KR100924924B1 - Gate driver and motor driving device using same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자 기기에 탑재되는 모터를 구동시키는 모터 구동 장치의 게이트 드라이버를 고가의 IC 칩을 사용하지 않고, 간단한 회로 소자로 구현함에 의해 모터 구동 장치 및 전자 기기의 생산 단가를 최소화하는 게이트 드라이버 및 이를 이용한 로봇 청소기의 모터 구동 장치에 관한 것이다.
본 발명은 모터의 회전자 위치에 따른 제1 내지 제3 위치신호를 출력하는 위치검출부와, 제어전압에 따라 모터의 3상 코일에 인가되는 통전시간이 결정되는 PWM 신호를 발생하는 신호발생수단과, 신호발생수단으로부터 출력되는 PWM 신호와 회전자의 위치신호를 조합하여, 제1 내지 제3 인버터의 제1 내지 제3 상측 구동트랜지스터를 선택적으로 구동하도록 각각 인가 타이밍이 서로 상이한 제1 내지 제3 PWM 신호로 이루어진 제1 내지 제3 게이트 구동신호와 하측 구동트랜지스터를 선택적으로 구동하기 위한 제1 내지 제3 게이트 신호를 발생하는 논리 제어부와, 제1 내지 제3 PWM 신호에 따라 제1 내지 제3 인버터의 제1 내지 제3 상측 구동트랜지스터를 구동하기 위한 프리 증폭을 실시하는 제1 내지 제3 게이트 드라이버를 포함한다.
모터 구동 장치, 인버터, 파워 FET, 게이트 드라이버, 3상 구동
The present invention provides a gate driver for minimizing the production cost of a motor driving device and an electronic device by implementing a gate driver of a motor driving device for driving a motor mounted in an electronic device as a simple circuit element without using an expensive IC chip. It relates to a motor driving device of the robot cleaner using the same.
The present invention provides a position detection unit for outputting the first to third position signals according to the position of the rotor of the motor, signal generation means for generating a PWM signal to determine the energization time applied to the three-phase coil of the motor according to the control voltage; By combining the PWM signal output from the signal generating means and the position signal of the rotor, the first to third of the application timing is different from each other to selectively drive the first to third upper drive transistors of the first to third inverters; A logic controller for generating first to third gate driving signals consisting of PWM signals and first to third gate signals for selectively driving the lower driving transistors, and first to third according to the first to third PWM signals And first to third gate drivers for performing pre-amplification for driving the first to third upper driving transistors of the inverter.
Motor Drive, Inverter, Power FET, Gate Driver, 3-Phase Drive
Description
본 발명은 게이트 드라이버 및 이를 이용한 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 3상 구동방식의 BLDC 모터를 인버터를 사용하여 구동할 때 인버터의 상측 채널은 게이트 드라이버를 통하여 구동하고, 하측 채널은 논리 제어부로부터 직접 제어가 이루어짐에 의해 회로 구조가 간단하게 이루어질 수 있고, 또한 게이트 드라이버는 간단한 회로 소자들을 사용하여 인버터의 상측 채널을 구동할 수 있어 제조비용을 크게 절감할 수 있는 게이트 드라이버 및 이를 이용한 모터 구동 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a gate driver and a motor driving device using the same. More specifically, when driving a three-phase BLDC motor using an inverter, the upper channel of the inverter is driven through the gate driver, and the lower channel is The circuit structure can be simplified by the direct control from the logic controller, and the gate driver can drive the upper channel of the inverter by using simple circuit elements, thereby greatly reducing the manufacturing cost, and using the same. It relates to a motor drive device.
최근 에너지 효율을 높이기 위해 가전제품(에어컨, 세탁기, 냉장고 등)에 인버터에 의해 제어되는 3상 브러쉬레스 직류 모터를 사용하는 경우가 많아지고 있다. 브러쉬레스 직류 모터(Brushless DC motor, BLDC motor)는 무정류자 모터(commutatorless motor)라고도 하며, 통상 직류 모터의 중요한 부품인 브러쉬와 정류자 대신 트랜지스터, MOSFET, IGBT와 같은 전력 스위칭 반도체 소자를 사용한 전자회로의 스위칭에 의해 고정자 권선에 흐르는 전류를 절환하여 토크를 발생시켜 구동하는 모터이다.In recent years, in order to increase energy efficiency, home appliances (air conditioners, washing machines, refrigerators, etc.) are increasingly using three-phase brushless DC motors controlled by inverters. Brushless DC motors (BLDC motors), also known as commutatorless motors, are used in electronic circuits using power switching semiconductor devices such as transistors, MOSFETs, and IGBTs, instead of brushes and commutators, which are usually important parts of DC motors. It is a motor that generates torque by switching the current flowing through the stator winding by switching.
따라서 브러쉬레스 직류 모터는 동기 모터의 구조에 직류모터와 유사한 전류 대 토크, 속도 대 전압의 특성을 갖고 있으며, 고효율, 높은 전력 밀도 때문에 가전용 기기에서 산업용 기기에 이르기까지 사용분야가 점점 확대되고 있는 추세이다.Therefore, the brushless DC motor has the characteristics of current-to-torque and speed-to-voltage similar to the DC motor in the structure of the synchronous motor, and because of its high efficiency and high power density, the field of application is expanding from home appliances to industrial equipment. It is a trend.
3 상 브러쉬레스 직류 모터는 단상에 비해 토크 제어가 용이하며 효율이 높고 소음면에서도 유리하여 대용량은 대부분 3 상으로 구동된다.Three-phase brushless DC motors are easier to control torque than single-phase, high efficiency and advantageous in terms of noise.
이러한 브러쉬레스 직류 모터는 고정자로서 3 개의 코일이 전기적으로 120도의 위상차를 갖도록 회전자인 영구자석과 대향하여 배치되며, 스위칭 소자를 통해 각 상의 고정자 코일들을 선택적으로 통전시킬 때 그에 따라 자화되는 코어와 영구자석의 자극 상호간에 작용하는 자기력에 의하여 회전자가 회전하게 된다. 그러므로 브러쉬레스 직류 모터의 구동을 제어하기 위해서는 회전자의 자극과 고정자 각상 코어와의 상대적인 위치를 검출하는 것이 필요하며, 이를 위해 홀소자(Hall device)를 사용한 위치검출 센서가 사용되고 홀소자에 의해 검출된 위치 정보에 의해 고정자 권선에 적절한 전압을 인버터를 통해 인가한다. This brushless DC motor is a stator and is disposed opposite the permanent magnet as the stator so that the three coils electrically have a phase difference of 120 degrees, and the core and permanent magnetized accordingly when selectively energizing the stator coils of each phase through a switching element. The rotor rotates by the magnetic force acting on the magnetic poles of the magnets. Therefore, in order to control the driving of the brushless DC motor, it is necessary to detect the relative position between the magnetic pole of the rotor and the core of the stator phase. For this purpose, a position detection sensor using a Hall device is used and the Hall element is detected. Appropriate voltage is applied to the stator windings through the inverter by the location information.
상기한 브러쉬레스 직류 모터를 구동하는 데 사용되는 모터 구동 장치는 FET 또는 IGBT와 같은 6개의 전력 스위칭 소자를 사용한 전압형 인버터가 사용된다. 이러한 인버터는 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation) 구동방법에 의해 주로 제어된다. 일반적으로 PWM 구동방법은 전압을 일정하게 놓고 전류를 펄스방식으로 주어서 평균전류를 제어하는 것으로 이때 펄스폭의 비율을 제어하는 방식이 PWM 제어 이다.As the motor driving apparatus used to drive the brushless DC motor described above, a voltage inverter using six power switching elements such as a FET or an IGBT is used. Such an inverter is mainly controlled by a pulse width modulation (PWM) driving method. In general, the PWM driving method controls the average current by setting a constant voltage and giving a current in a pulse method. At this time, the method of controlling the ratio of the pulse width is PWM control.
상기한 PWM 구동 방식으로서, 삼각파 슬라이스방식과 피크전류 검출방식이 알려져 있다. 삼각파 슬라이스 방식은 코일전류를 검출저항으로 보내, 검출저항에 발생하는 전압과 토크지령전압의 차분을 슬라이스레벨로서 출력하는 에러증폭기를 이용하여, 이 슬라이스레벨로 일정 주기의 삼각파를 슬라이스하여 코일로의 통전기간을 결정하는 방식이다. 피크전류 검출방식은, 에러증폭기를 이용하지 않으며, 코일전류가 흐르는 전류검출저항에 발생한 전압이 토크지령전압에 달하면, 코일로의 전류 공급을 정지하고 회생전류모드로 하는 방식이다.As the PWM driving method, a triangular wave slice method and a peak current detection method are known. The triangular wave slice method uses an error amplifier that sends a coil current to the detection resistor and outputs the difference between the voltage generated in the detection resistor and the torque command voltage as a slice level. It is a method of determining the duration of energization. The peak current detection method does not use an error amplifier. When the voltage generated by the current detection resistor through which the coil current flows reaches the torque command voltage, the current supply to the coil is stopped and the regenerative current mode is set.
