KR20080042015A - 모터구동회로와 모터구동방법 및 반도체 집적회로장치 - Google Patents

모터구동회로와 모터구동방법 및 반도체 집적회로장치 Download PDF

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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 공기조화기나 냉장고 등의 팬모터, 압축기 구동모터 및 펌프모터를 비교적 간단한 회로로 저소음으로 구동하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 모터의 상 변환에서, 제 1 통전상을 풀 통전상태로 하고, 변환하는 제 2 통전상을 제 1 펄스 폭 변조신호로 제어하여 오버랩기간에서의 제 1 통전상을 제 2 펄스 폭 변조신호로 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동회로. 상 변환할 때의 급준한 모터전류의 변화를 완만하게 함으로써, 모터의 소음 및 진동을 저감한다.

Description

모터구동회로와 모터구동방법 및 반도체 집적회로장치{MOTOR DRIVE CIRCUIT, METHOD FOR DRIVING MOTOR AND SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE}
본 발명은 모터 구동회로와 모터 구동방법 및 반도체 집적회로장치에 관한 것으로, 예를 들면 공기조화기(air conditioner)나 급탕기 등의 팬모터 및 공기조화기(air conditioner)나 냉장고의 압축기(compressor)모터, 및 냉매공급에 사용하는 펌프 등에 적합한 모터 구동회로와 모터 구동방법 및 반도체 집적회로장치에 관한 것이다.
최근의 에어컨디셔너나 냉장고 등의 가전분야에서는, 저소음화의 요망이 크다. 이들에 사용하는 팬모터나 압축기 등의 모터에서 발생하는 소음이나 진동이 원인의 하나로 되어 있다. 모터의 소음이나 진동 중에서도 모터의 구동방법을 원인으로 하는 것이 있다.
상기한 기술분야에서 상용전원을 정류한 정류전압 또는 그것에 상당하는 직류전압을 직접 인버터 구동하여 모터를 구동하는 방법이 확대되고 있다. 이 방법은 모터의 고효율화 및 소형화를 주된 목적으로 하는 것으로, 고전압으로 모터를 구동함으로써 소비하는 전류를 저감하여, 내부저항 등에 의한 손실의 증가를 방지 하는 것이다. 또 모터 권선의 배선지름을 작게 할 수 있음으로써 모터의 소형화에 유리하다.
한편, 브러시리스 모터를 구동하기 위해서는, 인버터장치가 필요하나, 특히 가전 등의 분야에서는 가격경쟁이 격화되어 저렴한 인버터장치의 제공이 요구되고 있다. 이 때문에 브러시리스 모터의 인버터구동장치에서, 회로 구성이 간단하고 비교적 모터 효율도 높게 할 수 있는 저렴한 120도 통전방식이 사용되고 있다.
이 120도 통전방식에 의한 모터 구동회로에서는, 모터의 회전자 자극 위치 검출기에 의하여 자극 위치를 검출하여, 회전자와 고정자의 자극이 일치하는 타이밍에서 인버터장치의 각 스위칭소자를 온/오프 제어함으로써 모터를 구동시킨다.
회전자의 자극 위치검출은, 일반적으로 홀효과를 응용한 홀소자, 또는 홀소자에 증폭기를 내장한 홀 IC를 사용한다. 이 검출신호를 전기각에서 말하는 180도분 중 120도분을 논리적으로 온시켜 전류를 통류한다. 즉, 나머지 60도분은 인버터 출력을 오프하는 바와 같은 동작을 행한다. 이 때문에 모터전류(i)의 온/오프 직후는 매우 높은 변화량(di/dt)을 가지는 전류파형이 된다. 이 di/dt에 의하여 고정자에 발생하는 전자력이 변화함으로써 모터 권선이 진동하여 전자음이 되어 외부로 방출된다.
또, 전자음의 주파수는, 모터 회전수와 모터 극수에 비례하기 때문에, 모터 실제 사용 회전영역에서 수 Hz 내지 수백 Hz 이다. 이 주파수는 인간의 가청 주파수 범위 내가 되기 때문에 소음이 된다.
또, 모터 전류파형에서 고조파성분을 많이 포함하면 일반적으로 모터 토오크 에 맥동이 발생하기 쉽다. 모터 토오크는 기본적으로 모터 고유의 유기전압과 모터전류의 곱으로 이루어지기 때문에, 모터 전류파형에 대한 의존도가 크다. 이 토오크 맥동에 의하여 모터 자체가 진동하여 모터를 설치하는 가대를 진동시켜, 이 진동이 소음이 된다.
저소음화하기 위한 방법으로서, 이른바 PWM(Pulse Width Modulation : 펄스 폭 변조)제어에 의하여 모터 구동전류를 정현파 형상으로 하는 방법이 있다. 구체적으로는 모터의 고정자 자극의 자속을 홀소자에 의하여 검출하여, 정현파 형상의 신호를 얻는다. 이 정현파 형상의 신호와 반송파 발생기의 출력신호인 반송파 신호를 비교기에 의하여 비교하여 PWM 신호를 얻는다. PWM 신호에 의하여 인버터장치를 온/오프 제어함으로써, 모터전류가 정현파 형상으로 제어된다.
그러나, 마이크로컴퓨터 등을 사용하는 경우, PWM 주기에 대응한 고속의 연산처리가 필요하기 때문에 120도 통전방식과 비교하면, 복잡하고 또한 고가의 시스템이 된다.
