KR100834225B1 - 모터 및 그 구동 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

번갈아 다른 극으로 여자되는 복수의 코일 열에, 복수의 영구 자극 요소를 번갈아 다른 극으로 배열시킨 영구 자극 열을 대면시킨 자극 수단을 구비하고, 상기 영구 자극 열을 운동시키도록 구성하여 이루어지는 모터로서, 상기 코일 열에 여자 신호를 공급하는 구동 회로 수단과, 상기 영구 자극 열의 위치를 검출하기 위한 센서를 구비하고, 이 센서의 출력을 상기 구동 회로 수단에 직접 구동 파형으로서 귀환시키고, 이 구동 회로는 상기 귀환 신호에 기초하여 상기 여자 신호를 형성하도록 구성되어 이루어진다.

Description

모터 및 그 구동 제어 시스템{MOTOR AND DRIVE CONTROL SYSTEM THEREOF}

본 발명은, 자극을 발생하는 코일을 선 형상으로 정렬하고, 코일에 흘리는 전류를 순차적으로 전환함으로써, 영구 자석이나 강자성체로 이루어지는 회전자를 회전시키거나, 혹은 슬라이더를 이동시키는 각종 모터에 관한 것이고, 또한, 이 모터에 이용되는 자기 구조체에 관한 것이며, 아울러, 이 모터를 구동원으로서 이용하는 구동체에 관한 것이다. 본 발명은, 이러한 구동체로서의 전기 자동차, 전동 카트, 전동 휠체어 등이나, 기타 전동 완구, 전동 비행기, 소형 전동기, MEMS에 이용할 수 있다.

교류 등의 주파수 신호에 의해 구동되는 AC 모터에는, 크게 나누면 동기(synchronous) 모터와 유도(induction) 모터의 두 종류가 있다. 동기 모터는 회전자에 영구 자석이나 철 등의 강자성체의 적층 코어를 사용하여, 전원 주파수에 의해 결정되는 회전 자계의 속도와 같은 회전 속도로 회전하는 모터이다.

회전자의 차이에 따라 영구 자석을 사용한 마그네트형과 코일이 감겨있는 코일형, 철 등의 강자성체를 사용한 리액턴스형이 있다. 이 중 마그네트형은, 회전 자의 영구 자석이 고정자의 회전 자계로 끌어 당겨져 회전한다. 한편, 유도 모터는, 도선이 카고와 같은 형태의 회전자에, 전자 유도 작용에 의해 별도의 자계를 발생시킴으로써 회전하는 모터이다.

이러한 모터 중에는, 회전하지 않고 직선 형상으로 움직이거나, 평면을 자유롭게 움직일 수 있는 모터도 존재한다. 이러한 종류의 모터는, 광범위하게 선형 모터라고 불리고, 자극을 발생시키는 코일을 직선 형상으로 정렬하고, 흐르는 전류를 순차 전환함으로써, 그 위에 탑재된 영구 자석이나 강자성체를 이동시키고 있다. 직선 형상으로 배치된 코일 열은 고정자이고, 회전자는 평평하게 되어 그 위를 활동하므로 슬라이더에 상당한다.

상기 마그네트형의 동기형 모터로서, 예컨대, 일본 공개 특허 공보 평성8-51745호(특허 문헌 1)에 기재된 소형 동기 모터가 존재한다. 이 소형 동기모터는, 특허 문헌 1의 도 1에 나타내는 바와 같이, 여자 코일(7)을 감은 고정자 코어(6)와, 내부에 마그네트(1)를 내장하여 주위 면에 NS극이 같은 간격으로 배열된 회전자 코어(2)를 갖는 회전자(3)를 구비한 구성을 가지고 있다.

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그러나 종래의 기술에서 설명한 모터는, 발생 토크에 비하여 중량이 커져, 발생 토크를 크게 하고자 하면 대형화해 버린다고 하는 문제가 있었다. 그래서, 본 발명은 토크와 중량 밸런스에 우수하며, 소형화에 적합한 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 번갈아 다른 극으로 착자(着磁)된 복수의 영구 자석을 연속하여 배치한 이동체에 대하여, 복수의 전자 코일을 고정자로 하여 상기 이동체에 비접촉으로 배치하고, 이 전자 코일에 여자 전류를 직접 구동 파형으로서 공급함으로써, 당해 이동체를 이동 운동시키도록 한, 상기 이동체와 상기 전자 코일을 구비한 모터의 구동 시스템으로서, 상기 영구 자석의 이동에 의한 주기적인 자계 변화를 검출하는 센서를 마련하고, 이 센서의 출력을 상기 전자 코일로의 여자 전류로서 직접 공급하는 모터의 구동 시스템인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 바람직한 형태에 있어서는, 상기 이동체는 다른 두 개의 영구 자석의 다른 극 배열을 쌍으로 하는 구성을 복수 구성시키고, 쌍의 구성으로 되는 상기 다른 극의 배열 사이의 위치를 2π로 했을 때에, 상기 센서는 상기 2π 사이의 임의 위치를 선형으로 검출할 수 있고, 또한 이 센서는 상기 전자 코일 상(相)에 대응하여 마련되어 이루어진다.

