KR20020017323A - 피더블유엠 입력 모터 구동 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 모터 구동 회로는 전기 에너지를 역학적 에너지로 변환하여 일정 기능을 수행하는 구동 모터, 일정 시비율을 가진 PWM 신호를 출력하는 디지털 제어기, PWM 신호의 시비율에 따라 구동 모터로 인가되는 전압의 범위를 결정하는 시비율 캐패시터, PWM 신호의 '하이' 또는 '로우' 중 하나의 상태에서 전하를 시비율 캐패시터에 주입하여 시비율 캐패시터에 인가되는 전압을 형성하고, '하이' 또는 '로우' 중 나머지 하나의 상태에서 전하가 시비율 캐패시터에서 방전되도록 하여 시비율 캐패시터에 인가되는 전압을 형성하는 PWM 디코더 및 시비율 캐패시터에 인가되는 전압의 교류 성분을 제거하여 구동 모터를 작동시키기 위한 직류 신호로 변환하는 저역 통과 필터를 포함한다.
이와 같은 본 발명의 모터 구동 회로는 D/A 컨버터가 필요하지 않는 디지털 제어기를 구비하고, 구동 모터에 가해지는 전압의 크기가 모터 구동 회로의 입력 전압에는 상관없이 증폭기의 이득과 전원 전압에 의해서만 바뀌게 할 수 있다.

Description

피더블유엠 입력 모터 구동 회로{A MOTOR DRIVING CIRCUIT USING A PWM INPUT SIGNAL}
본 발명은 모터 구동 회로에 관한 것으로 보다 상세하게는 PWM(pulse width modulation) 신호를 이용하여 모터를 구동할 수 있는 회로에 관한 것이다.
CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-RW, MD와 같은 광 디스크 읽기/쓰기 기기에서 사용되는 모터의 종류는 광 디스크로부터 신호를 읽고 쓰기 위해서 광 디스크를 회전시켜주는 직류모터나 스핀들 모터, 광 픽업(optical pickup)을 움직이기 위한 슬레드 모터(sled motor), 광 디스크를 로드하기 위한 로딩 모터 및 신호를 검출하고 쓰기 위한 트래킹(tracking)이나 포커스(focus)와 같은 액츄에이터 등이 필요하다.
도1은 종래의 모터 구동 방법을 설명하기 위한 회로도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에서는 이와 같은 모터들을 구동하기 위한 회로로 발란스트 트랜스포머리스 구조(balanced transformerless, 이하 BTL 구조)를 사용한다.
구동 모터(M)를 제어하기 위하여 이 BTL 구동 회로의 입력 단자(5)로 입력되는 신호는 아날로그 신호로 일정 기준 전압(Vref)과 비교되어 구동 모터(M)에 거는 전압과 전류의 방향을 결정한다. 그러나, 일반적으로 BTL 구동 회로의 입력을 결정하기 위한 연산은 마이컴, 디지털 신호 프로세서와 같은 디지털 제어기(도시하지 않음)에 의해서 이루어지므로 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸는 장치나 D/A 컨버터가 내장된 디지털 제어기가 필요하여 전체 시스템 가격이 상승하는 단점이 있다.
또 하나의 단점은 디지털 제어기의 제어 성능에 관련된 것이다. 일반적으로 구동 모터(M)에 걸리는 전압(Vout)은 구동 모터(M)를 구동하기 위한 BTL 구동 회로의 전원 전압(도시하지 않음), BTL 구동 회로의 입력이 되는 디지털 제어기의 출력 전압의 크기, 증폭기(2, 3) 이득의 크기에 의해서 제한이 되는데, BTL 구동 회로의 입력 단자(5)로 입력되는 전압은 디지털 제어기의 출력이므로 일반적으로 전원 전압보다는 작은 값이고, 증폭기의 이득은 1 이상이다.
위의 3가지 조건들이 바뀔 경우 구동 모터(M)에 가해지는 전압의 변화를 알아보자.