일본국 특허 제2721081호 공보는, 저렴한 120도 통전방식에 있어서, 상기 변화량이 큰 모터전류를 완화하기 위하여 특히 통전 변환시에 주목하여 통전방법을 연구한 예로서 들 수 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특허 제2721081호 공보
상기한 일본국 특허 제2721081호 공보에 의한 방법에서는, 모터전류의 전류 변화량의 억제는, 상 변환 중의 상간 전압이 개략 제로가 되도록 PWM 스위칭제어를 행하기 때문에, 모터 코일 및 스위칭소자로 이루어지는 회로의 임피던스에 의하여 전류 변화량이 결정된다.
더욱 변화량을 억제하기 위해서는, 해당 임피던스를 가능한 한 저하시키면 되나, 코일의 임피던스 저하는 모터의 성능을 좌우하기 때문에 용이하지 않고, 한편 스위칭소자의 저임피던스화는 소자의 성능을 업할 필요가 있기 때문에 고가가 된다.
따라서, 더욱 저진동, 저소음의 모터 구동장치를 저렴하게 제공하는 것은 용이하지 않았다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 모터전류와 비례관계에 있는 모터 토오크의 맥동을 억제하여, 진동이나 소음을 저감할 수 있는 모터 구동회로 및 모터 구동방법 및 반도체 집적회로장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 모터의 구동회로 또는 구동방법에서는, 상 변환에 있어서, 상기 제 1 통전측을 펄스 폭 변조 제어가 없는 통전상태를 가지고, 또 변환하는 제 2 통전측을 펄스 폭 변조한 상태를 가지며, 또 상기 제 1 통전측과 제 2 통전측이 오버랩하는 일정기간을 가지고, 또한 상기 오버랩기간에서의 제 1 통전측을, 상기 펄스 폭 변조신호에서의 통전과 차단의 비율에 대하여, 통전기간이 짧고, 차단기간이 길어지는 비율로 한 펄스 폭 변조신호에 의하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여 상 변환 중의 상간 전압이 개략 제로가 아니라, 단속적으로 양전압이 인가되게 되기 때문에, 전류변화는 상간 전압을 개략 제로인 경우보다 완만하게 할 수 있다.
이들 신호에 의거하여 모터에 구동전력을 공급하기 위한 전력변환장치를 펄스 폭 변조 제어함으로써, 비교적 간단한 회로 또는 방법에 의하여 모터가 발생하는 소음이 저감된다. 전력변환장치로서는 반도체 스위칭소자의 온/오프에 의하여 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터 등이 있다.
본 발명에 의한 모터 구동회로에 의하면, 저소음으로 모터를 구동하는 회로를, 칩 사이즈를 그다지 크게 하지 않고 하나의 반도체 칩에 모놀리식화한다. 모놀리식화한 반도체 집적회로는, 자극 위치 검출기와 함께 모터의 박스체 내에 내장할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 모터 구동회로는, 모터의 박스체의 외부에 설치하여도 되고, 수지 케이스 내에 수납하여 모듈화하여도 된다. 또 자극의 위치는, 자극 위치 검출기 등을 사용하지 않고, 이른바 센서리스로 추정하여도 된다.
본 발명에 의하면, 상의 변환시에 발생하는 전류변화의 기울기를 완만하게 하기 위하여, 모터의 성능 및 스위칭소자의 성능을 조정하지 않고 구동회로에 의하여 제어할 수 있기 때문에, 모터 구동장치의 범용성이 유지되고, 또한 더욱 저진동, 저소음의 모터 구동장치를 저렴하고, 또한 소형화한 모터 구동회로 및 모터 구동방법 및 반도체 집적회로장치를 제공할 수 있다.
모터전류와 비례관계에 있는 맥동을 억제하여 진동이나 소음을 저감한다는 목적을 간단한 구성으로 실현하였다.
(실시예 1)
본 발명의 일 실시예인 모터 구동회로 및 본 회로 및 모터를 포함한 모터 구동 시스템을 도 1에 나타낸다.
도 1에 있어서, 모터(4)는 3상 브러시리스 모터이다. 본 모터(4)는, 회전자 에 영구자석을 가지는 모터이고, 영구자석이 발생하는 자속을 검출하여 회전자 자극 위치를 검출하는 수단으로서 홀소자(5)를 구비한다. 홀소자(5)는, 1상마다 설치되고, 각 상의 전기각의 위상차가 120도가 되도록 설치되어 있다. 홀소자(5)로부터 얻어지는 유사 정현파신호를 구동회로(6)에 의하여 논리신호(HU, HV, HW)로 변환한다. 또 자극의 위치에 따른 소정의 오버랩기간을 얻기 위하여 홀신호의 상간 전압을 구동회로(6)에 의하여 논리신호화한다. 전기각으로 약 30도의 오버랩 기간이 얻어진다.
한편, 모터 입력단자, 즉 모터(4)의 고정자 권선은 인버터장치(3)에 접속된다. 인버터장치(3)는 예를 들면 파워 MOSFET, 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 등의 스위칭소자를 6개 조합시킨 회로를 가진다. 인버터장치(3)의 전원이 되는 직류전원은, 교류의 상용전원(1)을 정류기(2)에 의하여 정류하여 얻는다. 인버터장치(3)의 각 스위칭소자의 온/오프는, 인버터 구동장치(8)에 의하여 제어된다.
또한, 본 실시예에서 파선으로 둘러 싸인 범위 내에서의 구동회로(6)는, 모놀리식 반도체 집적회로장치 내에 형성되어 있다. 또 일점 쇄선으로 둘러 싸인 범위 내에서의 구동회로(6) 및 자극 위치 검출기(5)는, 모터(4)에 내장되어, 구동회로내장 브러시리스 모터로서 일체화되어 있다.
이하, 도 1에서의 인버터장치(3)에 의한 모터(4)의 구동방법을, 도 2의 동작 파형도를 사용하여 설명한다.
