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KR101431973B1 - 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치 및 방법 - Google Patents

모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치 및 방법 Download PDF

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KR101431973B1
KR101431973B1 KR1020130049395A KR20130049395A KR101431973B1 KR 101431973 B1 KR101431973 B1 KR 101431973B1 KR 1020130049395 A KR1020130049395 A KR 1020130049395A KR 20130049395 A KR20130049395 A KR 20130049395A KR 101431973 B1 KR101431973 B1 KR 101431973B1
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KR
South Korea
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duty
inverter
electromotive force
signal
counter electromotive
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KR1020130049395A
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Inventor
이수웅
Original Assignee
삼성전기주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 방법은, 듀티 계산기에 의해 PWM 발생기에 의해 발생된 PWM 신호의 듀티비를 계산하는 단계; 계산된 듀티비에 따라 듀티 인버터에 의해 입력 펄스에 대한 반전 또는 비반전 신호를 출력하는 단계; 및 듀티 인버터로부터의 출력 신호를 바탕으로 역기전력 감지부에 의해 모터로부터 역기전력을 감지하여 영점(ZCP)을 검출한다.

Description

모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치 및 방법{Apparatus and method detecting ZCP(zero crossing point) of back EMF(electromotive force) in motor driving circuit}
본 발명은 모터 구동회로의 역기전력(back EMF(electromotive force))의 영점 검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 모터 구동회로에 간단한 회로를 부가함으로써 역기전력의 영점(ZCP:zero crossing point)을 정확하게 검출할 수 있는 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
모터 제어에 있어서 소형화 및 저비용을 목적으로 기존의 홀 센서(hall sensor)나 전류 센서(current sensor) 등의 센서 부품의 사용을 줄이기 위해 센서리스(sensorless) 구동방식이 사용되고 있다. 센서리스 구동에 있어서의 핵심은 역기전력(back EMF) 전압의 정확한 검출이다. 또한 센서리스 회로의 속도 제어를 위해 PWM(pulse width modulation) 신호가 인가되는데, PWM 신호의 듀티비에 따라 검출방법이 복잡해 지거나 정확도에 문제가 발생하는 경우가 있다. 홀센서를 사용하지 않는 모터 구동회로에 있어서 회전자의 위치를 검출할 수 있는 방법은 역기전력 전압의 ZCP(zero crossing point)를 검출하는 것이다.
도 1은 종래 역기전력 검출 방식을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 역기전력 검출 방식은 홀센서가 없으므로 위치에 대한 정보를 역기전력(back EMF) 신호가 기준전압(Vref) 신호와 교차하는 지점에서 정보를 얻는 방식이다.
도 2는 낮은 듀티비의 PWM 신호가 적용된 역기전력 신호의 ZCP를 검출하는 방식을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, PWM 신호가 "ON"인 구간은 역기전력 신호 펄스(점선으로 표시된 펄스)의 로우(low)인 부분이며, 도시된 바와 같이 이때 PWM 듀티비는 50%가 훨씬 안되는 값이다. PWM 신호가 적용되는 경우에 있어서 특히 듀티비가 작은 경우에는 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 실제의 ZCP(즉, 이상적인 ZCP)와 측정된 ZCP 간에 차이가 발생하는 문제점이 있다. 이와 같은 오차 발생은 결국 모터의 속도 제어에 있어서 정밀도를 떨어뜨리게 되고, 모터의 동작에 있어서의 오동작을 유발할 수도 있다.
