KR101186160B1 - Universal motor control apparatus - Google Patents

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Abstract

유니버설 모터 제어 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 유니버설 모터 제어 장치는 초퍼 방식으로 유니버설 모터를 구동함으로써 보다 넓은 속도 가변 범위와 큰 토크를 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적의 본 발명에 따른 유니버설 모터 제어 장치는, 펄스 폭 변조 신호 형태의 제 1 제어 신호를 발생시켜 그 듀티 비의 가변을 통해 유니버설 모터의 속도를 가변 제어하기 위한 제어부와; 제 1 제어 신호의 직류 레벨을 미리 정해진 직류 레벨까지 승압시켜 제 2 제어 신호를 발생시키는 제어 신호 처리부와; 제 2 제어 신호에 의해 온/오프되는 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작을 통해 제 2 제어 신호와 동일한 듀티 비의 초핑된 직류 전압이 유니버설 모터에 공급되도록 하는 모터 구동부를 포함한다.

Figure R1020060011151

A universal motor control device is disclosed. The universal motor control apparatus according to the present invention has a purpose to obtain a wider variable speed range and a larger torque by driving the universal motor in a chopper method. The universal motor control apparatus according to the present invention for this purpose includes a control unit for generating a first control signal in the form of a pulse width modulation signal to variably control the speed of the universal motor through the variable duty ratio; A control signal processor for generating a second control signal by boosting the DC level of the first control signal to a predetermined DC level; And a motor driving unit including a switching element turned on and off by the second control signal, and supplying a chopped DC voltage having the same duty ratio as the second control signal to the universal motor through an on / off operation of the switching element. .

Figure R1020060011151

Description

유니버설 모터 제어 장치{UNIVERSAL MOTOR CONTROL APPARATUS}Universal motor control device {UNIVERSAL MOTOR CONTROL APPARATUS}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유니버설 모터 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도.1 is a block diagram showing the configuration of a universal motor control apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 나타낸 제어 신호 처리부 및 모터 구동부의 구성을 나타낸 회로도.FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of the control signal processor and the motor driver shown in FIG. 1; FIG.

도 3은 도 2에 나타낸 주요 부분에서의 전기적 신호의 파형들을 나타낸 도면.3 shows waveforms of an electrical signal in the main part shown in FIG.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*Description of the Related Art [0002]

102 : 마이컴(제어부)102: microcomputer (control unit)

104 : 제어 신호 처리부104: control signal processing unit

106 : 모터 구동부106: motor drive unit

108 : 모터108: motor

202 : 전류 제한 구동부(Current Limiting Driver)202: Current Limiting Driver

204 : IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)204: IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

206 : 비드(Bead)206: Bead

본 발명은 유니버설 모터의 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 초퍼 방식으로 유니버설 모터의 회전 속도 및 방향을 제어하는 유니버설 모터 제어 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a control device for a universal motor, and more particularly, to a universal motor control device for controlling the rotational speed and direction of the universal motor in a chopper manner.

일반적으로, 유니버설 모터는 직류나 교류로 회전시킬 수 있는 정류자 모터를 말한다. 유니버설 모터는 고정자 코일과 회전자 코일에 동일 전류가 흐르도록 하여 회전력을 발생시키기 때문에, 직류나 교류에서 토크의 발생 방향이 일정하게 된다. 따라서 유니버설 모터에는 고정자 코일과 로터 코일에 동일 전류를 흐르게 하는 정류자 및 브러시가 구비된다.Generally, a universal motor refers to a commutator motor that can be rotated by direct current or alternating current. Since the universal motor generates a rotational force by allowing the same current to flow through the stator coil and the rotor coil, the direction of generating torque in a direct current or an alternating current becomes constant. Therefore, the universal motor is provided with a commutator and a brush for flowing the same current through the stator coil and the rotor coil.

유니버설 모터는 같은 크기의 전압을 인가할 경우, 교류보다는 직류에서 사용하는 것이 더 큰 토크를 얻을 수 있다. 예를 들면 100W 직류용으로 설계된 모터와 200W 교류용으로 설계된 모터의 출력 토크가 거의 같다. 또한 교류 주파수가 높을수록 모터의 발생 토크는 감소한다. 이는 직류에서는 계자의 전압 강하가 코일 저항에 의한 것인 반면, 교류에서는 코일 임피던스에 의한 것이어서 상대적으로 더 커지기 때문이다.When a universal motor applies the same voltage, using a direct current rather than an alternating current can obtain a larger torque. For example, the output torque of a motor designed for 100W direct current and a motor designed for 200W AC is almost the same. In addition, the higher the AC frequency, the less the generated torque of the motor. This is because the voltage drop of the field at DC is due to the coil resistance, whereas at AC it is due to the coil impedance, which is relatively larger.

