KR101787273B1 - 모터구동장치 및 그의 단선감지방법 - Google Patents

모터구동장치 및 그의 단선감지방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터의 홀센서의 센서값에 기초하여 상기 모터의 회전자의 위치에 대응한 회전자위치정보신호를 생성하는 위치감지부, 상기 회전자위치정보신호에 기초하여 상기 모터의 회전자의 위치를 변경시키기 위한 PWM 제어신호를 생성하는 제어부, 상기 PWM 제어신호에 기초하여, 3상 PWM 게이트신호를 생성하는 PWM 생성부, 상기 3상 PWM 게이트신호에 기초하여 DC전원신호를 3상 AC신호로 변환하고, 상기 3상 AC신호를 상기 모터의 3상 고정자 권선에 공급하는 인버터부, 및 상기 인버터부와 접지전원 사이의 전류에 대응하는 전류측정신호에 기초하여 단선을 감지하는 고장감지부를 포함하는 모터구동장치를 제공한다.

Description

모터구동장치 및 그의 단선감지방법{MOTOR DRIVING APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING DISCONNECTION OF WIRE OF THE SAME}
본 발명은 모터의 구동을 제어하는 모터구동장치에 관한 것으로, 특히 BLDC 모터(Brush-Less Direct Current motor)의 구동을 제어하는 모터구동장치 및 그와 모터 사이를 연결하는 라인의 단선을 감지하는 방법에 관한 것이다.
BLDC 모터(Brush-Less Direct Current motor)를 구동하는 장치(이하, "모터구동장치"라 함)는 BLDC 모터(이하, "모터"라 함)에 내장된 센서를 통해 회전자의 위치를 감지하고, 회전자의 위치에 기초하여 BLDC 모터의 3상 고정자 권선에 3상 AC신호를 공급한다.
한편, 모터구동장치와 모터 사이를 연결하는 라인의 단선이 발생하는 경우, 모터가 제어에 따라 정상적으로 구동되지 못하는 문제점이 있다. 그리고, DC전원을 공급하는 배터리 및 접지전원 중 어느 하나와 모터구동장치 사이를 연결하는 라인의 단락이 발생하는 경우, 과전류가 발생될 수 있고, 그로 인해 모터 또는 모터구동장치의 고장이 유발될 수 있는 문제점이 있다.
그러나, 기존의 모터구동장치는 라인의 단선을 감지하는 기능을 제공하지 않는 것이 일반적이다.
그리고, 모터의 회전속도와 제어부의 PWM 제어신호에 따른 듀티 제어값에 기초하여 라인의 단선을 감지하는 모터구동장치가 제시된 바 있다. 즉, 기존에 제시된 모터구동장치는 PWM 제어신호에 따른 듀티 제어값이 0%를 초과함에도 불구하고, 모터의 회전속도가 0rpm인 경우에, 단선불량이 발생된 것으로 감지한다.
이 경우, 모터의 회전속도가 0rpm인 때에만 단선을 진단할 수 있는 문제점이 있다. 즉, 모터는 두 개의 고정자 권선에 공급되는 AC신호만으로도 구동될 수 있으므로, 다른 나머지 하나의 고정자 권선에 발생된 단선불량이 감지될 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 모터가 구동중인 경우에도 단선불량을 감지할 수 있는 모터구동장치 및 그의 단선감지방법이 필요하다.
본 발명은 모터가 구동중인 경우에도 단선을 감지할 수 있는 모터구동장치 및 그의 단선감지방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 단선을 감지하는 것에 대한 신뢰도 및 정확도를 향상시킬 수 있는 모터구동장치 및 그의 단선감지방법을 제공한다.
또한 본 발명은 모터의 어느 고정자 권선에 연결된 라인에서 발생된 단선인지를 감지할 수 있는 모터구동장치 및 그의 단선감지방법을 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 모터의 홀센서의 센서값에 기초하여 상기 모터의 회전자의 위치에 대응한 회전자위치정보신호를 생성하는 위치감지부, 상기 회전자위치정보신호에 기초하여 상기 모터의 회전자의 위치를 변경시키기 위한 PWM 제어신호를 생성하는 제어부, 상기 PWM 제어신호에 기초하여, 3상 PWM 게이트신호를 생성하는 PWM 생성부, 상기 3상 PWM 게이트신호에 기초하여 DC전원신호를 3상 AC신호로 변환하고, 상기 3상 AC신호를 상기 모터의 3상 고정자 권선에 공급하는 인버터부, 및 상기 인버터부와 접지전원 사이의 전류에 대응하는 전류측정신호에 기초하여 단선을 감지하는 고장감지부를 포함하는 모터구동장치를 제공한다.
상기 고장감지부는 상기 인버터부와 상기 접지전원 사이에 연결되고, 상기 전류측정신호를 생성하는 전류센서, 상기 전류측정신호와 소정의 임계신호에 기초하여 센싱신호를 출력하는 비교기, 및 상기 센싱신호와 상기 PWM 제어신호에 기초하여 상기 단선의 발생 여부를 감지하고, 상기 단선을 감지하면 단선감지신호를 출력하는 단선감지부를 포함한다.
상기 비교기는 상기 전류측정신호가 상기 임계신호보다 크면 제 1 전압레벨의 센싱신호를 출력하고, 상기 전류측정신호가 상기 임계신호보다 작으면 제 2 전압레벨의 센싱신호를 출력하도록, 히스테리시스 특성을 포함한다.