일본 공개특허공보 특개2005-039991 한국 공개특허공보 공개번호 10-2011-0072143
본 발명은 상기와 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 모터 구동회로에 간단한 회로를 부가함으로써 역기전력의 영점(ZCP)을 정확하게 검출할 수 있는 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치는,
모터의 구동을 위한 PWM(pulse width modulation) 신호를 발생하는 PWM 발생기;
상기 PWM 발생기에 의해 발생된 PWM 신호의 듀티비를 계산하는 듀티 계산기;
상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비에 따라 입력 펄스에 대한 반전 또는 비반전 신호를 출력하는 듀티 인버터; 및
상기 듀티 인버터로부터의 출력 신호를 바탕으로 모터로부터 역기전력을 감지하여 역기전력의 영점(ZCP)을 검출하는 역기전력 감지부를 포함하고,
상기 듀티 인버터에 의해 항상 특정값 이상의 PWM 듀티가 상기 역기전력 감지부에 전달되도록 하고, 상기 역기전력 감지부는 PWM 신호의 온(ON)인 구간에서만 영점(ZCP)을 검출하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 듀티 인버터는, 입력신호에 대해 반전 신호를 출력하는 제1 인버터와; 제1 인버터의 출력을 입력받아 비반전 신호를 출력하는 제2 인버터와; 상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비가 특정값 이하이면 스위치 온(ON)하여 상기 제1 인버터로부터의 반전 신호가 출력되도록 하는 제1 스위치와; 상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비가 특정값을 초과하면 스위치 온(ON)하여 상기 제2 인버터로부터의 비반전 신호가 출력되도록 하는 제2 스위치를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 듀티 인버터는, 입력신호에 대해 반전 신호를 출력하는 제1 인버터와; 상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비가 특정값 이하이면 스위치 온(ON)하여 상기 제1 인버터로부터의 반전 신호가 출력되도록 하는 제1 스위치와; 상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비가 특정값을 초과하면 스위치 온(ON)하여 듀티 인버터에 입력된 신호가 그대로 출력되도록 하는 제2 스위치를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 특정값은 50%로 설정될 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 방법은,
a) PWM 발생기에 의해 모터의 구동을 위한 PWM 신호를 발생하는 단계;
b) 듀티 계산기에 의해 상기 PWM 발생기에 의해 발생된 PWM 신호의 듀티비를 계산하는 단계;
c) 상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비에 따라 듀티 인버터에 의해 입력 펄스에 대한 반전 또는 비반전 신호를 출력하는 단계; 및
d) 상기 듀티 인버터로부터의 출력 신호를 바탕으로 역기전력 감지부에 의해 모터로부터 역기전력을 감지하여 역기전력의 영점(ZCP)을 검출하되, PWM 신호의 온(ON)인 구간에서만 영점(ZCP)을 검출하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 단계 c)에서 상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비가 특정값이하이면 듀티 인버터에 의해 입력 펄스에 대한 반전 신호를 출력하고, 듀티비가 특정값을 초과하면 듀티 인버터에 의해 입력 펄스에 대한 비반전 신호를 출력한다.
이때, 상기 특정값은 50%로 설정될 수 있다.
삭제
이와 같은 본 발명에 의하면, 항상 50% 이상의 PWM 듀티가 역기전력 감지부에 전달되도록 하고, 역기전력 감지부에 의해 PWM 신호의 온(ON)인 구간에서만 영점(ZCP)을 검출함으로써, 낮은 PWM 듀티에서 발생할 수 있는 영점(ZCP) 검출 에러를 방지할 수 있다.
도 1은 종래 역기전력 검출 방식을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 낮은 듀티비의 PWM 신호가 적용된 역기전력 신호의 ZCP를 검출하는 방식을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 4a는 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치의 듀티 인버터의 제1 실시예의 내부 회로 구성을 보여주는 도면.
도 4b는 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치의 듀티 인버터의 제2 실시예의 내부 회로 구성을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 방법의 실행과정을 보여주는 흐름도.
도 6은 50% 이상 듀티비의 PWM 신호가 적용된 역기전력 신호의 영점(ZCP) 검출의 개요를 도식적으로 설명하는 도면.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치는 PWM 발생기(310), 듀티 계산기(320), 듀티 인버터(330), 역기전력 감지부 (340)를 포함하여 구성된다.
