KR19990074896A - Detection circuit of zero crossing point of counter electromotive force - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3상 무쇄자 직류모터에서 3상코일에 발생되는 역기전력을 검지하는 회로에 관한 것이다. 본 발명의 역기전력 검지회로는 교류전원을 직류로 정류하는 정류부와, 3상 코일에 구동전압을 인가하는 구동스위치부와, 3상 코일과 구동스위치부 사이에 연결되어 3상 코일의 역기전압을 인가받는 제 1 저항과, 제 1 저항에 직렬로 연결되어 역기전압을 분압하는 제 2 저항과, 제 2 저항에 병렬로 연결되어 분압된 역기전압을 충전하는 콘덴서와, 콘덴서와 제 2 저항에 병렬로 연결된 제 3 저항과, 제 3 저항에 직렬로 연결되고, 소정의 제어신호에 의해 제 1 저항과 제2저항을 통해 콘덴서에 역기전압이 충전되도록 하고, 제 3 저항을 통해 콘덴서의 전압이 방전되도록 조절하는 스위치소자와, 인가저항에 인가된 역기전압이 입력되는 비반전입력단과, 정류부에서 정류된 직류전압이 입력되는 반전입력단으로 구성된 비교기, 및 비교기의 출력을 인가받아 정류논리신호를 출력하는 정류논리부와, 펄스폭변조신호(PWM)를 발생하는 펄스폭변조부; 그리고, 펄스폭변조신호와 정류논리신호를 인가받아 제어신호를 생성하는 오픈상(phase) 선택부가 포함된 것이 특징이다.The present invention relates to a circuit for detecting back electromotive force generated in a three-phase coil in a three-phase non-chain DC motor. The counter electromotive force detecting circuit of the present invention is connected between a rectifying unit for rectifying AC power to DC, a driving switch unit for applying a driving voltage to the three-phase coil, and a three-phase coil and the driving switch unit to apply the counter electromotive voltage of the three-phase coil. A first resistor to receive, a second resistor connected in series to the first resistor to divide the counter electromotive voltage, a capacitor connected in parallel to the second resistor to charge the divided counter electromotive voltage, and a parallel to the capacitor and the second resistor. A third resistor connected in series and a third resistor connected in series, and the counter voltage is charged to the capacitor through the first resistor and the second resistor by a predetermined control signal, and the voltage of the capacitor is discharged through the third resistor. A comparator comprising a switching element for adjusting, a non-inverting input terminal for receiving a counter voltage applied to an applied resistor, an inverting input terminal for receiving a DC voltage rectified by the rectifying unit, and an output of the comparator Current and rectifying the logic unit and outputting a logic signal, the pulse width to generate a pulse width modulated signal (PWM) modulator; In addition, an open phase selector for generating a control signal by receiving a pulse width modulated signal and a rectified logic signal is included.
Description
본 발명은 무쇄자직류모터(이하 BLDC:Brushless DC Motor)의 구동회로에 관한 것으로, 특히 모터에서 발생된 역기전력의 제로 교차점(zero cross)의 검지회로에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a drive circuit for a brushless DC motor (hereinafter referred to as BLDC) and, more particularly, to a zero cross detection circuit of counter electromotive force generated in a motor.
BLDC 모터는 도 1에 나타낸 것과 같이 U, V, W 세 개의 코일(11, 12, 13)과 회전자(rotor)(14)로 구성되어 있다. BLDC 모터는 각 코일에 번갈아 하이(H), 로(L) 전압이 인가되며, 중간에 오픈상태가 존재한다. 그 전압에 의해 코일에 발생된 자기력이 모터의 회전자를 회전시켜 구동된다. 이 때, 모터는 회전시 도 2에 나타낸 것과 같은 역기전력이 발생한다.The BLDC motor is composed of three coils 11, 12, and 13 and a rotor 14 as shown in FIG. 1. The BLDC motor is applied with alternating high (H) and low (L) voltages to each coil, and an open state exists in the middle. The magnetic force generated in the coil by the voltage is driven by rotating the rotor of the motor. At this time, the motor generates counter electromotive force as shown in FIG. 2 during rotation.
