KR102275836B1

KR102275836B1 - 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동 회로

Info

Publication number: KR102275836B1
Application number: KR1020180146406A
Authority: KR
Inventors: 조영철
Original assignee: (주)쿠첸
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2021-07-12
Also published as: KR20200061062A

Abstract

스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동 회로가 개시된다. 본 개시의 실시예에 따른 구동 회로는, 복수의 스위칭 신호들을 기초로 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 복수의 코일들 각각에 상전류를 제공하는 스위칭 회로 및 상기 상전류를 검출하는 센싱 회로를 포함하고, 상기 스위칭 회로는, 제1 노드에서, 상기 복수의 코일들 중 제1 코일의 일 단에 연결되는 제1 스위칭 소자, 제2 노드에서 상기 제1 스위칭 소자에 연결되는 제1 저항 및 제3 노드에서 상기 제1 코일의 타 단에 연결되고, 제4 노드에서 상기 센싱저항에 연결되는 제1 다이오드를 포함할 수 있다.

Description

스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동 회로 {Driving Circuit for driving switched reluctance motor}

본 개시의 기술적 사상은 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor; 이하, 'SR 모터'라 한다)를 구동 하는 구동 회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 SR 모터의 권선 코일들에 흐르는 상전류를 측정할 수 있는 구동 회로에 관한 것이다.

SR 모터는 자기저항(reluctance)의 변화에 따라 발생하는 토크를 이용하여 회전력을 발생시키는 전동기이다. SR 모터는 고성능 및 고내구성을 가지며, 구조가 단순하여 최근 폭넓은 관심을 받고 있다. SR 모터는, 세탁기, 냉장고, 에어컨, 쿠커 등과 같은 각종 가전기기나 다양한 운송기계, 의료 장비 등의 구동장치로서 사용될 수 있다. SR 모터의 구동 회로는 SR 모터의 코일들에 흐르는 상전류를 기초로 SR 모터의 토크를 제어할 수 있다. 따라서, 정확하게 상전류를 측정하고, 측정된 상전류를 기초로 SR 모터를 제어하는 구동 회로가 요구된다.

본 개시의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 SR 모터의 코일들에 흐르는 상전류를 정확히 측정할 수 있는 구동 회로를 제공하는 데 있다.

본 개시의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동 회로는, 복수의 스위칭 신호들을 기초로 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 복수의 코일들 각각에 상전류를 제공하는 스위칭 회로 및 상기 상전류를 검출하는 센싱 회로를 포함하고, 상기 스위칭 회로는, 제1 노드에서, 상기 복수의 코일들 중 제1 코일의 일 단에 연결되는 제1 스위칭 소자, 제2 노드에서 상기 제1 스위칭 소자에 연결되는 제1 저항 및 제3 노드에서 상기 제1 코일의 타 단에 연결되고, 제4 노드에서 상기 제1 저항에 연결되는 제1 다이오드를 포함할 수 있다.

본 개시의 기술적 사상에 따른 SR 모터를 구동하는 구동 회로에 따르면, SR모터의 권선 코일에 연결된 두 개의 스위칭 소자들 중 하나가 턴-오프되는 프리휠링 구간에도, 권선 코일에 흐르는 프리휠링 전류가 센싱 저항을 통해 흐르므로, 정확한 상전류가 측정될 수 있다.

도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 구동 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터의 구조 및 기본 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SRM 드라이버의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터의 구동을 위한 코일들의 여자 순서(excitation order)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 구동을 위한 스위칭 신호들의 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 센싱 회로의 구성 및 센싱 동작을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 회로의 비교예를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6의 본 개시의 실시예에 따른 센싱 전류와 도 7의 비교예에 따른 센싱 전류를 나타낸다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SRM 드라이버의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 센싱 회로를 나타내는 회로도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 기술적 사상의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다. 본 개시에서, '제1','제2' 등의 표현은 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위하여 사용될 뿐, 구성 요소들 간의 중요도 또는 순서를 의미하는 것은 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.

도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 구동 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터의 구조 및 기본 동작 원리를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, SR 모터 구동 시스템(10)은 SR 모터(110), SR모터 드라이버(120)(이하, SRM 드라이버라고 함), 위치 센서부(130) 및 구동 컨트롤러(140)를 포함할 수 있다. SR모터 드라이버(120), 위치 센서부(130) 및 구동 컨트롤러(140)는 SR 모터(110)의 구동을 위한 구동 회로로 지칭될 수 있다.

