KR20000014512A - 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로 - Google Patents

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Abstract

이 발명은 센서리스 3상 비엘디시 모터의 초기 기동 특성을 향상시키고, 모터의 정속 운전시 지연 회로나 스너버 회로를 이용하지 않으면서 정류 과정에서 소프트-스위칭이 가능하도록 한 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로에 관한 것으로서,
모터 초기 기동시 강제 정류 시간 동안 고정자 코일의 각 상전압의 크기를 계속적으로 모니터링하여 모터의 가속 가능성을 보다 정확히 판단한 후 모터의 위치에 알맞는 정류를 시행할 수 있도록 하고, 모터의 가속 또는 정속 운전시 상기 고정자 코일의 각 상전압과 중성점 전압을 이용하여 정속 클럭 신호를 생성한 후 이 신호에 동기된 계단 전압과 삼각 파형의 공통 전압을 생성하여 이를 출력 구동 회로에 인가함으로써 최적의 정류 시점에서 정류를 수행할 수 있게 하는 정류 회로에 관한 것이다.

Description

센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로
이 발명은 3상 비엘디시 모터에 관한 것으로서, 특히 센서리스(sensorless) 3상 비엘디시 모터의 정류 회로에 관한 것이다.
기존의 홀 센서(hall sensor)를 사용하여 3상 비엘디시(BLDC;brushless direct current) 모터를 구동하는 방식에서는, 홀 센서를 통해 제공된 영구 자석(모터의 회전자)의 홀 신호를 모터 회전자의 절대적 위치 정보로 이용하여 정류(commutation)를 수행한다.
그리고, 이러한 홀 신호를 이용하면 모터의 정속 운전시 홀 신호의 위상 뿐만 아니라 홀 신호의 크기도 고려하여 정류를 수행할 수 있는 소프트-스위칭(soft-switching)이 가능해지며, 초기 기동시에도 회전자의 위치에 맞게 정류를 원할하게 수행할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래 3개의 홀 센서를 사용하는 3상 비엘디시 모터 정류 회로에서 출력 구동 회로의 입력부를 나타낸 것이다. 도 1에 나타난 바와 같이 종래 출력 구동 회로의 입력부는 3개의 에미터 커플드 패어(emitter coupled pair;10, 20, 30)로 이루어져 있고, 각 에미터 커플드 패어에는 서로 180도의 위상차를 갖는 1쌍의 홀 신호(U_Hall+와 U_Hall-, V_Hall+와 V_Hall-, W_Hall+와 W_Hall-)가 각각 입력된다. 이 때, 각 에미터 커플드 패어로 입력된 두 홀 신호의 차가 100mV(=4VT, VT:열전압) 이내의 구간에서는 출력 전류(Ic1∼Ic6)가 선형적으로 증가하거나 감소하지만, 100mV 이상의 전압차를 갖는 구간에서는 전류원(IEE)에 의해 제한된 전류값을 출력한다. 이처럼 출력 전류(Ic1∼Ic6)가 두 홀 신호의 차이 전압에 의해서 선형적으로 증감한다는 것은 출력 구동 회로의 출력부에 있는 인버터(inverter) 회로의 스위칭 소자들이 소프트-스위칭될 수 있음을 의미하는 것이고, 이는 모터의 고정자 코일을 여자시키기 위해서 흐르는 여자 전류가 급격하게 변화하지 않아 모터가 스파크(spark)의 유발없이 원할하게 회전할 수 있음을 의미하기도 한다.
반면, 센서를 사용하지 않는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 경우는, 홀 신호 대신에 고정자 코일의 3개의 상 중 2개의 상을 여자시킬 때 여자되지 않은 나머지 한 상에서 발생하는 역기전력이 사용되는데, 이 역기전력과 고정자 코일의 중성점 전압과 교차되는 지점, 즉 제로-크로스 포인트(zero-cross point)를 검출하여 이를 모터 회전자의 절대적 위치 정보로 이용하여 정류를 수행한다.
도 2에 도시된 타이밍도는 종래 3개의 홀 신호를 사용하는 3상 비엘디시 모터의 정류 시점과 센서리스 3상 비엘디시 모터의 제로-크로스 포인트를 나타내고 있다.
먼저, (a)는 하나의 홀 센서로부터 출력되는 양의 홀 신호와 음의 홀 신호의 차이 전압(ΔU_Hall)이 100mV 이내인 구간을 나타낸 것이다. 바로 이 구간이 소프트-스위칭이 가능한 정상적인 정류 시점이 된다. 그리고, (b)는 홀 센서를 사용하지 않는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 경우 역기전력(U_BEMF)과 중성점 전압(NS)과의 교차점, 즉 제로-크로스 포인트를 나타낸 것으로서, 모터의 정속 운전시 이 제로-크로스 포인트는 정상적인 정류 시점보다 전기적으로 30도가 앞선다는 것을 알 수 있다.
그러므로, 센서리스 3상 비엘디시 모터의 경우 역기전력을 사용하여 정류를 하고자 한다면, 지연 회로 등을 이용하여 역기전력의 위상을 전기적으로 30도 만큼 먼저 지연시킨 후 제로-크로스 포인트를 검출하여 이를 정류하는 데에 사용해야 한다.
