KR20230109749A

KR20230109749A - 모터 제어 장치

Info

Publication number: KR20230109749A
Application number: KR1020237021425A
Authority: KR
Inventors: 아키히코 호다
Original assignee: 오리엔탈모터가부시끼가이샤
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2021-11-09
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2041-11-09
Also published as: US20230421082A1; JP7492445B2; EP4250555A4; JP2022085226A; WO2022113732A1; TW202241042A; CN116491061A; EP4250555A1; US12249933B2

Abstract

모터 제어 장치는 회전자 위치 검출기를 사용하지 않는 센서리스 제어에 의해 교류 모터를 제어한다. 모터 제어 장치는, 펄스폭 변조 신호에 기초하여 직류를 교류로 변환하는 인버터와, 상기 인버터와 상기 교류 모터의 권선을 접속하는 전류 라인에 개재된 배선 패턴을 내층에 갖는 다층 프린트 기판과, 상기 배선 패턴과 교차하는 소정의 방향으로 권선 방향을 향해 상기 배선 패턴과 대향하도록 상기 다층 프린트 기판의 주면 상에 실장되고, 직렬로 접속되어, 기준 전위에 접속되는 중점을 갖는 직렬 회로를 형성하는 복수의 칩 인덕터와, 상기 직렬 회로의 상기 중점과 당해 직렬 회로의 양단 사이에 각각 접속된 부하 저항과, 상기 직렬 회로의 상기 양단에 한 쌍의 입력단이 접속된 차동 증폭 회로와, 상기 차동 증폭 회로의 출력을 이용하여 상기 교류 모터의 회전자의 위치를 추정하고, 당해 추정된 회전자의 위치에 따라, 상기 인버터로 공급하는 펄스폭 변조 신호를 생성하는 제어 유닛을 포함한다.

Description

모터 제어 장치

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2020년 11월 27일에 일본 특허청에 제출된 일본 특허출원 2020-196802호에 기초한 우선권을 주장하는 것으로, 본 출원의 전체 내용은 인용에 의해 여기에 포함된다.

기술분야

본 발명은 회전자 위치 검출기를 사용하지 않는 센서리스 제어(sensorless control)를 통해 교류 모터를 제어하는 모터 제어 장치에 관한 것이다.

교류 모터란 교류 전류를 공급받아 작동하도록 구성된 전동 모터를 말하며, 브러시리스(brushless) DC모터, 유도 모터, 스테핑 모터 등을 포함한다. 단적으로는, 직류 전류를 공급받아, 정류자를 이용하여 권선 전류의 방향을 변화시키는 구성 이외의 전동 모터는, 교류 모터의 범주에 포함된다.

교류 모터를 위한 전형적인 모터 제어 장치는, 직류를 교류로 변환하는 인버터를 구비하고, 이 인버터에 의해 전동 모터에 교류 전류를 공급한다. 인버터를 적절하게 제어하기 위해서는, 회전자 위치 정보가 필요하다. 따라서 회전자의 회전 위치를 검출하는 회전자 위치 검출기의 출력을 이용하여 인버터가 제어된다.

회전자 위치 검출기를 사용하는 대신, 회전자 위치를 추정하고, 추정한 회전자 위치에 기초하여 인버터를 제어함으로써 교류 모터를 구동하는 방식이 알려져 있다. 이러한 제어 방식은 ‘위치 센서리스 제어(position sensorless control)’, 또는 간단히 ‘센서리스 제어(sensorless control)’라고 불린다. 회전자 위치 검출기를 생략함으로써, 회전자 위치 검출기의 실장 위치 정밀도 및 회전자 위치 검출기에 관련된 배선을 고려할 필요가 없어진다. 게다가, 센서리스 제어는, 물리적으로 회전자 위치 검출기를 배치할 수 없는 모터나, 회전자 위치 검출기가 사용 환경에 버틸 수 없는 용도의 모터에도 적용할 수 있다는 이점이 있다.

전형적인 센서리스 제어에서 회전자 위치 추정은, 유기(誘起) 전압법에 의해 이루어진다. 유기 전압법이란, 전압 지령 및 전류 검출값을 사용하여 모터 모델에 기초한 연산으로 유기 전압을 구하고, 그 유기 전압을 이용하여 회전자 위치를 추정하는 방법이다.

그러나, 유기 전압이 작은 저속 영역에서는, 전압 지령에 대한 실제 인가 전압의 오차, 전류 검출의 오차, 전류 검출의 분해능 제한 등등 때문에, 회전자 위치를 검출하기 어렵다.

특허문헌 1은 저속 회전시의 미소한 유기 전압을 검출하는 방법을 제안한다. 이 방법은, 권선 사이에 전압이 인가되지 않는 0전압 벡터 기간 중의 권선 전류의 전류 미분값을 이용한다.

그러나, 0속도를 포함하는 극저속 영역에서는, 유기 전압을 이용하는 위치 추정이 불가능하다. 이러한 극저속 영역에서는, 특허문헌 2, 3 및 비특허문헌 1, 2에 개시된 방법을 이용할 수 있다. 즉, 돌극성(saliency)에 기인하여, 회전자 위치에 따라 권선 인덕턴스가 변화되는 현상을 이용하여 회전자 위치를 추정할 수 있다. 권선 인덕턴스는, 알려진 전압을 인가했을 때의 전류 미분값에 의거하여 구할 수 있다.

특허문헌 1: 국제특허공개 제2012/153794호 특허문헌 2: 국제특허공개 제2014/128947호 특허문헌 3: 일본특허공개 특개2011-176975호 공보

비특허문헌 1: J. B. Bartolo, C. S. Staines and C. Caruana, "An Investigation on the Performance of Current Derivative Sensors for the Sensorless Control of A.C. drives," 2008 4th IET Conference on Power Electronics, Machines and Drives, York, 2008, pp. 532-536, DOI: 10.1049/cp:20080578. 비특허문헌 2: S. Bolognani, S. Calligaro, R. Petrella and M. Sterpellone, "Sensorless control for IPMSM using PWM excitation: Analytical developments and implementation issues," 2011 Symposium on Sensorless Control for Electrical Drives, Birmingham, 2011, pp. 64-73, DOI: 10.1109/SLED.2011.6051546.

센서리스 제어 시에는, 회전자 위치 추정의 정밀도 및 속도가 제어 특성에 큰 영향을 미친다. 회전자 위치 추정에 이용되는 전류 미분 검출의 정밀도 및 속도는, 제어 특성에 직접적으로 영향을 주는 중요한 요소이다.

전류 미분을 검출하는 방법은, 크게 특허문헌 1, 2에 기재된 것처럼 전류 검출값으로부터 산출하는 방법과, 특허문헌 3 및 비특허문헌 1, 2에 기재된 것처럼 전용 전류 미분 검출기를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.

특허문헌 1에서는, PWM 시퀀스의 0전압 기간 중에, 전류값을 적어도 2회 샘플링하고 전류값의 변화량을 샘플링 시간 간격으로 나눔으로써, 전류 미분값을 연산했다. 이 방법은 단시간에 복수회의 샘플링을 하기 위해 고속으로 A/D 변환을 할 필요가 있어, 이것이 비용 상승의 요인이 된다.

일반적으로 전류값을 샘플링하고, 전류값에 대한 연산에 의해 전류 미분값을 구하는 방법에서는, 샘플링 시간 간격이 짧으면 전류 변화량이 작으므로, 전류 검출 오차의 영향을 받아 전류 미분값의 오차가 커진다. 한편, 샘플링 시간 간격이 길면, 전류값의 검출부터 전류 미분값이 얻어질 때까지의 시간이 길어지므로, 제어성에 악영향이 생긴다.

2회의 샘플링으로는 노이즈의 영향을 받기 쉽기 때문에, 샘플링 횟수를 늘려 필터를 적용하는 방법이 채택되기도 한다. 그러나, A/D 변환의 고속화가 필요하고 또한 검출 시간의 증가를 초래하기 쉽다는 결점이 있다.

특허문헌 1에서는, 전류 미분값이 구해져 있기는 하나, 구해진 전류 미분값은, 회전자 위치의 추정이 아니라 진동을 억제하기 위한 제어에 사용된다. 이 때문에 전류 미분값에는 그다지 정밀도가 요구되지 않는다. 특허문헌 1에 기재된 방법으로 구해지는 전류 미분값은, 회전자 위치를 추정하는 용도에는 적합하지 않다.

특허문헌 2에서는, 전류 검출 신호를 아날로그 회로에 의해 전류 미분값으로 변환한다. 구체적으로는, 전류 검출 신호가 입력되는 차동 증폭 회로와, 차동 증폭 회로의 출력을 적분하는 적분 회로를 구비하고, 적분 회로의 출력을 차동 증폭 회로로 귀환시켜, 적분값과 전류 검출 신호의 차분 증폭값을 적분 회로에 입력하도록 구성된다. 그 차동 증폭값, 즉, 적분 회로의 입력값은 전류 미분값에 상당하다. 그리고 적분 회로의 출력은, 인버터를 제어하는 PWM 신호에 의한 고주파 성분이 필터링된 전류 검출 신호가 된다. 특허문헌 2에서는, 돌극비(saliency ratio)가 높고 인덕턴스 변화가 큰 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)에 대해, 전류 미분값과 역치를 비교함으로써 전류 타이밍을 결정한다.