6개의 인버터를 사용하는 종래의 모터 구동 장치는 크게 마이컴, 로직부, 3개의 게이트 드라이버부 및 6개의 FET(field effect transistor)를 포함하는 인버터로 구성된다.The conventional motor driving apparatus using six inverters is largely composed of an inverter including a microcomputer, a logic unit, three gate driver units, and six field effect transistors (FETs).
출력 구동부를 형성하는 6개의 FET 소자는 상측(High Side)은 P 채널 소자를 사용하고 하측(Low Side)에 N 채널 소자를 사용하여 조합된 경우 구동회로가 간단하게 이루어지는 장점이 있는 반면에 P 채널 소자는 N 채널 소자에 비하여 1.5~2.5배로 가격이 비싼 단점이 있다. 따라서, 상측의 FET도 가격이 저렴한 N 채널 소자를 사용하여 출력 구동부를 갖는 모터 구동 장치가 많이 사용되고 있다. 이하에 6개의 N 채널 FET를 사용한 모터 구동 장치를 예를 들어 설명한다.The six FET devices forming the output driver have the advantage that the driving circuit is simple when the high side uses the P channel element and the low side uses the N channel element, while the P channel is simple. The device has the disadvantage of being 1.5 to 2.5 times more expensive than the N-channel device. Therefore, a motor driving apparatus having an output driver using a low-cost N-channel element is also widely used in the upper FET. A motor driving apparatus using six N-channel FETs is described below by way of example.
도 1은 예를 들어, 로봇 청소기에 사용되는 모터 구동 장치를 설명하기 위한 개략 블록도이다.1 is a schematic block diagram for explaining a motor driving device used for a robot cleaner, for example.
도 1을 참조하면, 모터 구동 장치는, 마이컴(10)과, 로직부(20)와, 3개의 게 이트 드라이버(31,32,33) 및 6개의 N 채널 FET로 이루어진 인버터(40)로 구성되어, 모터(50)에 구동 전압을 인가한다.Referring to FIG. 1, the motor driving apparatus includes a
상기 도 1에 도시된 모터 구동 장치는 모터(50)가 3상 구동 방식으로 구동되는 경우를 예시한 것으로, 3개의 상측(High Side) FET(FET1~FET3)와 3개의 하측 FET(FET4~FET6)가 3쌍의 인버터를 형성하여 이들의 3 접속점으로부터 인버터 출력이 발생되어 모터(50)의 3상 구동코일에 교대로 3상 구동 전압(OUT1~OUT3)을 인가한다.The motor driving apparatus shown in FIG. 1 illustrates a case in which the
마이컴(10)은 0 내지 5 볼트(Volt)의 가변 전압을 입력받아 PWM(펄스폭변조) 신호를 로직부(20)로 출력한다.The
로직부(20)는 마이컴(10)으로부터 출력되는 PWM 신호와, 모터(50)의 홀 소자가 회전자의 자석 극성을 검출한 3개의 검출 신호(HS)를 조합하여 게이트 제어신호(HIN,LIN)를 형성한다. The
3개의 게이트 드라이버(31~33)는 각각 로직부(20)로부터 출력되는 게이트 제어신호(HIN,LIN)를 상측 및 하측 FET를 구동할 수 있는 상측 및 하측 드라이버 출력(HO,LO)으로 변환하여 상측 FET(FET1~FET3)의 게이트 단자로 인가한다.The three
6개의 FET(FET1~FET6)는 파워 소자로 구현되며, 상측 FET(FET1~FET3) 및 하측 FET(FET4~FET6) 각각은 대응하는 모터(50)의 3상, 예를 들어, U, W, V 상 구동 코일에 각각 연결되어, 게이트 단자로 인가되는 상측 및 하측 드라이버 출력(HO,LO)에 따라 모터(50)에 3상 구동 전압(OUT1~OUT3)을 인가하여 모터(50)를 구동시킨다.The six FETs FET1 to FET6 are implemented as power devices, and each of the upper FETs FET1 to FET3 and the lower FETs FET4 to FET6 are three phases of the
이 경우, 상기 도 1에 예시된 종래의 모터 구동 장치에서 게이트 드라이버(31~33)는 각각 내부적으로 상측 및 하측 드라이버를 구비하고, 상측 FET(FET1~FET3) 및 하측 FET(FET4~FET6)를 구동하기 위한 상측 및 하측 드라이버 출력신호(HO,LO)를 발생하며, 또한 플로팅 채널은 부트스트랩 동작(Bootstrap Operation)을 수행하도록 설계되어 있다.In this case, in the conventional motor driving apparatus illustrated in FIG. 1, the
따라서, 상기 게이트 드라이버(31~33)는 기본적으로 인버터(40)의 FET를 구동하는데 필요한 전류 증폭의 역할과, 모터 상 포인트에서 마이컴(10)으로부터 발생된 PWM 구동신호가 온(ON)인 경우 인버터(40)의 상측(High Side) FET(FET1~FET3)의 게이트 단자가 상측 FET(FET1~FET3)와 하측 FET(FET4~FET6) 사이의 접속점(즉, 인버터 출력)보다 (+)15V가 더 높게 유지되도록 하며, 마이컴(10)으로부터 오프(OFF)신호가 출력된 경우 게이트 단자가 출력상과 동일한 전압, 즉 0V가 되도록 제어하는 역할을 한다.Therefore, the
이러한 역할을 하기 위하여 종래에 개발된 게이트 드라이버는 입/출력 핀이 각각 2개씩으로 구현되는 IC 칩을 이용하거나 또는 3개의 게이트 드라이버를 하나의 IC 칩으로 구현하고 있다. 예컨대, FAIRCHILD SEMICONDUCTOR 사의 'FAN 7382'(High-and Low-Side Gate Driver), 또는 International Rectifier 사의 'IR 2101' 또는 'IR 2106' 와 같은 IC 칩 제품을 이용하여 각각의 게이트 드라이버(31~33)를 구현하고 있으나, 이러한 게이트 드라이버 IC 칩 자체의 가격이 고가이기 때문에 모터 구동 장치의 생산 단가가 크게 비싸지게 되는 원인이 된다.In order to play such a role, a conventionally developed gate driver uses an IC chip having two input / output pins each, or three gate drivers as one IC chip. For example, each gate driver 31-33 may be manufactured using an IC chip such as FAN 7382 (High-and Low-Side Gate Driver) manufactured by FAIRCHILD SEMICONDUCTOR or 'IR 2101' or 'IR 2106' manufactured by International Rectifier. However, since the gate driver IC chip itself is expensive, the production cost of the motor driving device becomes large.
즉, 3상 구동 방식의 모터를 구동시키기 위해서는 3개의 고가 게이트 드라이 버 칩을 사용하여 구현되기 때문에 모터 구동 장치의 생산 단가가 올라감에 따라 이를 채용하는 전자 기기, 특히, 로봇청소기와 같이 밧데리를 구동전원으로 사용하는 전기제품의 생산 단가 역시 상승하게 되어 경쟁력을 낮추는 원인이 된다.In other words, three expensive gate driver chips are used to drive a three-phase drive type motor, and thus, as the production cost of the motor driving device increases, an electronic device adopting the same, in particular, a battery, such as a robot cleaner, is driven. The production cost of electric appliances used as a power source also rises, which lowers the competitiveness.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 3상 구동방식의 BLDC 모터를 인버터를 사용하여 구동할 때 인버터의 상측 채널은 게이트 드라이버를 통하여 구동하고, 하측 채널은 논리 제어부로부터 직접 제어가 이루어짐에 의해 회로 구조가 간단하게 이루어질 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 데 있다.Therefore, the present invention was devised to solve the above problems, the object of which is to drive the upper channel of the inverter through the gate driver when driving the three-phase BLDC motor using the inverter, the lower channel is It is to provide a motor drive device that can be made simple circuit structure by direct control from the logic control unit.
