KR20170120562A

KR20170120562A - Ｂｌｄｃ 어댑티브 제로 크로싱 검출

Info

Publication number: KR20170120562A
Application number: KR1020177017696A
Authority: KR
Inventors: 워드 알. 브라운
Original assignee: 마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-10-31
Also published as: CN107112931B; US9692331B2; EP3262749B1; CN107112931A; TW201633693A; WO2016138415A1; JP2018508171A; US20160254766A1; EP3262749A1

Abstract

BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출은 BLDC 모터의 플로팅 상으로부터의 BEMF 전압들을 기준 전압과 비교하고, 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 큰 상승 BEMF 주기 동안에 상승 시간 간격을 측정하고, 그리고 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 작은 하강 BEMF 주기 동안에 하강 시간 간격을 측정한다. 상기 기준 전압은 상기 상승 및 하강 시간 간격들이 실질적으로 동일하도록 조정되고, 이로써 구동 전압은 모터 자체-생성 전압과 동상이 되고(be in phase), 따라서 상기 BLDC 모터의 최대 효율을 보장한다.

Description

ＢＬＤＣ 어댑티브 제로 크로싱 검출{BLDC ADAPTIVE ZERO CROSSING DETECTION}

관련 특허 출원

본 출원은, 2015년 2월 27일 출원된 공동 소유의 미국 가출원 번호 62/121,767 호의 우선이익을 주장하며, 상기 미국 가출원은 모든 목적들을 위해 본 출원에 참조로 통합된다.

기술 분야

본 개시는 브러시리스 직류(brushless direct current; BLDC) 모터에 관한 것으로, 특히, BLDC 모터 애플리케이션에서의 어댑티브 제로 크로싱 검출에 관한 것이다.

브러시리스 직류(BLDC) 모터들은 전기제품(appliances), 자동차, 항공우주산업, 가전기기(consumer), 의료기기(medical), 산업 자동화 장비 및 도구와 같은 산업 분야들에서 사용되고 있다. BLDC 모터들은 정류용 브러시들을 사용하지 않고, 대신에 전자 정류가 사용된다. BLDC 모터들은 더 좋은 속도 대 토크 특성들, 높은 동적 응답, 고 효율, 긴 동작 수명, 서비스 간 더 긴 시간 간격들, 실질적인 무잡음 동작, 및 더 높은 속도 범위와 같은, 브러시 DC 모터들과 유도 모터들을 능가하는 장점들을 갖고 있다. BLDC 모터들의 더욱 상세한 개관은 "Blushless DC Motor Control Made Easy"라는 제목의 마이크로칩 애플리케이션 노트 AN857, 및 "Blushless DC (BLDC) Motor Fundamentals"라는 제목의 마이크로칩 애플리케이션 노트 AN885에서 볼 수 있고, 이 문헌들 둘 다는 www.microchip.com에 나와 있으며 모든 목적들을 위해 본 명세서에 참조로 통합된다.

BLDC 모터 제어에는 3가지가 필요한데, 즉 (1) 모터 속도를 제어하기 위한 펄스폭 변조(PWM) 구동 전압들, (2) BLDC 모터의 고정자를 정류하기 위한 메커니즘, 및 (3) BLDC 모터의 회전자 위치를 평가하기 위한 방식이 필요하다. PWM은 모터의 속도 제어를 위해 BLDC 모터의 고정자 권선들에 가변 전압을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 고정자 권선들에 제공되는 실효 전압은 PWM 듀티 사이클에 비례한다. 고정자 코일들의 인덕턴스들은 저역 통과 필터들로서 작용하여서 PWM 전압들을 평활화하여(smooth out) 실질적인 직류(DC) 전압들이 되게 한다. 적절히 정류된다면, BLDC 모터의 토크-속도 특성은 실질적으로 DC 모터와 동일하다. PWM 유도 가변 전압은 모터의 속도와 이용 가능한 토크를 제어한다.

3상 BLDC 모터는 전기 사이클, 즉 스텝당 60 전기각(electrical degrees)으로 6개의 스텝들로 이루어지는 360 전기 회전각을 완성한다. 매 60 전기각마다 동기적으로, 권선 페이즈 전류 스위칭이 업데이트된다(정류). 하지만, 하나의 전기 사이클은 모터 회전자의 하나의 기계 회전(360 기계각)에 일치하지 않을 수 있다. 하나의 기계 회전을 마치도록 반복될 전기 사이클의 수는 회전자 극 쌍들의 수에 의존한다.

BLDC 모터들은 자가-정류식(self-commutating)이 아니므로, 따라서 제어하기에 좀 더 복잡하다. BLDC 모터 제어는 모터 회전자 위치와 BLDC 모터 고정자 권선들을 정류하는 메커니즘에 대한 지식을 필요로 한다. BLDC 모터의 폐루프 속도 제어를 위해서는, BLDC 모터로부터의 모터 속도와 전력을 제어하기 위한 회전 속도의 측정 및 펄스폭 변조(PWM) 구동 신호의 두 가지 추가 요구 사항이 있다.

BLDC 모터의 회전자 위치를 감지하고자 하는 경우에는, 홀 효과(Hall Effect) 센서들이 절대적인 회전자 위치 감지를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 하지만, 홀 효과 센서들은 BLDC 모터의 비용 및 복잡도를 증가시킨다. 센서리스(sensorless) BLDC 제어는 모터의 각각의 상(A-B-C)에서 역기전력(BEMF) 전압들을 모니터링하여 구동 정류를 결정함으로써, 홀 효과 센서들의 필요성을 제거한다. 미구동된(un-driven) 상의 BEMF가 정류 주기의 중간에서 모터 공급 전압의 절반을 크로싱할 때에, 구동 정류는 모터와 동기화된다. 이것은 각각의 전기 사이클에 걸쳐 BEMF가 제로-크로싱 전압 상하로 변하는 "제로-크로싱"이라고 지칭된다. 제로-크로싱은 다른 2개의 구동된 상들에 구동 전압이 인가되고 있을 때에, 미구동된 상에서만 검출될 수 있다. 그래서, 3상 BLDC 모터를 위해 구동 전압이 상기 2개의 구동 상들에 인가되는 동안에는, 모터 공급 전압의 절반 미만으로부터 절반 초과까지 미구동된 상에서의 BEMF의 변화를 검출하는 것이 사용될 수 있다.

특히 BLDC 모터가 회전자의 현재 위치를 결정할 수 있는 임의의 센서들을 제공하지 않는 경우에는, 브러시리스 DC(BLDC) 모터들을 제어하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 센서리스 BLDC 모터 제어를 위한 범용 제로-크로스 검출이 필요하다. BLDC 애플리케이션에서 현재의 회전자 위치를 결정하는 한 가지 방법은 역기전력(BEMF) 신호를 사용하는 것인데, 역기전력(BEMF) 신호는 그것을 유도하는 전류에 대항하여 생기는(push against) 전압 또는 기전력이다. BEMF는 자기 유도로 인한 교류(AC) 회로의 전압 강하이다. 일반적으로, 예를 들어 3상 BLDC 모터의 3개의 코일들 중 2개를 통해 BLDC 모터를 구동할 때에는, BEMF 신호는 미사용된 코일을 통해 수신될 수 있다. BEMF 신호들은 구동 코일들에 인가되는 PWM 신호와 관련하여 진폭 및 위치가 다르다. 이 BEMF 신호들의 제로 크로싱 검출은 특정 시간들에서 샘플링될 수 있으며, 여기서는 제로 크로싱 검출들 사이의 중간 포인트에서 정류가 발생한다. 그러나 이 샘플들은 모터 특성으로 인해 손상될 수 있다. 따라서, 적절한 플럭스(flux) 통합을 위해서는 모터 특성들을 알아야하며, 드라이브 및 모터 전압들도 또한 동 위상이어야 한다. 필드 지향 제어(field oriented control; FOC)를 사용하려면 고속 아날로그-디지털 컨버터(ADC)들이 필요하고, 수리적으로 집중적인 연산 처리가 필요한데, 예를 들면 높은 처리 전력이 필요하고, 그리고 모터를 시동하기 위해서는 비(non)-FOC 방법이 사용되어야 한다(BEMF 측정들에는 모터 회전자가 선회하는 것이 필요하다).