모터를 제어하는 마이컴은 이 역기전력이 공통점의 제로 위상과 교차하는 위치마다 반전되는 위치검출신호(zero-EMF)를 생성하고, 이 위치검출신호에 따라 각 코일에 전압을 인가한다. 이 위치검출신호는 역기전력신호의 제로교차점(zero cross)을 의미하고, 그 주기는 모터의 회전속도에 따라 달라진다. 따라서, 위치검출신호에 의해 회전자의 위치를 알 수 있다. 즉, 모터는 위치검출신호와 코일에 인가되는 전압이 지속적으로 상호참조하면서 구동되는 것이다.The microcomputer controlling the motor generates a position detection signal (zero-EMF) in which the counter electromotive force is inverted at each position crossing the zero phase of the common point, and applies a voltage to each coil in accordance with the position detection signal. This position detection signal means a zero cross of the counter electromotive force signal, the period of which depends on the rotational speed of the motor. Therefore, the position of the rotor can be known by the position detection signal. That is, the motor is driven while the position detection signal and the voltage applied to the coil are continuously cross-referenced.
역기전력의 제로교차점을 검지하면, 위치검출신호를 구할 수 있다. 이러한 역기전력의 제로교차점을 구하기 위해 오픈(open)상태에서 코일에 유기된 전압을 검지하는 종래의 검출회로는 도 3에 나타낸 것과 같다.When the zero crossing point of the counter electromotive force is detected, the position detection signal can be obtained. The conventional detection circuit for detecting the voltage induced in the coil in the open state to obtain the zero crossing point of the counter electromotive force is as shown in FIG.
종래의 검출회로는 모터(10)의 각 코일에 연결되어 오픈전압을 검출하는 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2)과 제 2 저항(R2)에 병렬로 연결된 콘덴서(C) 그리고, 비교기(50)와 스위칭소자(20), PWM발생기(40), 및 정류논리회로(Commutation Logic)(30)로 구성되어 있다. 제 2 저항(R2)에 병렬로 연결된 콘덴서는 잡음에 의해 역기전력이 잘못 감지되는 것을 방지하기 위해 설치된 것이다. 이 콘덴서의 용량이 작으면 검출회로가 잡음에 취약하게 된다. 모터의 권선에 유기된 역기전력 신호는 PWM과 동기하는데, 콘덴서는 이 동기된 역기전력신호를 충전 또는, 방전한다.The conventional detection circuit includes a first resistor R1 connected to each coil of the motor 10 to detect an open voltage, a capacitor C connected in parallel to the second resistor R2, and a second resistor R2, and Comparator 50, switching element 20, PWM generator 40, and commutation logic (Commutation Logic) (30). The capacitor connected in parallel to the second resistor R2 is installed to prevent the counter electromotive force from being incorrectly detected by the noise. The small capacity of this capacitor makes the detection circuit vulnerable to noise. The back electromotive force signal induced in the winding of the motor is synchronized with the PWM, and the capacitor charges or discharges the synchronized back electromotive force signal.
비교기의 비반전입력단(+)은 모터의 코일에 인가되는 전압이 입력되는데, 그 코일이 오픈상태일 때에는 코일에 유기되는 역기전력이 인가된다. 그리고, 비교기의 반전입력단(-)은 모터의 중성점과 같은 값의 직류전압이 입력되고, 비교기의 출력값은 정류논리회로에 입력되도록 구성된다. 이 비교기의 출력값이 바로 오픈전압의 역기전력 신호로서 도 4에 나타낸 것과 같은 PWM(Pulse Width Modulation)파형에 동기되어 출력된다.The non-inverting input terminal (+) of the comparator receives a voltage applied to the coil of the motor. When the coil is open, the counter electromotive force is induced to the coil. The inverting input terminal (-) of the comparator is configured such that a DC voltage having the same value as the neutral point of the motor is input, and the output value of the comparator is input to the rectification logic circuit. The output value of this comparator is a back electromotive force signal of an open voltage and is output in synchronization with a PWM (Pulse Width Modulation) waveform as shown in FIG.
