KR102522550B1 - 소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 구동 장치 - Google Patents

소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 구동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 구동 장치에 관한 것으로서, 홀 센서로부터 모터 회전자 위치 측정에 따른 신호를 차동 입력받으며, 내부에 포함되는 복수 개의 저항들의 저항값에 따라 이득이 조절되되, 조절된 이득과 상기 차동 입력에 기초한 증폭신호를 출력하는 홀 신호 입력부와, 상기 홀 신호 입력부의 출력을 각기 다른 전압레벨을 가지는 기준전압들과 각각 비교한 상태값에 기초한 제1 신호 내지 제3 신호를 생성하는 소프트 스위칭 기준신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 모터의 소프트 스위칭 구간에서의 급격한 전류변동과 소음을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 홀 소자의 신호 세기에 관계없이 일정한 소프트 스위칭 구간을 형성할 수 있는 효과가 있다.

Description

소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 구동 장치{MOTOR DRIVER DEVICE WITH SOFT SWITCHING}
본 발명은 홀 센서 입력 세기에 관계없이 일정한 소프트 스위칭 구간을 가지도록 하는 모터 구동 장치에 관한 것이다.
BLDC 모터는 브러쉬 없이 회전자의 위치에 따라 전류 방향을 바꾸어 모터를 구동한다. 이때 스위칭 전류의 급격한 변화는 파워 스위치의 소손과 소음을 발생시킨다. 이를 방지하기 위하여 스위칭 전류가 급격하게 변화하지 않고, 서서히 변화하도록 제어하는 방법을 소프트 스위칭이라고 한다.
한편, 센서를 이용하여 회전자의 위치를 정확히 검지하는 방법으로는 홀 센서가 가장 많이 사용된다. 이러한 경우, 소프트 스위칭은 홀 센서 입력으로부터 홀의 위치를 정확히 알아내어 홀 신호의 천이가 되기 전 일정시간 동안 구동전류를 서서히 줄이고, 홀 신호가 천이되고 난 후 일정시간 동안 구동전류를 서서히 늘이는 식으로 제어할 수 있다.
이러한 모터의 소프트 스위칭 기술에 관한 종래 기술 US 8,384,324를 살펴보면, 모터의 홀 센서 신호를 증폭시켜 출력한 제1 신호(Vfg)의 하강 에지가 발생한 시점을 기준으로 전후 일정 범위를 가지는 제2 신호(Vssw)를 생성한 후, 상기 제1 신호(Vfg)의 하강 에지를 기준으로 상기 제2 신호(Vssw)의 상승 에지 및 하강 에지로 인한 앞뒤 구간에서 PWM 듀티비를 천천히 변화시킴으로써 모터의 소프트 스위칭 기능을 수행하는 구성을 개시한다.
그러나, 상기 종래 기술에 의하면, 홀 소자마다 다른 신호 세기를 고려하여 소프트 스위칭 구간을 일정하게 형성하기엔 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 홀 소자의 신호 세기에 관계없이 일정한 소프트 스위칭 구간을 형성할 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 구동 장치는, 홀 센서로부터 모터 회전자 위치 측정에 따른 신호를 차동 입력받으며, 내부에 포함되는 복수 개의 저항들의 저항값에 따라 이득이 조절되되, 조절된 이득과 상기 차동 입력에 기초한 증폭신호를 출력하는 홀 신호 입력부와, 상기 홀 신호 입력부의 출력을 각기 다른 전압레벨을 가지는 기준전압들과 각각 비교한 상태값에 기초한 제1 신호 내지 제3 신호를 생성하는 소프트 스위칭 기준신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 모터의 소프트 스위칭 구간에서의 급격한 전류변동과 소음을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 홀 소자의 신호 세기에 관계없이 일정한 소프트 스위칭 구간을 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 드라이버의 구성을 나타내는 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 이득 조절 기능을 갖는 홀 신호 입력부의 내부 회로 구성을 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀의 위치와 소프트 스위칭 구간을 생성하는 소프트 스위칭 기준신호 생성부의 내부 회로 구성을 도시한 도면이고,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 스위칭 기준신호 생성부로부터 출력되는 제1 신호 내지 제3 신호의 파형을 도시한 그래프이고,
도 5는 도 4a 내지 도 4c의 제1 신호 내지 제3 신호와 이에 기초한 PWM 구동 신호의 파형을 도시한 그래프이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 드라이버의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 이득 조절 기능을 갖는 홀 신호 입력부의 내부 회로 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀의 위치와 소프트 스위칭 구간을 생성하는 소프트 스위칭 기준신호 생성부의 내부 회로 구성을 도시한 도면이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 스위칭 기준신호 생성부로부터 출력되는 제1 신호 내지 제3 신호의 파형을 도시한 그래프이고, 도 5는 도 4a 내지 도 4c의 제1 신호 내지 제3 신호와 이에 기초한 PWM 제어신호의 파형을 도시한 그래프이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 구동 장치에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 드라이버(10)는 홀 신호 입력부(100), 소프트 스위칭 기준신호 생성부(200), 구동 제어부(300) 및 구동부(400)를 포함하여 구성된다.