이 방법에서는, 한번의 샘플링으로 전류 미분값을 취득할 수 있다. 그러나, PWM 주파수에 따른 적분 회로의 설계가 필요하며, 이 때문에 전류 미분값 검출의 응답성에 제약이 있다. 이뿐만 아니라 전류 검출값을 기초로 전류 미분값을 얻는 방법이기 때문에, 노이즈 및 회로의 정밀도의 영향을 직접적으로 받으므로, 양호한 정밀도의 전류 미분값을 얻기 어렵다는 근본적인 문제가 있다.

일반적으로 전류 검출기는 아날로그 센서로 전류를 검출하는 구성이므로, 풀 스케일의 1% 이상의 오차를 갖는다. 그리고 모터 권선으로 흘린 최대 전류에 대해 여유를 계산한 풀 스케일을 갖는 전류 검출기를 선정한다. 그런데 전류 미분값에 상당하는 전류 변화는 작아, 전류 검출기의 풀 스케일 전류의 몇 %의 수준에 불과하다. 권선 인덕턴스의 변화를 검출하기 위해서는, 또한 전류 미분값의 몇 % 수준의 변화를 판독할 필요가 있다. 따라서, 원래 풀 스케일의 1% 이상의 오차를 갖는 아날로그 센서를 구비하는 전류 검출기의 출력을 바탕으로 고정밀도의 전류 미분값을 검출하기는 어렵다. 노이즈의 영향을 고려하면, 고정밀도의 전류 미분값을 검출하기가 더욱 더 곤란함을 알 수 있다.

전류 검출값으로부터 전류 미분값을 구하는 방법은, 전용 검출기를 이용하지 않으므로 비용 및 공간적으로는 유리하나, 검출의 정밀도 및 속도의 관점에서는, 전용 전류 미분 검출기를 이용하는 것이 유리하다.

특허문헌 3, 비특허문헌 1, 2에는, 전용 전류 미분 검출기를 이용한 센서리스 제어에 관한 기술이 있다. 형태는 다르나 모두 변류기의 원리로 동작하며, 1차측 코일의 전류에 의한 자속 변화에 따른 전압이 2차측 코일단에서 검출된다. 즉, 1차측의 전류 미분값을 직접적으로 2차측 코일로 검출할 수 있다. 전류 미분값을 직접적으로 검출하기 때문에, 전류 검출값으로부터 간접적으로 전류 미분값을 검출하는 것보다도 양호한 신호를 얻기가 쉽다.

특허문헌 3의 도 2에는, 홀 소자를 사용한 전류 검출기의 코어에 2차측 코일을 추가하여, 전류 검출 및 전류 미분 검출을 위해 코어를 공용하는 구성이 도시되어 있다.

그러나, 이 구성에서는, 2차측 코일의 전류 자속의 영향에 의해 코어 자속이 변화되고, 이로 인해 전류 검출이 올바르게 이루어지지 않을 수 있다. 변류기(current transformer)는, 1차측 코일 자속을 상쇄하는 방향으로 2차측 코일에 전류가 흐르고, 2차측 코일의 코일단에 접속된 부하 저항의 전압 강하에 의해 2차측 전류를 검출하는 것을 그 검출 원리로 한다. 부하 저항 및 코일의 설계에 의해 적절한 출력을 얻는 것이 불가능하지는 않다고 해도, 두 종류의 검출기의 특성을 하나의 코어에서 만족시키기는 어렵다.

또한 고전압으로 모터를 구동하는 경우에는, 1차측 코일의 전위가 높아지므로 안전 규격상, 1차측 코일과 2차측 코일 사이에는 전압에 따른 절연 거리가 요구된다. 권선에 사용되는 마그넷 와이어의 피복은, 안전 규격상 절연물로 간주되지 않으므로, 다른 수단으로 절연을 확보할 필요가 있다. 이 때문에 검출기를 소형화하기가 어려워진다.

비특허문헌 1에서는, 센서리스 제어용 전류 미분 센서로서 가장 일반적으로 이용되는 트로이달 코일 구조의 전류 미분 센서와, 동축 케이블을 권선으로 이용한 구조의 전류 미분 센서의 특성이 소개되어 있다. 트로이달 코일은 링 내를 흐르는 전류 자속만을 검출하고, 외부 자속의 영향을 받지 않는다는 특징이 있다. 동 문헌의 도 6에 나타난 구조에서는, 2차측 코일만이 권선이 되어 전류를 흘리는 리드를 링에 관통시킴으로써, 1차측의 1턴 코일로서 취급된다.

변류기의 원리에 따른 전류 미분기는, 코어에 자성 재료를 사용하는 것이 큰 출력 전압을 얻기 쉽지만, 자성체의 자기 포화나 고주파 특성의 영향을 받기 쉽다. 게다가 응답성도 공심 코일(air-core coil)에 비해 뒤떨어진다. 비특허문헌 1에서는, 동 문헌의 도 5에 나타난 공심의 동축 케이블 코일 쪽이 양호한 응답성을 얻을 수 있다고 결론내렸다.

동축 케이블 코일은, 동축 케이블을 코일 형상으로 감은 것으로, 동축 케이블의 도체의 한쪽을 동력용으로 하고 다른 쪽을 검출용으로 하여 사용한다. 동력용 도체는 큰 전류를 흘리기 위해 굵지 않으면 안 된다. 높은 전압이 걸리는 경우에는, 도체 간에 큰 절연 거리가 필요하게 된다. 따라서, 동축 케이블 자체가 굵어지기 때문에, 다수 회의 권회는 불가능하다. 따라서 큰 출력을 얻기 어려우며 또한 소형화하기도 어렵다.

비특허문헌 2에는, 로고스키 코일(Rogowski coil)이라고 불리는 공심의 트로이달 구조의 전류 미분 센서가 소개되어 있다. 코어에 자성체를 사용하지 않기 때문에 자기 포화하지 않고 응답성이 좋은 출력을 얻을 수 있다. 공심이기 때문에, 2차측 코일의 권취수를 많게 해도 얻어지는 출력 전압은 미약하다. 링 형상 코어에 많은 권선을 실시하는 노력을 경감시키기 위해, 튜브 형상의 물체에 권선을 실시한 후에, 그 튜브 형상의 물체의 양단을 연결하여 링 형상으로 했다(동 문헌의 도 5 참조). 비특허문헌 2에서는, 3 개의 로고스키 코일을 사용했으나, 개개의 출력에 편차가 있기 때문에, 신호 조정 회로를 사용하여 특성을 맞추고 있다.

이처럼 전류 미분 검출기는 연구용으로 수작업으로 만들어지고 있는 것이 현상황이며, 산업 용도를 위한 시판 전류 미분 검출기는 존재하지 않는다. 자성체 코어를 이용하는 전류 미분 검출기는, 자기 포화 및 응답성에 문제가 있다. 공심 구조라면 자기 포화 및 응답성의 문제는 없으나, 2차측 권선을 다수 회 감아야 할 필요가 있다. 특히 트로이달 구조의 권선 제작은, 기계화에 적합하지 않으므로 작업자에 의한 수작업을 필요로 하며, 게다가 엄청난 노력을 필요로 한다. 이로 인해 비용이 높아지는 문제가 있다. 게다가, 편차 없이 제작하기가 어려워 특성을 맞추기 위한 조정이 필요하다. 또한 구조적으로 소형화하기 어려운데, 특히 고전압에서 이용되는 경우에는 1차측 및 2차측의 절연이 필요해지므로 사이즈가 커진다.

전류 미분 검출기의 이러한 현상 때문에, 극저속 영역에서 센서리스 제어에 의해 교류 모터를 만족스럽게 제어할 수 있는 실용 수준의 모터 구동 장치는, 사실상 제공되어 있지 않다.

본 발명의 일 실시형태는 이러한 과제의 극복에 기여하는 모터 제어 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태는, 회전자 위치 검출기를 사용하지 않는 센서리스 제어에 의해 교류 모터를 제어하는 모터 제어 장치를 제공한다. 이 모터 제어 장치는, 펄스폭 변조 신호에 기초하여 직류를 교류로 변환하는 인버터와, 상기 인버터와 상기 교류 모터의 권선을 접속하는 전류 라인에 개재된 배선 패턴을 내층에 갖는 다층 프린트 기판과, 상기 배선 패턴과 교차하는 소정의 방향으로 권선 방향을 향해 상기 배선 패턴과 대향하도록 상기 다층 프린트 기판의 주면(main surface) 상에 실장되고, 직렬로 접속되어, 기준 전위에 접속되는 중점(中点)을 갖는 직렬 회로를 형성하는 복수(바람직하게는 짝수)의 칩 인덕터와, 상기 직렬 회로의 상기 중점과 당해 직렬 회로의 양단 사이에 각각 접속된 부하 저항과, 상기 직렬 회로의 상기 양단에 한 쌍의 입력단이 접속된 차동 증폭 회로와, 상기 차동 증폭 회로의 출력을 이용하여 상기 교류 모터의 회전자의 위치를 추정하고, 당해 추정된 회전자의 위치에 따라, 상기 인버터로 공급하는 펄스폭 변조 신호를 생성하는 제어 유닛을 포함한다.