SR 모터(110)는, 자기저항의 변화에 따라 발생하는 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque)를 이용하여 회전력을 얻을 수 있다. 도 2a를 참조하면, SR 모터(110)는 고정자(11)(stator) 및 회전자(12)(rotator)를 포함할 수 있다. 고정자(11) 및 회전자(12)는 투자율이 높은 자성 물질들로 구성될 수 있으며, 예컨대, 규소 강판이 적층된 구조를 가질 수 있다. SR 모터(110)는 고정자(11)와 회전자(12)가 모두 돌극형 구조를 가지는 이중 돌극형(double salient pole) 구조를 가질 수 있다. 고정자(11) 및 회전자(12)는 각각 복수의 돌극(silent-pole)을 포함한다. 고정자(11)의 돌극들에는 코일(13)이 권선된다. 회전자(12)의 중심에는 SR 모터(110)의 샤프트가 연결되며, 회전자(12)와 동시에 회전하는 센서 마그넷이 샤프트 또는 회전자(12)에 장착될 수 있다.

본 개시의 실시예에 따른 SR 모터(110)는 4상 모터 구조를 가질 수 있다. SR 모터(110)의 고정자(11)는 8개의 돌극들(예컨대, A극, B극, C극, D극, A'극, B'극, C'극, D'극)을 포함하고, 회전자(12)는 6개의 돌극들을 포함할 수 있다. 고정자(11)의 서로 대향하는 돌극들에는 코일이 권선된다. 도 2a에서는 A극과 A'극에 코일(13)이 감겨진 것으로 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, A극과 A'극, B극과 B'극, C극과 C'극, D극과 D'극에 각각 A상 코일, B상 코일, C상 코일 및 D상 코일이 권선될 수 있다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 코일(13)의 양단에 전압이 인가되어, 즉 코일(13)이 통전되어 코일(13)에 전류가 흐르면, 코일(13)이 권선된 돌극들이 여자되고(excitation), 전류의 방향에 직교하는 방향으로 자속이 발생한다. 예컨대, A극과 A'극에 권선된 코일(13)의 권선 방향에 따라서, A극의 오른쪽에서 왼쪽으로 전류(I)(상전류 또는 여자전류)가 흐르면 A극과 A'극이 여자되고, 전류(I)에 직교하는 F1 방향으로 자속이 발생한다. 자속이 회전자(12)를 경유함에 따라서, 회전자(12)에 전류가 발생하고, 고정자(11)의 자속과 회전자(12)의 자속이 쇄교함에 따라 토크(torque)가 발생하게 된다. 이하, 본 개시에서, 돌극이 여자된다는 표현은 상기 돌극에 권선된 코일(13)이 통전됨으로써 여자된다는 의미와 동일하게 사용하기로 한다.

자속이 회전자(12)를 경유함에 따라서, 회전자(12)에 전류가 발생하고, 고정자(11)의 자속과 회전자(12)의 자속이 쇄교함에 따라 토크(torque)가 발생하게 된다. 즉, 고정자(11)와 회전자(12) 간에 작용하는 자기 흡인력에 의하여 토크가 발생할 수 있다. A상, B상, C 상 및 D상의 코일들에 순차적으로 전압이 인가됨으로써, 회전자(12)가 회전할 수 있다.

계속하여 도 1을 참조하면, SRM 드라이버(120)(또는 SRM 인버터로 지칭됨)는 스위칭 회로(121) 및 센싱 회로(122)를 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 센싱 회로(1220)는 SRM 드라이버(120)에 구비되는 것이 아닌 별개의 회로 모듈로 구현될 수 있다.

스위칭 회로(121)는 스위칭 동작을 통해, 직류 전압을 SRM 모터(110)의 코일들(예컨대, A상, B상, C상 및 D상 코일들) 각각에 인가할 수 있다. SR 모터 구동 시스템(10)은 입력되는 상용 교류 전원을 직류 전원(즉, 직류 전압)으로 정류하는 컨버터(미도시)를 더 포함할 수 있으며, SRM 드라이버(120)는 컨버터로부터 제공되는 직류 전압을 SRM 모터(110)의 코일들에 인가할 수 있다.

스위칭 회로(121)는 스위칭 소자들(후술되는 도 3의 Q1 내지 Q6)을 포함할 수 있으며, 스위칭 소자들이 스위칭 신호들(SSWs)에 응답하여 '턴-온' 또는 '턴-오프'되어 코일들에 전압을 인가하고 전류(상전류 또는 여자전류라고 함)를 제공할 수 있다.

센싱 회로(122)는 SR 모터(110)의 상태를 감지하기 위한 센싱 신호들(Ssen), 예컨대, 전류, 온도, 전압 등을 나타내는 센싱 신호들(Ssen)을 출력할 수 있다. 실시예에 있어서, 센싱 회로(122)는 코일들에 흐르는 전류, 즉 상전류를 센싱하고, 센싱된 전류값을 출력할 수 있다.

위치 센서부(130)는 회전자(12)의 각도 위치에 상응하는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)을 제공한다. 실시예에 있어서, 위치 센서부(130)는 센서 마그넷에 근접하게 배치되는 복수의 홀 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어서, 위치 센서부(130)는 제1 홀 센서(131) 및 제2 홀 센서(132)를 포함할 수 있다. 제1 홀 센서(131) 및 제2 홀 센서(132)는, 회전자(12)가 회전 시 센서 마그넷의 자기 신호를 감지하여, 각각 제1 위치 센싱 신호(PSS1) 및 제2 위치 센싱 신호(PSS2)를 출력할 수 있다.

