KR20010085610A

KR20010085610A - 모터 구동 회로, 모터 구동 방법, 및 반도체 집적 회로 장치

Info

Publication number: KR20010085610A
Application number: KR1020010009697A
Authority: KR
Inventors: 오우라히또시; 다나까쯔요시; 가와바따유끼오
Original assignee: 가나이 쓰토무; 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼; 타니오카 요시노리; 히다치 하라마치 덴시 고교 가부시키 가이샤
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2001-09-07
Also published as: CN1630179A; EP1130761A2; EP1130761A3; CN1187887C; KR100739376B1; JP2001251886A; TW515140B; US20010040440A1; JP3442024B2; CN1300930C; CN1311559A; US6534948B2

Abstract

본 발명의 모터 구동 시스템은 영구 자석 회전자를 포함한 무브러시 모터에 펄스폭 변조 제어한 구동 전력을 공급하는 전력 변환 장치와, 모터 회전자의 자극 위치를 검출하는 자극 위치 검출기와, 상기 자극 위치 검출기의 출력 신호에 기초하여 모터의 회전 속도를 검출하는 속도 검출 수단과, 상기 속도 검출 수단의 출력 신호와 속도 지령과의 편차를 출력하는 속도 제어 연산 처리 수단과, 상기 속도 제어 연산 처리 수단의 출력 신호에 따른 복수의 지령 신호를 발생하는 수단과, 상기 속도 제어 연산 처리 수단의 상기 출력 신호에 기초하여 상기 복수의 지령 신호 중 어느 하나를 선택함으로써 변조파를 생성하는 수단과, 상기 변조파에 기초하여 전력 변환 장치를 펄스폭 변조 제어하는 수단을 포함한다.

Description

모터 구동 회로, 모터 구동 방법, 및 반도체 집적 회로 장치{MOTOR DRIVE CIRCUIT AND METHOD OF DRIVING MOTOR AND SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE}

최근, 가전 또는 산업용 설비 등에서의 모터를 구동하기 위한 회로 및 반도체 장치의 기술 분야에서는, 상용 전원을 정류한 정류 전압 또는 그에 상당하는 직류 전압을 직접 인버터를 통하여 모터를 구동하는 방법이 널리 이용되고 있다. 이것은 모터의 고효율화 및 소형화를 주된 목적으로 한다. 높은 전압으로 모터를 구동함으로써 소비하는 전류를 저감하고 내부 저항 등에 의한 손실의 증가를 막는다. 또한, 모터 코일의 배선 직경을 작게 할 수 있어 모터를 소형화할 수 있다.

무브러시 모터의 구동에는 인버터 장치가 필요하며, 가전 분야에서는 염가인 인버터 장치의 제공이 요구되고 있다. 이 때문에 무브러시 모터용 인버터 구동 장치에서는 회로 구성이 간단하고 비교적 모터 효율도 높게 할 수 있어 염가의 120° 통전 방식이 이용되고 있다.

120° 통전 방식에 의한 모터 구동 회로에서는 모터 회전자의 자극 위치를 자극 검출기로 검출하고, 회전자와 고정자의 자극이 일치하도록 타이밍으로 인버터장치의 각 스위칭 소자를 온 오프 제어하여 모터를 구동한다. 회전자의 자극 위치 검출은 일반적으로 홀 효과를 응용한 홀 소자 혹은 홀 소자에 증폭기를 내장한 홀 IC을 이용하고 있다. 이 검출 신호를 전기각이라는 180°분 중 120°분을 논리적으로 온시켜서 전류를 통류한다. 즉, 남은 60°분은 인버터 출력을 오프하는 동작을 행한다. 이 때문에, 모터 전류 i의 온 오프 직후는 매우 높은 변화량(di/dt)을 갖는 전류 파형이 된다. 이 di/dt에 의해서 모터 코일이 진동하고 외부에 전자음이 방출된다. 이 전자음의 주파수는 모터 회전수와 모터극수에 비례하고 있어, 모터 실사용 회전역으로는 수 ㎐에서 수 100㎐ 정도가 되기 때문에 사람에게는 소음으로 들린다.

또한, 모터 전류 파형이 고조파 성분을 많이 포함하면, 일반적으로 모터 토크에 맥동이 발생하기 쉬워진다. 모터 토크는 모터 고유의 야기 전압과 모터 전류와의 곱이므로 모터 토크의 맥동은 모터 전류 파형에 크게 의존하게 된다. 이 토크 맥동에 의해서 모터 자체가 진동하고 모터를 부착한 가대(架臺)를 진동시켜서 소음이 생긴다.

