KR840001387B1 - 무정류자 모우터 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

무정류자 모우터

제1도의 (a), (b)는 바이포울러 2상 전류와 유니포울러 2상 전류 설명도.

제2도의 (a), (b)는 2상계자 권선의 배열 실시와 바이포울러 2상 전류에 의한 회전자계 형성 설명도.

제3도는 회전자의 동기과정 설명도.

제4도의 (a), (b)는 본 발명의 바이포울러식 2상 전류 구동회로와 구동 논리회로의 예시도.

제5도의 (a)는 회전자의 위치검출 코드판과 회전자를 발췌 도시한 스텝배열도로서 회전자의 위치검출 코드판쪽에서 본 정면도.

제5도의 (b)는 본 발명에 따른 폐루우프 운전실시 예시도.

제5도의 (c)는 위치검출 코드판의 외주면에 표시한 코드(마크)의 배열 상태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

a : 계자 b : 회전자계

p : 회전자의 위치검출 코드판 R : 회전자

AX : 축 S₁, S₂: 센서(Sensor)

본 발명은 D.C 무정류자 모우터에 관한 것이다. 종래의 D.C무정류자 모우터(brushlessmotor)나 스텝모우터는 권선 전류를 한 방향만으로 흘리는 유니포울터(unipolar) 구동방식의 스위칭전류(제1도(b)) 이어서 구동회로가 간단하고 경제적이나 계자(field Magnet) 권선의 이용효율이 낮고 회전자계의 맥동이 커서 난조현상이 발생하기 쉽고, 속응성이 저하되는 결점이 있으며 다상(多相) 여자전류를 만들어주어야 하는 등의 결점이 있었다.

또한 계자 권선 전류를 두 방향(-ㆍ+교번전류)으로 흘릴 수 있는 종래의 2상 계자로 구성된 스테팅 모터의 경우 A.C전원을 이용한 2상 스위칭 정류기 회로는 비교적 간단하나 구동 전류의 주파수 조절폭이 좁고, 회전자가 여자권선 방식의 전기자로 되어있을 경우 링과 브러쉬가 필요하고 구동회로의 스위칭 주파수 범위가 낮아 광범위한 변속제어가 용이치 못했다.

또한 실제로 전동기의 계가 권선은 유도성 부하가 되므로 스위칭 회로를 거친 정류 전압에 반응하여 유도성 역고압을 발생한다. 이 유도성 역고압을 이상적으로 흡수해 주지 않는한 게이트 콘트롤 정류기의 정류 작용을 방해하거나 정류타임이 지연되어 여자 전압이 높아지거나 스위칭 주파수가 높아질수록 이런 현상이 약화된다.

이러한 결과로 양, 음 고번전류의 펄스폭이 균일치 못하여 난조현상이 일어나거나 정류기의 파손을 초래하기 쉬운점이 있었다.

본 발명은 회전축에 고정되고 외주면에 방형파로 착자된 2곡 이상의 짝수극의 영구자석을 축 방향과 평행되고 인접된 극을 서로 반대되게 배열한 회전자와 이 회전자를 감싼 형태의 4극 이상의 상권선을 포함한 계자로 전동기를 구성하고 이 전동기의 회전자에는 전기를 공급하기 위한 어떤 장치도 없는 무정류자 모우터를 직류전원으로 구동하기 위한 것이다.

이와같은 본 발명의 전동기는 계자권선에 방형파(SQUARE WAVE) 바이포울러 2상 여자전류를 공급시킬 수 있고 코일에서 유도되는 티액턴스 전압에 충격을 받지 않고 순 방향으로 흡수할 수 있는 PNP. NPN TYPE의 트란지스터식 정류기의 구동회로와 디지탈 구동 논리회로를 포함하여 Clock Pulse에 의한 개루우프 제어방식으로 스텝형의 동기 운전을 할 수 있거나 회전자의 위치를 2진 디지탈 신호로 코드(code)화 하고 이 신호의 검출에 의한 폐루우프(Open Loop) 제어방식으로 비동기 운전을 할 수 있게하여 각각 동기 운전과 비동기 운전을 선택적으로 제어할 수 있는 방법을 포함한 바이포울러 2상 직류 무정류자 전동기를 제공하기 위한 것으로 이를 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도(a)의 2상권선 결선을 제2도(b)와 같은 순서(1)-(8)로 계자(a)에 배열하고 이 권선에 바이포울러 구동방식으로 2상 전류를 흘려줄 경우 제2도(b) b와 같은 8스텝(1-8)의 8곡 회전자계가 발생한다.