구동 컨트롤러(140)는 스위칭 신호들(SSWs)을 생성하고, 스위칭 신호들(SSWs)을 SRM 드라이버(120)에 제공할 수 있다. 구동 컨트롤러(140)는 제어 신호(Ctrl)(예컨대 사용자 입력에 따른 속도 지령), 위치 센서부(130)로부터 제공되는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2) 및 SRM 드라이버(120)로부터 제공되는 센싱 신호들(Ssen) 중 적어도 하나를 기초로 스위칭 신호들(SSWs)을 생성할 수 있다.

구동 컨트롤러(140)는 설정된 회전 방향 및 속도 등에 따라서, SR 모터(110) 구동을 위한 스위칭 신호들(SSWs)을 생성할 수 있다. 실시예에 있어서, 구동 컨트롤러(140)는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)을 기초로 SR 모터(110)의 회전 속도를 검출하고, SRM 드라이버(120)로부터 출력되는 센싱 신호(Ssen)를 기초로, SRM 모터(110)의 코일들을 통해 흐르는 전류량을 검출할 수 있으며, 속도 지령에 따른 타겟 속도와 SR 모터(110)의 회전 속도(즉, 현재 속도)의 차이를 기초로 SRM 모터(110)의 코일들을 통해 흐르는 전류량을 증가시키거나 또는 감소시키기 위히야 스위칭 신호들(SSWs)의 듀티비를 조절할 수 있다.

실시예에 있어서, 구동 컨트롤러(140)는 마이크로 컨트롤러(또는 마이크로 컴퓨터)로 구현될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 구동 컨트롤러(140)는 CPU(Central Processing Unit), 프로세서, DSP(Digital Signal Processing), 어플리케이션 프로세서(Application Processor; AP), MCU(Micro Controller Unit), 또는 미니 컴퓨터와 같은 다양한 형태로 구현될 수 있다.

구동 컨트롤러(140)는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 생성기(141) 및 아날로그-디지털 변환기(142)(이하, ADC)를 포함할 수 있다. PWM 신호 생성기(141)는 PWM 신호들을 생성하고, PWM 신호들을 스위칭 신호들(SSWs)로서 제공할 수 있다. PWMW 신호 생성기(141)는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)을 기초로, PWM 신호들, 즉 스위칭 신호들(SSWs)을 생성할 수 있으며, 제어 신호(Ctrl) 및 센싱 신호들(Ssen)을 기초로 스위칭 신호들(SSWs)의 듀티비(duty ratio)를 조절할 수 있다.

ADC(142)는 SRM 드라이버(120)의 센싱 회로(122)로부터 제공되는 센싱 신호들(Ssen)을의 아날로그 값을 디지털 값으로 변환할 수 있다. ADC(142)로부터 출력되는 센싱 값, 예컨대 전류 센싱 값을 기초로, 구동 컨트롤러(141)는 스위칭 신호들(SSWs)의 듀티비를 조절하도록 PWM 신호 생성기(141)를 제어할 수 있다. 예컨대, 구동 컨트롤러(141)는 전류 센싱 값이, SR 모터(110)가 타겟 속도에 도달하기 위하여 요구되는 기준 전류 값보다 적으면, 스위칭 신호들(SSWs)의 듀티비를 증가시키도록 PWM 신호 생성기(141)를 제어할 수 있다.

도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SRM 드라이버의 구성을 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위하여, SR 모터(도 1의 10)에 권선된 코일들을 나타내는 등가 회로(10')를 함께 도시한다. 등가 회로(10')는 고정자(11)에 권선된 4상의 코일들(La, Lb, Lc, Ld)을 포함한다.

SRM 드라이버(120)는 스위칭 회로(121) 및 센싱 회로(122)를 포함할 수 있으며, 스위칭 회로(121)는 커패시터(C1), 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)(또는 스위치라고 함), 복수의 다이오드들(D1 내지 D6) 및 센싱 저항(Rsen)을 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 등으로 구현될 수 있으며, 센싱 저항(Rsen)은 저항값이 매우 낮은 션트(shunt) 저항으로 구현될 수 있다.

커패시터(C1)는 DC(Direct Current) 링크 커패시터로서, DC 전압(Vdc)이 인가되는 제1 입력 노드(Ip) 및 제2 입력 노드(In)(즉, DC 링크)에 연결되며, 제1 및 제2 입력 노드(Ip, In)를 통해 수신되는 DC 전압(Vdc)을 안정적으로 제공할 수 있다.

