KR840002368B1 - 브러쉬레스 dc 모터용 구동회로 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

브러쉬레스 DC 모터용 구동회로

제1a도 및 제1b도는 브러쉬레스 DC 모터의 회전자 코일에 의해 발생된 종래의 전자음 경감 발법의 일예를 도시한 파형도.

제2도는 브러쉬레스 모터의 토오크특성을 도시한 그래프.

제3도는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 파형도.

제4도는 본 발명의 제1실시예에 따른 브러쉬레스 DC 모터의 구동회로를 도시한 회로도.

제5도는 본 발명의 제2실시예를 도시한 회로도.

본 발명은 모터의 고정자 코일내에서 발생되는 바람직하지 않은 가청음을 감소시키기 위한 브러쉬레스 DC모터에 관한 것이다.

스위칭 발식에 의한 브러쉬레스 DC 모터에 있어서, 트랜지스터는 모터의 고정자상에 장착된 회전자 코일에 종래 방식대로 결합되어 있다. 구형파 구동신호는 상기 트랜지스터에 인가되어 그들을 스위치시키며 이에 따라 회전자 코일에 전류가 공급된다. 구동신호가 구형파이기 때문에, 상기 신호에는 많은 비율의 고주파 성분이 포함된다. 이들 고주파 성분이 회전자코일에 인가되면, 회전자코일은 스피커의 음성코일로서 작용하여, 가청험(hum)으로서 바람직하지 않은 전자잡음이 발생된다. 이 전자잡음은 브러쉬레스 DC 모터에 대한 부하가 클때, 특히 문제가 된다. 그와같은 상태에서, 회전자코일을 통해 흐르는 전류는 크게 되며, 회전자 코일로부터의 전자음은 크게 되며 산란해진다.

이와같은 전자음을 경감시키기 위한 종래의 한 기술은 구동신호로서 거의 정현파를 인가시키는 것이었다. 그와같은 경현파가 인가될때, 전류는 정현파의 정극상 상태와 부극성의 상태에서 회전자 코일에 공급된다. 따라서 각 회전자코일에 대하여 두개의 구동트랜지스터가 요구되며, 정현파 구동신호를 발생시키기 위해 정. 부 전원장치가 요구된다. 결과적으로, 이 방법은 필요한 회로소자의 수가 많아짐과 동시에 모터효율이 낮아지게 된다는 결점이 있다.

다른 기술에 의하면, 구동신호는 캐패시터 및 저항으로 이루어진 시정수 회로를 포함하는 필터회로인 RC회로내에서 평탄하게 된다. 이와같은 방법에 있어서, 구형파가 RC 필터 회로내에서 평탄하게 되므로 구동신호도 평탄하게 된다. 구동신호의 상승시간은 시간 t₁만큼 지연되며, 하강시간은 t₂만큼 지연되어, 이 지연은 모터효율을 감소시킨다. 특히, 모터의 회전속도가 높을때, 즉, 구형파의 폭이 좁을때, 지연시간t₁및 t₂대구형파의 폭에 대한 비율은 크게 된다. 필터회로의 RC 시정수를 낮게 하므로써 지연시간을 감소시킬 수 있으나 회전자 코일로부터의 전자음은 RC 시정수가 감소함에 따라 더욱 크게 되어 높은 속도에서의 필터회로의 시정수는 비효율적이나마 충분히 크게 선택되어야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술된 종래의 구동회로의 단점을 극복하기 위한 브러쉬레스 DC 모터용 구동회로를 제공하는 것이며, 모터의 효율을 희생시키지 않고서도 모터에 의해 발생된 전자잡음을 감소시키는 구동회로를 제공하는 것이다.

이에 의한 본 발명의 특징은 다음과 같다.

브러쉬레스 DC 모터용 구동회로는 구형파 스위칭신호가 인가되며, 이 입력 스위칭 신호에 응답하여 모터의 회전자 코일에 고정자 구동전류를 제공하는 구동트랜지스터를 포함하는 입력회로와, 전자잡음을 최소화하기 위해 구동전류의 전연(leading)부와 후연(trailing)부를 기울기를 갖는 약간의 정현파로 만드는 평활회로와, 모터의 부하조건에 따라 구동전류의 전연 및 후연에 대한 지연시간을 제어하기 위한 제어회로를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라, 제어회로는 구동트랜지스터의 콜렉터 전압을 감지하고 그에 응답하여 평활회로내의 스위칭 신호의 레벨을 제어한다. 따라서 구동트랜지스터에 인가된 베이스 전류는 구동 트랜지스터의 포화상태 레벨에 대응하는 레벨로 유지된다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명할 것이다.