본 발명의 다른 목적은 고가의 IC 칩을 사용하지 않고, 간단한 회로 소자들을 사용하여 부트스트랩 기능을 가지고 인버터의 상측 채널을 구동할 수 있는 게이트 드라이버 및 이를 이용한 모터 구동 장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a gate driver and a motor driving apparatus using the same, which can drive an upper channel of an inverter with a bootstrap function using simple circuit elements without using expensive IC chips.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 토탬폴 접속된 상측 및 하측 구동트랜지스터를 갖는 인버터를 구비하며, 상기 인버터의 상측 및 하측 구동트랜지스터의 접속점으로부터 모터로 전류를 공급하는 모터 구동 장치의 상측 구동트랜지스터를 구동하기 위한 게이트 드라이버에 있어서, 입력측에 인가되는 PWM(펄스폭변조) 신호에 따라 위상 반전된 출력을 발생하는 제1 트랜지스터와; 상기 제1 트랜지스터의 콜렉터에 분압회로를 형성하도록 직렬 접속된 제1 저항 및 제2 저항과; 상 기 제1 저항에 캐소드가 연결되고 애노드에 공급전원(Vcc)이 연결되어 상기 공급전원 방향으로 전류가 흐르는 것을 저지함과 동시에 정류하는 부트스트랩(Bootstrap) 다이오드와; 상기 부트스트랩 다이오드의 캐소드 단자와 상측 및 하측 구동트랜지스터의 접속점 사이에 삽입되며 공급전원(Vcc)에 의해 충전이 이루어지는 부트스트랩 캐패시터와; 상기 제1 저항 및 제2 저항의 분압회로 출력에 베이스가 연결되고 에미터 단자에 상기 부트스트랩 다이오드를 통하여 공급전원(Vcc)이 연결되며 부트스트랩 캐패시터의 일단에 연결되어 상기 제1 트랜지스터가 턴온되는 경우 콜렉터 출력측에 모터 상 전위와 부트스트랩 캐패시터에 충전된 전압으로 승압되고, 상기 제1 트랜지스터가 턴오프되는 경우 콜렉터 출력측에 모터 상 전위로 강하되는 제2 트랜지스터와; 상기 제2 트랜지스터의 출력에 각각의 베이스가 공통 연결되고 공통 접속된 에미터로부터 전류 증폭된 출력이 인버터의 상측 구동트랜지스터에 인가되도록 상호간에 상보형 에미터 폴로워를 이루고 있으며, 상기 제2 트랜지스터가 턴온되는 경우 에미터 폴로워의 출력은 상측 구동트랜지스터를 구동시킬 수 있는 모터 상 전위와 부트스트랩 캐패시터에 충전된 전압으로 승압되고, 상기 제2 트랜지스터가 턴오프되는 경우 에미터 폴로워의 출력은 모터 상 전위로 강하되는 제3 및 제4 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 게이트 드라이버를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes an inverter having a top and bottom drive transistor connected to the tompole, and the top drive transistor of the motor drive device for supplying current to the motor from the connection point of the top and bottom drive transistors of the inverter CLAIMS 1. A gate driver for driving a transistor comprising: a first transistor for generating an output inverted in phase in accordance with a PWM (pulse width modulation) signal applied to an input side; First and second resistors connected in series to form a voltage divider circuit in the collector of the first transistor; A bootstrap diode that is connected to a cathode of the first resistor and is connected to a supply power supply (Vcc) to prevent current from flowing in the direction of the supply power and rectify the same; A bootstrap capacitor inserted between a cathode terminal of the bootstrap diode and a connection point of upper and lower driving transistors and charged by a power supply Vcc; A base is connected to the voltage divider output of the first resistor and the second resistor, and a supply power supply (Vcc) is connected to the emitter terminal through the bootstrap diode, and is connected to one end of a bootstrap capacitor to turn on the first transistor. A second transistor stepped up at a collector output side and a voltage charged at a bootstrap capacitor, the second transistor being dropped to a motor phase potential at the collector output side when the first transistor is turned off; Each base is commonly connected to the output of the second transistor, and a complementary emitter follower forms a complementary emitter follower so that the current amplified output from the commonly connected emitter is applied to the upper driving transistor of the inverter. When turned on, the output of the emitter follower is boosted to the motor phase potential that can drive the upper drive transistor and the voltage charged to the bootstrap capacitor, and when the second transistor is turned off the output of the emitter follower is It provides a gate driver of a motor drive device comprising a third and a fourth transistor that is dropped to a phase potential.
상기 부트스트랩 캐패시터는 상기 하측 구동트랜지스터가 턴온 상태이고 상측 구동트랜지스터가 턴오프 상태일 때 상기 공급전원에 의해 전하가 충전된다.The bootstrap capacitor is charged by the supply power when the lower driving transistor is turned on and the upper driving transistor is turned off.
또한, 상기 제3 트랜지스터는 상기 제2 트랜지스터의 컬렉터 출력에 베이스 가 연결되고 콜렉터가 상기 부트스트랩 다이오드를 통하여 공급전원(Vcc)이 연결되며 에미터로부터 전류 증폭된 출력이 인버터의 상측 구동트랜지스터에 인가되고, 상기 제4 트랜지스터는 상기 제2 트랜지스터의 컬렉터 출력에 베이스가 연결되고 콜렉터가 상측 및 하측 구동트랜지스터의 접속점에 연결되며 에미터가 상기 제3 트랜지스터의 에미터에 연결되어 에미터로부터 전류 증폭된 출력이 인버터의 상측 구동트랜지스터에 인가되는 것이 바람직하다.In addition, the third transistor has a base connected to the collector output of the second transistor, a collector connected to a supply power supply (Vcc) through the bootstrap diode, and a current amplified output from the emitter is applied to the upper driving transistor of the inverter. The fourth transistor is connected to the base of the collector output of the second transistor, the collector is connected to the connection point of the upper and lower driving transistors, the emitter is connected to the emitter of the third transistor and the current amplified from the emitter Preferably, the output is applied to the upper drive transistor of the inverter.
상기 모터는 3상 구동 방식으로 구동되는 것이 바람직하다.The motor is preferably driven in a three-phase drive method.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 각각 직렬로 접속된 상측 및 하측 구동트랜지스터를 갖는 제1 내지 제3 인버터를 구비하며, 상기 인버터 각각의 상측 및 하측 구동트랜지스터의 접속점으로부터 3상 구동 모터로 전류를 공급하는 모터 구동 장치에 있어서, 상기 모터의 회전자 위치에 따른 제1 내지 제3 위치신호를 출력하는 위치검출부와; 제어전압에 따라 모터의 3상 코일에 인가되는 통전시간이 결정되는 PWM 신호를 발생하는 신호발생수단과; 상기 신호발생수단으로부터 출력되는 상기 PWM 신호와 제1 내지 제3 위치신호에 기초하여, 제1 내지 제3 인버터의 제1 내지 제3 상측 구동트랜지스터를 선택적으로 구동하도록 각각 인가 타이밍이 서로 상이한 제1 내지 제3 PWM 신호로 이루어진 제1 내지 제3 게이트 구동신호와 하측 구동트랜지스터를 선택적으로 구동하기 위한 제1 내지 제3 게이트 신호를 발생하는 논리 제어부와; 각각 상기 제1 내지 제3 게이트 구동신호를 이루는 상기 인가 타이밍이 서로 상이한 제1 내지 제3 PWM 신호에 따라 제1 내지 제3 인버터의 제1 내지 제3 상측 구동트랜지스터를 구동하기 위한 프리 증폭을 실시하는 제1 내지 제3 게 이트 드라이버를 포함하며, 상기 논리 제어부는 상기 위치신호에 따라 제1 내지 제3 인버터 중 어느 하나의 상측 구동트랜지스터를 선택하여, 미리 설정된 기간 도통시킴과 동시에, 나머지 상기 인버터의 하측 구동트랜지스터 중 하나를 도통시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치를 제공한다.According to another feature of the present invention, the present invention includes first to third inverters having upper and lower drive transistors connected in series, respectively, from the connection point of each of the upper and lower drive transistors to each of the three-phase drive motors. A motor driving device for supplying current, comprising: a position detection unit for outputting first to third position signals according to a rotor position of the motor; Signal generating means for generating a PWM signal for determining the energization time applied to the three-phase coil of the motor according to the control voltage; A first application timing different from each other to selectively drive the first to third upper driving transistors of the first to third inverters based on the PWM signal and the first to third position signals output from the signal generating means; A logic controller configured to generate first to third gate driving signals including first to third PWM signals and first to third gate signals for selectively driving the lower driving transistors; Pre-amplification is performed to drive the first to third upper driving transistors of the first to third inverters according to the first to third PWM signals having different application timings respectively constituting the first to third gate driving signals. And a first to third gate driver, wherein the logic controller selects any one of the upper driving transistors of the first to third inverters according to the position signal, and conducts a predetermined period of time, while remaining the inverters. It provides a motor drive device characterized in that to control to conduct one of the lower drive transistor of the.