제1 스위칭 소자(Q1) 및 제1 다이오드(D1)는 제1 노드(N1)를 통해 A상 코일(La)의 일 단(A극 방향의 단자) 및 C상 코일(Lc)의 일 단(C극 방향의 단자)에 전기적으로 연결된다. 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제1 다이오드(D1)는 또한 제1 입력 노드(Ip) 및 제2 입력 노드(In)에 각각 연결될 수 있다.

제2 스위칭 소자(Q2) 및 제2 다이오드(D2)는 제2 노드(N2)를 통해 A상 코일(La)의 타 단(A'극 방향의 단자)에 연결될 수 있으며, 제2 다이오드(D2)는 또한 제2 입력 노드(In)에 연결될 수 있다. 한편, 제2 스위칭 소자(Q2)는 센싱 저항(Rsen)의 일 단에 연결되고, 센싱 저항(Rsen)의 타 단은 제2 입력 노드(In)에 연결될 수 있다. 센싱 저항(Rsen)의 타 단이 연결된 제2 입력 노드(In), 즉 제1 센싱 노드(SN1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)와 센싱 저항(Rsen)의 연결 노드, 즉 제2 센싱 노드(SN2)는 센싱 회로(122)에 연결될 수 있다. 예컨대, 제1 센싱 노드(SN1)의 제1 전압(V1)(예컨대 접지 전압) 및 제2 센싱 노드(SN2)의 제2 전압(V2)이 센싱 회로(122)에 제공될 수 있다. 센싱 회로(122)의 구성 및 동작은 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.

제3 스위칭 소자(Q3) 및 제3 다이오드(D3)는 제3 노드(N3)를 통해 C상 코일(Lc)의 타 단(C'극 방향의 단자)에 전기적으로 연결된다. 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제3 다이오드(D3)는 또한 제2 입력 노드(In) 및 제1 입력 노드(Ip)에 각각 연결될 수 있다.

제4 스위칭 소자(Q4) 및 제4 다이오드(D4)는 제4 노드(N4)를 통해 B상 코일(Lb)의 일 단(B극 방향의 단자) 및 D상 코일(Ld)의 일 단(D극 방향의 단자)에 연결된다. 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제4 다이오드(D4)는 또한 제1 입력 노드(Ip) 및 제2 입력 노드(In)에 각각 연결될 수 있다.

제5 스위칭 소자(Q5) 및 제5 다이오드(D5)는 제5 노드(N5)를 통해 B상 코일(Lb)의 타 단(B'극 방향의 단자)에 연결되고, 제6 스위칭 소자(Q6) 및 제6 다이오드(D6)는 제6 노드(N6)를 통해 D상 코일(Ld)의 타 단(D'극 방향의 단자)에 연결된다. 제5 다이오드(D5) 및 제6 다이오드(D6)는 제1 입력 노드(Ip)에 연결되고, 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6) 는 제2 입력 노드(In)에 연결될 수 있다.

A상 코일(La) 및 C상 코일(Lc)은 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제1 다이오드(D1)를 공유할 수 있으며, B상 코일(Lb) 및 D상 코일(Ld)은 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제4 다이오드(D4)를 공유할 수 있다. 이와 같은, 스위칭 소자 공유 방식이 적용됨으로써, SR 모터(110)를 구동하기 위한 스위칭 소자들 및 다이오드들의 개수가 감소될 수 있으며, SRM 드라이버(120)의 회로 사이즈가 감소될 수 있다.

스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)은 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2) 중 대응하는 스위칭 신호에 응답하여 '턴-온' 또는 '턴-오프'하는 스위칭 동작을 수행함으로써, 코일들(La, Lb, Lc, Ld)에 전압을 인가할 수 있다. A상, B상, C상 및 D상의 코일들(La, Lb, Lc, Ld) 각각은 양단에 연결된 스위칭 소자들이 '턴-온'되면 통전될 수 있다. 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)의 스위칭 동작에 대해서는 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

복수의 다이오드들(D1 내지 D6)은 코일들(La, Lb, Lc, Ld)에 전압을 인가된 후, 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)이 '턴-오프'시에 생성되는 역기전압을 환류시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 개시의 실시예에 따른 스위칭 회로(121)에서, 센싱 저항(Rsen)이 제2 스위칭 소자(Q2)와 제2 입력 노드(In) 사이에 배치됨으로써, 상전류, 예컨대 A상 코일(La)에 흐르는 A상 상전류가 정확하게 측정될 수 있다. 센싱 회로(122)는 센싱 저항(Rsen)의 양 단, 즉 제1 센싱 노드(SN1) 및 제2 센싱 노드(SN2)의 전압(V1, V2)을 기초로 센싱 저항(Rsen)을 통해 흐르는 상전류에 대응하는 센싱 값을 출력할 수 있다. 이에 대하여, 도 6 내지 도 8을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

한편, 본 실시예에서는 센싱 저항(Rsen)이 제2 스위칭 소자(Q2)와 제2 입력 노드(In) 사이에 배치되는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 실시예에 있어서, 적어도 하나의 센싱 저항(Rsen)은 제3 스위칭 소자(Q3), 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6) 중 적어도 하나와 제2 입력 노드(In) 사이에 배치될 수 있다. 실시예에 있어서, 4개의 센싱 저항(Rsen)이 제2 스위칭 소자(Q2), 제3 스위칭 소자(Q3), 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6)와 제2 입력 노드(In) 사이에 배치될 수도 있다.

