KR20010030759A - 무 브러시 다상 직류 모터의 회전각도 검출 장치 - Google Patents

무 브러시 다상 직류 모터의 회전각도 검출 장치 Download PDF

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KR20010030759A
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롤페스 요하네스 게라투스 알베르투스
코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명에 따른 장치는 무 브러시 다상 직류 모터의 고정자에 대한 회전자의 회전 각도를 검출한다. 상기 회전자는 영구 자석으로 구성되며 고정자는 다수의 전기 권선으로 구성된다. 동작시, 상기 회전자를 회전시키기 위해 전기 구동 신호가 권선에 인가된다. 상기 장치에는 회전자가 회전하지 않는 동안 펄스 형 전기 시험 신호를 권선에 인가하는 구동 수단이 있다. 또한 상기 장치에는 시험 신호에 반응하여 모터가 생성한 플라이백 펄스를 검출하는 측정 회로가 있다. 상기 장치에는 상기 회전 각도를 결정하기 위해 공동으로 검출된 플라이백 펄스의 지속 시간을 처리하는 처리기가 있다. 따라서, 결정된 회전 각도를 근거로, 모터는 회전자가 미리 설정한 회전 방향으로 회전을 시작하는 방법으로 시동될 수 있는 것이다.

Description

무 브러시 다상 직류 모터의 회전각도 검출 장치{DEVICE FOR THE DETECTION OF AN ANGLE OF ROTATION OF A BRUSHLESS MULTI-PHASE D.C. MOTOR}
상기 장치는 특히 US 5,117,165에 나와 있다. 이러한 기존의 장치에서는, 단기간의 상호 상반된 극성의 전류 펄스가 모터 정지 기간 동안 고정자의 각 권선에 인가된다. 또한, 각각의 권선에 형성되는 전류는 전류-전압 변환기로 작용하는 직렬 저항을 사용하여 측정하게 된다. 이런 방법으로, n-상의 직류 모터의 경우, 2n의 전압을 측정한다. 측정된 각각의 전류는 고정자 권선에 대한 회전자의 위치에 따라 다른 것으로 나타났다. 권선을 통해 2n으로 측정된 전류를 사용하여, 고정자 권선에 대한 회전자의 위치는 180˚/n의 정확도로 결정될 수 있다. 따라서, 미리 설정한 방향으로 직접 회전을 시작하는 방법으로 모터를 시동하기 위해, 그 자체가 알려져 있는 방법으로, 고정자에 대한 회전자의 회전 각도에 관한 정보를 사용할 수 있다. 판독 헤드(read head) 및 기록 헤드(write head)가 파손되는 것을 막기 위해, 다상 직류 모터를 특정 유형의 디스크 드라이버에 사용하는 경우, 이것은 아주 중요하다. 또한, 다상 직류 모터를 테이프 스트리머에서 사용할 때, 테이프의 저장 용량을 최적으로 사용하기 위해 이것은 아주 중요한 것이다.
기존 장치의 결점은 권선 내의 전류 형성이 권선에 대하여 직렬로 배열된 전류-전압 변환기를 사용하여 감시된다는 점이다. 이러한 결과로서, 비교적 다량의 전력이 전류-전압 변환기에서 손실된다.
본 발명은 무 브러시 다상 직류 모터(brushless multi-phase d.c. motor)의 고정자(stator)에 대한 회전자(rotor)의 회전각도 검출 장치에 관한 것으로, 상기 회전자는 영구 자석으로 구성되고 고정자는, 운용시, 회전자를 구동하기 위해 전기 구동 신호가 인가되는 다수의 전기 권선으로 구성되며, 회전자가 회전하지 않는 동안 권선에 전기 시험 펄스를 인가하는 구동 수단을 구비하는 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 다상 직류 모터와 회전각도 검출 장치를 포함하는 구동 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 디스크 드라이브와 본 발명에 따른 구동 시스템을 포함하는 테이프 스트리머(tape streamer)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 가능한 실시 예.
도 2는 상기 장치가 다상 직류 모터를 구동할 때, 도 1의 장치의 동작을 나타내는 표.
도 3은 도 1의 장치에 의해 연속적으로 모터에 인가되는 구동 신호에 대한 개략적인 설명.
도 4는 모터가 구동될 때 도 1에 나타난 장치의 동작을 예시하는 다수의 도표.
도 5는 정지해 있는 동안 도 1의 장치가 모터의 정지자에 대한 회전자의 각도를 결정하기 위해 사용될 때 장치의 동작을 예시하기 위한 다수의 도표.
도 6은 정지해 있는 동안 도 1의 장치가 모터의 정지자에 관한 회전자의 각도를 결정하기 위해 사용될 때 장치의 동작을 예시하기 위한 다수의 도표.
도 7은 정지자와 회전자 사이의 회전 각도에 따른 권선에서 플라이백 펄스의 폭 편차를 나타내는 도표.
도 8은 도 1의 장치 개발에 따른 예상 가능한 변수.
도 9는 정지자에 대한 회전자의 회전 각도를 결정하기 위한 도 1의 장치의 대안적 동작 방법을 예시하는 다수의 도표.
도 10은 본 발명에 따른 장치를 포함하는 디스크 드라이브.
도 11은 본 발명에 따른 장치를 포함하는 테이프 스트리머.
따라서, 본 발명의 목적은 이러한 결점을 극복하기 위한 해결 방법을 제공하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 장치는 시험 펄스에 반응하여 모터가 생성한 플라이백 펄스를 검출하는 측정 회로와 상기 회전 각도를 결정하기 위해 공동으로 검출된 플라이백 펄스의 지속 시간을 처리하는 처리기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
각각의 권선과 직렬로 배열된 전류-전압 변환기가 없이, 플라이백 펄스 검출 이 이루어질 수 있다. 플라이백 펄스의 지속 시간과 같은, 플라이백 펄스의 폭은 각 권선의 자기 유도(self-induction)에 따라 다르게 나타난다. 차례로, 각 권선에 대한 회전자의 회전 각도에 따라 권선의 자기 유도가 달라지게 된다. 이러한 결과로서, 상기 회전 각도는 검출된 플라이백 펄스의 측정 시간으로 결정될 수 있다. 기존 장치의 상황과 반대로, 플라이백 펄스의 검출은 시험 펄스가 존재하지 않는 순간에 측정이 수행됨을 의미한다. 다시 말해, 본 발명에 따르면 권선의 자기 유도 브레이크다운(breakdown)이 측정되는 반면에 기존 장치에서는 권선의 자기 유도 형성이 측정된다.