상기 PWM 발생기(310)는 모터(350)의 구동을 위한 PWM(pulse width modulation) 신호를 발생한다. 이와 같은 PWM 발생기(310)는 통상 정현파(사인파) 신호를 입력받아 그 신호의 폭을 변조하여 사각파(구형파) 신호를 발생한다.
상기 듀티 계산기(320)는 상기 PWM 발생기(310)에 의해 발생된 PWM 신호의 듀티비(duty ratio)를 계산한다. 즉, 듀티 계산기(320)는 PWM 신호(구형파 신호)의 한 주기 동안의 하이(high) 또는 로우(low)인 부분이 차지하는 비율(%)을 계산함으로써 PWM 신호의 듀티비를 계산한다.
상기 듀티 인버터(330)는 상기 듀티 계산기(320)에 의해 계산된 듀티비에 따라 입력 펄스에 대한 반전 또는 비반전 신호를 출력한다. 이와 같은 듀티 인버터 (330)에 대해서는 뒤에서 설명하기로 한다.
상기 역기전력 감지부(340)는 상기 듀티 인버터(330)로부터의 출력 신호를 바탕으로 모터(350)로부터 역기전력을 감지하여 역기전력의 영점(ZCP)을 검출한다.
이상과 같은 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치는상기 듀티 인버터(330)에 의해 항상 특정값 이상의 PWM 듀티가 상기 역기전력 감지부(340)에 전달되도록 하고, 그 역기전력 감지부(340)는 PWM 신호의 온(ON)인 구간에서만 영점(ZCP)을 검출한다. 따라서, PWM 신호의 온(ON) 또는 오프(OFF)에 따라 기준 전압(Vref)을 스위칭해야 하는 문제가 없다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치의 듀티 인버터의 제1 실시예 및 제2 실시예의 내부 회로 구성을 각각 보여주는 도면이다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 제1 실시 예에 따른 듀티 인버터(330)는 제1 인버터(331), 제2 인버터(332), 제1 스위치(333) 및 제2 스위치(334)를 포함하여 구성된다.
상기 제1 인버터(331)는 듀티 계산기(320)(도 3 참조)를 거쳐 입력되는 신호 (PWM 신호)에 대해 반전 신호를 출력한다.
상기 제2 인버터(332)는 제1 인버터(331)의 출력을 입력받아 비반전 신호(즉, 듀티 인버터(330)에 입력된 원래의 신호)를 출력한다.
상기 제1 스위치(333)는 상기 듀티 계산기(320)에 의해 계산된 듀티비가 특정값(예를 들면, 50%) 이하이면 스위치 온(ON)하여(이때, 제2 스위치(334)는 오프 (OFF)됨) 상기 제1 인버터(331)로부터의 반전 신호가 출력되도록 한다. 이와 같은 제1 스위치(333)로는 반도체 스위칭 소자(예를 들면, MOSFET)가 사용될 수 있다.
상기 제2 스위치(334)는 상기 듀티 계산기(320)에 의해 계산된 듀티비가 특정값(예를 들면, 50%)을 초과하면 스위치 온(ON)하여(이때, 제1 스위치(333)는 오프(OFF)됨) 상기 제2 인버터로부터의 비반전 신호가 출력되도록 한다. 이와 같은 제2 스위치(334)로는 마찬가지로 반도체 스위칭 소자(예를 들면, MOSFET)가 사용될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 이는 제2 실시예에 따른 듀티 인버터(330)로서, 제1 인버터(331), 제1 스위치(333) 및 제2 스위치(334)를 포함하여 구성된다.
상기 제1 인버터(331)는 듀티 계산기(320)(도 3 참조)를 거쳐 입력되는 신호 (PWM 신호)에 대해 반전 신호를 출력한다.