첫째, BTL 전원 전압이 감소하는 경우로 BTL 전원 전압이 12V, 증폭기의 포화전압이 2V, 증폭기의 이득이 2 그리고 구동 모터(M)에 걸릴 수 있는 최대 전압이약10V 정도라면 가능한 입력 전압의 범위는 5V가 된다.
이 때 BTL 전원이 5V로 작아지면 입력 전압은 5V까지 가능하지만 2.5V 이상의 입력은 전동기에 더 이상이 의미가 없다. 이 경우 단자5에 직렬 저항을 삽입하여 BTL 증폭기의 이득을 작게 함으로써 이와 같은 문제를 해결할 수 있다.
둘째로 디지털 제어기의 전원이 작아져서 전동기에 인가되는 전압이 작아지는 경우로 디지털 제어기가 3.3V 전원을 사용한다면 입력 단자(5)에 인가되는 전압은 약 3.3V 까지 가능하므로 전동기에 걸리는 최대 전압은 증폭기의 이득이 2인 경우 6.6V 밖에 안된다.
이와 같은 종래의 기술에서는 BTL 전원 전압, BTL 입력의 크기 모두에 따라 BTL의 증폭기의 이득을 바꾸어야 하는 단점뿐만 아니라 전동기에 가해지는 전압에 제한이 따르는 일이 발생한다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 D/A 컨버터가 필요하지 않는 디지털 제어기를 구비하고, 구동 모터에 가해지는 전압의 크기가 BTL 구동회로의 입력 전압에는 상관없이 BTL 증폭기의 이득과 BTL 전원 전압에 의해서만 바뀌게 할 수 있는 모터 구동 회로를 제공하기 위한 것이다.
도1은 종래의 모터 구동 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 PWM 입력 모터 구동 회로를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 PWM 입력 모터 구동 회로도이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 PWM 입력 방식을 이용한 BTL 구동 회로를 구성함으로써 D/A 컨버터가 필요하지 않고, 구동 모터에 인가되는 전압이 BTL 증폭기의 이득과 BTL 전원 전압에 의해서만 바뀌게 할 수 있다.
본 발명의 모터 구동 회로는 구동 모터, 디지털 제어기, 시비율 캐패시터, PWM 디코더 및 저역 통과 필터를 포함한다.
구동 모터는 전기 에너지를 역학적 에너지로 변환하여 일정 기능을 수행하고, 디지털 제어기는 일정 시비율을 가진 PWM 신호를 출력한다.
시비율 캐패시터는 PWM 신호의 시비율에 따라 구동 모터로 인가되는 전압으로 변환한다.
PWM 디코더는 PWM 신호의 '하이' 또는 '로우' 중 하나의 상태에서 전하를 시비율 캐패시터에 주입하여 시비율 캐패시터에 인가되는 전압을 형성하고, '하이' 또는 '로우' 중 나머지 하나의 상태에서 전하가 시비율 캐패시터에서 방전되도록 하여 시비율 캐패시터에 인가되는 전압을 형성한다.
저역 통과 필터는 시비율 캐패시터에 인가되는 전압의 교류 성분을 제거하여 구동 모터를 작동시키기 위한 직류 신호로 변환한다.
이 때, 본 발명의 PWM 디코더는 신호 변환부, 제1 스위치, 제2 스위치, 제1 전류원, 제2 전류원 및 신호 조절용 저항을 포함한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 PWM 입력 모터 구동 회로를 설명하기 위한 블록구성도이다. 도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 PWM 입력 모터 구동 회로는 구동 모터(200), 디지털 제어기(210), PWM 디코더(220), 시비율 캐패시터(230), 저역 통과 필터(240) 및 증폭기(250)를 포함한다.
구동 모터(200)는 전기 에너지를 역학적 에너지로 변환하여 일정 기능을 수행한다.
디지털 제어기(210)는 D/A 변환을 거치지 않는 BTL 구동 신호인 PWM 신호를 출력한다. 따라서, 본 발명의 디지털 제어기(210)는 D/A 컨버터가 필요없어 휠신 경제적인 모터 구동 회로를 형성할 수 있다.
