KR940001916B1 - 12단계 정류장치를 가진 전기모타 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

12단계 정류장치를 가진 전기모타

제1도는 모타에 설치된 홀센서 신호장치를 나타내는 사시도이다.

제2도는 신호를 발생시키는 홀센서 검출기 조립체의 평면도이다.

제3도는 홀센서의 출력신호를 나타내는 챠트이다.

제4도는 6단계 3상 코일선의 전류통로를 나타내는 챠트이다.

제5도는 6개의 부가적인 정류단계를 발생시키기 위해 본발명에 의해 사용되는 6개의 부가적인 전류 통로를 나타내는 챠트이다.

제6도는 다른 정류 단계동안 필드코일을 통과하는 전류통로를 나타내는 챠트이다.

제7도는 홀센성의개략적인 회로도이다.

제8도는 전류피드백 부분을 나타내는 모타의 서보증폭기의 부분회로도이다.

제9도는 정류회로의 4출력에 연결된 디코딩 논리회로를 나타내는 회로도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 홀센서 13 : 고정자고리

15 : 자석 17 : 모타샤프트

23 : 배타 OR 게이트 27 : PROM

본 발명은 브라쉬라스(brushless) DC 모타에 관한 것으로서, 특히 모타의 샤프트각이 모타의 디지틀 구동용 제어신호를 발생시키게 하는 정류방법에 관한 것이다.

브라쉬리스 DC 모타에 있는 정류신호 발생기는 샤프트각에 따라 신호를 공급시키는 홀(Hall)효과 센서를 사용한다.

하나이상의 회전자 자석은 적당한 회로와 연결될때 정류장치의 스위칭 소자용 제어회로를 제공하는 홀센서를 트리거시킨다.

홀효과 발전기는 신속하고, 신뢰도가 양호하며 또 값이 저렴하다.

미합중국 특허 제4,283,664호에는 전기각이 90도로 변위되어 있는 두개의 홀효과 센서가 매 90도의 전기각때 마다 스위칭신호를 발생시키게 하는 회로가 기술되어 있다.

고정자 코일선을 상요하여 360도의 전기각내에서 3상 스텝모타가 12토르크 발생 단계를 성취시키게 하는 것이 공지되어 있다.

미합중국 특허 제3,612,358호에는 시프트 레지스터와 논리 게이트에 연결된 클럭 펄스 발생기에 의해 구동되어서 360도의 전기각에 대해 12단계를 가지는 스텝모타를 만드는 회로가 기술되어 있다.

현존하는 브라쉬리드 DC 모타에서의 문제점으로는 "토르크 리플"로 언급되는 정류, 마찰 및 자기코킹때 고유의 토르크가 감소되는 것이 있다.

거의 대부분 3상 브라쉬리스 DC 모타는 360도의 전기각에 대해 6정류점을 사용하고 그리고 홀센서와 같은 그러한 3개의 신호장치에 의해 구동되어진다.

사인파 전류 구동시스템을 사용하여 토르크 리플에 대한 문제점을 해결하는 것이 있지만 이러한 것은 값이 극도로 비싸고 모타 구조체속에 매우 정확한 샤프트 각도 검출기를 설치해야 한다.

본 발명에 따른 장치는 상기한 토르크 리플 문제점을 경제적으로 극복시키는 새롭고개선된 정류시스템을 명시한다.

본 발명은 공지된 12단계 와이어링 및 코일여자에다 신로도가 양호하고 값이 저렴한 정류스위칭의 방법을 결합시키는 것을 찾는 것이다.

여기서 기술하는 바와같이 구조적인 레이아웃과 관련된 회로는 3상 브라쉬리드 모타에서 12단계 코일여자 시스템용의 적당한 정류를 만들기 위해 6개의 홀효과 센서의 신호를 디코드시키기 위해 프로그램시키고 값싼 전자부품의 사용을 가능하게 한다.