영구 자석의 다른 극 배열을 쌍으로 하는 구성을 복수 구비한 이동체를 마련하고, 쌍의 구성으로 되는 상기 다른 극 사이의 위치를 2π로 하고, 상기 이동체를 비접촉의 전자 코일에 의해 이동 운동시키는 장치에 있어서, 상기 2π 사이의 임의위치를 선형으로 검출할 수 있는 센서를, 전자 코일 상에 대응하여 마련했다. 상기 전자 코일 상에 대응한 상기 센서로부터 얻어진 임의의 위치 신호의 레벨을, 상기 전자 코일로 귀환하였다.

또한, 본 발명은, 번갈아 다른 극으로 여자되는 복수의 전자 코일 열에, 번갈아 다른 극의 복수의 영구 자극 요소를 배열시킨 영구 자극 열을 대면시킨 자극 수단을 구비하고, 상기 영구 자극 열을 운동시키도록 구성하여 이루어지는 모터로서, 상기 영구 자극 열의 이동에 따른 주기적인 자성 변화를 검출하는 센서를 구비하고, 이 센서의 출력을 상기 전자 코일에 직접 귀환시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다. 또한, 더욱 자세한 본 발명의 실시예에 있어서는, 상기 코일 열을 A, B의 2상의 조(組)로 형성하고, A, B상 사이에 상기 영구 자극 열을 개재시키고, 또한, A, B상에서 상기 코일을 설치하는 위상을 시프트시켜 이루어지고, 또한 상기 A상 코일용 센서와, B상 코일용 센서를 마련하고, A상 코일용 센서와 B상 코일용 센서를 설치하는 위상을 시프트시켜 이루어진다. 상기 A상 코일 및 B상 코일에 각각 복수 패턴의 여자 신호를 공급하도록 구성되어 이루어진다. 상기 영구 자극 열이 어떤 위치에 정지하고 있더라도, 상기 A상 센서와 B상 센서의 출력으로부터 상기 복수 패턴의 여자 신호 중 적어도 하나를 상기 A상 코일 및 B상 코일을 여자 상태로 하도록 설정했다. 상기 센서가 아날로그 검출값을 출력하는 홀 소자 센서이다. 상기 센서 출력값에 모터의 구동 요구 토크에 근거하여 PWM 제어를 더하고, 이 제어 신호를 상기 여자 코일에 공급하여 이루어진다.

또한, 본 발명은, 상기 모터를 회생에 사용하는 모터의 회생 시의 구동 시스템에 있어서, 센서 신호에 근거하여 회생량을 제어하는 회생량 제어 수단을 마련하고, 이 제어 수단은 상기 센서 신호로부터 회생 허가 신호를 형성하는 수단과, 부하 상태에 근거하여 회생 허가 신호의 듀티를 제어하는 수단과, 이 듀티에 근거하여 모터의 회생량을 임의로 제어하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 관계되는 자성체 구조의 모식도와 동작 원리를 나타내는 도면,

도 2는 도 1에 계속되는 동작 원리를 나타내는 도면,

도 3은 전자 코일의 접속 상태를 나타내는 등가 회로도,

도 4는 모터의 사시도,

도 5는 코일 열에 여자 전류를 공급하는 구동 회로의 블록도,

도 6은 센서의 디지털 출력을 코일 구동 회로에 직접 귀환시키기 위한 제어 회로 블록도,

도 7은 그 제어 파형도,

도 8은 센서의 디지털 출력으로부터 PWM 제어 처리 동작을 나타내는 파형도,

도 9는 센서의 아날로그 출력을 코일 구동 회로에 직접 귀환시키기 위한 제어 회로 블록도,

도 10은 그 제어 파형도,

도 11은 센서의 아날로그 출력값에 대한 히스테리시스 레벨의 제어를 달성하기 위한 제어 회로 블록도,

도 12는 히스테리시스 레벨이 소(小)인 경우의 제어 파형도,

도 13은 히스테리시스 레벨이 대(大)인 경우의 제어 파형도,

도 14는 아날로그 출력 센서에 의한 PWM 제어 회로의 블록도,

도 15는 그 PWM 제어 동작을 나타내는 파형도,

도 16은 코일의 구동 회로의 다른 예를 나타내는 블록도,

도 17은 그 구동 파형도,

도 18은 본 발명을 스텝핑 모터에 적용한 경우의 블록도,

도 19는 스텝핑 모터에 있어서의 센서 직접 구동 방식의 파형도,

도 20은 히스테리시스 제조용 전자 VR를 구비한 창 비교기(window comparator)를 구비한 아날로그 방식 센서에 의한 디지털 회생/발전 제어의 블록도,

도 21은 히스테리시스 제조용 전자 VR이 소(小)인 경우에 회생 에너지가 최대로 되어있는 상태를 나타낸 경우의 파형도,

도 22는 히스테리시스 제조용 전자 VR이 최대의 경우에 회생 에너지가 최소로 된 상태를 나타낸 파형도,

도 23은 각 상 코일로부터의 수전(受電) 제어를 나타내는 기능 블록도,

도 24는 회생 전류의 에너지 변환부를 나타낸 블록도,

도 25는 각 상 코일과 영구 자석으로 이루어지는 회전자가 직경 방향으로 대면하고 있는 구조를 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 관한 모터의 동작 원리를 나타낸 것이다. 이 모터는 제 1 코일 조(A상 코일)(10) 및 제 2 코일 조(B상 코일)(12) 사이에 제 3 영구 자석(14)을 개재한 구성을 구비하고 있다. 이들 코일과 영구 자석은 고리 형상(원호 형상, 원 형상) 혹은 직선 형상 중 어느 하나로 구성되어도 좋다. 이들이 고리 형상으로 형성된 경우는, 영구 자석 또는 코일 상 중 어느 하나가 회전자로서 기능하고, 이들이 선형으로 형성된 경우에는, 어느 하나가 슬라이더로 된다.

