KR20110010526U - 비엘디시 모터드라이브 리니어자동전압제어장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 BLDC 모터드라이브의 모터구동용 DC전압조정제어회로에 관한 것으로 더욱 상세하게는 BLDC 모터드라이브는 모터를 구동하기 위한 DC전압이 필요한데, 이를 외부에서 전원을 공급받거나, BLDC모터 드라이브 자체적으로 DC전원을 생성할 수 있는 회로가 필요하다. 일반적으로 BLDC모터 드라이브는 AC전원을 입력 받아 이를 DC전원으로 정류하여 사용하는데 이 DC정류회로에 있어, 저 전압 DC정류회로는 트랜스포머에 의한 전압강하를 통해 DC전원을 생성하거나, SMPS회로에 의한 저 전압을 획득하여 BLDC 모터드라이브에 적용하고 있다. 본 고안에서는 BLDC모터에 드라이브가 내장되는 경우에 있어 AC입력전원이 직접 투입되는데, 입력 AC 전압 및 주파수에 관계없이 인가되어도 다양한 정격전압 범위의 BLDC모터에 적용 가능한 DC전압을 자동으로 생성해주는 BLDC모터 구동용 DC전압 자동제어장치 및 그 기능을 제공하는데 있다.
이와 같이 본 고안의 목적을 달성하기 위한 수단은 입력전원을 전파맥류전압으로 정류해주는 전파정류부와 전원전압감지 및 전원주파수를 감지하는 수단과, 이를 이용하여 출력하고자 하는 DC전압을 생성하기 위해 전파맥류전압을 위상제어를 통하여 위상제어전압을 출력하는 리니어자동전압제어부, 생성된 DC전압출력이 정상적으로 출력하는지 여부를 감지하는 DC전압감지부 생성된 DC전압에 의해 구동되는 BLDC DRIVER부 및 속도검출부를 구비하고 위상제어출력을 제어하기 위한 제어기능을 수행하고, BLDC 모터를 제어하는 기능을 구비한 MPU부로 구성된다.

Description

비엘디시 모터드라이브 리니어자동전압제어장치{ Linear Auto Voltage Control of BLDC Motor driver}

본 고안은 BLDC 모터 드라이브의 모터를 구동하기 위한 입력전압의 전압조정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 BLDC 모터는 입력전압 AC를 전압정류회로를 거쳐 DC전압(DC-LINK전압)을 만들어 BLDC 모터드라이브에 인가되면, PWM 스위칭에 의해 변환 된 전압이 BLDC 모터에 투입되어 모터를 회전시키게 한다. BLDC 모터는 입력전압에 맞게 설계되어 있어서, BLDC 모터드라이브는 모터의 정격전압에 맞추어 입력전압을 인가해야 한다.

특히 AC입력 전압을 직접 인가하는 BLDC 모터드라이브가 내장된 BLDC모터인 경우는 BLDC모터드라이브에 DC전압 정류회로가 내장되어 있는데 외부에서 AC 입력전압을 AC110V 또는 AC220V 상관없이 인가하면, 모터는 정격에 맞지 않는 AC입력인 경우는 모터가 소손 또는 고장이 나는 문제점 때문에 BLDC 모터의 정격에 따라 AC전원을 구분하여 투입해야 한다. 그러므로 입력정격에 따라 BLDC 모터를 구분해서 개발하든지, BLDC모터드라이브를 구분하여 개발해야 하는 문제점을 가지고 있다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 개선하고자, 정격전압 AC220V 전압 모터 한 종류만 개발되어 있다면 입력전압 AC110V 또는 AC220V 어떤 전압이 인가되어도 BLDC 모터드라이브에 내장된 DC전압조정장치에 의해 자동으로 전압을 조정하여 모터를 구동시켜주는 BLDC 모터드라이용 자동전압제어장치에 관한 것이다.