소음을 적게 하기 위해서, 소위 PWM(Pulse Width Modulation : 펄스폭 변조) 제어에 의해 모터 구동 전류를 정현파상으로 하는 방법이 있다. 구체적으로는 모터의 고정자 자극의 자속을 홀 소자로 검출하고 정현파상의 신호를 얻는다. 이 정현파상의 신호와 반송파 발생기의 출력 신호인 반송파 신호를 비교기로 비교하고 PWM 신호를 얻는다. PWM 신호에 의해서 인버터 장치를 온 오프 제어함으로써 모터전류가 정현파상에 제어된다. 그러나, 고도의 연산 처리를 행하기 위해 120° 통전 방식보다 더 복잡하고 또한 고가인 시스템이라는 문제가 있다.

<발명의 요약>

본 발명은 상기한 문제를 고려하여 이루어진 것으로 비교적 간단한 회로에서 소음이 적은 모터 구동 회로를 제공한다.

본 발명에 따른 모터의 구동 회로 또는 구동 방법은 모터의 회전 속도에 따라 복수의 지령 신호를 발생하고, 이들 복수의 지령 신호 중 어느 하나를 모터의 자극 위치에 기초하여 선택함으로써 변조파를 작성한다. 이 변조파에 기초하여 모터에 구동 전력을 공급하기 위한 전력 변환 장치를 펄스폭 변조 제어하기 때문에, 모터에서 발생하는 소음이 저감된다. 복수의 지령 신호로는 회전 속도에 따라 그것에 비례한 레벨이 되는 직류 신호가 적용된다. 이 경우, 변조파는 직류 레벨에 따른 레벨을 갖는 파형, 예를 들면 계단형 파형을 갖는다. 전력 변환 장치로는 반도체 스위칭 소자의 온 오프에 의해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 등이 있다.

본 발명에서는 적은 소음의 모터를 구동하는 회로를 칩 사이즈를 크게 하지 않고 하나의 반도체 칩에 모노리식화한다. 모노리식화한 반도체 집적 회로는 자극 위치 검출기와 함께 모터의 케이싱에 내장할 수 있다. 또, 본 발명에 따른 모터 구동 회로는 모터 케이싱의 외부에 설치해도 되며 수지 케이스 내에 수납하여 모듈화하여도 된다. 또한, 자극의 위치를 자극 위치 검출기 등을 이용하지 않고 소위 무센서로 추정하여 모터를 구동해도 된다.

도 1은 실시예 1의 모터 구동 회로와 모터 구동 시스템을 나타내는 도면.

도 2는 실시예 1의 각부 동작 파형을 나타내는 도면.

도 3은 실시예 1의 지령 신호의 선택 방법을 나타내는 도면.

도 4는 도 3의 신호 분배 회로의 입력 파형과 출력 파형을 나타내는 도면.

도 5는 실시예 2의 각부 동작 파형을 나타내는 도면.

도 6은 실시예 2의 선택 신호를 생성하는 회로 구성을 나타내는 도면.

도 7은 도 6의 신호 분배 회로의 논리 구성을 나타내는 도면.

도 8은 실시예 3의 모노리식 반도체 집적 회로를 내장한 모터를 나타내는 도면.

도 9는 실시예 4의 모노리식 반도체 집적 회로의 유전체 분리 기판 단면을 나타내는 도면.

도 10은 실시예 4의 모노리식 반도체 집적 회로의 평면 패턴을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 교류 상용 전원

2 : 정류기

3 : 인버터 장치

4 : 모터

5 : 자극 위치 검출기

본 발명의 각 실시예를 도면을 이용하여 자세히 설명한다.

<실시예 1>

본 실시예의 모터 구동 회로 및 모터를 포함하는 모터 구동 시스템을 도 1에 도시한다. 도 1에서, 모터(4)는 3상 무브러시 모터이다. 본 모터는 회전자에 영구 자석을 구비하고 영구 자석이 발생하는 자속을 검출하여 회전자 자극 위치를 검출하는 자극 위치 검출기(5)를 구비한다. 본 실시예에서는 자극 위치 검출기(5)에 홀소자와 홀소자를 출력하는 검출 신호를 논리 신호(hu, hv, hw)로 변환하는 제로 크로스 회로를 내장한 홀 IC를 이용한다. 자극 위치 검출기(5)는 1상마다 1개씩 설치되고, 3상 각 상의 전기각의 위상차가 120°가 되도록 설치하였다.