따라서, 어댑티브 제로-크로싱 검출을 사용하여 훨씬 단순화된 BLDC 모터 제어에 대한 필요성이 존재한다.

일 실시예에 따르면, 브러시리스 직류(BLDC) 모터에 대한 제로 크로싱 검출을 위한 방법은: 펄스 폭 변조(PWM) 드라이브 전압 펄스들에 의해 3상 BLDC 모터의 두 개의 상들을 구동하는 단계 - 각각의 PWM 드라이브 전압 펄스는 주기 및 듀티 사이클과, 전원으로부터의 전압을 가짐 -; 상기 3상 BLDC 모터의 역기전력(BEMF) 전압들을 비교하기 위해, 상기 3상 BLDC 모터의 비구동된 제 3 상을 전압 비교기에 결합시키는 단계; 상기 전압 비교기에 의해 상기 BEMF 전압들을 기준 전압과 비교하는 단계; 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 작은 하강 BEMF 주기 동안에 하강 시간 간격을 측정하는 단계; 상기 하강 시간 간격을 저장하는 단계; 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 큰 상승 BEMF 주기 동안에 상승 시간 간격을 측정하는 단계; 상기 상승 시간 간격을 저장하는 단계; 및 상기 저장된 하강 및 상승 시간 간격들을 비교하는 단계 - 상기 저장된 하강 및 상승 시간 간격들이 실질적으로 동일하면 상기 기준 전압을 변경하지 않고, 상기 저장된 하강 및 상승 시간 간격들이 실질적으로 동일하지 않으면 상기 기준 전압을 변경함 - 를 포함할 수 있다.

상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 기준 전압을 변경하는 단계는 상기 하강 및 상승 시간 간격들이 각각 하강 및 상승 BEMF 시퀀스 주기들의 중간-포인트들을 나타낼 때까지 상기 기준 전압을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 BEMF 전압들은 아날로그 전압 비교기에 의해 상기 기준 전압과 비교될 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 기준 전압은 디지털-아날로그 컨버터(DAC)의 출력으로부터 제공될 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 기준 전압은 상기 상승 시간 간격이 상기 하강 시간 간격보다 길 때 증가될 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 기준 전압은 상기 상승 시간 간격이 상기 하강 시간 간격보다 짧을 때 감소될 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 하강 및 상승 시간 간격들을 저장하는 단계들은 상기 하강 및 상승 시간 간격들을 마이크로컨트롤러의 디지털 프로세서와 관련된 메모리에 저장하는 단계들을 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 저장된 하강 및 상승 시간 간격들을 비교하는 단계는 마이크로컨트롤러의 디지털 프로세서에 의해 상기 저장된 하강 및 상승 시간 간격들을 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 하강 및 상승 시간 간격들을 측정하는 단계들은 타이머-카운터에 의해 상기 하강 및 상승 시간 간격들을 측정하는 단계들을 포함할 수 있다.

상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 BLDC 모터를 시동하기 전에, 상기 3상 BLDC 모터의 상(phase)에 결합될 하이(high) 모터 전력 공급 전압을 측정하는 단계; 상기 3상 BLDC 모터의 또 하나의 상에 결합될 로우(low) 모터 전력 공급 전압을 측정하는 단계; 및 상기 하이 및 로우 모터 전력 공급 전압들을 평균화하여 이로부터 초기 기준 전압을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 하이 및 로우 모터 전력 공급 전압들을 측정하는 단계들은 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에 의해 상기 하이 및 로우 모터 전력 공급 전압들을 측정하고, 상기 측정된 하이 및 로우 모터 전력 공급 전압들을 이들의 디지털 표현들로 변환하고, 그리고 이 디지털 표현들을 마이크로컨트롤러의 디지털 프로세서에 결합시키는 단계들을 포함할 수 있다.

또 하나의 실시예에 따르면, 브러시리스 직류(BLDC) 어댑티브 제로 크로싱 검출을 위한 장치는: 아날로그-디지털 컨버터(ADC); 상기 ADC의 출력부에 결합된 제 1 입력부, 및 BLDC 모터의 플로팅 상(floating phase)에 결합되어 이로부터 역기전력(BEMF) 전압들을 측정하도록 구성된 제 2 출력부를 갖는 전압 비교기; 상기 전압 비교기의 출력부에 결합된 제 1 입력부 및 펄스 폭 변조(PWM) 주기 신호에 결합된 제 2 입력부를 갖는 AND 게이트; 상기 PWM 주기 신호에 결합된 입력부를 갖는 인버터; 상기 AND 게이트의 출력부에 결합된 세트 입력부와 상기 인버터의 출력부에 결합된 리셋 입력부를 갖는 세트-리셋(set-reset; RS) 래치; 및 상기 SR-래치의 Q-출력부에 결합된 D-입력부와 상기 인버터의 출력부에 결합된 클록 입력부를 갖는 D-래치를 포함할 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 배타적 OR(XOR) 게이트가 상기 SR-래치와 상기 D-래치 사이에 결합될 수 있고, 여기서 상기 SR-래치의 상기 Q-출력부는 상기 XOR 게이트의 제 1 입력부에 결합될 수 있고, 상기 D-래치의 상기 D-입력부는 상기 XOR 게이트의 출력부에 결합될 수 있고, 그리고 상기 XOR 게이트의 제 2 입력부에는 BEMF 주기 선택 신호가 결합될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 BEMF 주기 선택 신호가 하이 로직 레벨에 있을 때 상기 D-래치의 상기 D-입력부는 상기 SR-래치의 Q-출력부로부터 반전될 수 있고, 상기 BEMF 주기 선택 신호가 로우 로직 레벨에 있을 때 상기 D-래치의 상기 D-입력부는 상기 SR-래치의 상기 Q-출력부와 동일한 로직 레벨에 있을 수 있다.