그러나, 이러한 지연 회로를 구현하기 위해서는 많은 지연용 소자들이 필요하기 때문에 시스템의 구성이 복잡해진다는 문제점이 있고, 이 외에도 코일에 흐르는 전류와 코일 자체 저항 등으로 인하여 순수한 역기전력만을 검출하는 일이 어렵다는 문제점이 존재한다. 또한, 순수한 역기전력을 검출했다 하더라도 이를 이용한 정류 방식이 하드-스위칭(hard-switching) 방식이기 때문에, 스위칭 과정에서 스파크를 유발할 수 있고 이로 인해 전자기 방해(electromagnetic interference) 특성을 악화시켜 이를 방지하기 위한 스너버(snubber) 회로의 사용이 불가피해지게 된다는 또다른 문제점이 존재한다.
한편, 정지해 있는 센서리스 3상 비엘디시 모터를 기동하고자 하는 경우에는 역기전력이 발생하지 않고 회전자의 위치에 대한 정보(홀 신호)를 제공하는 센서도 부재하기 때문에, 일단 강제적으로 정류를 시작하고 이에 따라서 검출되어진 역기전력에 대한 정보를 이용하여 위치에 맞는 정류를 진행해야 한다.
그러나, 초기 강제 기동에 의해 얻어질 수 있는 정보는 모터가 가속을 하여 어느 정도의 속도로 회전하는 경우에 얻어지는 정보와는 달리 다소 불확실한 정보가 될 수 있다. 그리고 이러한 불확실한 정보에 따른 정류는 모터의 초기 기동 특성을 나쁘게 만들어 순차적인 정류가 진행되지 못하고 모터가 정지하든지 아니면 원하는 방향과는 다르게 회전하는 결과를 유발할 수 있다는 문제점이 있다.
따라서 이 발명의 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 센서리스 3상 비엘디시 모터의 초기 기동 특성을 향상시키고, 모터의 정속 운전시 지연 회로나 스너버 회로를 이용하지 않으면서 정류 과정에서 소프트-스위칭이 가능하도록 한 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로를 제공하는 데에 있다.
도 1은 종래 3개의 홀 신호를 사용하는 3상 비엘디시 모터 정류 회로에서 출력 구동 회로의 입력부를 나타낸 것이다.
도 2는 종래 3개의 홀 신호를 사용하는 3상 비엘디시 모터의 정류 시점과 센서리스 3상 비엘디시 모터의 제로-크로스 포인트를 나타낸 타이밍도이다.
도 3은 이 발명에 따른 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로를 나타낸 것이다.
도 4는 이 발명에 따른 정속 제어 회로를 나타낸 것이다.
도 5는 이 발명에 따른 출력 구동 회로의 입력부를 나타낸 것이다.
도 6a∼도 6f는 이 발명에 따른 계단 전압 발생 원리를 나타낸 것이다.
도 7은 이 발명에 따른 공통 전압 발생 원리를 나타낸 것이다.
도 8은 이 발명에 따른 센서리스 3상 비엘디시 모터의 기동 회로를 나타낸 것이다.
도 9는 이 발명에 따른 기동/정속 모드 선택 회로를 나타낸 것이다.
도 10은 이 발명에 따른 센서리스 3상 비엘디시 모터 기동 회로의 신호 타이밍도이다.
도 11은 이 발명에 따른 모터 기동 모드시의 신호 타이밍도이다.
도 12는 이 발명에 따른 모터 정속(또는 가속) 모드시의 신호 타이밍도이다.
상기의 과제를 달성하기 위한 이 발명에 따른 정류 회로에서,
기동 회로는 고정자 코일 각 상전압의 크기를 검출하여 모터가 기동 모드인지 정속 모드인지를 나타내는 선택 신호를 발생하고, 회전자의 위치 정보와 무관하게 모터를 강제 기동하기 위한 클럭 신호(이하 '기동 클럭 신호')와 상기 기동 클럭 신호 주기의 6배의 주기를 가지며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 기준 클럭 신호를 발생한다.
정속 제어 회로는 고정자 코일의 각 상전압과 상기 코일의 중성점 전압을 각각 비교한 3개의 비교 신호를 생성한 후, 상기 비교 신호 주파수의 3배의 주파수를 갖는 클럭 신호(이하 '정속 클럭 신호')를 출력한다. 그러므로 이 클럭 신호는 모터의 정속 운전시 정류를 위한 클럭 신호로 사용된다.
계단/공통 전압 발생 회로는 상기 선택 신호의 상태에 따라 기동 모드시에는 상기 기동 클럭 신호의 2배의 주기를 갖는 구형파의 공통 전압을 발생하고, 상기 기준 클럭 신호를 이용하여 상기 기동 클럭 신호의 한 주기 동안 기준 전압, 다음 두 주기 동안 기준 전압 이하, 다음 한 주기 동안 기준 전압, 그리고 마지막 두 주기 동안 기준 전압 이상의 3상태를 반복하는 3개의 계단 전압을 발생하며, 상기 3개의 계단 전압을 각각 120도의 위상차가 나도록 출력한다.