제 1 코일 조(10)는 번갈아 다른 극으로 여자 가능한 코일(16)이, 소정 간격, 적합하게는, 균등 간격을 두고 순서대로 배열된 구성을 구비하고 있다. 이 제 1 코일 조의 등가 회로도를 도 5에 나타낸다. 도 1 및 도 2에 의하면, 후술하는 바와 같이, 2상의 여자 코일에는, 시동 회전 중 (2π)중 항상 전체 코일을 기술한 극성으로 번갈아 여자시키고 있다. 따라서, 회전자나 슬라이더 등의 피구동 수단을 고 토크로 회전·구동시킬 수 있게 된다.

도 3(1)에 나타내는 바와 같이, 번갈아 다른 극으로 여자되는, 복수의 전자 코일(16)(자성 단위)이 같은 간격으로 직렬 접속되어 있다. 참조 부호 18A는 이 자기 코일에 주파수 펄스 신호를 인가하는 구동 회로를 나타내는 블록이다. 이 구동 회로로부터 전자 코일(16)에 코일을 여자시키기 위한 여자 신호를 흘렸을 때, 인접하는 코일 사이에서 번갈아 자극의 방향이 변하도록, 각 코일이 여자되도록 미리 설정되어 있다. 도 3(2)에 나타내는 바와 같이, 전자 코일(16)이 병렬로 접속되어 있더라도 좋다. 이 코일의 구조는 A, B상 코일에 대하여 마찬가지이다.

이 여자 회로(18A)로부터 전자 코일(16)로 공급되는 여자 전류의 극성 방향을 소정의 주기로 번갈아 전환하기 위한 주파수를 가진 신호를 인가하면, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 회전자(14)와 면하는 쪽의 극성이 N극→S극→N극으로 번갈아 변화하는 자기 패턴이 A상 코일 조(10)로 형성된다. 주파수 신호가 역극성으로 되면, 제 1 자성체의 제 3 자성체 쪽의 극성이 S극→N극→S극으로 번갈아 변화하는 자기 패턴이 발생한다. 그 결과, A상 코일 조(10)에 나타나는 여자 패턴은 주기적으로 변화된다.

B상 코일 조의 구조는, A상 코일 조와 마찬가지이지만, B상 코일 조의 전자 코일(18)은 A상 코일 조(16)에 대하여 위치적으로 어긋나게 배열되어 있는 점이 다르다. 즉, A상 코일 조에서의 코일의 배열 피치와 B상 코일 조의 배열 피치가 소정의 피치차(각도차)를 갖도록 오프셋 배치되어 있다. 이 피치차는 영구 자석(14)이 코일(16, 18)에 대하여 여자 전류의 주파수의 1주기(2π)에 대응하여 움직이는 각도의 (1회전), 예컨대, π/(2/M):M은 영구 자석 (N+S)의 세트수로 M=3인, π/6가 바람직하다.

다음에 영구 자석에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 영구 자석으로 이루어지는 회전자(14)는, 2상의 코일 조 사이에 배치되어 있고, 번갈아 역의 극성을 가진 복수의 영구 자석(20)(검게 칠해진 부분)이 선 형상(원호 형상)으로, 소정 간격, 적합하게는 균등 간격을 두고 배열되어 있다. 원호 형상이란, 완전한 원, 타원 등 폐루프 외에, 불특정 고리 형상 구조나, 반원, 부채형도 포함한다.

A상 코일 조(10)와 B상 코일 조(12)는 등거리를 두고 배치되어 있고, A상 코일 조와 B상 코일 조의 중간에 제 3 자성체(14)가 배치되어 있다. 영구 자석(20)의 배열 피치는 거의 A상 코일(10) 및 B상 코일(12)에서의 자기 코일의 배열 피치와 동일하다.

다음에 제 1 자성체(10)와 제 2 자성체(12) 사이에 상술한 제 3 자성체(14)가 배치된 자기체 구조의 동작을, 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한다. 상술한 여자 회로(도 3의 참조 부호 18, 후술함)에 의해, 어느 순간에 A상 코일과 B상 코일의 전자 코일(16, 18)에는, 도 1(1)에 나타내는 바와 같은 여자 패턴이 발생하고 있는 것으로 한다.

이때, A상 코일(10)의 영구 자석(14) 쪽에 면하는 표면의 각 코일(16)에는, →S→N→S→N→S→의 패턴으로 자극이 발생하고, B상 코일(12)의 영구 자석(14) 쪽에 면하는 표면의 코일(18)에는, →N→S→N→S→N→의 패턴으로 자극이 발생한다. 영구 자석과 각 상 코일의 자기적인 관계가 도시되어 있고, 같은 극 사이에는 반발력이 발생하고, 다른 극 사이에서는 흡인력이 작용한다.

