KR100676323B1

KR100676323B1 - 3상모터 제어장치

Info

Publication number: KR100676323B1
Application number: KR1020030046208A
Authority: KR
Inventors: 염장현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2007-01-30
Also published as: KR20050005997A; US6879123B2; JP2005033988A; US20050007048A1

Abstract

본 발명은 3상모터 제어장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 인버터와 브레이크를 갖는 3상모터 제어장치에 관한 것이다. 본 발명은 3상모터의 각 위상단자에 연결된 인버터와 상기 3상모터를 제동하는 브레이크를 갖는 3상모터 제어장치에 있어서, 소정의 동기신호에 기초하여 상기 브레이크의 구동전원과 상기 인버터의 전원을 각각 동시에 공급하는 전원공급부와, 상기 인버터를 제어하는 인버터제어신호를 출력하며, 상기 브레이크와 상기 인버터에 각각의 전원을 동시에 공급하도록 하는 전원제어신호를 상기 전원공급부로 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치이다. 이에 의해 제어신호에 대하여 3상모터의 응답속도를 빠르게 할 수 있으며, 릴레이 및 별도의 브레이크 전원공급장치를 사용하지 않음으로써 제품의 원가절감 및 제품의 크기를 줄일 수 있고, 전력손실을 줄여 시스템 효율 또한 높일 수 있다.

브레이크, 3상모터 제어장치

Description

3상모터 제어장치{device for controlling 3phase-motor}

도1은 종래의 3상모터 제어장치의 회로도,

도2는 종래 3상모터 제어회로의 타이밍도,

도2(a)는 브레이크 제어신호의 파형도,

도2(b)는 브레이크 제어신호에 따른 브레이크 전원의 파형도,

도2(c)는 브레이크 제어신호에 따른 인버터 출력신호의 파형도,

도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3상모터 제어장치의 블록도,

도4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3상모터 제어장치의 블록도,

도5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 3상모터 제어장치의 회로도,

도6은 본 발명의 실시예에 따른 3상모터 제어회로의 타이밍도이다.

도6(a)는 제어부에서 전원공급부에 제공되는 브레이크 온/오프 신호의 파형도,

도6(b)는 브레이크 제어신호에 따른 브레이크 전원의 파형도,

도6(c)는 브레이크 제어신호에 따른 인버터 전원의 파형도,

도6(d)는 브레이크 제어신호에 따른 인버터 출력신호의 파형도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 3상모터 10: 브레이크

11: 브레이크 코일 20: 인버터

21: 트랜지스터 구동회로 22: 게이트 드라이브 IC

30: 전원공급부 31: 인버터 전원부

32: 브레이크 전원부 33: SMPS 제어 IC

34: 변압기 35: 제1차 유도코일

36: 제2차 유도코일 40: 제어부

41: 마이컴 50: 동기신호

100: 3상모터 101: 브레이크

102: 브레이크 코일 110: 인버터

111: 트랜지스터 구동회로 112: 게이트 드라이브 IC

120: 브레이크 전원부 121: SMPS

122: 브레이크 제어릴레이 123: 포토커플러

130: 전원공급부 133: 제1차 유도코일

134: 제2차 유도코일 140: 마이컴

본 발명은 3상모터 제어장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 인버터와 브레이크를 갖는 3상모터 제어장치에 관한 것이다.

최근 에너지 효율을 높이기 위해 가전제품(에어컨, 세탁기, 냉장고 등)에 인 버터에 의해 제어되는 3상모터를 사용하는 경우가 많아지고 있다. 이러한 서보모터 시스템 설계시 이동체의 제동을 위해 모터와 일체화된 브레이크가 일반적으로 많이 쓰이고 있다.

모터와 일체화된 브레이크의 전원은 시스템과의 절연 등의 이유로 별도의 전원장치를 사용하고 있고, 제어를 위해 릴레이를 사용하는 것이 일반적이다.

도1은 종래의 3상모터 제어장치의 회로도이다.

도1에 도시한 바와 같이, 3상 서보모터 제어장치는 3상모터(100), 인버터(110), 브레이크 전원부(120), 전원공급부(130) 및 마이컴(140)을 갖는다.

3상모터(100)는 모터제동을 위한 브레이크(101) 및 브레이크 코일(102)과 일체형으로 구성되어 있다. 브레이크 코일(102)에 전류가 흐르지 않으면 브레이크(101)는 모터(100)를 제동한 상태를 유지하고, 브레이크 코일(102)에 전류가 인가되면 모터(100)의 제동을 중지한다.