또한, 모터의 정속 모드시에는 상기 정속 클럭 신호의 에지(edge) 부분을 검출하여 펄스 형태의 에지 신호를 생성한 후, 각 에지 신호에서마다 최대값과 최소값을 일정한 기울기로 반복 스윙하는 삼각 파형의 공통 전압을 발생하고, 상기 비교 신호를 이용하여 상기 에지 신호의 한 주기 동안 기준 전압, 다음 두 주기 동안 기준 전압 이하, 다음 한 주기 동안 기준 전압, 그리고 마지막 두 주기 동안 기준 전압 이상의 3상태를 반복하는 3개의 계단 전압을 발생하며, 상기 3개의 계단 전압을 각각 120도의 위상차가 나도록 출력한다.
출력 구동 회로는, 기동 모드 또는 정속 모드시 발생된 각 계단 전압과 공통 전압의 차이 전압에 의해 고정자 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 제어하여 모터를 구동한다.
이 발명에 따른 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로에서는, 고정자 코일의 각 상전압의 크기가 일정 레벨 이상이 될 때, 즉 모터가 정속 모드로 회전하고 있다고 판단되는 경우 상기 상전압과 중성점 전압을 이용하여 정속 클럭 신호를 생성한 후, 이 정속 클럭 신호의 에지를 검출하여 이 에지 신호에 동기된 계단 전압과 삼각 파형의 공통 전압을 생성한다. 이 때, 정속 클럭 신호의 에지 부분은 고정자 코일의 각 상에서 발생한 역기전력과 중성점 전압이 교차하는 제로-크로스 포인트와 동일한 지점이 되며, 에지 신호의 주기는 전기적으로 60도가 된다.
따라서, 상기 계단 전압과 공통 전압이 교차하는 지점은 상기 제로-크로스 포인트보다 30도 뒤진 위치가 되는데, 바로 이 지점을 중심으로 상기 계단 전압과 공통 전압의 차이 전압이 100mV 이내인 구간, 즉 소프트-스위칭이 가능한 구간이 형성된다. 그러므로, 별도의 지연 회로를 사용하지 않고도 제로-크로스 포인트로부터 30도 지연된 최적의 정류 시점을 검출하여 정류를 수행할 수 있게 된다.
다음에, 상기의 과제를 달성하기 위한 이 발명에 따른 기동 회로에서,
클럭 발생 회로는 회전자의 위치 정보와 무관하게 모터를 강제 기동하기 위해 일정한 주파수를 갖는 기동 클럭 신호와 상기 기동 클럭 신호 주기의 6배의 주기를 가지며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 기준 클럭 신호를 발생하고, 정류시 여자되지 않은 코일의 상전압을 검출하기 위한 마스크(mask) 클럭 신호를 발생한다. 여기서, 상기 마스크 클럭 신호를 이용하여 여자되지 않은 코일의 상전압을 검출하는 이유는 모터가 기동 모드인지 아니면 정속 또는 가속 모드인지의 여부를 정확히 판단하기 위해서 모터 회전시 여자되지 않은 코일에서 발생하는 역기전력의 크기만을 검출하기 위함이다.
증폭 회로는 고정자 코일의 각 상전압을 증폭하여 그 결과치를 출력하고, 기동/가속 모드 선택 회로는 상기 마스크 클럭 신호가 인에이블되어 있는 동안 상기 증폭 회로로부터 출력되는 증폭 신호가 일정한 레벨로 상승하면 기동 모드에서 가속 모드로 모터를 구동할 수 있도록 선택 신호를 인에이블(enable)시켜 내보낸다. 상기 계단/공통 전압 발생 회로는 상기 선택 신호가 디세이블(disable) 상태이면 상기 기동 클럭 신호 및 기준 클럭 신호에 동기하여 계단 전압과 공통 전압을 발생하고, 상기 선택 신호가 인에이블 상태이면 상기 정속 클럭 신호 및 비교 신호에 동기하여 계단 전압과 공통 전압을 발생한다.
이 발명에 따른 기동 회로는, 모터 초기 기동시 강제 정류 시간 동안 코일의 각 상전압의 크기를 계속적으로 모니터링(monitering)하여 모터의 가속 가능성을 보다 정확히 판단한 후 모터의 위치에 알맞는 정류를 시행할 수 있도록 함으로써 모터의 기동 특성을 보다 향상시키기 위한 것이다.
이하, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 이 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조로 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이 발명에 따른 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로는 기동 회로(100), 정속 제어 회로(200), 계단/공통 전압 발생 회로(300) 및 출력 구동 회로(400)로 이루어진다.
기동 회로(100)는 모터가 기동 모드인지 정속 모드인지 판단하여 선택 신호(SEL)를 내보내고, 상기 모터의 초기 기동 모드시 작고 불명확한 역기전력으로 인해 다소 불안한 정류가 되는 것을 방지하기 위해서 일정한 주파수를 갖는 기동 클럭 신호(STR_CLK)를 발생하고, 이 기동 클럭 신호(STR_CLK) 주기의 6배의 주기를 가지며 각각 120도의 위상차를 갖는 기준 클럭 신호(D<2:0>)를 발생한다.