도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터의 구동을 위한 여자 순서(excitation order)를 나타내는 도면이다. 예시적으로 회전자(12)가 시계 방향으로 회전하는 실시예가 도시된다.

도 2a 및 도 2b를 참조하여 전술한 바와 같이, 고정자(11)의 돌극들은 각 돌극들에 권선된 코일이 통전됨으로써 여자될 수 있으며, 고정자(11)의 돌극들이 반시계 방향으로 차례로 여자되면, 회전자(12)가 시계 방향으로 회전할 수 있다. 예컨대, 제1 단계(step1), 제2 단계(step2), 제3 단계(step3) 및 제4 단계(Step4)가 차례로 진행됨에 따라 고정자(11)의 돌극들이 반시계 방향으로 차례로 여자되고, 이에 따라 회전자(12)의 회전자(12)의 돌극, 예컨대 제1 돌극(P1)이 시계 방향으로 회전함을 알 수 있다.

제1 단계에서, 고정자(11)의 A극과 A'극이 여자되고, 도시된 방향과 같이 자기력선이 발생한다. 자기 흡인력에 의하여 고정자(11)의 A극에 인접한 제1 돌극(P1)이 고정자(11)의 A극에 정렬된다. 제2 단계에서, D'극과 D극이 여자되고, 제1 단계에서 고정자(11)의 D'극에 가장 인접했던 회전자(12)의 돌극이 D'극에 정렬된다. 이에 따라서, 제1 돌극(P1)은 15도 회전할 수 있다. 이후, 제3 단계에서 C'극과 C극이 여자되고, 제4 단계에서 B'극과 B극이 여자되면, 각 단계에서, 제1 돌극(P1)이 15도씩 회전할 수 있다. 제1 단계 내지 제4 단계가 차례로 진행됨에 따라서 회전자(12)가 시계 방향으로 60도 회전할 수 있으며, 제1 단계 내지 제4 단계의 진행이 6번 수행되면 회전자(12)가 360도, 즉 일 회전할 수 있다. 예컨대, 1초 동안 제1 단계 내지 제4 단계의 진행이 6번 수행되면, 즉 코일들이 6Hz로 통전되면, 1분 동안 회전자(12)는 60회 회전할 수 있다. SR 모터(110)에서, 주파수 6Hz는 60RPM을 의미하게 된다.

한편, 전술한 바와 반대로, 고정자(11)의 돌극들이 시계 방향으로 여자되면, 즉, 제4 단계, 제3 단계, 제2 단계 및 제1 단계가 차례로 진행되면, 회전자(12)가 시계 방향으로 회전할 수 있다.

도 5는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 구동을 위한 스위칭 신호들의 파형을 나타내는 도면이다.

도 5는, 도 4에 도시된 바와 같이 SR 모터(110)의 회전자(12)가 시계 방향으로 회전하도록 제어하기 위한 SRM 드라이버(도 3의 120)의 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)의 파형을 나타낸다. 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)은 PWM 신호 생성기(도 1의 141)에서 생성될 수 있다. 도 3을 함께 참조하여 설명하기로 한다.

PWM 신호 생성기(도 1의 141)는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)의 조합에 기초하여 P1 내지 P4 구간을 구분하고, P1 내지 P4 구간에 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)을 생성할 수 있다. 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)은 제1 레벨, 예컨대 로직 하이 및 제2 레벨, 예컨대 로직 로우를 가질 수 있다. 실시예에 있어서, 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)의 제1 레벨의 구간 및 제2 레벨의 구간은 서로 동일할 수 있으며, 한 주기(예컨대, P1 내지 P4 구간)에서, 제1 위치 센싱 신호(PSS1) 및 제2 위치 센싱 신호(PSS2)는 90도의 위상 차이를 가질 수 있다.

우선, P1 구간에 S1H 신호 및 S1L1 신호가 생성될 수 있다. 본 개시에서, 신호가 생성된다는 것은 상기 신호가 활성 레벨로 천이된다는 것을 의미한다. 이에 따라서, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 '턴-온'되어 A상 코일(La)이 통전될 수 있다. 제1 스위칭 소자(Q1), A상 코일(La), 및 제2 스위칭 소자(Q2)를 통해 전류가 흐를 수 있다.