다른 또 하나의 실시예에 따르면, 펄스 폭 변조(PWM) 드라이브를 BLDC 모터에 제공하기 위해 브러시리스 직류(BLDC) 어댑티브 제로 크로싱 검출을 이용하는 모터 컨트롤러는: 각각의 BLDC 모터 단자에 결합된 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들 - 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들은 추가로 각각 하이 모터 공급 전압과 로우 모터 전력 공급 전압에 결합되고 그리고 상기 PWM 드라이브에 의해 제어될 수 있으며, 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들의 각각은 상기 BLDC 모터 단자들의 각각의 단자를 상기 하이 모터 공급 전압과 상기 로우 모터 전력 공급 전압 중 어느 하나에 연결하거나, 또는 어느 것에도 연결하지 않고 플로팅 상태로 유지됨 -; PWM 마스터 타임 베이스; 상기 PWM 마스터 타임 베이스와 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들의 각각의 스위치들에 결합된 PWM 발생기들; 상기 BLDC 모터의 플로팅 상 단자에 결합되어 이로부터 역기전력(BEMF) 전압들을 수신하도록 구성된 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로 - 상기 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로는: 상기 BEMF 전압들을 기준 전압과 비교하고, 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 큰 상승 BEMF 주기 동안에 상승 시간 간격을 측정하고, 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 작은 하강 BEMF 주기 동안에 하강 시간 간격을 측정하고, 그리고 상기 상승 및 하강 시간 간격들이 실질적으로 동일할 때까지 상기 기준 전압을 조정함 -; 및 상기 기준 전압에 근거하여 PWM 드라이브 신호를 발생시키기 위한 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 상기 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로는, 3-입력 아날로그 멀티플렉서 - 각각의 입력부는 상기 3상 BLDC 모터의 각각의 상에 결합될 수 있고, 상기 BLDC 모터의 플로팅 상은 그것으로부터 역기전력(BEMF) 전압들을 측정하기 위해 선택될 수 있음 -; 디지털-아날로그 컨버터(DAC); 상기 멀티플렉서의 출력부에 결합된 제 1 입력부와 상기 DAC의 출력부에 결합된 제 2 입력부를 갖는 전압 비교기; 상기 전압 비교기의 출력부에 결합된 제 1 입력부와 펄스 폭 변조(PWM) 주기 신호에 결합된 제 2 입력부를 갖는 AND 게이트; 상기 PWM 주기 신호에 결합된 입력부를 갖는 인버터; 상기 AND 게이트의 출력부에 결합된 세트 입력부와 상기 인버터의 출력부에 결합된 리셋 입력부를 갖는 세트-리셋(RS) 래치; 상기 SR-래치의 Q-출력부에 결합된 D-입력부와 상기 인버터의 상기 출력부에 결합된 클록 입력부를 갖는 D-래치; 상기 D-래치의 Q-출력부에 결합된 입력부를 가지며 상기 상승 및 하강 시간 간격들을 측정하도록 구성되는 BEMF 타이머; 및 디지털 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있고, 여기서 상기 디지털 프로세서는 상기 DAC의 디지털 입력부들, 상기 BEMF 타이머의 시간 간격 출력부, 및 상기 멀티플렉서의 제어 입력부에 결합될 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 배타적 OR(XOR) 게이트가 상기 SR-래치와 상기 D-래치 사이에 결합될 수 있고, 여기서 상기 SR-래치의 상기 Q-출력부는 상기 XOR 게이트의 제 1 입력부에 결합될 수 있고, 상기 D-래치의 상기 D-입력부는 상기 XOR 게이트의 출력부에 결합될 수 있고, 그리고 상기 디지털 프로세서로부터의 BEMF 주기 선택 신호는 상기 XOR 게이트의 제 2 입력부에 결합될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 아날로그-디지털 컨버터(ADC)는 상기 멀티플렉서의 출력부에 결합된 입력부와 상기 디지털 프로세서에 결합된 디지털 출력부들을 가질 수 있다.

다른 또 하나의 실시예에 따르면, 어댑티브 제로 크로싱 검출을 이용하여 브러시리스 직류(BLDC) 모터를 구동하기 위한 시스템은: 제 1, 제 2 및 제 3 모터 상 단자들을 갖는 3상 BLDC 모터; 상기 모터 상 단자들의 각각에 결합된 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들 - 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들은 추가로 각각 하이 파워 공급 전압과 로우 파워 공급 전압 사이에 결합되고 그리고 PWM 드라이브에 의해 제어될 수 있으며, 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들의 각각은 상기 BLDC 모터 상 단자들의 각각의 단자를 상기 하이 모터 공급 전압과 상기 로우 모터 공급 전압 중 어느 하나에 연결하거나, 또는 어느 것에도 연결하지 않고 플로팅 상태로 유지됨 -; PWM 마스터 타임 베이스; 상기 PWM 마스터 타임 베이스와 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들의 각각의 스위치들에 결합된 PWM 발생기들; 상기 BLDC 모터의 플로팅 모터 상 단자에 결합되어 이로부터 역기전력(BEMF) 전압들을 수신하도록 구성된 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로 - 상기 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로는: 상기 BEMF 전압들을 기준 전압과 비교하고, 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 큰 상승 BEMF 주기 동안에 상승 시간 간격을 측정하고, 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 작은 하강 BEMF 주기 동안에 하강 시간 간격을 결정하고, 그리고 상기 상승 및 하강 시간 간격들이 실질적으로 동일할 때까지 상기 기준 전압을 조정함 -; 및 상기 기준 전압에 근거하여 PWM 드라이브 신호를 발생시키기 위한 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 상기 PWM 발생기들과 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들의 각각의 스위치들 사이에는 하이 및 로우 드라이버 쌍들이 결합될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들은 하이 및 로우 사이드 파워 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)들을 포함할 수 있다.

본 개시는 첨부 도면들과 결합된 이하의 설명을 참조하면 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, WYE로 연결된 고정자 권선들, 고정자 권선 드라이버 파워 트랜지스터들 및 BLDC 컨트롤러를 포함하는 3상 BLDC 모터의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 개시의 교시들에 따른, BLDC 모터의 6 시퀀스의 360 전기각(electrical degree) 회전에 걸친 3개의 고정자 권선들 각각에서의 전압 파형들의 개략적인 그래프들이다.
도 3은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 상승 BEMF 주기 동안의 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로의 개략적인 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로의 상승 BEMF 주기 동안의 개략적인 타이밍 및 전압 파형 다이어그램들이다.
도 3a는 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 하강 BEMF 주기 동안의 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로의 개략적인 블록도이다.
도 4a는 도 3a에 도시된 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로의 하강 BEMF 주기 동안의 개략적인 타이밍 및 전압 파형 다이어그램들이다.
도 5는 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 기준 전압이 측정된 BEMF 전압들과 비교하기에 실질적으로 최적일 때, 360 전기각의 6 시퀀스 회전에 걸친 BLDC 모터의 3개의 상들에 대한 개략적인 타이밍 및 전압 파형 다이어그램들이다.
도 6은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 기준 전압이 측정된 BEMF 전압들과 비교하기에 너무 높을 때, 360 전기각의 6 시퀀스 회전에 걸친 BLDC 모터의 3개의 상들에 대한 개략적인 타이밍 및 전압 파형 다이어그램들이다.
도 7은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로를 구비한 BLDC 모터 컨트롤러의 개략적인 블록도이다.
도 8은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로의 개략적인 동작 흐름도이다.
본 개시는 다양한 변형들 및 대안의 형태들을 허용하지만, 그의 특정 예시의 실시예들이 도면들에 도시되었고 본 명세서에서 상세히 설명된다. 하지만, 그 특정 예시의 실시예들에 대한 설명은 본 개시를 여기에서 개시된 특정 형태들로 한정하고자 하는 것이 아님을 이해해야 한다.

다양한 실시예들에 따르면, 디지털-아날로그 컨버터(DAC)는 BEMF 기준 전압을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 전압 비교기는 BLDC 모터의 비구동된 모터 상(phase)으로부터 결합된 BEMF 전압들로부터 제로-크로싱 이벤트를 검출하는데 사용될 수 있다. 그러면, 인가된 전압 파형이 모터 생성 파형과 동 위상을 유지하도록 DAC 레벨이 조정된다. 종래의 BLDC 제어 시스템들에는, 모터 공급 전압 또는 모터 단자들 자체로부터 어떤 방식으로 유도되지 않은 BEMF 기준들에 대한 강한 저항이 있다. 여기에 개시된 본 실시예들은 이러한 경향을 벗어나고 주로 하드웨어 솔루션을 제공하지만, 종래의 BLDC 제어 기술들은 소프트웨어 솔루션들에 집중되어왔다.

이제 도면들을 보면, 특정 예시의 실시예들의 세부 사항들이 개략적으로 도시되어 있다. 도면들에서 같은 요소들은 같은 번호들로 나타내어지며, 유사한 요소들은 같은 번호들에 다른 소문자 첨자를 붙여서 나타내어질 것이다.