인버터(110)는 6개의 스위치용 트랜지스터와 트랜지스터 구동회로(111)를 갖는다.

트랜지스터는 3상모터(100)의 각 위상단자와 직류전원의 양의 단자(P) 사이에 연결되는 3개의 제1스위치(Q1,Q2,Q3)와, 상기 3상모터(100)의 각 위상단자와 직류전원의 음의 단자(N) 사이에 연결되는 제2스위치(Q4,Q5,Q6)로 구별될 수 있다. 또 각각의 트랜지스터는 프리휠링 다이오드(Df1)와 병렬로 연결되어 있다.

트랜지스터 구동회로(111)는 게이트 드라이브 IC(112)로 구성되어 있으며, 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되어 트랜지스터의 스위칭을 제어한다. 게이트 드 라이브 IC(112)는 소정의 입력전원(Vdu, Vdv, Vdw, Vdn, 이하 "인버터 전원(Vd)"라 한다.)을 공급받고 입력되는 제어신호에 따라 트랜지스터의 게이트 단자를 바이어스 한다.

브레이크 전원부(120)는 스위칭모드전원공급제어기(SMPS(121)), 브레이크 제어릴레이(122), 포터커플러(123), 다이오드(Db,Df)와 콘덴서(C1)를 갖는다.

브레이크 전원부(120)는 SMPS 제어 IC(121)로부터 소정의 브레이크 전원을 서보모터에 일체로 형성된 브레이크 코일(102)에 공급한다. 브레이크 제어릴레이(122)는 외부에서 입력되는 제어신호에 의해 SMPS 제어 IC(121)로부터 서보모터에 공급되는 전원을 스위칭한다. 다이오드(Df)는 프리휠링 다이오드이며, 그 외의 다이오드(Db)는 전류의 역류를 방지하기 위한 것이다. 포터커플러(123)는 발광다이오드(LED1)와 트랜지스터(Q7)가 절연결합된 것으로서 발광다이오드(LED1)에 전류가 도통되면 발광하고 트랜지스터(Q7)의 베이스 단자가 바이어스 되어 온 상태로 스위칭 되는 소자이다.

브레이크 전원부(120)는 SMPS 제어 IC(121)에서 출력되는 전압이 콘덴서(Cb)에 충전되고, 포터커플러(123)가 도통되어 브레이크 제어릴레이(122)가 ON 상태로 스위칭 되면 브레이크 코일(102)에 전원이 공급된다.

전원공급부(130)는 SMPS 제어 IC(131), 변압기(132), 다이오드(Dr) 및 콘덴서(C1)를 갖는다.

SMPS 제어 IC(131)는 소정의 전압을 변압기의 제1차 유도코일에 인가한다. 변압기는 제1차 유도코일(133)에 대하여 상대적으로 작은 권선비를 갖는 제2차 유도코일(134)의 양단에 제1차 유도코일(133)에 인가된 전압보다 작은 전압을 유도한다.

각 제2차 유도코일(134)에 인가된 전압은 역전류 방지용 다이오드(Dr)를 거쳐 콘덴서(C1)에 충전된다. 이 때 각 콘덴서(C1)에 충전된 충전전압은 게이트 드라이브 IC(112)의 입력전원으로 공급된다.

마이컴은 인버터(110)의 게이트 드라이브 IC(112)의 제어신호를 출력하여 서보모터(100)를 동작을 제어하고, 브레이크 전원부(120)의 포터커플러(123)에 소정의 브레이크 제어신호를 출력하여 발광다이오드(LED1)를 스위칭함으로써 브레이크의 제동 여부를 제어한다.

도2는 종래 3상모터 제어회로의 타이밍도이다.

도1과 도2를 참조하면, 서보모터(100)는 일반적으로 전원이 꺼진 상태이거나 브레이크 제어신호가 0(0V)일 때 브레이크(101)에 의해 구속되어 제동상태가 된다. 즉 브레이크 제어신호가 0일 때, 브레이크 제어릴레이(122)는 개방상태가 되며, 반대로 브레이크 제어신호가 1일 때, 브레이크 제어릴레이(122)는 단락상태가 되어 브레이크(101)는 풀리게 된다. 따라서 도2(a) 및 도2(b)에 도시한 바와 같이 브레이크 제어신호가 0일 때에는 프리휠링 다이오드(Df1)의 양단간 전압(이하 "브레이크 전압(Vb)"이라 한다.)은 0이며, 브레이크 제어신호가 1일 때에 브레이크 전압(Vb)은 소정의 전압으로 증가한다.

