KR100705873B1 - 교류 모터 구동 장치 - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

교류 모터를 구동하는 장치에 관한 기술이다.

나. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

하이브리드 브리지 형식의 스위치 연결을 통해 구동되는 교류 모터에서 전원의 효율을 높이며, 소자의 수명을 늘일 수 있고, 오동작을 방지할 수 있는 교류 모터 구동 장치를 제공한다.

다. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 하이브리드 브리지의 스위치 형식으로 연결되며 역 위상을 가지는 두 펄스폭 신호를 이용하여 교류 모터를 구동하기 위한 교류 모터 구동장치로서, 전원단과 접지 사이에 하이브리드 브리지 형식으로 연결된 4개의 스위치들과, 상기 스위치들의 접점과 전원이 인가되지 않는 노드들 사이에 연결된 교류 모터와, 상기 교류 모터의 양단에 고주파 신호를 제거하기 위한 저역 필터들과, 상기 두 펄스폭 신호를 펄스폭 출력 회로와 격리하기 위한 각각의 광결합기들과, 상기 광 결합기들의 출력을 수신하여 상기 하이브리드 브리지 스위치들의 온/오프를 제어하는 각 구동기들로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한 상기 각 구동기들은 ;

입력된 펄스폭 신호를 스위치 구동신호로 변환하여 출력하며, 상호간 역 위상을 가지는 정 출력과 부 출력 신호를 출력하여 하나의 구동기가 2개의 스위치를 제어하도록 구성할 수 있으며, 상기 구동기들에 입력 전압보다 작은 정전압을 인가하여 스위치를 제어하도록 하기 위한 정 전압부를 더 구비할 수 있다.

또한 초기 구동 시에 광 결합기의 안정화를 위한 셧 다운 신호를 발생하여 상기 광 결합기를 초기화하는 셧 다운 회로와, 상기 입력되는 전압에 고주파 성분을 제거하기 위한 커먼 모드 필터를 더 구비할 수 있다.

라. 발명의 중요한 용도

하이브리드 브리지 형식의 스위치들로 연결되는 교류 모터의 구동에 사용한다.

하이브리드 브리지, 교류 모터, 모터 구동.

Description

교류 모터 구동 장치{AC MOTOR DRIVING APPARATUS}

도 1은 종래기술에 따라 펄스폭 변조 방식을 사용하여 하이브리드-브리지 형식의 스위치로 구동되는 교류 모터 구동 회로의 상세 회로도,

도 2는 본 발명이 적용되는 하이브리드 브리지 형식의 스위치를 사용하는 교류 모터 구동 회로의 블록 구성도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하이브리드 브리지 형식의 스위치를 사용하는 교류 모터 구동 회로의 상세 회로도.

도 4는 도 3의 구성에 따른 회로 구성 시에 모터 양단에 인가되는 전압의 파형도를 도시한 도면.

본 발명은 교류 모터를 구동하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 교류 모터를 스위칭 하는 펄스 신호를 이용하여 구동하기 위한 장치에 관한 것이다.

통상적으로 모터는 직류 모터와 교류 모터로 구분된다. 직류 모터는 정밀 제 어에 사용되며, 교류 모터는 정밀 제어가 아닌 다양한 곳에 사용된다. 교류 모터를 제어하는 방법의 하나로 펄스폭 변조(PWM : Pulse Width Modulation) 방식이 사용된다. 상기한 펄스폭 변조 방식을 사용하는 경우에 하이브리드-브리지 형식의 스위치를 사용하여 회로를 제어하는 경우에 일반적으로 도 1과 같은 구성을 가진다.

도 1든 펄스폭 변조 방식을 사용하여 하이브리드-브리지 형식의 스위치를 사용하여 교류 모터를 구동하는 회로의 구성을 도시한 상세 회로도이다. 이하 도 1을 참조하여 펄스폭 변조 방식에 따른 회로의 구성 및 동작을 설명한다.