도 1의 모터(4)가 정상 회전 중에서의 자극의 위치 검출 신호군(h)(HU, HV, HW)은, 도 2에서의 위치 검출 신호(HU, HV, HW)와 같이 전기각 120도의 위상차를 유지한 논리신호이다.
한편, 위치 검출 신호군(h)은, 모터(4)의 속도에 관한 정보(예를 들면 펄스신호의 주기 등)를 가지기 때문에, 위치 검출 신호(HW)를 주파수 - 전압변환기(F/V)(15)에 의하여 전압으로 변환하여 실속도에 대응한 직류 전압 성분을 얻는다. 또한 본 실시예에서는 속도검출을 위하여 위치 검출 신호(HW)를 사용하였으나, HU 또는 HV, 또는 HU, HV, HW 중의 복수의 신호를 사용하여도 좋다.
속도제어 연산처리수단(13)(예를 들면 마이크로컴퓨터 등의 연산처리장치)은, 주파수 - 전압변환기(15)의 출력인 직류 전압 성분, 즉 속도신호와 속도제어 연산처리수단(13) 내에 설정되어 있는 속도지령을 비교하여 그것들의 편차를 출력한다. 이와 같이 하여 속도제어 연산처리수단(13)이 출력하는 출력신호가, 직류 전압 신호인 모터(4)의 전류 지령 신호(a)이다.
전류 지령 신호(a)는, 반송파 발생기(14)에 의하여 발생한 삼각파 신호와 비교기(10)에 의하여 비교되어 d1이 되는 직사각형파 신호를 얻는다. 이 직사각형파 신호가 펄스 폭 변조신호이다.
한편, 전류 지령 신호(a)는, 게인(A)이라 하는 증폭기(11)에 의하여 증폭되고, 제 2 전류지령 신호(b)를 얻는다. 여기서, 정수 A는 1.0 미만이다. 또한 경험적으로 0.5 근방이 최적인 것을 알고 있다.
제 2 전류지령 신호(b)는, 반송파 발생기(14)에 의하여 발생한 삼각파 신호와 비교기(10)에 의하여 비교되고, d2가 되는 직사각형파 신호를 얻는다. 이 직사 각형파 신호가 펄스 폭 변조신호이다.
여기서 제 1 펄스 폭 변조신호(d1)와 제 2 펄스 폭 변조신호(d2)에서의 통전/차단비율을 비교하면 d1 > d2의 관계에 있다.
먼저 얻어진 오버랩신호에 대하여 3개의 상을 논리합하여 얻어진 신호가 c1이다. 또한 상기 c1과 상기 d1을 논리적하여 제 2 펄스 폭 변조신호를 중첩시킨 신호가 c2가 된다.
상기 d1과 c2 및 HU, HV, HW의 신호군을, 파형 선택기(9)에 의하여 도 2의 패턴이 되도록 6개의 스위칭소자의 게이트에 신호를 분배한다.
이때의 분배규칙은 120도 통전방식을 기초로 주기 1/6마다에서 이하의 4가지 조건을 준다.
1) 상 변환이 발생한 직후는, 제 1 펄스 변조신호(d1)를 준다.
2) 상 변환으로부터 1/6 주기 경과후에, 위치 검출 신호에 의거하는 풀 통전의 신호를 준다.
3) 다음 상으로 상 변환이 발생한 직후, 오버랩기간 중에 제 2 펄스 변조신호(d2)를 준다.
4) 상기 1) 내지 3)의 기간은 차단신호를 준다.
이상에 의하여 분배된 6개의 신호를 인버터 구동장치(8)에 입력하고, 인버터장치(3)의 각 스위칭소자를 온/오프 제어한다.
상기 패턴에 의하여 모터 코일에 인가되는 전압과 전류에서, 상 변환 전후의 동작에 대하여 나타낸 도면을 도 3에 나타낸다.
여기서는 U상에서 V상으로의 변환이 발생한 상태를 나타내고 있다. U상 상부 아암의 신호가 하이(high)이기 때문에 U상 코일에 전원으로부터 직류전압이 주어진다. 이때 W상 하부 아암의 신호는 펄스 폭 변조상태에 있어 통전/차단을 반복하고 있다. 이것에 의하여 U상 코일에 전류가 흘러, 소정의 레벨에 전류가 도달하고 있는 상태에 있다.
다음에 U상에서 V상으로 변환이 생긴다. U상은 제 2 펄스 폭 변조신호로 제어된다. 한편, V상 상부 아암은, 제 1 펄스 폭 변조신호로 제어되나, U상의 코일전류에는 기여하지 않는다. U상 전류에 영향을 미치는 것은, U상과 W상 사이의 코일에 인가하는 전압이다. 여기서 UW상간 전압은, 제 2 펄스 폭 변조신호만큼의 전압밖에 중첩되지 않기 때문에, U상 전류는 UW상간 전압이 개략 제로일 때 전류가 하강하고, 통전시는 전류가 상승한다는 상태를 반복한다. 여기서 제 1 펄스 폭 변조신호의 통전/차단 비율보다 통전 비율을 낮게 설정함으로써, 마침내 전류는 제로가 된다. 이 제 2 펄스 폭 변조신호의 통전비율을 제어함으로써, 모터전류가 감쇠하는 기울기를 바꿀 수 있다. 즉, 증폭기(11)의 게인(A)을 제로에 가까이 하면, 전류의 기울기는 상간 전압이 대략 제로일 때의 기울기로 추이하고, 한편 게인을 1.0에 가까이 하면, 전류가 감쇠하는 기울기를 완만하게 할 수 있다.