다음 순간, (2)에 나타내는 바와 같이, A상 코일에 구동 회로(18)를 통해 인가되는 펄스파의 극성이 반전되면, (1)의 A상 코일(10)의 코일(16)에 발생하는 자극과 영구 자석(20)의 자극 사이에 반발력이 발생하고, 한편, B상 코일(12)의 코일(18)에 발생하고 있는 자극과 영구 자석(20) 표면의 자극 사이에 인력이 발생하고 있기 때문에, 도 1(1) 내지 도 2(5)에 나타내는 바와 같이, 영구 자석(14)은 도면에서 보아 오른쪽 방향으로 순차 이동한다.

B상 코일(12)의 코일(18)에, A상 코일의 여자 전류와는 위상이 어긋난 펄스파가 인가되고 있고, 도 2의 (6) 내지 (8)에 나타내는 바와 같이, B상 코일(12)의 코일(18)의 자극과 영구 자석(20)의 표면의 자극이 반발하여 영구 자석(14)을 더욱 오른쪽 방향으로 이동시킨다. (1) 내지 (8)는 회전자(14)가 π에 대응하는 회전을 한 경우를 나타내고, (i) 이후는 마찬가지로 해서 남은 π→2π에 대응하는 회전을 행한다. 이와 같이 회전자는 A상 코일 열과 B상 코일 열에 위상이 어긋난 소정 주파수의 구동 전류(전압) 신호를 공급함으로써, 회전하게 된다.

또, A상 코일 열, B상 코일 열 및 영구 자석을 원호 형상으로 하면, 도 1에 나타내는 자기 구조는 회전 모터를 구성하는 것으로 되고, 이들을 직선 형상으로 형성하면, 이 자기 구조는 선형 모터를 구성하는 것으로 된다. 케이스, 회전자 등의 영구 자석과 전자 코일을 제외하는 부분은, 비자성체인 수지(카본계 포함), 세라믹계에 의해 경량화하고, 요크를 이용하지 않고 자기 회로를 개방 상태로 하는 것에 의해 철 손실을 발생시키지 않아 파워·웨이트비(power weight ratio)에 우수한 회전 구동체를 실현할 수 있다.

이 구조에 의하면, 영구 자석에는 A상 코일 및 B상 코일로부터 자력을 받아 움직일 수 있기 때문에, 영구 자석이 발생시키는 토크가 커져, 토크/중량 밸런스에 우수하고, 그에 따라 고 토크로 구동 가능한 소형 경량 모터를 제공하는 것이 가능해진다.

도 3(1)은 복수의 코일 열이 직렬로 형성된 경우의 A상 코일 및 B상 코일의 각 회로이며, (2)는 복수의 코일 열이 병렬로 형성된 경우의 A상 코일 및 B상 코일 의 각 회로이다.

도 4는 모터의 사시도이며, (1)는 당해 모터의 사시도, (2)는 회전자(제 3 자성체)의 개략 평면도, (3)는 그 측면도, (4)는 A상 전자 코일(제 1 자성체), (5)는 B상 전자 코일(제 2 자성체)을 나타내는 것이다. 부여된 부호는, 상술한 도면에 대응하는 구성 부분과 동일한 부분이다.

이 모터는, 고정자에 상당하는 한 쌍의 A상 자성체(10)와 B상 자성체(12)를 구비하고, 그리고 회전자를 구성하는 상술한 제 3 자성체(14)를 구비하고, A상 자성체와 B상 자성체 사이에 회전자(14)가 축(37)을 중심으로 회전이 자유롭도록 배치되어 있다. 회전자와 회전축은 일체로 회전하도록, 회전축(37)은 회전자의 중심에 있는 회전축용 개구 구멍에 가압 삽입되어 있다. 도 4(2), (4), (5)에 나타내는 바와 같이, 회전자에는 여섯 개의 영구 자석이 원주 방향으로 균등하게 마련되고, 또한 영구 자석의 극성은 번갈아 반대로 되도록 되어 있고, 고정자에는 여섯 개의 전자 코일이 원주 방향으로 균등하게 마련된다.

A상 센서(34A)와 B상 센서(34B)가 위상을 시프트시켜(π/6에 상당하는 거리) A상 자성체(제 1 자성체)의 케이스 내면 측벽에 마련된다. A상 센서(34A)와 B상 센서(34B)는, A상 코일(16)에 공급되는 주파수 신호와 B상 코일(18)에 공급되는 주파수 신호와 소정 위상차를 마련하기 위해 상술한 바와 같이 센서를 마련한 위상을 시프트시키고 있다.

센서로는, 영구 자석의 운동에 따른 자극의 변화로부터 영구 자석의 위치를 검출할 수 있어, 홀 효과를 이용한 홀 소자가 바람직하다. 이 센서를 이용하는 것 에 의해, 영구 자석의 S극으로부터 다음의 S극까지를 2π로 했을 때, 영구 자석이 어디에 있더라도 영구 자석의 위치가 홀 소자에 의해 검출할 수 있다. 홀 소자로는 펄스를 발생하는 방식의 것 외에, 자극 강도에 따른 아날로그 값을 출력하는 것이 있다.

도 5(1) 및 (2)는 A상 코일 열로 이루어지는 A상 자성체와 B상 코일 열로 이루어지는 B상 자성체 각각의 다른 구동 회로이다.