직류 전원(+24V DC, 24V RTN)단은 입력 캐패시터들(C1, C2)을 통해 저항(R1) 및 다른 저항(R2)의 한 측에 연결된다. 상기 저항(R1)과 직류 전원단의 접점에는 제1트랜지스터(Q1) 및 제2트랜지스터(Q2)의 소오스단에 연결된다. 상기 제1트랜지스터(Q1)의 게이트 단은 상기 저항(R1)의 다른 한 측에 연결되고, 드레인단은 교류 모터(MO)의 A측에 연결된다. 또한 상기 제2트랜지스터(Q2)의 게이트단은 상기 저항(R2)의 다른 한 측에 연결되고, 드레인단은 교류 모터(MO)의 B측에 연결된다. 상기 제3트랜지스터(Q3)의 드레인단은 상기 교류모터(MO)의 A단에 연결되고, 게이트단은 상기 저항(R1)과 제1광트랜지스터(LQ1)의 콜렉터단 사이에 연결되며, 소오스단은 접지된다. 또한 제4트랜지스터(Q4)의 드레인단은 교류모터(MO)의 B측에 연결되며, 게이트단은 제2광트랜지스터(LQ2)의 콜렉터단에 연결되고, 소오스단은 접지된다.

상기 광트랜지스터들(LQ1, LQ2)의 에미터단은 접지된다. 또한 제1펄스폭 신호(PWM1)는 저항(R3)을 통해 제1광다이오드(LD1)의 에노드에 연결되며, 캐소드는 접지된다. 상기 제1광다이오드가 턴온되면 상기 제1광트랜지스터(LQ1)의 베이스단에 광신호를 인가된다. 또한 제2펄스폭 신호(PWM2)는 저항(R4)을 통해 제2광다이오드(LD2)의 에노드에 연결되며, 케소드는 접지된다. 상기 제2광다이오드(LD2)는 턴온되면 상기 제2광트랜지스터(LQ2)의 베이스단에 광신호를 인가한다.

그러면 상기한 구성에 따른 동작을 설명한다. 상기 제1펄스폭 신호(PWM1)와 제2펄스폭 신호(PWM2)는 상호 180°의 위상차를 가진다. 따라서 제1펄스폭 신호가 하이인 경우 상기 제1광트랜지스터(LQ1)가 턴온되고, 제2광트랜지스터(LQ2)는 턴오프 상태가 된다. 이때 만일 신호가 반전되면, 상기 광트랜지스터들은 온/오프 상태가 바뀌게 된다. 이에 따라 상기 제1펄스폭 신호가 하이 신호인 경우 교류 모터(MO)를 구동하기 위한 스위치들(Q1, Q2, Q3, Q4)들은 각각 하기 <표 1>과 같은 온/오프 상태를 유지한다.

PWM1	HIGH	LOW
Q1	ON	OFF
Q2	OFF	ON
Q3	OFF	ON
Q4	ON	OFF

상기 <표 1>과 같은 상태로 스위치가 동작하므로 제1펄스폭 신호(PWM1)가 하이 상태로 인가되는 경우 상기 교류 모터(MO)는 A 방향에서 B의 방향으로 전류가 흐른다. 그리고 반대로 상기 제1펄스폭 신호(PWM1)가 로우 상태로 인가되는 경우 상기 교류 코너(MO)는 B방향에서 A방향으로 전류가 흐른다. 따라서 상기 교류 모터는 양방향으로 스위칭 되는 신호에 따라 구동된다. 이때 유입되는 전류는 직류 전원단으로부터 유입된다. 따라서 사용되는 전류는 반드시 직류일 필요는 없으며, 접지(GND)를 기준으로 스위칭하여 인가되는 정현파라도 무관하다.