도 1을 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, WYE로 연결된 고정자 권선들, 고정자 권선 드라이버 파워 트랜지스터들 및 BLDC 컨트롤러를 포함하는 3상 BLDC 모터의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 3상 BLDC 모터(132)는 3개의 세트들의 파워 스위치들(120-130), 예를 들어 파워 금속 산화막 반도체(MOSFET) 트랜지스터들에 의해 구동될 수 있고, 이 3 세트들의 파워 스위치들(120-130)은 교대로 모터 단자들(U, V 또는 W)을 전력 공급 공통부, 전력 공급 전압(Vmotor)에 결합시키거나, 또는 모터 단자가 "플로트(float)"될 수 있도록, 즉 전력 공급 공통부와 전력 공급 전압 중 어느 하나에도 연결되지 않도록 할 수 있다. 이 파워 스위치들(120-130)은 상부/하부 드라이버들(114-118)에 의해 구동될 수 있다. 상부/하부 드라이버들(114-118)은, PWM 마스터 타임 베이스(106)로부터 마스터 클록 신호를 수신할 수 있는 PWM 발생기들(108-112)에 결합될 수 있다. PWM 발생기들(108-112)로부터의 PWM 신호들의 듀티 사이클 제어는 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로(104)를 포함하는 마이크로컨트롤러(102)에 의해 제공될 수 있다. 마이크로컨트롤러(102)는 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 또한 각각의 고정자 권선 단자(U, V 및 W)의 BEMF 전압을 모니터링할 수 있고, 고정자 권선 단자들(U, V 및 W)의 각각에서 모니터링된 BEMF를 기준 전압과 비교할 수 있다.

도 2를 보면, 본 개시의 교시들에 따른, BLDC 모터의 6 시퀀스의 360 전기각(electrical degree) 회전에 걸친 3개의 고정자 권선들 각각에서의 전압 파형들의 개략적인 그래프들이 도시되어 있다. 각각의 상(U, V 및 W)은 Vmotor 전압, 예컨대 U_h; 접지로부터 Vmotor까지의 PWM 전압들, 예컨대 W_d; 또는 플로팅, 예컨대 U_f에 지속적으로 결합된다(동시에는 아님). 각각의 시퀀스 단계 번호에서, 하나의 상(x_h)("유지된 상")의 조합은 일정한 전압으로 유지되고; 또 하나의 상(x_d)("구동된 상")은 Vmotor와 접지 사이를 스위칭하는 PWM 주기 신호에 의해 구동되고; 그리고 제 3 상(x_f)("플로팅 상")은 어떠한 전압 또는 접지에도 연결되지 않는다(예를 들면, 플로팅). 이하에서 더욱 상세히 설명되고 도 3에 도시된 바와 같이, BEMF 전압은 플로팅 상에서 측정되고 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로(104)에서 사용된다. 상기 일정한 전압으로 유지된 상은 Vmotor 전압과 접지 중 어느 하나에 결합될 수 있고, 어느 것에의 결합이든 모든 목적들을 위해 본 명세서에서 고려된다.

도 3을 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 상승 BEMF 주기 동안의 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 일반적으로 도면 부호 104로 나타낸 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)(350), 아날로그 전압 비교기(352), 2-입력 AND 게이트(354), 인버터(356), RS-래치(358), XOR(360) 및 D-래치(362)를 포함할 수 있다. PWM 주기 신호(376)는 AND 게이트(354) 및 인버터(356)의 입력부들에 결합된다. PWM 주기 신호(376)는 구동된 상의 PWM 신호(484)와 동일한 주기를 가지지만, PWM 주기 신호(376)의 듀티 사이클은 BEMF 전압들의 피크들의 검출을 보장할 정도의 긴 고정된 퍼센트로 유지된다.

BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로(104)의 동작은 다음과 같다: DAC(350)는 비교기(352)의 포지티브 입력부에 기준 전압(371)을 제공한다. 플로팅 상으로부터 취해진 BEMF 전압(370)(적절한 전압 스케일링을 가짐)은 비교기(352)의 네거티브 입력부에 인가된다. BEMF 전압(370)이 DAC(350)로부터의 기준 전압(371)보다 크면, 전압 비교기(352)의 출력(372)은 로직 로우("0")이다. BEMF 전압(370)이 DAC(350)로부터의 기준 전압(371)보다 작을 때, 전압 비교기(352)의 출력(372)은 로직 하이("1")이다. 출력(372)과 PWM 주기(376) 둘 다가 하이 로직 레벨에 있을 때, SR-래치(358)의 S-입력부에 결합된 NAND 게이트(354)의 출력은 하이 로직 레벨에 있다. PWM 주기 신호(376)가 로우 로직 레벨에 있을 때, NAND 게이트(354)의 출력은 상기 출력(372)의 로직 레벨에 관계없이 로우 로직 레벨에 있게 될 것이다.

RS-래치(358)는 1 비트 메모리로서 동작하고, 여기서 S-입력부가 하이 로직 레벨에 있고 R-입력부가 로우 로직 레벨에 있을 때, Q-출력(378)은 하이 로직 레벨에 있게 될 것이다. S-입력부가 하이 로직 레벨과 로우 로직 레벨 중 어느 하나에 있고 R-입력부가 하이 로직 레벨에 있을 때, Q-출력(378)은 로우 로직 레벨에 있을 것이다. S-입력 및 R-입력 둘 다가 로우 로직 레벨에 있을 때, Q-출력은 바뀌지 않고 하이 로직 레벨과 로우 로직 레벨 중 어느 하나에 있을 것이다. XOR 게이트(360)의 하나의 입력이 하이 로직 레벨로 유지되면, XOR 게이트(360)의 출력은 자신의 다른 입력으로서 반전(반대 로직 레벨)될 것이다. 따라서, D-래치(362)의 D-입력부에 결합되는 XOR 게이트(360)는 Q-출력부(378)의 로직 레벨을 반전시키는데 사용될 수 있다. D-래치(362)의 클록 입력부가 로우 로직 레벨에서 하이 로직 레벨이 될 때에는, D-래치(362)의 D-입력부에 있는 어떤 로직 레벨이든지 D-래치(362)의 Q-출력부(382)로 전달될 것이다. Q-출력부(382)는, 자신의 D-입력부가 로직 레벨을 변경하고 자신의 클록 입력부가 다시 로우 로직 레벨에서 하이 로직 레벨로 바뀔 때까지 그 로직 레벨을 유지할 것이다. 따라서, Q-출력(382)은 PWM 주기(376)가 하이 로직 레벨에서 로우 로직 레벨이 될 때에만 갱신될 것이다.

