KR100704481B1 - 모터 구동 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 릴레이 스위치를 사용하여 모터의 구동을 제어하는 장치에 관한 것으로, 교류전원 입력단과 브리지 회로부 사이에 접속되어 입력전원을 단속하기 위한 스위칭부와; 상기 브리지 회로부 출력단에 접속된 평활용 커패시터와; 인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 모터의 정(+)입력단자를 상기 브리지 회로부 출력단과 상기 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제1릴레이 스위칭부와; 인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 상기 모터의 부(-)입력단자를 상기 브리지 회로부 출력단과 상기 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제2릴레이 스위칭부와; 상기 릴레이 스위칭부중 하나를 선 제어한후 상기 스위칭부를 후 제어하여 상기 모터를 구동시키고, 후 제어된 상기 스위칭부를 선 제어하고 선 제어된 상기 릴레이 스위칭부를 후 제어하는 방식으로 구동중인 모터를 정지시키는 인버터 제어부;를 포함함으로서, H 브리지를 구성하는 기계적 스위치를 보호하면서도 스위칭시 발생하는 전압 채터링 현상을 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

정/역제어, H 브리지, 릴레이 스위치.

Description

모터 구동 제어장치{APPARATUS FOR DRIVING A DC MOTOR}

도 1은 일반적인 H 브리지형 인버터의 구성 예시도.

도 2는 일반적인 릴레이 스위치 동작에 따른 전압특성 파형 예시도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 제어장치의 구성 예시도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 제어장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍 예시도.

본 발명은 모터 구동제어장치에 관한 것으로, 특히 릴레이 스위치를 사용하여 모터의 구동을 제어하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 모터에 가하는 전압의 극성에 따라 모터는 정회전 또는 역회전한다. 단일 전원으로 모터에 가하는 전압의 방향을 바꿀 수 있는 회로로 개발된 것이 바로 "H 브리지형 인버터"이다. 이러한 "H 브리지형 인버터"의 개략적인 구성을 도 1에 도시하였다.

도 1에서 보듯이, 일반 H 브리지형 인버터는 모터(M)를 중심으로 H 브리지 타입으로 스위칭 트랜지스터(Q1∼Q4)가 설치되어 있다. 이와 같이 구성되는 H 브리 지형 인버터에서 스위칭 트랜지스터 Q1과 Q4만을 "스위칭 온"하면 전류는 Q1→모터→Q4를 통해 흐름으로서 모터(M)는 정회전 하게 되고, 반대로 스위칭 트랜지스터 Q3와 Q2만을 동시에 "스위칭 온"하면 전류는 Q3→모터→Q2를 통해 흘러 모터(M)는 역회전하게 된다. 스위칭 트랜지스터 Q1과 Q3만을 "스위칭 온"시키면 모터(M)를 브레이킹시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 일반 H 브리지형 인버터를 사용하여 모터를 구동제어하는 경우에는 4개의 능동 스위치를 제어해야 하기 때문에 그 제어가 복잡한 단점이 있으며, 4개의 능동 스위치 사용과 그 스위치를 제어하기 위한 회로구성이 필요한 관계로 시스템 구조가 복잡해짐은 물론 시스템 단가가 상승되는 결과를 초래하는 문제점이 있다.

경우에 따라서는 시스템 단가를 낮추기 위해 기계적 스위치(릴레이)를 사용하여 H 브리지 인버터를 구성하는 경우도 있다. 그러나 릴레이 스위치와 같은 기계적 스위치를 사용하게 되면 스위치의 접점이 붙거나 떨어질때 마다 도 2에 도시한 바와 같이 전압 스파크가 발생한다. 이는 릴레이 스위치의 수명을 단축시키는 요인으로 작용함은 물론, 이상 전압에 의해 모터 및 그 주변 회로의 손실을 야기시킬 수 있는 요인으로 작용한다.

이에 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 기계적 스위치를 사용하여 H 브리지를 구성하되 그 기계적 스위치를 보호하면서 스위칭시 발생하는 전압 채터링 현상을 최소화할 수 있는 모터 구동제어장치를 제공 함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 제어장치는,

교류전원 입력단과 브리지 회로부 사이에 접속되어 입력전원을 단속하기 위한 스위칭부와;

상기 브리지 회로부 출력단에 접속된 평활용 커패시터와;

인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 모터의 정(+)입력단자를 상기 브리지 회로부 출력단과 상기 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제1릴레이 스위칭부와;

인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 상기 모터의 부(-)입력단자를 상기 브리지 회로부 출력단과 상기 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제2릴레이 스위칭부와;

상기 릴레이 스위칭부중 하나를 선 제어한후 상기 스위칭부를 후 제어하여 상기 모터를 구동시키고, 후 제어된 상기 스위칭부를 선 제어하고 선 제어된 상기 릴레이 스위칭부를 후 제어하는 방식으로 구동중인 모터를 정지시키는 인버터 제어부;를 포함함을 특징으로 한다.