모터 입력 단자, 즉 모터의 고정자 코일은 인버터 장치(3)에 접속된다. 인버터 장치(3)는 예를 들면 파워 MOSFET, 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 스위칭 소자를 6개 조합한 회로를 구비한다. 인버터 장치(3)의 전원이 되는 직류 전원은 교류 상용 전원(1)을 정류기(2)로 정류하여 얻는다. 인버터 구동 장치(8)에 의해서 인버터 장치(3)의 각 스위칭 소자의 온 오프를 제어한다.

또, 도 1의 파선으로 둘러싼 구동 회로(6)는 모노리식 반도체 집적 회로 장치 내에 형성하고 있다. 또한, 일점쇄선으로 둘러싼 구동 회로(6)와 자극 위치 검출기(5)는 모터(4)에 내장되며 구동 회로 내장 무브러시 모터(7)로서 일체화되어 있다.

이하, 도 1에서의 인버터 장치(3)에 의한 모터의 구동 방법을 도 2의 동작 파형도를 이용하여 설명한다. 모터(4)가 정상 회전 중인 자극 위치 검출 신호군 h(hu, hv, hw)은 도 2에 도시하는 위치 검출 신호 hu, hv, hw와 같이 전기각 120° 위상차를 유지한 논리 신호이다. 이 위치 검출 신호군 h(hu, hv, hw)는 모터 속도에 관계하는 정보(예를 들면 펄스 신호의 주기 등)를 갖기 때문에, 위치 검출 신호군 h(hu, hv, hw)에서 1개의 위치 검출 신호 hw를 골라 내서, 이 위치 검출 신호 hw를 주파수-전압 변환기(F/V ; 15)에 의해서 전압으로 변환하고, 실속도에 대응한 직류 전압 성분으로 한다. 또, 본 실시예에서는 속도 검출을 위해서 위치 검출 신호 hw를 이용하였지만 hu 또는 hv 혹은 hu, hv, hw 중의 복수의 신호를 이용해도 된다.

속도 제어 연산 처리 수단(13 ; 예를 들면 마이크로 컴퓨터 등의 연산 처리 장치)은 주파수-전압 변환기(15)의 출력인 직류 전압 성분 즉 속도 신호와, 속도 제어 연산 처리 수단(13) 내에 설정되어 있는 속도 지령을 비교하고, 이들의 편차를 출력한다. 이 출력 신호는 직류 전압 신호에 있어서 모터의 전류 지령 신호 a이다. 반전 증폭기(12)에서 전류 지령 신호 a의 반전한 전류 지령 신호 b를 출력한다. 또한, 중점 발생 수단(20)은 전류 지령 신호 a 및 b의 전위의 중간 크기의 전위를 갖는 중점 신호를 출력한다. 도 2 및 후술하는 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 중점 신호의 전위는 접지 레벨(제로 레벨)이다. 전류 지령 신호 a, b 및 중점 신호가 신호 선택 수단(11)에 입력된다.

신호 선택 수단(11)은 아날로그 신호인 전류 지령 신호 a, b 및 접지 레벨의중점 신호와 논리 신호인 위치 검출 신호군 h(hu, hv, hw)를 입력하고, 위치 검출 신호군 h(hu, hv, hw)에 따라 전류 지령 신호 a, b 및 중점 신호 중 어느 하나를 선택하고, PWM 제어의 변조파가 되는 선택 신호군 s(su, sv, sw)를 생성하여 출력한다. 선택 신호군 s(su, sv, sw)의 펄스의 엣지는 위치 검출 신호군 h(hu, hv, hw)의 펄스의 엣지에 동기하고 있다. 예를 들면, 도 2에 도시한 바와 같이, 선택 신호 su의 플러스 방향의 펄스(전류 지령 신호 a가 선택되어 있는 경우)의 상승 및 상승의 각 엣지는 각각 위치 검출 신호 hu의 상승 하강의 엣지 및 위치 검출 신호 hv의 상승 하강의 엣지에 동기하고 있다. 또한 선택 신호 su의 마이너스 방향의 펄스(전류 지령 신호 b가 선택되고 있는 경우)의 상승(접지 레벨에서 마이너스가 되는 경우) 및 하상(마이너스에서 접지 레벨로 되돌아가는 경우)의 각 엣지는 각각, 위치 검출 신호 hu의 상승의 엣지 및 위치 검출 신호 hv의 상승 엣지에 동기하고 있다. 또, 마찬가지로, 선택 신호 sv의 엣지는 위치 검출 신호 hv 및 hw의 엣지에 동기하고 sw의 엣지는 hw 및 hu의 엣지에 동기하고 있다. 또한, 선택 신호군 s(su, sv, sw)의 하이 레벨의 전압은 전류 지령 신호 a의 전압 레벨에 일치하고, 로우 레벨은 전류 지령 신호 b의 전압 레벨에 일치한다. 또, 선택 신호군 s의 전압 레벨은 전류 지령 신호 a, b의 전압 레벨에 비례한 크기로 해도 된다.