정속 제어 회로(200)는 고정자 코일(U, V, W)의 각 상전압(U_Out, V_Out, W_Out)과 상기 코일(U, V, W)의 중성점 전압(NS)을 각각 비교하여 3개의 비교 신호(U_Comp, V_Comp, W_Comp)를 생성한 후, 이 비교 신호(U_Comp, V_Comp, W_Comp) 주파수의 3배의 주파수를 가지며 모터의 정속 운전시 정류를 위한 클럭 신호로 사용될 정속 클럭 신호(FG)를 출력한다.
도 4는 이 발명의 실시예에 따른 정속 제어 회로(200)를 나타낸 것으로서, 고정자 코일의 상전압(U_Out, V_Out, W_Out)을 각각 비반전(+) 입력으로 받고 중성점 전압(NS)을 공통으로 반전(-) 입력으로 받아 각각 비교하는 3개의 비교기(201, 202, 203)와, 비교기(201, 202, 203)의 출력 신호(U_Comp, V_Comp, W_Comp) 중 서로 다른 2개의 출력 신호(U_Comp와 V_Comp, U_Comp과 W_Comp, V_Comp과 W_Comp)를 번갈아가며 입력받아 부정 논리곱을 수행하는 3개의 NAND 게이트(204, 205, 206)와, 상기 NAND 게이트(204, 205, 206)의 출력 신호를 논리곱하여 정속 클럭 신호(FG)를 발생하는 AND 게이트(207)로 이루어져 있다.
계단/공통 전압 발생 회로(300)는, 선택 신호(SEL)의 상태에 따라 모터의 기동 모드시에는 도 11에 도시된 바와 같이 기동 클럭 신호(STR_CLK)의 2배의 주기를 갖는 구형파의 공통 전압(Com1)을 발생하고, 입력된 기준 클럭 신호(D<2:0>)를 이용하여 상기 기동 클럭 신호(STR_CLK)의 한 주기 동안 기준 전압, 다음 두 주기 동안 기준 전압 이하, 다음 한 주기 동안 기준 전압, 그리고 마지막 두 주기 동안 기준 전압 이상의 3상태를 반복하며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 계단 전압(U_Stair1, V_Stair1, W_Stair1)을 발생한다.
또한, 모터의 정속 모드시에는 도 12에 도시된 바와 같이 상기 정속 클럭 신호(FG)의 에지 부분을 검출하여 펄스 형태로 에지 신호(FG_Edge)를 생성한 후 각 에지 신호에서마다 최대값과 최소값을 일정한 기울기로 반복 스윙하는 삼각 파형의 공통 전압(Com2)을 발생하고, 입력된 비교 신호(U_Comp, V_Comp, W_Comp)를 이용하여 상기 에지 신호(FG_Edge)의 한 주기 동안 기준 전압, 다음 두 주기 동안 기준 전압 이하, 다음 한 주기 동안 기준 전압, 그리고 마지막 두 주기 동안 기준 전압 이상의 3상태를 반복하며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 계단 전압(U_Stair2, V_Stair2, W_Stair2)을 발생한다.
출력 구동 회로(400)는, 기동 모드 또는 정속 모드시 발생된 각 계단 전압과 공통 전압의 차이 전압으로 고정자 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 제어하여 모터를 구동한다. 도 5는 이 발명의 실시예에 따른 출력 구동 회로(400)의 입력부를 나타낸 것으로서, 정속 모드시에 각 에미터 커플드 패어(401, 402, 403)의 하나의 입력 단자에는 정속 클럭 신호(FG)에 동기하여 생성된 계단 전압(U_Stair2, V_Stair2, W_Stair2)이 입력되고 공통 단자에는 삼각 파형의 공통 전압(Com2)이 입력된다.
그러면, 모터의 기동 모드 또는 정속 모드시 출력 구동 회로(400)로 입력되는 계단 전압을 생성하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.
계단 전압을 발생하는 회로는 도 6a에 도시된 바와 같이 병렬로 연결된 두 개의 저항(R1, R2)이 전원 전압(Vcc)을 분압하도록 다른 두 개의 병렬 저항(R3, R4)과 직렬로 연결되어 있고, 제어 신호(U1, U2)에 따라 온/오프가 제어되는 두 개의 스위치(S1, S2)가 각각 상측 병렬 저항(R1, R2) 중 하나의 저항과, 그리고 하측 병렬 저항(R3, R4) 중 하나의 저항과 직렬로 연결되어 있는 형태로 이루어져 있다.
이 회로의 동작은 도 6b에 나타난 진리표에 근거한 것인데, 진리표에서 볼 수 있는 것처럼 이 스위치(S1, S2)가 제어 신호(U1, U2)에 의해 동시에 온되거나 오프된 경우에 출력 전압(Vout)은 기준 전압이 되고, 스위치 S1, S2가 각각 온, 오프된 경우에 출력 전압(Vout)은 기준 전압 이상이 되며, 스위치 S1, S2가 각각 오프, 온된 경우에 출력 전압(Vout)은 기준 전압 이하가 된다. 그리고 바로 이러한 출력 전압(Vout)을 조합하여 3상태를 갖는 계단 전압을 발생하게 된다.
이러한 과정을 좀 더 용이하게 이해할 수 있도록 도 6c에서 도 6f에 도시된 등가 회로를 사용하여 설명하기로 한다.