그런데, 종래의 역기전력의 검출회로는 다음과 같은 문제점이 있다. 도 3에 나타낸 회로는 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2)에 의해 분압된 전압이 비교기 각각의 비반전입력단에 인가되도록 구성되어 있다. 그런데, 비교기의 비반전입력단에는 콘덴서(C)와 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2)에 의한 충방전시정수를 가지는 신호가 인가된다. 이 때, 콘덴서의 용량이 너무 크게 되면, 회로의 RC시정수가 높아 방전이 느리게 진행되는 현상이 발생된다. 그러면, 도 5에 나타낸 것과 같은 파형이 비교기에 입력되므로, 한 번 역기전력 신호의 감지를 실패하면, 다음 주기의 역기전력 신호를 검지할 수 없게 되어 정류시기(Commutation)를 놓치는 문제점이 발생한다.However, the conventional counter electromotive force detection circuit has the following problems. The circuit shown in Fig. 3 is configured such that the voltage divided by the first resistor R1 and the second resistor R2 is applied to the non-inverting input terminal of each of the comparators. However, a signal having a charge / discharge time constant by the capacitor C, the first resistor R1, and the second resistor R2 is applied to the non-inverting input terminal of the comparator. At this time, if the capacity of the capacitor is too large, the phenomenon that the discharge progresses slowly occurs because the RC time constant of the circuit is high. Then, since the waveform as shown in FIG. 5 is input to the comparator, if the detection of the back EMF signal fails once, the back EMF signal of the next cycle cannot be detected, resulting in a problem of missing the commutation time.
이러한 RC시정수를 줄이기 위해 저항 R2를 작게 하면, 분압비를 맞추기 위해 R1도 작게 해야 한다. 하지만, 저항 R1과 R2가 모두 작게 되면, 회로의 소비전력량이 증가되는 문제가 있다. 그래서, 종래의 검출회로는 PWM신호의 듀티(Duty)비를 증가시키는 데에 한계가 있다.If the resistance R2 is made small to reduce this RC time constant, the R1 should be made small to match the partial pressure ratio. However, when both the resistors R1 and R2 are small, there is a problem that the power consumption of the circuit increases. Therefore, the conventional detection circuit has a limitation in increasing the duty ratio of the PWM signal.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 콘덴서의 방전속도를 증가시켜 역기전력의 검지시기를 정확하게 설정함으로써 역기전력의 제로교차점을 정확히 검지하는 데에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve this problem, and an object thereof is to accurately detect the zero crossing point of the counter electromotive force by accurately setting the detection timing of the counter electromotive force by increasing the discharge speed of the capacitor.
도 1은 무쇄자직류(BLDC : Brushless DC)모터의 개략적인 구성을 나타낸 도면.1 is a view showing a schematic configuration of a brushless DC (BLDC) motor.
도 2는 BLDC모터의 각 코일에 발생되는 역기전력의 파형을 나타낸 도면.2 shows waveforms of back EMF generated in each coil of a BLDC motor.
도 3은 BLDC모터의 각 코일에 인가된 오픈전압(O)을 검지하는 종래의 검출회로.3 is a conventional detection circuit for detecting an open voltage O applied to each coil of a BLDC motor.
도 4는 오픈전압의 역기전력 신호로서 PWM(Pulse Width Modulation)파형을 나타낸 도면.4 is a diagram showing a pulse width modulation (PWM) waveform as a counter electromotive force signal of an open voltage;
도 5는 콘덴서의 방전이 느려 역기전력을 검지할 수 없는 비교기의 출력파형.5 is an output waveform of a comparator in which the discharge of the capacitor is slow and the back EMF cannot be detected.
도 6은 오픈전압을 검지하는 본 발명의 검출회로.6 is a detection circuit of the present invention for detecting an open voltage.
도 7은 본 발명의 오픈전압선택부의 구조를 나타낸 논리회로도.7 is a logic circuit diagram showing a structure of an open voltage selector of the present invention.
도 8은 상기 도 7의 OR게이트에 각각 입력되는 파형과 출력되는 파형을 도시한 그래프.FIG. 8 is a graph illustrating waveforms input to and output waveforms of the OR gate of FIG.