상기 단선감지부는 적어도 하나의 구동스텝에서, 상기 센싱신호의 주파수가 상기 PWM 제어신호에 따른 상기 3상 AC신호의 주파수와 상이하면, 상기 단선감지신호를 출력한다.
상기 제어부는 상기 단선감지부가 어느 두 개의 구동스텝에서 상기 단선감지신호를 출력하면, 상기 모터의 3상 고정자 권선 중 상기 두 개의 구동스텝에 대응하는 어느 하나의 고정자 권선에 연결되는 라인에서 단선이 발생된 것으로 감지한다.
상기 고장감지부는 상기 전류측정신호 중 임계 이상의 크기를 갖는 신호를 출력하는 필터, 상기 필터의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 컨버터, 및 상기 컨버터의 출력신호에 기초하여 과전류불량의 발생여부를 감지하고, 상기 과전류불량을 감지하면 과전류감지신호를 출력하는 과전류감지부를 더 포함한다. 이때, 상기 단선감지신호와 상기 과전류감지신호가 모두 출력되는 경우, 상기 제어부는 상기 과전류감지신호에 기초하여 상기 과전류불량이 발생된 것으로 감지한다.
상기 인버터부는 제 1 사이드에 배치되고, 상기 모터의 3상 고정자 권선 각각과 상기 DC전원신호를 공급하는 노드 사이에 연결되는 세 개의 스위치, 및 제 2 사이드에 배치되고, 상기 모터의 3상 고정자 권선 각각과 상기 접지전원 사이에 연결되는 세 개의 스위치를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 사이드에 배치된 여섯 개의 스위치는 3상 브릿지 접속된다. 이때, 상기 전류센서는 상기 제 2 사이드에 배치된 세 개의 스위치와 상기 접지전원 사이에 연결되는 션트저항으로 이루어진다.
상기 제어부는 상기 단선감지신호에 기초하여, 사용자에게 상기 단선의 발생을 표시하기 위한 알람표시제어신호를 생성하고, 사용자의 입력에 기초하여 상기 PWM 제어신호의 생성을 중지한다.
그리고, 본 발명은 PWM 제어신호에 따른 3상 PWM 게이트신호에 기초하여 모터의 3상 고정자 권선에 3상 AC신호를 공급하는 인버터부를 포함한 모터구동장치가 단선을 감지하는 방법을 더 제공한다.
단선감지방법은 상기 인버터부와 접지전원 사이의 전류에 대응하는 전류측정신호를 생성하는 단계, 상기 전류측정신호와 소정의 임계신호에 기초하여 센싱신호를 생성하는 단계, 및 적어도 하나의 구동스텝에서 상기 센싱신호의 주파수가 상기 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호의 주파수와 상이하면, 단선감지신호를 출력하는 단계를 포함한다.
상기 센싱신호를 생성하는 단계에서, 히스테리시스 특성에 기초하여, 상기 전류측정신호가 상기 임계신호보다 크면 제 1 전압레벨의 센싱신호가 출력되고, 상기 전류측정신호가 상기 임계신호보다 작으면 제 2 전압레벨의 센싱신호가 출력된다.
상기 단선감지방법은 어느 두 개의 구동스텝에서 상기 단선감지신호가 출력되면, 상기 모터의 3상 고정자 권선 중 상기 두 개의 구동스텝에 대응하는 어느 하나의 고정자 권선에 단선이 발생된 것으로 감지하는 단계를 더 포함한다.
상기 단선감지방법은 상기 전류측정신호가 소정의 임계크기보다 크면, 과전류감지신호를 출력하는 단계, 및 상기 단선감지신호와 상기 과전류감지신호가 모두 출력되면, 상기 과전류감지신호에 기초하여 과전류불량이 발생된 것으로 감지하는 단계를 더 포함한다.
상기 단선감지방법은 상기 단선감지신호에 기초하여, 사용자에게 상기 단선의 발생을 표시하는 단계, 및 상기 사용자의 입력에 기초하여 상기 PWM 제어신호의 생성을 중지하는 단계를 더 포함한다.
전술한 바와 같은 모터구동장치는 인버터부와 접지전원 사이의 전류에 대응하는 전류측정신호 및 제어부에 의한 PWM 제어신호에 기초하여 단선의 발생 여부를 감지함에 따라, 모터가 구동중인 경우에도 단선을 감지할 수 있다.
그리고, 모터구동장치는 히스테리시스 특성을 갖는 비교기를 이용하여 전류측정신호와 소정의 임계신호에 대응하는 센싱신호를 생성하고, 센싱신호의 주파수와 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호의 주파수에 기초하여 단선을 감지함에 따라, 전류측정신호에 기초하여 단선을 감지하는 것에 비해, 단선의 감지에 대한 신뢰도 및 정확도가 향상될 수 있다.
또한, 모터구동장치는 어느 두 개의 구동스텝에서 단선감지신호가 출력되는 것을 감지하고, 두 개의 구동스텝에 대응하는 고정자 권선을 검출함으로써, 두 개의 구동스텝에 대응하는 고정자 권선에서 단선이 발생된 것을 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터구동장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1의 인버터부 및 고장감지부의 세부구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 1의 모터구동장치가 단선을 감지하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 표 2의 제 1 구동스텝 중 PWM 게이트신호에 의해 제 1 스위치가 턴온된 상태일 경우의 전류흐름을 나타낸 도면이다.