그런데 상기한 도 1의 회로 구성에서 펄스폭 신호가 20[㎱] 이하의 빠른 스위칭을 갖는 경우 하기와 같은 문제점이 발생할 수 있다. 첫째로, 상기 FET가 빠른 스위칭으로 인해 P채널의 FET와 N채널의 FET가 순간적으로 통시에 온되는 현상이 발생할 수 있다. 이는 교류 모터(MO)에서는 스위치들의 온/오프 동작 시에 순간적으로 전력을 충분히 공급할 수 없게 된다. 따라서 전력의 낭비를 유발시키는 문제가 있었다. 또한 두 FET 소자가 동시에 턴-온 상태가 되므로 순간적으로 회로의 단락 현상이 발생한다. 이와 같이 단락 현상이 발생하면 FET를 통해 과전류가 흐르게 된다. 이는 FET 소자의 수명을 단축시키며, 과열로 인한 오동작을 유발할 수 있는 문제가 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 교류 모터를 하이브리드 브리지 형식의 스위치로 제어할 경우 전력 효율을 높일 수 있는 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 교류 모터를 하이브리드 브리지 형식의 스위치로 제어할 경우 소자들의 수명을 연장시키며, 오동작을 줄일 수 있는 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 하이브리드 브리지 형식의 스위치로 제어되는 교류 모터에 스위칭 시에도 정상적인 전력을 최대한 공급할 수 있는 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 브리지의 스위치 형식 으로 연결되며 역 위상을 가지는 두 펄스폭 신호를 이용하여 교류 모터를 구동하기 위한 교류 모터 구동장치로서, 전원단과 접지 사이에 하이브리드 브리지 형식으로 연결된 4개의 스위치들과, 상기 스위치들의 접점과 전원이 인가되지 않는 노드들 사이에 연결된 교류 모터와, 상기 교류 모터의 양단에 고주파 신호를 제거하기 위한 저역 필터들과, 상기 두 펄스폭 신호를 펄스폭 출력 회로와 격리하기 위한 각각의 광결합기들과, 상기 광 결합기들의 출력을 수신하여 상기 하이브리드 브리지 스위치들의 온/오프를 제어하는 각 구동기들로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한 상기 각 구동기들은 ;

입력된 펄스폭 신호를 스위치 구동신호로 변환하여 출력하며, 상호간 역 위상을 가지는 정 출력과 부 출력 신호를 출력하여 하나의 구동기가 2개의 스위치를 제어하도록 구성할 수 있으며, 상기 구동기들에 입력 전압보다 작은 정전압을 인가하여 스위치를 제어하도록 하기 위한 정 전압부를 더 구비할 수 있다.

또한 초기 구동 시에 광 결합기의 안정화를 위한 셧 다운 신호를 발생하여 상기 광 결합기를 초기화하는 셧 다운 회로와, 상기 입력되는 전압에 고주파 성분을 제거하기 위한 커먼 모드 필터를 더 구비할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 또한 동일한 부분은 비록 다른 도면에 도시되더라도 동일한 참조부호를 사용한다.

도 2는 본 발명이 적용되는 하이브리드 브리지 형식의 스위치를 사용하는 교 류 모터 구동 회로의 블록 구성도이다. 이하 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 형식의 스위치를 사용하는 교류 모터 제어 회로의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

직류 전원단(+24V DC, 24V RTN)은 필터(10)를 통해 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)의 한 측에 연결된다. 그리고 상기 제1스위치(S1)의 다른 한 측은 제3스위치(S3)의 한 측에 연결되며, 상기 제2스위치(S2)의 다른 한 측은 제4스위치(S4)의 다른 한 측에 연결된다. 상기 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)의 나머지 한 측은 서로 연결되어 접지된다. 상기 제1스위치(S1)와 제3스위치(S3)의 접점은 제1LC필터(12)를 통해 교류 모터(MO)의 A측에 연결되며, 상기 제2스위치(S2)와 제4스위치(S4)의 접점은 제2LC필터(14)를 통해 교류 모터(MO)의 B측에 연결된다. 상기 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)는 제1구동기(16)로부터 출력되는 신호에 의해 스위칭이 제어되며, 상기 제1구동기(16)로부터 각 스위치들(S1, S2)로 출력되는 각 출력은 서로 180°의 위상차를 가진다. 또한 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)는 제2구동기(18)로부터 출력되는 신호에 의해 스위칭이 제어되며, 상기 제2구동기(18)로부터 각 스위치들(S3, S4)로 출력되는 각 출력은 180°의 위상차를 가진다.