상기 제1 스위치(333)는 상기 듀티 계산기(320)에 의해 계산된 듀티비가 특정값(예를 들면, 50%) 이하이면 스위치 온(ON)하여(이때, 제2 스위치(334)는 오프 (OFF)됨) 상기 제1 인버터(331)로부터의 반전 신호가 출력되도록 한다.
상기 제2 스위치(334)는 상기 듀티 계산기(320)에 의해 계산된 듀티비가 특정값(예를 들면, 50%)을 초과하면 스위치 온(ON)하여(이때, 제1 스위치(333)는 오프(OFF)됨) 듀티 인버터(330)에 입력된 신호(펄스)가 그대로 출력되도록 한다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치에 의한 영점 검출 방법에 대하여 설명해 보기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 방법의 실행과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 방법에 따라, 먼저 PWM 발생기(310)에 의해 모터(350)의 구동을 위한 PWM 신호를 발생한다(단계 S501). 즉, 모터(350)의 구동을 위해 PWM 발생기(310)로 정현파(사인파)의 전압 신호가 입력되면, PWM 발생기(310)는 그 전압 신호의 폭을 변조하여 사각파(구형파) 신호를 발생하는 것이다.
이렇게 하여 PWM 발생기(310)에 의해 PWM 신호가 발생하면, 듀티 계산기 (320)는 그 PWM 신호의 듀티비를 계산한다(단계 S502). 즉, 듀티 계산기(320)는 PWM 신호(구형파 신호)의 한 주기에 있어서 구형파 펄스의 하이(high) 또는 로우(low)인 부분이 전체적으로 차지하는 비율(%)을 계산함으로써 PWM 신호의 듀티비를 계산한다.
이상에 의해 PWM 신호의 듀티비가 계산되면, 듀티 인버터(330)는 그 PWM 신호의 듀티비에 따라 입력 펄스(즉, PWM 발생기(310)에 의해 발생된 PWM 신호가 듀티 계산기(320)를 거쳐 입력되는 펄스)에 대한 반전 또는 비반전 신호를 출력한다.
즉, 듀티 인버터(330)는 상기 듀티 계산기(320)에 의해 계산된 듀티비가 특정값(예를 들면, 50%) 이하인지를 판별한다(단계 S503). 이 판별에서, 듀티비가 특정값(50%) 이하이면 듀티 인버터(330)는 제1 스위치(333)를 온(ON)하고, 제2 스위치(334)를 오프(OFF)하여 입력 펄스에 대한 반전 신호를 출력한다(단계 S504). 그리고, 상기 단계 S503의 판별에서 듀티비가 특정값(50%)을 초과하면, 듀티 인버터(330)는 제1 스위치(333)를 오프(OFF)하고 제2 스위치(334)를 온(ON)하여 입력 펄스에 대한 비반전 신호를 출력한다(단계 S505).
이렇게 하여 듀티 인버터(330)로부터 입력 펄스에 대한 반전 또는 비반전 신호가 출력되면, 역기전력 감지부(340)는 그 출력 신호를 바탕으로 모터(350)로부터 역기전력을 감지하고, 그 역기전력의 영점(ZCP)을 검출한다(단계 S506). 이때, 역기전력 감지부(340)는 도 6에 도시된 바와 같이, PWM 신호의 온(ON)인 구간에서만 영점(ZCP)을 검출한다.
예를 들어 20%의 듀티비를 갖는 PWM 신호가 입력되었다고 가정할 경우, 이때 출력은 80% 듀티비가 되는 것이다. 이와 같이 20% 듀티비의 경우에는 전술한 도 2에서와 같은 타이밍 에러가 발생할 확률이 높다. 그러나, 본 발명의 방법에서는 PWM 신호의 온(ON)인 구간에서만 영점(ZCP)을 검출하게 되므로, PWM 신호가 온(ON)인가 또는 오프(OFF)인가에 따라 기준 전압(Vref)을 스위칭해야 하는 문제가 없다. 즉, 본 발명의 방법에서는 모터(350)의 구동에는 영향을 미치지 않으면서, 역기전력 감지부의 동작시에만 영점(ZCP) 에러가 최소화되도록 "PWM ON" 듀티 구간을 항상 50% 이상이 되도록 유지한다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치 및 방법은 항상 50% 이상의 PWM 듀티가 역기전력 감지부에 전달되도록 하고, 역기전력 감지부에 의해 PWM 신호의 온(ON)인 구간에서만 영점(ZCP)을 검출함으로써, 낮은 PWM 듀티에서 발생할 수 있는 영점(ZCP) 검출 에러를 방지할 수 있다.
