KR101385062B1 - Bldc 피더모터 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접 시 주입되는 용가제를 BLDC 피더모터를 이용하여 자동으로 공급하기 위하여 기존에 용접장치에 설치되어 사용되고 있던 DC 피더모터를 구동하는 전원 및 제어신호를 그대로 이용하여 BLDC 피더모터를 구동할 수 있도록 변환하여 기존의 용접장치에서 용가제를 공급할 수 있는 BLDC 피더모터 구동장치에 관한 것이다.

Description

BLDC 피더모터 구동장치{Driving device of BLDC motor}

본 발명은 용접 시 용접부위에 주입되는 용가제를 BLDC 모터를 이용하여 자동으로 공급하기 위하여 기존에 용접장치에 설치되어 사용되고 있던 DC 피더모터를 구동하는 전원 및 제어 신호를 그대로 이용하여 BLDC 모터를 구동할 수 있도록 변환하여 기존의 용접장치에서 설치되어 용가제를 공급할 수 있도록 구성된 BLDC 피더모터 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로 용접을 할 때, 용접부위에 주입되는 용가제는 DC 피더모터를 사용하여 공급속도를 제어할 수 있도록 용접장치로부터 사이리스터로 제어하여 설정된 전압으로 공급하고 있다.

용접장치로부터 공급되는 전압은 AC 전원을 전파 정류한 후, 사이리스터로 전파 정류된 전원을 설정된 크기만큼 신호를 절단하여 모터에 공급하여 속도를 제어하도록 구성되어 있다.

종래의 용접장치에 채용된 DC 피더모터는 브러시를 사용하고 있으므로 모터 수명이 짧고, 모터의 에너지 효율이 낮으며, 같은 성능을 가진 BLDC 모터보다 부피가 커 공간을 많이 차지하는 문제점이 있다.

기존의 용접장치를 그대로 이용하기 위하여서는 용가제를 용접부위로 피딩시키기 위한 DC 피더모터에 제공하는 전원을 이용하여 BLDC 모터의 전원 및 속도제어에 그대로 사용하도록 하는 것이 중요하다.

왜냐하면, 종래의 DC 피더모터가 채용된 수많은 용접장치에서 BLDC 모터만을 교체할 수 있도록 하는 구성이 가능하기 때문이다.

BLDC 모터를 안정적으로 구동하기 위하여서는 BLDC 모터를 구동에 사용되는 스위칭 소자인 p-채널(p-channel) FET 및 n-채널(n-channel) FET를 턴온하기 위하여 마이크로프로세서에서 공급되는 신호와, BLDC 모터의 속도를 제어하기 위하여 용접장치로부터 사이리스터에서 제어되어 입력되는 신호와, BLDC 모터를 제어하기 위한 제어기의 회로를 구성하는 각각의 전자부품에 공급하기 위한 전원을 필요로 한다.

P-채널(p-channel) FET 및 n-채널(n-channel) FET를 턴온(turn-on)시키기 위하여서는 5V 내지 15V 사이의 전원이 공급되어야 한다.

게이트와 소스사이에 공급되는 전압의 차이가 5V 이하이면, P-채널 FET 및 n-채널 FET가 동작을 하지 아니하고, 차이가 15V 이상이면 P-채널 FET 및 n-채널 FET 가 손상되는 문제점이 있다.

그러나, 종래에 사용된 DC 피더모터에 공급되는 전원은 rms 값이 1V 내지 30V 정도의 DC 전원을 공급하여 속도를 제어하므로 5V 이하일 경우에는 스위칭 소자를 동작시키지 못하여 BLDC 모터 자체가 동작을 하지 아니하는 경우가 발생하고, 15V 이상이면 스위칭 소자인 FET가 손상되는 문제점이 있다.

실질적으로 기존의 DC 피더모터에 공급되는 전원은 전파 정류된 사인파를 사이리스터로 절단할 경우에 P-P(peak to peak) 전압이 73 V정도까지 출력되므로 절단된 전압의 P-P(peak to peak) 값을 평활한 rms 값이 1V 정도이더라도 실제 절단된 전압의 P-P(peak to peak) 값은 5V 이상이 된다는 점을 인식하고 이를 이용한 발명이다.

또한, 본 발명에서는 용접이 완료되는 시점에서 용접기가 피더모터를 제동하는 기술적 구성이 필요하다.

용접을 종료하고자 할 때, 모터 구동전압을 끊더라도 모터 자체의 관성에 의하여 천천히 정지하게 되므로 계속해서 용접부위에 용가제가 주입되어 용접의 마무리가 매끈하지 아니한 문제점이 있다.