제1a도 및 제1b도의 점선으로 도시된 바와같은, 구형파 신호의 상승시간 및 하강시간을 지연시키므로써 실선으로 도시된 신호를 형성시키는 방법이 공지되어 있다. 이와같이 평활된 구동신호는 DC 브러쉬레스모터의 고정자 코일에 구동신호로서 인가된다.

특히, 모터의 고정자 코일에서 발생된 원치 않는 전자음을 피하기 위해 제1a도에서의 구형파가 RC 필터회로내에서 평활되어 고주파 성분이 제거되며 따라서, 거의 정현파구동전류가 된다. 구동신호의 스위칭 시간은 상승연부에서 시간 t₁만큼 지연되며, 하강연부에서는 시간 t₂만큼 지연된다. 결과적인 구동신호(제1a도)가 전자잡음을 감소시키는 반면, 지연시간 t₁및 t₂는 모터효율을 감소시키게 된다. 그러므로, 모터의 회전속도가 높을때, 구형파의 폭이 좁을때(제1b도), 지연시간 t₁및 t₂대 구형파의 폭의 비는 오히려 더 크게된다. 이는 고속에서의 모터동작이 비효율적으로 되도록 하며, 구동회로의 과열 및 손상뿐만이 아니라 에너지의 손실을 유발하게 된다.

대신, 지연시간 t₁및 t₂를 고속 및 저부하 조건하에서 효율적인 동작을 허용할 수 있도록 충분히 낮게 선택한다면, 낮은 시정수 t₁및 t₂는 고부하 및 저속조건에서 발생되는 전자잡음을 방지할 수 없게 된다.

복 발명은 저하부 또는 고속조건하에서 모터의 효율을 희생시키지 않고 전자잡음을 억압시킨다.

본 발명에 대한 원리는 제2도 및 제3도를 참고로 간단히 설명할 것이다. 본 발명에 있어서, 구형파는 RC 타이밍회로에 의해 평활해진다. 여기에서 상승시간 t₁및 하강시간 t₂는 회전자 또는 고정자 코일을 통해 흐르는 회전자 코일의 레벨에 따라 제어된다. 즉, 회전자 코일로의 구동전류는 모터에의 부하에 따라 제어되는 상승시간 및 하강시간의 전연과 후연에 기울기를 갖는다.

여기에서, "상승시간" 및 "하강시간"은 구동전류가 최소값에서 최대값으로 상승하고, 다시 최소값으로 하강할때 구동전류에 요구되는 실제적인 시간으로 간주한다. 이들 상승 및 하강시간은 스위칭방식에 의해 변하게 되며, 상승시간 및 하강시간의 변동은 RC 시정수에 어떠한 변화도 요구되지 않으며, 모터의 고유주파수 응답에 영향을 미치지 않는다.

일반적으로, 회전토오크 T, 회전속도 N, 회전자 전류 I 사이의 관계는 제2도에 도시되어 있다. 전류 I는 모터상의 부하에 따라 증가되며, 회전속도는 부하의 증가에 따라 강하된다. 따라서, 회전속도 N은 전류 I의 증가에 따라 감소한다. 브러쉬레스 DC 모터에 있어서, 전류 I는 속도N에 반비례하고 구동주파수(스위칭 변경주파수) f에 반비례한다. 여기에서 구동전압은 일정하게 유지된다. 고정자 코일에 의해 발생된 전자음의 레벨은 전류I에 대비하여, 속도N에 반비례하며, 전류I의 변경주파수 f에 반비례한다.

본 발명은 고정자 코일의 구동전류는 가변 지연시간을 갖는 전연과 후연을 갖는다는 장점을 가지고 있다.

제3도에 도시된 것처럼, 구형파 P₁의 상승연부는 시정수 τ₁에 따라 적분함과 동시에, 하강연부는 시정수σ₂에 따라 적분하여 구동파형 D₁을 얻을 수 있다.