이러한 정류 시스템의 잇점은 정류 사이클 동안 토르크 벡터의 수를 증가시켜 두개의 자장이 구상(quadrature)으로 있을때 발생하는 최고 토르크 값에서 부터 토르크 변화의 양을 감소시키는 것이다.

6단계 정류 시스템에서, 토르크 변화는 최고 토르크 값의 0.866배의 최소값 까지 떨어진다.

12단계 정류 시스템에서, 토르크 변화는 최고 토르크 값의 단지 0.966배까지만 떨어진다.

12단계 정류는 공지된 6단계 포맷에서 사용되는 제1세트의 3개의 홀센서에다 제2세트의 3개의 홀센서를 부가시킴에 의해 행해진다.

본 발명에 따른 장치에서, 제2세트의 부가적인 3개의 홀센서의 각 출력은 단일체로 형성되어서 현존하는 3개의 홀센서의 출력에서 부터 전기각이 30도 시프트된 제4의 출력으로 된다.

이러한 시스템을 사용하면 이러한 4개의 출력은 매 30도의 전기각때 마다 요구되는 스위칭을 발생시키고 저렴하게 디코드될 수 있다.

부가적인 6단계가 최초 6단계의 토르크와 동등한 토르크를 발생시키게 하여 토르크 리플을 감소시키고 모타의 효율을 증가시키는 전류변조 방법을 기술하기로 한다.

12단계 모타 출력을 발생시키기 위해 부가된 6전류변조 단계는 이론적으로 13.5%에서부터 약 3%까지 토르크 리플을 감소시키고, 그리고 평균 모타 토르크 상수는 약 10%까지 증가되어 진다.

부수적인 예로서 부가적인 단계동안 전류변조를 제공하는 아날로그 회로에 대해서도 기술하기로 한다.

이런 회로는 요구되는 전류시프트를 제공하기 위해 모타의 전체 부하 임피던스에서의 변화를 이용한다. 본 발명의 목적은 부가적인 홀효과 센서를 사용하고 전류를 변조시켜 최초 6단계의 각각의 사이에서 발생하는 부가적 정류의 6단계를 부가시켜 6단계의 3상 브라쉬리스 DC 모타에서 DC 브라쉬리스 모타의 모타효율을 증가시키고 그리고 토르크 리플을 감소시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 모타의 전체부하 임피던스에서의 변화를 이용하여 전류를 변조시키는 것이다.

이하 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 한예를 나타내는 제1도와 제2도에는 모타 샤프트(17)에 설치된 하나의 자석(15)에 의해 여기되고 고정자 고리(13)의 형태로 된 하나의 인쇄회로 기판에 설치된 두세트의 3개로 된 홀센서(11)로 구성된 홀센서 검출기 조립체가 포함되어 있다.

이런 형상에서의 잇점은 단지하나의 센서 자석만이 요구되고 정류를 위한 조정이 간단하다는 것이다.

각세트의 홀검출기는 60도의 각도로 떨어져서 설치되어 있는데 이것은 여자자석이 4개의 극을 가지고 있기때문에 120도의 전기각과 동등하다.

제2세트의 3센서의 기계적 구조도 동일하게 되어 있지만 제1세트로 부터 기계각 15도 즉 전기각 30도로 변위되어 있다.

제1도와 제2도는 4극성이 회전자를 가진 모타의 전형적인 조립체를 나타낸다.

제2도에서, 센서(S1), (S2), (S3)는 제1세트를 구성하고, 센서(S4), (S5), (S6)는 제2세트를 구성한다.

제1세트의 중심 기준선이 센서(S3)를 통해 선택될 경우 센서(S1)는 300도 또는 -60도에 있게되고, 센서(S2)는 60도에 있게되며, 센서(S4)는 105도에 있게되고, 센서(S5)는 165도에 있게되며, 그리고 센서(S6)는 225도에 있게된다.