이상, 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
310...PWM 발생기 320...듀티 계산기
330...듀티 인버터 340...역기전력 감지부
350...모터 331...제1 인버터
332...제2 인버터 333...제1 스위치
334...제2 스위치

Claims (8)

  1. 모터의 구동을 위한 PWM(pulse width modulation) 신호를 발생하는 PWM 발생기;
    상기 PWM 발생기에 의해 발생된 PWM 신호의 듀티비를 계산하는 듀티 계산기;
    상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비에 따라 입력 펄스에 대한 반전 또는 비반전 신호를 출력하는 듀티 인버터; 및
    상기 듀티 인버터로부터의 출력 신호를 바탕으로 모터로부터 역기전력을 감지하여 역기전력의 영점(ZCP)을 검출하는 역기전력 감지부를 포함하고,
    상기 듀티 인버터에 의해 항상 특정값 이상의 PWM 듀티가 상기 역기전력 감지부에 전달되도록 하고, 상기 역기전력 감지부는 PWM 신호의 온(ON)인 구간에서만 영점(ZCP)을 검출하는, 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 듀티 인버터는,
    입력신호에 대해 반전 신호를 출력하는 제1 인버터;
    상기 제1 인버터의 출력을 입력받아 비반전 신호를 출력하는 제2 인버터;
    상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비가 특정값 이하이면 스위치 온(ON)하여 상기 제1 인버터로부터의 반전 신호가 출력되도록 하는 제1 스위치; 및
    상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비가 특정값을 초과하면 스위치 온(ON)하여 상기 제2 인버터로부터의 비반전 신호가 출력되도록 하는 제2 스위치를 포함하는, 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 듀티 인버터는,
    입력신호에 대해 반전 신호를 출력하는 제1 인버터;
    상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비가 특정값 이하이면 스위치 온(ON)하여 상기 제1 인버터로부터의 반전 신호가 출력되도록 하는 제1 스위치; 및
    상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비가 특정값을 초과하면 스위치 온(ON)하여 듀티 인버터에 입력된 신호가 그대로 출력되도록 하는 제2 스위치를 포함하는, 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 특정값은 50%로 설정된 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 장치.
  5. a) PWM 발생기에 의해 모터의 구동을 위한 PWM 신호를 발생하는 단계;
    b) 듀티 계산기에 의해 상기 PWM 발생기에 의해 발생된 PWM 신호의 듀티비를 계산하는 단계;
    c) 상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비에 따라 듀티 인버터에 의해 입력 펄스에 대한 반전 또는 비반전 신호를 출력하는 단계; 및
    d) 상기 듀티 인버터로부터의 출력 신호를 바탕으로 역기전력 감지부에 의해 모터로부터 역기전력을 감지하여 역기전력의 영점(ZCP)을 검출하되, PWM 신호의 온(ON)인 구간에서만 영점(ZCP)을 검출하는 단계를 포함하는 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 c)에서 상기 듀티 계산기에 의해 계산된 듀티비가 특정값이하이면 듀티 인버터에 의해 입력 펄스에 대한 반전 신호를 출력하고, 듀티비가 특정값을 초과하면 듀티 인버터에 의해 입력 펄스에 대한 비반전 신호를 출력하는 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 특정값은 50%로 설정된 모터 구동회로의 역기전력의 영점 검출 방법.
  8. 삭제
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