구형파 P₁의 폭은 모터부하의 감소에 따라, 회전속도 N 또는 f의 증가에 따라 좁아진다. 구형파 P₁의 레벨은 상기 이유에 의해 P₂, P₃…으로 도시된 바와같이 낮아진다. 구형파 P₁, P₂, P₃…은 동일간 시정수 τ₁, τ₂로 상승연부 및 하강연부에서 적분되어, 각각 구동파 D₁, D₂, D₃을 얻게 된다. 구동파 D₁, D₂, D₃…의 상승시간 및 하강시간은 상승시간 t₁₁>t₁₂>t₁₃…및 하강시간 t₂₁>t₂₂>t₂₃…에 따른 구형파 P₁, P₂, P₃의 폭의 감소에 따라 짧아진다.

따라서, 모터의 가동시 또는, 모터의 부하가 클때, 회전속도 N은 낮아지고 전기자 전류 I는 전자음이 발생될 수 있을 정도로 충분히 크게 된다. 그러나, 전류I의 상승시간 및 하강시간은 t₁₁및 t₂₁으로 도시된 바와같이 비교적 길게 된다. 전자음의 가청레벨은 낮게 된다. 즉, 구동파 D₁의 스위칭시간은 구형파 P₁에 비해 길게되나, 지연시간대 구형파의 폭의 비율은 지연시간에 따라 감소하지 않는다.

모터의 부하가 작을 때, 또는 회전속도 N이 클때, 전류 I는 작아지고, 전자음의 레벨이 낮아진다. 이와같은 상황에서, 상승시간 및 하강시간은 시간 t₁₃및 t₂₃에 의해 도시된 바와같이 짧아지게 된다. 따라서, 모터효율이 증가된다.

그러므로, 시정수 τ₁및 τ₂는 전자음을 최소화할 수 있을만큼 충분히 크게 선택될 수 있다. 그러나, 모터는 모터의 부하에 무관하게 계속 효율적으로 구동될 수 있다.

상술된 원리를 기초로 한 구동회로의 실시예에 대하여 도면을 참조로 하여 설명할 것이다.

제4도는 본 발명에 의한 제1실시예를 도시한 것으로, 입력단자(1)는 구형파 입력신호 P를 수신한다. 이 입력신호 P는 입력 트랜지스터 Q₁의 베이스에 인가되는데, 상기 트랜지스터 Q₁의 에미터는 접지되어있고, 콜렉터는 콜렉터 저항 R₁을 통해 제1전압원에 결합되어 있다. 제2트랜지스터 Q₂의 콜렉터 및 에미터는 입력 트랜지스터 Q₁의 콜렉터 및 에미터에 병렬로 결합되어 있다. 저항 R₂는 트랜지스터 Q₁및 Q₂의 콜렉터 접합점으로부터 출력 트랜지스터 Q₃의 베이스에 결합되어 있다. 다이오드 D₁은 저항 R₂에 병렬로 결합되어 있다. 타이밍 캐패시터 C₁은 트랜지스터 Q₃의 베이스와 접지 사이에 접속되어 있다.

출력 트랜지스터 Q₃은 에미터폴로워로 배열되어 있다. 상기 트랜지스터 Q₃의 에미터는 구동전류 I_B를 에미터 저항 R₆을 통해 구동 트랜지스터 Q₄로 인가한다. 모터의 고정자 코일중의 하나인 콜렉터부하(2)는 구동 트랜지스터 Q₄의 콜렉터 및 제2전압원+B₂사이에 접속된다.

제4도의 회로는 구동 트랜지스터 Q₄의 구동전류 I를 제어하기 위한 제어귀환루프를 포함한다. 이와같은 제어회로에 있어서, 구동 트랜지스터 Q₄의 콜렉터는 저항 R₅를 통해 트랜지스터 Q₅의 베이스에 결합되는데 상기 트랜지스터 Q₅의 콜렉터는 콜렉터저항 R₇을 통해 전압원+B₁에 결합되며, 트랜지스터 Q₂의 베이스에 결합된다. 트랜지스터 Q₅는 구동 트랜지스터 Q₄의 콜렉터-에미터 전압을 측정하기 위한 측정 트랜지스터로서 동작하며, 트랜지스터 Q₂의 콜렉터에서 전압을 조정한다.