상기 모터 구동 장치에서, 상기 위치검출부는 상기 회전자의 자계의 세기에 대응하는 제1 내지 제3 위치신호를 발생하는 제1 내지 제3 홀소자를 포함하는 것이 바람직하다.In the motor driving apparatus, the position detecting unit preferably includes first to third Hall elements for generating first to third position signals corresponding to the strength of the magnetic field of the rotor.
또한, 상기 제1 내지 제3 게이트 드라이버는 각각 입력측에 인가되는 PWM 신호에 따라 위상 반전된 출력을 발생하는 제1 트랜지스터와; 상기 제1 트랜지스터의 콜렉터에 분압회로를 형성하도록 직렬 접속된 제1 저항 및 제2 저항과; 상기 제1 저항에 캐소드가 연결되고 애노드에 공급전원(Vcc)이 연결되어 상기 공급전원 방향으로 전류가 흐르는 것을 저지함과 동시에 정류하는 부트스트랩(Bootstrap) 다이오드와; 상기 부트스트랩 다이오드의 캐소드 단자와 상측 및 하측 구동트랜지스터의 접속점 사이에 삽입되며 공급전원(Vcc)에 의해 충전이 이루어지는 부트스트랩 캐패시터와; 상기 제1 트랜지스터가 턴온되는 경우 턴온되어 출력이 모터 상전위와 부트스트랩 캐패시터에 충전된 전압으로 승압되고, 상기 제1 트랜지스터가 턴오프되는 경우 턴오프되어 출력이 모터 상전위로 강하하는 제2 트랜지스터와; 상기 제2 트랜지스터의 출력에 각각의 베이스가 공통 연결되고 공통 접속된 에미터로부터 전류 증폭된 출력이 인버터의 상측 구동트랜지스터에 인가되도록 상호간에 상보형 에미터 폴로워를 이루고 있으며, 상기 제2 트랜지스터가 턴온되는 경우 에미터 폴로 워의 출력은 상측 구동트랜지스터를 구동시킬 수 있는 모터 상전위와 부트스트랩 캐패시터에 충전된 전압으로 승압되고, 상기 제2 트랜지스터가 턴오프되는 경우 에미터 폴로워의 출력은 모터 상전위로 강하되는 제3 및 제4 트랜지스터를 포함한다.The first to third gate drivers may include a first transistor configured to generate an output inverted in phase according to a PWM signal applied to an input side, respectively; First and second resistors connected in series to form a voltage divider circuit in the collector of the first transistor; A bootstrap diode that is connected to a cathode of the first resistor and is connected to a supply power supply (Vcc) to prevent current from flowing in the supply power direction and to rectify the current; A bootstrap capacitor inserted between a cathode terminal of the bootstrap diode and a connection point of upper and lower driving transistors and charged by a power supply Vcc; A second transistor that is turned on when the first transistor is turned on, and the output is boosted to a voltage charged in the motor phase potential and the bootstrap capacitor, and is turned off when the first transistor is turned off to drop the output to the motor phase potential; Each base is commonly connected to the output of the second transistor, and a complementary emitter follower forms a complementary emitter follower so that the current amplified output from the commonly connected emitter is applied to the upper driving transistor of the inverter. When turned on, the output of the emitter follower is boosted to the motor phase potential capable of driving the upper drive transistor and the voltage charged to the bootstrap capacitor, and the output of the emitter follower is the motor phase change when the second transistor is turned off. And third and fourth transistors that drop down.
이 경우, 상기 제2 트랜지스터는 상기 제1 저항 및 제2 저항의 분압회로 출력에 베이스가 연결되고 에미터 단자에 상기 부트스트랩 다이오드를 통하여 공급전원(Vcc)이 연결되며 부트스트랩 캐패시터의 일단에 연결되는 것이 바람직하다.In this case, the second transistor has a base connected to the voltage divider output of the first resistor and the second resistor, and a supply power supply (Vcc) connected to the emitter terminal through the bootstrap diode, and connected to one end of a bootstrap capacitor. It is preferable to be.
상기 논리 제어부는 상기 제1 내지 제3 위치신호를 위상이 180도 차이가 나도록 반전시킨 제1 내지 제3 반전 위치신호를 발생하는 제1 내지 제3 반전기와; 상기 PWM 신호와 제1 내지 제3 위치신호 및 제1 내지 제3 반전 위치신호를 조합하여, 제1 내지 제3 인버터의 제1 내지 제3 상측 구동트랜지스터를 선택적으로 구동하도록 각각 인가 타이밍이 서로 상이한 제1 내지 제3 PWM 신호로 이루어진 제1 내지 제3 게이트 구동신호를 발생하는 제1 내지 제3 AND 게이트와; 상기 3쌍의 위치신호를 조합하여 하측 구동트랜지스터를 선택적으로 구동하기 위한 제1 내지 제3 게이트 신호를 발생하는 제4 내지 제6 AND 게이트를 포함할 수 있다.The logic controller may include: first to third inverters for generating first to third inverted position signals in which the first to third position signals are inverted to have a 180 degree difference in phase; The combination of the PWM signal, the first to third position signals and the first to third inverted position signals, the application timing is different from each other to selectively drive the first to third upper drive transistors of the first to third inverters First to third AND gates for generating first to third gate driving signals including first to third PWM signals; The combination of the three pairs of position signals may include a fourth to sixth AND gate for generating a first to third gate signal for selectively driving the lower driving transistor.
상기 제1 AND 게이트는 제2 위치신호와 제3 반전 위치신호 및 PWM 신호가 입력되며, 제2 위치신호와 제3 반전 위치신호가 모두 하이레벨(H)인 경우 출력에 제1 PWM 신호가 발생되고, 상기 제2 AND 게이트는 제3 위치신호와 제1 반전 위치신호 및 PWM 신호가 입력되며, 제3 위치신호와 제1 반전 위치신호가 모두 하이레벨(H)인 경우 출력에 제2 PWM 신호가 발생되며, 상기 제3 AND 게이트는 제1 위치신호와 제2 반전 위치신호 및 PWM 신호가 입력되며, 제1 위치신호와 제2 반전 위치신호가 모두 하이레벨(H)인 경우 출력에 제3 PWM 신호가 발생되고, 상기 제4 AND 게이트는 입력되는 제3 위치신호와 제2 반전 위치신호가 모두 하이레벨(H)인 경우 제1 게이트 신호를 발생하고, 상기 제5 AND 게이트는 입력되는 제1 위치신호와 제3 반전 위치신호가 모두 하이레벨(H)인 경우 제2 게이트 신호를 발생하며, 상기 제6 AND 게이트는 입력되는 제2 위치신호와 제1 반전 위치신호가 모두 하이레벨(H)인 경우 제3 게이트 신호를 발생하도록 논리가 설정되어 있다.The second AND signal, the third inverted position signal, and the PWM signal are input to the first AND gate, and the first PWM signal is generated at the output when the second position signal and the third inverted position signal are both at high level (H). The second AND gate is input with a third position signal, a first inverted position signal, and a PWM signal, and when the third position signal and the first inverted position signal are both at a high level (H), a second PWM signal at an output. The first AND signal, the second inverted position signal, and the PWM signal are input to the third AND gate, and when the first position signal and the second inverted position signal are both at the high level (H), A PWM signal is generated, and the fourth AND gate generates a first gate signal when both the input third position signal and the second inverted position signal are high level (H), and the fifth AND gate is input. The second gate when both the first position signal and the third inverted position signal are high level (H); Generates a call, the first AND
따라서, 상기 제1 내지 제3 인버터의 상측 구동트랜지스터 중 하나의 게이트에 인가되는 게이트 전압이 하이레벨(H)인 경우 이에 대응하는 하측 구동트랜지스터의 게이트에 인가되는 게이트 전압은 로우레벨(L)로 설정된다.Therefore, when the gate voltage applied to one gate of the upper driving transistors of the first to third inverters is at the high level (H), the gate voltage applied to the gate of the lower driving transistor corresponding thereto is at the low level (L). Is set.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 3상 구동방식의 BLDC 모터를 인버터를 사용하여 구동할 때 인버터의 상측 채널은 게이트 드라이버를 통하여 구동하고, 하측 채널은 논리 제어부로부터 직접 제어가 이루어짐에 의해 회로 구조가 간단하게 이루어질 수 있고, 또한 게이트 드라이버는 간단한 회로 소자들을 사용하여 인버터의 상측 채널을 구동할 수 있어 제조비용을 크게 절감할 수 있다.As described above, in the present invention, when the three-phase drive type BLDC motor is driven by using the inverter, the upper channel of the inverter is driven through the gate driver, and the lower channel is directly controlled from the logic controller. It can be done simply, and the gate driver can drive the upper channel of the inverter using simple circuit elements, which can greatly reduce the manufacturing cost.