두세트의 검출기는 동일코드의 신호를 전개시키지만 제2세트로부터 나오는 신호는 제1세트로부터 15도의 기계각 또는 30도의 전기각 만큼 변위되게 된다.

이것은 제2세트의 중심을 통해 그려져 있고 그리고 제1세트의 중심선과 비교되는 기준선(a-b)에 의해 보여진다.

제2세트의 결과적인 신호(S4), (S5), (S6)는 배타 OR 게이트의 연산처리에 의해 하나의 효율적인 신호로 감소되어 진다.

적절한 회로는 제7도에 도시되어 있다.

표준 32×8 PROM(27)은 필요한 논리 디코딩을 수행할 수 있게 프로그램될 수 있다.

PROM은 하이상태에서 작동하는 출력이나 로우상태에서 작동하는 출력으로 프로그램될 수 있다.

바람직한 실시에 있어서, 배타 OR 게이트(23)는 모타에 설치되어 있는 홀센서판에 설치되어 있다.

이것은 신호케이블에서 두개의 선을 절감시키지만 모타에다 논리장치를 반드시 설치할 필요는 없다.

제3도는 6개의 홀센서의 출력신호와 이들이 30도의 전기각을 이동시키는 신호를 발생시키기 위해 어떻게 사용되는지를 나타낸다.

홀센서(S4), (S5), (S6)로 부터 나오는 출력신호는 배타 OR 게이트의 연산처리에 의해 혼합되어져서 전기각이 60도일때 마다 스위칭을 제공하는 요구되는 신호를 발생시킨다.

출력(R1)은 신호(S4), (S5)의 배타 OR 출력이고, 출력(R2)은 S6와 R1의 배타 OR 출력이다.

이것에서의 중요한 잇점은 단지 4개의 입력 디코딩 처리로 30도의 정류를 수행할수 있다는 것으로서, 값이 저렴한 32×8 PROM을 사용할 수가 있다.

제2세트의 홀센서의 신호가 결합되기때문에 이러한 부가적인 정류점이 샤프트각 위치나 샤프트회전 방향을 판별하는데 사용될수 없다.

제9도에서의 표준 32×8 PROM(27)은 구입 가능한 시네틱스 코포레이션 제품의 부품번호 제S825123N호로서, 이것은 도시된것과 같이 제7도의 정류회로로부터 나오는 4개의 출력(S1), (S2), (S3), (S4)의 각각을 받게되어 있다.

제7도의 OR 게이트(23)는 구입가능한 모토롤라 제품인 부품번호 제74HC386D호이다.

코일에 에너지를 부가시킬때 전개되는 고유의 변화를 상쇄시키기 위해 두개의 다른 토르크 주기동안 장의 전류를 변경시키기 위해서도 사용할수 있다.

제4도에는 정상적인 6단계로 설계된 정류점에 대한 전류통로가 도시되어 있다.

제5도는 6개의 부가적인 정류점에 대한 전류 통로를 나타내는 것이다.

제4도에서, 1단계는 코일(A), (B)을 통해 흐르는 전류를 나타내는 것이다.

이모드에서, 두개의 필드는 서로에 대해 60도로 되어 있다.

결과적인 필드는 두필드사이의 중간에 있는 각도이고, 이것의 크기는 코사인 30도의 2배 즉 2×0.866으로서 이것은 코일전류의 1.73배 이다.

제5도에서의 1a 단계는 3개의 코일 모두를 통해 흐르는 전류로서, A를 통해 흐르는 전류는 코일(B), (C)를 통하는 두갈레길로 쪼개진다.

그러므로 전류코일(B)은 코일(A)의 1/2이 된다.

코일(B), (C)에 있는 필드에 의해 전개된 토르크벡터는 코일(A)에 있는 토르크벡터와 동일위상에 놓여져 있다.

그러나, 결과적인 토르크 벡터의 값은 코사인 60도의 2×0.5배 즉 0.5배와 동등하다.