본 발명에 따른 장치의 또 다른 장점은, 장치가 처리하는 신호 본질의 관점에서, 마이크로프로세서를 사용하지 않고도 처리기가 매우 단순하다는 것이다.
특히, 각 권선이 자기 고정자에 대하여 남/북 방위를 갖는가의 여부가 결정된다. 이러한 정보로, 고정자 즉, 고정자 권선에 대한 회전자의 회전 각도를 결정할 수 있다.
특히, 구동 수단은 회전자를 회전시키기 위해 정해진 순서로 모터의 권선에 구동 신호를 정기적으로 인가하기에 적합하다.
따라서, 구동 수단은 바람직하기로는 이중의 기능을 보유한다. 모터의 회전을 제어하고 모터가 정지해 있는 동안 고정자에 대한 회전자의 회전 각도를 결정하기 위해 구동 수단을 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 상기 장치는 구동 수단이 시험 펄스와 구동 신호를 생성하기 위해 다수의 스위칭 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 스위칭 구성 요소가 개방 상태에 있을 때, 구동 수단이 구동 신호를 생성하는 시기 동안, 구동 수단의 스위칭 구성 요소의 전압을 감시하는 상기 측정 회로를 또한 포함한다.
이러한 경우에 있어, 이것은 측정 회로도 이중 기능을 보유한다는 것을 의미한다. 모터가 회전하는 동안, 스위칭 구성 요소 전반에 걸쳐 전압을 감시하기 위해 측정 회로를 사용하고, 모터가 정지해 있는 동안, 고정자에 대한 회전자의 각도를 결정하기 위해 또한 측정 회로를 사용한다.
특히, 시험 펄스를 각 권선에 인가하기 위해 구동 수단을 사용한다. 이렇게 하면, 최적의 정확도로 회전 각도를 결정할 수 있다. 바람직하게, 서로 상이한 극성을 지닌 2 개의 시험 펄스가 각 권선에 인가된다. 사용하는 중에 상이한 모터 위상으로 구성되는 최소한 2 개의 권선을 보유하는 직류 모터인 n-상의 직류 모터의 경우, 회전 각도는 180˚/n의 정확도로 결정될 수 있다.
매우 실용적인 실시예의 경우, 본 발명에 따른 장치는 서로 상이한 위상으로 배열된 3 개의 권선(n=3)이 있는 모터에 적합한 것이며, 상기 상치는, 운용시, 6 플라이백 펄스를 검출하기 위해 3 개의 주기로 구성되는 측정 과정을 수행하는 순환 각도를 결정하기 위한 장치로서, 제 1 주기에서 제 1 극성의 제 1 시험 펄스는 권선의 제 1 쌍에 인가되며, 플라이백 펄스는 검출된 제 1 시험 펄스에 반응하여 생성되며, 제 1 극성에 상반되는 제 2 극성의 제 2 시험 펄스는 권선의 제 1 쌍에 인가되며, 플라이백 펄스는 검출된 제 2 시험 펄스에 반응하여 생성되며, 제 1 주기는 제 2 권선 쌍과 제 3 권선 쌍에 대하여 제 2 주기와 제 3 주기에서 반복되며, 각각 제 1, 제 2 및 제 3 권선 쌍은 서로 상이한 장치이다.
특히, 처리기는 각 단계에서 측정되는 2 플라이백 펄스의 지속 시간차를 측정할 수 있다. 이것은 결국 지속 시간상으로 3 가지의 차이만 검출된다는 것이다. 이러한 차이는 단지 업-다운 카운터(up-down counter)만을 사용해도 결정할 수 있다. 업-다운 카운터는 제 1 시험 펄스에 반응하여 플라이백 펄스가 존재하는 동안 클록의 펄스를 계산하며, 따라서, 제 2 시험 펄스에 반응하여 플라이백 펄스가 존재하는 동안 클록 신호를 카운트 다운한다. 이러한 방법으로, 카운터는 결국 상기 2 개의 플라이백 펄스 사이의 시간차를 나타낸다. 그러므로, 검출된 3개의 시간차는, 모터가 회전하도록, 즉, 모터가 미리 설정한 위치에서 직접 회전을 시작하는 방법으로, 구동 수단이 시동될 수 있는 조건을 결정하기 위해 구동 수단에 직접 적용될 수 있다.
따라서, 처리기는 마이크로프로세서를 사용하지 않고도, 업-다운 카운터를 사용하여 간단하게 구현될 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
구동 펄스를 포함하는 구동 신호와 시험 펄스를 3상 무 브러시 직류 모터 (8)에 공급하기 위한, 도 1의 장치는 도면 부호(1)를 갖는다. 권선(2,4,6)은 모터의 정지자(9)의 부분을 형성하고 있다. 모터(8)에는 또한 도 1에 개략적으로 나타난 회전자(10)가 있다. 회전자(10)는 북극(north pole)이 해치(hatch)된 영구 자석을 포함한다. 남극(south pole)은 해치되지 않고 나타나 있다.
모터(8) 정지자의 권선(2,4,6)에는, 모터의 자기 회전자가 회전을 시작하는 것과 같은 방법으로, 정해진 순서로 구동 신호가 정기적으로공급되며, 최소한 한 개의 권선에 정해진 자유 기간(free period)동안 구동 신호가 공급되지 않는다. 본 실시 예에서, 3개의 모든 권선에는 정해진 자유 기간 동안, 정기적이지만 동시적이지는 않게 구동 신호가 인가되지 않는다.