PWM 디코더(220)와 시비율 캐패시터(230)는 구동 모터(200)에 인가되는 전압을 형성하기 위하여 이 PWM 신호들을 PWM 시비율(duty)에 비례하는 전압으로 변환한다.
저역 통과 필터(240)는 PWM 디코더(220)와 시비율 캐패시터(230)에 의하여 변환된 신호의 교류 성분을 제거하여 구동 모터(200)를 작동시키기 위한 직류 신호로 변환한다.
증폭기(250)는 저역 통과 필터(240)에서 출력된 직류 신호에 대하여 정해진 이득을 곱하여 구동 모터(200)를 작동시킨다.
다음으로 본 발명의 실시예를 위한 PWM 디코더(220)의 동작을 상세히 설명한다.
도3은 본 발명의 실시예를 위한 PWM 디코더(220)의 회로도이다. 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예를 위한 PWM 디코더(220)는 신호 변환부(INV), 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제1 전류원(Ipwm1), 제2 전류원(Ipwm2) 및 신호 조절용 저항(Rpwm)을 포함한다.
신호 변환부(INV)는 인버터(inverter)를 포함하며 한쪽 단은 PWM 신호를 입력받아 PWM 신호의 상태를 변환시키기 위하여 디지털 제어기(210)와 연결된다. 예를 들어, PWM 신호가 '하이'상태라면 신호 변환부(INV)는 이 신호를 '로우'로 변환시킨다.
제1 스위치(S1)는 제1단(①)이 신호 변환부(INV)와 디지털 제어기(210)의 공통단에 연결되고, 제2단(②)은 시비율 캐패시터(230)의 한쪽 단에 연결되어 PWM 신호의 제1 상태에 턴온하고, 제2 상태에 턴오프한다.
제2 스위치(S2)는 제1단(①')이 신호 변환부(INV)의 다른쪽 단과 연결되고, 제2단(②')은 시비율 캐패시터(230)의 한쪽 단에 연결되어 PWM 신호의 제1 상태에 턴오프하고, 제2 상태는 턴온한다.
제1 전류원(Ipwm1)은 한쪽 단이 제1 스위치(S1)의 제3단(③)에 연결되고 다른쪽 단은 접지되어 제1 스위치(S1)가 턴온되었을 때 시비율 캐패시터(230)에 있는 전하를 방전하게 한다.
제2 전류원(Ipwm2)은 한쪽 단이 제2 스위치(S2)의 제3단(③')에 연결되고 다른쪽 단은 전원 전압(Vcc)에 연결되어 제2 스위치(S2)가 턴온되었을 때, 시비율 캐패시터(230)에 전하를 주입한다.
신호 조절용 저항(Rpwm)은 한쪽 단이 기준 전압(Vref)와 연결되고, 다른쪽 단이 시비율 캐패시터(230)의 한쪽 단, 제1 스위치(S1)의 제2단(②) 및 제2 스위치(S2)의 제2단(②')의 공통단에 연결되어 시비율 캐패시터(230)에 인가되는 전압의 크기를 조절한다.
본 발명에서 PWM 신호의 제1 상태, 제2 상태 및 제3 상태는 각각 '하이'상태, '로우'상태 및 '하이 임피던스'상태를 의미하고, '하이 임피던스'상태일 때제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 모두 턴 오프하도록 설정된다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 위한 PWM 디코더(220)의 동작을 설명한다.
PWM 신호가 하이 임피던스 상태이면 PWM 디코더(220)의 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 모두 턴오프하여 시비율 캐패시터(230)를 충방전하는 전류는 0이므로 캐패시터 양단 전압은 기준 전압(Vref)과 같다. 따라서, 증폭기(250)의 기준 전압이 전원전압과 같다면 구동 모터(200)에 공급되는 전압은 없으므로 구동 모터(200)는 정지한다.
