KR100419107B1 - 동기모터구동용디지탈제어기를가진회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 전자 회로에 관한 것이다. 예컨대, 비디오 레코더의 비디오 헤드 드럼을 구동하는 정밀 모터는 통상 외부적으로 정류되는 동기 모터로서 설계된다. 이들 모터는 회로가 쉽게 구현될 수 있는 디지탈 제어기(CON)에 의해 구형파 전압으로 구동된다. 본 발명의 목적은 양호한 동기를 가능하게 하고 거의 전기 노이즈 없이 모터의 동작이 이루어지도록 할 수 있는, 동기 모터 제어용의 앞서 언급한 종류의 전자 회로를 제공하는데 있다. 상기 목적은 사인파 신호에 의해, 즉 구동 신호(U1,V1,W1)의 진폭에 영향을 주는 제어기(CON)로부터의 별개의 제어 신호에 의해, 동기 모터가 구동됨에 따라 달성된다. 동기 모터를 조절하는 조절 신호가 상기 동기 모터 상에 배열된 센서(GE)에 의해 생성되며, 이 조절 신호는 회전자의 회전과 구동 신호와의 고정 위상 관계를 형성한다. 상기 전자 회로는 간단하게 구현 가능하고 어떠한 디지탈/아날로그 변환기 없이도 동작할 수 있다. 본 발명은 특히 디지탈 비디오 레코더 및 캠코더에 응용될 수 있다.

Description

동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로

본 발명은 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로에 관한 것이다.

예컨대, 비디오 레코더의 비디오 헤드 드럼을 구동하는 정밀 모터는 통상 외부적으로 정류(commutation)되는 동기 모터로서 설계된다. 이들 동기 모터는 회로가 쉽게 구현될 수 있는 디지탈 제어기에 의해 구형파 전압으로 구동된다.

상기 모터는 예컨대 두 쌍의 극(pole)을 가진 디스크 마그네트로서 설계된 회전자를 가지도록 설계된다. 이 회전자는 120°로 오프셋이 설정된 3 개의 코일들로 분할되어 있는 정류자 코일 상에 짧은 거리를 두고 회전할 수 있도록 장착되어 있다. 동일 축 상에 장착된 자계 복귀 경로가 정류자 코일들을 통해 직각으로 자력선들을 안내한다.

상기 모터 구동의 경우에, 고전류가 특히 구형파 신호들의 스위칭 에지들에서 발생하여 전기적 간섭뿐만 아니라 심한 노이즈를 일으킬 수 있다는 단점이 있다. 또한, 토오크도 충분히 일정하지 않다. 이는 특히 분당 9000 회 회전의 높은 회전 속도에서 문제가 된다.

도 1은 3상 동기 모터 구동용 회로를 나타낸 도면.

도 2는 단상용 회로에서 생성되는 전자 신호를 나타낸 도면.

도 3은 단상용 회로를 나타낸 도면.

도 4는 디지탈 제어기의 설계를 나타낸 도면.

도 5는 동기 모터의 3상용 조절 신호 및 3개의 구동 신호를 나타낸 도면.

도 6은 디코더의 카운터값의 코드 변환을 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

CON : 디지탈 제어기 I1, I2, I3 : 적분기

M1, M2, M3 : 승산기 TP1 : 저역 통과 필터

GE : 센서

본 발명의 목적은 동기 모터를 제어하는, 위에서 언급한 종류의 회로를 제공하는데 있으며, 이 회로는 상기한 단점들을 제거할 수 있다.

상기 목적은 특허 청구의 범위 제 1 항에 기재된 본 발명에 의해 달성된다.

본 발명의 다른 특징들은 종속 청구항들에 기재된다.

상기 동기 모터 구동용 회로는 디지탈 제어기를 포함하고 있고, 이 디지탈 제어기의 출력 신호는 상기 동기 모터의 코일을 구동하는데 이용되며, 상기 회로에서 사인파 신호로 변환된다. 이들 구동 신호의 진폭은 상기 디지탈 제어기로부터의 별개의 구동 신호들에 의해 상기 회로에서 영향을 받는다.