상기 언급한 방법으로, 장치(1)에는 모터(8)의 권선(2,4,6)에 구동 신호를 인가하기 위하여 구동 수단(11)이 포함된다. 본 예에서, 구동 수단(11)은 다상 인버터(multi-phase inverter)(11)의 형태이다. 다상 인버터(11)가 생성한 구동 신호는 모터를 구동하기 위해 회선(12,14,16)을 통해 모터(8)의 권선(2,4,6)에 인가된다. 본 예의 다상 인버터(11)는, 본 예의 3상 직류 모터가 구동되기 때문에, 3상 인버터이다. 본 예에서, 다상 인버터(11)는 전원 회로(18)와 시퀀서(sequencer)(20)로 구성된다. 회선(22.1~22.6)을 통해, 시퀀서(20)는 모터를 구동하기 위해 전원 회로(18)가 순차적으로 즉, 정해진 정기적인 순서로 구동 신호를 권선(2,4,6)으로 공급하는 방법으로, 순차적으로 전원 회로를 구동한다. 전원 회로(18)는 종래의 하나의 삼중 반 H 브리지(triple half H bridge)로 구성된다. 전원 회로(18)에는 전원 회선(26)과 제로 전위(28) 사이에 배열되는 3 개의 직렬 접속 전류 경로(24, 24′,24″)가 있다. 본 예에서, 전원 전압 V0은 지면에 연결되는 제로 전위 회선인 전원 회선(26)에 인가된다.
각 전류 경로(24, 24′,24″)는 트랜지스터 (30,32; 30′,32′; 30″, 32″)형의 2 개의 직렬 접속 스위칭 구성 요소로 구성된다. 트랜지스터(30, 30′,30″, 32, 32′,32″)는, 예를 들면, 본질적으로 기존의 FET나, 또는 기존의 스위칭 구성 요소로 각각 구성된다. 더욱이, 각 스위칭 구성 요소(30, 30′,30″, 32, 32′,32″)에는 각각 관련 플라이백 다이오드(34, 34′,34″, 36, 36′,36″)가 있다. 각 플라이백 다이오드는 각각의 스위칭 구성 요소와 반 병렬(anti-parallel)로 배열된다. 각 플라이백 다이오드는 병렬로 배열되는 스위칭 구성 요소의 기생 다이오드가 될 수 있다. 플라이백 다이오드는 본 권선의 자유 기간동안 역 기전력 전압(back emf voltage)에 의해 생성되는 플라이백 신호를 배출할 수 있다. 전원 회선(12. 14. 16)은 스위칭 구성 요소(30,32; 30′,32′; 30″, 32″) 사이에 있는 각각의 노드 (A,B,C)에 접속된다.
모터를 다시 한 번 나타내는 도 2 및 도 3의 표를 참고하여 더 상세히 전원 회로(18)의 동작을 설명한다. 권선 (2,4,6)의 터미널은 도 3의 노드 A, B 및 C로 나타나며, 도 1 및 2에서 노드 A,B,C에 해당한다. 일반적으로, 모터가 회전할 때, 노드 한 개(예: 노드 A)가 전원 회선(26)에 연결되며, 다른 노드 (예: 노드 B)는 제로 전위 회선(28)에 연결되고, 최종 노드(예: 노드 C)는 계속 플로팅(floating)한다. 따라서, 6개의 서로 상이한 위상을 예상할 수 있다. 예를 들어, 제 1 위상 F에서, 전원 회로(18)는, 노드 A가 전원 회선(26)에 연결된 결과로서, 스위칭 구성 요소(30)가 턴 온 되는 것과 같은 방법으로 회선(22.3)을 통해 제어된다. 동시에, 제 1 위상 F에서, 노드 B가 제로 전위 회선(28)에 연결되는 것과 같은 방법으로, 회선(22.5)을 통해, 스위칭 구성 요소(32)가 제어된다. 제 1 위상 F 기간 중에, 다른 스위칭 구성 요소들은 턴 오프의 방법으로 제어된다. 이러한 결과로서, 제 1 위상 F에서, 스위칭 구성 요소(30)를 통해 전원 회선(26)에서 노드 A로, 권선(2 및 4)을 통해 노드 A에서 노드 B로, 스위칭 구성 요소(32)를 통해 노드 B에서 회선 (28)으로, 구동 전류가 흐르기 시작한다. 그 때, 노드 C는 플로팅 상태로 남아 있다. 이러한 제 1 위상이 도 2와 도 3에 도시되어 있다. 도 2의 첫 행은 전류가 노드 A에서 노드 B로 흐르고 있으며, 노드 C는 계속 플로팅하고 있다는 것을 도시하고 있다. 도 3에서, 이 전류는 원 문자 1의 화살표로 표시되어 있다. 제 2 위상에서, 완전히 유사한 방법으로, 노드 B가 플로팅을 계속하는 동안, 노드 A에서 노드 C로 전류가 흐른다. 제 3에서 제 6위상까지 다른 위상들은 도 2와 도 3에 나와 있다. 또한, 구동 기간 (Pa)은 구동 신호가 모터의 권선에 인가되는 기간으로 정의할 수 있다. 또한 자유 기간(Pv)은 어떠한 구동 신호도 권선에 인가되지 않는 기간으로 정의할 수 있다. 도 3에는 구동 기간(Pa)과 자유 기간(Pv)이 나타나 있다. 도 3에서, 본 예에서와 같이, 두 권선의 구동 기간(Pa) 동안 어떠한 구동 신호도 한 개의 권선에 인가되지 않는 방법으로, 정해진 구동 기간(Pa) 동안, 구동 신호가 모터 권선에 인가된다는 것은 명백하다. 또한, 자유 기간의 시작과 끝나는 시점은 구동 기간의 시작과 끝나는 시점과 일치하며, 각 구동 기간은 자유 기간의 2배이다. 각 구동 기간에서, 지속 시간이 해당 구동 기간의 시간과 동일한 구동 펄스가 해당 권선에 인가된다.