BLDC 모터를 구동하기 위해서는 모터와 드라이브로 구성된다. 일반적으로 BLDC 모터드라이브 구성은, 종래의 BLDC DRIVER [도1]에서 도시된 바와 같이 AC 입력 전원이 들어오면 이를 BLDC 모터를 구동하기 위한 DC전압을 생성하는 전파정류회로부 (100)와, BLDC모터드라이버를 제어하는 장치에 공급하는 저 전압 DC를 생성하는 SMPS부(300), BLDC모터에 회전상태를 판단하고, 회전하도록 PWM 제어신호를 출력하는 수단을 가진 MPU부(500), MPU부(500)으로부터 출력되는 모터회전에 대한 PWM제어 소신호를 실제 BLDC모터를 구동할 수 있는 DC-LINK단의DC전압을 PWM 스위칭 전압으로 변환하여 모터에 공급하는 수단으로 구성된 BLDC_DRIVER부(400), BLDC_DRIVER에서 출력된 PWM 전압에 의해 구동되는 MOTOR부(700), MOTOR의 회전속도를 감지하여 BLDC_DRIVER나 MPU에 전달하는 수단으로 구성된 속도검출부(600)로 구성되어 있다.

일반적으로 BLDC모터는 모터와 드라이브로 구성되어 있는데, 드라이브의 역할은 모터를 직접 구동하는 DC전압(DC-LINK)부와 모터를 목표 회전수로 제어하고자 하는 판단과 모터를 구동시키기 위한 PWM신호를 발생하는 컨트롤부(도1)로 구성되어 있는데, BLDC모터 드라이브는 크게 모터외장 타입과 모터내장 타입으로 나눌 수 있다. BLDC 모터는 정격에 따라, BLDC모터드라이브가 [도1]에서 도시한 바와 같이, DC전압 정류회로인 DC-LINK부(100)에서 모터의 정격에 맞는 DC전압을 구성해 주어야 한다. 그러므로 BLDC모터는 입력전원에 맞게 개발되어야 한다. 일반적으로 정격전원에 맞는 BLDC모터가 선정되면, 그것에 맞는 BLDC 모터드라이버를 설계하거나, 구매하면 된다. 그러나 모터드라이버가 내장 된 BLDC모터는 대량생산 제품으로 주종을 이루고 있어, 모터생산의 공정 및 가격에 민감하여 단일화가 필연적으로 따른다. 또, 내장 된 BLDC 모터는 전원만 투입되면 바로 구동할 수 있도록 되어 있는 경우가 많은데, 모터가 적용된 같은 제품이라도 국가별, 지역별 전압이 틀리기 때문에 다양한 모터를 생산해야 하는 어려움을 가지고 있다.

본 고안에서는 모터드라이버가 내장된 BLDC모터에 있어서, 특히 AC전원을 인가하여 모터드라이브에 DC전압 정류회로부(100)를 가진 BLDC모터에 있어 다양한 정격전압을 가진 BLDC 모터에 적용 가능한 BLDC 모터드라이브 리니어자동전압제어창치에 관하여 기술하고자 한다.

본 고안을 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 특히 종래의 모터드라이브가 내장된 BLDC 모터에 있어서, 모터의 정격에 맞지 않는 AC전압을 인가하면 모터의 소손이나 고장이 발생한다. 이를 해결하기 위해서는 국가별,지역별 AC입력 전압 정격에 맞도록 구분하여 모터를 설계하거나, 모터드라이버를 개발해야 하는 번거로움이 있고, 대량생산의 최대이점인 공용화 부재 및 응용제품의 적용 성이 떨어지는 불리한 점이 발생한다. 본 고안에서는 상기에서 기술한 바와 같은 문제점을 입력전압이 AC110 이나 AC220이나 상관없이 인가하거나, 다양한 정격전압 BLDC 모터에 적용 가능하도록 내장된 모터드라이브에서 입력된 전압을 감지하여 전파정류 된 맥류전압을 전압위상제어 스위칭을 통하여 DC전압을 선형적이고 정밀하게 전압을 제어하는 수단을 구비한 제어장치를 통하여 이를 해결하고자 한다.

본 고안이 이루고자 하는 기술적 과제는, AC입력전압이 전파정류부(100)에인가되면, 이를 전파맥류전압(110)으로 정류시키고, 이를 전압감지부(200)를 두어 전압을 검출하는 수단과, 전원의 주파수감지부(210)을 통한 전원주파수 검출 수단을 통하여, 전파맥류전압(11)을 위상제어 스위칭 위치를 연산 및 판단하는 MPU부(500)의 출력에 의해, 전파맥류전압(110)을 위상제어를 스위칭으로 목표DC전압조정을 구현하는 전압제어부(800)회로를 구비하여 전원전압에 관계없이 일정한 DC전압을 제어할 수 있는 수단을 가진 회로제어 장치를 제공하는데 있다.