또한 상기 제1구동기(16)로 입력되는 스위칭 신호는 제1펄스폭 신호(PWM1)의 출력을 제1광결합기(24)를 통해 출력한 신호가 된다. 또한 상기 제2구동기(18)로 입력되는 스위칭 신호는 제2펄스폭 신호(PWM2)의 출력을 제2광결합기(26)를 통해 출력한 신호가 된다. 한편 상기 셧다운 신호는 셧다운 광결합기(22)의 입력단에 연결된다. 상기 셧다운 광결합기(22)의 출력 신호는 제1광결합기(24)에 연결된다. 또한 상기 셧다운 광결합기(22)의 다른 신호는 정 전압부(20)에 인가되어 일정 전압의 신호를 출력하도록 한다. 상기 정 전압부(20)의 출력 신호는 제1구동기(16)의 입력단과 연결된다.

그러면 상기한 구성에 따른 동작을 설명한다. 상기 셧다운 광결합기(22)로 셧다운 신호가 수신되면 셧다운 광결합기(22)는 셧다운 신호를 발생하여 제1광결합기(24)를 리셋시킨다. 이러한 셧다운 신호는 초기 전원 입력 조건이 불안정하거나 구동 중에 펄스폭 제어를 수행하지 않고자 할 때 사용된다. 이는 입력 신호를 셧다운으로 사용하는 경우와, 초기 구동 시에 저항과 캐패시터의 값을 이용하여 인에이블과 디스에이블 상태를 제어할 경우에 사용된다. 이에 대하여는 후술되는 타이밍도를 참조하여 더 상세히 설명하기로 한다.

펄스폭 신호들(PWM1, PWM2)은 위상 반전된 신호이며, 상기 각 펄스폭 신호들(PWM1, PWM2)의 신호들은 상기 제1광결합기(24)와 제2광결합기(26)로 입력된다. 상기 광결합기들(24, 26)은 입력된 신호를 전원과 광신호를 통해 격리하여 출력한다. 상기 제1광결합기(24)의 출력은 제1구동기(16)로 입력되며, 제2광 결합기(26)의 출력은 제2구동기(18)로 입력된다. 상기 제1구동기와 제2구동기는 각기 위상 반전된 신호를 수신하므로 정 출력단들은 서로 위상 반전된 신호를 출력한다. 또한 부 출력단들의 신호도 위상 반전된 신호를 출력한다. 그러므로 상기 스위치들(S1, S2, S3, S4)은 종래기술에서 설명한 바와 같이 동작하게 된다. 이를 표로 도시하면 하기 <표 2>와 같이 도시할 수 있다.

제1구동기 정 출력	HIGH	LOW
S1	ON	OFF
S2	OFF	ON
S3	OFF	ON
S4	ON	OFF

상기 <표 1>에 도시한 바와 같이 교류 모터(MO)는 제1스위치(S1)가 온되는 경우 A에서 B의 방향으로 전류가 흐르며, 제2스위치(S2)가 온되는 경우 B의 방향에서 A의 방향으로 전류가 흐른다. 이때 상기 제1LC필터(12)와 제2LC필터(14)는 상기 구동기들이 50[㎑] 이상의 고주파의 신호를 사용하므로 이를 제거하기 위한 저역 필터로 상기한 고주파 신호를 제거하여 상기 교류 모터(MO)로 입력한다. 또한 구동 전압인 전원은 필터(10)를 통해 입력되며, 상기 필터는 커먼 모드 필터(Common Mode Filter)로 펄스폭 스위칭 신호의 잡음(Noise)을 제거하여 전원을 입력한다. 상기 정 전압부(20)는 전압의 차가 일정한 정전압을 생성하여 제1구동기로 출력하며, 상기 정전압은 5[V]의 전압이 되도록 한다. 따라서 구동기는 각 스위치들(S1, S2, S3, S4)을 FET로 구성할 경우 5[V]의 범위 내에서 동작하도록 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하이브리드 브리지 형식의 스위치를 사용하는 교류 모터 구동 회로의 상세 회로도이다. 이하 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 브리지 형식의 스위치 형식을 사용하는 교류 모터 구동회로의 동작을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 회로도는 도 3에 도시한 바와 같다. 즉 필터(10)는 캐패시터들과 트랜스포머를 사용하여 커먼 모드의 필터로 구성하며, 펄스폭 스위칭 잡음을 제거하여 전원을 출력한다. 이와 같이 출력된 전원은 P채널을 가지는 MOSFET로 구성되는 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2)의 소오스 단으로 인가된다. 또한 상기 LC 필터들(12, 14)은 코일과 캐패시터들로 구성하여 50[㎑] 이상의 신호들을 제거한다. 그리고 상기 제1구동기(16)의 정 출력단은 제2스위치(S2)의 게이트단에 연결되며, 부 출력단은 제1스위치(S1)의 게이트단에 연결된다. 또한 제2구동기(18)의 정출력단은 제4스위치(S4)의 게이트단에 연결되며, 부 출력단은 제3스위치(S3)의 게이트단에 연결된다.