더 나아가 상기 인버터 제어부는 구동 모터 정지시 상기 스위칭부를 오프시킨후 상기 모터의 권선 전류가 제로로 되는 이후 시점에서 상기 릴레이 스위칭부를 후 제어함을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 구성에 따르면, 우선 H 브리지를 구성하는 릴레이 스위치의 접점을 스위칭한 이후에 전원 유입이 이루어지도록 전원 유입단의 스위칭부를 제어하여 모터를 구동시키고, 구동중인 모터를 정지시킬 경우에는 전원 유입단의 스위칭부를 제어하여 전원 유입을 차단한 연후에 릴레이 스위치의 접점을 변경시킴으로서, 릴레이 스위치의 스트레스는 저감되고 스위칭시 발생하는 전압 채터링 현상은 억제되는 효과를 얻게 되는 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모터 구동 제어장치는,

직류전원의 입력을 단속하기 위한 스위칭부와;

상기 스위칭부 출력단에 접속된 평활용 커패시터와;

인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 모터의 정(+)입력단자를 상기 스위칭부 출력단과 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제1릴레이 스위칭부와;

인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 상기 모터의 부(-)입력단자를 상기 스위칭부 출력단과 상기 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제2릴레이 스위칭부와;

상기 릴레이 스위칭부중 하나를 선 제어한후 상기 스위칭부를 후 제어하여 상기 모터를 구동시키고, 후 제어된 상기 스위칭부를 선 제어하고 선 제어된 상기 릴레이 스위칭부를 후 제어하는 방식으로 구동중인 모터를 정지시키는 인버터 제어부;를 포함함을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 또 다른 실시예 역시, 릴레이 스위치의 접점을 스위칭한 연후에 전원 유입이 이루어지도록 전원 유입단의 스위칭부를 제어하고, 구동모터를 정지시킬 경우 전원 유입을 차단한 연후에 릴레이 스위치의 접점을 변경하는 방식으로 스위칭 제어함으로서, 릴레이 스위치를 보호하면서도 전압 채터링 현상을 억제할 수 있는 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

우선 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 제어장치의 구성도를 예시한 것이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 제어장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도를 예시한 것이다.

도 3을 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 제어장치는 도 3에 도시한 바와 같이 교류전원 입력단(AC)과 브리지 회로부(D1∼D4) 사이에 접속되어 입력전원을 단속하는 스위칭부(10)를 포함한다. 이러한 스위칭부(10)는 후술할 인버터 제어부(20)에 의해 스위칭 온/오프 동작하는 트라이악(Triac)으로 구현될 수 있다.

참고적으로 상기 스위칭부(10)를 통해 공급되는 교류전원은 브리지 다이오드에서 전파 정류되고 후단의 평활용 커패시터에서 평활된후 직류전원으로서 H 브리지의 전원 입력단에 공급된다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 제어장치는 도 3에 도시한 바와 같 이 모터(M) 양단에 결합되어 H 브리지를 형성하는 두 개의 릴레이 스위칭부(R1, R2)를 더 포함한다.

두 개의 릴레이 스위칭부중 제1릴레이 스위칭부(R1)는 후술할 인버터 제어부(20)로부터 출력되는 릴레이 스위치 절환 제어신호(R1)에 따라 모터의 정(+)입력단자를 상기 브리지 회로부(D1∼D4) 출력단과 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하여 준다. 아울러 제2릴레이 스위칭부(R2)는 상기 인버터 제어부(20)로부터 출력되는 릴레이 스위치 절환 제어신호(R2)에 따라 상기 모터(M)의 부(-)입력단자를 상기 브리지 회로부(D1∼D4) 출력단과 상기 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하여 준다. 이러한 각각의 릴레이 스위칭부(R1, R2)는 도 3에 도시한 바와 같이 하나의 투-폼(two-form) 릴레이 스위치로 구현 가능하다.

상기 투-폼 릴레이 스위치는 코일에 전류가 흐르면 전자석의 힘으로 전류가 흐르게 되면서 접점이 바뀌었다가 코일에 전류가 흐르지 않으면 스프링의 복원력에 의해 초기 접점 위치로 복원되는 구조를 가진다. 경우에 따라 각각의 릴레이 스위칭부(R1, R2)를 두개의 원-폼(one-form) 릴레이 스위치로도 구현할 수 있을 것이다. 이러한 경우 스위치를 제어하기 위한 구조가 복잡해지며 H 브리지 역시 대형화되기 때문에 바람직한 구조라고 할 수는 없다.