이 구성에 따르면, 인버터와 교류 모터의 권선을 접속하는 전류 라인에, 다층 프린트 기판의 배선 패턴이 개재된다. 이 배선 패턴은, 다층 프린트 기판의 내층에 형성되어 있기 때문에, 다층 프린트 기판의 주면과 양호하게 절연이 확보된다. 다층 프린트 기판의 주면에는, 칩 인덕터가 실장되며 상기 배선 패턴에 대향된다. 칩 인덕터는 배선 패턴과 교차하는 소정의 방향으로 권선 방향을 향해 배치된다. 즉, 다층 프린트 기판의 내층에 형성된 배선 패턴과, 다층 프린트 기판의 주면에 실장된 칩 인덕터는, 다층 프린트 기판의 절연 재료에 의해 전기적으로 절연된 상태에서 서로 대향되며, 또한 배선 패턴과 칩 인덕터의 권선 방향이 교차된다. 따라서, 배선 패턴에 흐르는 전류가 형성하는 자속과 칩 인덕터의 권선이 쇄교(鎖交)한다. 배선 패턴에 흐르는 전류가 변화하고, 이에 따라 자속이 변화하면 칩 인덕터는, 그 자속의 변화를 방해하는 기전력을 발생시키고, 이에 따른 전압이 칩 인덕터의 양 전극 간에 나타난다. 이 전압은, 배선 패턴에 흐르는 전류의 시간 변화, 다시 말하면 전류 미분을 나타내는 신호로서 취급할 수 있다. 따라서 칩 인덕터는, 전류 미분을 직접적으로 검출하는 센서로서 기능하기 때문에, 복잡하고 시간이 걸리는 연산 처리를 필요로 하지 않고서도 전류 미분값을 검출할 수 있다.

이러한 칩 인덕터가 다층 프린트 기판의 주면에 복수개 실장되며, 이들이 직렬로 접속된다. 그리고 이 직렬 회로의 중점이 기준 전위에 접속되며, 이 직렬 회로의 양단이 차동 증폭 회로의 한 쌍의 입력단에 각각 접속된다. 직렬 회로의 양단과 중점 사이에는 부하 저항이 각각 접속된다. 칩 인덕터가 발생시키는 기전력에 의해 부하 저항에 전류가 흘러 전압 강하가 생기고, 그에 따른 신호가 차동 증폭 회로에 입력된다. 직렬 회로의 중점이 기준 전위에 접속되어 있음으로써, 인버터에서의 스위칭으로 인해 배선 패턴의 전위가 크게 변위되어도, 중점의 전위는 변동되지 않는다. 이를 통해, 스위칭의 영향을 억제하여 안정된 신호를 차동 증폭 회로에 입력할 수 있다.

차동 증폭 회로는 한 쌍의 입력단에 입력되는 신호를 차동 증폭하므로, 한 쌍의 입력단에 입력되는 동상(同相) 성분을 제거하고, 위상이 다른 성분을 증폭한다. 노이즈 성분은 동상 성분이 되므로, 차동 증폭 회로는 노이즈 성분을 제거한 신호 성분을 증폭하여 출력할 수 있다. 따라서, 칩 인덕터로부터 출력되는 전류 미분 신호가 미소하더라도, 양호한 신호 대 잡음비로 전류 미분을 검출할 수 있다.

이와 같이 하여 인버터로부터 교류 모터에 공급되는 전류를 칩 인덕터를 통해 직접적으로(따라서 고속으로) 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 전류 미분을 나타내는 양호한 신호를 얻을 수 있다. 이로써 제어 유닛은, 교류 모터의 회전자 위치를 빠르고 또한 정확하게 추정할 수 있으므로, 응답성이 우수한 정확한 모터 제어를 실현할 수 있다.

게다가, 공업적으로 생산되는 칩 인덕터는 성능 편차가 적으므로 복수개의 칩 인덕터를 사용해도 개별 조정이 필요하지 않다. 또한 칩 인덕터의 사이즈는 미소하기 때문에, 전류 미분을 검출하기 위한 구성을 매우 소형으로 구성할 수 있다는 이점이 있다.

예를 들어, 다층 프린트 기판에는, 칩 인덕터뿐만 아니라 부하 저항, 차동 증폭 회로, 인버터 및 제어 유닛 중 일부 또는 전부를 함께 실장할 수 있다. 이로써 모터 제어 장치를 전체적으로 소형화할 수 있다. 바꿔 말하면, 모터 제어 장치의 대형화를 억제 또는 방지하면서, 전류 미분값을 직접적으로 또한 정확하게 검출할 수 있는 구성을 구비하고, 이를 통해 응답성이 우수한 정확한 모터 제어를 실현할 수가 있다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 복수의 칩 인덕터는, 상기 배선 패턴에 흐르는 전류가 형성하는 자속의 변화에 의해 각 칩 인덕터에 유기되는 기전력의 방향을 맞춰 직렬로 접속된다. 이 구성에 의해, 복수의 칩 인덕터가 발생시키는 기전력의 총합을 차동 증폭 회로에서 증폭시킬 수 있으므로, 전류 미분을 나타내는 큰 신호를 얻을 수 있다. 또한 개개의 칩 인덕터가 갖는 특성의 변동을 평균화하여, 보다 정확하게 전류 미분값을 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 상기 복수의 칩 인덕터의 총수가 짝수이다. 이 구성에 의해, 복수의 칩 인덕터의 직렬 회로를, 중점을 사이에 두고 대칭으로 구성하기 쉬워지므로, 차동 증폭 회로의 한 쌍의 입력단에 대한 입력의 균형을 맞추기가 쉬워진다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 상기 제어 유닛이, 상기 차동 증폭 회로의 출력을 상기 교류 모터의 권선 전류의 시간 미분값(전류 미분값)에 상당하는 값으로 취급하여 상기 회전자의 위치를 추정하도록 구성되어 있다. 권선 전류의 시간 미분값(전류 미분값)이 얻어지면, 예를 들면, 이에 기초하여 권선의 인덕턴스를 구할 수 있다. 권선의 인덕턴스는, 회전자 위치에 따라서 주기적으로 변화되므로, 권선의 인덕턴스에 기초하여 회전자 위치를 추정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 복수의 칩 인덕터는, 상기 다층 프린트 기판의 대향하는 2개의 주면에 같은 수만큼 실장된다.

다층 프린트 기판 한쪽의 주면과 다른 쪽의 주면에 같은 수만큼의 칩 인덕터를 실장함으로써, 직렬 회로를 중점을 사이에 두고 대칭으로 구성하기 쉬워지므로, 차동 증폭 회로의 한 쌍의 입력단에 대한 입력의 균형을 잡기가 쉬워진다.

또한, 다층 프린트 기판 한쪽의 주면과 다른 쪽의 주면에 나눠서 복수의 칩 인덕터를 실장함으로써, 칩 인덕터를 3 차원적으로 배치할 수 있어, 모터 제어 장치를 더욱 더 소형화하는 것을 도모할 수 있다.

또한, 배선 패턴에 흐르는 전류가 형성하는 자속의 방향은, 다층 프린트 기판 한쪽의 주면측과 다른 쪽의 주면측에서 반대 방향이 된다. 이에 비해 외부에서 발생한 자속, 즉, 배선 패턴에 흐르는 전류에 기인하지 않는 자속은, 다층 프린트 기판 한쪽의 주면과 다른 쪽의 주면에서 동일한 방향이며 또한 동일한 크기가 된다. 전술한 것처럼 복수의 칩 인덕터는, 배선 패턴에 흐르는 전류가 형성하는 자속의 변화에 따라 각 칩 인덕터에 유기되는 기전력의 방향을 맞춰 직렬로 접속되는 것이 바람직하다. 이 경우, 복수의 칩 인덕터의 직렬 회로의 양단에 나타나는 전압은, 배선 패턴에 흐르는 전류 변화에 따라 각 칩 인덕터에서 발생되는 기전력을 중첩시키고, 또한 외부 발생 자속에 기인하는 기전력을 상쇄한 값이 된다. 이와 같이 하여 외부 발생 자속의 영향을 억제 또는 방지하여, 전류 미분을 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 복수의 칩 인덕터는, 상기 다층 프린트 기판의 하나의 주면에서의 배치수가 1이고, 상기 하나의 주면에 대향하는 다른 주면에서의 배치수가 1이다.

이 경우, 권선 전류가 흐르는 배선 패턴에 대해, 한쪽의 주면측의 하나의 칩 인덕터와 다른 쪽의 주면측의 하나의 칩 인덕터가, 기하학적으로 대칭인 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 권선 전류가 흐르는 배선 패턴으로부터 한쪽의 주면측의 하나의 칩 인덕터까지의 거리(복수의 배선 패턴이 마련된 경우에는 거리의 총합을 말함. 이하 동일)와 다른 쪽의 주면측의 하나의 칩 인덕터까지의 거리가, 서로 같아지도록 설계되는 것이 바람직하다. 이를 통해 차동 증폭 회로의 한 쌍의 입력단에 대한 입력의 밸런스를 잡기가 쉬워진다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 복수의 칩 인덕터는, 상기 다층 프린트 기판의 하나의 주면에서의 배치수가 2이고, 상기 하나의 주면에 대향하는 다른 주면에서의 배치수가 2이다.

