KR200154582Y1 - 브러시리스 직류 전동기의 인버터 구동 회로 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 브러시리스 직류 전동기의 인버터 구동회로에 관한 것으로, 펄스폭 변조 신호를 내부의 광결합에 의해 출력하는 범용 포토 커플러(14)와, 기준 전압 신호를 생성하는 기준전압 생성부(16) 및, 상기 범용 포토 커플러(14)에서 출력된 신호와 상기 기준전압 생성부(16)에서 출력된 기준 전압 신호를 비교하고, 그 결과에 따라 스위칭 소자 구동 신호를 스위칭소자(Q2)로 전달하는 비교기(18)를 포함하여 구성되어, 펄스폭 변조신호를 범용 포토 커플러를 이용하여 인버터의 스위칭 소자로 전달함에 따라 제조비용을 감소시킬 수 있는 것이다.

Description

브러시리스 직류 전동기의 인버터 구동 회로
본 고안은 브러시리스 직류 전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위칭소자 구동 신호를 포토 커플러를 사용하여 인버터의 스위칭 소자로 전달하여 상기 스위칭 소자를 스위칭 동작시키는 브러시리스 직류 전동기의 인버터 구동 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 브러시리스 직류 전동기는 브러시나 정류자편에 의해 발생되는 스파크나 아크의 위험성이 없어야 하는 분야에서 사용이 점차 증가되고 있다. 또한, 정속도 운전(예를들어, 하드 디스크)이 요구되는 곳에서도 브러시리스 직류전동기가 종종 설치되고 있다.
상기 브러시리스 직류 전동기는 영구자석 계자회전자와 전자스위칭으로 여자되는 고정자전기자권선으로 구성된다. 전기자자계의 회전은 전력 트랜지스터를 이용하여 전기자권선의 전류 방향을 바꾸면서 얻는다.
그리고, 회전자의 영구자석자계와 고정자의 전기자에 의한 회전자계 사이에 동기성을 부가하기 위해서, 적절한 시간에 스위칭할 수 있도록 회전자 축에 위치센서를 부착하여 사용한다.
또한, 상기와 같이 위치 센서를 사용하지 않고 고정자전기자권선에 유기되는 전압을 감지함으로써 회전자의 위치를 검출하는 경우도 있다.
상기와 같이 고정자전기자권선에 유기되는 전압을 감지하여 회전자의 위치를 검출하는 방식의 브러시리스 직류 전동기 구동 회로는 제1도에 도시된 바와 같이, 필터부(1)와, 정류부(2), 콘덴서(C), 인버터(3), 브러시리스 직류 전동기(4), 회전자 위치 검출부(5), 제어부(6), 인버터 구동부(7) 및 전원공급부(8)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 필터부(1)는 외부로부터 인가된 AC 220V 600HZ의 교류 전원의 노이즈를 제거하여 정류부(2)로 출력하고, 상기 정류부(2)는 상기 필터부(1)를 통해 입력된 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 인버터(3)로 출력한다.
그리고, 상기 인버터(3)는 다수개의 스위칭 소자(Q1),(Q2),(Q3),(Q4),(Q5),(Q6) 및 다수개의 다이오드 (D1),(D2),(D3),(D4),(D5)를 포함하여 구성되어, 상기 인버터 구동부(7)로부터 입력된 스위칭 소자 구동 신호에 따라 스위칭 동작을 하여 3상(U,V,W상)전원을 브러시리스 직류 전동기(4)로 공급한다.
그리고, 상기 회전자 위치 검출부(5)는 상기 브러시리스 직류 전동기의 각 상 코일에 유기되는 전압을 감지하여 로터 위치를 검출하고, 상기 제어부(6)는 사용자의 조작에 따라 상기 인버터(3)의 각 스위칭 소자(Q1),(Q2),(Q3),(Q4),(Q5),(Q6)의 스위칭 동작을 제어하여 전동기를 기동, 운전 및 속도 제어하게 되는데, 상기 회전자 위치 검출부(5)의 출력에 따라 상기 각 스위칭 소자(Q1),(Q2),(Q3),(Q4),(Q5),(Q6)를 스위칭시키기 위한 스위칭 소자 구동 신호를 생성하여 상기 인버터 구동부(7)로 출력한다.
그리고, 상기 인버터 구동부(7)는 상기 제어부(6)에서 출력된 스위칭 소자 구동신호를 상기 인버터(3)의 각 스위칭 소자(Q1),(Q2),(Q3),(Q4),(Q5),(Q6)로 전달하여 각 스위칭 소자 (Q1),(Q2),(Q3),(Q4),(Q5),(Q6)를 스위칭 동작시킨다.