선택 신호군 s(su, sv, sw)는 필터 회로(10)에 입력되어 각 선택 신호의 파형이 완만해지도록 파형 가공된다. 완만한 파형의 신호가 선택 신호 fu, fv, fw로서 필터 회로(10)에서 출력된다. 선택 신호 fu, fv, fw를 반송파 발생기(14)의 출력인 반송파 신호(예를 들면 3각파)와 비교기(9)에서 각각 비교하고 PWM 신호를 생성한다. PWM 신호를 인버터 구동 장치(8)에 입력하여 인버터 장치(3)의 각 스위칭 소자를 온 오프 제어한다.

이상의 구성에 의해서, 속도 제어 연산 처리 수단(13)의 속도 지령에 일치하도록 모터의 회전 속도가 제어된다. 즉, 모터 회전 속도가 속도 지령치보다 작으면 전류 지령 신호 a의 크기를 상승시킨다. 이에 의해서, 선택 신호군 s(su, sv, sw)의 진폭이 증대하고 PWM 신호의 온 듀티비가 증가한다. 결과적으로, 인버터 장치(3)의 출력 전류가 증대하여 모터 토크가 증가하고, 모터는 가속하고 회전 속도가 속도 지령치에 일치한다. 모터 회전 속도가 속도 지령치보다 큰 경우에는 전류 지령 신호 a를 감소시켜서 상술한 바와 반대인 동작으로 모터를 감속하고 회전 속도를 속도 지령치에 일치시킨다.

본 실시예에서는 위치 검출 신호에서 직류 전압인 모터 전류 지령 신호를 적절하게 선택하고, 구형파상의 변조파를 생성하고 PWM 제어를 행하기 때문에 비교적 간단한 PWM 제어로 무브러시 모터를 구동할 수 있다. 이와 같이 구동 회로가 간단해지기 때문에 무브러시 모터 구동 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 회로가 간단해짐으로써 종래 기술에서는 속도 제어 연산 처리 수단(마이크로 컴퓨터 등)으로 행하는 PWM 신호의 발생을 인버터 장치(3)가 형성되어 있는 모노리식 반도체 집적 회로(6)에 일체 형성한 제어 회로에서 행할 수 있다. 즉, PWM 제어 회로, 인버터 구동 장치(스위칭 소자의 드라이버 회로), 인버터 주회로를 원칩의 모노리식 IC로 할 수 있다. 이에 따라, 모터 구동 시스템의 각종 제어 혹은 상태 감시 등을 행하는 마이크로 컴퓨터 등의 연산 처리 장치의 부하를 경감할 수 있다. 따라서, 소형혹은 염가인 연산 처리 장치를 이용할 수 있다. 또한, 반도체 집적 회로(6)에 속도 지령치 설정 회로 및 상술한 바와 같은 전류 지령 신호 a를 생성하는 회로를 내장하면 속도 제어 연산 처리 수단(13)이 불필요해진다.

본 실시예에서는, 선택 신호군 s(sv, su, sw)의 파형을 필터 회로를 통하여 완만하지만, 필터 회로(10)를 이용하지 않고 선택 신호군 s(sv, su, sw)를 직접 변조파에 이용하여도 120° 통전 방식보다도 모터 전류 파형은 완만해진다. 이것은 본 실시예에서는 120° 통전 방식에서의 전기각 60° 분의 인버터 출력 오프 기간을 인버터 출력 오프가 아니라 듀티비 50%의 PWM 제어를 행하기 때문에, 이 기간에 모터 전류가 흐르고 전류파형이 완만해지기 때문이다. 또, 필터 회로를 설치하면 전류 파형이 한층 완만해지기 때문에 모터 소음이 보다 저감된다.