이 경우, 다층 프린트 기판의 한쪽의 주면의 하나의 칩 인덕터와 다른 쪽의 주면의 칩 인덕터를 직렬로 접속하여 상기 중점의 한쪽에 배치(접속)하고, 남는 2개의 칩 인덕터를 직렬로 접속하여 상기 중점의 다른 쪽에 배치(접속)하도록 하여, 네 개의 칩 인덕터를 직렬로 접속하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 권선 전류가 흐르는 배선 패턴에 대한 칩 인덕터의 기하학적 배치(보다 구체적으로는 배선 패턴으로부터 칩 인덕터까지의 거리)가, 직렬 회로의 중점의 양측에서 동등(대칭)하게 된다. 이러한 접속(배치)은, 특히 배선 패턴에 대한 한쪽의 주면에 실장된 칩 인덕터 및 다른 쪽의 주면에 실장된 칩 인덕터의 기하학적 배치(보다 구체적으로는 배선 패턴에서 칩 인덕터까지의 거리)가 동등(대칭)하지 않은 경우에 효과가 있다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 칩 인덕터는, 공심 코일이며 차폐되어 있지 않다. 공심 코일형의 칩 인덕터를 이용함으로써, 자기 포화의 영향을 받지 않고 전류 미분을 검출할 수 있다. 또한 차폐되어 있지 않은 구조의 칩 인덕터를 이용함으로써, 배선 패턴에 흐르는 전류가 형성하는 자속을 고감도로 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 복수의 칩 인덕터는 동일 사양이다. 동일 사양의 칩 인덕터를 이용함으로써, 상기 중점을 사이에 두고 대칭인 구조의 직렬 회로를 형성하기 쉬워진다. 공업적으로 생산되는 동일 사양의 칩 인덕터는, 동일한 성능을 가지므로 실질적으로 조정할 필요가 없이 사용할 수 있다.

본 발명에 따라, 권선 전류의 전류 미분을 고속으로 또한 정확하게 검출할 수 있으며, 나아가 소형 구성으로 전류 미분을 검출할 수 있고, 이를 통해 응답성이 우수한 모터 제어를 실현할 수 있는 소형의 모터 제어 장치를 제공할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1b는 상기 모터 제어 장치에 구비되는 컨트롤러의 기능적인 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 전류 제어기에 관련된 상세한 구성의 구체예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 인버터의 구성예를 설명하기 위한 전기 회로도이다.
도 4a 및 4b는 인버터의 8개 상태에 대응하는 전압 벡터를 나타낸다.
도 5는 전류 미분값에 기초한 위치 검출의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 제1 구체예에 관한 전류 미분 검출기의 구조를 설명하기 위한 도해적인 사시도이다.
도 7a는 상기 전류 미분 검출기의 평면도이고, 도 7b는 상기 전류 미분 검출기의 단면도이다.
도 8은 상기 전류 미분 검출기의 구성예를 나타낸 전기 회로도이다.
도 9는 제2 구체예에 관한 전류 미분 검출기의 구조를 설명하기 위한 도해적인 사시도이다.
도 10a는 상기 전류 미분 검출기의 평면도이고, 도 10b는 상기 전류 미분 검출기의 단면도이다.
도 11은 상기 전류 미분 검출기의 구성예를 나타낸 전기 회로도이다.
도 11a는 상기 전류 미분 검출기의 다른 구성예를 나타낸 전기 회로도이다.
도 12는 교류 모터(M)의 저속 회전 시의 PWM 제어 신호 등의 파형도의 일례를 나타낸다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c는 회전자 전기각을 엔코더로 검출하면서, 다양한 회전자 전기각으로 테스트 펄스를 인가하여 얻어진 전류 미분 검출 전압을 나타낸다.

이하에서는 본 발명의 실시형태를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 모터 제어 장치(100)는 교류 모터(M)를 구동하기 위한 장치이다. 보다 구체적으로, 모터 제어 장치(100)는, 교류 모터(M)의 회전자의 위치를 검출하는 회전자 위치 검출기를 사용하지 않고 교류 모터(M)를 제어하는, 이른바 센서리스 제어를 통해 교류 모터(M)를 구동한다. 교류 모터(M)는 표면 자석형 동기 모터(SPMSM)일 수 있다. 교류 모터(M)는, 예를 들면, 3상 교류 모터로, U상 권선(5u), V상 권선(5v) 및 W상 권선(5w)을 갖는다. 이하에서 이들 권선을 총칭할 때에는 ‘권선(5uvw)’이라고 한다.

모터 제어 장치(100)는, 본 예에서는, 위치 제어 루프, 속도 제어 루프 및 전류 제어 루프를 구비한 피드백 시스템을 가지며, 위치 지령에 따라 교류 모터(M)의 회전자 위치를 제어하는 위치 서보 제어를 행하도록 구성된다. 전류 제어에 관해서는 벡터 제어를 채용했다.

회전자 위치는, 회전자 위치 검출기를 이용하지 않고 전류 미분 검출기를 통해 얻은 신호를 이용하여, 위치 추정기에 의해 추정된다. 보다 구체적으로는, 전류 미분값에 기초하여 교류 모터(M)의 각 상 권선의 인덕턴스를 추정하고, 그 인덕턴스에 기초하여 회전자 위치가 추정된다. 표면 자석형 동기 모터는, 원리상 돌극성이 없으므로, 인덕턴스 변화를 이용한 자극은 검출할 수 없다고 알려져 있으나, 네오듐 자석처럼 자력이 강한 자석을 사용하는 경우에는, 철심의 자기 포화에 의해 인덕턴스가 약간 변화한다.

구체적인 구성에 대해서 설명하면, 모터 제어 장치(100)는, 제어 유닛으로서의 컨트롤러(1)와, 인버터(2)와, 전류 검출기(3u, 3v, 3w)와, 전류 미분 검출기(4u, 4v, 4w)를 포함한다. 인버터(2)는, 직류 전원(7)으로부터 공급되는 직류 전류를 교류 전류로 변환하여, 교류 모터(M)의 권선(5uvw)에 공급한다. 인버터(2)와 교류 모터(M)는, U상, V상 및 W상에 대응되는 세 개의 전류 라인(9u, 9v, 9w)(이하, 총칭할 때에는 ‘전류 라인(9uvw)’)으로 접속된다. 이들 전류 라인(9uvw)의 각각에, 전류 검출기(3u, 3v, 3w) 및 전류 미분 검출기(4u, 4v, 4w)가 배치된다. 전류 검출기(3u, 3v, 3w)(이하, 총칭할 때에는 ‘전류 검출기(3uvw)’)는, 대응되는 상의 전류 라인(9uvw)을 흐르는 상전류, 즉, U상 전류(Iu), V상 전류(Iv) 및 W상 전류(Iw)(이하, 총칭할 때에는 ‘상전류(Iuvw)’)를 각각 검출한다. 전류 미분 검출기(4u, 4v, 4w)(이하, 총칭할 때에는 ‘전류 미분 검출기(4uvw)’)는, 대응되는 상의 전류 라인(9uvw)을 흐르는 상전류의 시간 변화, 즉, U상, V상 및 W상의 전류 미분값(dIu, dIv, dIw)(이하, 총칭할 때에는 ‘전류 미분값(dIuvw)’)을 검출한다.

컨트롤러(1)는 위치 지령(θcmd)에 기초하여 인버터(2)를 제어한다. 컨트롤러(1)는 컴퓨터로서의 형태를 가지며, 프로세서(CPU)(1a)와, 프로세서(1a)가 실행하는 프로그램을 기록한 기록 매체로서의 메모리(1b)를 포함한다.

도 1b는 컨트롤러(1)의 기능적인 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 컨트롤러(1)는, 프로세서(1a)가 프로그램을 실행함으로써 복수의 기능 처리부의 기능을 실현하도록 구성된다. 복수의 기능 처리부는, 위치 제어기(11), 속도 제어기(12), 전류 제어기(13), PWM 생성기(14), 위치 추정기(15) 및 속도 추정기(16)를 포함한다.

위치 추정기(15)는, 전류 미분 검출기(4uvw)가 출력한 신호, 즉 전류 미분값(dIuvw)을 사용하여, 교류 모터(M)의 회전자의 위치를 추정하는 연산을 행하고, 추정 위치(θfb)를 위치 제어기(11)로 피드백한다. 위치 제어기(11)는, 추정 위치(θfb)에 기초하여 회전자 위치를 위치 지령(θcmd)과 일치시키기 위한 속도 지령(ωcmd)을 생성하여, 속도 제어기(12)에 공급한다. 이렇게 하여 위치 제어 루프가 구성된다.

회전자의 추정 위치(θfb)는 속도 추정기(16)에도 공급된다. 속도 추정기(16)는, 추정 위치(θfb)의 시간 변화를 구해 회전자 속도를 추정하는 연산을 행하고, 추정 속도(ωfb)를 속도 제어기(12)에 공급한다. 속도 제어기(12)는, 추정 속도(ωfb)에 기초하여 회전자 속도를 속도 지령(ωcmd)과 일치시키기 위한 전류 지령(Idcmd, Iqcmd)을 생성하고, 전류 제어기(13)에 공급한다. 이렇게 하여 속도 제어 루프가 구성된다.

전류 제어기(13)에는, 전류 검출기(3uvw)에서 검출되는 상전류(Iuvw)(정확하게는 상전류(Iuvw)의 검출값)가 공급된다. 전류 제어기(13)는, 상전류(Iuvw)를 전류 지령(Idcmd, Iqcmd)과 정합시키기 위한 U상 전압 지령(Vu), V상 전압 지령(Vv) 및 W상 전압 지령(Vw)(이하, 총칭할 때에는 ‘전압 지령(Vuvw)’)을 생성하고, PWM 생성기(14)에 공급한다. 이렇게 하여 전류 제어 루프가 구성된다.

PWM 생성기(14)는, 전압 지령(Vuvw)에 따른 PWM 제어 신호(펄스폭 변조 신호)를 생성하여 인버터(2)에 공급한다. 이에 따라, 전압 지령(Vuvw)에 따른 전압이 전류 라인(9uvw)을 통해 교류 모터(M)의 권선(5uvw) 사이에 인가된다.