두 벡터의 합은 1.5이다.

전류가 두단계동안 일정하면 토르크 값은 1a 단계동안 1.5÷1.732의 비율 즉 0.866의 비율로 작아지게 된다.

이런 조건을 상쇄시키기 위해 전류는 1a 단계 동안 1.155의 비율로 증폭되어 진다.

이러한 것은 여분의 정류단계동안 PROM으로 부터 나오는 7번째 신호를 전개시킴에 의해 수행되어 진다.

모타의 전체 부하 임피던스의 변화를 이용하여 전류를 변조시킬수 있다.

제6도에는 이러한 전류변조를 나타내기 위한 전류통로(T1), (T2)가 도시되어 있다.

정상적인 회로에서, 서보증폭기는 일정한 전류 모드로 있게되고, 그리고 상기한 것과 같이 두가지의 코일 여자동안 토르크 벡터에서의 차이때문에 토르크 레벨의 변화를 보상시키기 위해 서보 증폭기에 의해 변형된 전체코일 전류를 가지는 것이 바람직하다.

모타의 전체 부하 임피던스가 변화하기 때문에 3개의 모타코일이 두개의 코일에 대해 반대로 여자될 때 서보 증폭기 전류는 3개의 코일 여자동안 증가되는 경향을 나타낸다.

제6도에서, 기간(T1)동안 모타의 효율저항은 각코일 저항의 2배이고, 기간(T2)동안 효율저항은 각코일 저항의 1.5배이다.

전압이 상기 두기간 동안 일정하게 유지되면 회로내의 전류는 기간(T2)동안 33% 더 높게 되어진다.

전류가 일정하게 유지될 경우 토르크 값은 불균일하게 되어 진다.

기간(T1)동안 토르크는 단일코일에 의해 생기는 토르크의 1.732배이고, 기간(T2)동안 토르크는 단일코일에 의해 생기는 토르크의 1.5배이다. 전류가 일정한 전압을 유지한채 1.33의 비율로 증가하게 되면 기간(T2)동안 토르크는 단일의 코일에 의해 생기는 토르크의 2배가 되어진다.

그러므로, 서보 증폭기가 일정한 전류모드로 작동되면 기간(T2)동안 생기는 토르크는 T1때의 1.5÷1.732 즉 0.866배가 된다.

또 회로가 일정한 전압모드로 작동되면 기간(T2)동안 생기는 토르크는 T1때의 2÷1.732 즉 1.155배가 된다.

상기한 것과같이 일정한 전류모드로 증폭기가 작동하면 기간(T1)동안에는 토르크가 더 커지게 되고, 일정한 전압모드로 증폭기가 작동하면 기간(T2)동안에 토르크가 더 커지게된다.

서보 증폭기가 감소된 이득을 갖고 일정한 전류모드로 작동되면 전류에러의 피드백 양을 조절하여 기간(T2)동안 생기는 토르크를 기간(T1)동안 생기는 토르크와 동등하게 만들 수 있다.

전형적으로 코일여자용 서보 증폭기는 약 100 : 1의 이득을 가진다.

항상 고이득 증폭기는 모타 임피던스나 공급전압에서의 어떤 변화를 마스킹시켜 전류를 안정시키기 위해 사용되어 진다.

본 발명에 따른 장치에서, 요구되는 결과는 정확하게 그 반대 즉 전류에러의 특정한 양 또는 전류변화가 요구되어 진다.

이런 것을 성취시키기 위해 약 2.0 : 1의 이득을 가지는 서보 증폭기는 정류단계 사이에서 전류 시프트의 정확한 양을 제공한다.

각각의 모타를 잘 조정시키기 위해 제8도에 도시된 것과 같이 가변저항체(25)를 증폭기 회로의 전류 피드백 부분에 사용하여 이득을 조성시키고 그리고 또 전류 시프트의 정확한 양을 조성시킬 수 있다.