도 9은 종래보다 빨라진 콘덴서의 방전속도에 의해 나타난 비교기의 출력파형.9 is an output waveform of the comparator represented by the discharge speed of the capacitor faster than the conventional.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
100 : 정류부 200 : 모터100: rectifier 200: motor
300 : 오픈전압선택부 400 : 구동스위치부300: open voltage selector 400: drive switch
500 : 정류논리부 600 : 펄스폭변조부500: rectification logic section 600: pulse width modulation section
700 : 스위치소자 800 : 비교기700: switch element 800: comparator
본 발명의 구성은 첨부된 도면, 도 6에 나타낸 것과 같다.The configuration of the present invention is as shown in the accompanying drawings, FIG.
본 발명은 교류전원을 직류로 정류하는 정류부(100)와, 모터(200)의 3상코일에 구동전압을 인가하는 구동스위치부(400)와, 3상코일과 구동스위치부 사이에 연결되어 3상코일에서 발생되는 역기전압을 인가받는 제 1 저항(R1)과, 제1저항에 직렬로 연결되어 역기전압을 분압하는 제 2 저항(R2), 제 2 저항에 병렬로 연결되어 분압된 역기전압을 충전하는 콘덴서(C), 콘덴서와 제 2 저항에 병렬로 연결된 제3저항(R3), 상기 제 3 저항에 직렬로 연결되어 소정의 제어신호에 의해 제 1 저항과 제 2 저항을 통해 콘덴서에 역기전압이 충전되도록 하고, 제 3 저항을 통해 콘덴서의 역기전압이 방전되도록 하는 스위치소자(700) 및, 콘덴서에서 방전된 역기전압이 비반전입력단에 인가되고 정류부에서 정류된 직류전압이 반전입력단에 입력되는 비교기(800), 비교기의 출력신호를 인가받아 정류논리신호를 출력하는 정류논리부(500)와, PWM신호를 생성하는 펄스폭변조부(600), 그리고 PWM신호와 정류논리신호를 인가받아 제어신호를 생성하여 스위치소자에 인가하는 오픈전압선택부(300)가 포함된 것을 특징으로 한다.The present invention is connected between the rectifying unit 100 for rectifying the AC power to DC, the drive switch unit 400 for applying a drive voltage to the three-phase coil of the motor 200, and is connected between the three-phase coil and the drive switch unit 3 The first resistor R1 receives the counter voltage generated from the phase coil, the second resistor R2 connected in series to the first resistor and divides the counter voltage, and the counter voltage divided in parallel with the second resistor. A capacitor (C) for charging a capacitor, a third resistor (R3) connected in parallel to the capacitor and a second resistor, and connected in series with the third resistor and connected to the capacitor through the first and second resistors by a predetermined control signal. A switch element 700 for charging the counter electromotive voltage and discharging the counter electromotive voltage of the capacitor through the third resistor, and the counter electromotive voltage discharged from the capacitor is applied to the non-inverting input terminal and the DC voltage rectified by the rectifier is applied to the inverting input terminal. Input comparator 800, output signal of the comparator The rectification logic unit 500 is applied to output the rectified logic signal, the pulse width modulator 600 for generating the PWM signal, and the PWM signal and the rectified logic signal are applied to generate a control signal and apply it to the switch element. The voltage selector 300 is included.
스위치소자는 트랜지스터로 구성될 수 있는데, 에미터는 제2저항과 콘덴서의 공통접점에 연결되고, 콜렉터는 제3저항에 연결되며, 베이스는 오픈전압선택부에 연결되어 제어신호를 인가받는다. 오픈전압선택부에 의해 베이스가 제어신호를 인가받으면, 트랜지스터가 도통(turn on)되어 콘덴서에 충전된 역기전압이 제3저항을 통해 방전된다.The switch element may be composed of a transistor, the emitter is connected to the common contact of the second resistor and the capacitor, the collector is connected to the third resistor, and the base is connected to the open voltage selector to receive a control signal. When the base receives the control signal by the open voltage selector, the transistor is turned on and the counter voltage charged in the capacitor is discharged through the third resistor.