먼저, 제어 신호(U1, U2)에 의해 스위치 S1, S2가 각각 온, 오프된 경우에는 계단 전압 발생 회로의 등가 회로가 도 6c와 같아지기 때문에, 출력 전압(Vout)의 크기는 R4/{(R1//R2)+R4}·Vcc이 된다(여기서, R1=R2=R3=R4라 한다). 다음에, 스위치 S1, S2가 동시에 온되거나 오프된 경우에는 계단 전압 발생 회로의 등가 회로가 도 6d 또는 도 6e와 같아지기 때문에, 출력 전압(Vout)의 크기는 Vcc/2이 된다. 그리고 스위치 S1, S2가 각각 오프, 온된 경우에는 등가 회로가 도 6f와 같아지기 때문에, 출력 전압(Vout)의 크기는 (R3//R4)/{(R3//R4)+R2}·Vcc이 된다. 따라서, 스위치 S1, S2가 동시에 온되거나 오프되어 출력 전압의 크기가 Vcc/2인 경우를 기준 전압이라 하면, 스위치 S1, S2가 각각 온, 오프된 경우에는 기준 전압 이상의 전압이 출력되고, 스위치 S1, S2가 각각 오프, 온된 경우에는 기준 전압 이하의 전압이 출력된다고 이해할 수 있다.
모터의 기동 모드시 계단 전압(U_Stair1, V_Stair1, W_Stair1)을 만드는 과정에서, 스위치 S1, S2를 스위칭하기 위해 사용되는 제어 신호(U1, U2)로는 도 11에 도시된 바와 같은 기준 클럭 신호(D<2:0>)가 사용되는데, 예를 들어 계단 전압 U_Stair1을 만들기 위해서는 제어 신호(U1, U2)로서 D0와 D1이 사용되고, V_Stair1을 만들기 위해서는 D1과 D2가 사용되며, W_Stair1을 만들기 위해서는 D2와 D0가 사용된다.
모터의 정속 모드시 계단 전압(U_Stair2, V_Stair2, W_Stair2)을 만드는 과정에서, 스위치 S1, S2를 스위칭하기 위해 사용되는 제어 신호(U1, U2)로는 도 12에 도시된 바와 같은 비교 신호(U_Comp, V_Comp, W_Comp)가 사용되는데, 예를 들어 계단 전압 U_Stair2을 만들기 위해서는 비교 신호 W_Comp와 U_Comp가 사용되고, V_Stair2을 만들기 위해서는 U_Comp와 V_Comp가 사용되며, W_Stair2을 만들기 위해서는 V_Comp와 W_Comp가 사용된다.
다음에, 모터의 정속 모드시 사용되는 공통 전압(Com2)을 만드는 방법에 대해서 간단히 설명하기로 한다. 모터의 정속 모드시 공통 전압으로서 사용되는 삼각파를 만드는 방법에는 전류원을 이용하는 방법과 적분기를 이용하는 방법이 있는데, 그 중 전류원을 이용하는 방법이 도 7에 도시되어 있다. 이 방법은 정속 클럭 신호의 에지 신호(FG_Edge)에 의해서 온/오프 제어되는 스위치(SW)와 두 개의 전류원(I, 2I) 그리고 하나의 커패시터(C)로 이루어져 있으며, 상기 스위치(SW)가 에지 신호(FG_Edge)에 의해 온, 오프를 반복함에 따라 커패시터(C)에 의해 전류의 충,방전이 에지 신호(FG_Edge)의 주기로 반복됨으로써, 일정한 기울기를 가지고 에지 신호(Edge)의 한 주기마다 최대값과 최소값을 반복하는 삼각파를 얻을 수 있다.
도 8은 이 발명의 실시예에 따른 기동 회로(100)를 나타낸 것으로서, 이 발명의 실시예에 따른 기동 회로(100)는 클럭 발생 회로(110)와 증폭 회로(120) 그리고 기동/가속 모드 선택 회로(130)로 이루어져 있다.
먼저, 클럭 발생 회로(110)는 일정한 주파수를 갖는 기동 클럭 신호(STR_CLK)와 상기 기동 클럭 신호(STR_CLK) 주기의 6배의 주기를 가지며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 기준 클럭 신호(D<2:0>)를 발생하고, 정류시 여자되지 않은 코일의 상전압을 검출하기 위한 마스크 클럭 신호(U_MSK, V_MSK, W_MSK)를 발생한다. 증폭 회로(120)는 고정자 코일의 각 상전압(U_Out, V_Out, W_Out)을 증폭하여 그 증폭 신호(A<2:0>)를 출력한다.