도 2는 전류 제어기(13)에 관련된 상세한 구성의 구체예를 나타내는 블록도이다. 속도 제어기(12)는, dq 회전 좌표계에 따른 d축 전류 지령(Idcmd) 및 q축 전류 지령(Iqcmd)을 생성하여 전류 제어기(13)에 공급한다. dq 회전 좌표계는, 교류 모터(M)의 회전자의 자속 방향을 d축으로 하고, 그것에 직교하는 방향을 q축으로 하여 정의되며, 회전자의 회전각(전기각)에 따라 회전하는 회전 좌표계이다. 전류 제어기(13)는, dq 전류 제어기(131)와, 역 dq 변환기(132)와, 2상 3상 변환기(133)와, 3상 2상 변환기(134)와, dq 변환기(135)를 포함한다. 3상 2상 변환기(134)는, 전류 검출기(3uvw)가 검출하는 3상의 상전류(Iuvw)를, 2상 고정 좌표계인 αβ 좌표계의 2상 전류값(I_α, I_β)으로 변환한다. dq 변환기(135)는, αβ 좌표계의 2상 전류값(I_α, I_β)을 좌표 변환하여 dq 회전 좌표계의 d축 전류값(Id) 및 q축 전류값(Iq)으로 변환한다. 이 dq 회전 좌표계의 전류값(Id, Iq)이 dq 전류 제어기(131)로 공급된다. dq 전류 제어기(131)는, d축 전류값(Id) 및 q축 전류값(Iq)을 d축 전류 지령(Idcmd) 및 q축 전류 지령(Iqcmd)에 각각 일치시키도록 dq 회전 좌표계의 전압 지령인 d축 전압 지령(Vdcmd) 및 q축 전압 지령(Vqcmd)을 생성한다. 이 전압 지령(Vdcmd, Vqcmd)이, 역 dq 변환기(132)에서 αβ 좌표계의 전압 지령(Vαcmd, Vβcmd)으로 좌표 변환된다. 또한 이 αβ 좌표계의 전압 지령(Vαcmd, Vβcmd)이, 2상 3상 변환기(133)에 의해 3상의 전압 지령(Vuvw)으로 좌표 변환된다. 이 3상의 전압지령(Vuvw)이 PWM 생성기(14)에 공급된다.

위치 추정기(15)는 αβ 좌표계의 회전자 각도를 연산하고, 추정 위치(θfb)로서 역 dq 변환기(132) 및 dq 변환기(135)에 공급한다. 추정 위치(θfb)는, dq 회전 좌표계와 αβ 좌표계 사이의 좌표 변환 연산을 위해 사용되며, 또한 속도 추정기(16)에서의 속도 추정 연산에 사용된다.

도 3은 인버터(2)의 구성예를 설명하기 위한 전기 회로도이다. 직류 전원(7)에 접속된 한 쌍의 전원 공급 라인(8A, 8B) 사이에 3상분의 브릿지 회로(20u, 20v, 20w)가 병렬로 접속된다. 한 쌍의 전원 공급 라인(8A, 8B) 사이에는 추가로 평활화를 위한 콘덴서(26)가 접속된다.

각 브릿지 회로(20u, 20v, 20w)(이하, 총칭할 때에는 ‘브릿지 회로(20uvw)’)는, 상부 암 스위칭 소자(21u, 21v, 21w)(이하, 총칭할 때에는 ‘상부 암 스위칭 소자(21uvw)’)와, 하부 암 스위칭 소자(22u, 22v, 22w)(이하, 총칭할 때에는 ‘하부 암 스위칭 소자(22uvw)’)의 직렬 회로로 구성된다. 각 브릿지 회로(20uvw)에서, 상부 암 스위칭 소자(21uvw)와 하부 암 스위칭 소자(22uvw) 사이의 중점(中点)(23u, 23v, 23w)에, 교류 모터(M)의 대응되는 권선(5uvw)과 접속하기 위한 전류 라인(9uvw)이 접속된다.

스위칭 소자(21uvw, 22uvw)는, 전형적으로는 파워 MOS 트랜지스터로, 직류 전원(7)에 대해 역방향으로 접속되는 기생 다이오드(24u, 24v, 24w; 25u, 25v, 25w)를 내장하고 있다.

전류 미분 검출기(4uvw)는, 각 상의 전류 라인(9uvw)에 흐르는 상전류(Iuvw)의 시간 미분값인 전류 미분값(dIuvw)을 검출하도록 구성된다.

컨트롤러(1)로부터 공급되는 PWM 제어 신호는, 스위칭 소자(21uvw, 22uvw)의 게이트에 입력되고, 이로 인해 스위칭 소자(21uvw, 22uvw)가 온/오프된다. 각 브릿지 회로(20uvw)의 상부 암 스위칭 소자(21uvw) 및 하부 암 스위칭 소자(22uvw)의 쌍은, 한쪽이 온일 때 다른 쪽이 오프가 되도록 제어된다. 상부 암 스위칭 소자(21uvw)가 온이고 하부 암 스위칭 소자(22uvw)가 오프인 상태로 제어하는 PWM 제어 신호값을 ‘1’로 정의하고, 상부 암 스위칭 소자(21uvw)가 오프이고 하부 암 스위칭 소자(22uvw)가 온인 상태로 제어하는 PWM 제어 신호값을 ‘0’으로 정의한다. 그러면, PWM 제어 신호는, 3차원 벡터에 의해 표현할 수 있는 8개의 패턴(상태)을 가질 수 있다. 이 8개의 패턴(상태)은, (1,0,0), (1,1,0), (0,1,0), (0,1,1), (0,0,1), (1,0,1), (0,0,0), (1,1,1)과 같이 성분을 표기할 수 있다. 이들 패턴 중 처음 6개의 패턴 (1,0,0), (1,1,0), (0,1,0), (0,1,1), (0,0,1), (1,0,1)은, 교류 모터(M)의 권선(5uvw) 사이에 전압이 인가되는 상태에 상당하다. 나머지 2개의 패턴 (0,0,0), (1,1,1)은, 권선(5uvw) 사이에 전압이 인가되지 않는 상태에 상당하다.

도 4a는 상기 8개의 패턴(상태)에 대응되는 전압 벡터(V0~V7)를 나타낸다. 권선 사이에 전압이 인가되는 6개의 패턴에 대응되는 전압 벡터 V1(1,0,0), V2(1,1,0), V3(0,1,0), V4(0,1,1), V5(0,0,1), V6(1,0,1)는, 도 4b와 같이 전기각 360도의 구간을 6등분하는 6개의 전압 벡터로 표현할 수 있다. 전압 벡터 V0(0,0,0) 및 V7(1,1,1)은, 권선(5uvw) 사이에 전압이 인가되지 않는 0전압 벡터이다.

도 5는 전류 미분값(dIuvw)에 기초한 위치 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다. 전류 미분값(dIuvw)와 각 상의 권선(5uvw)의 인덕턴스(Lu, Lv, Lw)의 관계는, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

　　　　 (1)

　　 (2)

　　　　 (3)

따라서, 각 상의 전압 지령(Vuvw)과 각 상의 전류 미분값(dIuvw)에 기초하여, 각 상 권선(5uvw)의 인덕턴스(Lu, Lv, Lw)를 산출할 수 있다.

한편, 각 상의 인덕턴스(Lu, Lv, Lw)는, 도 5에 나타낸 것처럼 회전자의 전기각 주기의 1/2 주기로 주기 변동한다고 알려져 있으며, 각 상의 인덕턴스 Lu, Lv, Lw는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

　　　　Lu=L₀-L₁cos(2θ) (4)

　　　　Lv=L₀-L₁cos(2(θ-2π/3)) (5)

　　　　Lw=L₀-L₁cos(2(θ+2π/3)) (6)

　　단, L₀은 인덕턴스의 일정 성분이고, L₁은 인덕턴스의 변화 성분의 진폭을 나타내며, θ는 회전자의 전기각 위치를 나타낸다.

따라서 각 상의 인덕턴스(Lu, Lv, Lw)를 구함으로써 회전자의 전기각(θ)을 추정할 수 있다.

도 6은 제1 구체예에 관한 전류 미분 검출기(4uvw)의 구조를 설명하기 위한 도해적인 사시도이다. 또한, 도 7a는 전류 미분 검출기(4uvw)의 평면도이고, 도 7b는 전류 미분 검출기(4uvw)의 단면도이다. 각 상의 전류 미분 검출기(4uvw)의 구성은 동일하며, 도 6, 도 7a 및 도 7b, 후술하는 도 8에는, 1상분의 전류 미분 검출기(4uvw)의 구성을 나타낸다. 즉, 각 상에 대해, 도 6, 도 7a 및 도 7b, 후술하는 도 8에 나타낸 구성이 마련된다. 단, 프린트 기판(40)은, U상, V상 및 W상에서 공유되는 것이 바람직하다.

전류 미분 검출기(4uvw)는 프린트 기판(40)과 복수의 칩 인덕터(L1, L2)를 포함한다. 프린트 기판(40)은 다층 프린트 배선 기판이다. 보다 구체적으로 프린트 기판(40)은, 복수층의 프린트 배선층 사이를 절연 기판으로 절연한 다층 배선 구조를 가진다. 더욱 구체적으로는, 본 구체예에서는 4층의 프린트 배선층(43~46)을 갖는 다층 프린트 배선 기판이 사용된다. 4층의 프린트 배선층은, 프린트 기판(40)의 한 쌍의 주면(41, 42)에 각각 형성된 한 쌍의 외부 프린트 배선층(43, 44)과, 한 쌍의 외부 프린트 배선층(43, 44)에 대해 절연층(47, 48)(절연기판)을 각각 사이에 두고 안쪽에 형성된 한 쌍의 내부 프린트 배선층(45, 46)을 포함한다. 한 쌍의 내부 프린트 배선층(45, 46) 사이에는, 또 다른 절연층(49)(절연 기판)이 배치된다.