이를 해결하기 위하여 기존의 DC 피더모터의 경우에는 용접기 내부에 별도의 제동저항을 설치하여 제동하도록 구성되어 있다.

일반 DC 모터는 역전압을 걸 경우 단순히 모터 회전방향이 달라지지만, BLDC의 경우에는 BLDC 모터 제어를 위한 소형 제어기가 추가되기 때문에 역전압을 걸면 제어기가 파손되는 문제점이 있어 이를 방지하기 위하여 제어기 입력단에 역전압이 걸리는 것을 방지하기 위한 역전압 방지 다이오드가 설치되어 있다.

이 역전압 다이오드로 인하여 용접기의 제동저항으로 BLDC 모터를 제동하는 것이 불가능한 문제점이 있다.

대한민국 공개특허번호 제10-2009-0090934호에는 전동 피더의 전원이 오프된 후 다시 전원이 인가될 때, 드라이버의 위상이 초기화되어 전원 오프시의 모터의 입력위상과 달라 발생하는 모터의 틀어짐을 방지하기 위한 모터위상의 보정방법으로 전동 피더를 제어하는 것에 관한 것이나, 본 발명은 용접장치에서 용가제를 피딩하기 위하여 BLDC 모터를 사용하되, 사용되는 BLDC 모터를 효율적으로 제어하기 위한 기술적 구성과는 현저한 차이가 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 기존의 용접장치에서 용가제 피딩을 위하여 사용되고 있는 DC 피더모터를 내구성이 우수하고 에너지 효율이 높으며 동급 출력으로 부피가 작은 BLDC 모터로 교체 사용할 수 있도록 설계 제작하되, 기존의 DC 피더모터로 공급되는 전원을 그대로 이용할 수 있도록 설계 제작된 BLDC 모터의 구동장치를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 기존의 DC 피더모터에 공급되는 전파 정류된 전원으로 BLDC 모터의 속도를 제어하기 위한 스위칭 소자인 p-채널(channel) FET와 n-채널(channel) FET를 턴온시키기 위한 ±5V 내지 ±15V 전원을 만들고, 5V로 동작하는 전자소자에 전원을 공급하기 위한 5V 전원을 구비한 BLDC 모터의 구동장치를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 스위칭 소자인 p-채널(channel) FET와 n-채널(channel) FET를 턴온시키기 위한 각각의 전원을 서로 다른 접지점을 사용하여 턴온시키도록 회로설계를 하고, 이러한 구성에서 안정적인 동작을 위하여 p-채널(channel) FET를 턴온시키기 위해 마이컴에서 나오는 신호와 이를 수신하는 제어부를 포토커플러로 연결하여 전기적으로 분리되도록 구성된 BLDC 모터의 구동장치를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 역전압 방지 다이오드 전단에 전원상태 감지기를 설치하여 전원공급 여부를 감지하여 전원이 설정된 시간이상 공급되지 아니하면 BLDC 피더모터를 제동하여 용접이 종료되는 지점에서의 용접이 양호하게 이루어지도록 하는데 있다.

본 발명 과제의 해결 수단은 용접 시 용접부위에 공급되는 용가제를 BLDC 모터를 이용하여 자동으로 공급하기 위하여 기존의 용접장치에 사용되고 있던 DC 피더모터를 구동하는 전원을 BLDC 모터로 구동할 수 있는 전원으로 변환하여 내구성과 에너지 효율을 높일 수 있는 BLDC 모터를 이용한 BLDC 피더모터 구동장치를 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 기존의 DC 피더모터에 공급되는 전파 정류된 전원으로 BLDC 모터에 구동전원을 공급하기 위한 스위칭 소자인 p-채널(channel) FET와 n-채널(channel) FET를 턴온시키기 위한 ±5V 내지 ±15V사이의 전원을 만들고, 5V로 동작하는 전자소자에 전원을 공급하기 위한 5V 전원을 구비한 BLDC 피더모터 구동장치를 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 스위칭 소자인 p-채널(channel) FET와 n-채널(channel) FET를 턴온시키기 위한 각각의 전원을 서로 다른 접지점을 사용하여 턴온시키도록 회로를 설계하고, 이러한 구성에서 안정적인 동작을 위하여 p-채널(channel) FET를 턴온시키기 위해 마이컴에서 나오는 신호와 이를 수신하는 제어부를 포토커플러로 연결하여 전기적으로 분리되도록 설계 제작된 BLDC 피더모터 구동장치를 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 역전압 방지 다이오드 전단에 양방향 포토커플러 등을 이용하여 전원상태 감지기를 설치하고, 전원상태 감지기에서 전원공급 여부를 감지하여 전원이 설정된 시간이상 공급되지 아니하면 BLDC 모터 제어기를 통해서 N-ch FET 3개를 모두 턴온시켜 BLDC 피더모터에 제동을 가해서 양호한 마무리 용접을 이룰 수 있도록 구성된 BLDC 피더모터 구동장치를 구현하는데 있다.