시비율 캐패시터(230)는 제1 전류원(Ipwm1)에 의하여 방전되고, 제2 전류원(Ipwm2)에 의해 충전된다. 이 때, 시비율 캐패시터(230)의 양단 전압은 전압 조절용 저항에 의해서 제한이 된다. 즉, PWM 신호가 '로우'이면, 제1 스위치(S1)가 턴오프, 제2 스위치(S2)가 턴온되면서 제2 전류원(Ipwm2)에 의해 시비율 캐패시터(230)에 전하가 주입되고, 시비율 캐패시터(230) 양단의 최대값은 다음의 수학식1과 같아진다.
Vc1(max) = Vref + (Ipwm2 × Rpwm)
반대로 PWM 신호가 '하이'이면 제1 스위치(S1)가 턴온, 제2 스위치(S2)가 턴오프되면서 시비율 캐패시터(230)는 제1 전류원(Ipwm1)에 의해 방전이 되는데 그 최저치는 다음의 수학식2와 같다.
Vc1(min) = Vref - (Ipwm1 × Rpwm)
따라서, PWM1의 시비율이 0%이면 캐패시터 양단 전압은 Vc1(max)이 되고, 시비율이 100%이면 Vc1(min)이 되어 디지털 제어기(210)의 PWM 시비율에 비례하는 전압이 캐패시터 양단에 걸리게 된다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 제1 전류원(Ipwm1)의 크기와 제2 전류원(Ipwm2)의 크기는 같다.
이와 같은 신호가 저역 필터를 통과하여 형성된 직류 신호는 증폭기(250)에 의하여 이득을 곱한 결과를 출력한다. 이 출력은 전동기의 구동 방향을 결정하고 그 차의 절대값에 비례하는 전압을 전동기에 인가한다.
이와 같이 동작하는 본 발명의 모터 구동 회로는 디지털 제어기(210)에서 입력되는 전압의 크기는 단순히 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 턴온/오프만을 제어하는 것이므로 구동 모터(200)에 인가되는 전압은 디지털 제어기(210)에서 입력되는 전압의 크기에 상관없이 모터 구동 회로의 전원 전압과 증폭기(250)의 이득에 의해서 결정된다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 하나의 실시예일 뿐 본 발명이 야기한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 또한 상기 실시예 외에 많은 변경이나 변형이 가능한 것은 물론이다.
예를 들어, 도3에 도시된 바와 같이 디지털 제어기(210)는 하나 이상의 구동 모터를 제어할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 D/A 컨버터가 필요하지 않는 디지털 제어기를 구비하고, 구동 모터에 가해지는 전압의 크기가 모터 구동 회로의 입력 전압에는 상관없이 증폭기의 이득과 전원 전압에 의해서만 바뀌게 할 수 있다.

Claims (6)

  1. 전기 에너지를 역학적 에너지로 변환하여 일정 기능을 수행하는 구동 모터;
    일정 시비율을 가진 PWM 신호를 출력하는 디지털 제어기;
    일정 시비율을 갖는 상기 PWM 신호를 상기 구동 모터로 인가되는 전압으로 변환하는 시비율 캐패시터;
    상기 PWM 신호의 '하이' 또는 '로우' 중 하나의 상태에서 전하를 상기 시비율 캐패시터에 주입하여 상기 시비율 캐패시터에 인가되는 전압을 형성하고, 상기 '하이' 또는 '로우' 중 나머지 하나의 상태에서 전하가 상기 시비율 캐패시터에서 방전되도록 하여 상기 시비율 캐패시터에 인가되는 전압을 형성하는 PWM 디코더; 및
    상기 시비율 캐패시터에 인가되는 전압의 교류 성분을 제거하여 상기 구동 모터를 작동시키기 위한 직류 신호로 변환하는 저역 통과 필터를 포함하는 모터 구동 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저역 통과 필터에서 출력된 직류 신호와 기준 전압의 차에 대하여 정해진 이득을 곱한 신호를 상기 구동 모터에 인가하는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 디코더는,
    상기 디지털 제어기를 통하여 '하이' 또는 '로우' 중 하나의 상태인 PWM 신호를 입력받아 상기 상태를 반전시키는 신호 변환부;