여기서 전류의 기울기를 완만하게 설정하면 토오크 맥동은 더욱 평탄화되어 진동이 억제되는 방향으로 작용하나, 전류가 제로가 되는 크로스 포인트가 지연되고, 전류 위상과 모터의 역기전압의 위상에 대하여 큰 어긋남이 발생하는 일이 있다. 이에 의하여 무효전력이 발생하여 모터효율이 저하한다. 따라서 모터효율과 트레이드 오프의 관계가 있다. 증폭기(11)의 게인(A)을 0.5 전후로 함으로써 균형이 잡힌 성능을 얻는 것이 경험적으로 확인되어 있다.
이상의 구성에 의하여 속도제어 연산처리수단(13)의 속도지령에 일치하도록 모터의 회전속도가 제어된다. 즉, 모터 회전속도가 속도 지령값보다 작으면 전류 지령 신호(a)의 크기를 상승시킨다. 이것에 의하여 펄스 폭 변조신호에서의 통전 듀티비가 증가한다. 결과적으로 인버터장치(3)의 출력전류가 증대하여 모터의 토오크가 증가함으로써, 모터는 가속하여 회전 속도가 속도 지령값에 일치한다. 모터 회전속도가 속도 지령값보다 커진 경우는, 전류 지령 신호(a)의 크기를 감소시켜 상기와 반대의 동작에 의하여 모터를 감속하여 회전속도를 속도 지령값에 일치한다.
본 실시예에 의하면 증폭기 1개, 비교기 2개, 반송파 발생기 1개 및 신호 선택수단의 복수의 논리회로와 같이 복잡한 연산방법을 사용하지 않고, 비교적 간단하게 제어장치의 구성이 가능하다. 따라서 구동회로가 간단해져 브러시리스 모터의 구동장치를 소형화할 수 있다. 또 회로가 간단화됨으로써, 종래는 속도제어 연산처리수단(마이크로컴퓨터 등)으로 행하고 있던 PWM 신호의 발생을, 인버터장치(3)가 형성되는 구동회로(6)에 일체 형성되는 제어회로에서 행할 수 있다. 즉, PWM 제어회로, 인버터 구동장치(스위칭소자의 드라이버회로), 인버터 주회로를 모놀리식 IC화 할 수 있다.
이에 의하여 모터 구동 시스템의 각종 제어 또는 상태감시 등을 행하는 마이크로컴퓨터 등의 연산처리장치의 부하가 경감된다. 따라서 소형 또는 저렴한 연산 처리장치를 사용할 수 있다. 또 구동회로(6) 내에 속도 지령값 설정회로 및 상기한 바와 같은 전류 지령 신호(a)를 작성하는 기능을 가지는 회로를 내장하면, 속도제어 연산처리수단(13)이 불필요하게 된다.
또한 본 실시예에서 파선으로 둘러싸인 프레임 내에서의 구동회로(6)는, 모놀리식 반도체 집적회로장치 내에 형성된 경우를 나타내었으나, 인버터장치(3)를 제외하고 모놀리식화하여도 된다. 이 경우, 인버터장치 용량을 자유롭게 선택할 수 있기 때문에 다양한 용량의 모터를 취급할 수 있는 편리성이 있다.
(실시예 2)
다음에 다른 실시예에 대하여 도 4를 사용하여 설명한다. 본 실시예는 실시예 1에 대하여 오버랩기간을 얻는 방법이 다른 것이다. 오버랩기간은 자극의 위치에 따르지 않고 일정한 시간을 설정한다.
상기 실시예 1에서는, 자극의 위치를 얻기 위하여 홀소자가 출력하는 수백 mV의 미약한 정현파 형상의 신호를 얻을 필요가 있었다. 시스템의 구성에 따라서는 모터와 제어장치의 설치장소가 근방에 없고, 미약한 신호의 배선을 둘러 침으로써 용이하게 노이즈의 영향을 받는 경우에 대하여 유효하다.
도 4에서 홀소자(5)의 신호를 비교기(10)에서 논리신호화(HU, HV, HW)한다. 각 상의 홀 신호로부터 상승 및 하강 에지에 동기한 논리신호로 변환한다. 이것은 1/6 주기의 하이/로우 신호에 상당한다. 이 신호의 에지에 동기하여 일정시간을 가지는 원쇼트의 펄스신호를 발생하면 도 2와 동일한 오버랩신호(c1)가 얻어진다. 단, 이 신호는 자극의 위치와 무관계하기 때문에 전기각으로서는 일정하지 않고, 즉 모터(4)의 회전수에 영향을 받지 않는다는 특징이 있다.
따라서 회전수가 충분히 낮을 때는 오버랩기간의 영향은 받기 어렵고, 토오크 맥동을 평탄하게 하는 효과는 충분히 얻어지지 않는다. 한편, 회전수가 충분히 높은 경우는 오버랩기간이 연속되는 상태가 되어, 모터전류와 유기전압의 위상 어긋남이 발생하여 효율이 충분히 얻어지지 않게 되는 영향이 있다.
따라서 본 실시예 2에서는 모터(4)의 정격 회전수에 대하여 오버랩시간을 알맞게 설정하지 않으면 안된다는 조건이 필요하다. 그러나 펌프나 팬 등의 특정한 부하에 있어서는, 상기 조건은 큰 장해는 되지 않는다. 또 회로 구성부품이 적어지기 때문에 비용면에도 유리하게 된다.
인버터장치를 모놀리식화하는 것의 이점은 다음과 같다.
(1) 인버터장치가 소형이 되기 때문에, 모터에 내장할 수 있다.
(2) 인버터장치를 모터 내장할 수 있기 때문에, 위치 검출 신호를 모터의 밖으로 끌어 낼 필요가 없어져 인출 배선을 생략할 수 있다.