도 5는 표 2의 제 1 구동스텝 중 PWM 게이트신호에 의해 제 1 스위치가 턴오프된 상태일 경우의 전류흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 정상상태 및 단선상태의 센싱신호를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고장감지부의 세부구성을 나타낸 블록도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터구동장치 및 그의 단선감지방법에 대해 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터구동장치를 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1의 인버터부 및 고장감지부의 세부구성을 나타낸 블록도이다. 도 3은 도 1의 모터구동장치가 단선을 감지하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터구동장치(100)는 3상 AC신호를 모터(200)의 3상 고정자 권선(미도시)에 공급하여 모터(200)를 구동한다.
모터(200)는 브러쉬리스 직류 모터(Brush-Less Direct Current motor; BLDC motor; BLDC 모터)이다. BLDC 모터(200)는 브러쉬 구조를 제거한 DC모터로서, 브러쉬 구조를 포함하지 않는 대신, 영구자석으로 이루어진 회전자의 위치를 검출하기 위한 홀센서(210)를 구비한다. 여기서, 홀센서(210)는 3상 고정자 권선(미도시) 각각에 한 개 이상 배치될 수 있다.
모터구동장치(100)는 모터(200)의 회전자(미도시)의 위치에 대응한 회전자위치정보신호를 생성하는 위치감지부(110), 회전자위치정보신호에 기초하여 모터(200)의 회전자의 위치를 변경시키기 위한 PWM 제어신호를 생성하는 제어부(120), PWM 제어신호에 기초하여 3상 PWM 게이트신호를 생성하는 PWM 생성부(130), 3상 PWM 게이트신호에 기초하여 DC전원으로부터 공급되는 DC전원신호를 3상 AC신호로 변환하는 인버터부(140), 및 인버터부(140)에 발생된 전류에 대응하는 전류측정신호에 기초하여 단선을 감지하는 고장감지부(150)를 포함한다.
위치감지부(110)는 모터(200)의 홀센서(210)로부터 센서값을 수신하고, 홀센서(210)의 센서값에 기초하여, 모터(200)의 회전자(미도시)의 위치에 대응하는 회전자위치정보신호를 생성한다. 이때, 회전자위치정보신호는 모터(200)의 3상 고정자 권선에 대한 회전자의 위치를 나타낼 수 있다.
제어부(120)는 회전자위치정보신호에 기초하여 모터(200)의 회전자의 위치를 변경시키기 위한 PWM 제어신호를 생성한다.
즉, 제어부(120)는 회전자위치정보신호에 기초하여, 모터(200)의 회전자의 현재 위치를 감지하고, 현재 위치에 대응하는 다음 구동스텝을 판정한다. 그리고, 제어부(120)는 다음 구동스텝 및 외부 지령에 기초하여 모터(200)의 회전자를 현재 위치에서 다음 위치로 변경하기 위한 PWM 제어신호를 생성한다.
PWM 생성부(130)는 PWM 제어신호에 기초하여 3상 PWM 게이트신호를 생성한다. 여기서, 3상 PWM 게이트신호는 인버터부(140)에 구비된 복수의 스위치에 공급되는 게이트신호들을 포함한다.
인버터부(140)는 각 구동스텝 동안 3상 PWM 게이트신호에 기초하여 턴온-턴오프하는 복수의 스위치들을 포함한다.
즉, 인버터부(140)는 3상 PWM 게이트신호에 기초하여 턴온-턴오프하는 복수의 스위치에 의해, DC전원으로부터 공급되는 DC전원신호를 3상 AC신호로 변환한다. 그리고, 인버터부(140)는 PWM 제어신호에 대응하는 3상 PWM 게이트신호에 따라 생성된 3상 AC신호를 모터(200)의 3상 고정자 권선에 공급한다.
고장감지부(150)는 인버터부(140)와 접지전원(미도시) 사이의 전류에 대응하는 전류측정신호를 생성하고, 전류측정신호에 기초하여 단선의 발생여부를 감지하고 단선을 감지하면 단선감지신호를 출력한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 인버터부(140)는 PWM 생성부(130)로부터 공급된 3상 PWM 게이트신호에 기초하여 턴온-턴오프하는 복수의 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6)를 포함한다.
구체적으로, 모터(200)는 소정의 위상차로 배치되는 3상 고정자 권선(221, 222, 223), 및 N극과 S극을 포함한 영구자석으로 이루어지는 회전자(미도시)를 포함한다. 이때, 회전자는 어느 두 개의 고정자 권선을 포함하는 경로의 전류 흐름에 대응하는 전자기력으로 인해 회전한다.
이에, 3상 고정자 권선(221, 222, 223)에 대한 회전자의 위치에 따라 여섯 개의 구동스텝이 발생될 수 있다.
그러므로, 제어부(120)는 각 구동스텝에 대응하는 PWM 제어신호를 생성한다.
PWM 생성부(130)는 PWM 제어신호에 기초하여, 인버터부(140)에 구비된 복수의 스위치를 각 구동스텝 동안 선택적으로 턴온-턴오프하거나 턴온-턴오프를 반복하도록 구동하기 위한 3상 PWM 게이트신호를 생성한다.
인버터부(140)는 3상 PWM 게이트신호에 기초하여, U상 고정자 권선(221), V상 고정자 권선(222) 및 W상 고정자 권선(223) 중 어느 두 개를 경유하는 전류 흐름을 발생시키는 3상 AC신호를 공급한다.