또한, 상기 회로는 동기 모터 상에 배열된 센서를 포함하고 있고, 상기 동기 모터를 조절하는 조절 신호를 생성하며, 이 조절 신호는 회전자의 운동 시퀀스의 식별을 가능하게 한다.

동기 모터의 코일을 구동하는데 이용되는 구형파 신호는 초기에 적분기에서 삼각파 신호로 변환된다. 이어서, 이 삼각파 신호는 저역 통과 필터에서 사인파 신호로 변환된다.

상기 사인파 신호에 의해 모터 코일은 원활하게 구동되며, 이에 따라 회전자에 대해 일정한 토오크가 발생된다. 상기 구동 모터는 두 4 분면 모드에서 동작하며, 이 모드에서 3개의 코일 모두는 항상 액티브 상태에 있으므로 급속한 가속 및 제동이 가능해진다.

구동 신호의 진폭은 예컨대 제어 신호가 인가되는 승산기에 의해 조절될 수 있다. 상기 제어 신호는 바람직하게는 펄스폭 변조 신호이며, 이 제어 신호에 의해 상기 승산기는 상기 구동 신호를 초핑(chopping)한다. 이 과정에서 생성된 고조파는 상기 승산기의 하위 스트림에 배열되어 있는 저역 통과 필터에 의해 제거된다. 이 방법으로 제어 신호의 복잡한 디지탈/아날로그 변환을 피할 수 있다.

상기 모터 상에 배열된 센서는 상기 회전자의 정확한 각위치 및 회전속도를 나타내며, 상기 디지탈 제어기에 의해 직접 처리될 수 있는 디지탈 펄스를 생성한다. 상기 디지탈 제어기의 발생기는 동작 중에 상기 디지탈 펄스에 의해 동기화된다. 3 개의 구동 신호가 3비트 카운터 및 하위 스트림의 디코더에 의해 발생기 신호로부터 제어기에서 간단한 방식으로 생성될 수 있다.

상기 전자 회로는 비용 면에서 효율적으로 설계될 수 있으며, 그 아날로그부와 디지탈부는 아날로그/디지탈 변환기 또는 디지탈/아날로그 변환기 없이 서로 접속될 수 있다. 또한, 고효율이 달성된다. 상기 전자 회로의 응용으로는 특히 디지탈 비디오 레코더 또는 캠코더를 들 수 있지만, 예컨대 컴퓨터의 디스크 드라이브 또는 컴팩트 디스크 드라이브와 같은 기타의 다른 응용도 가능하다.

이하에서는 도면을 참조하여 예를 통해 본 발명에 대해 설명한다.

도 1에는 3개의 코일(S1,S2,S3)을 가지고 있는 동기 모터의 동작을 위해 디지탈 제어기(CON)를 가지고 있는 회로가 도시되어 있다. 상기 동기 모터 상에 배열되어 있는 센서(GE)는 동작 중에 조절 신호(FG)를 생성하며, 이 조절 신호(FG)는 상기 디지탈 제어기(CON)에 인가된다. 3 개의 디지탈 구동 신호(U1,V1,W1)가 상기 모터의 동작을 위해 상기 디지탈 제어기(CON)에서 생성된다. 이들 구형파 신호(U1,V1,W1)는 각각의 경우에서 하위 스트림의 적절히 설계된 적분기(I1,I2,I3)에 의해 삼각파 신호(U2,V2,W2)로 변환된다.

상기 3 개의 구동 신호(U1,V1,W1) 각각은 서로에 대해 120 °만큼 위상 천이된다. 이 위상 천이는 상기 전자 회로의 개개의 단의 각각에서 유지된다. 상기 회로의 구동 신호(U1,V1,W1)의 처리는 각각의 경우에서 동일하며, 따라서 1개 위상용의 상기 신호(U2)의 추가 처리에 대해서만 이하에서 설명한다.