기동/가속 모드 선택 회로(130)는 상기 마스크 클럭 신호(U_MSK, V_MSK, W_MSK)가 인에이블되어 있는 동안 상기 증폭 신호(A<2:0>)가 일정한 레벨로 상승하면 기동 모드에서 가속 모드로 모터를 구동할 수 있도록 선택 신호(SEL)를 인에이블시켜 내보낸다. 도 9는 이 발명에 따른 기동/가속 모드 선택 회로(130)를 나타낸 것으로서, 증폭 회로(120)의 출력 신호(A0, A1, A2)를 각각 하나의 입력으로 받고 마스크 클럭 신호(U_MSK, V_MSK, W_M나)를 각각 다른 하나의 입력으로 받아 부정 논리곱을 행하는 NAND 게이트(131, 132, 133)와, 상기 NAND 게이트(131, 132, 133)의 출력 신호를 부정 논리곱하여 선택 신호(SEL)를 발생하는 NAND 게이트(134)로 이루어져 있다. 이 때 NAND 게이트(131, 132, 133)로 증폭 신호(A0, A1, A2)와 함께 입력되는 마스크 클럭 신호(U_MSK, V_MSK, W_MSK)는 고정자 코일 중 여자되지 않는 상에서 발생하는 순수한 역기전력만을 검출하기 위해 도 10에 도시된 바와 같이 코일 각 상의 무여자 시점에서 인에이블되는 신호이며, 이 시점에서 증폭 신호(A0, A1, A2)의 크기가 일정 레벨 이상이 된다는 것은 모터가 가속되거나 정속 운전되어 역기전력의 크기가 일정값 이상이 되었음을 의미하는 것이다.
계단/공통 전압 발생 회로(300)는 이 선택 신호(SEL)가 디세이블 상태이면 상기 기동 클럭 신호(STR_CLK) 및 기준 클럭 신호(D<2:0>)에 동기하여 계단 전압(U_Stair1, V_Stair1, W_Stair1)과 공통 전압(Com1)을 발생하고, 상기 선택 신호(SEL)가 인에이블 상태이면 상기 정속 클럭 신호(FG) 및 비교 신호(U_Comp, V_Comp, W_Comp)에 동기하여 계단 전압(U_Stair2, V_Stair2, W_Stair2)과 공통 전압(Com2)을 발생한다.
그러면 상기 설명된 내용을 도 11과 도 12에 도시된 타이밍도를 통해 전체적으로 살펴보기로 한다. 먼저, 도 11은 모터 기동 모드시의 신호 타이밍도로서, 출력 구동 회로(400)로 입력될 계단 전압(U_Stair1, V_Stair1, W_Stair1)과 공통 전압(Com1)이 기동 클럭 신호(STR_CLK)와 기준 클럭 신호(D0, D1, D2)에 동기되어 생성됨을 볼 수 있다.
도 12는 모터 정속 모드시의 신호 타이밍도로서, 예를 들어 정속 클럭 신호의 에지 신호(FG_Edge)를 근거로 만든 공통 전압(Com2)과 비교 신호 W_Comp와 U_Comp를 이용하여 만든 계단 전압 U_Stair2의 차이 전압(DFR1)이 100mV 이내인 구간 (a), 즉 소프트-스위칭이 가능한 정류 구간은 계단 전압 U_Stair2와 공통 전압(Com2)이 교차되는 지점을 중심으로 형성되며, 이 지점은 U상에서 발생하는 역기전력 U_BEMF와 중성점 전압(NS) 간의 제로-크로스 포인트 (b)보다 전기적으로 30도 뒤진 구간이 됨을 볼 수 있다.
따라서, 이 발명에서 제안되어진 정류 방법과 같이 정속 모드시 발생하는 세 개의 계단 전압과 일정한 기울기를 갖는 삼각파의 차이 전압을 이용하면, 지연 회로와 같은 부가적인 회로의 추가없이 코일 각 상에서 발생하는 역기전력의 제로-크로스 포인트로부터 전기각 30도 만큼 지연되어진 위치에서 정확하게 정류를 수행할 수 있게 된다.
따라서, 상기와 같이 동작하는 이 발명의 실시예에 따른 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로는, 모터의 초기 기동 특성을 향상시키고 모터의 정속 운전시 부가적인 지연 회로나 스너버 회로를 이용하지 않으면서 정류 과정에서 소프트-스위칭을 가능하게 하여 모터 구동에 있어서 안정성과 신뢰도의 향상을 가져온다.

Claims (19)

  1. 고정자 코일 각 상전압의 크기를 검출하여 모터가 기동 모드인지 정속 모드인지를 나타내는 선택 신호를 발생하고, 회전자의 위치 정보와 무관하게 모터를 강제 기동하기 위한 기동 클럭 신호와 상기 기동 클럭 신호에 동기하며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 기준 클럭 신호를 발생하는 기동 회로와,
    상기 고정자 코일의 각 상전압과 중성점 전압을 각각 비교한 3개의 비교 신호를 생성한 후, 상기 비교 신호 주파수의 3배의 주파수를 갖는 정속 클럭 신호를 발생하는 정속 제어 회로와,
    상기 기동 회로의 선택 신호에 따라 기동 모드시에는 상기 기준 클럭 신호를 이용하여 상기 기동 클럭 신호의 한 주기 동안 기준 전압, 다음 두 주기 동안 기준 전압 이하, 다음 한 주기 동안 기준 전압, 그리고 마지막 두 주기 동안 기준 전압 이상의 3상태를 반복하며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 제1 계단 전압을 발생하고, 모터의 정속 모드시에는 상기 비교 신호를 이용하여 상기 정속 클럭 신호의 한 주기 동안 기준 전압, 다음 두 주기 동안 기준 전압 이하, 다음 한 주기 동안 기준 전압, 그리고 마지막 두 주기 동안 기준 전압 이상의 3상태를 반복하며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 제2 계단 전압을 발생하는 계단/공통 전압 발생 회로와,
    상기 기동 모드 또는 정속 모드시 발생된 각 계단 전압과 공통 전압의 차이 전압에 의해 상기 고정자 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 제어하여 모터를 구동하는 출력 구동 회로를 포함하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로.