도2(b)에서 브레이크 제어신호가 1이 된 이후에도 브레이크 전압(Vb)이 안정화되어 브레이크(101)가 풀리는 상태가 되기 위해서는 시간지연을 갖는 것을 볼 수 있다. 이러한 시간지연은 릴레이(122)가 구동코일에 의해 동작할 때까지 걸리는 시간지연(t_r)과 브레이크 제어릴레이(122)의 스펙으로 결정되는 바운스(bounce) 시간에 의한 시간지연(t_b)으로 구별할 수 있다.

일반적인 모터제어에 있어서 브레이크(101)가 잡힌 상태에서는 모터제어를 할 수가 없다. 만일 그렇지 않다면 모터(100)의 축에서 브레이크(101)에 의해 잡힌 부분과 인버터의 제어에 의해 발생한 모터(100)의 축 상의 토크에 의해 비틀림이 발생한다. 이러한 비틀림이 심할 경우 브레이크, 모터의 축 또는 인버터(110)에 손상을 줄 수가 있다. 따라서 브레이크(101)가 완전히 풀린 상태에서 인버터(110)의 출력신호가 3상모터(100)의 각 상에 인가되며, 제동시에는 인버터(110)의 출력신호가 사라진 뒤에 브레이크(101)가 구속되어야 한다. 이러한 시간관계는 도2(b)와 도2(c)를 통해 볼 수 있다.

종래의 3상모터 제어장치는 인버터 구동용(게이트 드라이브 IC(112)의 입력전원) 전원 이외에 브레이크 전원(120)을 위한 별도의 전원장치를 이용하고 브레이크 제어릴레이(122)를 사용하고 있다.

이 릴레이(122)는 브레이크(101)의 제동용량이 커질수록 이를 제어하기 위한 전류는 더 커지게 되어 릴레이(122)의 크기 및 브레이크 코일(102) 역시 커지게 된다. 이는 제어회로를 복잡하게 하고, 제조단가 및 제품의 크기가 커지게 하는 문제가 있다.

또한 에너지효율 면에서도 브레이크(101)에 구속되어 모터(100)의 구동이 이 루어지고 있지 않은 상태에서도 브레이크 전원과 인버터의 전원이 계속 출력되고 있어 일정한 전력의 소모를 유발하는 문제가 있을 수 있었다.

릴레이(122)를 사용함으로써 생겨나는 브레이크 제어신호 및 인버터 제어신호가 발생한 이후에 모터의 반응시간이 지연되는 문제가 있었다.

본 발명은 브레이크 릴레이, 브레이크 전원공급부 등의 회로요소를 줄여 서보모터 시스템의 크기, 제조단가를 줄이고, 모터제어에 대하여 빠른 반응성을 갖는 3상모터의 제어장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적은 본 발명에 따라 3상모터의 각 위상단자에 연결된 인버터와 상기 3상모터를 제동하는 브레이크를 갖는 3상모터 제어장치에 있어서, 소정의 동기신호에 기초하여 상기 브레이크의 구동전원과 상기 인버터의 전원을 각각 동시에 공급하는 전원공급부와, 상기 인버터를 제어하는 인버터제어신호를 출력하며, 상기 브레이크와 상기 인버터에 각각의 전원을 동시에 공급하도록 하는 전원제어신호를 상기 전원공급부로 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치에 의해 달성될 수 있다. 상기 전원공급부는 상기 브레이크에 전원을 공급하는 브레이크전원부와, 상기 인버터에 전원을 공급하는 인버터전원부를 갖고, 상기 브레이크전원부와 상기 인버터전원부는 상기 동기신호에 트리거되어 전원을 공급하는 것으로 할 수도 있다.

여기서, 상기 제어부에서 상기 전원공급부에 출력하는 전원제어신호는 상기 브레이크전원부와 상기 인버터전원부를 트리거하는 상기 동기신호로 하는 것이 바 람직하다.

도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3상모터 제어장치의 블록도이다.