구체적으로, 인버터부(140)는 하이사이드(HIGH SIDE)에 배치되는 세 개의 스위치(Q1, Q3, Q5), 및 로우사이드(LOW SIDE)에 배치되는 세 개의 스위치(Q2, Q4, Q6)를 포함한다.
하이사이드(HS; HIGH SIDE)에 배치되는 세 개의 스위치(Q1, Q3, Q5)는 모터(200)의 U상, V상 및 W상 고정자 권선(221, 222, 223) 각각과 DC전원신호를 공급하는 노드(VDD) 사이에 연결된다.
로우사이드(LS; LOW SIDE)에 배치되는 세 개의 스위치(Q2, Q4, Q6)는 모터(200)의 U상, V상 및 W상 고정자 권선(221, 222, 223) 각각과 접지전원(GND) 사이에 연결된다.
그리고 하이사이드(HS) 및 로우사이드(LS)에 배치되는 여섯 개의 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6)는 3상 브릿지 접속된다.
즉, DC전원신호를 공급하는 노드(VDD)와 접지전원(GND) 사이에 직렬 연결되는 제 1 스위치(Q1)와 제 4 스위치(Q2) 사이의 노드(n1)는 모터(200)의 U상의 고정자 권선(221)에 연결된다.
DC전원신호를 공급하는 노드(VDD)와 접지전원(GND) 사이에 직렬 연결되는 제 3 스위치(Q3)와 제 6 스위치(Q6) 사이의 노드(n2)는 모터(200)의 V상의 고정자 권선(222)에 연결된다.
DC전원신호를 공급하는 노드(VDD)와 접지전원(GND) 사이에 직렬 연결되는 제 5 스위치(Q5)와 제 2 스위치(Q2) 사이의 노드(n3)는 모터(200)의 W상의 고정자 권선(223)에 연결된다.
그리고, 도 2에 도시한 바와 같이, 고장감지부(150)는 인버터부(140)에 연결되는 전류센서(151), 전류센서(151)에 의한 전류측정신호와 소정의 임계신호에 기초하여 센싱신호를 출력하는 비교기(152), 및 센싱신호와 PWM 제어신호에 기초하여 단선의 발생여부를 감지하고 단선을 감지하면 단선감지신호를 출력하는 단선감지부(153)를 포함한다.
그리고, 고장감지부(150)는 전류센서(151)와 비교기(152) 사이에 배치되고, 전류센서(151)에 의한 전류측정신호를 증폭하는 증폭기(154)를 더 포함할 수 있다.
전류센서(151)는 인버터부(140)의 로우사이드(LS)에 배치된 세 개의 스위치(Q2, Q4, Q6)와 접지전원(GND) 사이에 배치된다. 이러한 전류센서(151)는 션트저항으로 이루어질 수 있다.
이때, 전류측정신호는 전류센서(151)와 인버터부(140) 사이의 노드(n4)에 대응된다.
전류센서(151)에 의해 생성된 전류측정신호는 증폭기(154)에 의해 증폭되고, 비교기(152)의 포지티브 입력단자(+)에 입력된다.
그리고, 비교기(152)의 네거티브 입력단자(-)에는 임계신호가 입력된다. 여기서, 임계신호는 전류센서(151)와 접지전원(GND) 사이의 노드(n5)에 대응될 수 있다.
비교기(152)는 히스테리시스 특성을 포함한다.
즉, 비교기(152)는 전류측정신호가 임계신호보다 크면 제 1 전압레벨의 센싱신호를 출력하고, 전류측정신호가 임계신호보다 작으면 제 2 전압레벨의 센싱신호를 출력한다. 이때, 임계신호는 전류센서의 저항성분에 대응할 수 있다.
일 예로, 비교기(152)는 전류측정신호가 입력되는 포지티브 입력단자(+)와 임계신호가 입력되는 네거티브 입력단자(-)를 포함하고 포지티브 입력단자(+)와 네거티브 입력단자(-) 중 큰 값을 출력하는 연산기(IC), 연산기(IC)의 포지티브 입력단자(+)에 연결되는 제 1 저항(R1) 및 연산기(IC)의 출력단자와 포지티브 입력단자(+) 사이에 연결되는 제 2 저항(R2)를 포함하는 회로로 이루어질 수 있다.
즉, 비교기(152)는 출력전압을 포지티브 입력단자(+)로 정궤환하는 제 2 저항(R2)을 포함한다. 이로써, 연산기(IC)의 포지티브 입력단자(+)에 입력되는 노이즈의 영향이 감소될 수 있다.
단선감지부(153)는 비교기(152)에서 출력되는 센싱신호와 PWM 제어신호에 기초하여 단선감지신호를 출력한다.
이와 같이, 히스테리시스 특성을 갖는 비교기(152)에 의해, 전류측정신호의 하이레벨과 로우레벨이 더욱 분명하게 분리된 센싱신호가 생성될 수 있다.
그러므로, 단선감지부(153)가 전류측정신호를 그대로 이용하는 경우보다 센싱신호를 이용하는 경우에, 전류측정신호의 주파수를 더욱 명확하게 감지할 수 있다. 그러므로, 단선감지부(153)가 단선을 감지하는 것에 대한 정확도 및 신뢰도가 향상될 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 고장감지부(150)를 포함하는 모터구동장치(100)가 단선을 감지하는 방법은 인버터부(도 2의 140)와 접지전원(GND) 사이의 전류에 대응하는 전류측정신호를 생성하는 단계(S10), 전류측정신호와 소정의 임계신호에 기초하여 센싱신호를 생성하는 단계(S20), 및 센싱신호와 PWM 제어신호에 기초하여 단선감지신호를 출력하는 단계(S30)를 포함한다.