한편, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 P1 구간 동안 '풀-온'되면, 전류가 과다하게 유입될 뿐만 아니라, 전류의 양을 조절하기가 어려워진다. 반면, P1 구간에, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 '턴-온' 및 '턴-오프'가 반복되면, 즉 반복 스위칭되면, 전류의 양이 조절될 수 있다. 그러나, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 모두 반복 스위치할 경우, 스위칭 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 제2 스위칭 소자(Q2)가 '풀-온'되고, 제1 스위칭 소자(Q1)가 반복 스위칭함으로써, 전류의 양을 조절할 수 있다. 따라서, P1 구간에, 제2 스위칭 소자(Q2)가 '풀-온'되도록 제어하는 활성 레벨, 예컨대 로직 하이를 갖는 S1L1 신호 및 제1 스위칭 소자(Q1)가 스위칭되도록 제어하는 펄스폭 변조된 S1H 신호가 생성될 수 있다. 이와 유사하게, 다른 구간들, 즉 P2, P3, 및 P4 구간에도 스위칭 소자들이 '턴-온'되도록 제어하는 두 스위칭 신호들 중 하나는 펄스폭 변조된 신호로서 생성될 수 있다.

P2 구간에 S2H 신호 및 S2L1 신호가 생성될 수 있으며, S2H 신호 및 S2L1 신호에 응답하여, 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제5 스위칭 소자(Q5)가 '턴-온'되어 D상 코일(Ld)이 통전될 수 있다. P3 구간에 S1H 신호 및 S1L2 신호가 생성될 수 있으며, S1H 신호 및 S1L2 신호에 응답하여, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제3 스위칭 소자(Q3)가 '턴-온'되어 C상 코일(Lc)이 통전될 수 있다. 또한, P4 구간에 S2H 신호 및 S2L2 신호가 생성될 수 있으며, S2H 신호 및 S2L2 신호에 응답하여, 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제6 스위칭 소자(Q6)가 '턴-온'되어 B상 코일(Lb)이 통전될 수 있다.

이와 같이, P1 구간 내지 P4 구간에 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)이 생성되고, 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)이 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)에 인가됨으로써, 고정자(11)의 돌극들에 권선된 4상 코일들(La, Lb, Lc, Ld)이 반시계 방향으로 통전되고, 회전자(12)가 시계 방향으로 회전할 수 있다. 4상 코일들(La, Lb, Lc, Ld) 각각에 흐르는 전류는 상전류 또는 여자전류로 지칭될 수 있다.

도 6은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 센싱 회로의 구성 및 센싱 동작을 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 도 3에서 A상 코일(La) 및 이에 연결된 스위칭 회로(도 3의 121)의 일부를 함께 도시한다.

도 6을 참조하면, 센싱 회로(122)는 연산 증폭기(OP) 및 저항들(R1, R2, R3)을 포함하는 차동 증폭 회로로 구현될 수 있으며, 스위칭 회로(121)의 센싱 저항(Rsen) 양단, 즉 제1 센싱 노드(SN1) 및 제2 센싱 노드(SN2)에 연결될 수 있다. 따라서, 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)(예컨대 접지 전압)을 수신할 수 있다. 센싱 회로(122)는 센싱 저항(Rsen)에 흐르는 전류 값(Isen)에 상응하는 신호, 예컨대 전압(Vout)을 출력할 수 있으며, 상기 신호는 구동 컨트롤러(140)의 ADC(142)로 제공되어, 디지털 값으로 변환(즉 디지털 샘플링)될 수 있다.

도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, P1 구간에 A상 코일(La)가 여자될 수 있으며, 이 때, P1 구간 동안, 제1 스위칭 소자(Q1)는 반복 스위칭되고, 즉, 턴-온 및 턴-오프를 반복하고, 제2 스위칭 소자(Q2)는 턴-온 된다.

제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 모두 턴-온 된 경우, 제1 입력 노드(Ip)로부터 제공되는 전류가 제1 스위칭 소자(Q1), A상 코일(La), 제2 스위칭 소자(Q2), 센싱 저항(Rsen)을 통해 흘러 제2 입력 노드(In)를 통해 출력될 수 있다.

제1 스위칭 소자(Q2)가 턴-오프되고, 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴-온된 경우, 프리휠링 전류가 제2 스위칭 소자(Q2), 센싱 저항(Rsen), 제2 다이오드(D2) 및 A상 코일(La)을 통해 흐를 수 있다. 제1 스위칭 소자(Q1)가 턴-온된 경우, 및 턴-오프된 경우 모두, A상 코일(La)과 센싱 저항(Rsen)에 동일한 전류가 흐를 수 있다. 따라서, 센싱 회로(122)가 센싱 저항(Rsen)을 통해 흐르는 전류, 즉 센싱 전류(Isen)를 측정함으로써, 상전류가 측정될 수 있다.