이 회로는, A상 전자 코일 또는 B상 전자 코일에 센서의 출력 파형을 여자 전류로서 인가하는 스위칭 트랜지스터 TR1~TR4를 포함하고 있다. 지금, 신호로서 A상 센서의 출력이 「H」일 때, TR1의 게이트에는 「L」이, TR2의 게이트에는 「L」이, TR3의 게이트에는 「H」가, TR4의 게이트에는 「H」가 인가된다. 그렇게 하면, TR1 및 TR4가 온 상태로 되어 IA1의 방향을 가진 센서로부터의 출력으로서의 여자 전류가 A상 코일에 인가된다. 한편, 신호로서 A상 센서의 출력이 「L」일 때, TR1의 게이트에는 「H」가, TR2의 게이트에는 「H」가, TR3의 게이트에는 「L」이, TR4의 게이트에는 「L」이 인가된다. 그렇게 하면, TR2 및 TR3이 온 상태로 되어 IA2의 방향을 가진 여자 전류가 A상 코일에 인가된다. 또한, TR1, TR3에 「H」, TR2, TR4에 「L」이 인가된 경우는 HiZ 상태로 되어 전자 코일에는 전류는 공급되지 않는다. (2)의 B상 코일로의 여자에 대해서도 마찬가지이다.

도 6은, 도 5에 나타내는, A상 구동 회로와 B상 구동 회로에 공급되는, 제어 신호의 처리 회로이다. A상 센서(35A)로부터의 디지털 출력이 EX-NOR 게이트(80)로 공급되고, B상 센서(35B)로부터의 디지털 출력이 EX-NOR 회로(82)에 공급된다. 참조 부호 92는, 센서로부터의 출력을 그대로 상술한 구동 회로에 공급할지, 센서 출력값의 듀티를 변화(PWM)할지를 선택하는 제어 신호의 형성 수단이며, 참조 부호 93은 영구 자석으로 이루어지는 회전자의 회전 방향을, 정회전시킬지 역회전시킬지를 정하기 위한 제어 신호의 형성 수단이다. A상 코일 및 B상 코일의 한쪽 패턴(극성)을 정회전과 역회전의 경우에 반대로 하면 좋다. 이들 각 수단은 마이크로 컴퓨터에 의해 실현된다. 참조 부호 88은 PWM 변환부이며, 센서 출력으로부터의 아날로그량을 PWM 제어에 의해 논리량으로 변환(전류 제어)하여 제어함으로써 모터의 토크를 제어하는 것이 가능하다. 참조 부호 90은 상기 참조 부호 88에서 형성된 신호인지, 센서로부터 얻어진 직접의 신호를 선택하여 A상 구동(84), B상 구동(86)에 공급할지를 전환하는 전환 회로부이다.

도 7은 각 상 센서의 출력 파형과, 각 상 코일의 구동 회로로 공급되는 여자 신호 패턴을 나타낸 것이다. A상 센서와 B상 센서는 서로 설치 위치 위상이 시프트되어 있는 것에 의해, 그 출력값에도 위상차가 나타난다. 상술한 8의 제어 회로는 A상 센서의 출력 (1)를 A상 코일의 드라이버(84)에 직접 구동 파형으로서 공급한다. A1상 구동 파형 (3)는 도 5의 A상 코일 열의 단자 A1→단자 A2의 전류 방향을 가진 제어 신호이며, A2상 구동 파형 (4)는 A2 단자→A1 단자의 전류 방향을 가진 제어 신호다. 도 5에 나타내는 바와 같이, A상 센서 출력으로부터 A1상 파형과 A2상 파형의 복수의 코일 여자 패턴이 형성되고, 이것이 여자 회로(코일 구동 회로)로 출력된다. B상 코일에 대해서도 마찬가지이다. 도 7은 센서 출력을 직접 구동 회로에 공급하고 있는 경우를 나타내고 있다.

지금, 가령 회전자의 영구 자석의 위치가 A상 센서 출력 및 B상 센서 출력이 모두 L레벨이더라도, A2상 구동 파형 및 B2상 구동 파형 각각의 레벨은 「H」이기 때문에, 이것이 구동 회로에 공급됨으로써 A상 코일 열 및 B상 코일 열 모두 여자되어, 영구 자석을 구비한 회전자를 회전시키려고 한다. 즉, 영구 자석이 어떤 위치에 정지하고 있더라도 센서 출력을 직접 드라이버 귀환함으로써 회전자의 회전을 개시시킬 수 있게 된다. 이와 같이, 센서 출력을 직접 구동 회로에 귀환시킬 수 있기 때문에, 제어 회로의 구성을 간략화하는 것이 가능해진다.

도 8은 코일 열을 PWM 구동시키는 것을 나타내는 제어 파형도이다. (1)~(6)는 도 7과 마찬가지이다. (7)는 A상 코일 열의 양단 전위에 인가시키는 사인파 출력을 나타낸 것이고, 듀티 지령값에 의해 이 사인파의 주파수가 변경된다. 이 사인파 출력과 A상 코일 양단의 디지털 출력 값((1)과 (3)의 합성)의 AND를 취하는 것에 의해 A상 코일의 출력값을 듀티 변환할 수 있다. B상 코일 열에 대해서도 마찬가지이다.