그리고, 단선을 감지하는 방법은 단선감지신호에 기초하여 단선의 발생을 표시하는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다.
또한, 단선을 감지하는 방법은 단선의 발생을 표시(S40)한 이후에, 사용자의 입력에 기초하여 PWM 제어신호의 생성을 중지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 전류측정신호를 생성하는 단계(S10)에서, 인버터부(140)의 로우사이드(LS)에 배치된 세 개의 스위치와 접지전원(GND) 사이에 배치된 전류센서(151)에 의해 전류측정신호가 생성된다.
센싱신호를 생성하는 단계(S20)에서, 비교기(152)에 의해 전류측정신호와 소정의 임계신호에 대응하는 센싱신호가 생성된다.
이때, 비교기(152)는 히스테리시스 특성을 포함함에 따라, 센싱신호를 생성하는 단계(S20)에서, 전류측정신호가 임계신호보다 크면 제 1 전압레벨의 센싱신호가 생성되고, 전류측정신호가 임계신호보다 작으면 제 2 전압레벨의 센싱신호가 생성된다. 이에, 센싱신호를 이용하면, 전류측정신호를 이용하는 경우에 비해, 펄스의 유무가 더욱 명확하게 판정될 수 있으므로, 주파수를 감지하는 것에 대한 신뢰도 및 정확도가 향상될 수 있다.
단선감지신호를 출력하는 단계(S30)에서, 단선감지부(153)는 센싱신호의 주파수가 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호의 주파수와 상이하면, 단선감지신호를 출력한다.
이때, 단선감지부(153)가 어느 두 개의 구동스텝에서 단선감지신호를 출력하면, 제어부(120)는 모터(200)의 3상 고정자 권선(221, 222, 223) 중 두 개의 구동스텝에 대응하는 어느 하나의 고정자 권선에 단선이 발생된 것으로 감지한다.
달리 설명하면, 단선감지부(153)는 센싱신호의 주파수가 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호의 주파수와 동일하면, 모터(200)가 인버터부(140)로부터 정상적으로 구동전원을 공급받는 상태라고 간주하고, 모터(200)와 인버터부(140) 사이의 결선에 이상이 없는 것으로 판단한다.
그러나, 단선감지부(153)는 센싱신호의 주파수가 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호의 주파수와 상이하면, 모터(200)가 인버터부(140)로부터 정상적으로 구동전원을 공급받지 못하는 상태라고 간주하고, 모터(200)와 인버터부(140) 사이의 결선에 단선이 발생된 것으로 판단한다. 이와 같이 단선을 감지하면, 단선감지부(153)는 단선감지신호를 출력한다.
그리고, 제어부(120)는 단선감지신호에 기초하여, 사용자에게 단선의 발생을 표시하기 위한 단선표시신호를 표시부(미도시)에 전달하고, 사용자의 입력에 기초하여 PWM 제어신호의 생성을 중지한다. 즉, 제어부(120)는 단선감지신호를 수신하더라도, 사용자의 입력이 있기 전까지 PWM 제어신호의 생성을 계속하여 모터(200)의 구동을 유지한다.
달리 설명하면, 이하에서는 구체적인 예시를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터구동장치(100)가 단선을 감지하는 것에 대해 설명한다.
앞서 언급한 바와 같이, 모터(200)가 세 개의 고정자 권선을 포함하는 경우, 세 개의 고정자 권선에 대한 회전자의 N극 및 S극의 위치에 따라, 여섯 개의 구동스텝이 발생된다.
표 1은 회전자(미도시)의 위치에 따른 여섯 개의 구동스텝을 나타낸 것이다. 표 1에서, 화살표는 도 2에 도시한 세 개의 고정자 권선(U, V, W)에 대한 회전자의 위치를 나타내고, 화살표의 화살촉은 회전자의 N극이 배치된 방향을 나타낸다.
구동스텝 1 2 3 4 5 6
회전자의
위치		 (↙)
V상에
N극 배치 		(↓)
U상에
S극 배치 		(↘)
W상에
N극 배치		 (↗)
V상에
S극 배치		 (↑)
U상에
N극 배치		 (↖)
W상에
S극 배치
표 1에 나타낸 바와 같이, 제 1, 제 3 및 제 5 구동스텝은 회전자의 N극이 V상의 고정자 권선(222), W상의 고정자 권선(223), 및 U상의 고정자 권선(221)을 향하도록 위치하는 경우이다. 그리고, 제 2, 제 4 및 제 6 구동스텝은 회전자의 S극이 U상의 고정자 권선(221), V상의 고정자 권선(222) 및 W상의 고정자 권선(223)을 향하도록 위치하는 경우이다.
이러한 표 1에 따르면, 제 1 내지 제 6 구동스텝의 순서로 실시되는 경우, 회전자는 반시계방향으로 회전한다.