다양한 실시예들에 따르면, 모터(132)가 시동되기 전에, 상기 상들 중 하나의 상의 상측 드라이버가 인에이블되고 그 상에서의 전압이 측정된 다음, 상측 드라이버가 디스에이블되고 상기 상들 중 하나의 상의 하측 드라이버가 인에이블되고 그 상에서의 전압이 측정된다. 이 두 측정값들의 평균은 이 둘의 중간 전압을 결정하기 위해 계산된다. 시동시 이 평균 전압은 DAC(350)로부터의 초기 전압이 어떤 값으로 설정되어야 하는지를 결정하는데 사용되며 또한 이 평균 전압은 비교기 기준 전압(371)에 사용된다. 정상 BLDC 모터 동작 중에는 상기 모터 상들 중 두 개의 상들이 구동(구동 및 유지)되고 제 3의 비구동된 모터 상(플로팅)이 비교기(352)(BEMF(370))의 비(non)-기준 입력을 통해 모니터링된다. 비교기(352)의 출력(372)은 각각의 PWM 주기 구동 상(484)의 일부분에 걸쳐 샘플링된다. 샘플 윈도우는, PWM 주기 구동 상(484)과는 동일한 주기이지만 다른 듀티 사이클을 갖는 제 2 PWM 주기 신호(376)에 의해 생성된다. 비교기(352)의 출력(372)은 AND 게이트(354)를 통해 RS-래치(358)의 S-입력부에 결합된다. 비교기(352)의 출력(372)이 이 윈도우 시간 동안 임의의 시간에 하이 로직 레벨이 되면, RS-래치(358)는 PWM 주기 신호(376)의 끝까지 그 이벤트를 포착하여 유지할 것이다. RS-래치(358)의 출력(378)은 RS-래치(358)를 리셋하기 직전에 제 2 PWM 주기 신호(376)의 끝에서 D-래치(362)에 의해 샘플링되고 유지될 수 있다. D-래치(362)의 출력은 제로-크로스 이벤트 검출 신호(382)이다. 하강 BEMF 정류 사이클들에서의 RS-래치(358)의 출력(378) 극성은 상승 BEMF 정류 사이클들의 것과는 반대이며, 따라서 D-래치(362)로부터의 제로-크로싱 이벤트 출력은 항상 로우로부터 하이로의 로직 레벨 천이이다. DAC(350)의 출력 전압(371)은, 도 5 및 도 6과 아래의 이들의 관련 설명들에서 보다 상세하게 나타난 바와 같이, 제로-크로스 이벤트 검출 신호(382)의 하이 주기가 상승 및 하강 BEMF 정류 사이클들 둘 다에 대해 실질적으로 동일하게 유지되도록 다양한 모터(132) 속도들로 조정된다.

이제 도 4를 보면, 도 3에 도시된 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로의 상승 BEMF 주기 동안의 개략적인 타이밍 및 전압 파형 다이어그램들이 도시되어 있다. 전압은 플로팅 상에서 측정되고, 이로부터 BEMF(370) 전압이 얻어진다. 전압 비교기(352)의 출력(372)은 BEMF(370)가 DAC(350) 출력 기준 전압(371)보다 작을 때마다 하이 로직 레벨이 될 것이다. 출력(372)이 하이 로직 레벨로 되고 PWM 주기 신호가 하이 로직 레벨에 있자마자, SR-래치(358)의 Q-출력(378)은 하이 로직 레벨이 되고 그리고 PWM 주기 신호(376)가 다시 로직 로우가 될 때까지 그 로직 레벨에 머무를 것이다. 로우 로직 레벨이 XOR 게이트(360)의 하나의 입력부에 어서트될 때, XOR 게이트(360)의 출력부는 자신의 다른 입력부의 로직 레벨과는 반대의 로직 레벨에 있을 것이다(예를 들면, 입력 = 0, 출력 = 1). 따라서, 출력(378)이 하이 로직 레벨에 있는 경우, D-래치 출력(382)은 PWM 주기 신호(376)가 하이 로직 레벨로부터 로우 로직 레벨로 될 때 로우 로직 레벨이 될 것이다. 그리고 출력(378)이 로우 로직 레벨에 있을 때에는, D-래치 출력(382)은 PWM 주기 신호(376)가 하이 로직 레벨로부터 로우 로직 레벨로 될 때 하이 로직 레벨이 될 것이다.

도 3a를 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 하강 BEMF 주기 동안의 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 도 3a에 도시된 회로는, XOR 게이트(360)의 하나의 입력부가 로우 로직 레벨로 유지될 때 XOR 게이트(360)의 출력은 반전되지 않고 그의 출력은 자신의 다른 입력부와 동일할 것이라는 것을 제외하고는 도 3에 도시된 회로와 실질적으로 동일한 방식으로 작동한다. 따라서, 이 구성의 XOR 게이트(360)는 로직 레벨 반전 없이 Q-출력(378) 로직 레벨을 D-래치(362)의 D-입력부에 결합시킨다.

이제 도 4a를 보면, 도 3a에 도시된 BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로의 하강 BEMF 주기 동안의 개략적인 타이밍 및 전압 파형 다이어그램들이 도시되어 있다. 전압은 플로팅 상에서 측정되고, 이로부터 BEMF(370) 전압이 얻어진다. 전압 비교기(352)의 출력(372)은 BEMF(370)가 DAC(350) 출력 기준 전압(371)보다 작을 때마다 하이 로직 레벨이 될 것이다. 출력(372)이 하이 로직 레벨로 되고 PWM 주기 신호가 하이 로직 레벨에 있자마자, SR-래치(358)의 Q-출력(378)은 하이 로직 레벨이 되고 그리고 PWM 주기 신호(376)가 다시 로직 로우가 될 때까지 그 로직 레벨에 머무를 것이다. 하이 로직 레벨이 XOR 게이트(360)의 하나의 입력부에 어서트될 때, XOR 게이트(360)의 출력부는 자신의 다른 입력부의 로직 레벨과 동일한 로직 레벨에 있을 것이다(예를 들면, 입력 = 1, 출력 = 1). 따라서, 출력(378)이 하이 로직 레벨에 있는 경우, D-래치 출력(382)은 PWM 주기 신호(376)가 하이 로직 레벨로부터 로우 로직 레벨로 될 때 하이 로직 레벨이 될 것이다. 그리고 출력(378)이 로우 로직 레벨에 있을 때에는, D-래치 출력(382)은 PWM 주기 신호(376)가 하이 로직 레벨로부터 로우 로직 레벨로 될 때 로우 로직 레벨이 될 것이다.

상승 BEMF 주기 동안에는, D-래치(362)의 출력(382)은, DAC(350) 기준 전압 출력(371)보다 큰 제 1 BEMF 전압 (펄스) 이후에 로우 로직 레벨로부터 하이 로직 레벨로 될 것이다. 하강 BEMF 주기 동안에는, D-래치(362)의 출력(382)은, DAC(350) 기준 전압 출력(371)보다 작은 제 1 BEMF 전압 (펄스) 이후에 로우 로직 레벨로부터 하이 로직 레벨로 될 것이다. 기준 전압(371)과 비교된 결합 상승 및 하강 BEMF 전압들(370)로부터 유도된 D-래치(362)의 출력(382)으로부터의 듀티 사이클들이 실질적으로 동일한 시간 주기들, 예컨대 50 퍼센트를 갖는다는 것이 바람직하다. DAC(350) 출력 전압(371)은 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 이 50 퍼센트 듀티 사이클이 달성될 때까지 조정될 수 있다.

도 5를 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 기준 전압이 측정된 BEMF 전압들과 비교하기에 실질적으로 최적일 때, 360 전기각의 6 시퀀스 회전에 걸친 BLDC 모터의 3개의 상들에 대한 개략적인 타이밍 및 전압 파형 다이어그램들이 도시되어 있다. 시퀀스 번호 1 동안에는, 상 U가 모터 전압에서 유지되고 상 V는 상승 BEMF에서 플로팅이며 그리고 상 W가 구동된다. 시퀀스 번호 2 동안에는, 상 U가 하강 BEMF에서 플로팅이고 상 V는 모터 전압에서 유지되며 그리고 상 W가 구동된다. 시퀀스 번호 3 동안에는, 상 U가 구동되고 상 V는 모터 전압에서 유지되며 상 W는 상승 BEMF에서 플로팅이다. 시퀀스 번호 4 동안에는, 상 U가 구동되고 상 V는 하강 BEMF에서 플로팅이며 상 W는 모터 전압에서 유지된다. 시퀀스 번호 5 동안에는, 상 U가 상승 BEMF에서 플로팅이고 상 V는 구동되며 상 W는 모터 전압에서 유지된다. 시퀀스 번호 6 동안에는, 상 U가 모터 전압에서 유지되고 상 V는 구동되며 상 W는 하강 BEMF에서 플로팅이다. D-래치(362)(래치 B)의 출력(382)의 듀티 사이클은 본 개시의 교시들에 따라 최적인 실질적으로 50 퍼센트이다.