그리고 상기 전원 공급부(8)는 상기 필터부(1)를 통해 입력된 교류 전원을 변압 및 정류하여 상기 제어부(6) 및 인버터 구동부(7)의 구동 전원(VDC1),(VDC2),(VDC3)을 공급한다.
한편, 상기 인버터 구동부(7)의 상세 회로도는 도 2와 같이 도시할 수 있는 바, 상기 도2는 U상의 스위칭 소자를 구동시키는 것을 예를 들어 도시한 것이며, 나머지 V상 W상의 스위칭 소자도 상기 U상의 스위칭 소자와 동일하게 동작한다.
그리고, 상기 인버터 구동부(7)는 제2도에 도시된 바와 같이 도시할 수 있는 바, 제2도는 U상의 스위칭 소자(Q1),(Q2)를 구동시키는 것을 예로 들어 도시한 것이며, 나머지 V상 W상의 스위칭 소자 (Q3),(Q4),(Q5),(Q6)를 구동시키기 위한 구성은 상기 U상의 스위칭 소자 (Q1),(Q2)를 구동시키기 위한 구성과 동일하다.
즉, 제2도에 도시된 인버터 구동부(7)는 범용 포토 커플러(PC1)와 고속 스위칭용 포토 커플러(PC2)로 이루어져 있으며, 상기 범용 포토 커플러(PC1)는 제어부(6)에서 출력된 저주파의 스위칭 소자 구동신호, 즉 상절환을 행하기 위한 스위칭 소자 구동 신호를 범용 포토 커플러(PC1) 내부의 광결합에 의해 제1스위칭 소자(Q1, PNP형 전력 트랜지스터)의 베이스단으로 전달하여 제1스위칭 소자(Q1)를 스위칭 동작시킴으로써 상절환을 수행한다.
그리고, 상기 고속 스위칭용 포토 커플러(PC2)는 제어부(6)에서 출력된 고주파의 스위칭 소자 구동 신호, 즉 펄스폭 변조신호를 고속 스위칭용 포토 커플러(PC2) 내부의 광결합에 의하여 전달받아 출력을 정형화하여 제2스위칭 소자(Q2)의 베이스단으로 전달하여 제2스위칭 소자(Q2, NPN형 전력 트랜지스터)를 스위칭동작시킴으로써, 브러시리스 직류 전동기의 고정자전기자권선에 전원을 공급한다.
그리고, 상기 제어부(6)의 구동 전원 전압(DCV1)과, 범용 포토 커플러(PC1)의 구동 전원 전압(DVC2) 및, 고속 스위칭용 포토 커플러(PC2)의 구동 전원 전압(DVC3)은 도1에 도시된 전원 공급부(8)로부터 공급된다.
상기에서 미설명된 부호 R1, R2, R3, R4는 저항이며, D1, D2는 다이오드이다.
상기와 같이 브러시리스 직류 전동기에서는 인버터(3)의 상단 스위칭 소자 또는 하단 스위칭 소자중 어느 한 스위칭 소자에 펄스폭 변조신호를 스위칭 소자 구동신호로 공급하여 스위칭 소자를 고속 스위칭시킴으로써, 브러시리스 직류 전동기에 전원을 공급하여 전동기를 동작시키게 되는데, 이때 상기 펄스폭 변조신호의 펄스폭을 변화시킴으로써 전동기의 기동 및 속도를 제어하게 된다.
상기와 같은 펄스폭 변조신호는 전동기의 전원과 분리되어 있으므로 포토커플러를 사용하여 스위칭 소자로 전달하도록 되어 있는데, 저주파의 스위칭 소자 구동신호, 즉 상절환을 행하기 위한 스위칭 소자 구동 신호는 범용 포토 커플러(PC1)을 이용하여 스위칭 소자로 전달하여도 문제가 없으나, 펄스폭 변조신호는 가청소음을 피하기 위해 약 20KHz정도의 주파수를 가지는 고주파 신호를 사용함에 따라 전달신호의 왜곡을 방지하기 위하여 동작속도가 빠른 고속 스위칭용의 전용 포토커플러를 통하여 전달하게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 인버터 구동회로에 사용되는 고속 스위칭용의 전용 포토 커플러는 각 상마다 한 개씩 사용되어야 하는데 그 가격이 고가이므로, 고속 스위칭용 포토 커플러를 브러시리스 직류 전동기에 채용하기 어렵게 하는 요인이 되고 있다.