한 쌍의 내부 프린트 배선층(45, 46)에는, 하나의 모터 권선(5uvw)에 접속되는 하나의 전류 라인(9uvw)의 일부를 구성하는 전류 패턴(51, 52)이 각각 형성된다. 이들 전류 패턴(51, 52)은, 양단에서 각각 단락되며, 전류 라인(9uvw)의 도중 위치에서 2개로 분기되고, 다른 위치에서 합류하는 전류 경로를 형성한다. 2개의 전류패턴(51, 52)은, 프린트기판(40)의 주면(41, 42)에 수직인 방향으로 대향하며, 절연층(49)(절연 기판)을 사이에 두고 서로 대향하는 평행한 띠 형상(예를 들면, 직선 띠 형상)으로 형성된다.

프린트 기판(40)은, 예를 들면, 전체 두께가 1.6 mm인 4층 기판이다. 프린트 기판(40)의 내부 프린트 배선층(45, 46)의 전류 패턴(51, 52)은, 배선층은 다르나 폭, 두께 및 평면에서 볼 때의 위치는 동일하다. 또한 양단에서 단락되어, 실질적으로 동등한 전류가 흐른다. 내부 프린트 배선층(45, 46)은, 프린트 기판(40)의 주면(41, 42)(기판 표면)에서, 각각 예컨대 0.2mm 안쪽의 위치에 있다.

프린트 기판(40)의 한 쌍의 주면(41, 42)에는, 한 쌍의 칩 인덕터(L1, L2)가, 전류 패턴(51, 52)에 대향하는 위치에 각각 실장된다. 이들은 동일 사양의 칩 인덕터이다. 한 쌍의 칩 인덕터(L1, L2)는, 권선 방향을 전류 패턴(51, 52)과 교차하는 방향, 보다 구체적으로는 직교(평면에서 봤을 때 직교)하는 소정의 방향(53)을 향해, 각각의 주면에 실장된다. 칩 인덕터(L1, L2)는, 전형적으로는 미소한 직육면체 형상인데, 예를 들어, 평면에서 봤을 때 2.5 mm×1.8 mm의 크기를 갖는다. 권선 방향(예를 들면, 긴 변 방향)의 양단에 한 쌍의 전극(54)이 각각 제공된다. 이들 전극(54)은 칩 인덕터(L1, L2)에 내장된 코일의 양단에 접속된다. 칩 인덕터(L1, L2)는, 공심 권선형으로 자기 차폐되어 있지 않다. 권선 방향은 전극간 방향이다. 권선 방향이란, 코일이 감기는 권회 중심축의 방향으로, 코일에 전류가 흘렀을 때에 자속이 발생하는 방향을 말한다. 칩 인덕터(L1, L2)의 한 쌍의 전극(54)은, 프린트 기판(40)의 주면(41, 42)에 형성된 외부 프린트 배선층(43, 44)에 땜납 등의 접합 재료(도시 생략)로 접합된다. 프린트 기판(40)의 한 쌍의 주면(41, 42)에 각각 실장된 한 쌍의 칩 인덕터(L1, L2)는, 이 실시형태에서는 프린트 기판(40)의 주면(41, 42)에 수직인 방향에서 보았을 때에 서로 겹치게 배치된다. 바꿔 말하면, 한 쌍의 칩 인덕터(L1, L2)는 전류 패턴(51, 52)을 사이에 두고 마주 보도록 평행하게 배치된다.

전류 패턴(51, 52)에 전류가 흐르면, 이 전류는 전류 패턴(51, 52)을 둘러싸는 자속을 발생시킨다. 이 자속의 방향은, 프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41)측과 다른쪽 주면(42)측에서 서로 반대의 방향이며, 칩 인덕터(L1, L2)의 권선 방향(소정의 방향(53))과 평행하다. 따라서, 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속은, 칩 인덕터(L1, L2)와 각각 쇄교한다. 이 자속이 증가하는 과정에서는, 그 자속의 증가를 방해하는 전류를 흘리도록 칩 인덕터(L1, L2)에 기전력이 발생한다. 예를 들어, 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류가 화살표(50)(도 7a 참조) 방향으로 증가하면, 이에 의한 자속의 변화를 방해하기 위해, 칩 인덕터(L1, L2)는 각각 화살표(55, 56)(도 7b 참조) 방향의 기전력을 발생시킨다. 마찬가지로, 자속이 감소하는 과정에서는, 그 자속의 감소를 방해하는 전류를 흘리도록 칩 인덕터(L1, L2)에 기전력이 발생한다. 따라서, 칩 인덕터(L1, L2)에 발생하는 기전력은, 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류의 시간 미분값에 상당하다. 전류 패턴(51, 52)에 대한 칩 인덕터(L1, L2)의 기하학적 배치는 대칭이므로, 칩 인덕터(L1, L2)가 발생시키는 기전력은 실질적으로 같다. 기하학적 배치가 대칭이라는 것은, 전류 패턴(51, 52)에 대한 칩 인덕터(L1, L2)까지의 거리가 실질적으로 서로 같은 것을 말한다. 즉, 2개의 전류 패턴(51, 52)에서 칩 인덕터(L1)까지의 거리의 총합과, 2개의 전류 패턴(51, 52)에서 칩 인덕터(L2)까지의 거리의 총합이 실질적으로 같다.

도 6에 나타낸 것처럼 한 쌍의 부하 저항(R1, R2)이, 프린트 기판(40)의 한 쌍의 주면(41, 42)에 각각 실장되며, 동일한 주면(41, 42)에 실장된 칩 인덕터(L1, L2)에 각각 접속된다. 부하 저항(R1, R2)은, 예를 들어, 칩 저항기로 구성되며 같은 저항값을 갖는다. 부하 저항(R1, R2)의 전극은, 외부 프린트 배선층(43, 44)을 통해 칩 인덕터(L1, L2)의 전극(54)에 접속된다.

도 8은 전류 미분 검출기(4uvw)의 구성예를 나타낸 전기 회로도이다. 프린트 기판(40)의 한쪽의 주면에 실장된 칩 인덕터(L1)와, 프린트 기판(40)의 다른 쪽의 주면에 실장된 칩 인덕터(L2)가, 직렬로 접속되어 직렬 회로(60)를 형성한다. 그리고 각 칩 인덕터(L1, L2)에 부하 저항(R1, R2)이 병렬로 접속된다. 바꿔 말하면, 프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41)에 실장된 칩 인덕터(L1) 및 부하 저항(R1)의 병렬 회로(57)와, 프린트 기판(40)의 다른 쪽 주면(42)에 실장된 칩 인덕터(L2) 및 부하 저항(R2)의 병렬 회로(58)가, 직렬로 접속된다.

2개의 칩 인덕터(L1, L2)는, 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류 변화에 기인하는 기전력이 겹쳐지도록, 즉, 서로 상쇄되지 않도록 접속되어, 직렬 회로(60)를 형성한다. 바꿔 말하면, 2개의 칩 인덕터(L1, L2)의 기전력 방향이 직렬 회로(60)의 일단으로부터 타단을 향하는 동일 방향(이 방향은 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류가 증가하는 경우와 감소하는 경우가 반대임)이 되도록, 2개의 칩 인덕터(L1, L2)가 직렬로 접속된다.

2개의 칩 인덕터(L1, L2)를 서로 접속하는 접속점인 중점(59)은, 안정된 기준 전위인 그라운드 전위(0V)에 접속된다. 2개의 칩 인덕터(L1, L2)의 직렬 회로(60)의 양단은, 차동 증폭 회로(70)에 접속된다. 차동 증폭 회로(70)는, 연산 증폭기(71)와 4개의 저항(74~77)을 포함한다. 4개의 저항(74~77)은, 연산 증폭기(71)의 출력 단자와 반전 입력 단자(72)의 사이에 접속된 저항(74)과, 연산 증폭기(71)의 비반전 입력 단자(73)와 그라운드 전위(0V)의 사이에 접속된 저항(75)과, 연산 증폭기(71)의 반전 입력 단자(72) 및 비반전 입력 단자(73)에 각각 접속된 저항(76, 77)을 포함한다. 2개의 칩 인덕터(L1, L2)의 직렬 회로(60)의 일단은, 차동 증폭 회로(70)의 하나의 입력단(70b)에 접속되어, 저항(76)을 통해 연산 증폭기(71)의 반전 입력 단자(72)에 접속된다. 당해 직렬 회로(60)의 타단은, 차동 증폭 회로(70)의 다른 입력단(70a)에 접속되어, 저항(77)을 통해 연산 증폭기(71)의 비반전 입력 단자(73)에 접속된다.

차동 증폭 회로(70)를 구성하는 전기/전자 부품은, 프린트 기판(40) 상에 실장되는 것이 바람직하다. 또한 도면에 나타내지 않았으나, 프린트 기판(40) 상에는 도 1에 있는 모터 제어 장치(100)를 구성하는 전기/전자 부품의 일부 또는 전부도 함께 실장되는 것이 바람직하다.