본 발명은 기존의 DC 피더모터로 공급되는 전원을 그대로 이용할 수 있도록 구성된 기존의 DC 피더모터를 내구성이 우수하고, 에너지 효율을 높이며, 부피가 작은 BLDC 모터로 용이하게 교체 사용할 수 있는 유리한 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 기존의 DC 피더모터에 공급되는 전파 정류된 전원으로 스위칭 소자인 p-채널 FET와 n-채널 FET를 턴온시키기 위한 ±5V 내지 ±15V사이의 전원을 만들고, 5V로 동작하는 전자소자에 전원을 공급하기 위한 5V 전원을 제공하므로 BLDC 모터의 속도를 안정적으로 제어하는데 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 기존의 DC 피더모터에 공급되는 전파 정류된 신호의 일부를 절단한 신호의 피크 투 피크 전압을 이용하여 최소 5V에서 최대 15V를 넘지 않도록 회로를 설계하여 스위칭 소자의 손상을 방지하고 정상적으로 동작할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 스위칭 소자인 p-채널 FET와 n-채널 FET를 턴온시키기 위한 각각의 전원을 서로 다른 접지점을 사용하여 공급하여 턴온시키도록 구성하고, 이러한 구성에서 안정적인 동작을 위하여 PWM신호를 생성하는 마이컴에서 나오는 PWM 신호와 이를 수신하는 제어부를 포토커플러로 연결하여 전기적으로 분리하여 BLDC 모터를 안정적으로 제어하는데 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 역전압 방지 다이오드 전단에 전원상태 감지기를 설치하여 전원공급 여부를 감지하여 전원이 설정된 시간이상 공급되지 아니하면 n-채널 FET를 턴온시켜 BLDC 피더모터를 제동하여 양호한 용접 마무리가 이루어지도록 구성하여 역전압 보호와 모터 제동을 동시에 가능하도록 하는데 있다.

도 1은 용접장치로 DC 피더모터를 구동하기 위하여 공급되는 전파 정류된 파형 및 사이리스터로 절단한 파형을 도시한 것이다.
도 2는 사이리스터에서 입력되는 제어신호를 바탕으로 BLDC 피터모터를 제어하기 위한 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 사이리스터에서 입력되는 제어신호를 바탕으로 BLDC 피터모터를 제어하기 위한 또 다른 구성도를 도시한 것이다.
도 4는 p-채널 FET 의 게이트를 온 또는 오프하기 위하여 신호를 공급하기 위한 회로를 도시한 것이다.
도 5는 n-채널 FET 의 게이트를 온 또는 오프하기 위한 신호를 공급하는 회로를 도시한 것이다.
도 6은 BLDC 모터에서는 제동저항을 사용할 수 없음을 도시한 것이다.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 BLDC 피더모터 구동장치는 용접 시 용접부위에 공급되는 용가제를 BLDC 모터를 이용하여 자동으로 공급하기 위하여 기존에 용접장치에 사용되고 있던 DC 피더모터를 구동하는 전원을 BLDC 모터를 구동할 수 있는 전원으로 변환하여 BLDC 모터를 제어할 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 본 발명은 기존의 DC 피더모터에 공급되는 전파 정류된 신호의 일부를 절단한 피크 투 피크 전압을 이용하여 스위칭 소자의 게이트와 소스간의 전압차이가 최소 5V에서 최대 15V를 넘지 않도록 구성하여 스위칭 소자의 손상을 방지하면서 정상적으로 동작하도록 회로가 구성되어 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 구성은 역전압 방지 다이오드 전단에 양방향 포토커플러 등을 이용하여 전원상태 감지기를 설치하고, 전원상태 감지기에서 전원공급 여부를 감지하여 전원이 설정된 시간이상 공급되지 아니하면 BLDC 모터 제어기를 통해서 N-채널 FET 3개를 모두 턴온시켜 BLDC 피더모터를 제동하여 양호한 용접을 이루도록 구성되어 있다. 본 발명의 구체적인 실시 예에 대하여 살펴본다.

<실시 예>

본 발명의 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다.

도 1은 용접장치로 DC 피더모터를 구동하기 위하여 공급되는 전파 정류된 파형 및 사이리스터로 절단한 파형을 도시한 것이다.