본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 펄스폭 변조신호를 범용 포토 커플러를 이용하여 인버터의 스위칭 소자로 전달할 수 있도록 하는 인버터 구동 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 인버터 구동 회로는, 펄스폭 변조신호를 인버터의 스위칭 소자로 전달하는 브러시리스 직류 전동기의 인버터 구동회로에 있어서,
상기 펄스폭 변조 신호를 내부의 광결합에 의해 출력하는 범용 포토 커플러와, 기준 전압 신호를 생성하는 기준전압 생성부 및, 상기 범용 포토 커플러에서 출력된 신호와 상기 기준전압 생성부에서 출력된 기준 전압 신호를 비교하고, 그 결과에 따라 스위칭 소자 구동신호를 스위칭 소자로 전달하는 비교기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
제1도는 일반적인 브러시리스 직류 전동기 구동 회로의 개략적인 구성도,
제2도는 제1도에 도시된 인버터 구동부의 회로도,
제3도는 본 고안에 따른 인버터 구동 회로의 회로도,
제4도 브러시리스 직류 전동기 운전시 각상 단자의 전압 및 스위칭 소자 구동신호의 파형도,
제5도는 본 고안에 따른 인버터 구동 회로의 파형도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 인버터 구동회로 12 : 제1범용 포토 커플러
14 : 제2범용 포토 커플러 16 : 기준전압 생성부
18 : 비교기
R15, R16 : 분압 저항 C11 : 캐패시터
제3도는 본 고안에 따른 인버터 구동 회로의 회로도로서, 제3도에 도시된 인버터 구동 회로는 U상의 스위칭 소자(Q1),(Q2)를 구동시키기 위한 구성을 예로 들어 도시한 것이며, V상 W상의 스위칭 소자를 구동시키기 위한 구성은 상기 U상의 스위칭 소자를 구동시키기 위한 구성과 각각 동일하다.
즉, 본 고안에 따른 인버터 구동 회로(10)는, 제1범용 포토 커플러(12)와 제2범용 포토 커플러(14), 기준전압 생성부(16) 및, 비교기(18)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 제1범용 포토 커플러(12)는, 제어부(6)에서 출력된 저주파의 스위칭 소자 구동신호, 즉 상절환만을 행하기 위한 스위칭 소자 구동신호를 제1범용 포토 커플러(12) 내부의 광결합에 의해 인버터(3)의 제1스위칭 소자(Q1, PNP형 전력 트랜지스터)의 베이스단으로 전달하여 제1스위칭 소자(Q1)를 스위칭 동작시킴으로써 상절환을 수행한다.
그리고, 상기 제2범용 포토 커플러(14)는, 제어부(6)에서 출력된 고주파의 스위칭 소자 구동신호 즉 펄스폭 변조신호를 제2범용 포토 커플러(14) 내부의 광결합에 의해 상기 비교기(18)의 반전(-)단자로 입력한다.
그리고, 상기 기준전압 생성부(16)는, 분압저항(R15)(R16) 및 캐패시터(C11)로 이루어져, 상기 분압저항(R15),(R16)의 외부로부터 인가된 전원 전압(VDC3)을 분압하여 기준 전압을 상기 비교기(18)의 비반전(+)단자로 인가하고, 상기 캐패시터(C11)가 상기 비교기 (18)의 비반전(+)단자로 인가되는 기준 전압을 안정화시킨다.
그리고, 상기 비교기(18)는 상기 제2범용 포토 커플러(14)의 출력 전압을 상기 기준전압 생성부(16)에서 입력된 기준 전압과 비교하여 상기 제2범용 포토커플러(14)의 출력 전압이 기준 전압 보다 크면 '로우'레벨의 신호를 인버터(3)의 제2스위칭 소자(Q2)의 베이스단으로 출력하고, 상기 제2범용 포토 커플러(14)의 출력 전압이 기준 전압보다 작으면 '하이'레벨의 신호를 인버터(3)의 제2스위칭 소자(Q2)의 베이스단으로 출력하도록 되어 있다.
이때, 상기 비교기(18)의 출력 신호는 오픈 콜렉터 방식으로 인버터(3)의 제2스위칭 소자(Q2)의 베이스단으로 입력된다.
상기에서 미설명된 부호 R11, R12, R13, R14, R17는 저항이며, DCV1은 제어부(6) 구동용 전원 전압이며, DCV2는 제1범용 포토 커플러(12) 구동용 전원 전압이며, DVC3는 제2범용 포토 커플러(14) 및 비교기(18) 구동용 전원 전압이다.