앞에서 설명한 바와 같이 자유 기간(Pv)동안, 노드 A, B 및 C중에 한 노드는 플로팅을 지속한다. 그러나, 예를 들어, 제 1 위상에서 노드 C가 플로팅을 지속하는 경우, 모터의 회전자의 회전으로 인해 권선(6)에서 유도 전압이 발생한다. 이 유도 전압은 노드 C와 세 권선의 성형 점(star point-S) 사이에서 이용할 수 있으며, 이하에서 이 유도 전압을 '역 기전력 신호'로 지칭한다. 마찬가지로, 제 2 위상 F에서 역 기전력 신호는 노드 B와 성형 점(S) 사이에서 생성되며, 제 3 위상 F에서 역 기전력 신호가 노드 C와 성형 점(S)사이에서 생성되는 것이다.
시퀀서(20)는 일반적으로 알려진 유형이며, 클록(27)이 생성하고 회선(38)을 통해 인가되는 클록 신호의 리듬으로, 도 3의 표에서 정해진 순서로 스위칭 구성 요소들(30, 30′,30″, 32, 32′,32″)을 정기적으로 턴 온 하는 회선(22.1-22.6)에서 제어 신호를 생성한다. 시퀀서(20)는, 본질적으로, 모터가 한 번 전기 회전을 할 때 6 회 순환하는 시프트 레지스터(shift register)로 구성된다.
도 4의 F로 표시된 첫 행에는, 모터가 전기적으로 완전하게 한 번 회전할 때 연속하여 발생하는 서로 상이한 6 가지의 위상이 나와 있다. A, B 및 C 행은 각각의 전압을 모터의 노드 A, B 및 C에 대한 시간 함수로서 나타내고 있다. 이것은 제 1 및 제 2 위상 기간 동안, 노드 A의 전압이 전원 전압 V0과 동일하다는 것에 대해 예를 들어 설명하고 있다. 제 3 위상 기간 동안, 노드 A는 플로팅하고 있으며, 역 기전력 신호가 권선(2)에서 생성된다. 제 4 위상 초기에, 노드 A의 전압은 노드 A가 제로 전위 회선(28)에 접속되기 때문에 제로 점의 전압과 동일하게 된다. 이러한 상황이 제 4 및 제 5 위상에서도 지속된다. 제 6 위상에서, 노드 A가 다시 플로팅 하게 되며 역 기전력 신호가 다시 생성된다. 노드 A에서와 같이 동일한 신호가 노드 B에서 생성되며, 노드 B의 이 신호는 노드 A에서의 신호에 대한 위상에서 120°시프트(shift)된다. 마찬가지로, 노드 A에서의 신호에 대한 위상에서 240°시프트 된 신호가 노드 C에서 생성된다.
본 발명에 따른 장치(1)는 모터가 회전하지 않을 때, 권선(2,4,6)으로 구성되는 정지자(9)에 대한 회전자(10)의 회전 각도를 결정하기에 적합하다. 본 예에서, 구동 수단(11)은 또한 스위칭 구성 요소들(32, 32′,32″)과 병렬로 배열된 모니터( 40, 40′,40″)를 포함하고 있다. 모니터( 40, 40′,40″)는 각각 회선( 42, 42′,42″)을 통해 장치의 처리기(44)에 접속된다. 처리기(44)에는 회선(46)을 통해 구동 수단(11)에 접속된 출력포트가 있다. 본 예에서, 회선(46)은 구동 수단(11)의 시퀀서(20)에 접속된다.
본 발명에 따른 장치(1)는 또한 각각 스위칭 구성 요소( 30, 30′,30″)와 병렬로 배열된 모니터( 48, 48′,48″)를 포함하고 있다. 이 모니터들이 측정한 전압은 각각 회선 ( 50, 50′,50″)을 통해 처리기(40)에 인가된다.
정지자(9)에 대한 회전자(10)의 회전 각도를 검출하는 장치는 다음과 같이 동작된다.
구동 수단(11)의 도움으로, 회전자가 회전하지 않는 동안, 전기 시험 펄스가 권선 (2,4,6)에 인가된다. 시험 펄스의 폭은 너무 좁아서 시험 펄스의 영향을 받으면 회전자가 회전을 시작할 수 없다.
권선에 인가된 시험 펄스는 각 시험 펄스에 대한 각각의 권선에서 플라이백 펄스를 생성하게 된다. 이 플라이백 펄스는 각 권선의 자기 유도에 대한 반응이다. 각 권선(2,4,6)의 플라이백 펄스는, 본 예에서 모니터( 40, 40′,40″)에 의해 형성된 측정 회로를 이용하여 검출할 수 있다. 검출된 플라이백 펄스는 각 회선( 42, 42′,42″)을 통해 처리기(44)로 인가된다. 처리기(44)는 상기 회전 각도를 결정하기 위해 공동으로 플라이백 펄스의 시간을 처리한다.
측정 회로는 또한 모니터 ( 48, 48′,48″)를 포함할 수 있다는 점에 주목한다. 이 모니터를 이용하여, 각 권선 (2,4,6)에서 플라이백 펄스를 결정할 수 있다.
그 외에, 모니터들( 42, 42′,42″)과 또 다른 모니터 ( 48, 48′,48″ )들은, 앞에서 설명한 바와 같이, 회전자가 회전하도록 하기 위해, 스위칭 구성 요소들이 개방되어 구동 신호를 생성할 때, 스위칭 구성 요소들의 전압을 감시하기 위해 사용된다. 따라서, 모터가 회전하는 동안, 모터의 정지자에 대한 회전자의 위치를 결정하기 위해 모니터들을 사용한다. 또한 이러한 기능은 구동 수단(11)의 스위칭 구성 요소에도 적용된다. 사실, 모니터들로 구성되는 측정 회로는 모터를 구동하고 모터가 정지하는 동안 정지자에 대한 회전자의 회전 각도를 결정하게 위해 사용되는 구동 수단(11)의 일부를 형성한다.
도 1의 장치에 대한 또 다른 제 1 실시예는 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8의 장치를 이용하여, 6 플라이백 펄스를 검출하기 위해 3 주기로 된 측정 과정이 수행된다. 먼저, 도 5를 참조하여 제 1 주기를 설명한다.