동작시에, 신호 P로부터의 구형파형의 전연은 캐패시터 C₁및 저항 R₁으로 형성된 하나의 시정수 회로에서 적분되어 구형파 P의 전연은 시정수τ₁=R₁C₁에 따라 상승한다. 결과적으로, 구형파신호 P₁의 후연은 캐패시터 C₁및 저항 R₂로 형성된 다른 시정수 회로에서 적분되어 다른 시정수 τ₂=R₂C₁에 따라 감소한다. 그러므로, 적분된 신호는 구동신호 D로서 트랜지스터 Q₄에 인가되며, 구동전류 I는 구동신호 D의 파형에 대응하는 원하는 파형을 제공한다.

귀환회로 R₅, Q₅, R₇은 트랜지스터 Q₄의 베이스 전류 I_B를 제어하도록 작용하여, 콜렉터-에미터 전압 V_CE는 트랜지스터 Q₅가 포화영역에 있을때 실제적으로 베이스-에미터 전압 V_BE와 같다. 이와같은 제어가 효과적이기 위해, 콜렉터 에미터 전압 V_CE가 검파되어 트랜지스터 Q₅의 베이스에 공급된다. 전류 I가 증가될때, 전압 V_CE또한 증가되며, 트랜지스터 Q₅의 베이스 전류는 증가된다. 따라서, 트랜지스터 Q₂는 구동신호 D의 레벨을 상승시키기 위해 증가하는 콜렉터 전압 V을 제공하며, 따라서, 트랜지스터 Q₄에 인가된 베이스 전류 I_B가 증가된다.

제4도의 회로에 있어서, 구동신호 D의 상승시간및 하강시간은 전류 I가 클때는 언제든지 코일(2)내의 전자음의 존재를 감소시키기 위해 넓어진다. 따라서, 전류 I가 감소되면, 제4도의 회로는 구동신호 D의 레벨이 낮아지도록 하고, 상승 및 하강신호를 짧게 되도록 하므로써 모터의 효율이 감소되는 것을 방지해준다.

그러므로, 상술된 본 발명의 일실시예에 있어서, 트랜지스터 Q₂의 콜렉터 전압 V는 구동전류 I에 비례하여 상승되고, 하강되어 고정자코일(2)에 인가된 구동전류 I는 제3도에 도시된 원하는 파형으로 된다.

이와같은 실시예에 있어서, 다이오드 D₁은 캐패시터 C₁으로부터의 방전 전류를 차단시키는 작용을 한다. 저항 R₂는 캐패시터 C₁과 평행하게 접속되어 있다.

제5도는 본 발명에 의한 제2실시예를 도시한다. 여기에서, 제4도와 공통된 소자는 동일한 번호를 사용한다.

제5도의 실시예에 있어서, 트랜지스터 Q₂가 삭제되었고, 저항 R₂및 다이오드 D₁은 트랜지스터 Q₁의 콜렉터에서 트랜지스터 Q₃의 베이스로 연장된다. 여기에서, 제어회로는 다이오드 D₅로 이루어져 있는데, 상기 다이오드 D₅는 콜렉터 에미터 전압 V_BE를 측정하도록 트랜지스터 Q₄의 콜렉터에 결합된 캐소드 및 트랜지스터 Q₆의 에미터에 저항 R₄를 통해 결합된 애노드를 갖는다. 상기 트랜지스터 Q₆은 트랜지스터 Q₁의 콜렉터에 결합된 콜렉터와, 기준전압 V_A로 바이어스된 베이스를 갖는 공통 베이스 구성을 한다. 바이어스 배열은 제3전압원+B₃과 접지 사이에 직렬로 결합된 다이오드 D₂, D₃, D₄로 이루어져 있으며, 다이오드 D₂를 연결시켜주는 한쌍의 동일한 값의 저항 R₃, R₃의 접합점에서 전압 V_A를 제공한다.

다이오드 D₂, D₃, D₄, D₅의 애노드-캐소드 전압은 트랜지스터 Q₆의 베이스-에미터 전압 V_BE와 거의 동일하게 선택된다. 따라서, 트랜지스터 Q₆의 베이스에 인가된 기준전압 V_A는 V_A=2.5V_BE값을 갖는다.