이런식으로 부가적인 정류 단계동안 PROM의 제7번째 신호를 전개시킬 필요없이 12단계 구동시스템에서 전류를 변조시키기 위해 간단한 아나로그 회로를 사용할 수가 있다.

본 발명의 범위내에서 본 발명을 다양하게 변형시킬 수 있다.

Claims (10)

1. 필드코일과 다수의 영구자석을 가진 회전자를 구성하고 있는 전기모타에 있어서, 제1세트와 제2세트의 신호발생장치가 모타를 정류시키는 고정자 고리에 설치되어 있고, 신호발생장치를 트리거시키는 샤프트가 설치된 정류자석이 있으며, 제1세트의 신호발생장치가 전기각 360도 범위내에서 균등하게 떨어져서 설치되어 있고, 제2세트의 신호발생장치가 전기각 360도의 범위내에서 균등하게 떨어져서 설치되어 있으며, 제2세트의 신호발생장치가 제1세트에 대해 상기 제1세트의 인접하는 두 신호발생장치 사이에서 전기각이 1/2인 각도에 설치되어 있고, 제2세트의 신호발생장치가 단일의 정류 출력신호를 발생시킬수 있게 전기적으로 결합된 출력을 발생시키는 것으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 12단계 정류장치를 가진 전기모타.
2. 제1항에 있어서, 제1세트에 있는 신호발생장치의 수가 제2세트에 있는 신호발생장치의 수와 동등한 것을 특징으로 하는 모타.
3. 제2항에 있어서, 디코딩회로가 상기 두세트의 신호발생장치에 연결되어 있고, 그리고 N+1(N은 제1세트에 있는 신호발생장치의 수와 동등함)에 동등한 수의 정류 디코딩 입력을 가지고 있으며, 제1세트에 있는 신호발생장치가 각각 디코딩회로에 연결되어서 그것에다 별개의 입력을 부가시키고, 제2세트의 신호 발생장치는 디코딩회로에다 결합된 정류 출력신호를 전달시켜 디코딩용의 부가적인 한 입력을 제공하도록 된 것을 특징으로 하는 모타.
4. 제3항에 있어서, 신호발생장치가 홀센서인 것을 특징으로 하는 모타.
5. 제4항에 있어서, N=3이고 그리고 디코딩회로가 12단계 정류를 제공하는 32×8 PROM인 것을 특징으로 하는 모타.
6. 제5항에 있어서, 제1세트의 신호발생장치가 고정자의 고리상에 배치되어 있고, 상기 신호발생장치는 각각 서로에 대해 방사형으로 배치되어 60도의 각도로 떨어져 있으며, 제2세트의 신호발생장치가 고정자의 고리에 방사형으로 떨어져서 60도의 각도로 배치되어 있고, 그리고 제2세트가 제1세트로부터 15도의 기계각으로 오프세트 되어 있는 것을 특징으로 하는 모타.
7. 제1항에 있어서, 제1세트와 제2세트의 신호발생장치에 의해 발생된 정류단계의 토르크를 동등하게 되도록 하는 전류 변조회로가 구성되어 있고, 전류 변조회로는 필드 코일에 에너지를 부가시키는 서보 증폭기를 포함하고 있으며, 서보 증폭기는 이론상으로 일정한 전류 출력과 낮은 이득을 가지는 것을 특징으로 하는 모타.
8. 제7항에 있어서, 서보 증폭기가 10 : 1 이하의 이득을 가지는 것을 특징으로 하는 모타.
9. 제8항에 있어서, 정류단계 사이에서 선정된 각도의 전류 시프트를 수행하기 위해 서보 증폭기의 이득을 조정하는 가변 저항체를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 모타.
10. 제9항에 있어서, 서보 증폭기가 약 2.0 : 1의 이득을 가지는 것을 특징으로 하는 모타.

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