이하, 본 발명에 따른 게이트 드라이버 및 이를 이용한 모터 구동 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a gate driver and a motor driving apparatus using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타낸 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a motor driving apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 본 발명의 모터 구동 장치는 마이컴(100), 위치검출부(110), 논리 제어부(200), 3개의 제1 내지 제3 게이트 드라이버(301-303) 및 3개의 제1 내지 제3 인버터(401-403)를 구비하고 있다. In the motor driving apparatus of the present invention shown in FIG. 2, the
먼저, 본 발명의 모터 구동 장치에 의해 구동이 이루어지는 모터(500)는 3상 구동방식으로 구동이 이루어지도록 고정자에 U상 코일(501)과, V상 코일(502)과, W상 코일(503)을 구비하며 스타(star)(Y)결선 방식으로 연결된 BLDC 모터이다. First, the
상기 제1 내지 제3 인버터(401-403)는 U상, V상, W상 상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5)와 U상, V상, W상 하측 구동트랜지스터(Q2,Q4,Q6)가 각각 공급전원(VDD)과 접지 사이에 U상, V상, W상의 토탬폴 접속된 출력회로를 형성하도록 상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5)의 소스가 U상, V상, W상 하측 구동트랜지스터(Q2,Q4,Q6)의 드레인에 각각 접속되며, 각각의 접속점(PU,PV,PW)으로부터 모터(500)의 U상 코일(501)과, V상 코일(502)과, W상 코일(503)에 대한 출력신호가 발생된다. The first to third inverters 401-403 are U phase, V phase, and W phase upper driving transistors Q1, Q3, and Q5, and U, V, and W phase lower driving transistors Q2, Q4, and Q6. Sources of the upper driving transistors Q1, Q3, and Q5 are U, V, and W phases so as to form an output circuit connected to the U phase, V phase, and W phase between the supply power supply V DD and ground, respectively. The
상기 구동트랜지스터(Q1~Q6)는, 스위칭 소자로서 동작하는 n형 파워 MOS FET로 이루어지며, 구동트랜지스터(Q1~Q6)의 드레인과 소스 사이에는 구동트랜지스터가 턴오프시에 코일(501-503)로부터 발생된 역기전력을 프리휠링시키기 위한 다이오드(D1-D6)가 역방향으로 접속되어 있다.The driving transistors Q1 to Q6 are formed of n-type power MOS FETs that operate as switching elements, and coils 501 to 503 are turned off when the driving transistors are turned off between the drain and the source of the driving transistors Q1 to Q6. Diodes D1-D6 for freewheeling the counter electromotive force generated from the circuit are connected in the reverse direction.
BLDC 모터의 구동 장치는 3상 BLDC 모터(500)의 고정자측 코일의 각 상으로 전류를 흘려주며, 모터(500)의 회전자는 구동장치로부터 공급되는 전류에 기초한 자계에 의해 회전한다. 모터(500)의 회전자를 한쪽 방향으로 계속해서 회전시키기 위해서는 회전자의 위치(회전자의 자계의 세기)를 3개의 홀소자(HA,HB,HC)를 사용하여 회전자(rotor)의 자계에 의해 형성되며 위상이 120ㅀ차이가 나는 3개의 신호를 검출하고, 검출된 회전자의 위치에 따라 코일(501-503)의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 전환시키기 위한 스위칭 소자, 즉 구동트랜지스터(Q1~Q6)를 순차적/선택적으로 온, 오프시켜야 한다.The drive device of the BLDC motor flows current into each phase of the stator side coil of the three-
이를 위해 상기 위치검출부(110)는 3개의 홀IC(Hall IC)(HA,HB,HC)를 구비하고, 3개의 홀IC(Hall IC)(HA,HB,HC)에 의해 회전자의 자계의 세기에 대응하는 제1 내지 제3 위치신호(SA,SB,SC)를 발생하여 논리 제어부(200)로 출력한다. 이 경우 상기 홀IC(Hall IC)(HA,HB,HC)의 출력단과 공급전원(Vcc) 사이에는 노이즈 제거를 위해 풀업 저항(R6-R8)이 접속되어 있다.To this end, the
마이컴(CPU)(100)은, 모터 구동 장치가 로봇청소기의 진공흡입장치에 사용되는 모터인 경우, PWM(펄스폭변조) 방식으로 모터(500)에 대한 구동전류 공급을 제어하기 위하여 모터(500)가 적용되는 각종 청소기 본체의 제어부로부터 공급되는 0내지 3.3 또는 5볼트 범위에서 가변되는 제어전압에 따라 코일(501-503)에 인가되는 통전시간이 결정되는 PWM 신호를 출력한다. 즉, 로봇청소기 등의 진공흡입장치는 미리 설정된 출력 세기에 비례하는 제어전압을 사용자가 선택함에 따라 해당하는 세기의 출력으로 진공흡입이 이루어지도록 모터를 일정한 속도로 구동시키는 것으로, PWM 신호는 단지 본체로부터 공급되는 제어전압에 따라 통전시간이 결정되고 있다. 따라서, 마이컴(100)은 PWM 신호를 발생하는 신호발생수단으로 이용되고 있다.The microcomputer (CPU) 100 is a
그러나, 모터 구동 장치의 PWM 신호는 본체로부터의 토크 제어전압과 PWM 방식의 일종인 삼각파 슬라이스 방식 또는 피크전류 검출방식에 따라 결정되는 코일에 흐르는 전류에 대응하는 전압에 따라 코일에 인가되는 통전시간이 결정될 수 있다. 만약 PWM 방식으로 피크전류 검출방식에 따라 이루어지는 경우 마이컴(100)의 입력에는 코일(501-503)에 흐르는 전류의 피크값이 공급된다.However, the PWM signal of the motor drive device has a current carrying time applied to the coil according to the torque control voltage from the main body and the voltage corresponding to the current flowing through the coil determined by the triangular wave slice method or the peak current detection method, which is a kind of PWM method. Can be determined. If the peak current detection method is performed using the PWM method, the peak value of the current flowing through the coils 501-503 is supplied to the input of the
상기 논리 제어부(200)는 3개의 반전기(111-113)를 구비하고, 반전기(111-113)를 통하여 위상이 180도 차이가 나도록 반전시킨 제1 내지 제3 반전 위치신호(/SA,/SB,/SC)를 발생하며, 상기 마이컴(100)으로부터 출력되는 상기 PWM 신호와 3쌍의 위치신호(SA,/SA,SB,/SB,SC,/SC)를 조합하여, 제1 내지 제3 인버터(401-403)의 상측 채널(즉, 상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5))은 각각 제1 내지 제3 게이트 드라이버(301-303)를 통하여 구동하고, 하측 채널(즉, 하측 구동트랜지스터(Q2,Q4,Q6))은 직접 제어가 이루어지도록 3개의 게이트 구동신호(AH-CH)와 3개의 게이트 신호(GAL-GCL)를 발생한다.The
상기 3개의 제1 내지 제3 게이트 드라이버(301-303)는 각각 논리 제어부(200)로부터 공급되는 3개의 게이트 구동신호(AH-CH), 즉 제1 내지 제3 PWM 신호에 의해 제1 내지 제3 인버터(401-403)의 상측 채널을 형성하는 U상, V상, W상 상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5)를 구동하는 데 필요한 게이트 신호(GAH-GCH)를 발생하고 있다. 이에 대하여는 후술한다.Each of the three first to
상기 논리 제어부(200)는 제1 내지 제3 위치신호(SA,SB,SC)와 위상이 180도 차이가 나도록 반전시킨 제1 내지 제3 반전 위치신호(/SA,/SB,/SC)를 발생하는 3개 의 반전기(111-113)와, 상기 PWM 신호와 3쌍의 위치신호(SA,/SA,SB,/SB,SC,/SC)를 조합하여 3개의 게이트 구동신호(AH-CH)를 발생하기 위하여 제1 내지 제3 AND 게이트(AND1-AND3)와, 3개의 게이트 신호(GAL-GCL)를 발생하는 제4 내지 제6 AND 게이트(AND4-AND6)를 포함하고 있다. The
상기 제1 AND 게이트(AND1)는 3입력단자에 제2 위치신호(SB)와 제3 반전 위치신호(/SC) 및 PWM 신호가 인가되므로, 제2 위치신호(SB)와 제3 반전 위치신호(/SC)가 모두 하이레벨(H)인 기간동안 제1 PWM 신호가 출력되어 제1 게이트 드라이버(301)로 인가된다.Since the second position signal SB, the third inversion position signal / SC, and the PWM signal are applied to the third input terminal, the first AND gate AND1 receives the second position signal SB and the third inversion position signal. The first PWM signal is output and applied to the