제 1 단계에서, 도 5에서 화살표(1)로 표시되어 있으며, 제 1 극성의 제 1 시험 펄스가 권선들(2와 4)로 구성된 제 1 권선 쌍에 인가된다. 이러한 목적으로, 스위칭 구성 요소(30 및 32′)는 미리 설정한 기간동안 폐쇄된다. 결과적으로, 회선(12)을 통과하는 스위칭 구성 요소(30)를 통해 전원 회선(26)에서 권선(2)의 노드 A로 전류가 흐르기 시작한다. 이 전류는 권선(2 및 4)을 통해 권선(4)의 노드 B로 진행한다. 결과적으로, 전류는 권선(4)으로 가는 노드 B에서 스위칭 구성 요소 (32´)를 통해 회선(14)을 통과하여 제로 회선(28)으로 흐르게 된다. 제 1 단계의 종료 시점에서, 스위칭 구성 요소(30과 32´)는 다시 개방되는 데, 이것은 제 1 시험 펄스의 끝 부분에 도달하였다는 것을 의미한다. 제 1 주기의 제 1 단계 동안, 모니터(40)(또는 모니터 48´)는 V0(도 5의 40으로 표시된 도표 부분 참조)과 동일한 전압을 검출하게 된다. 또한, 권선 A에서 권선 B를 통과하여 흐르는 전류는 제 1 단계동안 점차적으로 증가하게 된다(도 5의 IA-〉B로 표시된 부분 참조).
제 1 단계 종료 시점에서, 스위칭 구성 요소(30과 32´)는 다시 개방된다. 이것으로 제 1 시험 펄스가 끝났다는 것을 정의한다. 권선 (2와 4)의 노드 A와 노드 B에 대한 전원 전압 V0이 중지하게 되면, 이에 대한 반응으로 자기 유도 전압이 권선 (2와 4)에서 생성된다. 자기 유도 전압에는 극성이 있어서 권선(2와 4)에서 A에서 B로 흐르며 시간 함수로서 감소하는 자기 유도 전류가 생성된다(도 5의 IA-〉B로 표시된 부분 참조). 상기 유도 전류는 다이오드(36)와 회선(12)을 경유하여 제로 회선(28)에서 노드 A로, 권선(2 및 4)을 경유하여 노드 B로, 회선(14)과 다이오드(34′)를 경유하여 전원 회선(26)으로 흐르게 된다. 상기 유도 전류에서는 단계 2에서 모니터(40)를 이용하여 전압이 검출되는 플라이백 펄스(P)가 생성된다(도 5의 제일 위 도표 참조). 플라이백 펄스(P)의 폭은 권선(2와 4)의 자기 유도에 따라 다르며, 고정자에 대한 회전자의 회전 각도에 따라서도 다른 것으로 나타난다. 검출된 플라이백 펄스는 회선(42)을 통해 처리기(44)로 인가된다.
플라이백 펄스(P)가 측정되는 제 2 단계를 완료하는 즉시, 주기의 제 3 단계에서 제 2 시험 펄스가 생성되며, 이 단계의 제 2 시험 펄스는 제 1 시험 펄스의 극성과는 상반되는 극성을 지니게 된다. 이러한 목적으로, 스위칭 구성 요소(30´)와 또 다른 스위칭 구성 요소(32)는 제 3 단계에서 미리 설정한 시간 동안 폐쇄되며, 이것은 도 5에서 화살표(3)로 나타나 있다. 제 3 단계에서, 폐쇄가 이루어지면, 스위칭 구성 요소(30´)와 회선(14)을 통해 전원 회선(26)에서 권선(4)의 노드 B로 전류가 흐르게 된다. 그 결과, 권선(4)과 권선(2)을 통해 전류가 노드 B에서 노드 A로 흐르게 된다. 이 과정 이후에, 스위칭 구성 요소(32)를 통해 회선(12)을 경유하여 노드 A에서 제로 회선(28)으로 전류가 흐르게 된다. 제 3 단계에서, 모니터(40′)가 검출한 전압은 V0과 동일하게 된다. 또한, B에서 A로 흐르는 전류는 제 3 단계 진행 동안 점차적으로 증가하게 된다. 도 5에서, 이것은 도표 IA-〉B에서 부 전류(negative current)로서 나타나 있는 데, 그 이유는 도표가 A에서 B로 흐르는 전류를 도시하기 때문이다. 제 2 시험 펄스가 중지한 후, 이에 대한 반응으로서 권선(2와 4)에서, 또 다른 자기 유도 전압이 생성된다.
단계 2에서 설명한 것과 거의 유사한 방법으로, 주기의 제 4 단계에서 모니터(40′)(또는 모니터 48)를 이용하여 생성된 플라이백 펄스(P′)를 측정할 수 있으며, 이에 대한 것은 도 5에서 도표 40′을 참조한다. 플라이백 펄스(40′)가 존재하는 동안, 권선(2와 4)을 통과하는 유도 전류는 다시 느린 속도로 감소하게 된다. 또한, 플라이백 펄스(P′)의 폭은 자기 인덕턴스에 따라서 다르며, 결과적으로 고정자에 대한 회전자의 회전 각도에 따라 다르다. 권선(2)이 다른 권선(4)보다는 고정자에 대한 또 다른 각도의 위치를 차지하고 있으므로, 제 2 단계 및 제 4 단계 진행 중에 생성된 자기 유도 전류는 서로 다른 속도로 감소하게 된다. 결과적으로, 플라이백 펄스(P)는 플라이백 펄스(P′)의 폭 Δt'보다는 다른 폭의 Δt를 보유하게 된다. 일반적으로, 도 7에서와 같이, 플라이백 펄스의 폭 Δt는 회전자와 고정자 사이의 회전각도 θ에 따라 다르다. 권선(1)과 권선(2) 사이의 각도 차는 120˚라고 알려져 있으므로, 시간 차 Δt-Δt'를 근거로 권선(2)의 방향이 북위나 남위인지 결정하는 것이 가능하다. 예를 들어, Δt-Δt'가 0보다 더 적은 수라면, 권선(2)의 노드 A는 회전자의 북위 방향으로 향하게 한다는 결론을 도출할 수 있다. 반대로, Δt-Δt'가 0보다 크다면, 노드 A는 고정자의 남위 방향으로 향하게 한다는 결론을 도출할 수 있는 것이다.