본 고안이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기에서 기술한 바와 같이 전파정류부(100),전원전압감지부(200),전원주파수감지부(210)를 통하여 목표로 하는 DC전압을 발생하기 위한 연산 및 제어하는 MPU부(500)에 의해 목표DC전압을 위상제어를 통하여 구현하는 전압제어부(800) 제어회로장치 수단을 구비하고 이를 통하여 BLDC DRIVER부(400)에 입력AC전압에 관계없이 일정한 DC전압을 발생할 수 있도록 하는 제어방법을 제공하는데 있다.

본 고안의 BLDC 모터드라이브 용 자동전압제어장치가 모터드라이브 내장형BLDC모터에 있어 그 효과는 입력전압 AC전원레벨에 관계없이 인가되어도 비정격 전압에 대한 소손이나 고장 발생이 없으며, DC전원전압을 선형적으로 제어가 가능함으로 다양한 DC전압 정격전압의 BLDC모터에 적용할 수 있다.

도 1은 종래의 BLDC 모터드라이브 블록도
도 2는 본 고안의 리니어자동전압제어가 가능한 BLDC 모터 드라이브 블록도
도 3은 본 고안의 전원전압 및 주파수감지 장치가 있는 상세 회로도
도 4은 본 고안의 자동전압제어부 상세회로도
도 5는 본 고안의 5ms에서의 전압위상제어 파형도
도 6은 본 고안의 6ms에서의 전압위상제어 파형도
도 7은 본 고안의 리니어 자동전압제어 알로리즘 흐름도

본 고안이 상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, BLDC모터드라이브 리니어자동전압제어장치는 본 고안의 BLDC 모터드라이브 블록도[도2]에 있어, 모터드라이브에 AC전원(50)을 인가하면 BLDC 모터를 구동하고,모터드라이브 전원을 공급하기 위해, DC전압을 정류하는 전파정류부(100)에서 AC전원은 전파맥류전압(110)으로 변경되고, 전파 정류된 맥류전압을 전원전압감지부(200)와, 전원주파수감지부(210)을 통하여 전압과 주파수를 감지하는데 이를 더 구체적으로 기술하면, [도3] 본 고안의 전원전압 및 주파수감지 상세회로도에서 R3과 R4를 통하여 전압분배를 통하여 전파정류전원을 감쇄시켜 이를 전원주파수감지회로(210)의 Q2의 스위칭에 의해 MPU부(500)의 INT Port를 통하여 외부인터럽트로 받아들여 MPU(500)은 내부 Timer1를 카운터하여 전원주파수를 감지하고 판단해 둔 상태에서 MPU부(500)의 INT Port로 들어오는 전원주파수 신호트리거에 동기하여 또 다른 내부 Timer2를 기동시킨다. 또 전원전압감지부(200)회로의 R62와 R63에 의해 전압을 분배 하여 MPU부(500)의 A/D Port에서 전압감지가 가능한 +5V의 이내의 파형으로 낮추어 콘덴서 CE63을 의해 파형을 평활 해서 MPU(500)의 A/D Port 를 통해 읽어들인다. 이때 MPU부(500)은 전원전압에 따른 A/D Port에 들어오는 전압을 시험을 통하여 MPU(500)의 ROM 영역에 TABLE화 하여 이를 비교해서 전원전압을 판단한다. 상기에서 기술한 바와 같이, 전원주파수와 전원전압을 판단했으면, MPU부(500)의 전원주파수 및 전원전압에 따른 목표DC전압을 만들 수 있는 전파맥류전압(110)에서의 위상제어 스위칭 ON Time 위치를 시험에 의한 ROM의 TABLE저장 되어진 ON time Data 이든지 아니면 MPU부(500)의 연산부에 의해 계산하여, 전원주파수 신호트리거에 동기해 놓은 내부 Timer2에서 위상제어 ON 출력신호를 MPU부(500)의 OUT Port를 통하여 전압제어부 (800)를 동작시켜 목표로 하는 DC전압을 생성시키기 위해 전파맥류전원파형(110)을 위상제어를 통해 전압파형을 생성한다.