도3에 도시한 바와 같이, 3상모터 제어장치는 3상모터(1), 브레이크(10), 인버터(20), 전원공급부(30) 및 제어부(40)를 갖는다.

3상모터(1)는 브레이크(10) 및 인버터(20)에 의해 각각 제동 및 구동된다.

전원공급부(30)는 동기신호에 트리거 되어 동시에 인버터(20) 및 브레이크(10)에 전원을 공급한다. 제어부(40)는 인버터(20)에 3상모터(1)를 구동하는데 필요한 인버터제어신호를 출력하며, 전원공급부(30)가 인버터(20) 및 브레이크(10)에 전원을 공급하도록 하는 전원제어신호를 전원공급부(30)에 출력한다.

브레이크(10)에 전원이 공급되지 않는 동안에는 브레이크(10)는 3상모터(1)를 제동하고, 전원공급부(30)로부터 브레이크(10)에 전원이 공급되면 3상모터(1)는 브레이크(10)가 풀리게 된다.

제어부(40)가 전원공급부(30)에 인버터(20) 및 브레이크(10)에 전원을 공급하도록 하는 전원제어신호를 출력하면, 전원공급부(30)는 동기신호(50)에 따라 트리거 되어 인버터(20) 및 브레이크(10)에 동시에 전원을 공급하게 되고, 브레이크(10)가 풀림과 동시에 인버터(20)는 전원을 공급받고 3상모터(1)를 구동하게 된다.

도4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3상모터 제어장치의 블록도이다.

도4에 도시된 3상모터 제어장치는 도3에 도시된 제어장치와 비교할 때, 전원공급부(30)가 인버터 전원부(31)와 브레이크 전원부(32)로 구별되고 있다.

도3의 전원공급부(30)는 하나의 전원공급장치를 구동하여 인버터(20) 및 브레이크(10)에 전원을 공급하나, 도4에 도시된 제2 실시예에서는 인버터(20) 및 브레이크(10)를 별개의 전원으로 각각 구동하고 다만, 동일한 동기신호(50)를 인가하여 같은 시점에서 전원이 공급되도록 구성되어 있다.

제어부(40)는 인버터 전원부(31)와 브레이크 전원부(32)에 각각 인버터 제어신호와 전원 제어신호를 인가한다.

도5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 3상모터 제어장치의 회로도이다.

도5에 도시한 바와 같이, 3상모터 제어장치는 3상모터(1), 브레이크(10), 인버터(20), 전원공급부(30) 및 제어부(40)를 갖는다.

3상모터(1)는 U,V.W의 3개의 상을 갖고 브레이크(10)와 일체로 형성되어 있으며, 브레이크(10)는 브레이크 코일(11)에 전류가 도통할 때에 풀린다.

인버터(20)는 6개의 스위치용 트랜지스터(Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6)와 트랜지스터 구동회로(21)를 갖는다.

트랜지스터는 3상모터(1)의 각 위상단자와 직류전원의 양의 단자(P) 사이에 연결되는 3개의 제1스위치(Q1,Q2,Q3)와, 상기 3상모터(1)의 각 위상단자와 직류전원의 음의 단자(N) 사이에 연결되는 제2스위치(Q4,Q5,Q6)로 구별될 수 있다. 또 각각의 트랜지스터는 프리휠링 다이오드(Df1)와 병렬로 연결되어 있다.

트랜지스터 구동회로(21)는 게이트 드라이브 IC(22)로 구성되어 있으며, 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되어 트랜지스터의 스위칭을 제어한다. 게이트 드라이브 IC(22)는 소정의 입력전원을 공급받고 입력되는 제어신호에 따라 트랜지스터 의 게이트 단자를 바이어스 한다.

전원공급부(30)는 SMPS 제어 IC(33), 변압기(34), 다이오드(D1) 및 콘덴서(C1)를 갖는다.

SMPS 제어 IC(33)의 전압출력단자는 변압기(34)의 제1차 유도코일(35)에 소정의 전압을 출력하고, 제1차 유도코일(35)에 비하여 권선비가 낮은 제2차 유도코일(36)에 제1차 유도코일(35)에 인가된 전압보다 낮은 전압이 유도된다. 변압기(34)의 제2차 유도코일(36)에 유도된 전압은 콘덴서(C1)에 충전되어 게이트 드라이브 IC(22)에 입력전원으로 제공되고, 동시에 브레이크(10)에 브레이크 전원(Vb)을 공급한다.