여기에서, 기준전압 V_A는 다음 관계식으로 표현될 수 있다.

V_A= V_BE+I₁R₄+ V_BE+V_CE

여기에서, I₁은 트랜지스터 Q₆을 통해 흐르는 전류이며, V_BE는 트랜지스터 Q₆의 베이스-에미터 전압임과 동시에 다이오드 D₆의 애노드-캐소드 전압 강하를 나타내며, V_CE는 트랜지스터 Q₄의 콜렉터-에미터 전압을 나타낸다. 저항 R₄의 저항치를 작게 하면, I₁R₄를 무시할 수 있으며, 다음과같은 관계식이 얻어진다.

V_A

2V_BE+ V_CE

따라서, 콜렉터-에미터 전압 V_CE는 거의 0.5V_BE이거나 베이스-에미터 전압의

을 유지할 것이다.

그러므로, 트랜지스터 Q₄의 콜렉터-에미터 전압 V_CE는 그의 포화상태 레벨로 유지될 것이다. 그와같은 조건에서, 전류 I₁은 트랜지스터 Q₄의 베이스전류 I_B의 레벨을 상승시키도록 구동전류 I를 증가시킴에 따라 감소한다. 그러므로, 이와같은 실시예에 있어서, 구동신호 D의 상승 및 하강시간은 구동전류 I가 높을때 길게 된다. 그러므로, 코일(2)에 있어서의 전자음은 억압된다. 그러나, 모터부하가 작을때, 따라서 구동전류 I가 감소될때, 회로 D₅, R₄, Q₆는 베이스전류 I_B를 감소시키도록 작용한다.그러므로, 구동전류 I가 작을때, 구동신호 D의 상승시간 및 하강시간은 짧아지게 되고, 모터의 효율은 떨어지지 않는다.

간단히 하기 위해, 제4도 및, 제5도의 실시예는 브러쉬레스 DC 모터의 고정자코일(2) 한개에 대한 구동회로만을 나타낸다. 그러나, 실제적인 모터에 있어서, 여러개의 고정자 코일(2)이 제공되며, 다수의 구동회로가 제공된다. 그러므로, 상기 구동회로에는 회전자의 치검 출소자에서 얻어지는 검출신호에 기초를 두어 위상이 순차적으로 180°지연된 구형파신호 P가 인가되어서 이에 의해 코일이 각각 순차적으로 동작하게된다.

상술된 내용을 요약해보면, 본 발명의 실시예에 따라, DC 브러쉬레스 모터의 고정자 코일을 통해 흐르는 전류의 상승시간 및 하강시간은 모우터의 부호에 따라 제어된다. 모터의 가동시에서와 같이 구동전류가 클때 또는 모터의 부하가 클때, 상승시간 및 하강시간은 전자음을 억압하도록 길게된다. 그러나, 모터의 회전속도는 구동전류가 클때 낮아지기 때문에, 모터효율은 구동전류의 상승 및 하강시간을 연장시킨다 해도 심각하게 감소되지 않는다. 또한, 모터의 부하가 작을때, 따라서, 구동전위가작을때, 고정자 코일에 의해 발생된 어떠한 전자음도 작아지게 된다. 그러므로, 상승 및 하강시간은 모터의 효율이 저하되는 것을 방지하도록 짧아진다.

본 발명의 실시예가 도면을 참조로 상세히 설명되었지만 본 발명은 어떠한 구체적인 실시예에만 제한되는 것은 아니며, 청구된 영역내에서의 여러가지 변형이 가능하다.

Claims (1)

1. 입력스위칭 신호를 수신하기 위한 입력수단과, 상기 스위칭신호에 응답하여 전기자 코일에 구동전류를 인가시키기 위한 구동수단과, 상기 구동전류 유한한 상승및 하강시간을 가지며 전연 및 후연이 기울기를 갖도록 동작하는 평활회로로 이루어지고, 최소한 한개의 코일을 가지며 부하가 인가되는 브러쉬레스 DC 모터용구동회로에 있어서,

   상기 평활회로에 상기 모터의 부하에 따라 상승시간 및 하강시간을 제어하기 위한 제어수단을 구비시킨 브러쉬레스 DC 모터용 구동회로.

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