도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 스위칭 회로의 비교예를 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 도 3 및 도 6을 참조하여 설명한 본 개시의 실시예에 따른 스위칭 회로(121)와 달리, 제1 다이오드(D1)과 제2 스위칭 소자(Q2)가 연결된 노드와 제2 입력 노드(In) 사이에 센싱 저항(Rsen)이 배치될 수 있다. 이러한 구조에서, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 모두 턴-온 된 경우, 제1 입력 노드(Ip)로부터 제공되는 전류가 제1 스위칭 소자(Q1), A상 코일(La), 제2 스위칭 소자(Q2), 센싱 저항(Rsen)을 통해 흘러 제2 입력 노드(In)를 통해 출력될 수 있다. 그러나, 제1 스위칭 소자(Q2)가 턴-오프되고, 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴-온된 경우, 프리휠링 전류가 제2 스위칭 소자(Q2), 제2 다이오드(D2) 및 A상 코일(La)을 통해 흐를 뿐, 센싱 저항(Rsen)으로 흐르지 않는다. 센싱 저항(Rsen)에 흐르는 전류, 즉 센싱 전류(Isen')가 프리휠링 전류를 포함하지 않는 바, 센싱 회로(122)가 정확한 상전류를 측정하기 어렵다.

도 8에서 Case1의 센싱 전류(Isen)는 도 6의 본 개시의 실시예에 따른 센싱 전류(Isen)를 나타내고, Case2의 센싱 전류(Isen')는 도 7의 비교예에 따른 센싱 전류(Isen')를 나타낸다.

도 8을 참조하면, T1 구간에, S1H 신호, 및 S1L1 신호가 활성 레벨, 예컨대 로직 하이이면, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴-온되고, 센싱 전류(Isen, Isen')가 증가할 수 있다.

이후, T2 구간에, S1H 신호가 비활성 레벨, 예컨대 로직 로우로 천이되면, 제1 스위칭 소자(Q1)는 턴-오프되고, 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴-온될 수 있다. T2 구간은 프리휠링 구간이라고 지칭될 수 있다. 프리휠링 전류가 A 상 코일(La)을 통해 흐를 수 있는데, 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 개시의 실시예에 따르면 프리휠링 전류가 센싱 저항(Resn)을 통해 흐르므로 프리휠링 전류가 센싱 전류(Isen)로서 검출될 수 있다.

T2 구간에, 본 개시의 실시예에 따른 센싱 전류(Isen)는 감소되는 형태의 연속적인 파형 형태로 검출되므로, 파형의 면적(즉, 센싱 전류(Isen)의 적분량)이 넓어 ADC(142)에서 디지털 값으로 샘플링되기 용이하다. 또한, 센싱 전류(Isen)가 전 구간에 걸쳐서 양의 값을 갖는 바, 센싱 회로(122)는 도 6에 도시된 바와 같이, 단순한 차동 증폭 회로로 구현될 수 있다.

그러나, 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, T2 구간에, 비교예에 따른 프리휠링 전류가 센싱 저항(Resn)을 통해 흐르지 못한다. 비교예에 따른 센싱 전류(Isen')는 프리휠링 전류를 포함하지 못하며 음의 값을 갖는 펄스 형태로 검출되고, 면적이 좁아 ADC(142)에서 디지털 값으로 샘플링되기 용이하지 않다.

도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SRM 드라이버의 구성을 나타내는 도면이고, 도 10은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 센싱 회로를 나타내는 회로도이다.

도 9의 SRM 드라이버(120a)의 구조는 도 3의 SRM 드라이버(120)과 유사하다. 다만, 본 실시예에서, 센싱 저항들(Rsen1, Rsen2, Rsen3 및 Resn4)가 제2 스위칭 소자(Q2), 제3 스위칭 소자(Q3), 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6)와 제2 입력 노드(In) 사이에 각각 배치되고, 제1 센싱 노드(SN1) 및 센싱 저항들(Rsen1, Rsen2, Rsen3 및 Resn4)과 스위칭 소자들(Q2, Q3, Q5, Q6)이 연결된 센싱 노드들(SN2, SN3, SN4, SN5)이 스위칭 회로(122a)에 연결될 수 있다. 이에 따라서, 센싱 노드들(SN1, SN2, SN3, SN4, SN5)로부터 출력되는 전압들(V1, V2, V3, V4, V5)이 센싱 회로(122a)에 제공될 수 있다.

도 10을 참조하면, 센싱 회로(122a)는 차동 증폭 회로(122_1) 및 스위칭부(122_2)를 포함할 수 있다. 차동 증폭 회로(122_1)는 도 6의 센싱 회로와 동일하게 구성될 수 있다. 스위칭부(122_2)는 복수의 스위치들(SW1, SW2, SW3, SW4)를 포함할 수 있고, 복수의 스위치들(SW1, SW2, SW3, SW4) 각각은 도 9의 복수의 센싱 노드들(SN1, SN2, SN3, SN4)에 연결될 수 있다. 복수의 스위치들(SW1, SW2, SW3, SW4)은 대응하는 스위칭 소자가 턴-온 될 때, 턴-온될 수 있다. 예컨대 제1 스위치(SW1)는 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴-온 될 때, 턴-온될 수 있다. 실시예에 있어서, 제1 스위치(SW1)은 S1L1 신호에 응답하여 턴-온 될 수 있다. 다른 스위치들(SW2, SW3, SW4) 또한 유사하게 동작할 수 있다.