상기 적분기(I1)의 출력 신호(U2)의 진폭은 하위 스트림의 승산기(M1)의 영향을 받는다. 마찬가지로, 삼각파의 출력 신호(U3)는 동기 모터의 코일(S1)에 인가되기 전에, 저역 통과 필터(TP1)에서 사인파 신호(U4)로 변환된 다음에,증폭기(A1)에 의해 증폭된다.

도 2에는 상기 센서(GE)의 변환된 신호(U2,U4) 및 조절 신호(FG)와 함께 구동 신호(U1)가 시간에 따라 도시되어 있다. 이 도면에는 이들 신호들의 위상 동기와 신호 파형이 도시되어 있다. 상기 동기 모터는 상기 제어기(CON)에 의해 동기 위상으로 동작하며, 그 회전 속도는 이하에서 더 설명되는 조절 신호(FG)에 의해 제어된다.

상기 코일(S1,S2,S3)에 인가된 신호(및 전류)의 진폭, 따라서 회전자의 회전 속도는 각각의 경우에 승산기(M1,M2,M3)에 인가되는 별도의 제어 신호(ST)에 의해 조절된다. 이 실시예에서, 상기 제어 신호(ST)는 디지탈/아날로그 변환기(DA)에서 디지탈 형태에서 아날로그 형태로 변한된 후에, 아날로그 승산기(U1,U2,U3)에 의해 처리될 수 있다.

상기 모터가 구동 개시되면, 상기 제어기(CON)는 120°로 위상 천이된 저주파수의 3개의 구형파 신호(U1,V1,W1)를 자동적으로 생성한다. 제어 변수(ST)가 충분히 크면, 상기 회전자는 인가된 회전 자계를 따르기 시작하여 정격의 회전 속도까지 가속된다.

이제, 도 3을 참조하여 구형파 구동 신호(U1)를 사인파 신호(U4)로 변환하는 회로의 바람직한 일실시예에 대해 설명한다.

이 경우에, 적분기(I1)는 구동 신호(U1)를 약간 사다리꼴인 삼각파 신호(U2)로 변환하는 적절히 배선된 연산 증폭기이다. 하위 스트림의 승산기(M1)는 적분기(I1)의 아날로그 출력 신호를 시간적으로 펄스폭 변조 신호(PWM)로 초핑하는전계효과 트랜지스터(FET)(T)를 구비하고 있다. 이 경우에, 이 트랜지스터(T)에서 하이 레벨은 단락된 발진을 유발하며, 로우 레벨은 원래의 진폭에 연속적인 발진을 유발한다. 적절히 설계된 저역 통과 필터(TP1)는 신호(U3)로부터 PWM 신호의 고주파의 고조파와 삼각파 신호의 고조파를 필터링시킨다. 신호(U2,U3,U4)의 파형은 도 3의 윗부분에 도시되어 있다.

따라서, 상기 저역 통과 필터(TP1)의 출력 신호는 아날로그 사인파 신호이며, 이 신호의 진폭은 펄스폭 변조 신호(PWM)의 듀티비에 반비례한다. 이 방법으로, 고가의 디지탈/아날로그 변환기(DA)(도 1)와 복잡한 아날로그 승산기의 사용을 피할 수 있다. 또한, 상기 디지탈 펄스폭 변조는 회로 허용오차가 없음을 의미한다. 구형파 신호(U1)를 삼각파 신호(U2)를 통해 사인파 신호(U4)로 변환하는 것은 상기 트랜지스터(T)에 의한 조절이 발진기간 전체에 걸쳐서 액티브된다는 이점을 가지고 있다. 이는 상기 신호가 이 경우에 50%의 시간 동안 제로이므로 구형파 신호의 경우에는 해당되지 않는다. 또한, 특히, 삼각파 신호(U2)는 도 3에 도시된 바와 같이 사다리꼴형으로 평평해 질 수 있다.