일반적으로 2상 계자권선에 의해 만들어질 수 있는 전동기의 극수는 2N의 극을 만들 수 있으므로 2,4,6,8극……등이 가능하지만 본 발명의 바이폴라식 2상전류에 의해 구동되는 계자와 회전자의 극수는 조금 다르다. 즉 계자의 극 Ps=2×2N으로 되고 회전자의 극 Pr=2N으로 되며 계자의 극수는 4,8,12,16극 등이 되고 회전자의 극수는 2,4,6,8극……등으로 된다.

이와같이 바이포울러 2상 전류의 상(PHASE)의 교번에 관계없이 항상 계자권선이 모두 유효한 8곡 도우터에 동기되는 4극 회전자의 회전 과정을 도시하면 제3도와 같다.

제3도에서 볼 수 있는 바와같이 4극의 회전자는 1스텝당 45도씩 8스텝으로 1회전을 하게됨을 알 수 있다.

이상과 같이 제2도(a)와 같은 2상 권선 결선을 제2도(b)와 같은 순서(1)-(8)로 8극 계자(a)에 배열하여 제1도(b)와 같은 바이포울러 2상 전류를 W₁-W₂, W₃-W₄에 틀리면 제2도(b)의 (b)처럼 1-8과 같은 회전자계가 이루어지는데 이와같은 회전자계를 얻기 위한 바이포울러식 2상 구동회로와 구동논리회로를 제4도에 의해 설명하면 다음과 같다.

제4도에 도시된 바와같이 Q₁~Q₄-Q₅~Q₈를 크로스바형태로 스위칭 증폭회로로 구성시키고 Q₉~Q₁은 Q₁~Q₈을 ON-OFF시킬 수 있게 Q₁~Q₂의 베이스를 Q₉의 콜렉터와 에미터에 Q₃, Q₄의 베이스를 Q₁₀의 콜렉터와 에미터에 Q₅~Q₆의 베이스를 Q의 콜렉터와 에미터, Q₇~Q₈의 베이스를 Q₁₂의 콜렉터와 에미터에 각각 직결한다.

Q₁~Q₂, Q₃~Q₄중 어느 한조만 ON이 되거나 OFF가 되게 함에 따라 출력 W₁, W₂의 +, -극성이 바뀌고 마찬가지로 Q₅~Q₆ㆍQ₇~Q₈중 어느 한조만 ON이 되거나 OFF가 되게 함에 따라 출력 W₃-W₄의 +, -극성이 바뀌므로 Q₁~Q₄와 Q₅~Q₈₁ ²이 각각 독립된 바이포울터스위칭 동작을 할 수 있고 적당한 스위칭 타이밍으로 ON-OFF시켜 주면 90, 위상차가 있는 2상 전류를 만들 수 있다.

먼저 Q₉이 ON되면 Q₁~Q₂는 ON이 되고 W₁~W₂는 +, - 상태가 되는데 이때는 반드시 OFF상태이어야 한다. 다시 Q₉이 OFF되고 Q₁₀이 ON되면 Q₃~Q₄가 ON되어 W₁~W₂는 -, + 상태로 극성이 반전된다.

이와같이 Q₉과 Q₁₀의 ON.OFF에 따라 W₁~W₂는 두방향으로 전류를 흘릴 수 있는 바이포울터 구동을 하게되면 W₁~W₄도 Q₁₁과 Q₁₂의 ON-OFF에 따라 W₁~W₂와 마찬가지로 바이포울터 구동을 하게 된다.