도 6을 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 기준 전압이 측정된 BEMF 전압들과 비교하기에 너무 높을 때, 360 전기각의 6 시퀀스 회전에 걸친 BLDC 모터의 3개의 상들에 대한 개략적인 타이밍 및 전압 파형 다이어그램들이 도시되어 있다. 각각의 상에 대한 모터 상 연결들 또는 비-연결 조건들은, D-래치(362)(래치 B)의 출력(382)의 듀티 사이클이 실질적으로 50 퍼센트가 아니라는 점 - 이는 DAC(350)의 출력(371)에서의 기준 전압이 본 개시의 교시들에 따른 최적이 아님을 나타냄 - 을 제외하고는 상기 도 5에서 설명한 것들과 동일하다. 이 경우 기준 전압은 너무 높아서 낮춰져야 하기 때문에 조정(변경)되어야 한다.

정류는 상승 BEMF 주기와 하강 BEMF 주기 중 어느 하나에서 모터에 위상 잠금될 수 있다. 유일한 하나를 제외하고는 어느 것을 선택할 수 있는지는 중요하지 않다. 제한이 아닌 설명의 목적으로, 제로 크로싱(ZC) 이벤트가 "ZC 주기"로서 캡처되고 다른 하나는 "정류 시간(CT) 주기"로서 캡처되는 주기가 정의된다. 위상 잠금 공식은 다음과 같다:

[1] ZCE(n) = ZC(n') - CT(n)/2

[2] CT(n+1) = CT(n) + ZCE(n)*k

[3] ZC(n') = ZC(n) + offset - balance

[4] X = CT(n)/2 + offset + balance

여기서, ZCE(n) = (예상된 ZC로부터의) 제로 크로스 에러.

ZC(n) = 정류로부터 제로 크로스 이벤트까지의 간격(래치 B 상승 에지).

CT(n) = 정류 주기 간격.

k = 댐핑 팩터(damping factor), 보통 1/4 또는 1/8.

X = ZC 이벤트로부터 다음 정류까지의 간격.

offset(오프셋) = 위상을 시프트하기 위한 타이머 틱(tick)들의 수. (기준 전압을 이동시킴으로써 위상이 시프트되기 때문에 이 애플리케이션에서는 실제로 알 필요는 없지만, 완전성을 위해 여기에 포함됨).

balance(밸런스) = 상승 및 하강 BEMF 주기들 사이의 시간을 시프트하기 위한 타이머 틱의 수. (매우 고속인 동작에서만 중요하며, ZC 및 CT 주기들을 동일하게 유지하기 위해 드라이브 및 측정 대기 시간들을 보상함).

타이머 틱들 = ZC 및 CT 간격 타이밍의 분해능.

위상 잠금은 다음과 같이 동작한다: ZC 주기의 간격은 정류 이벤트로부터 ZC 이벤트까지 측정되어 ZC(n)으로서 저장된다. 다음의 정류 이벤트는, ZC 주기를 종료하고 다음의 CT 주기를 시작하는 ZC 이벤트 이후 시간 X에서 발생하도록 스케쥴된다. 다음의 정류는, CT 주기를 종료하고 다음의 ZC 주기를 시작하는 시간 CT(n)에서 발생하도록 스케쥴된다. 모든 계산들은 CT 주기 동안 수행된다.

전술한 위상 잠금 절차는 ZC 주기들(시퀀스 번호 2, 4 및 6)에서의 래치 B 듀티 사이클이 50%임을 보장한다. ZC 및 CT(시퀀스 번호 1, 3 및 5) 주기들 둘 다는 지속기간이 동일하다. 따라서, ZC 및 CT 주기들 동안의 래치 B 주기들 중 하이 부분만을 비교할 필요가 있다. 이들이 실질적으로 동일하다면, DAC 전압(371)은 최적 레벨에 있다. CT 주기의 래치 B 출력의 하이 부분이 ZC 주기의 것보다 짧으면, DAC 전압(371)은 낮아질 필요가 있다. 반대로, CT 주기의 래치 B 출력의 하이 부분이 ZC 주기의 것보다 길면, DAC 전압(371)은 상승될 필요가 있다. 4가지 가능한 ZC 감지 및 위상 잠금 조건들이 있음을 고려한다. 아래의 표 A에서: 고정(Fixed)은 유지되거나 또는 변조되지 않은 측을 나타낸다; ZC BEMF는 상승 또는 하강 BEMF 주기에서의 위상 잠금을 나타낸다; LB shorter는 보다 짧은 래치 B 하이 주기에 응답하여 DAC 전압을 증가 또는 감소시킬 지의 여부를 나타낸다; 그리고 LB longer는 보다 긴 래치 B 하이 주기에 응답하여 DAC 전압을 증가 또는 감소시킬 지의 여부를 나타낸다.

도 7을 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로를 구비한 BLDC 모터 컨트롤러의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로를 구비한 BLDC 모터 컨트롤러는, 아날로그 멀티플렉서(MUX)(784), 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(786), 디지털-아날로그 컨버터(DAC)(350), 디지털 프로세서 및 메모리(788), 아날로그 전압 비교기(354), 배타적 OR(XOR) 게이트(360), D-래치(362), 및 BEMF 타이머(792)를 포함하는 마이크로컨트롤러(102)를 사용하여 구현될 수 있다. MUX(784)는 자신의 BEMF가 전압 비교기(352)에 의해 기준 전압(371)과 비교될 수 있도록 플로팅 상태인 모터 상을 선택한다. BEMF 전압은 집적 회로 전자기기에 대해 호환 가능한 전압 레벨에서 MUX(784)에 결합되기 전에 스케일링 다운될(scaled down) 수 있다(분압기). ADC(786)는 모터(132)가 시동되기 전에 하이 및 로우의 모터 전력 공급 전압들을 측정하는데 사용될 수 있다. ADC(786)는 측정된 하이 및 로우 모터 전력 공급 전압들을 이들의 디지털 표현으로 변환하고 그리고 이 디지털 표현들을 디지털 프로세서(788)에 결합시킨다. ADC(786)는, DAC(350)에 의해 생성되고 전압 비교기(352)의 입력부에 결합될 아날로그 기준 전압 값을 초기에 결정하기 위해 하이 및 로우 모터 전력 공급 전압들을 얻는데 사용될 수 있다. ADC(786)는, 모터(132)의 센스 U, V 및 W 단자들에 결합되는 입력부들을 가지며 디지털 프로세서(788)에 의해 독립적으로 제어되는 자체 연관된, 예컨대 적분의 멀티플렉서(미도시됨)를 가질 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다. 그러나, 설명의 단순화를 위해 하나의 멀티플렉서 (784)만이 도시되어 있다.