본 발명은 도 1에서와 같은 파형을 이용하여 BLDC 모터의 속도를 제어하도록 구성되어 있다.

도 2는 사이리스터에서 입력되는 제어신호를 바탕으로 BLDC 피터모터를 제어하기 위한 구성도를 도시한 것이다.

본 발명 명세서 상에서의 '피더모터'와 'BLDC 모터'는 동일한 구성이며, 용이한 이해를 위하여 혼용 사용한다.

본 명세서 상에서의 'BLDC 모터 제어기'와 BLDC 모터가 생략된 '제어기'는 동일한 의미이며, 이를 혼용 사용한다.

즉, 도 2는 도 1을 통해서 입력되는 전원을 이용하여 3상 BLDC 모터를 제어하기 위한 제어기가 필요로 하는 ± 15V, 5V의 전원 및 BLDC 모터의 속도를 제어하기 위한 전원을 모두 구비한 구성으로 BLDC 피더모터를 구동하도록 구성되어 있다.

도 3은 사이리스터에서 입력되는 제어신호를 바탕으로 BLDC 피터모터를 제어하기 위한 또 다른 구성을 도시한 것이다.

도 3은 역전압 방지 다이오드 전단에 전원의 상태를 감지하기 위한 전원상태 감지기를 설치하고, 전원상태 감지기에서 전원공급 여부를 감지하여 전원이 설정된 시간이상 공급되지 아니하면 BLDC 모터 제어기를 통해서 N-채널 FET 3개를 모두 턴온시켜 BLDC 피더모터를 제동하여 양호한 용접을 이루도록 구성되어 있다.

이러한 구성은 용접을 종료하여야할 위치에서 용가제 피더모터가 회전관성에 의하여 계속 피딩이 이루어져 깨끗한 용접이 이루어지지 않은 문제점을 해결하기 위한 기술적 구성이다.

도 2에서, 본 발명은 용접 시 용접부위에 주입되는 용가제를 BLDC 모터를 이용하여 자동으로 공급하기 위하여 기존 용접장치에서 사용하고 있던 DC 피더모터를 구동하는 전원을 BLDC 모터를 구동할 수 있는 전원으로 변환 사용하여 BLDC 모터로 제어할 수 있도록 회로가 구성되어 있다.

즉, 본 발명은 기존의 용접장치에 사용되고 있었던 전원 및 기능을 그대로 적용하면서 DC 피더모터를 BLDC 모터로 교체하여 장치의 내구성을 높이고, 에너지 효율을 향상시키며, 피더모터의 부피를 감소시키기는데 있다.

도 1에서, (a) 는 DC 피더모터의 속도를 제어하기 위하여 교류전원을 전파 정류한 파형을 도시한 것이며, (b), (c) 및 (d) 는 DC 피더모터의 속도를 제어하기 위하여 교류전원을 전파 정류한 파형을 사이리스터로 일정 주기로 제어(절단)한 파형을 도시한 것이다.

도 1의 파형 (a), (b), (c) 및 (d)에서, 각각의 파형의 rms 값을 이용하여 DC 피더모터의 속도를 제어하기 때문에서 파형 (a), (b), (c) 및 (d) 중에서 rms 값이 가장 큰 (a) 파형으로 공급할 때 모터의 회전속도가 가장 빠르고, 그 다음이 (b)이며, 가장 속도가 늦은 것이 (d)이다.

종래의 DC 피더모터의 속도 제어는 앞서 설명한 바와 같이 전파 정류된 신호를 모터에 공급하면, 공급파형의 RMS 값에 비례하여 DC 모터의 속도가 변화하도록 구성되어 있다.

이와 같이 사이리스터로 제어(절단)한 파형을 rms 값으로 모터의 속도를 제어할 경우에 RMS 측정값은 1V 내지 30V 까지 얻을 수 있다.

사이리스터로 제어(절단)된 신호의 피크 투 피크 전압 값을 살펴보면, rms 값이 1V 일 때에도 5V 이상이 유지되고, 최대 73V 정도까지 나오는 것으로 확인되었다.

BLDC 모터의 경우에는 마이컴에서 BLDC 모터를 제어하기 위하여 스위칭 소자에 공급하는 신호가 5V 이하이면 스위칭소자인 p-채널 FET 또는 n-채널 FET가 동작하지 아니하고, 15V 이상이면 스위칭소자인 p-채널 FET 또는 n-채널 FET가 손상되어 장치의 내구성에 문제가 발생한다.