홀 신호 입력부(100)는 홀 센서(2)로부터 모터(1) 회전자 위치 측정에 따른 신호를 차동 입력받으며, 내부에 포함되는 복수 개의 저항들(Rgcd,Rg)의 저항값에 따라 이득이 조절되되, 조절된 이득과 상기 차동 입력에 기초한 증폭신호(Vout)를 출력할 수 있다.
여기서, 홀 신호 입력부(100)는 홀 앰프부(110), 피크 검출기(120) 및 트랜지스터 구동부(130)를 포함하여 구성된다.
홀 앰프부(110)는, 양단자(+)와 음단자(-)를 통한 입력을 비교 출력하는 제1 증폭기(111)와, 양단자(+)와 음단자(-)를 통한 입력을 비교 출력하는 제2 증폭기(112)와, 제1 증폭기(111)와 제2 증폭기(112) 각각의 출력단에 양단이 각각 연결되는 저항(Rg)과, 저항(Rg)과 병렬로 연결되는 복수 개의 트랜지스터들(T1,…,Tn)을 포함할 수 있다.
여기서, 홀 앰프부(110)의 이득은, 복수 개의 트랜지스터들(T1,…,Tn) 중 게이트에 임계전압 이상의 전압이 인가되어 온이 되는 트랜지스터의 온 저항값(Rgcd)과 저항(Rg)의 저항값의 병렬접속에 따른 합성저항(Rgcd//Rg)에 따라 변경될 수 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수 개의 트랜지스터들(T1,…,Tn)은 서로 병렬 연결된 상태이므로, 온이 되는 트랜지스터의 개수가 많을수록 트랜지스터의 합성저항값(Rgcd)은 감소하게 된다.
이때, 홀 앰프부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 증폭기(111) 및 제2 증폭기(112)의 출력단에 각각 연결되는 양단자(+)와 음단자(-)를 통한 입력을 비교 출력하는 제3 증폭기(113)와, 제1 증폭기(111)의 출력단과 저항(Rg) 사이와 제2 증폭기(112)의 출력단과 저항(Rg) 사이에 각각 연결되는 제1 저항(R1)과, 제1 증폭기(111)의 출력단과 제3 증폭기(113)의 입력단 사이와 제2 증폭기(112)의 출력단과 제3 증폭기(113)의 입력단 사이에 각각 연결되는 제2 저항(R2)과, 양단이 제3 증폭기(113)의 입력단 및 출력단에 연결되거나 일단에 출력 오프셋(offset) 전압에 해당하는 기준전압(VREF)이 인가되고 타단은 제3 증폭기(113)의 입력단에 연결되는 제3 저항(R3)을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 홀 앰프부(110)의 출력전압(Vout)은 아래의 수학식 1과 같으므로, 홀 앰프부(110)의 이득(G; gain)은 상기 수학식 1에 기초하여 아래의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112016045236865-pat00001
Figure 112016045236865-pat00002
다만, 본 발명의 홀 앰프부(110)는 도 2에 도시된 실시예로만 한정되진 않으며, 홀 센서(2)로부터 모터(1) 회전자 위치 측정에 따른 신호를 차동 입력받은 후 내부에 포함되는 복수 개의 저항들(Rgcd,Rg)의 저항값에 따라 조절된 이득과 상기 차동 입력에 기초한 증폭신호를 출력하기만 한다면, 다른 다양한 회로 형태로 구성되는 것도 가능하다.
피크 검출기(120)는 제1 증폭기(111) 및 제2 증폭기(112)의 출력에 기초한 증폭신호의 피크값을 감지할 수 있고, 트랜지스터 구동부(130)는 기설정된 전원전압(VDD)을 전압분배함에 따른 복수 개의 기준전압들(Vref1,Vref2,Vref3)과 피크 검출기(120)의 출력을 비교하는 복수 개의 비교기(C1,…,Cn)를 포함하여 트랜지스터들(T1,…,Tn)의 게이트 전압들을 생성하여 출력할 수 있다.