상기와 같이 이루어진 본 고안에 따른 브러시리스 직류 모터의 인버터 구동회로의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도에 도시된 바와 같이 브러시리스 직류 전동기 구동회로의 인버터(3)는 6개의 스위칭 소자 (Q1),(Q2),(Q3),(Q4),(Q5),(Q6)로 이루어지는데, 상기 6개의 스위칭 소자(Q1),(Q2),(Q3),(Q4),(Q5),(Q6)가 스위칭 동작되어 U,V,W상의 3상 전원이 만들어지고 이 3상 전원이 브러시리스 직류 전동기(4)의 고정자전기자권선에 인가되어 회전자계를 만듬으로써, 브러시리스 직류 전동기(4)를 회전시키게 된다.
이때, 상기 인버터부(3)의 상단 스위칭 소자(Q1),(Q3),(Q5)(PNP형 트랜지스터)의 베이스단으로 인가되는 저주파의 스위칭 소자 구동신호, 즉 상절환만을 행하기 위한 스위칭 소자 구동신호를 전원이 인가되지 않는 나머지 상권선에서 유기전압을 검지하여 유기전압이 '0'이되는 때부터 전기각으로 30°지연하여 상절환을 수행하도록 스위칭 소자(Q1),(Q3),(Q5)의 베이스단으로 인가함으로 브러시리스 직류 전동기를 연속적으로 운전시킬 수 있는 것이다.
즉, 제4도에 도시된 바와 같이, 0° - 60°구간에서는 저주파의 스위칭 소자 구동신호 즉, 상절환만을 수행하기 위한 구형파 신호가 제5스위칭 소자(Q5)의 베이스단으로 인가되어 제5스위칭 소자(Q5)가 '온'됨과 더불어 고주파의 스위칭 소자 구동신호, 즉 펄스폭 변조신호가 제4스위칭 소자(Q4)의 베이스단으로 인가되어, W상에 V상으로 전류가 흐르게 되므로, 전동기가 회전하게 된다.
이때, 나머지 U상에서는 유기 전압이 생성되며, 상기 유기 전압이(-)에서 '0'을 지나(+)로 상승되는데, 상기와 같이 유기 전압이 발생하는 이유는 영구자석으로 이루어진 회전자가 회전하기 때문이다.
그리고, 제1도에 도시된 회전자 위치 검출부(5)가 상기 U상의 유기전압을 감지하여 U상의 유기전압이 '0'이 되는 때를 제어부(6)에 알리고, 상기 제어부(6)가 이때부터 전기각으로 30°지연한 후 상절환을 수행하기 위한 신호를 출력하여 상절환을 수행한다.
즉, 제4스위칭 소자(Q4)를 '오프'시키고, 제1스위칭 소자(Q1)을 '온'시켜 U상에서 V상으로 전류가 흐르도록 하여 전동기의 회전한 위치에 해당하는 상에 전류를 공급하여 전동기가 연속적으로 회전하게 되는 것이다.
이때, U상의 상단 스위칭 소자(Q1)를 스위칭 동작시키기 위해 상기 제어부(6)에서 출력된 저주파의 스위칭 소자 구동신호, 즉 상절환만을 행하기 위한 스위칭 소자 구동신호를 제1범용 포토 커플러(12) 내부의 광결합에 의해 인버터(3)의 제1스위칭 소자(Q1, PNP형 전력 트랜지스터)의 베이스단으로 전달되어 제1스위칭 소자(Q1)를 스위칭 동작시킴으로써 상절환을 수행한다.
그리고, U상의 하단 스위칭 소자(Q2)를 스위칭 동작시키기 위해 상기 제어부(6)에서 출력된 고주파의 스위칭 소자 구동신호, 즉 펄스폭 변조신호를 제2범용 포토 커플러(14)내부의 광결합에 의해 상기 비교기(18)의 반전(-)단자로 입력된다.
상기 제어부(6)에서 출력된 상절환만을 행하기 위한 스위칭 소자 구동신호는 저주파 신호이므로, 범용 포토 커플러를 이용하여 인버터(3)의 제1스위칭 소자(Q1)로 전달하여 제1스위칭 소자(Q1)을 온/오프시킬 수 있으나, 제2 스위칭 소자(Q2)로 전달되는 펄스폭 변조신호는 고주파 신호이므로 일반 범용 커플러의 출력으로는 제2스위칭 소자(Q1)를 스위칭 동작시킬 수 없다.