바이파울러 2상 전류를 얻기 위해서 표1과 같은 순서로 Q₉~Q₁₂를 ON-OFF시켜주면 W₁~W₄에서는 제1도(b)와 같은 2상 전류를 얻게 되는데 실제로 Q₁~Q₁₂의 베이스 입력에 송출될 i₁~i₄의 전기적 신호를 2진 논리신호로 표시하면 표2와 같다.

Q₉~Q₁₂는 표 2에서 부신호(0)일때 ON이 되고 정신호(1)일때 OFF된다.

표 2와 같이 4단계 스텝에 따라 i₁~i₄에 송출해야 할 출력을 얻기 위한 구동 논리회로로 제4도(b)에 나타냈다.

먼저 입력 펄스를 4분주하는 카운터(IC₁)와 1 of 4디코더(IC₂)로 4단 링카운팅을 하고 카운팅 스텝에 따라 각각 표 2와 같은 출력을 갖도록 NAND 게이트를 1 of 4디코더의 출력에 결선한다.

디코더(IC₂)의 출력단(1)의 논리신호가 0일때 IC₂의 출력(2)(3)(4)의 논리 신호는 모두 1이므로 i₁=0, i₂=1, i₃=1, i₄=0이고 IC₂의 출력(2)의 논리신호가 0일때 IC₂의 출력(1)(3)(4)의 논리신호는 1이므로 i₁=1, i₂=0, i₃=1, i₄=0이고 IC₂의 출력(3)의 논리신호가 0일때 IC₂의 출력(1)(2)(4)의 논리신호는 1이므로 i₁=1, i₂=0, i₃=0, i₄=1이고 IC₂의 출력(4)의 논리신호가 0일때 IC₂의 출력(1)(2)(3)의 논리신호는 1이므로 i₁=0, i₂=1, i₃=0, i₄=1이다.

이와같은 4단계 동안의 i₁~i₄의 출력은 Q₉~Q₁₂의 베이스에 가해져서 표1과 같은 ON-OFF 동작한 하게되고 Q₁~Q₈의 스위칭 동작으로 제1도에(b)와 같은 2상 전류를 얻게 된다.

또한 실제로 W₁~W₄에 각각 2상 계자 권선을 부하(Load)로 걸었을때 높은 리액턴스전압이 발생되지만 Q₁~Q₄, Q₅~Q₈이 각각 브릿지 회로가 되어 전원회로와 폐회로가 되므로 역방향의 높은 리액턴스 전압이 흡수된다.

즉, Q₁~Q₂가 도통되어 W₁~W₂에 양(+) 방향의 여자전압이 발생되었다가 스위칭되는 순간 W₁~W₂의 양단에 높은 리액턴스 역 전압이 발생되지만 순간 Q₃~Q₄가 이 전압에 대해 순방향으로 도통되므로 이 전압은 전원과 함께 폐회로 구성이 되어 없어짐과 동시에 W₁~W₂에 음(-)방향의 여자 전압이 발생된다.

구동논리회로의 4진 카운터(IC₁) 입력펄스와 구동회로출력 W₁~W₄에서 얻어지는 2상 전류와의 관계를 도표 3에 나타내었다.

IC₁은 입력펄스의 주파수에 따라 카운터속도가 변화하므로 W₁~W₄에서 얻어지는 2상전원의 주파수도 변화하게되고 모우터의 회전속도를 조정할 수 있으며 IC₁의 UP/DOWN Control신호에 따라 카운터의 방향이 바뀌므로 모우터의 회전방향을 바꿀 수 있고 입력펄스가 중단되면 회전 토르크 만큼 댐핑을 갖는 정지 상태가 된다.

이와같이 IC₁의 입력에 펄스를 입력시켜 운전시킬 경우 개 루우프(Open loop)의 주파수 제어로 스테핑제어가 이루어진다.

이때 1스텝당의 회전각도와 극수와의 관계(1)는

로 계산된다.

한편 구동논리회로는 IC₂의 입력 D₁, D₂에 도표 4와 같은 4진 카운팅 DATA를 주면 IC₁에 펄스를 카운팅 시켰을때와 마찬가지로 도표 2와 같은 i₁~i₄의 출력을 얻게되고 W₁~W₄에서 2상 전류를 얻을 수 있다.