그러기 때문에, 기존의 용접장치에서 용가제 공급을 위한 DC 피더모터의 속도를 제어하기 위하여 공급되는 전원을 그대로 이용할 경우에는 BLDC 모터가 동작하지 않거나 스위칭 소자가 손상되는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 인식하고, 이미 제작되어 사용되고 있는 수많은 종래의 용접장치에 그대로 적용할 수 있도록 설계 제작하기 위하여 종래의 용접장치에서 공급되는 전파 정류된 파형을 사이리스터로 제어(절단)하여 피더모터로 공급하는 전원신호를 그대로 이용하여 BLDC 모터의 속도를 제어하는 회로로 구성되어야 하고, 그렇게 구성되어 있다.

이러한 회로 구성을 위하여서는 BLDC 삼상 모터의 각각의 위상(u, v, w)을 검출하기 위하여 모터 내부에 설치된 홀센서(hall sensor)를 이용하여 회전하는 BLDC 모터의 자석의 위치를 검출하여 BLDC 모터의 제어기에서 스위칭 소자를 동작시켜 각각의 해당 위상에 사이리스터에서 속도 제어를 위하여 공급하는 절단한 파형이 BLDC 모터에 공급되어 속도가 제어되도록 회로가 설계 제작되어 있다.

즉, 본 발명은 사이리스터에서 속도 제어를 위하여 제어(절단)된 전원(파형)으로 BLDC 모터의 각각의 위상을 홀센서로 검출하여 각각의 위상별로 신호를 제어 공급하는 제어기의 전원과 BLDC 모터의 속도를 제어하기 위한 전원 모두를 필요로 한다.

BLDC 모터 제어기에는 도 2와 도 3에서와 같이 BLDC 모터의 삼상의 위상(U, V, W)을 홀센서로 검출하여 해당 시점에 전원을 공급하기 위하여 BLDC 모터의 제어기에 설치된 스위칭 소자인 n-채널 FET 또는 p-채널 FET 가 설치되어 있고, 이들을 턴온할 수 있는 전압인 5V 내지 15V사이에서 설정된 전압으로 공급하도록 구성되어 있다.

본 발명은 용가제의 피딩모터의 피딩속도를 제어하기 위하여 사이리스터에서 전파 정류된 신호를 절단 공급할 때 도 1에서와 같이 파형이 절단되는 시점에 따라서 BLDC 모터의 속도가 제어되도록 구성되어 있다.

본 발명에 따른 피터모터(BLDC 모터)의 속도제어를 위한 구성은 삼상(u, v, w) BLDC 모터의 각각의 위상을 홀센서로 검출하고, 검출된 각각의 위상을 바탕으로 BLDC 모터 제어기에서 해당 스위칭 소자를 온하여 사이리스터에서 속도 제어를 위하여 공급하는 전원이 BLDC 모터에 공급되어 속도가 제어되도록 구성되어 있다.

상세하게는, BLDC 모터의 속도제어는 전파 정류된 교류신호를 사이리스터에서 도 1에서와 같이 일정 주기로 절단된 신호를 스위칭 소자가 턴온된 위상으로 공급함에 의하여 BLDC 모터의 속도가 제어되도록 구성되어 있다.

보다 구체적으로 BLDC 모터의 속도제어에 대하여 살펴본다.

용접장치로부터 공급되는 도 1의 파형 (a), (b), (c) 및 (d)에서, 사이리스터에 의하여 절단되지 아니한 파형의 면적이 넓을수록 BLDC 모터에 공급되는 전류가 많으므로 회전속도가 빨라져 용가제의 공급속도가 빠르고, 절단되고 남은 파형 면적이 작을수록 BLDC 모터에 공급되는 전류가 작으므로 회전속도가 감소되어 용가제의 공급속도가 감소하도록 구성되어 있다.

도 1의 파형에서, BLDC 모터의 회전속도가 빠른 순서는 (a) > (b) > (c) > (d) 순으로 구성된다. 도 1에서, 사선으로 빗금을 친 면적이 넓을수록 모터속도가 빠르게 구동한다.

BLDC 모터를 제어하기 위한 스위칭 소자에는 n-채널 FET 또는 p-채널 FET 를 사용하여 제어하도록 구성되어 있다.

본 발명은 3상 BLDC 모터를 이용한 속도 제어로 모터 내부에 설치된 홀센서에 의하여 검출된 BLDC 모터의 자석의 위치에 따라 각각의 위상에 전원이 공급되도록 3개의 n-채널 FET와 3개의 p-채널 FET 스위칭 소자를 사용하여 턴온 또는 턴오프시켜 BLDC 모터의 속도를 제어하고 있다.

6개의 스위칭소자를 턴온 및 턴오프하는 신호는 홀센서에서 검출한 BLDC 모터의 자석 위치와 연동하여 마이컴에서 생성 공급하여 해당 스위칭 소자를 동작시켜 BLDC 모터의 회전속도를 제어한다.