이를 보다 더 구체적으로 기술하면, 본 고안의 리니어 자동전압제어부 상세회로도 [도 4]에서 MPU부(500)의 OUT Port를 통한 위상제어 신호(810)가 ON되면 Q1(811)이 ON되어, 포토커플러 PC1(820)이 턴온 되어 위상제어 스위칭 소자인 SCR(직류형 사이리스터) T1(850)을 턴온 시킬 수 있는 Vgt(Gate 트리거 전압)이 R50,R51,D50(830),R52(840),R53(841)에 의해 생성되는데, 보다 더 상세하게는 SCR(직류형 사이리스터) 소자 T1은 부품메이커마다 Vgt(Gate트리거 전압)과 Igt(Gate트리거 전류)가 있는데 여기서 특히 Vgt(Gate트리거 전압)은 SCR인 T1의 게이트와 케소드 사이에 일정한 전압이상이 걸려야 SCR을 턴온시켜 T1가 도통이 되는데 이전압은 R52(840)에 과 R53(841)의 전압분배에 의해 조정되어지고, Igt(Gate트리거 전류)도 R50,R51,R52(840),R53(841)에 의해 조정되어져야 한다.

보다 상세하게는 본 고안에 있어서 R53(841)과 다이오드 D51(860)이 중요한 역할을 하는데, 그 이유는 BLDC 드라이브(400)가 부하동작여부에 관계없이 위상제어를 하려면 D1이 없으면 전압이 CE50에서 평활 되기 때문에 위상 제어에 의한 전압조정이 불가능하기 때문에 D51(860)이 반듯이 필요하고, 또 일정한 부하가 있어 전류가 흘러야 T1(850)의 위상제어가 가능하기 때문에 R53(841)저항이 반듯이 있어야 한다. 또 T1(850)이 턴온 되면 T1의 게이트 및 캐소드에 위상제어 된 고전압이 걸리게 되는데 이 전압이 처음 T1(850)을 구동시키기 위한 Vgt전압을 바이어스 해주는 +15V 로 역전압이 걸리지 않도록 D50(830)에 의해 방지하고 순간 전압Noise를 C50에 의해 바이패스를 시켜 주도록 한다.

상기 기술한 바와 같이 T1(850)에 의해 위상전압제어 된 파형은 D51(860)을 거쳐 CE50(870)에서 전압이 평활되어 DC전압(900)으로 BLDC Driver부(400)으로 공급된다. 이 때, R70(880)과R71(881)에 의해 전압을 저전압으로 분배하여 DC전압감지부(220)의 회로에 의해 MPU부(500) A/D2 입력으로 감지하여 목표DC전압에 도달했는지 여부를 판단하고 MPU부(500) OUT Port를 통한 위상제어 신호를 제어한다. 본 고안의 자동전압제어부 상세회로도 [도 4]의 위상제어에 관한 구체적인 실시 예는 [도 5] 와 [도 6] 에서 위상제어 전원주파수 트리거후 5ms와 6ms 후에서 위상제어를 한 전압파형을 상세하게 나타내고 있다.

본 고안에서 상술하고자 하는 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위해서는 상기에서 기술한 바와 같이 구성된 전파정류부(100)에 의해 전파맥류파형이 (110)만들어 지면, 이를 전원전압감지부(200) 및 전원주파수감지부(210)에 의해 전압 및 주파수를 검출하고 이를 MPU부(500)에 의해 판단하여 목표DC전압을 출력할 수 있는 위상제어 ON time 을 연산처리하여, 전압자동제어부(800)로 하여금 전파맥류전원파형(110)을 위상제어 전원파형을 출력하도록 위상제어출력 신호를 MPU부(500)의 OUT Port부로 출력하여 목표DC 전압을 출력하도록 하는 제어기능을 가진 자동전압제어 알고리즘이 구성된다.