도 9는 아날로그 방식 센서에 의해 드라이버를 직접 구동시키는 제어 회로, 즉, 센서의 아날로그 출력값을 직접 여자 코일에 공급하는 것을 나타내는 블록 도이다. 참조 부호 100은 센서 출력의 증폭기이다. 회전자의 정회전 또는 역회전 회로(101)에 의해 센서 출력의 극성이 제어된다. 참조 부호 102 및 104는 자동 이득 제어이다. 도 10은 각 상 센서의 아날로그 출력값, 및 이 아날로그 출력값이 공급된 각 상 코일 열의 구동 전압 파형을 나타내는 것이다.

도 11은 아날로그 방식 센서에 의한 디지털 구동 회로를 나타내는 것이고, 참조 부호 130은 히스테리시스 레벨 설정 수단의 일례로서의, 창 비교기로부터 얻어진 반전 신호에 관계되는 회로 구성을 이용한 것이며(이하, 이것을 「창 비교기」라고 함)이며, A상 센서(35A) 출력과 B상 센서(35B) 출력이 입력되어 가변 저항 제어 회로(136)의 입력값과 비교되어 히스테리시스 레벨이 결정된다. 참조 부호 132는 A 코일을 A1상의 구동 파형(84A)이나 A2상의 구동 파형으로 제어하는지를 전환하는 스위치 회로이며, B상 코일에 대해서도 마찬가지이다. 참조 부호 134는 A상 센서의 출력값의 주파수를 전압값으로 변환하는 FV 변환부이며, 이것을 상기 전자 VR 제어 회로(136)에 공급함으로써 저항값이 결정되고, 히스테리시스 레벨이 설정된다. 즉, 히스테리시스 레벨을 가변으로 하는 것에 의해 모터 특성의 토크 제어를 행할 수 있다. 예컨대, 시동 시에 히스테리시스 레벨을 최소로 효율을 희생하여, 토크 우선으로 모터를 구동시킨다. 또한, 모터의 안정 회전 동작 시에는 히스테리시스 레벨을 최대로 하여 고효율을 우선으로 한 모터 구동으로 전환한다. 히스테리시스 형성용 볼륨(v)을 CPU에 의해 제어하도록 하여도 좋다. 제어 회로(93)는 A상 코일 및 B상 코일을 여자하여 회전자를 회전시키는 모드와, 어느 쪽인가 1상을 여자하여 회전자를 회전시키는 모드를 선택할 수 있게 되어 있다.

도 12는 정지 상태에 있는 회전자를 회전시키고자 하는 경우의 제어 파형도 이며, 히스테리시스 레벨을 최소로 하면, 창 비교기(130)에 의해 센서 출력값과 히스테리시스 레벨이 비교되어, 센서의 출력값이 로직량으로 변환되고, 멀티플렉서(132)로부터 A상 코일 열 및 B상 코일 열에 높은 듀티비의 여자 신호가 전환 공급되며, 모터는 고 토크로 회전하게 된다. 도 13과 같이, 회전자가 안정 회전하고 있는 상태에서는 히스테리시스 레벨을 최대로 하면, 각 상 코일 열에 낮은 듀티비의 여자 신호가 인가되어 모터의 구동 토크는 감소하지만, 모터를 고효율로 운전하는 것이 가능해진다.

도 14는 아날로그 방식 센서 출력에 의해 히스테리시스 레벨 제어에 의하지 않고 PWM 제어하는 경우의 회로 구성을 나타낸 것이다. PWM 변환부(160)에는, PLL 회로(162)로부터 기본 주파수 신호가 분주된 비교파가 공급되고, 이 비교파와 A상 센서 및 B상 센서로부터의 아날로그 검출값이 비교되어 듀티가 조정된 신호파가 각 상 코일 열에 공급된다. 자동 이득 제어(102, 104)에 의해 아날로그 출력값의 피크가 조정되는 것과, PLL 회로(162)의 비교용 신호의 주파수가 제어되는 것에 의해, 그리고 이들 모터의 요구 토크에 따라 CPU 등에 의해 적절히 설정되는 것에 의해, 도 15에 나타내는 바와 같이, 센서 출력으로부터 PWM 출력값을 얻을 수 있다. 또, 상술한 실시예에서는 영구 자석 열을 회전자로서 설명했지만, 선형 모터와 같은 직선 형상으로 운동하는 것이라도 좋다.

도 16은 구동 회로의 제 2 예를 나타내는 것이고, 도 5의 회로에서는 A상 코일과 B상 코일에 의해 구동 회로가 별개로 형성되어 있던 것을 단일의 구동 회로로 한 것이다. 지금 도 17에 대응시켜 설명하면, T1의 기간에는, 센서 출력에 의해 TR1 및 TR7이 온 상태로 되어, 전원으로부터 공급되는 IA1의 방향의 여자 전류는 트랜지스터 TR1로부터 A상 코일(16)로 흐르고, 트랜지스터 TR7을 통해 접지로 흐른다. T2의 기간에는, TR3 및 TR7이 온 상태로 되어, 전원으로부터의 여자 전류가 B상 코일을 IB1의 방향으로 통과하고, TR7을 통과하여 접지로 들어간다. T3의 기간 에는, TR2가 온 상태로 되고, TR8이 온 상태로 되어, 전원으로부터의 여자 전류가 IA2의 방향으로 흘러 접지로 들어간다. T4의 기간에는, TR4가 온 상태, TR8이 온 상태로 되어 전원으로부터의 여자 전류가 IB2 방향으로 흘러 접지로 들어간다.