삼상 BLDC 모터를 구동하기 위한 제어기에는 6개의 스위칭소자가 채용되며, 6개의 스위칭소자는 n-채널 FET 3개와 p-채널 FET 3개로 구성되며, u, v 및 w 각 상별로 n-채널 FET 1개와 p-채널 FET 1개가 서로 연동하여 BLDC 모터에 구동신호를 공급하도록 구성되어 있다.

다음은 본 발명에 따른 BLDC 모터 제어기의 전원에 대하여 살펴본다.

본 발명은 기존의 DC 피더모터에 공급되는 전파 정류된 전원을 스위칭 소자인 사이리스터를 사용하여 신호의 일부를 절단한 피크 투 피크 전압을 이용하여 최소 ±5V에서 최대 ±15V를 넘지 않는 전원으로 변환 획득하여 스위칭 소자의 손상을 방지하면서 정상적으로 동작하도록 구성되어 있다.

이를 해결하기 위하여 도 2와 도 3에서와 같이 본 발명에 따른 BLDC 모터를 제어하기 위한 제어기의 회로에는 3 가지의 접지점을 사용하고 있다.

도 2와 도 3에서, 스위칭 소자인 n-채널 FET에 공급되는 신호인 +15V 를 생성하는 회로의 접지점을 NGND라 하고, 이를 기준 접지점으로 사용한다.

n-채널 FET를 스위칭하기 위한 전압은 +5V 내지 +15V 사이의 전압을 사용하도록 구성하면 된다.

스위칭 소자인 p-채널 FET에는 -15V(PGND 기준)가 공급되며, 공급되는 신호를 생성하는 회로의 접지점을 PGND라 하고, 이는 NGND와 비교하여 -15V의 전위차를 가진다.

PGND 접지점은 V_DD 전원의 접지점으로 용접장치로부터 공급되는 전원이 0V 내지 73V 일경우에 상기 NGND와 대비하여 최대 -15V 내지 58V까지 변화하는 가변 접지점이 된다.

다음은 마이컴에 사용되는 전원의 접지점으로, 이는 NGND와 대비하여 +5V 높은 전압을 가지며, DGND(이는 '디지털 접지점'이라는 의미이다)라 한다.

기존의 용접장치로부터 용가제 공급을 제어하는 피터모터로 입력되는 전압(용이한 설명을 위하여 'VDD'라 한다)은 약 0V 내지 73V 이지만 구동되는 모터에서 발생하는 역기전력이 순간적으로 100V가 넘는 경우가 발생하므로 VDD 전원이 입력되는 회로의 부품은 회로의 내구성을 높이기 위하여 내압이 120V 이상으로 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다.

앞서 설명한 NGND를 기준으로 VDD 의 전압이 0V 내지 73V 까지 변화하므로 상기 p-채널 FET 스위칭 소자를 턴온하기 위하여 마이컴에서 공급되는 신호는 도 4에서와 같이 회로의 손상을 방지하고 안정적인 동작을 위하여 전기적으로 분리하기 위하여 포토커플러를 사용하여 구성하는 것이 바람직하다.

이와 대비되는 n-채널 FET 를 턴온하는데 사용하는 전압(용이한 설명을 위하여 VCC 라 함, +15V 임)은 도 5에서와 같이 NGND를 기준으로 안정적으로 동작하므로 전기적으로 분리할 필요는 없다.

도 4와 도 5에서 V_CC 와 V_DD는 도 2와 도 3에서 얻은 V_CC 와 V_DD 를 의미하며, 도 4와 도5의 입력단은 제어기의 마이컴으로부터 신호가 입력되고, 도 4의 출력 신호는 스위칭소자 중 p-채널 FET의 게이트 단자로 입력되며, 도 5의 출력 신호는 스위칭소자 중 n-채널 FET의 게이트 단자로 입력되도록 구성되어 있다.

즉, 도 4와 도 5의 각각의 출력신호는 p-채널 FET와 n-채널 FET를 턴온시키는데 사용된다.

앞서 기술한 기술적 구성을 바탕으로 본 발명을 이루는 중요한 기술적 구성을 보다 구체적으로 살펴본다.

용접장치로부터 공급되는 전원을 이용한 BLDC 피더모터 구동장치는 용접장치로부터 입력되는 신호를 공급받는 신호 입력부를 포함하며, 신호 입력부로 입력된 신호를 바탕으로 BLDC 모터 제어에 필요한 신호를 생성하는 신호 생성부를 포함하고 있다.