BEMF 타이머는 D-래치(362)의 출력부(382)에 결합될 수 있으며, 출력(382)이 하이 로직 레벨에 있을 때의 시간 간격들을 결정하는데 사용될 수 있다. BEMF 타이머는 출력(382)이 로우 로직 레벨로부터 하이 로직 레벨로 될 때 (시간 간격을) 카운팅하기 시작하고 출력(382)이 하이 로직 레벨로 유지되는 동안 카운팅을 계속할 수 있으며, 이후 출력(382)이 다시 로우 로직 레벨로 될 때 자신의 시간 간격 카운트를 리셋한다. 그러나 이렇게 하기 전에, BEMF 타이머(792)는 디지털 프로세서(788)에 인터럽트를 전송하고 시간 간격을 전달할 수 있다. 디지털 프로세서(788)는 BEMF 타이머(792)로부터의 시간 간격들(카운트 값들)을 저장하고, 상승 BEMF와 관련된 카운트 시간 간격들을 하강 BEMF와 관련된 카운트 시간 간격들과 비교할 수 있다. 바람직하게는 상승 및 하강 BEMF 카운트 시간 간격들은 실질적으로 동일할 것이다. 그렇지 않은 경우, 디지털 프로세서(788)는, 상기 표 A에 기술된 바와 같이, 상승 및 하강 BEMF 카운트 시간 간격들을 실질적으로 동일하게 하기 위해 DAC(350)에의 디지털 전압 기준 값을 조정할(adjust) 수 있다(이로써 전압 비교기(352)에 결합된 아날로그 기준 전압(371)을 변경함). 이 디지털 전압 기준을 사용하여, 마이크로컨트롤러는 그 다음에 모터(132)의 회전을 제어하기 위한 실질적으로 최적의 PWM 구동 신호들을 결정할 수 있다. 아날로그 및 디지털 전자 설계 기술 분야에서 통상의 지식을 가지고 본 개시의 혜택을 갖는 자라면, 본 명세서에 개시된 발명으로서 청구되는 대상의 주제로서 여전히 포함될 대체적이고 동일하게 효과적인 회로들을 설계할 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다.

도 8을 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, BLDC 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로의 개략적인 동작 흐름도가 도시되어 있다. 단계(804)에서, BLDC 모터를 시동하기 전에, 모터의 상에 결합될 하이 모터 공급 전압과 모터의 또 하나의 상에 결합될 로우 모터 공급 전압이 측정된다. 단계(806)에서, 초기 기준 전압은 하이 및 로우 모터 공급 전압들의 평균으로부터 결정된다. 단계들(804 및 806)은 모터(132)가 시동되기 전에만 수행된다. 그 후, 단계(808)에서, 모터(132)는 6 단계 시퀀스로 구동되고 위상들 중 2개가 펄스 폭 변조(PWM)로 구동됨으로써 모터(132)가 회전하기 시작하고, 여기서 제 3 상은 비구동(플로팅)된다. 단계(810)에서, 비구동된 제 3 상의 BEMF 전압들은 각각의 PWM 구동 주기의 일부 동안에 기준 전압과 비교된다. 단계(812)에서, 하강 BEMF 주기 동안에 BEMF 전압들이 기준 전압보다 얼마나 오랜 시간 동안 작은지의 하강 시간 간격이 측정된다. 단계(814)에서, 상기 측정된 하강 시간 간격은 메모리, 예를 들어 디지털 프로세서 메모리(788)에 저장된다. 단계(816)에서, 상승 BEMF 주기 동안에 BEMF 전압들이 기준 전압보다 얼마나 오랜 시간 동안 큰지의 상승 시간 간격이 측정된다. 단계(818)에서, 상기 측정된 상승 시간 간격은 메모리, 예컨대 디지털 프로세서 메모리(788)에 저장된다. 단계(820)에서, 메모리에 저장된 상승 및 하강 시간 간격들이 비교된다. 단계(822)에서, 하강 시간 간격과 상승 시간 간격이 실질적으로 동일한 지의 여부가 결정된다. 동일하면 단계(808)로 되돌아가고, 그렇지 않으면 단계(824)로 진행한다. 단계(824)에서, 상승 시간 간격이 하강 시간 간격보다 큰지 또는 작은지의 여부가 결정된다. 상승 시간 간격이 하강 시간 간격보다 크면, 단계(826)에서 기준 전압은 증가되고, 그리고 단계(808)로 복귀한다. 상승 시간 간격이 하강 시간 간격보다 작으면, 단계(828)에서 기준 전압이 감소되고, 그리고 단계(808)로 되돌아간다.