직류를 이용하여 유니버설 모터를 구동하게 되면 큰 토크는 얻을 수 있지만 속도 제어가 어렵고, 속도 제어가 가능하더라도 속도의 가변 폭이 좁아지는 문제가 있다. 즉, 직류를 이용하여 구동하는 경우 속도를 가변시키기 위해서는 공급되는 직류 레벨의 진폭(magnitude)을 조절해야 하며, 속도 가변 폭을 넓히기 위해서는 직류 레벨의 진폭이 매우 커야하기 때문에 실제로 구현하는데 많은 어려움이 있다. When the universal motor is driven using direct current, large torque can be obtained, but speed control is difficult, and even if speed control is possible, the variable width of the speed is narrowed. That is, when driving by using a direct current, in order to change the speed, the amplitude of the supplied DC level must be adjusted, and in order to widen the speed variable width, the amplitude of the DC level must be very large, which makes it difficult to actually implement. .

본 발명은 초퍼 방식으로 유니버설 모터를 구동함으로써 보다 넓은 속도 가변 범위와 큰 토크를 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to obtain a wider variable speed range and greater torque by driving the universal motor in a chopper method.

이와 같은 목적의 본 발명에 따른 유니버설 모터 제어 장치는, 펄스 폭 변조 신호 형태의 제 1 제어 신호를 발생시켜 그 듀티 비의 가변을 통해 유니버설 모터의 속도를 가변 제어하기 위한 제어부와; 제 1 제어 신호의 직류 레벨을 미리 정해진 직류 레벨까지 승압시켜 제 2 제어 신호를 발생시키는 제어 신호 처리부와; 제 2 제어 신호에 의해 온/오프되는 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작을 통해 제 2 제어 신호와 동일한 듀티 비의 초핑된 직류 전압이 유니버설 모터에 공급되도록 하는 모터 구동부를 포함한다.The universal motor control apparatus according to the present invention for this purpose includes a control unit for generating a first control signal in the form of a pulse width modulation signal to variably control the speed of the universal motor through the variable duty ratio; A control signal processor for generating a second control signal by boosting the DC level of the first control signal to a predetermined DC level; And a motor driving unit including a switching element turned on and off by the second control signal, and supplying a chopped DC voltage having the same duty ratio as the second control signal to the universal motor through an on / off operation of the switching element. .

또한, 상술한 제어 신호 처리부는 제 1 제어 신호를 미리 정해진 직류 레벨까지 승압시키기 위한 전류 제한 구동부를 포함한다.In addition, the above-described control signal processor includes a current limiting driver for boosting the first control signal to a predetermined DC level.

또한 상술한 스위칭 소자는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터이고; 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터가 직류 전압 입력 단자에 연결된다.The above-mentioned switching element is also an insulated gate bipolar transistor; The collector of the insulated gate bipolar transistor is connected to the DC voltage input terminal.

또한 상술한 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터와 직류 전압 입력 단자 사이에 서지 전류로부터 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 보호하기 위한 비드가 연결된다.Also, a bead is connected between the collector of the insulated gate bipolar transistor and the DC voltage input terminal described above to protect the insulated gate bipolar transistor from surge current.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유니버설 모터 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 유니버설 모터 제어 장치는 모터 구동을 위한 펄스폭 변조 방식의 제 1 제어 신호(PWM1)를 발생시키는 마이컴(102)과 이 제 1 제어 신호(PWM1)를 안정적으로 전달하기 위한 제어 신호 처리부(104), 제어 신호 처리부(104)에서 안정적으로 전달되는 제 1 제어 신호(PWM1)를 증폭하여 모터(108)에 전달하기위한 모터 구동부(106)로 이루어진다. 모터 구동부(106)에는 모터(108)에 공급하기 위한 직류 전압(DC)이 공급된다.When described with reference to Figures 1 to 3 a preferred embodiment of the present invention made as described above. First, Figure 1 is a block diagram showing the configuration of a universal motor control apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a universal motor control apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention includes a microcomputer 102 generating a first control signal PWM1 of a pulse width modulation method for driving a motor, and the first control signal PWM1. ) Is a control signal processor 104 for stably transmitting, and a motor driver 106 for amplifying and transmitting the first control signal PWM1 stably transmitted from the control signal processor 104 to the motor 108. . The motor driver 106 is supplied with a DC voltage DC for supplying the motor 108.