(3) 위치 검출회로와 인버터장치의 거리가 짧고, 또 위치 검출 신호가 논리신호이기 때문에, 인버터장치의 출력전압의 dv/dt 노이즈에 대하여 노이즈 내량을 높일 수 있다.
(4) 인버터장치의 모놀리식화에 따라 모터 전류 지령을 증폭하는 증폭기의 불균일 정밀도가 향상함으로써, 제 1 펄스 폭 변조신호와 제 2 펄스 폭 변조신호의 도통비율의 불균일 정밀도를 용이하게 향상할 수 있다.
(5) 모터의 전류지령을 하나의 직류 전압 신호로 제어할 수 있기 때문에, 모 터로부터의 인출 배선을 간략화할 수 있다.
(실시예 3)
도 5에 상기한 이점을 고려한 모터 구동회로를 가지는 구동회로(6)를 내장하는 모터의 실시예를 나타낸다.
도 5에서 본 발명에 의한 인버터장치 내장의 구동회로(6) 및 회전자의 자극 위치 검출기(홀소자)(5) 및 주변회로를 회로기판(54)에 설치한다. 또한 도 5에서 위치검출기(5)를 편의상 상향으로 나타내고 있으나, 실제로는 기판의 뒤쪽에 설치하고, 회전자의 자극을 검출하기 쉽게 하여 둔다. 권선 입력단자(58)를 구비한 모터 권선으로 이루어지는 고정자(52)를, 권선 입력단자(58)와 회로기판측 모터 출력단자(57)를 절연된 모터 권선의 배선(56)에 의하여 접속하고, 기판과 고정자를 고정한다.
이들을 모터의 박스체(55)에 끼워 넣고, 회로기판(54)으로부터 모터 입출력 배선(59)을 박스체 밖으로 끌어 낸다. 영구자석 회전자(53)를, 고정자(52)에 닿지 않게 적절한 갭을 설치하여 고정자 내부에 설치한다. 또한 모터(4)의 박스체(51)를 끼워 넣고, 회전자의 축을 고정한다. 또한 박스체(55)는 수지 등의 밀봉재료로 대체하여도 된다.
박스체(55) 밖으로 인출된 모터 입출력 배선(59)에서, 모터(4)의 구동에 최저한 필요한 배선수는, 모터 구동용 고압전원 +측, -측(그라운드), 모놀리식 집적회로용 제어전원 +측, 모터전류 제어용 입력신호, 모터 회전 출력 신호의 모두 5개이다. 따라서 모터 구동회로를 박스체(55)의 외부에 설치하는 경우에 비하여 배선 수가 대폭으로 삭감된다.
상기한 각 실시예에 의한 소형 또한 저렴하게 저소음을 실현하는 브러시리스 모터를 사용함으로써, 급탕기, 공기청정기(에어클리너), 세탁기, 펌프 등의 가전 또는 산업용 설비에 있어서, 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 모터가 저소음이 되기 때문에, 진동방지장치(방진고무 등)를 삭감할 수 있다.
(2) 진동방지장치의 삭감에 의하여 장치가 소형화가 된다.
(3) 진동방지장치의 신뢰성을 염려할 필요가 없어 신뢰성이 향상한다.
(실시예 4)
도 6은 본 발명에 의한 모터 구동회로가 형성되는 모놀리식 반도체 집적회로의 단면을 나타낸다. 본 집적회로는 유전체 분리기판에 형성된다.
상기 도면에 나타내는 바와 같이, 유전체(절연체)인 실리콘 산화막(SiO2)(42)으로 덮힌 단결정도(44) 중에, 도 1에서 인버터장치(3)를 구성하는 반도체 스위칭소자(IGBT)나 고속 다이오드, 인버터 구동장치(8)나 PWM 신호를 발생하기 위한 다른 회로 등을 구성하는 전기소자가 형성된다. 소자 사이는 알루미늄 등의 도체 배선(43)으로 결선된다. 각 단결정도(44)는, 실리콘산화막(42)에 의하여 전기적으로 절연 분리됨과 동시에, 단결정도(44) 및 실리콘산화막(42)의 바깥쪽을 덮는 다결정 실리콘에 의하여 지지된다.
또한 전기적으로 절연 분리되는 단결정도의 형성은, SOI(Sil1con On Insulator)기술을 사용하여도 좋다.
도 7은 도 6의 모놀리식 반도체 집적회로의 평면 패턴을 나타낸다. 6개의 고속 다이오드(46)가 인접하여 설치되는 영역과, 6개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(47)가 인접하여 설치되는 영역이 있고, 이들 반도체소자에 의하여 인버터장치가 구성된다. IGBT가 설치되는 영역에 인접하여, 이들 IGBT를 온/오프 제어하기 위한 인버터 구동장치나 PWM 신호를 발생하는 IGBT 구동회로 및 논리회로(48)가 영역에 형성된다. 상기한 실시예는, IGBT 구동회로 및 논리회로(48)에 적용된다. 이 때문에 IGBT 구동회로 및 논리회로(48)는 인버터 구동장치 및 PWM 신호를 발생하는 회로를 포함함에도 불구하고, 비교적 간단한 회로 구성이 되기 때문에 IGBT 구동회로 및 논리회로(48)의 면적을 저감할 수 있다. 따라서 작은 칩 사이즈로 인버터장치, 인버터 구동장치 및 PWM 신호를 발생하기 위한 회로를 모놀리식화할 수 있다.
상기한 각 실시예에 의한 소형 또한 저렴하게 저소음을 실현하는 브러시리스 모터를 사용함으로써, 급탕기, 공기청정기(에어클리너), 세탁기, 펌프 등의 가전 또는 산업용 설비에서 이용된다.