도 5의 상태에서, Δt는 Δt'보다 적은 반면, 도 6에서는 Δt'가 Δt보다 적다. 따라서, 도 6의 상태에서, 노드는 남위를 향하지만, 도 5에서 노드는 북위를 향하게 된다.
결과적으로, 제 1 주기는 권선(4와 6)의 제 2 쌍과 권선(6과 2)의 제 3쌍에 대한 제 2 주기와 제 3 주기에서 각각 반복된다. 따라서, 간단히 말하면, 권선의 제 2 쌍에 대하여, 이것은 제 2 주기의 단계 1에서 스위칭 구성 요소(30´과 32˝)가 폐쇄되고, 제 2 주기의 단계 2에서 모니터(40´)(또는 모니터 48˝ )를 이용하여 플라이백 펄스를 측정하며, 제 2 주기의 단계 3에서 스위칭 구성 요소(30˝)와 또 다른 스위칭 구성 요소(32´)가 폐쇄되며, 제 2 주기의 단계 4에서 모니터(40˝)(또는 모니터 48´)를 이용하여 플라이백 펄스를 측정한다는 것을 의미한다. 또한, 제 3 주기의 단계 1에서 스위칭 구성 요소(30˝)와 또 다른 스위칭 구성 요소(32)가 폐쇄되며, 제 3 주기의 단계 2에서 모니터(40´)(또는 모니터 48˝ )를 이용하여 플라이백 펄스를 측정하며, 제 3 주기의 단계 3에서 스위칭 구성 요소(30˝)와 또 다른 스위칭 구성 요소(32´)가 폐쇄되며, 제 3 주기의 단계 4에서 모니터(40˝)(또는 모니터 48´)를 이용하여 플라이백 펄스를 측정한다. 상기 6 플라이백 펄스 각각은 각각의 회선(42, 42´과 42˝)을 통해 처리기(44)로 인가된다. 처리기(44)는 다음과 같이 플라이백 펄스를 처리한다.
제 1 주기에서 검출되는 제 1 플라이백 펄스(P)는 처리기(44)의 선택 장치(52)를 통해 카운터(54)로 인가된다. 본 예에서, 카운터(54)는 회선(38)에서 신호에 의해 시간을 기록하게 된다. 카운터(44)는 제 1 주기의 플라이백 펄스(P)가 존재하는 기간 동안 회선(38)을 통해 인가된 펄스의 수를 계산한다. 결과적으로, 제 1 주기의 단계4에서, 모니터(40´)가 검출한 플라이백 펄스(P´)는 선택 장치를 통해 카운터(54)로 인가된다. 이 기간 동안, 회선(38)을 통해 인가된 클록 신호의 리듬으로 카운트다운을 수행한다. 카운터(54)의 계수 C는 도 5에 나와 있다. 제 1 주기의 단계4 종료 시점에서 계수는 음수가 되며, 이것은 권선(2)의 노드 A가 정지자의 북위를 향한다는 것을 의미한다. 카운터의 계수 C(양수나 음수)는 처리기(44)의 선택 장치(56)를 통해 제 1 메모리에 저장된다.
전적으로 유사한 방법으로 권선(4와 6) 쌍의 플라이백 펄스 P 와 플라이백 펄스 P´의 지속 시간차는 제 2 주기에서 카운터(54)를 이용하여 결정된다. 카운터(54)의 계수는 제 2 주기의 단계 4의 종료 시점에 메모리(60´)에 저장된다. 또한, 전적으로 유사한 방법으로, 제 3 주기에서 생성된 플라이백 펄스의 지속 시간차는 메모리(60˝)에서 결정되어 저장된다.
도 8에 나타난 정보에 의한 장치에서 시퀀서는 폐 루프에서 서로 직렬로 배열된 복수의 시프트 레지스터(62, 62´, 62˝)로 구성된다. 시프트 레지스터(62)의 내용은 회선(22.4와 22.3)을 통해 스위칭 구성 요소(30 및 32)의 스위칭 상태를 정의한다. 마찬가지로, 시프트 레지스터(62´)의 내용은 스위칭 구성 요소(30´ 및 32´)의 스위칭 상태를 정의한다. 시프트 레지스터(62˝)의 내용은 스위칭 구성 요소(30˝ 및 32˝)의 스위칭 상태를 정의한다.
앞에서 언급한 3 주기가 완료되었을 때, 메모리(60)의 내용은 회선(64)을 통해 시프트 레지스터(62)에 인가된다. 전적으로 유사한 방법으로, 메모리(60´)의 내용은 회선(64´)을 통해 시프트 레지스터(62´)에 인가된다. 또한, 메모리(60˝)의 내용은 회선(64˝)을 통해 시프트 레지스터(62˝)에 인가된다. 그 때 시프트 레지스터는, 구동 신호를 생성하기 위해 구동 수단(11)이 활성화될 때 회전자가 미리 설정한 방향으로 회전을 시작하는 방법으로 서로에 관하여 로딩 된다. 일반적으로, 시험 펄스의 폭은 구동 신호의 구동 펄스의 폭보다 적어지게 된다.
본 발명은 상기 언급한 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 모니터( 40, 40´, 40 ˝)를 이용하는 대신, 플라이백 펄스는 마찬가지 방법으로 이 모니터들(48, 48´, 48˝)을 이용하여 검출될 수 있다. 또한, 상기 언급한 시프트 레지스터를 이용하는 대신 다른 방법으로 시퀀서(sequencer)를 형성하는 것도 가능하다.
또한, 상기 언급한 3 주기는, 도 9를 참조하여 설명될 수 있는 바와 같이, 다른 방법으로도 구성될 수 있다.