  2. 제1항에서,
    상기 정속 모드시 발생된 각 제2 계단 전압의 기준 전압이 공통 전압과 교차하는 지점은, 상기 고정자 코일의 각 상에서 발생한 역기전력이 중섬점 전압과 교차하는 제로-크로스 포인트보다 전기적으로 30°뒤지는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로.
  3. 제2항에서,
    상기 기준 클럭 신호는,
    상기 기동 클럭 신호 주기의 6배의 주기를 가지는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로.
  4. 제3항에서,
    상기 계단/공통 전압 발생회로는,
    기동 모드시에는 상기 기동 클럭 신호의 2배의 주기를 갖는 구형파의 제1 공통 전압을 발생하고,
    정속 모드시에는 상기 정속 클럭 신호의 각 에지 부분에서 최대값과 최소값을 일정한 기울기로 반복 스윙하는 삼각 파형의 제2 공통 전압을 발생하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로.
  5. 제4항에서,
    상기 계단/공통 전압 발생회로는,
    정속 모드시에는 상기 정속 클럭 신호의 에지 부분을 검출하여 펄스 형태의 에지 신호를 생성한 후, 상기 에지 신호를 이용하여 상기 삼각 파형의 제2 공통 전압을 발생하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로.
  6. 제4항에서,
    상기 계단/공통 전압 발생 회로는,
    정속 모드시에는 상기 비교 신호를 제어 신호로 입력받아 2개의 비교 신호의 상태가 모두 하이 레벨이거나 로우 레벨인 경우에는 기준 전압을 출력하고, 각각 하이 레벨, 로우 레벨인 경우에는 기준 전압 이상의 전압을 출력하고, 각각 로우 레벨, 하이 레벨인 경우에는 기준 전압 이하의 전압을 출력하여 상기 계단 전압을 생성하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로.
  7. 제6항에서,
    상기 계단/공통 전압 발생 회로는,
    상기 기동 모드시에는 상기 기준 클럭 신호를 제어 신호로 입력받아 2개의 기준 클럭 신호의 상태가 모두 하이 레벨이거나 로우 레벨인 경우에는 기준 전압을 출력하고, 각각 하이 레벨, 로우 레벨인 경우에는 기준 전압 이상의 전압을 출력하고, 각각 로우 레벨, 하이 레벨인 경우에는 기준 전압 이하의 전압을 출력하여 상기 계단 전압을 생성하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로.
  8. 제1항에서,
    상기 정속 제어 회로는,
    상기 고정자 코일의 상전압을 각각 비반전 입력으로 받고 상기 중성점 전압을 공통으로 반전 입력으로 받아 각각 비교하는 3개의 비교기와,
    상기 비교기의 출력 신호 중 서로 다른 2개의 출력 신호를 번갈아가며 입력받아 부정 논리곱을 수행하는 3개의 부정 논리곱 수단과,
    상기 부정 논리곱 수단의 출력 신호를 논리곱하는 논리곱 수단을 포함하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로.
  9. 제1항에서,
    상기 기동 회로는,
    회전자의 위치 정보와 무관하게 모터를 강제 기동하기 위해 일정한 주파수를 갖는 기동 클럭 신호와 상기 기동 클럭 신호 주기의 6배의 주기를 가지며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 기준 클럭 신호를 발생하고, 정류시 여자되지 않은 코일의 상전압을 검출하기 위한 마스크 클럭 신호를 발생하는 클럭 발생 회로와,
    상기 고정자 코일의 각 상전압을 증폭하여 3개의 증폭 신호를 출력하는 증폭 회로와,
    상기 마스크 클럭 신호가 인에이블되어 있는 동안 상기 증폭 신호가 일정한 레벨로 상승하면 기동 모드에서 정속 모드로 모터를 구동할 수 있도록 상기 선택 신호를 인에이블시켜 출력하는 기동/정속 모드 선택 회로를 포함하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로.
  10. 제9항에서,
    상기 기동/정속 모드 선택 회로는,
    상기 증폭 신호를 각각 하나의 입력으로 받고 상기 마스크 클럭 신호를 각각 다른 하나의 입력으로 받아 부정 논리곱을 수행하는 3개의 제1 부정 논리곱 수단과,
    상기 제1 부정 논리곱 수단의 출력 신호를 다시 부정 논리곱하는 제2 부정 논리곱 수단을 포함하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 회로.
  11. 회전자의 위치 정보와 무관하게 모터를 강제 기동하기 위해 일정한 주파수를 갖는 기동 클럭 신호와 상기 기동 클럭 신호 주기의 6배의 주기를 가지며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 기준 클럭 신호를 발생하고, 정류시 여자되지 않은 코일의 상전압을 검출하기 위한 마스크 클럭 신호를 발생하는 클럭 발생 회로와,
    상기 고정자 코일의 각 상전압을 증폭하여 3개의 증폭 신호를 출력하는 증폭 회로와,
    상기 마스크 클럭 신호가 인에이블되어 있는 동안 상기 증폭 신호가 일정한 레벨로 상승하면 기동 모드에서 정속 모드로 모터를 구동할 수 있도록 선택 신호를 인에이블시켜 출력하는 기동/정속 모드 선택 회로를 포함하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 기동 회로.