Claims

브러시리스 직류(BLDC) 모터에 대한 제로 크로싱 검출을 위한 방법으로서,
펄스 폭 변조(PWM) 드라이브 전압 펄스들에 의해 3상 BLDC 모터의 두 개의 상들을 구동하는 단계 - 각각의 PWM 드라이브 전압 펄스는 주기 및 듀티 사이클과, 전원으로부터의 전압을 가짐 -;
상기 3상 BLDC 모터의 역기전력(BEMF) 전압들을 비교하기 위해, 상기 3상 BLDC 모터의 비구동된 제 3 상을 전압 비교기에 결합시키는 단계;
상기 전압 비교기에 의해 상기 BEMF 전압들을 기준 전압과 비교하는 단계;
상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 작은 하강 BEMF 주기 동안에 하강 시간 간격을 측정하는 단계;
상기 하강 시간 간격을 저장하는 단계;
상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 큰 상승 BEMF 주기 동안에 상승 시간 간격을 측정하는 단계;
상기 상승 시간 간격을 저장하는 단계; 및
상기 저장된 하강 및 상승 시간 간격들을 비교하는 단계 - 상기 저장된 하강 및 상승 시간 간격들이 실질적으로 동일하면 상기 기준 전압을 변경하지 않고, 상기 저장된 하강 및 상승 시간 간격들이 실질적으로 동일하지 않으면 상기 기준 전압을 변경함 - 를 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 기준 전압을 변경하는 단계는 상기 하강 및 상승 시간 간격들이 각각 하강 및 상승 BEMF 시퀀스 주기들의 중간-포인트들을 나타낼 때까지 상기 기준 전압을 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 BEMF 전압들은 아날로그 전압 비교기에 의해 상기 기준 전압과 비교되는, 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기준 전압은 디지털-아날로그 컨버터(DAC)의 출력으로부터 제공되는, 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기준 전압은 상기 상승 시간 간격이 상기 하강 시간 간격보다 길 때 증가되는, 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기준 전압은 상기 상승 시간 간격이 상기 하강 시간 간격보다 짧을 때 감소되는, 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하강 및 상승 시간 간격들을 저장하는 단계들은 상기 하강 및 상승 시간 간격들을 마이크로컨트롤러의 디지털 프로세서와 관련된 메모리에 저장하는 단계들을 포함하는, 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저장된 하강 및 상승 시간 간격들을 비교하는 단계는 마이크로컨트롤러의 디지털 프로세서에 의해 상기 저장된 하강 및 상승 시간 간격들을 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하강 및 상승 시간 간격들을 측정하는 단계들은 타이머-카운터에 의해 상기 하강 및 상승 시간 간격들을 측정하는 단계들을 포함하는, 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 BLDC 모터를 시동하기 전에,
상기 3상 BLDC 모터의 상(phase)에 결합될 하이(high) 모터 전력 공급 전압을 측정하는 단계;
상기 3상 BLDC 모터의 또 하나의 상에 결합될 로우(low) 모터 전력 공급 전압을 측정하는 단계; 및
상기 하이 및 로우 모터 전력 공급 전압들을 평균화하여 이로부터 초기 기준 전압을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 하이 및 로우 모터 전력 공급 전압들을 측정하는 단계들은 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에 의해 상기 하이 및 로우 모터 전력 공급 전압들을 측정하고, 상기 측정된 하이 및 로우 모터 전력 공급 전압들을 이들의 디지털 표현들로 변환하고, 그리고 이 디지털 표현들을 마이크로컨트롤러의 디지털 프로세서에 결합시키는 단계들을 포함하는, 방법.
브러시리스 직류(BLDC) 어댑티브 제로 크로싱 검출을 위한 장치로서,
아날로그-디지털 컨버터(ADC);
상기 ADC의 출력부에 결합된 제 1 입력부, 및 BLDC 모터의 플로팅 상(floating phase)에 결합되어 이로부터 역기전력(BEMF) 전압들을 측정하도록 구성된 제 2 출력부를 갖는 전압 비교기;
상기 전압 비교기의 출력부에 결합된 제 1 입력부 및 펄스 폭 변조(PWM) 주기 신호에 결합된 제 2 입력부를 갖는 AND 게이트;
상기 PWM 주기 신호에 결합된 입력부를 갖는 인버터;
상기 AND 게이트의 출력부에 결합된 세트 입력부와 상기 인버터의 출력부에 결합된 리셋 입력부를 갖는 세트-리셋(set-reset; RS) 래치; 및
상기 SR-래치의 Q-출력부에 결합된 D-입력부와 상기 인버터의 출력부에 결합된 클록 입력부를 갖는 D-래치를 포함하는, 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 SR-래치와 상기 D-래치 사이에 결합된 배타적 OR(XOR) 게이트를 더 포함하고,
상기 SR-래치의 상기 Q-출력부는 상기 XOR 게이트의 제 1 입력부에 결합되고,
상기 D-래치의 상기 D-입력부는 상기 XOR 게이트의 출력부에 결합되고, 그리고
상기 XOR 게이트의 제 2 입력부에는 BEMF 주기 선택 신호가 결합되는, 장치.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 BEMF 주기 선택 신호가 하이 로직 레벨에 있을 때 상기 D-래치의 상기 D-입력부는 상기 SR-래치의 Q-출력부로부터 반전되고, 상기 BEMF 주기 선택 신호가 로우 로직 레벨에 있을 때 상기 D-래치의 상기 D-입력부는 상기 SR-래치의 상기 Q-출력부와 동일한 로직 레벨에 있는, 장치.
펄스 폭 변조(PWM) 드라이브를 BLDC 모터에 제공하기 위해 브러시리스 직류(BLDC) 어댑티브 제로 크로싱 검출을 이용하는 모터 컨트롤러로서,
각각의 BLDC 모터 단자에 결합된 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들 - 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들은 추가로 각각 하이 모터 공급 전압과 로우 모터 전력 공급 전압에 결합되고 그리고 상기 PWM 드라이브에 의해 제어되며, 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들의 각각은 상기 BLDC 모터 단자들의 각각의 단자를 상기 하이 모터 공급 전압과 상기 로우 모터 전력 공급 전압 중 어느 하나에 연결하거나, 또는 어느 것에도 연결하지 않고 플로팅 상태로 유지됨 -;
PWM 마스터 타임 베이스;
상기 PWM 마스터 타임 베이스와 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들의 각각의 스위치들에 결합된 PWM 발생기들;
상기 BLDC 모터의 플로팅 상 단자에 결합되어 이로부터 역기전력(BEMF) 전압들을 수신하도록 구성된 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로 - 상기 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로는: 상기 BEMF 전압들을 기준 전압과 비교하고, 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 큰 상승 BEMF 주기 동안에 상승 시간 간격을 측정하고, 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 작은 하강 BEMF 주기 동안에 하강 시간 간격을 측정하고, 그리고 상기 상승 및 하강 시간 간격들이 실질적으로 동일할 때까지 상기 기준 전압을 조정함 -; 및
상기 기준 전압에 근거하여 PWM 드라이브 신호를 발생시키기 위한 마이크로컨트롤러를 포함하는, 모터 컨트롤러.
제 15 항에 있어서,
상기 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로는,
3-입력 아날로그 멀티플렉서 - 각각의 입력부는 상기 3상 BLDC 모터의 각각의 상에 결합되고, 상기 BLDC 모터의 플로팅 상은 그것으로부터 역기전력(BEMF) 전압들을 측정하기 위해 선택됨 -;
디지털-아날로그 컨버터(DAC);
상기 멀티플렉서의 출력부에 결합된 제 1 입력부와 상기 DAC의 출력부에 결합된 제 2 입력부를 갖는 전압 비교기;
상기 전압 비교기의 출력부에 결합된 제 1 입력부와 펄스 폭 변조(PWM) 주기 신호에 결합된 제 2 입력부를 갖는 AND 게이트;
상기 PWM 주기 신호에 결합된 입력부를 갖는 인버터;
상기 AND 게이트의 출력부에 결합된 세트 입력부와 상기 인버터의 출력부에 결합된 리셋 입력부를 갖는 세트-리셋(RS) 래치;
상기 SR-래치의 Q-출력부에 결합된 D-입력부와 상기 인버터의 상기 출력부에 결합된 클록 입력부를 갖는 D-래치;
상기 D-래치의 Q-출력부에 결합된 입력부를 가지며 상기 상승 및 하강 시간 간격들을 측정하도록 구성되는 BEMF 타이머; 및
디지털 프로세서 및 메모리를 포함하고,
상기 디지털 프로세서는 상기 DAC의 디지털 입력부들, 상기 BEMF 타이머의 시간 간격 출력부, 및 상기 멀티플렉서의 제어 입력부에 결합되는, 모터 컨트롤러.
제 16 항에 있어서,
상기 SR-래치와 상기 D-래치 사이에 결합된 배타적 OR(XOR) 게이트를 더 포함하고,
상기 SR-래치의 상기 Q-출력부는 상기 XOR 게이트의 제 1 입력부에 결합되고,
상기 D-래치의 상기 D-입력부는 상기 XOR 게이트의 출력부에 결합되고, 그리고
상기 디지털 프로세서로부터의 BEMF 주기 선택 신호는 상기 XOR 게이트의 제 2 입력부에 결합되는, 모터 컨트롤러.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
상기 멀티플렉서의 출력부에 결합된 입력부와 상기 디지털 프로세서에 결합된 디지털 출력부들을 갖는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 더 포함하는, 모터 컨트롤러.
어댑티브 제로 크로싱 검출을 이용하여 브러시리스 직류(BLDC) 모터를 구동하기 위한 시스템으로서,
제 1, 제 2 및 제 3 모터 상 단자들을 갖는 3상 BLDC 모터;
상기 모터 상 단자들의 각각에 결합된 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들 - 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들은 추가로 각각 하이 파워 공급 전압과 로우 파워 공급 전압 사이에 결합되고 그리고 PWM 드라이브에 의해 제어되며, 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들의 각각은 상기 BLDC 모터 상 단자들의 각각의 단자를 상기 하이 모터 공급 전압과 상기 로우 모터 공급 전압 중 어느 하나에 연결하거나, 또는 어느 것에도 연결하지 않고 플로팅 상태로 유지됨 -;
PWM 마스터 타임 베이스;
상기 PWM 마스터 타임 베이스와 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들의 각각의 스위치들에 결합된 PWM 발생기들;
상기 BLDC 모터의 플로팅 모터 상 단자에 결합되어 이로부터 역기전력(BEMF) 전압들을 수신하도록 구성된 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로 - 상기 어댑티브 제로 크로싱 검출 회로는: 상기 BEMF 전압들을 기준 전압과 비교하고, 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 큰 상승 BEMF 주기 동안에 상승 시간 간격을 측정하고, 상기 BEMF 전압들이 상기 기준 전압보다 작은 하강 BEMF 주기 동안에 하강 시간 간격을 결정하고, 그리고 상기 상승 및 하강 시간 간격들이 실질적으로 동일할 때까지 상기 기준 전압을 조정함 -; 및
상기 기준 전압에 근거하여 PWM 드라이브 신호를 발생시키기 위한 마이크로컨트롤러를 포함하는, 시스템.
제 19 항에 있어서,
상기 PWM 발생기들과 상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들의 각각의 스위치들 사이에 결합된 하이 및 로우 드라이버 쌍들을 더 포함하는 시스템.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 하이 및 로우 사이드 파워 스위치들은 하이 및 로우 사이드 파워 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)들을 포함하는, 시스템.