이러한 D₁, D₂에서 회전자 위치에 따른 4진 카운팅 DATA (도표 4)를 적절히 피드백 시키며 폐루우프(CLOSE LOOP) 운전이 이루어지는데 이 원리를 제5도에 따라 설명하면 다음과 같다.

회전자(R)의 축(AX)과 함께 고정된 회전자의 위치검출코오드판(P)의 외주면에 4진 카운팅 DATA를 회전 자극 배열보다 1 STEP앞서 표지 해놓고 표지를 검출할 수 있는 센서(S₁),(S₂)를 A₁, B₁에 연결하면 항상 회전자보다 1 STEP 앞서 카운팅 DATA 신호가 IC₂에 송출된다.

1 STEP 앞서 DATA 신호가 IC₂의 입력 D₁, D₂에 입력되면 1 STEP 앞선 링카운팅 상태가 되어 결국 1 STEP 앞선 바이포울러 2상 전류가 W₁~W₄을 통해 계자 권선에 송출되므로 1스텝 앞선 회전자계로 회전편차가 생겨 회전 토오크가 발생한다.

즉, 도표 4의 D₁, D₂에 가해지는 STEP의 데이타를 계자에 동기되는 회전자의 위치보다 1 STEP 앞당겨서 D₁, D₂에 입력되도록 회전자의 위치 검출 코드판의 마크(2진 코드신호)를 도표 5와 같이 회전자 위치코드보다 1 STEP 앞서도록 배열하면 센서로 검출된 신호가 동기되고 있는 회전자의 위치보다 항상 1스텝 앞서므로 폐루우프의 비동기 모터가 운전이 된다. 또한 본 발명의 제4도(a)와 (b)의 구동회로와 구동논리회로는 반도체소자와 저항소자로만 구성되어 있어서 직접회로화 하여 단일칩으로 형성시킬 수 있으므로 양산화하기에 용이하다.

이와같이 본 발명은 2×2N극을 갖는 계자와 계자의 ½극수를 갖는 회전자로 구성된 2상 권선 모우터를 바이포울러 2상 전류로 구동시킬 수 있으므로 권선의 여자 효율이 높아 적은 부피로 강한 토오크를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 개루우프식 동기 운전과 폐루우프식 비동기 운전을 동시에 제어할 수 있어서 보제어는 물론 소형동력 제어를 함에 있어서 다양한 제어기능을 부여할 수 있는 D.C무정류차 모터를 제공할 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 제2도(b)와 같이 결선된 2상 다극 권선 전동기에 각각 4개씩의 트랜지스터 Q₁~Q₄, Q₅~Q₈로 구성된 크로스바 스위칭회로를 전원에 병렬로 연결하고 각각 대칭된 두 개의 TR(Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅, Q₆, Q₇, Q₈) 베이스를 TR(Q₉~Q₁₂)로 각각 결합시켜 4개의 입력을 갖게하는 바이포울러식 2상 전류 증폭구동장치를 결합하여서 됨을 특징으로 하는 무정류자 모우터.
2. 바이포울러식 2상 전류 증폭 구동회로의 입력에 제4도의 (b)에 도시된 바와 같이 4진 카운터출력 Q₁~Q₂를 1 of 4 디코터에 연결하고 이의 출력을 두개의 난드게이트에 연결하고 그 각각의 출력을 i₂, i₄로 하고 이 출력을 반전시켜 i₁, i₃로 하는 바이포울러식 2 상전류증폭구동장치의 구동논리회로를 결합시킴을 특징으로 하는 무정류자 모우터.
3. i of 4 디코더의 입력선에는 신호 검출용 센서 S₁, S₂을 연결하고, 회전자의 회전측에 고착된 회전자의 위치검출코드판의 외주면에는 2 진코드신호를 표시하여 센서 S₁, S₂가 회전자의 위치 검출코드판의 신호를 검출해서 i of 4 디코더에 송출할 수 있도록 하여서 됨을 특징으로하는 무정류자 모우터.

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