마지막으로 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 제어장치는 상기 스위칭부(10, R1, R2)를 제어하기 위한 인버터 제어부(20)를 더 포함한다. 이러한 인버터 제어부(20)는 상기 릴레이 스위칭부(R1, R2)중 하나를 선 제어한후 상기 스위칭부(10)를 후 제어하여 상기 모터(M)를 구동시키고, 후 제어된 상기 스위칭부(10)를 선 제어하고 선 제어된 상기 릴레이 스위칭부(R1,R2)를 후 제어하는 방식으로 구동중인 모터(M)를 정지시킨다.

이하 상술한 구성을 가지는 모터 구동 제어장치의 도 3과 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

우선 초기 상태로서 각 릴레이 스위칭부(R1,R2)의 스위치는 접점 4에 위치하는 것으로 가정한다. 이러한 경우 모터(M)는 구동 정지상태가 된다.

만약 모터(M)를 정회전시키고자 한다면 인버터 제어부(220)는 도 4에 도시한 바와 같이 "하이"레벨의 릴레이 스위치 절환 제어신호(R1)를 발생하여 제1릴레이 스위칭부(R1)로 출력한다. 이러한 경우 제1릴레이 스위칭부(R1)의 스위치는 접접 3으로 이동하게 됨으로서 모터(M)의 정(+)입력단자는 브리지 회로부의 출력단과 접속된다.

이와 같이 릴레이 스위칭부(R1)를 선 제어한 인버터 제어부(20)는 이후 스위칭부(10)인 트라이악을 스위칭 온시키기 위한 게이트 제어신호를 도 4에서와 같이 "하이"레벨로 출력함으로서, 모터(M)는 정전류 인가에 따라 정회전한다.

만약 정회전 구동중인 모터(M)를 정지시키고자 한다면 인버터 제어부(20)는 "하이"레벨의 게이트 제어신호를 "로우"레벨로 전환시킴으로서, 정회전중인 모터(M)는 유입 전원의 차단으로 정지된다. 이와 같이 모터 구동 정지를 위해 상기 스위칭부(10)를 오프시킨 인버터 제어부(20)는 상기 스위칭부(10)를 오프시킨후 상기 모터(M)의 권선 전류(

)가 제로로 되는 이후 시점에서 상기 릴레이 스위칭부(R1) 의 코일에 인가하여 준 전류를 오프시켜 스위치를 다시 접점 4로 이동시킨다. 이와 같이 모터(M)의 권선 전류(

)가 제로가 될때까지 릴레이 스위칭부(R1)의 제어를 지연하는 이유는 릴레이 스위치의 접점을 보호하기 위함이다.

참고적으로 상기 모터(M)의 권선 전류가 완전 제거되기 위해 필요한 시간은 모터 시상수에 의해 결정되며 약간의 시간마진을 둘 수 있다. 이러한 시간 데이터는 인버터 제어부(20)의 내부 메모리에 기록되어 활용될 것이다.

한편 상술한 바와 같은 방법으로 모터(M)의 역회전 제어를 수행할 수 있다. 즉, 인버터 제어부(20)는 제2릴레이 스위칭부(R2)를 선(先) 제어하여 스위치의 접점을 3으로 이동시키고, 이어서 상기 스위칭부(10)를 후(後) 제어함으로서 모터(M)의 부(-) 입력단자에 역전압이 인가되도록 한다. 이에 따라 모터는 역회전한다.

만약 역회전 구동중인 모터(M)를 정지시키고자 한다면 인버터 제어부(20)는 스위칭부(10)를 오프시키기 위한 게이트 제어신호를 선 출력한후 상기 모터(M)의 권선 전류(

)가 제로로 되는 이후 시점에서 상기 릴레이 스위칭부(R2)의 코일에 인가하여 준 전류를 오프시킨다.

이와 같이 릴레이 스위칭부(R2)를 선 제어한후 상기 스위칭부(10)를 후 제어하여 상기 모터(M)를 구동시키고, 후 제어된 상기 스위칭부(10)를 선 제어하고 선 제어된 상기 릴레이 스위칭부(R2)를 후 제어하는 방식으로 구동중인 모터를 정지시키게 되면, 릴레이 접점 변경시에 항상 브리지 회로부의 출력 전압이 영전압이 되기 때문에 릴레이 접점의 손상을 방지할 수 있는 효과를 얻게 되는 것이다.