또 모터의 구동방법은, 하드 디스크 드라이브, 플렉시블 디스크 드라이브, 광자기 디스크 드라이브, CD-ROM 드라이브, 디지털 비디오 디스크 드라이브, 복사기, 프린터, 팩시밀리, 비디오 카메라장치 등에 사용하는 소형 모터에도 이용될 가능성이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 모터 구동회로 및 본 회로 및 모터를 포함한 모터 구동 시스템을 나타내는 도,
도 2는 도 1에서의 각 부의 동작파형을 나타내는 도,
도 3은 도 2에서의 U상에서 V상으로 상의 변환이 발생할 때의 각 부의 동작 파형을 나타내는 도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예인 모터 구동회로 및 본 회로 및 모터를 포함한 모터 구동 시스템을 나타내는 도,
도 5는 본 발명에 의한 모놀리식 반도체 집적회로를 내장한 모터를 나타내는 분해 사시도,
도 6은 본 발명에 의한 모터 구동회로가 형성되는 모놀리식 반도체 집적회로의 유전체 분리 기판을 나타내는 단면도,
도 7은 본 발명에 의한 모놀리식 반도체 집적회로의 평면 패턴을 나타내는 도면이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 상용 전원 2 : 정류기
3 : 인버터장치 4 : 3상 브러시리스 모터
5 : 자극 위치 검출기 6 : 구동회로
7 : 인버터장치 및 모터 자극 위치 검출기 내장 모터
8 : 인버터 출력회로의 구동장치 9 : 파형 선택기
10 : 비교기 11 : 증폭기
12 : 논리적회로
13 : 속도제어 연산처리장치(마이크로컴퓨터)
14 : 반송파 발생기 15 : 주파수 - 전압 변환기(F/V)
16 : 오버랩기간 생성회로 41 : 다결정 실리콘 기판
42 : 실리콘 산화막(SiO2) 43 : 알루미늄 배선
44 : 단결정도 45 : 모놀리식 집적회로 칩
46 : 고속 다이오드 47 : IGBT
48 : IGBT 구동회로 및 논리회로 51, 55 : 모터 박스체
52 : 고정자 53 : 회전자
54 : 회로기판 56 : 모터 권선의 배선
57 : 회로기판측 모터 출력단자 58 : 권선 입력단자
59 : 모터 입출력 배선

Claims (14)

  1. 모터의 복수상의 코일에 펄스 폭 변조 제어한 구동전력을 공급하는 전력변환장치와,
    상기 모터의 회전속도와 속도 지령값과의 편차에 의거하여 연산한 전류 지령 신호를 출력하는 속도제어 연산수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호와 반송파로부터 제 1 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 1 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호를 증폭한 신호와 반송파로부터 제 2 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 2 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 모터의 자극 위치에 의거하여, 상의 변환시에 소정의 오버랩기간을 생성하는 수단과,
    상기 제 2 펄스 변조신호와 오버랩기간을 논리적한 신호, 상기 제 1 펄스 폭 변조신호 및 상기 모터의 자극 위치 신호를 입력하고, 상기 모터의 자극 위치에 의거하여 발생하는 상의 변환시에 제 1 통전상에 풀 통전상태를 선택하고, 변환하는 제 2 통전상에 상기 제 1 펄스 폭 변조신호를 선택하고, 상기 오버랩기간에서의 제 1 통전상에 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 선택하여 선택신호로서 출력하는 신호 선택수단과,
    상기 신호 선택수단으로부터의 선택신호에 의거하여 상기 전력변환장치를 펄스 폭 변조 제어하는 펄스 폭 변조 제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 모터 구동회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 오버랩기간을 전기각으로 고정한 것을 특징으로 하는 모터 구동회로.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 오버랩기간을 일정한 시간으로 고정한 것을 특징으로 하는 모터 구동회로.
  4. 반도체 칩과,
    상기 반도체 칩에 형성된 펄스 폭 변조 제어에 의하여 온/오프되고, 모터에 전력을 공급하는 복수개의 반도체 스위칭소자와,
    상기 모터의 회전속도와 속도 지령값과의 편차에 의거하여 연산한 전류 지령 신호를 출력하는 속도제어 연산수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호와 반송파로부터 제 1 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 1 펄스 폭 변조 신호 생성수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호를 증폭한 신호와 반송파로부터 제 2 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 2 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 모터의 자극 위치에 의거하여, 상의 변환시에 소정의 오버랩기간을 생성하는 수단과,
    상기 제 2 펄스 폭 변조신호와 오버랩기간을 논리적한 신호, 상기 제 1 펄스 폭 변조신호 및 상기 모터의 자극 위치 신호를 입력하고, 상기 모터의 자극 위치에 의거하여 발생하는 상의 변환시에 제 1 통전상에 풀 통전상태를 선택하고, 변환하는 제 2 통전상에 상기 제 1 펄스 폭 변조신호를 선택하고, 상기 오버랩기간에서의 제 1 통전상에 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 선택하여 선택신호로서 출력하는 신호 선택수단과,
    상기 신호 선택수단으로부터의 선택신호에 의거하여 상기 전력변환장치를 펄스 폭 변조 제어하는 펄스 폭 변조 제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로장치.