    제1단(①)이 상기 신호 변환부와 디지털 제어기의 공통단에 연결되고, 제2단(②)은 시비율 캐패시터의 한쪽 단에 연결되어 PWM 신호의 '하이' 또는 '로우' 중 하나의 상태에 턴온하고, 나머지 하나의 상태에 턴오프하는 제1 스위치;
    제1단(①')이 상기 신호 변환부의 다른쪽 단과 연결되고, 제2단(②')은 상기 시비율 캐패시터의 한쪽 단에 연결되어 상기 PWM 신호의 '하이' 또는 '로우' 중 하나의 상태에 턴오프하고, 나머지 하나의 상태에 턴온하는 제2 스위치;
    한쪽 단이 상기 제1 스위치의 제3단(③)에 연결되고 다른쪽 단은 접지되어 상기 제1 스위치가 턴온되었을 때 상기 시비율 캐패시터에 있는 전하를 방전하게 하는 제1 전류원;
    한쪽 단이 상기 제2 스위치의 제3단(③')에 연결되고 다른쪽 단은 전원 전압(Vcc)에 연결되어 제2 스위치가 턴온되었을 때, 상기 시비율 캐패시터에 전하를 주입하는 제2 전류원; 및
    한쪽 단이 기준 전압(Vref)과 연결되고 다른쪽 단이 상기 시비율 캐패시터의 한쪽 단, 상기 제1 스위치 제2단(②) 및 상기 제2 스위치의 제2단(②')의 공통단에 연결되어 상기 시비율 캐패시터에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 신호 조절용 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 회로.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 PWM 디코더는,
    상기 PWM 신호의 시비율 100% 또는 0% 중 하나의 상태에서 전하를 상기 시비율 캐패시터에 주입하여 인가되는 전압이 최대가 되게 하고, 상기 시비율 100% 또는 0% 중 나머지 하나의 상태에서 전하가 상기 시비율 캐패시터에서 방전되도록 하여 인가되는 전압이 최소가 되게 하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 회로.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 PWM 디코더는,
    상기 PWM 신호가 하이 임피던스 상태일 때, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 모두 턴오프 또는 모두 턴온 중 하나가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 회로.
  6. PWM 신호의 시비율에 따라 구동 모터로 인가되는 전압의 범위를 결정하는 시비율 캐패시터;
    한쪽 단으로 '하이' 또는 '로우' 중 하나의 상태인 PWM 신호를 입력받아 상기 상태를 반전시키는 신호 변환부;
    제1단(①)이 상기 신호 변환부의 한쪽 단과 연결되고, 제2단(②)은 상기 시비율 캐패시터(230)의 한쪽 단에 연결되어 PWM 신호의 '하이' 또는 '로우' 중 하나의 상태에 턴온하고, 나머지 하나의 상태에 턴오프하는 제1 스위치;
    제1단(①')이 상기 신호 변환부의 다른쪽 단과 연결되고, 제2단(②')은 상기 시비율 캐패시터의 한쪽 단에 연결되어 상기 PWM 신호의 '하이' 또는 '로우' 중 하나의 상태에 턴오프하고, 나머지 하나의 상태에 턴온하는 제2 스위치;
    한쪽 단이 상기 제1 스위치의 제3단(③)에 연결되고 다른쪽 단은 접지되어 상기 제1 스위치가 턴온되었을 때 상기 시비율 캐패시터(230)에 있는 전하를 방전하게 하는 제1 전류원;
    한쪽 단이 상기 제2 스위치의 제3단(③')에 연결되고 다른쪽 단은 전원 전압(Vcc)에 연결되어 제2 스위치가 턴온되었을 때, 상기 시비율 캐패시터에 전하를 주입하는 제2 전류원; 및
    한쪽 단이 기준 전압(Vref)과 연결되고 다른쪽 단이 상기 시비율 캐패시터의 한쪽 단, 상기 제1 스위치 제2단(②) 및 상기 제2 스위치의 제2단(②')의 공통단에 연결되어 상기 시비율 캐패시터에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 신호 조절용 저항을 포함하는 PWM 디코더.
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