이상의 실시예에서는 교류전원 입력단에 스위칭부(10)를 두어 교류전원의 입력을 단속하는 것으로 하였으나, 브리지 회로부(D1∼D4) 후단에 직류전원의 입력을 단속하는 스위칭부를 두어 또 다른 실시예로서의 모터 구동 제어장치를 구성할 수도 있다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예로서의 모터 구동 제어장치는,

직류전원의 입력을 단속하기 위한 스위칭부와, 상기 스위칭부 출력단에 접속된 평활용 커패시터와, 인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 모터의 정(+)입력단자를 상기 스위칭부 출력단과 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제1릴레이 스위칭부와, 인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 상기 모터의 부(-)입력단자를 상기 스위칭부 출력단과 상기 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제2릴레이 스위칭부와, 상기 릴레이 스위칭부중 하나를 선 제어한후 상기 스위칭부를 후 제어하여 상기 모터를 구동시키고, 후 제어된 상기 스위칭부를 선 제어하고 선 제어된 상기 릴레이 스위칭부를 후 제어하는 방식으로 구동중인 모터를 정지시키는 인버터 제어부를 포함한다. 참고적으로 상기 스위칭부는 인버터 제어부에 의해 스위칭 온/오프 가능한 능동 스위치 소자(BJT, IGBT)로 구현 가능하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 모터 구동 제어장치에서도 제1실시예에서 처럼 릴레이 스위칭부의 접점을 변경한후 전원을 공급하여 모터를 구동시키고, 릴레이 스위칭부의 접점을 초기 위치로 복구한후 전원 공급을 차단함으로서, 릴레이 접점의 손상이 최소화되는 동시에 전압 채터링 현상이 억제되는 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 입력 전원을 단속하기 위한 스위칭부와 H 브리지를 구성하는 릴레이 스위치들의 스위칭 시퀀스를 조절함으로서, H 브리지를 구성하는 기계적 스위치를 보호하면서도 스위칭시 발생하는 전압 채터링 현상을 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

아울러 릴레이 스위치를 사용하여 H 브리지를 구성할 수 있기 때문에 비용절감효과를 얻을 수 있는 장점도 있다.

한편 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

1. 교류전원 입력단과 브리지 회로부 사이에 접속되어 입력전원을 단속하기 위한 스위칭부와;

   상기 브리지 회로부 출력단에 접속된 평활용 커패시터와;

   인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 모터의 정(+)입력단자를 상기 브리지 회로부 출력단과 상기 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제1릴레이 스위칭부와;

   인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 상기 모터의 부(-)입력단자를 상기 브리지 회로부 출력단과 상기 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제2릴레이 스위칭부와;

   상기 릴레이 스위칭부중 하나를 선 제어한 후 상기 스위칭부를 후 제어하여 상기 모터를 구동시키고, 후 제어된 상기 스위칭부를 선 제어하고 선 제어된 상기 릴레이 스위칭부를 일정시간 지연 후 제어하는 방식으로 구동중인 모터를 정지시키는 인버터 제어부;를 포함함을 특징으로 하는 모터 구동 제어장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 스위칭부는 트라이악 소자임을 특징으로 하는 모터 구동 제어장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 릴레이 스위칭 각각은 투-폼(two-form) 릴레이 스 위치임을 특징으로 하는 모터 구동 제어장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 일정시간은 구동 모터 정지시 상기 스위칭부를 오프시킨후 상기 모터의 권선 전류가 제로로 되는 시간인 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어장치.
5. 직류전원의 입력을 단속하기 위한 스위칭부와;

   상기 스위칭부 출력단에 접속된 평활용 커패시터와;

   인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 모터의 정(+)입력단자를 상기 스위칭부 출력단과 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제1릴레이 스위칭부와;

   인가되는 릴레이 스위치 절환 제어신호에 따라 상기 모터의 부(-)입력단자를 상기 스위칭부 출력단과 상기 기준 전원단(GND)중 어느 하나에 연결하는 제2릴레이 스위칭부와;

   상기 릴레이 스위칭부중 하나를 선 제어한후 상기 스위칭부를 후 제어하여 상기 모터를 구동시키고, 후 제어된 상기 스위칭부를 선 제어하고 선 제어된 상기 릴레이 스위칭부를 일정시간 지연 후 제어하는 방식으로 구동중인 모터를 정지시키는 인버터 제어부;를 포함함을 특징으로 하는 모터 구동 제어장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 스위칭부는 상기 인버터 제어부에 의해 스위칭 온/ 오프 동작하는 능동 스위치 소자임을 특징으로 하는 모터 구동 제어장치.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 릴레이 스위칭 각각은 투-폼(two-form) 릴레이 스위치임을 특징으로 하는 모터 구동 제어장치.
8. 청구항 5에 있어서, 상기 일정시간은 상기 구동 모터 정지시 상기 스위칭부를 오프시킨 후 상기 모터의 권선 전류가 제로로 되는 시간인 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어장치.

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