도 18은 본 발명에 관계되는 센서 직접 구동 방식, 즉 센서로부터의 검출 신호를 코일 구동용 구동 회로에 직접 입력하는 구동 방식을 스텝핑 모터에 적용하는 경우의 회로도이다. 참조 부호 190은 복수의 영구 자석을 구비한 회전자이며, 참조 부호 192는 A-A'상 코일, 참조 부호 194는 B-B'상 코일이다. 참조 부호 34A는 A상 센서, 참조 부호 34B는 B상 센서이다. 도 19는 코일 구동 타이밍 차트이며, A상 센서의 출력을 A-A'상 코일 구동 회로에 코일 여자용 전류로서 공급하고, B상 센서의 출력을 B-B'상 코일의 구동 회로에 공급한다. 도 19에서 중간의 검은 부분의 기간은 극성의 전환에 의해 회전자의 정/역전을 제어할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 스텝핑 모터의 부하 변동에 의한 구동 항복점(降伏點)을 없앨 수 있다.

도 20은 히스테리시스 제조용 전자 VR를 구비한 창 비교기(130)를 구비한 아날로그 방식 센서에 의한 디지털 회생/발전 제어의 블록도이다. A상 센서(34A)의 출력이 히스테리시스 레벨의 변동 폭 이상으로 된 경우에 OR 회로(200)에 A상 TP 또는 A상 BT의 「H」가 출력되고, 이것이 A상 회생 허가 신호로서 후술하는 수전(受電) 제어 회로에 출력된다. B상 센서(34B)의 출력에 대해서도 마찬가지이다. 참조 부호 202는 OR 회로이다.

도 21은 히스테리시스 조정용 전자 VR이 소(小)인 경우에 회생 에너지가 최대로 되어 있는 상태를 나타내는 경우의 파형도이며, 도 22는 히스테리시스 조정용 전자 VR이 최대인 경우에 회생 에너지가 최소로 된 상태를 나타내는 파형도이다. 고부하 시의 경우(강한 회생 제동 상태)에는, 각 상의 회생 허가 신호의 듀티비가 높게 되어, 회생 허가 신호가 「H」인 기간 동안 A상 및 B상의 각 코일로부터의 회생 전류가 부하(battery)에 공급된다. 이것이 도 21의 상태이다. 한편, 저부하의 경우(약한 회생 제동 상태)에서는, 도 22에 나타내는 바와 같이, 각 상의 허가 신호의 듀티비가 작아지고, 회생 허가 신호가 「H」인 기간 동안 각 상 코일로부터의 회생 전류가 부하에 공급된다.

도 23은 각 상 코일로부터의 수전 제어의 기능 블록도를 나타내는 것이고, A상 회생 허가 신호의 H 또는 L의 전환에 따라 공급되면 인버터(232A, 232B)를 통해 트랜지스터(230, 232)가 번갈아 온 상태로 되고, 정류 수단(231)에서 정류되어 평활 회로(240)에서 평활화된 회생 전류가 +송전 단자와 -송전 단자 사이에 발생한다. B상 코일 쪽에서도 마찬가지이다. 도 24는 회생 전류의 에너지 변환부이며, 참조 부호 240은 DC/DC 변환부이며, 참조 부호 242는 DC/AC 변환부이며, 참조 부호 244는 화학 변환부(battery)이다.

또, 상술한 구성은 도 2(1) 및 (2)에 나타내는 바와 같이, A상 코일(16)과 B상 코일(18)과 영구 자석으로 이루어지는 회전자(20)가 지름 방향으로 대면하고 있는 구조에도 적용할 수 있다. (1)는 모터의 평면도이며, (2)는 (1)의 A-A'선 단면도이다. 고정자는 A상, B상의 2상으로 설명했지만, 회전수/토크는 저하하지만 편상(片相)에 의한 단독 구동 및 회생도 가능하다. 회전자와 고정자의 A상, B상과의 거리를 가변으로 하는 것에 의해 자계 강도를 변동시킴으로써 회전수/토크 특성도 가변으로 할 수 있다. 고정자의 A상/B상의 설계 위치 각도를 변경하는 것에 따라 회전수/토크 특성도 가변으로 할 수 있다.

여기서 설명한 실시예에 의하면, 회전자의 회전에 따른 자계 변화를 검출하는 각 상의 센서의 출력을, 각도를 어긋나게 하여 설정된 2상의 전자 코일에 각각 직접 공급하고 있기 때문에, 모터 구동 개시의 토크 요구 운전 시에, 미약 전류(마이크로 단위 레벨)로 회전자를 회전시킬 수 있다.