보다 더 상세하게는, [도 7] 본 고안의 리니어 자동전압제어 알고리즘 흐름도에 있어서 AC 전원이 외부로부터 입력되면 [도 2]의 SMPS 전원부에 의해 저전압 전원이 활성화 되면, BLDC Driver의 회로가 활성화 되어 MPU부(500)이 기동되어 먼저 마이컴을 초기화하고(1100) 목표DC전압을 출력하기위해 위상제어를 바로 하지않고 전원전압감지부(200) 및 전원주파수감지부(210)을 통하여 전원전압감지루틴(1200) 및 전원주파수감지(1300)루틴에서 입력전원 전압 및 주파수를 감지한다. 입력전원 전압 및 전원주파수에 대한 변수를 가지고 MPU부(500) 내부의 ROM영역에 목표DC전압에 따른 위상제어 ON time을 On time Data Table(1400)에서 연산처리를 통해 획득하여 이를 목표DC전압을 만들기위해 위상제어 출력루틴(1500)에서 출력 처리되어 자동전압제어부(800)에서 위상제어 출력을 한다. 전압위상제어를 통하여 [도 4] 본 고안의 리니어 자동전압제어 상세회로도의 콘덴서 CE50(870)에 의해 평활되어 DC전압을 생성한다. 이때 DC전압감지부(220)에 의해 목표DC전압이 제대로 출력되고 있는지 판단하여 위상전압제어 출력을 조정하여 목표로하는 DC전압을 출력하도록한다(1600). BLDC 모터에 맞는 정격DC전압을 생성되면 이를 실제 BLDC 모터제어 루틴을 수행한다(1700).

50 : 입력전원파형 100 : 전파정류부
110 : 전파맥류전압파형 200 : 전원전압감지부
210 : 전원주파수감지부 220 : DC전압감지부
300 : SMPS부 400 : BLDC Driver부
500 : MPU부 600 : 속도검출부
700 : 모터 800 : 리니어 자동전압제어부
900 : 위상제어전압출력파형

Claims (3)

1. [도2]에 도시한 바와 같이 전파맥류전압파형(110)을 생성하는 전파정류부와(100)와 전원전압감지부(200)및 전원주파수감지부(210)에 의해 전파맥류전압파형의 전압 및 전원주파수를 검출하고, 이를 목표 DC 전압을 생성할 수 있는 위상제어 출력으로 판단 처리하는 MPU부(500)와, MPU부의 위상제어신호에 의해 위상전압제어출력을 구현하는 리니어자동전압제어부(800), 목표DC전압이 출력되는지 판단하기 위한 수단인 DC전압감지부(220), BLDC 모터를 직접 제어하는 BLDC DRIVER부(400) 및 속도검출부(600)를 구비하고, 입력전압 및 주파수 변동에 관계없이 BLDC모터에 필요한 정격 DC전압을 일정하게 생성해주는 것을 그 특징으로 하는 BLDC 모터드라이브 리니어자동전압제어장치.
   
2. 제1항에 있어서 리니어자동전압제어부(800)회로가 SCR소자(850)을 이용하여 전파맥류전압파형(110)을 위상제어출력을 하기 위한 수단과, 위상전압제어파형을 구현하기 위해, D51(860) 구성하고, BLDC Driver의 부하 여부에 관계없이 일정한 전압위상제어출력 파형을 형성하기 위한 R53(841)를 구성으로 전압위상제어출력인 맥류전압을 형성하는 수단과, 위상 제어된 맥류전압을 D51(860)을 경유하여 콘덴서 CE50(870)에 평활하여 DC전압을 형성하고 출력하고자 하는 목표DC전압을 출력하고 있는지 그 여부를 확인 위한 DC전압감지부(220)수단을 구비하고, 전파맥류파형(110)을 전압위상제어를 통하여 DC전압을 리니어하게 전압을 조정, 출력 해주는 것을 그 특징으로 하는 리니어자동전압제어회로장치.
   
3. 전원전압 및 주파수를 감지하는 수단을 통해 입력전압을 감지 및 판단하고(1200),전원주파수를 감지 및 판단하여(1300) 목표DC전압을 출력하기 위한 위상제어 ON Time 을 획득하기 위해 MPU부(500)의 ROM에 입력전원전압, 전원주파수,목표DC출력전압 변수에 따른 위상제어 ON Time Data Table 및 MPU의 연산부에서 연산처리 된 위상제어신호(1400)를 리니어자동전압제어부(800)에 지령하여 전압위상제어출력이 DC전압을 생성하도록 하고 생성된 DC전압이 DC전압감지부(220)에 의해 검출,판단하여 목표로 하는 DC전압에 도달되었는지 여부를 판단해서(1500), 목표DC전압을 출력되도록 피드백을 통해 전압위상제어출력을 구현하는 제어 알고리즘을 구비한 것을 그 특징으로 하는 BLDC모터드라이브 리니어 자동전압제어장치.
   
   

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