또한, 상기 제2 AND 게이트(AND2)는 3입력단자에 제3 위치신호(SC)와 제1 반전 위치신호(/SA) 및 PWM 신호가 인가되므로, 제3 위치신호(SC)와 제1 반전 위치신호(/SA)가 모두 하이레벨(H)인 기간동안 제2 PWM 신호가 출력되어 제2 게이트 드라이버(302)로 인가된다.In addition, since the third position signal SC, the first inversion position signal / SA, and the PWM signal are applied to the third input terminal, the second AND gate AND2 is inverted from the third position signal SC and the first inversion. The second PWM signal is output and applied to the
또한, 상기 제3 AND 게이트(AND3)는 3입력단자에 제1 위치신호(SA)와 제2 반전 위치신호(/SB) 및 PWM 신호가 인가되므로, 제1 위치신호(SA)와 제2 반전 위치신호(/SB)가 모두 하이레벨(H)인 기간동안 제3 PWM 신호가 출력되어 제3 게이트 드라이버(303)로 인가된다.In addition, since the first position signal SA, the second inverted position signal / SB, and the PWM signal are applied to the third input terminal AND3, the first position signal SA and the second inverted signal are applied to the third input gate AND3. The third PWM signal is output and applied to the
결과적으로, 상기 제1 내지 제3 AND 게이트(AND1-AND3)로부터 제1 내지 제3 게이트 드라이버(301-303)의 입력에 인가하는 게이트 구동신호(AH-CH)는 인가 타이밍이 서로 상이한 제1 내지 제3 PWM 신호가 된다.As a result, the gate driving signals AH-CH applied to the inputs of the first to
더욱이, 상기 제4 AND 게이트(AND4)는 2입력단자에 입력되는 제3 위치신 호(SC)와 제2 반전 위치신호(/SB)가 모두 하이레벨(H)인 경우 제1 인버터(401)의 하측 구동트랜지스터(Q2)로 게이트 신호(GAL)를 인가하고, 상기 제5 AND 게이트(AND5)는 2입력단자에 입력되는 제1 위치신호(SA)와 제3 반전 위치신호(/SC)가 모두 하이레벨(H)인 경우 제2 인버터(402)의 하측 구동트랜지스터(Q4)로 게이트 신호(GBL)를 인가하며, 상기 제6 AND 게이트(AND6)는 2입력단자에 입력되는 제2 위치신호(SB)와 제1 반전 위치신호(/SA)가 모두 하이레벨(H)인 경우 제3 인버터(403)의 하측 구동트랜지스터(Q6)로 게이트 신호(GCL)를 인가한다.Further, the fourth AND gate AND4 is the
상기 제1 AND 게이트(AND1)로 입력되는 제2 위치신호(SB)와 제3 반전 위치신호(/SC)는 상기 제4 AND 게이트(AND4)로 입력되는 제3 위치신호(SC) 및 제2 반전 위치신호(/SB)와 서로 반대의 논리 레벨을 가지는 타이밍이 존재하며, 상기 제2 AND 게이트(AND2)로 입력되는 제3 위치신호(SC)와 제1 반전 위치신호(/SA)는 상기 제5 AND 게이트(AND5)로 입력되는 제1 위치신호(SA) 및 제3 반전 위치신호(/SC)와 서로 반대의 논리 레벨을 가지는 타이밍이 존재하고, 상기 제3 AND 게이트(AND3)로 입력되는 제1 위치신호(SA)와 제2 반전 위치신호(/SB)는 상기 제6 AND 게이트(AND6)로 입력되는 제2 위치신호(SB) 및 제1 반전 위치신호(/SA)와 서로 반대의 논리 레벨을 가지는 타이밍이 존재하도록 설정되어 있다.The second position signal SB and the third inverted position signal / SC input to the first AND gate AND1 are the third position signal SC and second input to the fourth AND gate AND4. There is a timing having a logic level opposite to that of the inversion position signal / SB, and the third position signal SC and the first inversion position signal / SA input to the second AND gate AND2 are There is a timing having a logic level opposite to the first position signal SA and the third inverted position signal / SC input to the fifth AND gate AND5, and inputs to the third AND gate AND3. The first position signal SA and the second inverted position signal / SB are opposite to the second position signal SB and the first inverted position signal / SA input to the sixth AND gate AND6. The timing with a logic level of is set to exist.
즉, 제1 내지 제3 인버터(401-403)의 상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5) 중 하나의 게이트에 인가되는 게이트 신호(GAH-GCH)가 하이레벨(H)로 설정되는 경우 이에 대응하는 하측 구동트랜지스터(Q2,Q4,Q6)의 게이트에 인가되는 게이트 신호(GAL-GCL)는 로우레벨(L)로 설정되어 있다. That is, when the gate signal GAH-GCH applied to one of the upper driving transistors Q1, Q3, and Q5 of the first to
따라서, 만약, 제1 인버터(401)의 상측 구동트랜지스터(Q1)가 턴온 상태로 되면 이에 대응하는 하측 구동트랜지스터(Q2)는 턴오프 상태로 되어, 구동전원(VDD)으로부터 턴온 상태의 상측 구동트랜지스터(Q1)를 통하여 접속점(PU)으로부터 모터(500)의 U상의 코일(501)로 전류가 흐르게 된다. U상 코일(501)로 흐른 전류는 제2 및 제3 인버터(402,403)의 하측 구동트랜지스터(Q4,Q6) 중 하나가 턴온되므로 해당 상의 코일(502,503)을 통하여 접지로 흐르게 된다.Therefore, if the upper driving transistor Q1 of the
상기한 바와 같이 본 발명의 모터 구동 장치에서는 논리 제어부(200)에서 상기 PWM 신호와 상기 위치검출부(110)로부터의 3개 위치신호(SA,SB,SC)를 조합하여 얻어진 게이트 구동신호(AH-CH)를 제1 내지 제3 게이트 드라이버(301-303)에 순차적 및 선택적으로 인가하여 상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5) 중 하나를 턴온시키고, 게이트 신호(GAL-GCL)를 하측 구동트랜지스터(Q2,Q4,Q6) 중의 하나의 게이트에 직접 인가함에 의해 제1 내지 제3 인버터(401-403)를 통하여 3상 구동 모터(500)의 코일(501-503)에 대한 전류 흐름 경로를 제어하여 회전자가 한쪽 방향으로 계속해서 회전하도록 한다.As described above, in the motor driving apparatus of the present invention, the gate driving signal AH− obtained by combining the PWM signal and the three position signals SA, SB, and SC from the
또한, 상기 논리 제어부(200)는 상기 제1 내지 제3 인버터(401-403) 중 어느 하나의 구동트랜지스터, 예를 들어, 제1 인버터(401)의 상측 구동트랜지스터(Q1)를 상기 위치신호(SA,SB,SC)에 따라 선택하여, 미리 설정된 기간 도통시키며, 이와 동시에, 나머지 상기 제2 및 제3 인버터(402,403)의 하측 구동트랜지스터(Q4,Q6)를 도통시키고, 도통되는 상기 구동트랜지스터가 예를 들어, 제1 인버터(401)의 하측 구동트랜지스터(Q2)인 경우 나머지 제2 및 제3 인버터(402,403)의 상측 구동트랜지스터(Q3,Q5)를 도통시키도록 게이트 구동신호(AH-CH)와 게이트 신호(GAL-GCL)를 각각 제1 내지 제3 게이트 드라이버(301-303)와 하측 구동트랜지스터(Q2,Q4,Q6)에 인가하는 것도 가능하다.In addition, the
이 경우 모터(500)에 대한 속도와 토크 제어는 마이컴(100)에서 발생된 PWM 신호에 따라 게이트 드라이버(301-303)와 제1 내지 제3 인버터(401-403)가 작동하여 이루어지게 된다.In this case, speed and torque control of the
도 2에서 게이트 드라이버(301-303)의 출력과 구동트랜지스터(Q1-Q6)의 게이트 사이에 삽입된 게이트 저항(R11,R13,R15,R17,R19,R21)은 전류 제한용이고, 구동트랜지스터(Q1-Q6)의 게이트와 소스 사이에 접속된 저항(R12,R14,R16,R18,T20,R22)은 고용량 저항으로서 FET의 게이트와 소스 사이에 형성되는 기생 캐패시터에 충전된 전하에 의해 FET가 오동작하는 것을 방지하도록 기생 캐패시터에 충전된 전하를 방전시키기 위한 것이다. 이 경우 저항(R12,R14,R16,R18,T20,R22)은 생략하는 것도 가능하다. In FIG. 2, the gate resistors R11, R13, R15, R17, R19, and R21 inserted between the outputs of the gate drivers 301-303 and the gates of the driving transistors Q1-Q6 are for current limiting, and the driving transistor ( The resistors R12, R14, R16, R18, T20, and R22 connected between the gate and the source of Q1-Q6) are high capacitance resistors and the FET malfunctions due to the charge charged in the parasitic capacitor formed between the gate and the source of the FET. To discharge the charge charged in the parasitic capacitor to prevent the. In this case, the resistors R12, R14, R16, R18, T20, and R22 may be omitted.