아래의 표 2는 여섯 개의 구동스텝에 대응하는 3상 PWM 게이트신호에 대한 예시이다. 표 2는 각 구동스텝 동안 로우사이드(LS)의 스위치를 ON-OFF 제어하고, 하이사이드(HS)의 스위치를 소정의 주파수로 ON-OFF를 반복하도록 제어하는 경우에 관한 것이다. 다만, 표 2는 단지 각 구동스텝의 3상 PWM 게이트신호에 대한 예시일 뿐이며, 설계자의 의도 및 모터의 특성에 따라 각 구동스텝의 3상 PWM 게이트신호를 표 2와 다르게 변경하는 것은 얼마든지 가능하다.
구동스텝 1 2 3 4 5 6
회전자의
위치		 (↙)
V상에
N극 배치 		(↓)
U상에
S극 배치 		(↘)
W상에
N극 배치		 (↗)
V상에
S극 배치		 (↑)
U상에
N극 배치		 (↖)
W상에
S극 배치
HS Q1 Q3 Q5 Q1 Q3 Q5 Q1 Q3 Q5 Q1 Q3 Q5 Q1 Q3 Q5 Q1 Q3 Q5
PWM - - PWM - - - PWM - - PWM - - - PWM - - PWM
LS Q4 Q6 Q2 Q4 Q6 Q2 Q4 Q6 Q2 Q4 Q6 Q2 Q4 Q6 Q2 Q4 Q6 Q2
- ON - - - ON - - ON ON - - ON - - - ON -
표 2에서, "ON"은 각 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6)를 턴온시키는 제 1 레벨의 게이트신호를 나타내고, "-"는 각 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6)를 턴오프시키는 제 2 전압레벨의 게이트신호를 나타낸다. 그리고 표 1에서, "PWM"은 PWM 제어신호에 따른 주파수를 갖고 PWM 제어신호에 따른 듀티비로 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation)되며, 제 1 및 제 2 전압레벨이 교번하는 펄스형태로 이루어진 게이트신호를 나타낸다.
일 예로, 표 2의 제 1 구동스텝은 회전자가 N극이 V상의 고정자 권선(222)을 향하도록 위치하는 경우이다. 이를 위해, 제 1 구동스텝 동안, U상의 고정자 권선(221)에 연결된 하이사이드(HS)의 제 1 스위치(Q1)에 펄스폭변조된 펄스형태로 이루어진 PWM 게이트신호(PWM)가 공급되고, V상의 고정자 권선(222)에 연결된 로우사이드(LS)의 제 6 스위치(Q6)에 제 1 전압레벨의 게이트신호(ON)가 공급된다. 이때, 제 1 구동스텝 동안, 제 1 스위치(Q1)는 PWM 게이트신호에 기초하여, PWM 제어신호에 따른 주파수로 턴온-턴오프를 반복한다.
도 4는 표 2의 제 1 구동스텝 중 PWM 게이트신호에 의해 제 1 스위치가 턴온된 상태일 경우의 전류흐름을 나타낸 도면이고, 도 5는 표 2의 제 1 구동스텝 중 PWM 게이트신호에 의해 제 1 스위치가 턴오프된 상태일 경우의 전류흐름을 나타낸 도면이다. 그리고, 도 6은 정상상태 및 단선상태의 센싱신호를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 표 2의 제 1 구동스텝 중 PWM 게이트신호가 제 1 전압레벨일 때, 제 1 전압레벨의 게이트신호(표 2의 ON)에 기초하여 제 6 스위치가 턴온한 상태에서, PWM 게이트신호에 기초하여 제 1 스위치(Q1)가 턴온된다.
이 경우, 턴온한 제 1 스위치(Q1) 및 제 6 스위치(Q6)를 통해 DC전원신호를 공급하는 노드(VDD), 제 1 스위치(Q1), U상 고정자 권선(221), V상 고정자 권선(222), 제 6 스위치(Q6), 고장감지부(150)의 전류센서(151) 및 접지전원(GND)를 포함하는 제 1 전류경로(CP1)가 발생된다.
이때, 제 1 전류경로(CP1)는 고장감지부(150)의 전류센서(151)를 포함하므로, 전류센서(151)에 의한 전류측정신호가 비교기(152)에 입력된다. 이로써, 비교기(152)는 하이레벨의 센싱신호를 출력한다.
반면, 도 5에 도시한 바와 같이, 제 1 구동스텝 중 PWM 게이트신호가 제 2 전압레벨일 때, 제 1 전압레벨의 게이트신호(표 2의 ON)에 기초하여 제 6 스위치가 턴온한 상태에서, PWM 게이트신호에 기초하여 제 1 스위치(Q1)가 턴오프된다.
이 경우, 로우사이드(LS) 중 V상 고정자 권선(222)에 연결된 제 4 스위치(Q4)와 병렬로 연결되는 제 4 다이오드(D4)와 턴온한 제 6 스위치(Q6)를 통해, U상 고정자 권선(221), V상 고정자 권선(222), 제 6 스위치(Q6), 제 4 다이오드(D4) 및 U상 고정자 권선(221)를 포함하는 폐회로의 제 2 전류경로(CP2)가 발생된다.
이때, 제 2 전류경로(CP2)는 고장감지부(150)의 전류센서(151)를 포함하지 않으므로, 전류센서(151)에 의한 전류측정신호가 비교기(152)에 입력되지 않는다. 이로써, 비교기(152)는 로우레벨의 센싱신호를 출력한다.
그러므로, 도 6에 도시한 바와 같이, 모터구동장치(100)와 모터(200) 사이의 결선이 단선 등의 이상이 없는 정상상태경우, 각 구동스텝에서, 센싱신호는 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호와 동일한 주파수를 갖는다.