도 9는 도 1의 장치를 이용하여 수행될 수 있는 대안적 측정 방법에 의한 제 1 주기이다. 제 1 주기에서 제 1 시험 펄스는 전류가 전적으로 권선(2)을 통과해서 흘러서 결과적으로 권선(4와 6)사이를 분리하게 되는 방법으로 인가된다. 도 9에서 권선 A를 통과해서 흐르는 전류는 IA-〉B＆C로 표시되어 있다. 도 9에서 B에서 A로 권선(4)을 통해 흐르는 전류는 IB-〉A로 표시되어 있다. 끝으로, 도 9에서, C에서 A로 권선(6)을 통해 흐르는 전류는 IC-〉A로 표시되어 있다. 따라서 시험 펄스를 권선(2, 4, 6)에 인가하기 위해, 제 1 주기의 단계 1에서 스위칭 구성 요소(30, 32´, 32˝)는 폐쇄된다. 단계 1의 종료 시점에서, 전류 공급이 중지된다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 스위칭 구성 요소( 32´, 32˝)와, 필요한 경우, 스위칭 구성 요소(30)는 다시 개방된다. 이 결과로서, 권선(2, 4)을 결합하고 권선(2, 6)을 결합하여 플라이백 펄스가 생성된다. 따라서 제 1 시험 펄스에 대한 반응으로 2 개의 상이한 플라이백 펄스가 생성된다. 제 1 플라이백 펄스에 해당하는 권선 4를 통과하는 전류는 Δt 시간 동안 유지된다. 결과적으로 이 플라이백 펄스는 Δt와 동일한 폭을 지니게 된다(도 9 참조). 권선 6을 통과하는 플라이백 펄스의 전류는 Δt' 시간동안 유지된다. 결과적으로, 권선 6에 해당하는 플라이백 펄스는 Δt'와 동일한 폭을 지니게 된다(도 9 참조). 따라서 생성된 플라이백 펄스는 다시 모니터(40, 40´ 및 40˝)를 이용하여 다시 측정될 수 있으며 처리기(44)에 인가될 수 있다. 전적으로 유사한 방법으로, 제 1 주기는 전류가 전적으로 제 1 권선을 통과해서 흐르는 제 2 시험 펄스 동안 그리고 제 3 권선을 통과하여 전적으로 전류가 흐르는 제 3 펄스 동안, 각각 제 2 주기와 제 3 주기에서 반복되며, 제 1 권선과 제 3 권선을 통해서, 제 1 권선과 제 3 권선 사이에서 분리되어지고, 제 1 권선과 제 2 권선을 통해, 제 1 권선과 제 2 권선 사이에서 분리된다. 따라서, 제 2 주기에서도 2 플라이백 펄스가 생성되며, 이 펄스는 모니터(40, 40´과 40 ˝)를 이용하여 검출되며 처리기(44)에 인가된다. 마찬가지로, 제 3 주기에서 생성된 플라이백 펄스가 검출되어 처리기(44)에 인가된다. 처리기는 제 1 주기에 해당하는 2 플라이백 펄스 중에 어느 것이 더 긴지 결정한다. 제 1 주기에 대하여, 제 1 플라이백 펄스는 노드 A가 정지자의 자기 북위를 향할 때 제 2 플라이백 펄스보다 지속 시간이 더 길다. 이 상태는 권선(2)의 노드 A가 정지자의 자기 남위를 향할 때 또 다른 방법이 된다. 이것은 제 2 권선 4와 6과 관련하여 제 2 주기와 제 3 주기에 대한 완전 아날로그적인 방법으로 적용된다. 따라서, 각 노드 A, B 및 C에 대하여 자기 북위나 자기 남위 여부가 결정된다. 결과적으로, 정지자에 대한 회전자의 회전 위치는 60˚의 정확성으로 3 가지 사실을 근거로 하여 결정될 수 있다.
도 9의 예에서, 시험 펄스는 미리 설정된 길이로 정할 수 있다. 그러나, 다른 방법으로, 도 9에 나타난 바와 같이, 시험 펄스가 길이를 보유하고 있어서 시험 펄스의 전류 수치가 미리 설정한 최대치 IMAX로 증가하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명은 n이 3 이상인 n-상의 직류 모터에도 적용될 수 있다. 이 경우, 180˚/n의 정확성으로 회전 각도를 결정하기 위해 2배의 n 플라이백 펄스를 생성할 수 있다.
도 10은 디스크 드라이브(70)의 또 다른 실시예를 보여준다. 디스크 드라이브(70)는, 본 예에서 3 개의 자화성 디스크(72)가 조립된 형태의 정보 캐리어로 구성된다. 디스크 드라이브에는 또한 디지털 정보를 회전 디스크(72)에 쓰고 디스크(72)에서 디지털 정보를 읽기 위해 판독기(read unit)와 기록기(write unit)가 있다. 회전 디스크(72)는 도 1의 장치(1)와 모터(8)에 의해 구동된다. 디스크 드라이브(70)의 장점은 디스크 드라이브(72)의 시동이 아주 확실하다는 점이다. 이것은 디스크 드라이브(70)가 원하지 않는 회전 방향으로 잘못하여 시동되는 위험이 없다는 것이며, 그럼에도 불구하고, 디스크 드라이브(70)가 매우 신속하게 시동된다는 것이다.
본 발명에 따른 장치(1)는 테이프(그림에는 표시되지 않았음)를 구동하기 위해 다상 직류 모터(8)(도 11)가 있는 테이프 스트리머(80)에서 유익하게 사용될 수 있다. 즉, 장점은 테이프 저장 용량의 일부가 사용되지 않거나 상실되지 않기 때문에, 시동시, 직류 모터가 일시적으로 원하지 않는 방향에서 회전할 수 없다는 점이다.