예컨대, 도 2를 참조하면, 만일 피크 검출기(120)에 의해 감지된 피크값이 기설정된 기준값보다 높다면, 복수 개의 트랜지스터들(T1,…,Tn) 중 온 되는 트랜지스터의 개수가 적어져서 트랜지스터의 온 저항값(Rgcd)과 저항(Rg)의 저항값의 병렬접속에 따른 합성저항(Rgcd//Rg)이 커짐에 따라, 홀 앰프부(110)의 최종적인 이득값이 감소하게 된다. 반대로, 상기 피크값이 상기 기준값보다 낮다면, 온 되는 트랜지스터의 개수가 많아져서 합성저항(Rgcd//Rg)이 작아짐에 따라, 홀 앰프부(110)의 최종적인 이득값이 증가하게 된다.
소프트 스위칭 기준신호 생성부(200)는, 홀 신호 입력부(100)의 출력(Vout)을 각기 다른 전압레벨을 가지는 기준전압들(Vref1,Vref2,Vref3)과 각각 비교한 상태값에 기초한 제1 신호 내지 제3 신호를 생성할 수 있다.
구체적으로, 소프트 스위칭 기준신호 생성부(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 복수 개의 비교기(201,202,203)를 포함하여, 제1 비교기(201)를 이용하여 홀 신호 입력부(100)의 출력(Vout)을 입력받아 기설정된 제1 전압값(Vref1)과 비교함에 따른 출력신호인 제1 신호(Hall)와, 제2 비교기(142)를 이용하여 홀 신호 입력부(100)의 출력(Vout)을 입력받아 상기 제1 전압값보다 큰 제2 전압값(Vref2)과 비교함에 따른 출력신호인 제2 신호(Lead)와, 제3 비교기(143)를 이용하여 홀 신호 입력부(100)의 출력(Vout)을 입력받아 상기 제1 전압값보다 작은 제3 전압값(Vref3)과 비교함에 따른 출력신호인 제3 신호(Lag)를 각각 생성할 수 있다.
예컨대, 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 기설정된 제1 전압값(Vref1), 제2 전압값(Vref2) 및 제3 전압값(Vref3)이 1.3V, 1.8V, 0.9V일 때, 홀 신호 입력부(100)의 출력신호가 약 0.6V의 진폭을 가지는 경우, 소프트 스위칭 기준신호 생성부(200)는, 도 4a에 도시된 바와 같이 홀 신호 입력부(100)의 출력신호와 제1 전압값(Vref1)인 '1.3V'를 비교한 결과에 기초하여 제1 신호(Hall)를 출력하고, 도 4b에 도시된 바와 같이, 홀 신호 입력부(100)의 출력신호와 제2 전압값(Vref2)인 '1.8V'를 비교한 결과에 기초하여 제2 신호(Lead)를 출력하고, 도 4c에 도시된 바와 같이, 홀 신호 입력부(100)의 출력신호와 제3 전압값(Vref3)인 '0.9V'를 비교한 결과에 기초하여 제3 신호(Lag)를 출력하게 된다.
구동 제어부(300)는, 제1 신호(Hall)의 천이 시점을 기준으로 전후 시점에 발생한 제2 신호(Lead)와 제3 신호(Lag)에 기초하여, 기설정된 PWM 듀티비를 점진적으로 감소시키는 소프트 스위칭 온(soft switching on) 구간과 기설정된 PWM 듀티비를 점진적으로 증가시키는 소프트 스위칭 오프(soft switching off) 구간을 만들 수 있다.
구체적으로, 구동 제어부(300)는, 제2 신호(Lead)의 상승 에지 또는 제3 신호(Lag)의 하강 에지가 발생한 시점부터 제1 신호(Hall)의 천이 시점, 즉, 상승 에지(rising edge) 또는 하강 에지(falling edge)가 발생한 시점까지의 구간을 소프트 스위칭 온 구간으로 생성하고, 제1 신호(Hall)의 천이 시점부터 제3 신호(Lag)의 하강 에지 또는 제2 신호(Lead)의 상승 에지가 발생한 시점까지의 구간을 소프트 스위칭 오프 구간으로 생성할 수 있다.
예컨대, 도 5를 참조하면, 제2 신호(Lead)의 상승 에지가 발생한 시점(t-a)부터 제1 신호(Hall)의 하강 에지가 발생한 시점(t)까지의 구간을 소프트 스위칭 온 구간으로 생성하고, 제1 신호(Hall)의 하강 에지가 발생한 시점(t)부터 제3 신호(Lag)의 하강 에지가 발생한 시점(t+a)까지의 구간을 소프트 스위칭 오프 구간으로 생성하게 된다.