도 6에 도시된 "PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호"는 실제 모터(200)에 공급되는 구동전류가 아니라, 제어부(120)에 의한 PWM 제어신호로 도출되는 3상 AC신호를 나타낸다.
이때, 단선감지부(153)는 센싱신호의 주파수가 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호의 주파수와 동일하므로, 단선감지신호를 출력하지 않는다.
반면, 모터구동장치(100)와 모터(200) 사이의 결선이 단선상태인 경우, 각 구동스텝에서, 센싱신호는 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호와 상이한 주파수를 갖는다.
즉, 모터구동장치(100)와 모터(200) 사이의 결선에 단선이 발생되면, 제어부(120)에 의한 PWM 제어신호에 대응하지 않는 전류경로의 신호가 발생된다.
일 예로, 하이사이드(HS)의 제 5 스위치(Q5)와 W상 고정자 권선(223) 사이에 단선이 발생된 상태라면, PWM 제어신호에 따른 3상 PWM 게이트신호에 의해 제 5 스위치(Q5)가 턴온하더라도, 턴온한 제 5 스위치(Q5)를 통한 DC전원신호를 공급하는 노드(VDD)와 W상 고정자 권선(223) 사이의 전류경로가 발생될 수 없다.
이에, 도 6에 도시한 바와 같이, 센싱신호의 주파수가 0이 된다.
그러므로, 단선감지부(153)는 센싱신호의 주파수가 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호의 주파수와 상이하므로, 단선감지신호를 출력한다.
특히, 위 예시와 같이, 하이사이드(HS)의 제 5 스위치(Q5)와 W상 고정자 권선(223) 사이에 단선이 발생된 상태라면, 제 5 스위치(Q5)에 PWM 게이트신호를 공급하는 제 5 및 제 6 구동스텝 동안, 센싱신호는 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호와 상이한 주파수를 갖는다. 이에, 단선감지부(153)는 제 5 및 제 6 구동스텝 동안 단선감지신호를 계속해서 출력한다.
이 경우, 제어부(120)는 제 5 및 제 6 구동스텝 동안 단선감지부(153)의 단선감지신호를 수신하는 것에 대응하여, 제 5 및 제 6 구동스텝 동안 PWM 게이트신호를 공급하는 제 5 스위치(Q5)와 연결된 W상 고정자 권선(223)에 단선이 발생된 것을 감지할 수 있다.
이와 같이, 단선감지부(153)가 어느 두 개의 구동스텝 동안 단선감지신호를 출력하면, 제어부(120)는 두 개의 구동스텝에 대응하는 상의 고정자 권선에 단선이 발생된 것을 감지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 고장감지부(150)는 전류측정신호에 기초하여 단선의 발생여부를 감지한다.
이와 달리, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고장감지부는 전류측정신호에 기초하여 과전류불량의 발생여부를 더 감지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고장감지부의 세부구성을 나타낸 블록도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고장감지부(150')는 전류센서(151)에 의한 전류측정신호를 필터링하는 필터(155), 필터(155)의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 컨버터(156) 및 컨버터(156)의 출력신호에 기초하여 과전류불량의 발생여부를 감지하고 과전류불량을 감지하면 과전류감지신호를 출력하는 과전류감지부(157)를 더 포함하는 것을 제외하면, 도 1 내지 도 6에 도시한 일 실시예와 동일하므로, 이하에서 중복 설명을 생략한다.
그리고, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고장감지부(150')는 전류센서(151)와 필터(155) 사이에 배치되고 전류센서(151)에 의한 전류측정신호를 증폭하는 증폭기(158)를 더 포함할 수 있다.
필터(155)는 전류센서(151)에 의해 생성되고 증폭기(158)에 의해 증폭된 전류측정신호 중 임계 이상의 크기를 갖는 신호를 출력한다. 즉, 필터(155)는 전류측정신호 중에서 모터구동장치(100)의 각 부품 또는 모터(200)가 정상적으로 구동 가능한 임계 크기보다 큰 신호를 통과시킨다.
그리고, 컨버터(156)는 필터(155)의 출력신호를 디지털신호로 변환한다.
과전류감지부(157)는 컨버터(156)의 출력신호에 기초하여, 과전류불량의 발생여부를 감지하고, 과전류불량을 감지하면 과전류감지신호를 출력한다.