도 2는 도 1에 나타낸 제어 신호 처리부 및 모터 구동부의 구성을 나타낸 회로도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 제어 신호 처리부(104)는 전류 제한 구동부(202, current limiting driver)를 중심으로 하여 이루어지는데, 이 전류 제한 구동부(202)는 모터(108)에서 마이컴(102) 쪽으로 역류하는 전류를 차단하여 마이컴(102)을 보호하고, 마이컴(102)에서 발생한 제 1 제어 신호(PWM1)가 모터 구동부(106)를 통해 모터(108)에 안정적으로 전달될 수 있도록 한다.FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of the control signal processor and the motor driver shown in FIG. 1. As shown in FIG. 2, the control signal processor 104 is centered on a current limiting driver 202, which flows backward from the motor 108 toward the microcomputer 102. Blocking the current to protect the microcomputer 102, so that the first control signal PWM1 generated in the microcomputer 102 can be stably transmitted to the motor 108 through the motor driver 106.

전류 제한 구동부(202)의 전원 단자(1번 단자)에 +15V의 직류 전압(VCC)이 공급되도록 하고, 입력 단자 가운데 하나인 2번 핀에는 마이컴(102)에서 발생하는 제 1 제어 신호(PWM1)가 입력되도록 한다. 제 1 제어 신호(PWM1)가 입력되는 전류 제한 구동부(202)의 2번 단자와 접지 사이에는 풀 다운 저항(R1)이 연결되는데, 이 저항(R1)은 마이컴(102)에서 제 1 제어 신호(PWM1)가 발생하지 않을 때 마이컴(102)의 해당 출력 단자를 로우 레벨로 만들어 마이컴(102)으로 하여금 제 1 제어 신호(PWM1)가 정상적으로 발생하지 않고 있음을 인지하여 에러 모드를 생성할 수 있도록 하기 위한 것이다.The DC voltage VCC of + 15V is supplied to the power supply terminal (terminal 1) of the current limiting driver 202, and the first control signal PWM1 generated by the microcomputer 102 is applied to pin 2, which is one of the input terminals. ) Is entered. A pull-down resistor R1 is connected between the second terminal of the current limiting driver 202 to which the first control signal PWM1 is input and the ground, and the resistor R1 is connected to the first control signal at the microcomputer 102. When PWM1) does not occur, make the corresponding output terminal of the microcomputer 102 low level so that the microcomputer 102 may generate an error mode by recognizing that the first control signal PWM1 is not normally generated. It is for.

전류 제한 구동부(202)의 1번 단자와 접지 사이에 연결되는 캐패시터(C1)는 전류 제한 구동부(202)에 공급되는 +15V의 직류 전압이 외부 영향으로 인하여 불안정해지더라도 전류 제한 구동부(202)에는 캐패시터(C1)의 충전 작용에 의해 안정된 레벨의 직류 전압이 공급될 수 있도록 하기 위한 것이다.The capacitor C1 connected between the first terminal of the current limiting driver 202 and the ground is connected to the current limiting driver 202 even if a + 15V DC voltage supplied to the current limiting driver 202 becomes unstable due to external influence. It is for the DC voltage of a stable level to be supplied by the charging action of the capacitor C1.

전류 제한 구동부(202)의 2번 단자를 통해 입력된 제 1 제어 신호(PWM1)는 전류 제한 구동부(202)를 거치면서 +15V로 승압(증폭)되어 7번 단자를 통해 출력되어 제 2 제어 신호(PWM2)로서 모터 구동부(106)에 전달된다.The first control signal PWM1 input through terminal 2 of the current limiting driver 202 is boosted (amplified) to + 15V while passing through the current limiting driver 202 and output through terminal 7 so as to output the second control signal. It is transmitted to the motor drive part 106 as (PWM2).

전류 제한 구동부(202)의 7번 단자를 통해 출력되는 +15V의 제 2 제어 신호(PWM2)는 저항(R2)을 통해 대전력 스위칭 소자인 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 204)의 게이트에 전달된다. 저항(R2)에 병렬 연결되는 다이오드(D1)는 역전류 방지용이고, IGBT(204)의 에미터에 연결되는 저항(R4)은 션트 저항으로서 에미터에 흐르는 전류를 검출하기 위한 것이다.The second control signal PWM2 of + 15V output through the seventh terminal of the current limiting driver 202 is transmitted to the gate of the IGBT (insulated gate bipolar transistor) 204 which is a large power switching element through the resistor R2. . The diode D1 connected in parallel to the resistor R2 is for preventing reverse current, and the resistor R4 connected to the emitter of the IGBT 204 is for detecting current flowing through the emitter as a shunt resistor.