제어부(40)는 마이컴(41)으로 구성되어 있으며, 마이컴(41)에서는 전원공급부(30)로부터 인버터(20) 및 브레이크(10)에 전원공급을 하도록 하는 이네이블 신호(Br)를 출력한다. 또한 마이컴(41)은 인버터(20)에 제어신호를 출력하여 서보모터(1)를 구동한다.

따라서 제어부(40)가 전원공급부(30)에 전원공급이 가능하도록 하는 이네이블 신호(Br)를 출력하면 브레이크 전원(Vb) 및 인버터 전원(Vd)이 출력된다. 브레이크 전원(Vb)이 공급되면 브레이크(10)는 풀림상태가 되고, 동시에 인버터(20)에 공급되는 전원은 서보모터(1)에 제어신호가 출력되도록 하여 서보모터(1)를 구동할 수 있다.

전원공급부(30)에 출력되는 이네이블 신호(Br)는 브레이크 차단 신호인 동시에 구동신호의 역할을 할 뿐만 아니라 전원공급부(30)에서 브레이크 및 인버터에 제공되는 전원공급의 동기신호로서의 역할을 한다.

도6은 본 발명의 실시예에 따른 3상모터(1) 제어회로의 타이밍도이다.

도6(a)은 제어부(40)에서 전원공급부(30)에 제공되는 이네이블 신호(Br)인 동시에 브레이크 온/오프 신호(Br)의 파형도이다. 브레이크 오프신호가 전원공급부(30)에 출력되면 브레이크 전원(Vb)과 인버터 전원(Vd)이 공급된다. 도6(b)와 도6(c)의 파형은 브레이크 오프신호에 따라 서서히 증가하는 브레이크 전원(Vb)과 인버터 전원(Vd)을 보여준다. 도6(d)를 참조하면, 브레이크 전원(Vb)이 소정의 기준값(VB_TH)에 도달하면 인버터의 제어신호가 3상모터(1)의 각 위상단자에 출력되는데, 인버터(20)의 각 소자 및 IC의 팬아웃 시간에 따라 약간의 시간지연을 갖게 된다.

도6(a)에서 브레이크 온 신호가 전원공급부(30)에 출력되면 브레이크 전원(Vb)은 0V로 된다. 이 경우 도6(b)에 도시된 바와 같이, 브레이크 코일(11)에 흐르던 전류가 프리휠링 다이오드(Db)를 통해서 프리휠링하여 소호되므로 브레이크 전원(Vb)은 서서히 감소한다. 또한 인버터(20)에 공급되는 인버터 전원(Vd)은 콘덴서(C1)에 의해서 서서히 감소하는 것을 도6(c)를 통해 볼 수 있다. 그러나 도6(d)에서 볼 수 있듯이, 브레이크 온 신호가 발생하면 인버터의 출력신호는 인버터 전원(Vd)이 소정의 기준전압 이하로 감소하면 출력되지 않게 된다.

본 발명에 의해 제어신호에 대하여 3상모터의 응답속도를 빠르게 할 수 있으며, 릴레이 및 별도의 브레이크 전원공급장치를 사용하지 않음으로써 제품의 원가 절감 및 제품의 크기를 줄일 수 있고, 전력손실을 줄여 시스템 효율 또한 높일 수 있다.

Claims

3상모터의 각 위상단자에 연결된 인버터와 상기 3상모터를 제동하는 브레이크를 갖는 3상모터 제어장치에 있어서,

소정의 동기신호에 기초하여 상기 브레이크의 구동전원과 상기 인버터의 전원을 각각 동시에 공급하는 전원공급부와,

상기 인버터를 제어하는 인버터제어신호를 출력하며, 상기 브레이크와 상기 인버터에 각각의 전원을 동시에 공급하도록 하는 전원제어신호를 상기 전원공급부로 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 전원공급부는 상기 브레이크에 전원을 공급하는 브레이크전원부와, 상기 인버터에 전원을 공급하는 인버터전원부를 갖고,

상기 브레이크전원부와 상기 인버터전원부는 상기 동기신호에 트리거되어 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치.
제2항에 있어서,

상기 제어부에서 상기 전원공급부에 출력하는 전원제어신호는 상기 브레이크전원부와 상기 인버터전원부를 트리거하는 상기 동기신호인 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치.