본 실시예의 전류 지령 신호의 선택 방법을 도 3을 이용하여 구체적으로 설명한다. 도 3에서, 논리 신호인 위치 검출 신호 hu, hv, hw를 신호 분배 회로(31)에 의해서 분배하고 아날로그 스위치군(32)의 구동 신호 ut, um, ub, vt, vm, vb, wt, wm, wb로서 출력한다. 분배 신호 파형을 도 4에 도시한다. 도 2에서의 선택 신호 su의 하이 레벨, 중점(접지) 레벨, 로우 레벨에 대응하여 각각 ut, um, ub가 하이 레벨이 된다. ut, um, ub가 하이 레벨일 때, 각각 전류 지령 신호 a, 중점(접지) 전위, 전류 지령 b에 접속된 스위치가 온한다. 그 결과, 도 2에 도시한 파형의 선택 신호 su가 작성된다. 다른 선택 신호 sv, sw에 대해서도 마찬가지이다. 이와 같이, 신호 분배 회로(31)의 출력 신호에 의해서, 아날로그 스위치군(32)을 구동한다. 아날로그 스위치의 동작에 의해서, 모터 전류 지령 신호를 선택하고,증폭기(33)에 입력하여 선택 신호를 생성한다. 증폭기(33)의 출력 신호를 필터 회로(10)를 통하여 비교기(9)에 입력한다. 비교기(9)는 반송파 신호(본 실시예에서는 삼각파)와 비교하여 PWM 신호가 생성된다.

<실시예 2>

도 5를 이용하여 실시예 2를 설명한다. 도면은 생략하지만, 본 실시예의 구동 시스템의 구성은 도 1의 실시예와 마찬가지이며, 선택하는 전류 지령 신호의 레벨을 전 실시예의 3 레벨(a, 접지, b)에서 4 레벨(a, c, d, b)로 늘린 점이 다르다.

도 1의 실시예에서는 1상당 선택 신호가 60°+120°의 전환 신호로 선택 신호가 형성되는데 대하여, 본 실시예에서는 선택 신호를 60°마다 세분화한다. 우선, 모터 전류 지령 a를 4개의 직류 레벨 a, b, c, d로 변환한 전류 지령 신호와, 위치 검출 신호군 h에 의해 선택 신호군 s를 생성한다.

도 6에 구체적으로 선택 신호를 생성하는 회로 구성을 나타낸다. 전류 지령 신호 a, b, c, d는 다음 식과 같이 생성한다.

b=-a … (1)

d=a/z … (2)

c=-d … (3)

여기서, z는 증폭율을 나타낸다. 증폭율 z는 모터의 야기 전압 파형 레벨에 상당하도록 조정한다. 예를 들면, 도 5에서의 선택 신호와 정현파를 비교한다. 레벨 c는 레벨 a를 1로 하면 사인파의 30°의 위치가 평균적인 위치에 있다. 따라서, 증폭율 z는 sin 30°=0.5로 구해진다. 또, 0.5라는 값뿐만아니라 선택 신호의 파형을 완만하게 하기 위해서 0.5 내지 0.3 정도로 조정하는 것도 가능하다.

도 6에서 신호 분배 회로는 도 7에 도시하는 논리 구성을 갖는다. 논리 구성은 도 4의 실시예와 대략 마찬가지이다. 도 5에 도시한 선택 신호 su의 가장 높은 레벨에서 순차 낮아지는 4레벨에 대응하여 신호 분배 출력 ut, uh, ul, ub 각각이 하이 레벨이 된다. ut, uh, ul, ub의 하이 레벨에 따라 전류 지령 신호 a, c, d, b에 접속되는 스위치가 각각 온한다. 그 결과, 도 5에 도시하는 su가 생성된다. 다른 선택 신호 sv, sw에 대해서도 마찬가지이다. 이와 같이 하여, 분배 회로의 출력 신호를 아날로그 스위치군(32)에 주고 직류 신호 a, b, c, d를 선택한다. 선택한 신호를 증폭기(33)에 입력하고 증폭기의 출력 신호를 필터 회로에 입력한다.

본 실시예에 따르면, 선택 신호의 분해능이 향상하므로 소음을 저하하는 효과가 크다. 또, 본 실시예에서는 필터 회로를 이용하지 않고 선택 신호군 s를 반송파와 직접 비교하여도 모터 전류는 어느 정도 완만해진다. 따라서, 필터 회로를 없애면 필터 회로의 시상수의 영향이 없어지며 넓은 회전수 범위에서 소음이 저하된다.

도 7의 논리 구성은 위치 검출 신호에서 자동적으로 생성할 수 있지만, 위치 검출 신호와 선택 신호의 위상 관계를 논리적 수단에 의해서, 시프트할 수 있다. 예를 들면 극단적으로 회전수가 다른 2개의 동작점에서 위치 검출의 위상차가 현저히 다른 경우에, 본 실시예의 구동 회로에서 신호 분배 회로의 논리 구성을 변경하고 대처할 수 있다. 또, 도 3에 도시하는 필터 회로는 단순하게 저항과 컨덴서를 기본으로 한 1차 지연되는 회로이지만, 이것을 복잡한 필터 회로 구성, 예를 들면 다단 CR 필터로 치환하여도 된다.