  12. 제11항에서,
    상기 기동/정속 모드 선택 회로는,
    상기 증폭 신호를 각각 하나의 입력으로 받고 상기 마스크 클럭 신호를 각각 다른 하나의 입력으로 받아 부정 논리곱을 수행하는 3개의 부정 논리곱 수단과,
    상기 부정 논리곱 수단의 출력 신호를 다시 부정 논리곱하는 부정 논리곱 수단을 포함하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 기동 회로.
  13. 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 제어 방법에 있어서,
    회전자의 위치 정보와 무관하게 모터를 강제 기동하기 위한 기동 클럭 신호와 상기 기동 클럭 신호에 동기하며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 기준 클럭 신호를 발생하는 단계와,
    상기 기준 클럭 신호를 이용하여 상기 기동 클럭 신호의 한 주기 동안 기준 전압, 다음 두 주기 동안 기준 전압 이하, 다음 한 주기 동안 기준 전압, 그리고 마지막 두 주기 동안 기준 전압 이상의 3상태를 반복하며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 제1 계단 전압과 상기 기준 클럭 신호의 2배의 주기를 가지는 구형파의 제1 공통 전압을 발생하는 단계와,
    상기 제1 계단 전압과 상기 제1 공통 전압으로 상기 고정자 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 강제로 제어하는 단계와,
    상기 고정자 코일의 각 상전압과 중성점 전압을 각각 비교한 3개의 비교 신호를 생성한 후, 상기 비교 신호 주파수의 3배의 주파수를 갖는 정속 클럭 신호를 발생하는 단계와,
    상기 비교 신호를 이용하여 상기 정속 클럭 신호의 한 주기 동안 기준 전압, 다음 두 주기 동안 기준 전압 이하, 다음 한 주기 동안 기준 전압, 그리고 마지막 두 주기 동안 기준 전압 이상의 3상태를 반복하며 각각 120도의 위상차를 갖는 3개의 제2 계단 전압을 발생하고, 상기 정속 클럭 신호의 각 에지 부분에서 최대값과 최소값을 일정한 기울기로 반복 스윙하는 삼각 파형의 제2 공통 전압을 발생하는 단계와,
    상기 제2 계단 전압과 상기 제2 공통 전압으로 상기 고정자 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 제어하는 단계를 포함하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 제어 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 제2 계단 전압의 기준 전압이 상기 제2 공통 전압과 교차하는 지점은, 상기 고정자 코일의 각 상에서 발생한 역기전력이 중섬점 전압과 교차하는 제로-크로스 포인트보다 전기적으로 30°뒤지는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 제어 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 기준 클럭 신호는,
    상기 기동 클럭 신호 주기의 6배의 주기를 가지는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 제어 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 제2 공통 전압을 발생하는 단계는,
    상기 정속 클럭 신호의 에지 부분을 검출하여 펄스 형태의 에지 신호를 생성하는 단계와,
    상기 에지 신호를 이용하여 삼각 파형의 제2 공통 전압을 발생하는 단계를 포함하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 제어 방법.
  17. 제13항에서,
    상기 제2 계단 전압을 발생하는 단계는,
    상기 비교 신호를 제어 신호로 입력받아 2개의 비교 신호의 상태가 모두 하이 레벨이거나 로우 레벨인 경우에는 기준 전압을 출력하고,
    상기 2개의 비교 신호의 상태가 각각 하이 레벨, 로우 레벨인 경우에는 기준 전압 이상의 전압을 출력하고,
    상기 2개의 비교 신호의 상태가 각각 로우 레벨, 하이 레벨인 경우에는 기준 전압 이하의 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 제어 방법.
  18. 제13항에서,
    상기 제1 계단 전압을 발생하는 단계는,
    상기 기준 클럭 신호를 제어 신호로 입력받아 2개의 기준 클럭 신호의 상태가 모두 하이 레벨이거나 로우 레벨인 경우에는 기준 전압을 출력하고,
    상기 2개의 기준 클럭 신호의 상태가 각각 하이 레벨, 로우 레벨인 경우에는 기준 전압 이상의 전압을 출력하고,
    상기 2개의 기준 클럭 신호의 상태가 각각 로우 레벨, 하이 레벨인 경우에는 기준 전압 이하의 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 제어 방법.
  19. 제13항에서,
    상기 정속 클럭 신호를 발생하는 단계는,
    상기 고정자 코일의 상전압을 각각 비교기의 비반전 입력으로 받고 상기 중성점 전압을 공통으로 상기 비교기의 반전 입력으로 받아 각각 비교하는 단계와,
    상기 비교기의 출력 신호 중 서로 다른 2개의 출력 신호를 3개의 부정 논리곱 수단으로 번갈아 가며 입력받아 부정 논리곱 연산을 수행하는 단계와,
    상기 부정 논리곱 수단의 출력 신호를 논리곱하는 단계를 포함하는 센서리스 3상 비엘디시 모터의 정류 제어 방법.
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