Claims (16)

1. 번갈아 다른 극으로 착자(着磁)된 복수의 영구 자석을 연속하여 배치한 이동체에 대하여, 복수의 전자 코일을 고정자로 하여 상기 이동체에 비접촉으로 배치하고, 이 전자 코일에 여자 전류를 직접 구동 파형으로서 공급함으로써 상기 이동체를 이동 운동시키도록 한, 상기 이동체와 상기 전자 코일을 구비하는 모터를 구동하는 구동 시스템으로서,

   상기 영구 자석의 이동에 의한 주기적인 자계 변화를 검출하는 센서를 마련하고, 이 센서의 출력을 상기 전자 코일로의 여자 전류로서 직접 공급하며,

   상기 모터의 요구되는 구동 레벨에 따라 상기 센서의 출력을 제어하는 방식으로, 상기 센서로부터의 출력 히스테리시스 레벨을 상기 구동 레벨에 따라 변경함으로써 상기 센서 출력의 펄스 형상 파형의 듀티비를 변경하도록 하는

   구동 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 이동체는 다른 두 개의 영구 자석의 다른 극 배열을 쌍으로 하는 구성을 복수 구성시키고, 쌍의 구성으로 이루어지는 상기 다른 극 사이의 위치를 2π로 했을 때에, 상기 센서는 상기 2π 사이의 임의 위치를 선형으로 검출할 수 있고, 또한 이 센서는 상기 전자 코일 상(相)에 대응하여 마련되어 이루어지는 구동 시스템.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전자 코일 상에 대응하는 상기 센서로부터 얻어진 임의 위치 신호의 레벨을 상기 전자 코일로 귀환시키는 구동 시스템.
5. 번갈아 다른 극으로 여자되는 복수의 전자 코일 열에, 번갈아 다른 극의 복수의 영구 자극 요소를 배열시킨 영구 자극 열을 대면시킨 자극 수단을 구비하고, 상기 영구 자극 열을 운동시키도록 구성하여 이루어지는 모터로서,

   상기 영구 자극 열의 이동에 따른 주기적인 자성 변화를 검출하는 센서를 구비하고, 이 센서의 출력을 상기 전자 코일에 직접 구동 파형으로서 귀환시켜 이루어지며,

   상기 모터의 요구되는 구동 레벨에 따라, 상기 센서의 출력을 제어하는 방식으로, 상기 센서로부터의 출력 히스테리시스 레벨을 상기 구동 레벨에 따라 변경함으로써 상기 센서 출력의 펄스 형상 파형의 듀티비가 변경되는

   모터.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 코일 열을 A상 코일과 B상 코일의 2상의 조로 형성하고, A상 코일과 B상 코일 사이에 상기 영구 자극 열을 개재시키고, 또한 A상 코일과 B상 코일에 코일을 설치하는 위상을 시프트시켜 이루어지며, 아울러 A상 코일용 센서와, B상 코일용 센서를 더 마련하여, 상기 A상 코일용 센서와 상기 B상 코일용 센서를 설치하는 위상을 시프트시켜 이루어지는 모터.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 A상 코일 및 상기 B상 코일에 각각 복수 패턴의 여자 신호를 공급하도록 구성되어 이루어지는 모터.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 영구 자극 열이 어떠한 위치에 정지하고 있어도, 상기 A상 코일용 센서와 상기 B상 코일용 센서의 출력으로부터 상기 복수 패턴의 여자 신호 중 적어도 하나를, 상기 A상 코일 및 상기 B상 코일을 여자 상태로 하도록 설정한 모터.
9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 센서가 아날로그 검출값을 출력하는 홀 소자 센서인 모터.
10. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 센서의 출력값에 모터의 구동 요구 토크에 근거하여 PWM 제어를 부가하고, 이 제어 신호를 상기 여자 코일에 공급하여 이루어지는 구동 시스템.
11. 번갈아 다른 극으로 착자(着磁)된 복수의 영구 자석을 연속하여 배치한 이동체에 대하여, 복수의 전자 코일을 고정자로 하여 상기 이동체에 비접촉으로 배치하고, 이 전자 코일에 여자 전류를 직접 구동 파형으로서 공급함으로써 상기 이동체를 이동 운동시키도록 한, 상기 이동체와 상기 전자 코일을 구비하는 모터를 구동하되, 상기 영구 자석의 이동에 의한 주기적인 자계 변화를 검출하는 센서를 마련하고, 이 센서의 출력을 상기 전자 코일로의 여자 전류로서 직접 공급하는 구동 시스템을 회생에 사용하는 회생 구동 시스템에 있어서,

    센서 신호에 근거하여 회생량을 제어하는 회생량 제어 수단을 마련하고, 이 제어 수단은 상기 센서 신호부터의 회생 허가 신호를 형성하는 수단과, 부하 상태에 근거하여 회생 허가 신호를 제어하는 수단과, 이 회생 허가 신호에 따라 상기 모터의 회생량을 임의로 제어하는 수단을 갖는

    회생 구동 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 회생 허가 신호를 형성하는 수단은, 상기 센서 신호에 대한 히스테리시스 레벨을 임의의 부하 변동에 따라 변동시키는 수단인 회생 구동 시스템.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,

    상기 센서 출력에 근거하여 PWM 제어를 부가하고, 이 제어 신호에 의해 여자 코일로부터 얻어지는 회생량을 임의로 가변할 수 있는 회생 구동 시스템.
14. 모터의 구동 신호를, 요구되는 구동 레벨에 따라 센서로부터 얻어진 신호와 함께, 히스테리시스 레벨을 상기 구동 레벨에 따라 변경함으로써, 상기 모터의 구동 신호의 펄스 형상 파형의 듀티비를 변경하도록 한 모터의 구동 제어 방식.
15. 삭제
16. 제 11 항에 있어서,

    상기 모터의 구동과 회생을 동시에 제어할 수 있도록 구성하는 회생 구동 시스템.

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