이제, 브리지 회로의 전력증폭기는 구동 신호(U4)를 직접 코일(S1)측으로 통과시킨다. 이 브리지 출력단은 두 4분면 모드에서 상기 모터가 동작하도록 한다. 즉 상기 회로는 액트브하게 가속될 수 있고 액티브하게 제동될 수 있다. 결과적으로, 회전속도의 매우 빠르고 정확한 변화가 가능해진다.

이제, 도 4를 참조하여 디지탈 제어기(CON)(도 1)의 설계에 대해서 보다 상세히 설명한다. 상기 디지탈 제어기는 시작 동안에 대략 18 Hz 정도의 기본 주파수에서 발진하는 발생기(P)를 포함하고 있으며, 이 발생기의 출력 신호는 3 비트 카운터(Z)의 입력측에 인가된다. 이 카운터(Z)의 3개 출력은 도 6의 표를 참조로 구동 신호(U1,V1,W1)를 생성하는 디코더(D)에 인가된다. 상기 3비트 카운터(Z)의 출력 신호의 코드는 120°로 위상 천이된 3개의 구형파 신호가 생성되는 방법으로 상기 디코더에서 변환된다. 상기 카운터(Z)는 0에서 101까지의 대응 2 진수 1에서 6까지를 계수함과 아울러, 이어서 리세트 펄스(RES)에 의해 0으로 리세트된다. 도 6의 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 대칭적인 구형파 발진(U1,V1,W1)의 발진 주기는 정확하게 6개의 계수 펄스 길이이다. 계수 방향은 상기 표에서 화살표로 표시 되어 있다.

센서(GE)(도 1)에 의해 생성된 조절 신호(FG)는 발생기(P)용의 트리거 펄스(TR)와 카운터(Z)용의 리세트 펄스(RES)를 생성하는 분리기(SEP)에 제어기에서 인가된다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 조절 신호(FG)의 펄스는 11개의 좁은 구형파 펄스와 1개의 넓은 구형파 펄스로 구성된다. 이들 펄스의 각각은 분리기(SEP)에서 트리거 펄스(TR)를 개시시킨다. 또한, 상기 넓은 펄스는 카운터(Z)용의 리세트 신호(RES)로 간주된다. 이때, 이 펄스는 2진수의 카운터 값 000을 생성하며, 따라서 이 펄스는 각각의 회전자의 회전에 대한 시작 신호에 해당한다.

상기 모터 상에 배열되어 있는 센서(GE)(도 1)는 예컨대 광접속 라인이 회전자에 의해 주기적으로 차단되는 발광 다이오드 및 포토 트랜지스터에 의해 광학적으로 구현될 수 있다. 이 경우에, 시작 펄스의 기계적인 배열은 최대 효율이 정격의 회전 속도로 달성되도록 선택된다. 또한, 사인파 신호로 상기 모터를 구동하면, 구형파 신호로 상기 모터를 구동할 때보다 효율이 양호해진다.

도 5에는 구동 신호(U1,V1,W1)가 상기 조절 신호(FG)로부터 어떻게 유도되는지가 도시되어 있다. 이때, 상기 구동 신호(U1,V1,W1)의 에지는 회전자의 회전에 의해 정확하게 설정된다. 광 센서(GE)의 정확한 기계적인 위치 결정은, 가장 양호한 효율이 달성됨에 따라, 상기 회전자에 대해 최적의 리드각(lead angle)을 채용한 회전 자계를 형성시킨다. 정격의 회전속도에서, 회전 자계와 회전자 사이에는 고정 위상 관계가 존재한다. 따라서, 회전자의 회전 동안에 12개의 펄스가 생성되고, 이들의 위상차는 30°로 동일한 위상차이다. 도 5에는 적분기(I1,I2,I3)(도 1)에 의해 생성된 삼각파 신호(U2,V2,W2)가 도시되어 있다.