이에 따라서, A상 코일(La)에 상전류가 흐를 때, 제1 스위치(SW1)가 턴-온됨으로써, 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)가 인가 센싱 회로(122_1)에 인가되고, 센싱 회로(122_1)는 A상 코일(La)에 흐르는 상전류에 대응하는 센싱 전류를 나타내는 신호, 예컨대 출력 전압(Vout)을 출력할 수 있다. 이와 유사하게, B상 코일(Lb)에 상전류가 흐를 때, 제2 스위치(SW2)가 턴-온됨으로써, 센싱 회로(122_1)는 B상 코일(Lb)에 흐르는 상전류에 대응하는 센싱 전류를 나타내는 신호를 출력하고, C상 코일(Lc)에 상전류가 흐를 때 제3 스위치(SW3)가 턴-온됨으로써, 센싱 회로(122_1)는 C상 코일(Lc)에 흐르는 상전류에 대응하는 센싱 전류를 나타내는 신호를 출력하고, D상 코일(Ld)에 상전류가 흐를 때 제4 스위치(SW4)가 턴-온됨으로써, 센싱 회로(122_1)는 D상 코일(Ld)에 흐르는 상전류에 대응하는 센싱 전류를 나타내는 신호를 출력할 수 있다.

도 10에서는, 하나의 차동 증폭 회로(122_1)가 시분할 적으로 복수의 상전류에 대응하는 신호를 출력하는 것이 도시되었으나, 센싱 회로(122a)가 복수의 차동 증폭 회로(122_1)를 포함하고, 차동 증폭 회로 각각이 상전류에 대응하는 신호를 출력하는 변형된 실시예도 가능할 것이다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims

스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동 회로로서,
복수의 스위칭 신호들을 기초로 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 복수의 코일들 각각에 상전류를 제공하는 스위칭 회로; 및
상기 상전류를 검출하는 센싱 회로를 포함하고,
상기 스위칭 회로는,
제1 노드에서 상기 복수의 코일들 중 제1 코일의 일 단에 연결되는 제1 스위칭 소자;
제2 노드에서, 상기 제1 코일의 타 단에 연결되는 제2 스위칭 소자;
제1 센싱 노드에 일 단이 연결되고, 제2 센싱 노드에서 상기 제2 스위칭 소자에 타 단이 연결되는 제1 저항;
상기 제1 노드에서 상기 제1 코일의 일 단에 연결되고, 상기 제1 센싱 노드에서 상기 제1 저항의 일 단에 연결되는 제1 다이오드;
상기 제2 노드에서 상기 제1 코일의 타 단에 연결되는 제2 다이오드;
제3 노드에서, 상기 복수의 코일들 중 상기 제1 노드에 일 단이 연결된 제2 코일의 타 단에 연결되는 제3 스위칭 소자; 및
상기 제1 센싱 노드에 일 단이 연결되고, 제3 센싱 노드에서 상기 제3 스위칭 소자에 타 단이 연결되는 제2 저항을 포함하고,
상기 센싱 회로는,
상기 제1 저항의 양 단의 전압들을 기초로 상기 제1 코일에 흐르는 제1 상전류에 대응하는 제1 센싱 값을 생성하고, 상기 제2 저항의 양 단의 전압들을 기초로 상기 제2 코일에 흐르는 제2 상전류에 대응하는 제2 센싱 값을 생성하는 것을 특징으로 하는 구동 회로.
제1 항에 있어서, 상기 센싱 회로는,
상기 제1 저항의 양 단의 전압들을 기초로 상기 제1 센싱 값을 생성하고, 상기 제2 저항의 양 단의 전압들을 기초로 상기 제2 센싱 값을 생성하는 차동 증폭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 회로.
제1 항에 있어서, 상기 스위칭 회로는,
상기 제2 스위칭 소자가 턴-온 되고, 상기 제1 스위칭 소자가 턴-오프되는 경우, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제1 저항, 상기 제1 다이오드 및 상기 제1 코일은 폐회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 구동 회로.
제3 항에 있어서,
상기 제1 코일에 흐르는 전류와 상기 제1 저항에 흐르는 전류가 동일한 것을 특징으로 하는 구동 회로.
제1 항에 있어서, 상기 제1 센싱 노드는,
DC 전압이 인가되는 상기 스위칭 회로의 두 입력 노드들 중 하나인 것을 특징으로 하는 구동 회로.
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