직류 전압(DC)이 공급되는 IGBT(204)의 콜렉터에는 비드(Bead, 206)와 다이오드(D2)가 직렬 연결된다. 비드(206)는 서지 전류로부터 IGBT(204)를 보호하기 위한 것이고, 다이오드(D2)는 고속 회복 다이오드(Fast Recovery Diode)인데, 규정 치 이상의 전압이 발생하면 다이오드(D2)가 컷-오프되어 IGBT를 보호하게 된다.A bead 206 and a diode D2 are connected in series to the collector of the IGBT 204 to which the DC voltage DC is supplied. The bead 206 is for protecting the IGBT 204 from a surge current, and the diode D2 is a fast recovery diode. When a voltage above a predetermined value occurs, the diode D2 is cut off and the IGBT To protect.

전류 제한 구동부(202)의 7번 단자에서 출력되는 제 2 제어 신호(PWM2)에 의해 IGBT(204)가 온/오프되고, 그 턴 온 타임은 제 2 제어 신호(PWM2)의 듀티 비에 따라 결정된다. 모터(108)에는 IGBT(204)가 턴 온되는 동안에만 전력이 공급되므 로, 결국 모터(108)의 회전 속도는 제 2 제어 신호(PWM2)의 듀티 비 즉 제 1 제어 신호(PWM1)의 듀티 비에 따라 결정됨을 알 수 있다.The IGBT 204 is turned on / off by the second control signal PWM2 output from the terminal 7 of the current limiting driver 202, and its turn on time is determined according to the duty ratio of the second control signal PWM2. do. Since the electric power is supplied to the motor 108 only while the IGBT 204 is turned on, the rotation speed of the motor 108 is the duty ratio of the second control signal PWM2, that is, the duty of the first control signal PWM1. It can be seen that it depends on the ratio.

도 3은 도 2에 나타낸 주요 부분에서의 전기적 신호의 파형들을 나타낸 도면이다. 도 3(A)의 A1은 도 2의 노드(A1)에 나타나는 +15V의 직류 전압(VCC)이고, A2는 도 2의 노드(A2)에 나타나는 제 1 제어 신호(PWM1)의 파형이며, A3은 도 2의 노드(A3)에 나타나는 제 2 제어 신호(PWM2)의 파형이다. 직류 전압(VCC)보다 훨씬 낮은 레벨의 제 1 제어 신호(PWM1)가 전류 제한 구동부(202)를 거치면서 직류 전압(VCC)에 가까운 레벨까지 승압되는 것을 알 수 있다.FIG. 3 is a diagram showing waveforms of electrical signals in the main part shown in FIG. 2. A1 in FIG. 3A is a + 15V DC voltage VCC appearing at node A1 in FIG. 2, A2 is a waveform of the first control signal PWM1 appearing at node A2 in FIG. 2, A3. Is a waveform of the second control signal PWM2 that appears at node A3 in FIG. It can be seen that the first control signal PWM1 having a level much lower than the DC voltage VCC is stepped up to a level close to the DC voltage VCC while passing through the current limiting driver 202.

도 3(B)의 B1은 도 2의 노드(B1)에 나타나는 전압으로서 IGBT(204)의 콜렉터 전압이고, B2는 도 2의 노드(B2)에 나타나는 전압이다. 도 3(B)를 통해 알 수 있듯이, 모터(108)에 공급되는 약 160V 정도의 직류 전압(DC)이 IGBT(204)의 출력 전압(콜렉터 전압)에 의해 초핑(chopping)되어 모터에 공급되며, 이 초핑된 전압의 주기 및 듀티 비에 따라 모터의 회전 속도가 결정된다.B1 in FIG. 3B is a voltage appearing at node B1 in FIG. 2, and is a collector voltage of IGBT 204, and B2 is a voltage appearing at node B2 in FIG. 2. As shown in FIG. 3B, a DC voltage of about 160V supplied to the motor 108 is chopped by the output voltage (collector voltage) of the IGBT 204 and supplied to the motor. The rotation speed of the motor is determined by the period and duty ratio of the chopped voltage.