상기 제1 내지 제3 게이트 드라이버(301-303)는 서로 동일한 회로 구성으로 이루어져 있으며, 각각 논리 제어부(200)로부터 공급되는 3개의 게이트 구동신호(AH-CH)에 따라 인버터(401-403)의 상측 채널을 형성하는 U상, V상, W상 상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5)를 구동하는 데 필요한 게이트 신호(GAH-GCH)를 발생하고 있다. The first to
상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5)의 소스와 하측 구동트랜지스터(Q2,Q4,Q6)의 드레인 사이의 접속점(PU,PV,PW)은 구동트랜지스터(Q1-Q6)의 턴온 및 턴오프에 따라 동작전원(VDD)에서 0V 사이로 전압의 변동이 이루어지고 있다.The connection points P U , P V , P W between the source of the upper driving transistors Q1, Q3, Q5 and the drain of the lower driving transistors Q2, Q4, Q6 are turned on and turned on of the driving transistors Q1-Q6. According to the off, the voltage is changed between the operating power source V DD and 0V.
따라서, 상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5)를 턴온시키기 위하여는 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5)가 5V에서 동작하는 FET 소자인 경우 상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5)의 게이트 단은 접속점(PU,PV,PW)(즉, 모터의 상 전압) 보다 +5V가 되도록 제1 내지 제3 게이트 드라이버(301-303)의 게이트 신호(GAH-GCH)를 발생하는 것이 요구된다.Therefore, in order to turn on the upper driving transistors Q1, Q3 and Q5, when the driving transistors Q1, Q3 and Q5 are FET devices operating at 5V, the gate terminal of the upper driving transistors Q1, Q3 and Q5 is connected to the connection point. It is required to generate the gate signals GAH-GCH of the first to third gate drivers 301-303 so as to be + 5V than (P U , P V , P W ) (that is, the phase voltage of the motor).
이하에, 게이트 드라이버의 상세한 회로 구성과 구동 방식을 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a detailed circuit configuration and driving method of the gate driver will be described in detail with reference to FIG. 3.
도 3은 본 발명에 따른 게이트 드라이버의 회로도이다.3 is a circuit diagram of a gate driver according to the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 제1 게이트 드라이버(301)에서는 마이컴(100)으로부터 논리 제어부(200)의 제1 AND 게이트(AND1)를 통하여 인가된 게이트 신호(AH), 즉 제1 PWM 신호가 베이스 저항으로 사용된 제3 저항(R3)을 통하여 NPN 타입의 콘먼 에미터 방식으로 에미터가 접지된 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스 단자에 인가되고, 제1 트랜지스터(TR1)의 콜렉터 단자에는 분압회로를 형성하도록 직렬 접속된 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)이 부하로 접속되어 있다.Referring to FIG. 3, in the
상기 제1 저항(R1)의 양단에는 제1 캐패시터(C1)가 병렬 연결되고, 제1 저항(R1)과 제1 캐패시터(C1)에는 부트스트랩(Bootstrap) 다이오드(D10)의 캐소드가 연결되고, 부트스트랩(Bootstrap) 다이오드(D10)의 애노드에는 후술하는 부트스트 랩 용도의 제2 캐패시터(C2)에 충전되는 전류를 제한하기 위한 제5 저항(R5)을 통하여 +5V 전압이 인가되는 공급전원(Vcc)이 연결되어 있다.A first capacitor C1 is connected in parallel at both ends of the first resistor R1, and a cathode of a bootstrap diode D10 is connected to the first resistor R1 and the first capacitor C1. The anode of the bootstrap diode D10 is supplied with a + 5V voltage through a fifth resistor R5 for limiting the current charged in the second capacitor C2 for bootstrap use described below. Vcc) is connected.
상기 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)의 분압회로에 의해 출력이 얻어지는 접속점(P3)은 콘먼 에미터(CE)방식으로 사용된 PNP 타입의 제2 트랜지스터(TR2)의 베이스 단자에 연결되고, 제2 트랜지스터(TR2)의 에미터 단자에는 상기 부트스트랩(Bootstrap) 다이오드(D10)와 제5 저항(R5)을 통하여 공급전원(Vcc)이 연결되어 있다.The connection point P3 whose output is obtained by the voltage dividing circuit of the first resistor R1 and the second resistor R2 is connected to the base terminal of the second transistor TR2 of the PNP type used in the common emitter CE method. The power supply Vcc is connected to the emitter terminal of the second transistor TR2 through the bootstrap diode D10 and the fifth resistor R5.
상기 제2 트랜지스터(TR2)의 컬렉터 단자에는 후단에 접속되는 인버터(401)의 파워용 구동트랜지스터(Q1)를 구동시키는데 필요한 프리 증폭기로서 기능을 갖도록 서로 극성이 다르고, 특성이 동일한 제3 및 제4 트랜지스터(TR3,TR4)가 각각 상보형(complementary) 에미터 폴로워(Emitter Follower)(310)를 형성하며, 전류 증폭기로서 역할을 한다.The collector terminals of the second transistor TR2 have third and fourth polarities that are different in polarity and have the same characteristics so as to have a function as a preamplifier required for driving the power driving transistor Q1 of the
이를 위하여 제2 트랜지스터(TR2)의 컬렉터 단자에 제3 및 제4 트랜지스터(TR3,TR4)의 베이스 단자가 연결되어 있고, 제3 트랜지스터(TR3)의 콜렉터 단자에는 다이오드(D10)를 통하여 공급전원(Vcc)이 연결되어 있으며, 제4 트랜지스터(TR4)의 베이스와 콜렉터 사이에는 제4 저항(R4)이 연결되어 있고, 제3 및 제4 트랜지스터(TR3,TR4)의 에미터 단자로부터 증폭된 출력이 제1 인버터(401)의 상측 구동트랜지스터(Q1)에 인가되며, 제4 트랜지스터(TR4)의 콜렉터 단자는 제1 인버터(401)의 상측 및 하측 구동트랜지스터(Q1,Q2)의 접속점(PU), 즉 모터(500)에 연결 되어 있다.To this end, the base terminals of the third and fourth transistors TR3 and TR4 are connected to the collector terminals of the second transistor TR2, and the collector power supply of the third transistor TR3 is supplied via a diode D10. Vcc) is connected, and the fourth resistor R4 is connected between the base and the collector of the fourth transistor TR4, and the output amplified from the emitter terminals of the third and fourth transistors TR3 and TR4 is It is applied to the upper driving transistor Q1 of the
따라서, 상기 제3 및 제4 트랜지스터(TR3,TR4)는 에미터 폴로워(310)로서 베이스 입력 전압의 극성에 따라 교대로 도통한다. 즉, 베이스에 인가되는 입력신호가 하이(H) 레벨인 경우 제3 트랜지스터가 턴온되고 제4 트랜지스터는 턴오프되며, 입력신호가 로우(L) 레벨인 경우 제3 트랜지스터가 턴오프되고 제4 트랜지스터는 턴온된다. Accordingly, the third and fourth transistors TR3 and TR4 alternately conduct as the
한편, 상기 공급전원(Vcc) 방향으로 전류가 흐르는 것을 저지함과 동시에 정류하는 부트스트랩 다이오드(D1)의 캐소드 단자와 상측 및 하측 구동트랜지스터(Q1,Q2)의 접속점(PU) 사이에는 부트스트랩 기능을 하는 제2 캐패시터(C2)가 삽입되어 있으며, 상기 제2 캐패시터(C2)에는 하측 구동트랜지스터(Q2)가 턴온 상태이고 상측 구동트랜지스터(Q1)가 턴오프 상태일 때 상기 공급전원(Vcc)에 의해 전하가 충전된다.On the other hand, the bootstrap between the cathode terminal of the bootstrap diode (D1) and the connection point (P U ) of the upper and lower drive transistors (Q1, Q2) to rectify the current while preventing the flow of current in the direction of the power supply (Vcc) The second capacitor C2 which functions is inserted, and when the lower driving transistor Q2 is turned on and the upper driving transistor Q1 is turned off, the supply power Vcc is inserted into the second capacitor C2. The charge is charged by.