만일, 단선감지부(153)가 단선감지신호를 출력하고, 과전류감지부(157)가 과전류감지신호를 출력하는 경우가 있을 수 있다. 이와 같이, 단선감지신호와 과전류감지신호가 모두 출력되는 경우, 제어부(120)는 과전류감지신호에 기초하여 과전류불량이 발생된 것으로 감지한다. 즉, 제어부(120)는 단선보다, 과전류불량을 우선적으로 감지한다. 이는 과전류불량으로 인한 부품의 손상 위험성이 단선보다 높고, 단선이 발생하더라도 모터(200)의 구동이 가능할 수 있기 때문이다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100: 모터구동장치 200: 모터
110: 위치감지부 120: 제어부
130: PWM 생성부 140: 인버터부
150: 고장감지부 151: 전류센서
152: 비교기 153: 단선감지부

Claims (13)

  1. 모터의 홀센서의 센서값에 기초하여 상기 모터의 회전자의 위치에 대응한 회전자위치정보신호를 생성하는 위치감지부;
    상기 회전자위치정보신호에 기초하여 상기 모터의 회전자의 위치를 변경시키기 위한 PWM 제어신호를 생성하는 제어부;
    상기 PWM 제어신호에 기초하여, 3상 PWM 게이트신호를 생성하는 PWM 생성부;
    상기 3상 PWM 게이트신호에 기초하여 DC전원신호를 3상 AC신호로 변환하고, 상기 3상 AC신호를 상기 모터의 3상 고정자 권선에 공급하는 인버터부; 및
    상기 인버터부와 접지전원 사이의 전류에 대응하는 전류측정신호에 기초하여 단선을 감지하는 고장감지부를 포함하고,
    상기 고장감지부는
    상기 인버터부와 상기 접지전원 사이에 연결되고, 상기 전류측정신호를 생성하는 전류센서;
    상기 전류측정신호와 소정의 임계신호에 기초하여 센싱신호를 출력하는 비교기; 및
    상기 센싱신호와 상기 PWM 제어신호에 기초하여 상기 단선의 발생 여부를 감지하고, 상기 단선을 감지하면 단선감지신호를 출력하는 단선감지부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 단선감지부가 어느 두 개의 구동스텝에서 상기 단선감지신호를 출력하면, 상기 모터의 3상 고정자 권선 중 상기 두 개의 구동스텝에 대응하는 어느 하나의 고정자 권선에 연결되는 라인에서 단선이 발생된 것으로 감지하는 모터구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비교기는 상기 전류측정신호가 상기 임계신호보다 크면 제 1 전압레벨의 센싱신호를 출력하고, 상기 전류측정신호가 상기 임계신호보다 작으면 제 2 전압레벨의 센싱신호를 출력하도록, 히스테리시스 특성을 포함하는 모터구동장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단선감지부는 적어도 하나의 구동스텝에서, 상기 센싱신호의 주파수가 상기 PWM 제어신호에 따른 상기 3상 AC신호의 주파수와 상이하면, 상기 단선감지신호를 출력하는 모터구동장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고장감지부는
    상기 전류측정신호 중 임계 이상의 크기를 갖는 신호를 출력하는 필터;
    상기 필터의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 컨버터; 및
    상기 컨버터의 출력신호에 기초하여 과전류불량의 발생여부를 감지하고, 상기 과전류불량을 감지하면 과전류감지신호를 출력하는 과전류감지부를 더 포함하는 모터구동장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단선감지신호와 상기 과전류감지신호가 모두 출력되는 경우, 상기 제어부는 상기 과전류감지신호에 기초하여 상기 과전류불량이 발생된 것으로 감지하는 모터구동장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터부는
    제 1 사이드에 배치되고, 상기 모터의 3상 고정자 권선 각각과 상기 DC전원신호를 공급하는 노드 사이에 연결되는 세 개의 스위치; 및
    제 2 사이드에 배치되고, 상기 모터의 3상 고정자 권선 각각과 상기 접지전원 사이에 연결되는 세 개의 스위치를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 사이드에 배치된 여섯 개의 스위치는 3상 브릿지 접속되며,
    상기 전류센서는 상기 제 2 사이드에 배치된 세 개의 스위치와 상기 접지전원 사이에 연결되는 션트저항으로 이루어지는 모터구동장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 단선감지신호에 기초하여, 사용자에게 상기 단선의 발생을 표시하기 위한 알람표시제어신호를 생성하고,
    사용자의 입력에 기초하여 상기 PWM 제어신호의 생성을 중지하는 모터구동장치.
  9. PWM 제어신호에 따른 3상 PWM 게이트신호에 기초하여 모터의 3상 고정자 권선에 3상 AC신호를 공급하는 인버터부를 포함한 모터구동장치가 단선을 감지하는 방법에 있어서,
    상기 인버터부와 접지전원 사이의 전류에 대응하는 전류측정신호를 생성하는 단계;
    상기 전류측정신호와 소정의 임계신호에 기초하여 센싱신호를 생성하는 단계;
    적어도 하나의 구동스텝에서 상기 센싱신호의 주파수가 상기 PWM 제어신호에 따른 3상 AC신호의 주파수와 상이하면, 단선감지신호를 출력하는 단계; 및
    어느 두 개의 구동스텝에서 상기 단선감지신호가 출력되면, 상기 모터의 3상 고정자 권선 중 상기 두 개의 구동스텝에 대응하는 어느 하나의 고정자 권선에 연결된 라인에서 단선이 발생된 것으로 감지하는 단계를 포함하는 모터구동장치의 단선감지방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 센싱신호를 생성하는 단계에서, 히스테리시스 특성에 기초하여, 상기 전류측정신호가 상기 임계신호보다 크면 제 1 전압레벨의 센싱신호가 출력되고, 상기 전류측정신호가 상기 임계신호보다 작으면 제 2 전압레벨의 센싱신호가 출력되는 모터구동장치의 단선감지방법.
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 전류측정신호가 소정의 임계크기보다 크면, 과전류감지신호를 출력하는 단계; 및
    상기 단선감지신호와 상기 과전류감지신호가 모두 출력되면, 상기 과전류감지신호에 기초하여 과전류불량이 발생된 것으로 감지하는 단계를 더 포함하는 모터구동장치의 단선감지방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 단선감지신호에 기초하여, 사용자에게 상기 단선의 발생을 표시하는 단계; 및
    상기 사용자의 입력에 기초하여 상기 PWM 제어신호의 생성을 중지하는 단계를 더 포함하는 모터구동장치의 단선감지방법.
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