단일의 센서(GE)는 3개의 구동 신호 모두에 대해 충분하다. 시작펄스에 대한 최적 시간은 프로그래밍 가능한 지연에 의해 상기 디지탈 제어기(CON)에 의해 선택적으로 설정될 수 있다. 예컨대, 여하튼 이미 비디오 레코더에서 이용가능한 프로그래머블 로직 디바이스(PLD)가 제어기로 사용될 수 있다.

상기 회로는 집적화가 가능하고 물리적으로 분포된 개개의 구성 요소로 구성 가능하다. 상기 제어기 자체는 또한 개개의 구성 요소로부터 구성될 수도 있다.

또한, 동기 모터는 3개가 아닌 복수의 코일(S1,S2,S3)을 가질 수도 있으며, 이에 따라, 상기 회로는 대응하는 수의 구동 신호를 가지고 있어야 한다. 또한, 각각의 코일(S1,S2,S3)도 복수의 권선들로 분할될 수 있다.

Claims (8)

1. 각각의 경우에 동기 모터의 구동 코일(S1,S2,S3)들을 구동하는 제어기(CON)의 디지탈 구동 신호(U1,V1,W1)들을 사인파 신호들로 변환하는 수단(I1,I2,I3,M1,M2,M3,TP1)을 포함하며,

   상기 제어기(CON)로부터의 하나의 제어 신호(ST)가 상기 구동 신호(U1,V1,W1)들에 영향을 주는, 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로에 있어서,

   상기 수단은,

   상기 제어기(CON)의 디지탈 구동 신호(U1)를 삼각파 신호(U2)로 변환하는 적분기(1)와;

   상기 제어기의 제어 신호(ST)가 인가되며, 상기 삼각파 신호(U2)의 진폭을 조절할 수 있는 승산기(M1)와;

   상기 삼각파 신호(U2)를 사인파 신호(U4)로 변환하는 저역 통과 필터(TP1)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 동기 모터 상에 배열되어, 상기 동기 모터를 조절하기 위한 조절 신호(FG)를 생성하는 센서(GE)를 포함하며,

   상기 조절 신호(FG)는 회전자의 운동 시퀀스의 식별을 가능하게 하는 것을특징으로 하는 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 승산기(M1,T)는 상기 저역 통과 필터(TP1)의 상위 스트림에 배열되고,

   상기 제어 신호(ST,PWM)는 펄스폭 변조 신호이며,

   상기 펄스폭 변조신호에 의해 상기 승산기(M1,T)는 상기 구동 신호(U1)를 초핑하고, 결과로서 생성된 고조파들이 상기 저역 통과 필터(TP1)에서 필터링되는 것을 특징으로 하는 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 센서(GE)는 회전자 회전당 12 개의 구형파 펄스들을 생성하고,

   상기 펄스 중에서 회전을 위한 시작 펄스(PU)로서 사용되는 하나의 펄스가 다른 펄스들의 펄스폭과는 다른 펄스폭을 가진 것을 특징으로 하는 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제어기(CON)는 상기 모터의 시작을 위한 시작 주파수를 생성하고, 동작 동안에 상기 센서(GE)의 펄스(FG)들에 의해 동기화되는 발생기(P)를 가진 것을 특징으로 하는 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로.
6. 제 5 항에 있어서,

   3 비트 카운터(Z)가 상기 제어기(CON)의 발생기(P)의 하위 스트림에 배열되어, 상기 발생기(P)의 펄스를 계수하며, 상기 3 비트 카운터의 출력 신호들은 120로 위상 천이된 3개의 구형파 신호(U1,V1,W1)들로 디코더(D)에 의해 변환되는 것을 특징으로 하는 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 시작 펄스(PU)는 상기 카운터(Z)를 리세트시키는 것을 특징으로 하는 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로.
8. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 회로는 디지탈 비디오 레코더 또는 캠코더에서의 응용에 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 동기 모터 구동용 디지탈 제어기를 가진 회로.