오픈전압선택부는 도 7에 나타낸 것과 같이 NOT게이트와 OR게이트로 구성될 수 있다. NOT게이트는 정류논리신호(commutation logic)의 위상을 반전시키고, OR게이트는 NOT게이트의 출력신호와 PWM신호를 인가받아 그의 논리합연산신호를 스위치소자의 제어신호로서 출력한다. 만약, 스위치소자가 트랜지스터로 구성되었다면, 논리합연산신호는 트랜지스터의 베이스에 입력된다.The open voltage selector may be composed of a NOT gate and an OR gate as shown in FIG. 7. The NOT gate inverts the phase of the commutation logic signal, and the OR gate receives the output signal and the PWM signal of the NOT gate and outputs the logic sum operation signal as a control signal of the switch element. If the switch element is composed of a transistor, the logic operation signal is input to the base of the transistor.
도 7에 나타낸 오픈전압선택부에 입력되는 파형과 오픈전압선택부의 출력신호의 파형은 도 8에 나타낸 것과 같다. 오픈전압선택부에서 입력되는 신호는 정류논리신호와 PWM신호이다. 그리고, 오픈전압선택부의 출력신호는 정류논리신호를 반전시킨 신호와 PWM신호가 논리합연산된 파형을 갖는다.The waveforms input to the open voltage selector shown in FIG. 7 and the waveforms of the output signals of the open voltage selector are shown in FIG. 8. The signals input from the open voltage selector are a rectified logic signal and a PWM signal. The output signal of the open voltage selector has a waveform in which a signal obtained by inverting the rectified logic signal and a PWM signal are logically operated on.
그리고, 스위치소자에 직렬로 연결된 제3저항은 제2저항에 비해 저항값이 매우 작다. 따라서, 스위치소자가 도통되었을 때, 콘덴서에서 방전되는 역기전압의 전류는 제3저항을 통해 흐른다. 왜냐하면, 제2저항은 제3저항에 비해 월등히 높도록 구성되어 있으므로, 제2저항보다 제3저항을 통해 흐르는 전류가 훨씬 많기 때문이다.The third resistor connected in series with the switch element has a very small resistance value as compared with the second resistor. Therefore, when the switch element is conducted, the current of the counter electromotive voltage discharged from the capacitor flows through the third resistor. This is because the second resistor is configured to be much higher than the third resistor, so that there is much more current flowing through the third resistor than the second resistor.
결국 콘덴서의 역기전압은 제2저항을 통해 방전되는 것보다 제3저항을 통해 방전되는 것이 훨씬 빠르므로, 도 9에 나타낸 것과 같은 파형을 갖는다. 이 때, 마이컴은 콘덴서에 역기전력이 충전되는 시점을 그 콘덴서에 연결된 코일의 역기전력 검지시점으로 한다.As a result, the counter electromotive voltage of the capacitor is much faster to discharge through the third resistor than to discharge through the second resistor, and thus has a waveform as shown in FIG. At this time, the microcomputer assumes the point of time when the counter electromotive force is charged in the capacitor and the counter electromotive force of the coil connected to the capacitor.
이하 본 발명의 동작원리를 설명하도록 한다.Hereinafter, the operation principle of the present invention.
발명의 정류부(100)는 상용전원인 교류전압을 직류로 정류하여 구동스위치부(400)에 인가한다. 구동스위치부는 직류전압을 3상 전압으로 바꾸어 모터(200)의 각 코일(U, V, W)에 인가한다. 3상전압에 의해 모터는 회전하게 되고, 이 때 모터의 각 코일에서 주기적으로 역기전압이 발생된다.The rectifier 100 according to the present invention rectifies an AC voltage, which is a commercial power source, into a direct current, and applies it to the driving switch unit 400. The driving switch unit converts the DC voltage into a three-phase voltage and applies it to the respective coils U, V, and W of the motor 200. The motor rotates by the three-phase voltage, and at this time, the counter electromotive voltage is periodically generated in each coil of the motor.