이하, 상기한 게이트 드라이버(301)의 동작을 살펴보면, 마이컴(100)으로부터 출력되는 PWM 신호가 ON, 즉 하이(H) 레벨인 경우에는 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스 단자에 PWM 신호가 인가되어 제1 트랜지스터(TR1)가 턴온된다.Hereinafter, referring to the operation of the
제1 트랜지스터(TR1)가 턴온됨에 따라 제1 트랜지스터(TR1)의 콜렉터(P2)는 로우(L) 레벨로 설정되며, 그 결과 제2 트랜지스터(TR2)의 베이스 단자에 로우(L) 레벨 전압이 인가되어 제2 트랜지스터(TR2)가 턴온된다. 따라서, 제3 및 제4 트랜지스터(TR3,TR4)의 입력 단자, 즉 접속점(P1)에 모터 상 전압보다 Vcc(+5V)가 더 높게 인가된다.As the first transistor TR1 is turned on, the collector P2 of the first transistor TR1 is set to a low level, and as a result, a low level voltage is applied to the base terminal of the second transistor TR2. The second transistor TR2 is applied to turn on. Therefore, Vcc (+ 5V) is applied to the input terminals of the third and fourth transistors TR3 and TR4, that is, the connection point P1, higher than the motor phase voltage.
따라서, 제3 트랜지스터(TR3)가 턴온되고 제4 트랜지스터(TR4)가 턴오프되어 에미터 폴로워(310)는 상기한 Vcc(+5V)와 부트스트랩 기능을 하는 제2 캐패시터(C2)에 충전된 전하가 제3 트랜지스터(TR3)를 통하여 방전되면서 입력 단자에 인가되는 전류를 증폭시켜 상측 구동트랜지스터(Q1)의 게이트 단자에 게이트 구동신호(GAH)로서 입력한다. 이 경우 상측 구동트랜지스터(Q1)의 게이트 단자는 모터 상 전압, 즉 접속점(PU)보다 +5V 더 높게 설정된다.Accordingly, the third transistor TR3 is turned on and the fourth transistor TR4 is turned off so that the
그 결과 상측 구동트랜지스터(Q1)가 턴온되어, 상측 구동트랜지스터(Q1)를 통하여 모터(500)의 U상 코일(501)로 전류가 흐르게 된다.As a result, the upper driving transistor Q1 is turned on, and current flows to the
한편, 마이컴(100)으로부터 출력되는 PWM 신호가 OFF, 즉 로우(L) 레벨인 경우에는 상기와 반대로 제1 트랜지스터(TR1)는 턴오프되므로, 접속점(P3), 즉 제2 트랜지스터(TR2)의 베이스 단자는 (모터 상 전압+5V)의 하이(H) 레벨 전압으로 상승하게 되어, 그 결과 제2 트랜지스터(TR2)는 턴오프된다.On the other hand, when the PWM signal output from the
따라서, 접속점(P1)은 모터 상 전압으로 하강하여, 저항(R4)을 통하여 약한 전류가 흐르며 그 결과 제4 트랜지스터(TR4)가 턴온되어 에미터 폴로워(310)의 출력, 즉 상측 구동트랜지스터(Q1)의 게이트 단자에는 모터 상(相) 전압으로 하강하게 된다.Accordingly, the connection point P1 drops to the motor phase voltage, so that a weak current flows through the resistor R4, and as a result, the fourth transistor TR4 is turned on to output the
그 결과, 상측 구동트랜지스터(Q1)는 턴오프되어 상측 구동트랜지스터(Q1)를 통한 모터(500)에 대한 전류가 흐르지 않는다. As a result, the upper driving transistor Q1 is turned off so that no current flows to the
한편, 하측 구동트랜지스터(Q2)에 논리 제어부(200)로부터 게이트 구동신호(GAL)로서 하이(H) 레벨 신호가 인가되어 턴온되고, 상측 구동트랜지스터(Q1)가 턴오프 상태로 설정된 경우, 상기 제2 캐패시터(C2)에는 상기 공급전원(Vcc)에 의해 전하가 충전되어 부트스트랩 제2 캐패시터(C2)는 +5V 전압을 공급하는 또 하나의 전압원 역할을 하게 된다.On the other hand, when the high (H) level signal is applied to the lower driving transistor Q2 from the
상술한 바와 같이, 본 발명의 모터 구동 장치에서는 제1 내지 제3 인버터(401-403)의 상측 구동트랜지스터(Q1,Q3,Q5)에 대하여만 간단한 회로 구성으로 이루어진 제1 내지 제3 게이트 드라이버(301-303)를 통하여 구동하고, 하측 구동트랜지스터(Q2,Q4,Q6)에 대하여는 논리 제어부(200)로부터 직접 제어함에 의해, 전체적으로 회로 구성이 간단하고 저가의 소자를 사용하여 인버터를 사용한 3상 구동 방식으로 모터를 제어할 수 있다.As described above, in the motor driving apparatus of the present invention, the first to third gate drivers having a simple circuit configuration only for the upper driving transistors Q1, Q3, and Q5 of the first to
그 결과 종래와 같은 고가의 IC 칩을 사용하지 않고도 게이트 드라이버를 구현할 수 있다.As a result, a gate driver can be implemented without using an expensive IC chip.
상기한 실시예에서는 인버터의 구동트랜지스터를 게이트에 5V 전압이 인가될 때 동작되는 FET 소자를 예를 들어 설명하고, 따라서 공급전원(Vcc)으로 +5V 전원을 사용하는 것을 예시하였으나, FET 소자를 15V에서 동작하는 것을 사용하고 공급전원(Vcc)으로 +15V 전원을 사용하는 것도 가능하다.In the above-described embodiment, a FET device operated when a 5V voltage is applied to a gate of a drive transistor of an inverter has been described as an example. Thus, a + 5V power supply is used as a supply power supply (Vcc). It is also possible to use the one operating at + 15V as the supply voltage (Vcc).
상기 실시예에 개시된 본 발명의 모터 구동 장치는 로봇 청소기나 차량과 같이 밧데리 전원, 즉 저압 구동 전원을 사용하는 기기에서 모터를 구동시키는 데 적합하게 설계된 것이나, 220V의 고압전원을 사용하는 것으로 변경하는 것도 당업자 에 의해 용이하게 이루어질 수 있다.The motor driving device of the present invention disclosed in the above embodiment is designed to be suitable for driving a motor in a device using a battery power source, that is, a low voltage driving power source such as a robot cleaner or a vehicle, It can also be easily made by those skilled in the art.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the present invention has been described in detail only with respect to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes are possible within the technical spirit of the present invention, and such modifications and modifications belong to the appended claims.
도 1은 일반적인 로봇 청소기의 모터 구동 장치를 설명하기 위한 블록도.1 is a block diagram illustrating a motor driving apparatus of a general robot cleaner.
도 2는 본 발명에 따른 모터 구동 장치를 예시한 회로도.2 is a circuit diagram illustrating a motor drive device according to the present invention.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 모터 구동 장치에서 게이트 드라이버의 상세 회로도.3 is a detailed circuit diagram of a gate driver in the motor driving apparatus according to the present invention shown in FIG.
도 4는 본 발명에 따른 모터 구동 장치의 주요부분에 대한 파형도.Figure 4 is a waveform diagram of the main part of the motor drive device according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100 : 마이컴 110 : 위치검출부100: microcomputer 110: position detection unit
111-113 : 반전기 200 : 논리 제어부111-113: Inverter 200: Logic Control Unit
301-303 : 제1 내지 제3 게이트 드라이버301-303: first to third gate drivers
310 : 에미터 폴로워 401-403 : 제1 내지 제3 인버터310: emitter follower 401-403: first to third inverters
500 : 모터 501-503 : 코일500: motor 501-503: coil
AND1-AND6 : AND 게이트 C1,C2 : 캐패시터AND1-AND6: AND gate C1, C2: capacitor
D1-D6,D10 : 다이오드 HA-HC : 홀ICD1-D6, D10: Diode HA-HC: Hall IC
R1-R8,R11-R22 : 저항 Q1-Q6 : 구동트랜지스터R1-R8, R11-R22: Resistance Q1-Q6: Drive transistor
TR1-TR4 : 트랜지스터TR1-TR4: Transistor
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