제1광결합기(24)는 입력 전원이 5[V]의 전원이 사용된다. 그리고, 입력되는 +24[V]의 전원이 회로 출력단에 인가되므로 접지(GND)는 19[V]의 전위를 가진다. 이와 같이 출력된 전압은 제너 다이오드(D1)에서 5[V]의 전위를 가지는 정전압으로 구성되어 제1구동기의 V+ 입력단과 V-의 입력단 사이에 인가된다. 따라서 제1구동기(16)는 5[V]의 전압에 의해 구동된다. 따라서 상기 제1스위치(S1)로 인가되는 전압은 하이(High) 신호로 5[V]의 전위가 인가되거나 또는 로우(Low) 신호로 0[V]의 전위가 인가되어 상기 제1스위치(S1)의 스위칭 동작을 제어한다. 제2광결합기(26)와 제2구동기(18)의 동작 또한 상기 제1광결합기(24)와 제1구동기(16)의 동작과 동일하다.

상기한 바와 같이 동작하는 모터의 양단에 인가되는 전압을 측정하면 도 4와 같이 정현파의 출력으로 구동됨을 알 수 있다. 즉, 상기 각 구동기들은 순간적인 동작을 일치시킴으로서 스위치를 구성하는 각 MOSFET들의 순간적인 쇼트 현상을 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이 교류 모터를 하이브리드 브리지 형식의 스위치들로 구동하는 경우 각 스위치들에 각각의 구동기들을 구비하여 전력의 효율을 높일 수 있는 이점이 있다. 또한 순간적인 단락 현상을 줄일 수 있어 소자의 수명을 연장할 수 있으며, 모터에 정상적인 구동전압을 인가할 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 하이브리드 브리지의 스위치 형식으로 연결되며 역 위상을 가지는 두 펄스폭 신호를 이용하여 교류 모터를 구동하기 위한 교류 모터 구동장치에 있어서,

   전원단과 접지 사이에 하이브리드 브리지 형식으로 연결된 4개의 스위치들과,

   상기 스위치들의 접점과 전원이 인가되지 않는 노드들 사이에 연결된 교류 모터와,

   상기 교류 모터의 양단에 고주파 신호를 제거하기 위한 저역 필터들과,

   상기 두 펄스폭 신호를 펄스폭 출력 회로와 격리하기 위한 각각의 광결합기들과,

   상기 광 결합기들의 출력을 수신하여 상기 하이브리드 브리지 스위치들의 온/오프를 제어하는 각 구동기들로 이루어짐을 특징으로 하는 교류 모터 구동 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 구동기들은,

   입력된 펄스폭 신호를 스위치 구동신호로 변환하여 출력하며, 상호간 역 위상을 가지는 정 출력과 부 출력 신호를 출력하여 하나의 구동기가 2개의 스위치를 제어하도록 구성됨을 특징으로 하는 교류 모터 구동 장치.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 구동기들 중 하나의 구동기에 입력 전압보다 작은 정전압을 인가하여 스위치를 제어하도록 하기 위한 정 전압부를 더 구비함을 특징으로 하는 교류 모터 구동 장치.
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5. 삭제

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