또한, 신호 생성부에서 생성한 신호를 공급받아서 BLDC 모터의 구동에 필요한 스위칭 소자를 턴온하기 위한 신호를 생성하는 마이컴과 BLDC 모터의 속도를 제어하기 위한 신호를 용접기 측으로부터 공급받도록 구성되어 있다.

상기 BLDC 모터를 구동하기 위한 신호 생성부에서 공급하는 신호는 BLDC 모터 구동에 필요한 +5V와, BLDC 모터의 스위칭 소자인 n-채널 FET와 p-채널 FET를 턴온하는데 필요한 ±5V 내지 ±15 사이 전압과, BLDC 모터의 속도제어에 필요한 신호로 구성되어 있다.

상기 BLDC 모터를 구동하기 위한 신호 생성부는 n-채널 FET 스위칭 소자의 턴온 전원을 생성하는데 필요한 접지점(NGND)와, 마이컴에 전원을 공급하는 전원의 접지점(DGND)과, p-채널 FET 스위칭 소자의 턴온 전원을 생성하는데 필요한 접지점(PGND)으로 구성하되, 기준 접지점을 n-채널 FET 스위칭 소자의 턴온 전원을 생성하는데 필요한 접지점으로 구성되어 있다.

본 발명 명세서 상에서는 도 2와 도3에서와 특허기술의 보호를 위하여 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 실시할 수 있도록 기재하면서 구체적인 회로를 기재하는 것을 피하고 블록다이야그램으로 도시하였다.

상기 BLDC 피더모터 구동장치는 BLDC 모터의 속도를 제어하기 위하여 해당 위상의 스위칭 소자를 턴온상태로 유지하고, BLDC 모터에 공급되는 전원은 용접장치로부터 공급되는 전파 정류되어 사이리스터에 의하여 절단되어 공급되는 신호에 의하여 BLDC 모터의 해당 위상에 전기신호를 공급하여 속도를 제어하도록 구성되어 있다.

BLDC 피더모터 구동장치는 p-채널 FET 스위칭 소자의 턴온 전원을 생성하는데 필요한 접지점(PGND)이 기준 접지점(NGND)과 대비하여 크게 변화하므로 회로의 안정적인 동작을 위하여 p-채널 FET 스위칭 소자의 턴온 전원을 전기적으로 분리된 포토커플러를 사용하여 공급하도록 구성되어 있다.

다음은 용접이 완료되는 시점에서 용접기에서 피더모터를 제동하는 기술적 구성에 대하여 살펴본다.

용접기에서 용접을 종료하고자 할 때, BLDC 모터에 전원 공급을 중단하더러도 모터 자체의 회전관성에 의하여 천천히 정지하게 되므로 계속해서 용접부위에 용가제가 주입되어 용접부위가 볼록하게 되는 등 용접 마무리가 매끈하지 아니한 문제점이 발생할 수 있다.

이를 해결하기 위하여 기존의 DC 피더모터의 경우에는 별도의 제동저항을 설치하여 제동하도록 구성되어 있다.

BLDC 모터의 경우에는 도 6에서와 같이 역전압 방지 다이오드에 의하여 제동저항을 사용할 수 없다. BLDC의 경우에는 BLDC 모터 제어를 위한 소형 제어기의 파손을 방지하기 위하여 역전압 방지 다이오드가 필수적으로 채용되어야 하기 때문이다.

본 발명에 따른 BLDC 모터 제동은 역전압 방지 다이오드 전단에 전원상태 감지기를 설치하여 전원공급 여부를 감지하여 전원이 설정된 시간이상 공급되지 아니하면 BLDC 피더모터를 제동하여 양호한 용접 마무리가 이루어지도록 구성되어 있다.

구체적으로, 역전압 방지 다이오드 전단에 양방향 포토커플러 등을 이용하여 전원상태 감지기를 설치하고, 전원상태 감지기에서 전원공급 여부를 감지하여 전원이 설정된 시간이상 공급되지 아니하면 BLDC 모터 제어기를 통해서 N-채널 FET 3개를 모두 턴온시켜 BLDC 모터로 공급되는 삼상 신호를 단락시키므로 BLDC 피더모터의 동작이 정지되어 양호한 용접을 이루도록 구성되어 있다.

설정된 시간은 30㎳ 내지 50㎳사이가 바람지하나, 좀더 신속한 판단을 위하여 좀 더 짧게 설정하거나 보다 정확한 판단을 위하여 좀더 길게 설정할 수 있다.

N-채널 FET 3개를 모두 턴온시키기 위한 전원은 커패시터에 충전된 전원을 이용하여 동작하도록 구성되어 있다.