본 실시예에서 필터 회로(10)는 고정되었을 때 상수에 따른 주파수로 계단형 신호를 완만하게 한다. 따라서, 특정한 모터 회전수에 있어서 모터 전류가 완만해진다. 또한, 회전수에 따라 필터 시상수를 변화시켜도 되며 사용 회전수가 광범위하게 걸치는 모터에 가변 시상수 필터를 적용하면 소음은 적어지고 모터 효율도 저하하지 않는다.

<실시예 3>

본 실시예는 도 8에 도시한 바와 같이 모터에 상기 실시예 1, 2의 구동 회로를 갖는 모노리식 반도체 집적 회로를 내장하였다. 인버터 장치(6)를 모노리식화하면 이하의 이점이 있다.

(1) 인버터 장치(6)가 소형이 되므로 모터에 내장할 수 있다.

(2) 인버터 장치(6)가 모터 내장으로 할 수 있어 위치 검출 신호를 모터 밖으로 인출할 필요가 없어지며 인출 배선을 생략할 수 있다.

(3) 위치 검출 회로와 인버터 장치의 거리가 짧고 또한 위치 검출 신호가 논리 신호이기 때문에, 인버터 장치의 출력 전압의 dv/dt 노이즈에 대하여 노이즈 내량을 높일 수 있다.

(4) 인버터 장치의 모노리식화에 따라 모터 전류 지령을 반전하는 반전기 등의 증폭율의 정밀도가 향상한다.

(5) 모터 부하의 증대에 의해서, 모터 전류 위상이 지연 위상이 되며 모터의 효율이 저하하는 것이 일반적으로 알려져 있다. 부하가 증대했을 때, 인버터 출력 전류의 증가로 인버터 장치(6)가 가열한다. 한쪽 필터 회로에서의 저항치의 온도 특성을 마이너스 특성으로 하는 것 혹은 컨덴서의 온도 특성을 마이너스 특성으로 함으로써 필터 시상수가 작아지도록 설정한다. 따라서, 인버터 장치(6)의 과열에 의해서 전류 위상이 진상(進相)하도록 움직이고 모터 효율을 저하시키지 않도록 온도 보상할 수 있다.

(6) 모터의 전류 지령을 1개의 직류 전압 신호로 제어할 수 있어 모터로부터의 인출 배선을 간략화할 수 있다.

(7) 모터 회전수가 올라가면, 모터 효율이 최대가 되는 전류 위상에 대하여 위상이 진행하는 경향에 있는 것이 알려져 있다. 본 발명에 따르면, 회전수가 커지면 필터 회로에 의해서 전류 위상이 지연되는 특성을 가질 수 있어 모터 효율이 저하하는 것을 보상할 수 있다.

도 8에 도시한 바와 같이, 모터 케이싱(51)에 모터 코일로 이루어지는 고정자(52)를 끼워 넣고, 고정자(52)에 코일 입력 단자(58)를 설치한다. 영구 자석 회전자(53)를 고정자(52)에 닿지 않도록 적절한 갭을 설치하여, 고정자 내부에 설치한다. 회전자(53) 상부에 본 실시예의 인버터 장치 내장의 모노리식 반도체 집적 회로(6) 및 회전자의 자극 위치 검출기(홀 IC ; 5) 및 주변 회로를 구비한 회로 기판(54)을 설치하고 또한 케이싱(55)으로 덮는다. 또, 도 8에서는 위치 검출기(5)를 설명의 편의 상, 기판의 표면측(상측)에 나타냈지만, 실제는 기판의 이면측에설치하고 회전자에 근접시켜서 회전자의 자극을 검출하기 쉽게 한다. 여기서, 고정자측의 코일 입력 단자(58)와 회로 기판측 인버터 출력 단자(57)를 배선(56)으로 접속한다. 또한, 회로 기판(54)에서 인버터 구동용 배선(59)을 인출한다. 모터의 구동에 최소한 필요로 하는 배선은 모터 구동용 고압 전원 플러스측, 마이너스측(접지), 모노리식 집적 회로용 제어 전원 플러스측, 모터 전류 제어용 입력 신호, 모터 회전 출력 신호의 계 5개이다. 이와 같이 본 실시예에서는 모터 구동 회로를 모터 케이싱의 외부에 설치하는 경우에 비교하여 배선수를 대폭 삭감할 수 있다.