  5. 모터와,
    상기 모터에 펄스 폭 변조 제어한 구동전력을 공급하는 전력변환장치와,
    상기 모터의 회전속도와 속도 지령값과의 편차에 의거하여 연산한 전류 지령 신호를 출력하는 속도제어 연산수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호와 반송파로부터 제 1 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 1 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호를 증폭한 신호와 반송파로부터 제 2 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 2 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 모터의 자극 위치에 의거하여 상의 변환시에 소정의 오버랩기간을 생성하는 수단과,
    상기 제 2 펄스 폭 변조신호와 오버랩기간을 논리적한 신호, 상기 제 1 펄스 폭 변조신호 및 상기 모터의 자극 위치 신호를 입력하고, 상기 모터의 자극 위치에 의거하여 발생하는 상의 변환시에 제 1 통전상에 풀 통전상태를 선택하고, 변환하는 제 2 통전상에 상기 제 1 펄스 폭 변조신호를 선택하여, 상기 오버랩기간에서의 제 1 통전상에 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 선택하여 선택신호로서 출력하는 신호 선택수단과,
    상기 신호 선택수단으로부터의 선택신호에 의거하여 상기 전력변환장치를 펄스 폭 변조 제어하는 펄스 폭 변조 제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
  6. 회전자 및 고정자와, 상기 회전자 및 고정자를 수납하는 박스체를 가지는 모터에 있어서,
    상기 회전자의 자극의 위치를 검출하기 위한 자극 위치 검출기 및 모터 구동회로가 상기 박스체 내에 내장되어 있고,
    상기 모터 구동회로가, 상기 모터에 펄스 폭 변조 제어한 구동전력을 공급하는 전력변환장치와,
    상기 모터의 회전속도와 속도 지령값과의 편차에 의거하여 연산한 전류 지령 신호를 출력하는 속도제어 연산수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호와 반송파로부터 제 1 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 1 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호를 증폭한 신호와 반송파로부터 제 2 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 2 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 모터의 자극 위치에 의거하여, 상의 변환시에 소정의 오버랩기간을 생성하는 수단과,
    상기 제 2 펄스 폭 변조신호와 오버랩기간을 논리적한 신호, 상기 제 1 펄스 폭 변조신호 및 상기 모터의 자극 위치 신호를 입력하고, 상기 모터의 자극 위치에 의거하여 발생하는 상의 변환시에 제 1 통전상에 풀 통전상태를 선택하고, 변환하는 제 2 통전상에 상기 제 1 펄스 폭 변조신호를 선택하고, 상기 오버랩기간에서의 제 1 통전상에 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 선택하여 선택신호로서 출력하는 신호 선택수단과,
    상기 신호 선택수단으로부터의 선택신호에 의거하여 상기 전력변환장치를 펄스 폭 변조 제어하는 펄스 폭 변조 제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 모터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 박스체에 내장한 모터 구동회로가 반도체 회로장치를 구비하고, 상기 반도체 회로장치가 반도체 칩에 형성된 펄스 폭 변조 제어에 의하여 온/오프되고, 상기 모터에 전력을 공급하는 복수개의 반도체 스위칭소자와,
    상기 모터의 회전속도와 속도 지령값과의 편차에 의거하여 연산한 전류 지령 신호를 출력하는 속도제어 연산수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호와 반송파로부터 제 1 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 1 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호를 증폭한 신호와 반송파로부터 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 생성하는 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 모터의 자극 위치에 의거하여, 상의 변환시에 소정의 오버랩기간을 생성하는 수단과,
    상기 제 2 펄스 폭 변조신호와 오버랩기간을 논리적한 신호와, 상기 제 1 펄스 폭 변조신호와, 상기 모터의 자극 위치신호를 입력하고, 상기 모터의 자극 위치 에 의거하여 발생하는 상의 변환시에 제 1 통전상에 풀 통전상태를 선택하고, 변환하는 제 2 통전상에 상기 제 1 펄스 폭 변조신호를 선택하여 상기 오버랩기간에서의 제 1 통전상에 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 선택하여 선택신호로서 출력하는 신호 선택수단과,
    상기 신호 선택수단으로부터의 선택신호에 의거하여 상기 전력변환장치를 펄스 폭 변조 제어하는 펄스 폭 변조 제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 모터.
  8. 펄스 폭 변조 제어되는 전력변환장치에 의하여 모터를 구동하는 모터 구동방법에 있어서,
    상기 모터의 회전속도와 속도 지령값과의 편차에 의거하여 연산한 전류 지령 신호를 작성하고,
    상기 전류 지령 신호와 반송파로부터 제 1 펄스 폭 변조신호를 생성하고,
    상기 전류 지령 신호를 증폭한 신호와 반송파로부터 제 2 펄스 폭 변조신호를 생성하고,
    상기 모터의 자극 위치에 의거하여 상의 변환시에 소정의 오버랩기간을 생성하고,
    상기 제 2 펄스 폭 변조신호와 오버랩기간을 논리적한 신호와, 상기 제 1 펄스 폭 변조신호와, 상기 모터의 자극 위치 신호를 입력하고, 상기 모터의 자극 위치에 의거하여 발생하는 상의 변환시에 제 1 통전상에 풀 통전상태를 선택하고, 변환하는 제 2 통전상에 상기 제 1 펄스 폭 변조신호를 선택하여, 상기 오버랩기간에서의 제 1 통전상에 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 선택하여 이루어지는 선택신호를 작성하고,
    상기 선택신호에 의거하여 상기 전력변환장치를 펄스 폭 변조 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동방법.