전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류가 변화하면, 각 칩 인덕터(L1, L2)의 단자 사이에는, 전자 유도 작용에 의해 자속(Φ)의 시간 변화(dΦ/dt)에 비례하는 전압(V_L1, V_L2)(V_L1=V_L2=V_L)이 생성된다. 이 전압은, 비례 상수 K를 이용하여 다음 식으로 표현된다.

(7)

자속(Φ)의 크기는 전류(I)(상전류(Iuvw))에 비례하므로, 다음 식과 같이 바꿀 수 있으며, 전류 미분값(dI／dt)에 비례하는 전압 출력이 얻어짐을 알 수 있다. K’는 비례 상수이다.

(8)

전술한 회로 구성에서는, 칩 인덕터(L1, L2)가 직렬로 접속되어 있으므로, 차동 증폭 회로(70)의 출력(VO)은, 그 게인(G)을 사용하여, 다음 식으로 표현된다. 출력(V_O)은, 전류 미분값(dIuvw)을 나타내는 신호이다.

(9)

프린트 기판(40)의 내부 프린트 배선층(45, 46)을 통과하는 전류 패턴(51, 52)이 1턴의 1차측 권선의 역할을 하고, 프린트 기판(40)의 주면(41, 42)에 실장된 칩 인덕터(L1, L2)가 2차측 권선의 역할을 하여, 이로써 변압기가 구성된다. 원리상, 1개의 칩 인덕터의 전극간 전압을 차동 증폭시키는 것만으로도 전류 미분을 검출할 수 있다. 그러나, 1개의 작은 공심의 칩 인덕터를 통해 얻어지는 신호 전압은 수 mV 정도의 미약한 신호이다. 한편, 모터 전류를 제어하는 인버터(2)는, 스위칭에 의해 큰 노이즈를 발생시킨다. 따라서 노이즈의 영향을 받기 어렵도록 할 필요가 있다. 이러한 이유로 본 실시형태에서는, 복수개(구체적으로는 2개)의 칩 인덕터(L1, L2)를 사용한다.

가령, 1개의 칩 인덕터(칩 인덕터(L1) 또는 칩 인덕터(L2) 중 한쪽)의 양단의 전압을 차동 증폭한다고 하면, 다음과 같은 문제가 생긴다.

칩 인덕터의 양단은, 그라운드 전위(0V)에 대한 임피던스가 높으므로 전위가 변동한다. 칩 인덕터는 전류 패턴(51, 52) 상에 배치되며, 전류 패턴(51, 52)과의 사이에는 예를 들어, 0.2 mm의 절연층이 있으므로, 부유 용량이 존재한다. 전류 패턴(51, 52)의 전위는, 인버터(2)에서의 스위칭에 따라 그라운드 전위(0V)에서 전원 전압(Vdc) 사이에서 변동한다. 이 영향을 부유 용량을 통해 받는 칩 인덕터의 전위도 마찬가지로 변화하기 때문에, 칩 인덕터의 단자간 전압이 동상으로 변동한다.

차동 증폭 회로(70)는, 2개의 입력 신호가 동상으로 변동하는 경우, 그러한 동상의 변동을 제거할 수 있다. 그러나, 연산 증폭기(71)의 입력 전압 범위에는 한계가 있기 때문에, 그 이상의 전압의 입력은 파손이나 잘못된 출력의 원인이 된다. 저항 분압에 의해 입력 전압을 낮추는 것을 생각해 볼 수 있으나, 신호 성분도 분압되기 때문에 신호 성분이 작아지고 신호 대 잡음비가 저하되는 문제가 발생한다.

칩 인덕터의 양 단자의 임피던스를 낮추면 변동을 억제할 수 있으나, 신호 소스의 임피던스가 높으므로 신호의 저하와 같은 문제가 발생한다.

동상 전압 변동을 억제하기 위해, 칩 인덕터의 단자 한쪽을 그라운드 전위(0V)와 같이 안정된 전위에 접속하는 것을 고려해볼 수 있다. 그러나, 차동 증폭 회로(70)에서 신호의 임피던스의 언밸런스는 노이즈의 원인이 된다. 구체적으로는, 그라운드 전위에 접속된 단자의 임피던스는 낮고, 스위칭에 의한 전위 변동이 그다지 없는 것에 비해, 다른 쪽은 임피던스가 높고 전위가 변동하므로, 캔슬하지 못하고 노이즈가 출력된다.

그래서 본 구체예에서는, 2개의 칩 인덕터(L1, L2)를 직렬로 접속하여 직렬 회로(60)를 형성하고, 그 중점(59)을 그라운드 전위(0V)에 접속하고, 중점(59)과 직렬 회로(60)의 양단 사이에 각각 부하 저항(R1, R2)을 접속하여, 직렬 회로(60)의 양단을 차동 증폭 회로(70)의 2개의 입력단(70a, 70b)에 각각 접속한다. 이를 통해 공통 모드의 전압 변동을 억제하면서도 임피던스의 부정합을 해소할 수 있어, 동상 노이즈를 제거할 수 있다.

또한 본 구체예에서는, 2개의 칩 인덕터(L1, L2)를 프린트 기판(40)의 양쪽 주면(41, 42)에 각각 나눠 실장한다. 그리고 2개의 칩 인덕터(L1, L2)는, 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류에 의해 프린트 기판(40)의 양쪽 주면(41, 42)측에서 정반대 방향이 되는 자속과 쇄교하고, 그 자속의 변화에 따라 발생하는 기전력이 중첩되도록 직렬로 접속된다. 이 때문에, 프린트 기판(40)의 양쪽 주면(41, 42)측에서 같은 방향인 외부로부터의 자속이 존재하는 환경이더라도, 그 자속의 변화에 기인하여 2개의 칩 인덕터(L1, L2)가 각각 발생하는 기전력을 캔슬할 수 있다.

도 9는 제2 구체예에 따른 전류 미분 검출기(4uvw)의 구조를 설명하기 위한 도해적인 사시도이다. 또한 도 10a는 전류 미분 검출기(4uvw)의 평면도이고, 도 10b는 전류 미분 검출기(4uvw)의 단면도이다. 도 11은 전류 미분 검출기(4uvw)의 구성예를 도시하는 전기 회로도이다. 도 9, 도 10a 및 도 10b, 도 11에는, 1상분의 전류 미분 검출기(4uvw)의 구성을 나타낸다. 즉, 각 상에 대해 도 9, 도 10a 및 도 10b, 도 11에 나타낸 구성이 마련된다. 단, 프린트 기판(40)은, U상, V상 및 W상에서 공유되는 것이 바람직하다.

제1 구체예와 마찬가지로 전류 미분 검출기(4uvw)는, 프린트 기판(40)(도 9에서는 2점 쇄선으로 나타냄)과, 복수의 칩 인덕터(L1~L4)를 포함한다. 프린트 기판(40)은, 제1 구체예와 동일한 다층 프린트 배선 기판이다. 단, 본 구체예에서는, 한 쌍의 내부 프린트 배선층(45, 46) 중 하나에만, 하나의 모터 권선(5uvw)에 접속되는 하나의 전류 라인(9uvw)의 일부를 구성하는 전류 패턴(52)이 형성된다. 전류 패턴(52)은, 띠 형상(예를 들면, 직선 띠 형상)으로 형성된다. 전류 패턴(52)(내부 프린트 배선층(46))은, 프린트 기판(40)의 하나의 주면(42)(기판 표면)에서, 예를 들면, 0.2 mm 안쪽에 위치하며, 또 하나의 주면(41)에서, 예를 들면, 1.4 mm 안쪽에 위치한다.

프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41)에는 2개의 칩 인덕터(L1, L4)가 전류 패턴(52)에 대향하도록 실장된다. 다른 쪽 주면(42)에도 마찬가지로, 2개의 칩 인덕터(L2, L3)가 전류 패턴(52)에 대향하도록 실장된다. 이들 4개의 칩 인덕터(L1~L4)는, 본 구체예에서는 동일 사양의 칩 인덕터이다. 4개의 칩 인덕터(L1~L4)는 권선 방향을 전류 패턴(52)과 교차하는 소정의 방향(53), 보다 구체적으로는 직교(평면에서 봤을 때 직교)하는 방향을 향해 프린트 기판(40)의 주면(41, 42)에 실장된다.

칩 인덕터(L1~L4)는, 제1의 구체예의 경우와 마찬가지로 전형적으로는 미소한 직육면체 형상으로, 예를 들면, 평면에서 봤을 때 2.5 mm×1.8 mm의 크기를 갖는다. 권선 방향(예를 들면, 긴 변 방향)의 양단에 한 쌍의 전극(54)이 각각 제공된다. 이들 전극(54)은, 칩 인덕터(L1~L4)에 내장된 코일의 양단에 접속된다. 칩 인덕터(L1~L4)는, 공심 권선형으로 자기 차폐되어 있지 않다. 권선 방향은 전극간 방향이다.