<실시예 4>

도 9는 본 실시예에 따른 모터 구동 회로를 형성한 모노리식 반도체 집적 회로의 단면을 나타낸다. 본 실시예에서는 집적 회로가 유전체 분리 기판에 형성된다. 유전체(절연체)인 실리콘 산화막(SiO₂; 42)으로 덮힌 단결정도(44) 중에 인버터 장치(3)를 구성하는 반도체 스위칭 소자(IGBT)나 고속 다이오드, 인버터 구동 장치(8)나 PWM 신호를 발생하기 위한 회로를 구성하는 전기 소자 등이 형성된다. 이들의 전기 소자 간을 알루미늄 등의 도체 배선(43)으로 결선한다. 각 단결정도(44)는 실리콘 산화막(42)에 의해서 전기적으로 절연 분리됨과 함께, 단결정도(44) 및 실리콘 산화막(42)의 외측을 덮는 다결정 실리콘 기판(41)에 의해 지지된다.

도 10은 도 9의 모노리식 반도체 집적 회로의 평면 패턴을 나타낸다. 모노리식 집적 회로칩(45)에 6개의 고속 다이오드(46)가 인접하여 설치되는 영역과, 6개의 IGBT(47)가 인접하여 설치되는 영역이 있고, 이들의 반도체 소자에 의해 인버터 장치가 구성된다. IGBT가 설치되는 영역에 인접하여, 이들의 IGBT를 온 오프 제어하기 위한 인버터 구동 장치나 PWM 신호를 발생하는 회로가 영역(48)에 형성된다. 각 회로 영역은 실리콘 산화막(42)에 따라 기판으로부터 절연 분리된 상기 단결정도(44)에 형성되어 있다. 영역(48)의 회로 구성은 상기 실시예 1 내지 3과 동일하기 때문에, 영역(48)은 인버터 구동 장치 및 PWM 신호를 발생하는 회로를 포함함에도 불구하고, 비교적 간단한 회로 구성이 되기 때문에 칩 상의 면적이 작다. 따라서, 작은 사이즈의 칩에 인버터 장치, 인버터 구동 장치 및 PWM 신호를 발생하는 회로를 조립할 수 있다.

본 발명은 상기한 문제를 고려하여 이루어진 것으로 비교적 간단한 회로에서 소음이 적은 모터 구동 회로를 제공할 수 있다.

Claims

고정자 코일과 영구 자석 회전자를 포함한 모터의 구동 회로에 있어서,

상기 모터에 펄스폭 변조한 구동 전력을 공급하는 전력 변환 장치와,

상기 모터의 회전자 자극 위치를 검출하는 수단과,

상기 자극 위치 검출 수단의 출력에서 모터의 회전 속도를 검출하는 수단과,

상기 검출한 모터의 회전 속도와 속도 지령과의 편차를 출력하는 수단과,

상기 편차에 따른 복수의 지령 신호를 발생하는 수단과,

상기 모터의 자극 위치에 기초하여 상기 복수의 지령 신호 중 어느 하나를 선택하고, 선택 신호군을 출력하는 신호 선택 수단과,

상기 선택 신호군과 반송파 신호로부터 변조파를 생성하는 수단과,

상기 변조파에 기초하여 상기 전력 변환 장치를 펄스폭 변조 제어하는 수단을 포함하는 모터 구동 회로.
제1항에 있어서, 복수의 상기 지령 신호가 복수의 직류 레벨을 포함하고, 상기 변조파가 상기 직류 레벨에 따른 레벨을 포함하는 모터 구동 회로.
제1항에 있어서, 상기 신호 선택 수단의 출력과 상기 변조파 생성 수단 간에 필터 회로를 포함하는 모터 구동 회로.
모터에 펄스폭 변조한 전력을 공급하는 반도체 스위칭 소자와,

상기 모터의 회전 속도 신호와 속도 지령과의 편차를 받아 복수의 지령 신호를 발생하는 수단과,

상기 모터의 자극 위치 검출 신호를 받아 상기 복수의 지령 신호 중 어느 하나를 선택하여 변조파를 생성하는 수단과,

상기 변조파에 기초하여 상기 반도체 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하는 수단을 동일 반도체 기판에 포함하는 반도체 집적 회로 장치.
제4항에 있어서, 상기 동일 반도체 기판에 형성한 반도체 스위칭 소자와, 상기 반도체 스위칭 소자를 구동하는 수단이 각각 유전체로 절연 분리되어 있는 반도체 집적 회로.
제4항에 있어서, 상기 반도체 스위칭 소자가 IGBT인 반도체 집적 회로.
모터 구동 시스템에 있어서,