또한, 발명의 개념에 근거하여 플라이백 펄스의 폭을 기준으로 정지자에 대한 회전자의 회전 각도를 결정하기 위해 다른 측정 방법을 사용할 수 있다는 점이다. 따라서, 4-상 직류 모터의 임의 제 1 권선에 대하여 이 권선의 자기 북위나 자기 남위 방향 여부를 결정할 수 있다. 결과적으로, 인접한 제 2 권선에 대하여, 자기 방향이 제 1 권선의 방향에 대하여 바뀌는 것도 검토할 수 있다. 이 경우, 제 3 권선 등에 유사한 측정 과정을 사용할 수 있다.

Claims (17)

  1. 무 브러시 직류 모터의 고정자(a stator of a brushless multi-phase d.c. motor)에 대한 회전자의 회전 각도를 검출하는 장치로서,
    상기 회전자는 영구 자석을 포함하며,
    상기 고정자는, 동작시, 회전자를 구동시키기 위해 전기 구동 신호가 인가되는 다수의 전기 권선을 포함하며,
    상기 장치는 회전자가 회전하지 않는 동안 전기 시험 펄스를 상기 권선에 인가하는 구동 수단을 보유하는 장치에 있어서,
    시험 펄스에 반응하여 모터가 생성한 플라이백 펄스를 검출하는 측정 회로와, 상기 회전 각도를 결정하기 위해 공동으로 검출한 플라이백 펄스를 처리하는 처리기로 구성되는 것을 특징으로 하는 무 브러시 직류 모터의 고정자에 대한 회전자의 회전각도 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 수단은 회전자를 회전시키기 위해 정해진 순서로 고정자의 권선에 구동 신호를 정기적으로 인가하기에 적합하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동 수단은 시험 펄스와 구동 신호를 생성하기 위한 복수의 스위칭 구성 요소를 포함하며,
    상기 구동 수단은, 또한, 상기 구동 수단이 구동 신호를 생성하는 기간동안, 상기 스위칭 구성 요소가 개방 상태에 있을 때 구동 수단의 스위칭 구성 요소에 존재하는 전압을 감시하는 상기 측정 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 2 항 또는 3항에 있어서,
    상기 구동 신호는, 시험 펄스의 지속 시간이 구동 펄스의 지속 시간 보다 더 짧은, 구동 펄스로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 선행 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 수단은 시험 펄스를 각 권선에 인가하기에 적합한 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    서로 상이한 극성의 2 시험 펄스가 각 권선에 인가되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 장치는 서로에 대하여 서로 상이한 위상으로 배열된 3 개의 권선(n=3)이 있는 모터에 적합하며,
    상기 장치는, 동작시, 6 플라이백 펄스와, 제 1 주기에서 제 1 권선 쌍에 인가되는 제 1 극성의 제 1 시험 펄스를 검출하기 위해 3 주기로 구성되는 측정 과정을 수행하는 회전 각도를 결정하기 위한 장치이며,
    플라이백 펄스는 검출된 제 1 시험 펄스에 반응하여 생성되며,
    제 1 극성에 상반되는 제 2 극성의 제 2 시험 펄스는 제 1 권선 쌍에 인가되며.
    플라이백 펄스는 검출된 제 2 시험 펄스에 반응하여 생성되며,
    제 1 주기는 제 2 권선 쌍과 제 3 권선 쌍 각각에 대하여 제 2 주기와 제 3 주기에서 반복되며,
    제 1, 제 2 및 제 3 권선 쌍은 서로 상이한 것으로 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    각각의 주기에서 측정된 2 플라이백 펄스의 지속 시간차는 각 주기에서 처리기를 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    처리기에는 지속 시간을 결정하기 위하여 업-다운 카운터가 포함된 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 4 항 또는 9 항에 있어서,
    상기 구동 수단은 구동 신호를 생성하기 위해 시프트 레지스터의 내용에 반응하여 스위칭 구성 요소를 개방하고 폐쇄하기 위하여 폐 루프에서 서로에게 직렬로 배열된 복수의 시프트 레지스터로 구성되며,
    지속 시간차 수치는, 모터가 시동할 때, 미리 설정한 방향으로 회전자가 회전하는 방법으로 시프트 레지스터의 초기 상태를 결정하기 위해, 동작시, 시프트 레지스터로 적용되는 업-다운 카운터를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 7 내지 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    시험 펄스의 지속 시간은 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 장치는 서로에 대하여 상이한 위상으로 배열된 3 개의 권선(n=3)이 있는 모터에 적합하며,
    상기 장치는, 동작시, 6 플라이백 펄스를 검출하기 위해 3 주기로 구성되는 측정 과정을 수행하는 회전 각도를 결정하는 장치이며,
    제 1 시험 펄스는 전적으로 제 1 권선을 통해 제 1 시험 펄스가 흐르는 방법으로 제 1 주기에서 권선에 인가되고, 제 2 및 제 3 권선을 통해 제 2 권선과 제 3 권선 사이에서 분리되며,
    최소한 2 플라이백 펄스는 측정 회로에 의해 검출되는 제 1 시험 펄스에 반응하여 생성되며,
    측정기는 2 플라이백 펄스 중에 어느 펄스가 지속 시간이 더 긴지 결정하며,
    제 1 주기는 전적으로 제 2 권선을 통해 흐르는 제 2 펄스 동안 각각 제 2 주기와 제 3 주기에서 반복되고, 제 1 권선과 제 3 권선을 통해 흐르는 제 1 권선과 제 3 권선 사이에서 분리되며, 전적으로 제 3 권선을 통해 흐르는 제 3 시험 펄스 동안 반복되며, 제 1 및 제 2 권선을 통해, 제 1 및 제 2 권선 사이에서 분리되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    시험 펄스는 지속 시간이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 구동 수단은 시험 펄스의 전류 수치가 미리 설정한 최대 수치로 증가하는 방법으로 시험 펄스의 지속 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 다상 직류 모터와 선행 항들 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 장치를 포함하는 구동 시스템.
  16. 제 15 항에 청구된 바와 같은 구동 시스템을 포함하는 디스크 드라이브.
  17. 제 15 항에 청구된 바와 같은 구동 시스템을 포함하는 테이프 스트리머.
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