에 따라 Path2 또는 Path3를 통해 프리휠링하게 된다.
그리고, C상의 경우도 상기에서와 같은 동작에 의해 동작된다.
그리고 스위치드 리럭턴스 모터의 특성상 프리휠링되는 전류의 크기가 상당히 크므로 전원용 캐패시터(C1)를 충전하기에는 충분한 전류 용량을 갖게 된다.
도 7의 (a)에서, 전원용 캐패시터(C1)가 충전되는 동안에는 P2가 G와 끊어진 상태이므로 Vc의 기준전위는 G, 즉 스위치소자의 에미터와 동일하지 않게 된다.
이때는 전원용 캐패시터(C1)에 충전된 Vc를 바로 제어 전원으로 사용할 수가 없다.
따라서 도 8에서와 같이 간단한 부트스트랩 개념을 이용하여 스위치소자(S)를 구동할 때 다른 캐패시터(C2)에 전압을 충전시켜둘 필요가 있게 된다.
도 7의 (a)에서와 같이, 전원제어용 스위치소자(S)가 턴오프된 경우 P1의 전위가 매우 낮기 때문에 도 8에서 다이오드(D3)는 끊어지게 되며, 전원용 캐패시터(C2)는 독립적인 전원으로 사용하게 된다.
그리고 도 7의 (b)에서와 같이, 전원제어용 스위치소자(S)가 턴온된 경우 전원용 캐패시터(C1)에 충전된 전압을 도 8의 캐패시터(C2)에 받아 제어 전원으로 사용할 수 있게 된다.
결국, 모터의 고정자 요크에 보조 권선을 감아 사용하면서 프리휠링되는 전류를 이용하여 제어 전원을 발생시켜 사용한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 모터의 고정자 요크에 보조 권선을 감아 스위치소자의 턴오프시 전류의 프리휠링을 만들어 주며, 이 전류를 이용하여 제어 전원을 발생시켜 별도의 SMPS를 필요로 하지 않음으로써 가격을 낮추고, 별도의 프리휠링 다이오드를 제거함으로써 컴팩트한 설계가 가능하도록 한 효과가 있다. 또한 본 발명에서 사용되는 소자들은 모두 낮은 전압용을 쓸 수 있으므로 가격적 이점이 매우 크다.

Claims (3)

  1. 입력되는 전원을 평활시켜 얻어지는 직류전압을 모터로 공급하는 직류 링크 커패시터(C)와, 병렬로 각상의 수 만큼 각각 연결되어 있는 각상의 모터 권선(La,Lb,Lc)과, 이 모터 권선(La,Lb,Lc)에 상,하로 직렬연결된 상,하위 스위치소자(Q1a,Q1b,Q1c)(Q2a,Q2b,Q2c)와, 상기 각상의 모터 권선이 권회된 고정자의 요크를 통하여 서로 커플링되어 있는 보조권선(L)과, 상기 보조 권선(L) 상,하에 연결되는 다이오드(D1,D2)와, 상기 보조 권선(L)과 하측 다이오드(D2) 사이에 연결되어 스위치소자 오프시 제어 전원으로 사용할 전압을 충전시키는 전원용 캐패시터(C1)와, 상기 전원용 캐패시터(C1) 및 하측 다이오드(D2)와 병렬로 연결되어 상기 전원용 캐패시터(C1)에 충전되는 전압을 일정한 전압으로 유지시켜 주기 위한 전원제어용 스위치소자(S)와, 상기 전원용 캐패시터(C1)에 충전되는 전압의 크기에 따라 상기 스위치소자(S)의 온/오프동작을 제어하는 제어부와, 상기 전원용 캐패시터(C1)로부터 다이오드(D3)를 통해 충전되어 실제 제어용 전원으로 사용되는 캐패시터(C2)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로.
  2. 제1항에 있어서, 제어부는, 저항(R1)과 제너 다이오드(ZD) 및 저항(R2,R3)으로 각각 분압한 전원용 캐패시터(C1)의 입력측과 접지측(G) 사이의 전압을 반전단자(-) 및 비반전단자(+)로 입력받아 비교하고 이에따른 스위치 제어신호를 생성하는 비교기(COMP)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로.
  3. 삭제
KR1020000010087A 2000-02-29 2000-02-29 스위치드 리럭턴스 모터의 구동회로 KR100348621B1 (ko)

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