코일을 포함한 고정자와, 상기 고정자 내부에 배치한 영구 자석 회전자를 포함한 모터와,

상기 모터에 펄스폭 변조 제어한 구동 전력을 공급하는 전력 변환 장치와,

상기 모터 회전자의 자극 위치를 검출하는 자극 위치 검출기와,

상기 자극 위치 검출기의 출력 신호에 기초하여 모터의 회전 속도를 검출하는 속도 검출 수단과,

상기 속도 검출 수단의 출력 신호와 속도 지령과의 편차를 출력하는 속도 제어 연산 처리 수단과,

상기 속도 제어 연산 처리 수단의 출력 신호에 따른 복수의 지령 신호를 발생하는 수단과,

상기 속도 제어 연산 처리 수단의 상기 출력 신호에 기초하여 상기 복수의 지령 신호 중 어느 하나를 선택함으로써 변조파를 생성하는 수단과,

상기 변조파에 기초하여 전력 변환 장치를 펄스폭 변조 제어하는 수단을 포함하는 모터 구동 시스템.
제7항에 있어서, 상기 모터가 3상 무브러시 모터인 모터 구동 시스템.
제7항에 있어서, 자극 위치 검출기가 제로 크로스 회로를 포함한 홀 IC인 모터 구동 시스템.
제7항에 있어서, 상기 전력 변환 장치와, 상기 복수의 지령 신호를 발생하는 수단과, 상기 복수의 지령 신호 중 어느 하나를 선택하여 변조파를 생성하는 수단과, 상기 전력 변환 장치를 펄스폭 변조 제어하는 수단이 동일한 반도체 기판에 형성되어 있는 모터 구동 시스템.
제7항에 있어서, 상기 전력 변환 장치가 다이오드와 IGBT를 포함한 인버터 장치인 모터 구동 시스템.
코일을 구비하는 고정자와, 상기 고정자 내부에 배치하는 영구 자석 회전자와, 상기 고정자와 회전자를 수납하는 케이싱을 포함한 모터에 있어서,

상기 모터가 펄스폭 변조한 구동 전력을 공급하는 전력 변환 장치와,

상기 모터의 회전자 자극 위치를 검출하는 수단과,

상기 자극 위치 검출 수단의 출력에서 모터의 회전 속도를 검출하는 수단과,

상기 검출한 모터의 회전 속도와 속도 지령과의 편차를 출력하는 수단과,

상기 편차에 따른 복수의 지령 신호를 발생하는 수단과,

상기 모터의 자극 위치에 기초하여 상기 복수의 지령 신호 중 어느 하나를 선택하고, 선택 신호군을 출력하는 신호 선택 수단과,

상기 선택 신호군과 반송파 신호로부터 변조파를 생성하는 수단과,

상기 변조파에 기초하여 상기 전력 변환 장치를 펄스폭 변조 제어하는 수단을 포함한 구동 회로에 의해서 구동되어 있고,

상기 모터 구동 회로가 케이싱에 내장되고 있는 모터.
제12항에 있어서, 상기 구동 회로에서 모터에 펄스폭 변조한 전력을 공급하는 반도체 스위칭 소자와, 상기 모터의 회전 속도 신호와 속도 지령과의 편차를 받아 복수의 지령 신호를 발생하는 수단과, 상기 모터의 자극 위치 검출 신호를 받아상기 복수의 지령 신호 중 어느 하나를 선택하여 변조파를 생성하는 수단과, 상기 변조파에 기초하여 상기 반도체 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하는 수단이 동일 반도체 기판에 형성된 반도체 집적 회로인 모터.
제13항에 있어서, 상기 반도체 집적 회로보다 자극 위치 검출기가 상기 영구 자석 회전자에 근접하여 배치되고 있는 모터.
펄스폭 변조 제어한 전력 변환 장치에 의한 무브러시 모터의 구동 방법에 있어서,

상기 모터 회전자의 자극의 위치 검출 신호군에서 작성한 모터 회전 속도와 속도 지령으로 편차를 작성하고 상기 편차에 기초하여 복수의 지령 신호를 작성하고,

상기 모터 회전자의 자극 위치에 기초하여 상기 복수의 지령 신호 중 어느 하나를 선택하여 변조파를 작성하고,

상기 변조파에 기초하여 상기 전력 변환 장치를 펄스폭 변조 제어하는 모터의 구동 방법.