도 3(C)는 모터(108) 내에서 측정된 전류 및 전압의 파형을 나타낸 것으로서, 모터 전류(308)와, IGBT(204)의 출력 전압(B1)과 같은 듀티 비를 갖는 초핑된 모터 전압(304), 타코 발전기 전압(302)을 나타내었다. 도 3(C)에서 알 수 있듯이, 모터 전압(304)은 IGBT(204)의 출력 전압(B1)과 같은 듀티 비를 갖고, 그 직류 레벨은 직류 전압(DC)과 거의 비슷한 약 160V 정도이다. 다만, 모터 전류(308)는 IGBT(204)의 온/오프 신호와 다른 듀티 비를 갖는다. 이는 인덕터인 코일(L1)에 의해 시간적 전류 지연이 발생하여 위상차가 발생한 것에 기인한다. 타코 발전기 전 압(302)은 모터(108) 내부의 타코 발전기(TACHO Generator)에서 발생되는 전압을 직류로 변환하여 측정한 것으로서, 타코 발전기의 정상 동작 여부를 판단하기위해 측정한 것이다.3 (C) shows waveforms of currents and voltages measured in the motor 108, with the chopping motor voltage having a motor current 308 and a duty ratio equal to the output voltage B1 of the IGBT 204. FIG. 304, taco generator voltage 302 is shown. As can be seen in Fig. 3C, the motor voltage 304 has the same duty ratio as the output voltage B1 of the IGBT 204, and its DC level is about 160V, which is almost similar to the DC voltage DC. However, the motor current 308 has a duty ratio different from the on / off signal of the IGBT 204. This is due to the occurrence of a phase difference due to a time current delay caused by the coil L1 as an inductor. The taco generator voltage 302 is measured by converting the voltage generated from the taco generator (TACHO Generator) inside the motor 108 to direct current, and determines whether the taco generator is in normal operation.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 유니버설 모터 제어 장치는, 초퍼 방식으로 유니버설 모터를 구동함으로써 보다 넓은 속도 가변 범위와 큰 토크를 얻을 수 있도록 한다.The universal motor control apparatus according to the present invention thus made can achieve a wider speed variable range and greater torque by driving the universal motor in a chopper manner.

Claims (4)

펄스 폭 변조 신호 형태의 제 1 제어 신호를 발생시켜 그 듀티 비의 가변을 통해 유니버설 모터의 속도를 가변 제어하기 위한 제어부와;A control unit for generating a first control signal in the form of a pulse width modulated signal and variably controlling the speed of the universal motor by varying its duty ratio; 상기 유니버설 모터로부터 상기 제어부로 역류하는 전류를 차단하고, 상기 제1제어신호를 상기 유니버설 모터로 안정적으로 전달하기 위하여 상기 제 1 제어 신호의 직류 레벨을 미리 정해진 직류 레벨까지 승압시켜 제 2 제어 신호를 발생시키는 제어 신호 처리부와;In order to block the current flowing back from the universal motor to the controller, and to stably transfer the first control signal to the universal motor, the DC level of the first control signal is boosted to a predetermined DC level to generate a second control signal. A control signal processor for generating; 상기 제 2 제어 신호에 의해 온/오프되는 스위칭 소자를 구비하고, 상기 스위칭 소자의 온/오프 동작을 통해 상기 제 2 제어 신호와 동일한 듀티 비의 초핑된 직류 전압이 상기 유니버설 모터에 공급되도록 하는 모터 구동부를 포함하는 유니버설 모터 제어 장치.A motor having a switching element turned on / off by the second control signal, wherein a chopped DC voltage having the same duty ratio as the second control signal is supplied to the universal motor through an on / off operation of the switching element; Universal motor control device including a drive unit. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제어 신호 처리부는 상기 제 1 제어 신호를 상기 미리 정해진 직류 레벨까지 승압시키기 위한 전류 제한 구동부를 포함하는 유니버설 모터 제어 장치.And the control signal processor includes a current limit driver for boosting the first control signal to the predetermined DC level. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스위칭 소자가 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터이고;The switching element is an insulated gate bipolar transistor; 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터가 상기 유니버설 모터의 입력 단자에 연결되는 유니버설 모터 제어 장치.And a collector of the insulated gate bipolar transistor is connected to an input terminal of the universal motor. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터와 상기 유니버설 모터의 입력 단자 사이에 서지 전류로부터 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 보호하기 위한 비드가 연결되는 유니버설 모터 제어 장치.And a bead is connected between the collector of the insulated gate bipolar transistor and the input terminal of the universal motor to protect the insulated gate bipolar transistor from surge current.
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