  9. 모터의 복수상의 코일에 펄스 폭 변조 제어한 구동전력을 공급하는 전력변환장치와,
    상기 모터의 추정 회전속도와 속도 지령값과의 편차에 의거하여 연산한 전류 지령 신호를 출력하는 속도제어 연산수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호와 반송파로부터 제 1 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 1 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호를 증폭한 신호와 반송파로부터 제 2 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 2 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 모터의 추정 자극 위치에 의거하여, 상의 변환시에 소정의 오버랩기간을 생성하는 수단과,
    상기 제 2 펄스 폭 변조신호와 오버랩기간을 논리적한 신호, 상기 제 1 펄스 폭 변조신호 및 상기 모터의 추정 자극 위치 신호를 입력하고, 상기 모터의 추정 자극 위치에 의거하여 발생하는 상의 변환시에 제 1 통전상에 풀 통전상태를 선택하고, 변환하는 제 2 통전상에 상기 제 1 펄스 폭 변조신호를 선택하고, 상기 오버랩기간에 있어서의 제 1 통전상에 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 선택하여 선택신호로서 출력하는 신호 선택수단과,
    상기 신호 선택수단으로부터의 선택신호에 의거하여 상기 전력변환장치를 펄스 폭 변조 제어하는 펄스 폭 변조 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동회로.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 오버랩기간을 추정 전기각으로 고정한 것을 특징으로 하는 모터의 구동회로.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 오버랩기간을 일정한 시간으로 고정한 것을 특징으로 하는 모터의 구동 회로.
  12. 반도체 칩과,
    상기 반도체 칩상에 형성된 펄스 폭 변조 제어에 의하여 온/오프되고, 모터에 전력을 공급하는 복수개의 반도체 스위칭소자와,
    상기 모터의 추정 회전속도와 속도 지령값과의 편차에 의거하여 연산한 전류 지령신호를 출력하는 속도제어 연산수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호와 반송파로부터 제 1 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 1 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호를 증폭한 신호와 반송파로부터 제 2 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 제 2 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 모터의 추정 자극 위치에 의거하여, 상의 변환시에 소정의 오버랩기간을 생성하는 수단과,
    상기 제 2 펄스 폭 변조신호와 오버랩기간을 논리적한 신호, 상기 제 1 펄스 폭 변조신호 및 상기 모터의 추정 자극 위치 신호를 입력하고, 상기 모터의 추정 자극 위치에 의거하여 발생하는 상의 변환시에 제 1 통전상에 풀 통전상태를 선택하고, 변환하는 제 2 통전상에 상기 제 1 펄스 폭 변조신호를 선택하고, 상기 오버랩기간에 있어서의 제 1 통전상에 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 선택하여 선택신호로서 출력하는 신호 선택수단과,
    상기 신호 선택수단으로부터의 선택신호에 의거하여 상기 전력변환장치를 펄 스 폭 변조 제어하는 펄스 폭 변조 제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로장치.
  13. 회전자 및 고정자와, 상기 회전자 및 고정자를 수납하는 박스체를 가지는 모터에 있어서,
    상기 박스체 내에 모터 구동회로가 내장되어 있고, 상기 모터 구동회로가, 모터에 펄스 폭 변조 제어한 구동전력을 공급하는 전력변환장치와,
    상기 모터의 자극 회전속도와 속도 지령값과의 편차에 의거하여 연산한 전류 지령 신호를 출력하는 속도제어 연산수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호와 반송파로부터 제 1 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 1 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호를 증폭한 신호와 반송파로부터 제 2 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 2 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 모터의 추정 자극 위치에 의거하여, 상의 변환시에 소정의 오버랩기간을 생성하는 수단과,
    상기 제 2 펄스 폭 변조신호와 오버랩기간을 논리적한 신호, 상기 제 1 펄스 폭 변조신호 및 상기 모터의 추정 자극 위치신호를 입력하고, 상기 모터의 추정 자극 위치에 의거하여 발생하는 상의 변환시에 제 1 통전상에 풀 통전상태를 선택하고, 변환하는 제 2 통전상에 상기 제 1 펄스 폭 변조신호를 선택하고, 상기 오버랩기간에 있어서의 제 1 통전상에 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 선택하여 선택신호 로서 출력하는 신호 선택수단과,
    상기 신호 선택수단으로부터의 선택 신호에 의거하여 상기 전력변환장치를 펄스 폭 변조 제어하는 펄스 폭 변조 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 모터.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 박스체에 내장한 모터 구동회로가 반도체 회로장치를 구비하고, 상기 반도체 회로장치가, 반도체 칩에 형성된 펄스 폭 변조 제어에 의하여 온/오프되고, 상기 모터에 전력을 공급하는 복수개의 반도체 스위칭소자와,
    상기 모터의 추정 회전속도와 속도 지령값과의 편차에 의거하여 연산한 전류 지령 신호를 출력하는 속도제어 연산수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령신호와 반송파로부터 제 1 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 1 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 속도제어 연산수단으로부터의 전류 지령 신호를 증폭한 신호와 반송파로부터 제 2 펄스 폭 변조신호를 생성하는 제 2 펄스 폭 변조신호 생성수단과,
    상기 모터의 추정 자극 위치에 의거하여 상의 변환시에 소정의 오버랩기간을 생성하는 수단과,
    상기 제 2 펄스 폭 변조신호와 오버랩기간을 논리적한 신호, 상기 제 1 펄스폭 변조신호 및 상기 모터의 추정 자극 위치 신호를 입력하고, 상기 모터의 추정 자극 위치에 의거하여 발생하는 상의 변환시에 제 1 통전상에 풀 통전상태를 선택 하고, 변환하는 제 2 통전상에 상기 제 1 펄스 폭 변조신호를 선택하고, 상기 오버랩기간에 있어서의 제 1 통전상에 상기 제 2 펄스 폭 변조신호를 선택하여 선택신호로서 출력하는 신호 선택수단과,
    상기 신호 선택수단으로부터의 선택 신호에 의거하여 상기 전력변환장치를 펄스 폭 변조 제어하는 펄스 폭 변조 제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 모터.
KR1020070113348A 2006-11-08 2007-11-07 모터 및 모터 구동시스템, 모터구동회로장치, 모터구동방법 및 반도체 집적회로장치 KR101046354B1 (ko)

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