즉, 제5도에 도시된 바와 같이, 제어부(6)에서 출력된 펄스폭 변조신호(S1)가 고주파이고, 특히 듀티비가 적은 경우에는 범용 포토 커플러의 지연 특성에 따라 제1범용 포토 커플러(14)의 출력 신호(S2)에 하강 시간(Tf)과 상승 시간 (Tr)이 발생하게 되는데, 펄스폭 변조신호가 '로우'레벨로 미쳐 떨어지기도 전에 '하이'레벨로 다시 상승하므로, 이 신호를 제2스위칭 소자(Q2)에 그대로 인가하면 제2스위칭 소자(Q2)가 계속 '온'되는 결과를 초래하게 된다.
따라서, 상기 제2범용 포토 커플러(14)에서 출력된 신호를 다시 처리해야 한다.
즉, 기준전압 생성부(16)의 분압저항(R15),(R16)이 외부로부터 인가된 전원전압(VDC3)을 분압하여 기준 전압 신호(S3)를 비교기(18)의 비반전(+)단자로 인가하고, 기준전압 생성부(6)의 캐패시터(C11)가 비교기(18)의 비반전(+)단자로 인가되는 기준 전압 신호를 안정화시킨다.
그리고, 상기 비교기(18)는 상기 제2범용 포토 커플러(14)의 출력 전압을 상기 기준전압 생성부(16)에서 입력된 기준 전압과 비교하여 그 결과에 따라 제2스위칭 소자(Q2)의 구동 신호(S4)를 출력한다.
즉, 상기 제2범용 포토 커플러(14)의 출력 전압이 기준 전압 보다 크면 '로우'레벨의 신호를 인버터(3)의 제2스위칭 소자(Q2)의 베이스단으로 출력하고, 상기 제2범용 포토 커플러(14)의 출력 전압이 기준전압보다 작으면 '하이'레벨의 신호를 인버터(3)의 제2스위칭 소자(Q2)의 베이스단으로 출력하는 것이다.
이때, 상기 기준 전압은 분압저항(Q15),(Q16)의 각 저항값을 조절하여 적당한 기준 전압으로 조절 가능하게 되는데, 이와 같이 기준 전압값을 설정하기 위해 각 저항값을 조절할때는 펄스폭 변조신호의 듀티비에 따라 결정하여 상기 펄스폭 변조신호와 동일한 펄스폭 변조신호가 비교기(18)에서 출력되도록 하여 제2스위칭 소자(Q2)를 원하는 데로 온/오프 시킬 수 있는 것이다.
그리고, 상기 분압저항(Q15),(Q16)대신에 가변저항을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 비교기(18)의 출력 신호(S4)는 오픈 콜렉터 방식으로 인버터(3)의 제2스위칭 소자(Q2)의 베이스단으로 입력되는데, 제5도에 도시된 바와 같이 일정 지연시간(td)을 가진다.
그러나, 이러한 지연 시간(Td)은 아주 작은 것이므로 스위칭 소자(Q2)를 구동시키는 타이밍이 큰 영향을 미치지 않게 된다.
그리고, 상기와 같은 비교기(18)의 출력 신호(S4)에 의해 제2스위칭 소자(Q2)에 에미터단의 전압은 제5도의 S5와 같이 인가된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 펄스폭 변조신호를 범용 포토커플러를 이용하여 인버터의 스위칭 소자로 전달함에 따라 고속 스위칭용 포토 커플러를 사용하는 것이 제조비용이 감소하는 것이다.

Claims (3)

  1. 저주파 및 고주파의 펄스폭 변조시호를 각각 인버터의 스위칭 소자로 전달하여 스위칭 소자를 구동하는 브러시리스 직류 전동기의 인버터 구동회로에 있어서,
    상기 저주파의 펄스폭 변조신호를 내부의 광결합에 의해 출력하는 제1범용 포토 커플러와,
    상기 고주파의 펄스폭 변조신호를 내부의 광결합에 의해 출력하는 제2범용 포토 커플러,
    기준 전압 신호를 생성하는 기준전압 생성부 및,
    상기 제2범용 포토 커플러에서 출력된 신호와 상기 기준전압 생성부에서 출력된 기준 전압 신호를 비교하고, 그 결과에 따라 스위칭 소자 구동 신호를 스위칭 소자로 전달하는 비교기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기의 인버터 구동 회로
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준전압 생성부가, 외부로부터 인가된 전압을 분압하여 상기 비교기에 기준 전압을 인가하는 분압저항과,
    상기 분압저항을 통해 상기 비교기로 인가되는 기준 전압을 안정화시키는 캐패시터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기의 인버터 구동 회로
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비교기가, 오픈 콜렉터 방식으로 스위칭 소자 구동신호를 출력하도록 된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기의 인버터 구동 회로 .
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