구동부(400)는, 구동 제어부(300)에서 생성한 소프트 스위칭 온 구간 및 소프트 스위칭 오프 구간에 기초하여 모터(1)의 회전 속도를 제어할 수 있다.
예컨대, 도 5를 참조하면, 구동부(400)의 내부에 구동 제어부(300)로부터 출력되는 신호를 게이트 입력으로 받는 제1 스위치(P1)와 제2 스위치(P2)가 포함될 때, 제1 스위치(P1)의 PWM 구동 신호는 소프트 스위칭 온 구간, 즉, 제2 신호(Lead)의 상승 에지가 발생한 시점(t-a)부터 제1 신호(Hall)의 천이 시점(t)까지의 구간 동안 듀티비가 점진적으로 감소하는 파형을 나타내고, 제2 스위치(P2)의 PWM 구동 신호는 소프트 스위칭 오프 구간, 즉, 제1 신호(Hall)의 천이 시점(t)부터 제3 신호(Lag)의 하강 에지가 발생한 시점(t+a)까지의 구간 동안 듀티비가 점진적으로 증가하는 파형을 나타내게 된다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 모터의 소프트 스위칭 구간에서의 급격한 전류변동과 소음을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 홀 소자의 신호 세기에 관계없이 일정한 소프트 스위칭 구간을 형성할 수 있는 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
1: 모터 2: 홀 센서
10: 모터 드라이버 100: 홀 신호 입력부
110: 홀 앰프부 111: 제1 증폭기
112: 제2 증폭기 113: 제3 증폭기
120: 피크 검출기 130: 트랜지스터 구동부
200: 소프트 스위칭 기준신호 생성부 201: 제1 비교기
202: 제2 비교기 203: 제3 비교기
300: 구동 제어부 400: 구동부

Claims (5)

  1. 홀 센서로부터 모터 회전자 위치 측정에 따른 신호를 차동 입력받으며, 내부에 포함되는 복수 개의 저항들의 저항값에 따라 이득이 조절되되, 조절된 이득과 상기 차동 입력에 기초한 증폭신호를 출력하는 홀 신호 입력부; 및
    상기 홀 신호 입력부의 출력을 각기 다른 전압레벨을 가지는 기준전압들과 각각 비교한 상태값에 기초한 제1 신호 내지 제3 신호를 생성하는 소프트 스위칭 기준신호 생성부를 포함하며,
    상기 홀 신호 입력부는,
    양단자와 음단자를 통한 입력을 비교 출력하는 제1 증폭기;
    양단자와 음단자를 통한 입력을 비교 출력하는 제2 증폭기;
    상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기 각각의 출력단에 양단이 각각 연결되는 저항; 및
    상기 저항과 병렬로 연결되는 복수 개의 트랜지스터들을 포함하는 홀 앰프부를 포함하며,
    상기 홀 앰프부는, 상기 복수 개의 트랜지스터들 중 게이트에 임계전압 이상의 전압이 인가되어 온이 되는 트랜지스터의 온 저항값과 상기 저항의 저항값의 병렬접속에 따른 합성저항에 따라 이득이 변경되는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 구동 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홀 신호 입력부는,
    상기 홀 앰프부에서 출력되는 증폭신호의 피크값을 감지하는 피크 검출기; 및
    기설정된 전원전압을 전압분배함에 따른 복수 개의 기준전압들과 상기 피크 검출기의 출력을 비교하는 복수 개의 비교기를 포함하여 상기 트랜지스터들의 게이트 전압들을 생성하여 출력하는 트랜지스터 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소프트 스위칭 기준신호 생성부는,
    상기 홀 신호 입력부의 출력을 입력받아 기설정된 제1 전압값과 비교함에 따른 출력신호인 제1 신호와, 상기 홀 신호 입력부의 출력을 입력받아 상기 제1 전압값보다 큰 제2 전압값과 비교함에 따른 출력신호인 제2 신호와, 상기 홀 신호 입력부의 출력을 입력받아 상기 제1 전압값보다 작은 제3 전압값과 비교함에 따른 출력신호인 제3 신호를 각각 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 신호의 천이 시점을 기준으로 전후 시점에 발생한 상기 제2 신호와 상기 제3 신호에 기초하여, 기설정된 PWM 듀티비를 점진적으로 감소시키는 소프트 스위칭 온 구간과 기설정된 PWM 듀티비를 점진적으로 증가시키는 소프트 스위칭 오프 구간을 생성하는 구동 제어부; 및
    생성된 소프트 스위칭 온 구간 및 소프트 스위칭 오프 구간에 기초하여 상기 모터의 회전 속도를 제어하는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 기능을 가지는 모터 구동 장치.
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