도 6은 BLDC 모터를 사용할 경우에 제어기 파손을 방지하기 위하여 설치되는 역전압 방지 다이오드 때문에 제동저항을 사용할 수 없음을 도면으로 도시한 것이다.

본 발명은 용접 시 주입되는 용가제를 BLDC 모터를 이용하여 자동으로 공급하기 위하여 기존에 용접장치에 설치되어 사용되고 있던 DC 피더모터를 구동하는 전원을 BLDC 모터를 구동할 수 있는 전원으로 변환하여 BLDC 피더모터를 제어할 수 있는 BLDC 피더모터 구동장치를 제공하여 모터의 내구성을 높이고 에너지 효율을 높일 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

Claims (8)

1. 용접장치로부터 공급되는 전원을 이용한 BLDC 피더모터 구동장치에 있어서,
   용접장치로부터 입력되는 신호 입력부;
   신호 입력부로 입력된 신호를 바탕으로 BLDC 피더모터 제어에 필요한 신호를 생성하는 신호 생성부;
   신호 생성부에서 생성한 신호를 바탕으로 BLDC 피더모터의 구동에 필요한 스위칭 소자를 턴온하기 위한 신호를 생성하는 마이컴; 및
   BLDC 피더모터의 속도를 제어하기 위한 신호를 용접기측 사이리스터로부터 공급받도록 구성하되,
   상기 신호 생성부는 BLDC 피더모터 구동에 필요한 +5V 신호와, BLDC 피더모터의 스위칭 소자인 n-채널 FET와 p-채널 FET를 턴온하는데 필요한 ±5V 내지 ±15 사이 전압신호와, BLDC 피더모터의 속도제어를 위한 용접기측 사이리스터로부터 공급되는 신호를 생성함을 특징으로 하는 BLDC 피더모터 구동장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 BLDC 피더모터를 구동하기 위한 신호 생성부는 n-채널 FET 스위칭 소자의 턴온 전원을 생성하는데 필요한 접지점(NGND)과, 마이컴 전원을 공급하는 전원의 접지점(DGND)과, p-채널 FET 스위칭 소자의 턴온 전원을 생성하는데 필요한 접지점(PGND)으로 구성하되,
   기준 접지점을 n-채널 FET 스위칭 소자의 턴온 전원을 생성하는데 필요한 접지점으로 함을 특징으로 하는 BLDC 피더모터 구동장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 3 에 있어서,
   상기 BLDC 피더모터 구동장치는 삼상 BLDC 피더모터의 속도를 제어하기 위하여 해당 위상으로 신호를 공급하기 위하여 해당 스위칭 소자인 p-채널 FET 및 n-채널 FET 를 턴온 상태로 유지하고,
   BLDC 피더모터의 해당 위상으로 공급되는 신호는 용접장치로부터 공급되는 전파 정류되어 사이리스터를 통해서 제어 공급되는 신호에 의하여 BLDC 피더모터에 공급함을 특징으로 하는 BLDC 피더모터 구동장치.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 BLDC 피더모터 구동장치는 p-채널 FET 스위칭 소자의 턴온 전원을 생성하는데 필요한 접지점(PGND)이 기준 접지점(NGND)과 대비하여 크게 변화하므로 회로의 안정적인 동작을 위하여 p-채널 FET 스위칭 소자의 턴온 전원을 전기적으로 분리된 포토커플러를 사용하여 공급함을 특징으로 하는 BLDC 피더모터 구동장치.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 BLDC 피더모터 구동장치는 삼상 BLDC 피더모터의 자석 위치를 검출하기 위하여 BLDC 피더모터 내부에 홀 센서를 더 부가함을 특징으로 하는 BLDC 피더모터 구동장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   BLDC 피더모터 구동장치는 용접기에서 용접을 종료하기 위하여 BLDC 피더모터로 공급되는 전원을 중단할 경우에 관성에 의하여 용가제가 계속하여 피딩되는 것을 방지하여 양호한 용접을 이루기 위하여 역전압 방지 다이오드 전단에 전원상태 감지기를 설치하고,
   전원상태 감지기를 이용하여 전원공급 여부를 감지하여 전원이 설정된 시간이상 공급되지 아니하면 BLDC 피더모터를 제동함을 특징으로 하는 BLDC 피더모터 구동장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 BLDC 피더모터 구동장치는 BLDC 피더모터를 제동하기 위하여 커패시터에 충전된 전원을 이용하여 3 개의 n-채널 FET를 턴온 상태를 유지시켜 삼상 신호를 단락시켜 BLDC 피더모터를 정지시킴을 특징으로 하는 BLDC 피더모터 구동장치.

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