각 코일(U, V, W)과 구동스위치부(400) 사이에 연결된 제1저항(R1)과 제2저항(R2)은 역기전압을 인가받고, 콘덴서(C)는 제2저항에 의해 분압된 역기전압을 충전한다. 이 때, U코일에 연결된 콘덴서는 U코일에 발생된 역기전압을 충전하고, V코일에 연결된 콘덴서는 V코일에 발생된 역기전압을 충전하며, W코일에 연결된 콘덴서는 W코일에 발생된 역기전압을 충전한다.The first resistor R1 and the second resistor R2 connected between the coils U, V, and W and the driving switch unit 400 receive a counter voltage, and the capacitor C divides the voltage by the second resistor. Charge the counter voltage. At this time, the capacitor connected to the U coil charges the counter voltage generated in the U coil, the capacitor connected to the V coil charges the counter voltage generated in the V coil, and the capacitor connected to the W coil is generated in the W coil. To charge.
그리고, 제3저항(R3)은 콘덴서에 충전된 역기전압에 의한 전류를 통과시킨다. 상술한 바와 같이 제3저항은 제2저항보다 저항이 월등히 낮으므로, 전류가 제2저항을 통과하지 않고 제3저항을 통과한다.The third resistor R3 passes a current caused by the counter electromotive voltage charged in the capacitor. As described above, since the resistance of the third resistor is much lower than that of the second resistor, the current passes through the third resistor without passing through the second resistor.
스위치소자(700)는 소정의 제어신호에 의해 콘덴서에서 전압이 방전되는 시점에 도통(turn on)되어 콘덴서의 전류가 제3저항에 흐르게 하고, 콘덴서에 전압이 충전되는 시점에는 차단(turn off)되어 역기전압에 의한 전류가 제2저항에 인가되도록 한다.The switch element 700 is turned on at the time when the voltage is discharged from the capacitor by a predetermined control signal so that the current of the capacitor flows to the third resistor, and is turned off when the voltage is charged to the capacitor. The current caused by the counter electromotive voltage is applied to the second resistor.
비교기(800)는 콘덴서에서 방전된 역기전압과 직류전압을 인가받아 정류논리부(500)에 출력한다. 정류논리부는 비교기의 출력신호에 의해 역기전압의 제로교차점(zero cross)를 검출하여 정류논리신호를 출력한다. 펄스폭변조부(600)는 전압이 소정의 듀티비에 의해 진동하는 PWM신호를 출력한다.The comparator 800 receives the counter voltage and the DC voltage discharged from the capacitor and outputs them to the rectification logic unit 500. The rectifying logic unit outputs a rectifying logic signal by detecting a zero cross point of the counter electromotive voltage by the output signal of the comparator. The pulse width modulator 600 outputs a PWM signal whose voltage is vibrated by a predetermined duty ratio.
본 발명의 특징인 오픈전압선택부(300)는 PWM신호와 정류논리신호를 인가받아 스위치소자에 제어신호를 인가하여 역기전압의 충전과 방전을 제어한다. 상술한 바와 같이 스위치소자에 도통(turn on)신호를 인가하면, 콘덴서에 충전된 전압이 제3저항을 통해 방전되고, 차단(turn off)신호를 인가하면, 제2저항을 통해 콘덴서에 전압이 충전된다.The open voltage selector 300, which is a feature of the present invention, receives a PWM signal and a rectified logic signal, and applies a control signal to the switch element to control the charge and discharge of the counter voltage. As described above, when the turn on signal is applied to the switch element, the voltage charged in the capacitor is discharged through the third resistor, and when the turn off signal is applied, the voltage is applied to the capacitor through the second resistor. Is charged.
본 발명은 역기전압을 충전하고 있는 콘덴서의 방전속도가 빨라 역기전력을 정확하게 검출할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명은 PWM신호의 듀티비를 종래보다 증가시킴으로써 모터의 구동능력을 높일 수 있을 뿐만 아니라, PWM신호의 듀티비를 종래에 비해 높게 설정해도 종래보다 빠른 콘덴서의 방전속도로 인해 정류논리신호(Commutation Logic)를 정확히 설정할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect that the discharge speed of the capacitor charging the counter electromotive voltage is fast, so that the counter electromotive force can be accurately detected. Therefore, the present invention not only increases the driving capability of the motor by increasing the duty ratio of the PWM signal, but also sets the duty ratio of the PWM signal higher than that of the related art. (Commutation Logic) can be set correctly.
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