상세한 도시는 생략하나, 칩 인덕터(L1~L4)의 한 쌍의 전극(54)은, 프린트 기판(40)의 주면(41, 42)에 형성된 외부 프린트 배선층(43, 44)에 땜납 등의 접합 재료로 접합된다. 본 실시형태에서는, 프린트 기판(40)의 한 쌍의 주면(41, 42)에 각각 실장된 한 쌍의 칩 인덕터(L1, L2)는, 프린트 기판(40)의 주면에 수직인 방향에서 보았을 때 서로 겹치도록 배치된다. 프린트 기판(40)의 한 쌍의 주면(41, 42)에 각각 실장된 다른 한 쌍의 칩 인덕터(L3, L4)도 마찬가지로, 프린트 기판(40)의 주면에 수직인 방향에서 보았을 때 겹치도록 배치된다. 바꿔 말하면, 한 쌍의 칩 인덕터(L1, L2)는 프린트 기판(40)(보다 구체적으로는 전류 패턴(52))을 사이에 두고 정면으로 마주보도록 평행하게 배치되고, 다른 한 쌍의 칩 인덕터(L3, L4)는 프린트 기판(40)(보다 구체적으로는 전류 패턴(52))을 사이에 두고 정면으로 마주보도록 평행하게 배치된다. 칩 인덕터(L1~L4)는, 사양이 서로 다를 수도 있으나, 프린트 기판(40)의 한쪽의 주면(41)에 배치된 한 쌍의 칩 인덕터(L1, L4)가 동일 사양이고, 다른 주면(42)에 배치된 한 쌍의 칩 인덕터(L2, L3)가 동일 사양인 것이 바람직하다.

프린트 기판(40)을 사이에 두고 서로 대향하는 한 쌍의 칩 인덕터(L1, L2)는, 프린트 기판(40)에 구비된 배선층을 통해 직렬로 접속되어 직렬 회로(61)를 형성한다. 이 직렬 회로(61)의 양단 사이에, 프린트 기판(40)에 구비된 배선층을 통해 부하 저항(R1)(도 11 참조)이 접속된다. 프린트 기판(40)을 사이에 두고 서로 대향하는 다른 한 쌍의 칩 인덕터(L3, L4)는, 프린트 기판(40)에 구비된 배선층을 통해 직렬로 접속되어 직렬 회로(62)를 형성한다. 이 직렬 회로(62)의 양단 사이에, 프린트 기판(40)에 구비된 배선층을 통해 부하 저항(R2)(도 11 참조)가 접속된다. 부하 저항(R1, R2)은, 예를 들면, 칩 저항기로 구성된다. 아울러 도 9, 도 10a 및 도 10b에서는 부하 저항(R1, R2)의 도시를 생략했다.

프린트 기판(40)을 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 칩 인덕터(L1, L2)의 직렬 회로(61)와, 프린트 기판(40)을 사이에 두고 대향하는 다른 한 쌍의 칩 인덕터(L3, L4)의 직렬 회로(62)가, 추가로 직렬로 접속되어 직렬 회로(60)를 형성한다. 4개의 칩 인덕터(L1~L4)는, 전류 패턴(52)에 흐르는 전류 변화에 기인하는 기전력이 겹쳐지도록, 즉, 서로 상쇄되지 않도록 접속되어, 직렬 회로(60)를 형성한다. 바꿔 말하면, 각 칩 인덕터(L1~L4)의 기전력 방향이 직렬 회로(60)의 일단에서 타단을 향하는 동일 방향(이 방향은 전류 패턴(52)에 흐르는 전류가 증가하는 경우와 감소하는 경우가 반대임)이 되도록, 4개의 칩 인덕터(L1~L4)가 직렬로 접속된다.

각 한 쌍의 칩 인덕터(L1, L2; L3, L4)를 포함하는 2개의 직렬 회로(61, 62)를 서로 접속하는 접속점인 중점(59)은, 안정된 기준 전위인 그라운드 전위(0V)에 접속된다. 4개의 칩 인덕터(L1~L4)의 직렬 회로(60)의 양단은, 차동 증폭 회로(70)의 2개의 입력단(70a, 70b)에 각각 접속된다. 차동 증폭 회로(70)의 구성은 제1 구체예와 동일하므로 설명을 생략한다.

전류 패턴(52)에 전류가 흐르면, 이 전류는 전류 패턴(52)을 둘러싸는 자속을 발생시킨다. 이 자속의 방향은, 프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41)측과 다른 쪽 주면(42)측에서 서로 반대의 방향이며, 칩 인덕터(L1~L4)의 권선 방향(소정의 방향(53))과 평행하다. 따라서 전류 패턴(52)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속은, 칩 인덕터(L1~L4)와 각각 쇄교한다. 이 자속이 증가하는 과정에서는, 그 자속의 증가를 방해하는 전류를 흘리도록 칩 인덕터(L1~L4)에 기전력이 발생한다. 예를 들어, 전류 패턴(52)에 흐르는 전류가 화살표(50)(도 10a 참조) 방향으로 증가하면, 이에 의한 자속의 변화를 방해하기 위해 칩 인덕터(L1, L4; L2, L3)는, 각각 화살표(55, 56)(도 10b 참조) 방향의 기전력을 발생시킨다. 자속이 감소하는 과정에서도 마찬가지로, 그 자속의 감소를 방해하는 전류를 흘리도록 칩 인덕터(L1~L4)에 기전력이 발생한다. 이와 같이 칩 인덕터(L1~L4)에 발생하는 기전력은, 전류 패턴(52)에 흐르는 전류의 시간 미분값에 상당하다.

본 구체예에서는, 프린트 기판(40) 내의 전류 패턴(52)이, 하나의 주면(42) 근처에 배치된 하나의 내부 프린트 배선층(46)에만 형성된다. 그 때문에, 전류 패턴(52)에서 한쪽의 주면(41)에 실장된 칩 인덕터(L1, L4)까지의 거리와, 전류 패턴(52)에서 다른 쪽의 주면(42)에 실장된 칩 인덕터(L2, L3)까지의 거리가 서로 다르다. 즉, 한쪽의 주면(41)의 칩 인덕터(L1, L4)까지의 거리가, 다른 쪽의 주면(42)의 칩 인덕터(L2, L3)까지의 거리보다 길다. 이에 따라 칩 인덕터(L1~L4)에 유도되는 전압이 달라진다. 구체적으로 칩 인덕터(L2, L3)는, 칩 인덕터(L1, L4)보다 큰 기전력을 발생시킨다.

전류 패턴(52)에서 칩 인덕터(L1~L4)까지의 거리가 서로 다르므로, 한쪽 주면(41) 및 다른 쪽 주면(42)에 1개씩의 칩 인덕터(L1, L2)만을 배치하는 제1 구체예와 같은 구성에서는, 칩 인덕터(L1, L2)의 직렬 회로(60)의 중점(59)에서 그 양단까지의 전압이 언밸런스하게 된다.

그래서 본 제2 구체예에서는, 프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41) 및 다른 쪽 주면(42)에 2개씩의 칩 인덕터(L1, L4; L2, L3)가 배치된다. 그리고 한쪽 주면(41)의 하나의 칩 인덕터(L1, L4)와 다른 쪽 주면(42)의 하나의 칩 인덕터(L2, L3)를 직렬 접속하여 2개의 직렬 회로(61, 62)를 형성하고, 이 직렬 회로(61, 62)의 양단 사이에 부하 저항(R1, R2)이 병렬 접속된다. 이와 같은 2개의 직렬 회로(61, 62)가 직렬로 접속되어 직렬 회로(60)가 형성된다. 그러면, 그 직렬 회로(60)의 중점(59)의 양측에서 밸런스를 취할 수 있다. 즉, 칩 인덕터(L1~L4)의 직렬 회로(60)는, 중점(59)에 대해 양단의 출력 전압이 대칭이 된다. 그 결과, 4개의 칩 인덕터(L1~L4)의 직렬 회로(60)의 양단을 차동 증폭 회로(70)의 입력단(70a, 70b)에 접속함으로써, 제1 구체예와 동일한 출력을 차동 증폭 회로(70)로부터 얻을 수 있다.

차동 증폭 회로(70)에 대한 입력의 크기는, 4개의 칩 인덕터(L1~L4)의 출력 전압의 총합이며, 직렬 접속되는 순서에 의존하지 않는다. 접속 순서를 바꿔, 한쪽 주면의 2개의 칩 인덕터(L1, L4)를 직렬 접속한 직렬 회로와, 다른 쪽 주면의 2개의 칩 인덕터(L2, L3)를 직렬 접속한 직렬 회로를 접속하면, 칩 인덕터(L1~L4)의 직렬 회로의 중점에 대해 양단의 출력 전압의 대칭성이 무너진다. 이러한 구성으로도 전류 미분을 검출할 수는 있다. 단, 고속으로 동작하는 미소한 전압의 차동 증폭 회로(70)에서는, 칩 인덕터(L1~L4)의 직렬 회로의 중점(59)에 대한 양단 전압의 대칭성이 유지되는 것이, 신호의 품질을 유지하기 쉬우므로 바람직하다.

아울러 도 11a에 나타낸 것처럼, 부하 저항(R1)은, 2개의 칩 인덕터(L1, L2) 각각의 양 단자 사이에 접속된 부하 저항(R11, R12)으로 분할될 수도 있다. 마찬가지로, 부하 저항(R2)은, 2개의 칩 인덕터(L3, L4) 각각의 양 단자 사이에 접속된 부하 저항(R21, R22)으로 분할될 수도 있다. 이 경우, 2개의 부하 저항(R11, R12)이 직렬로 접속되어 부하 저항(R1)을 구성하며, 2개의 부하 저항(R21, R22)이 직렬로 접속되어 부하 저항(R2)을 구성한다.

도 12는 교류 모터(M)의 저속 회전 시(정지 상태를 포함)의 PWM 제어 신호 등의 파형도의 일례를 나타낸다. 도 12a는 인버터(2)의 U상 브릿지 회로(20u)의 상부 암 스위칭 소자(21u)의 게이트에 부여되는 U상 상부 암 게이트 신호의 파형을 나타낸다. U상 하부 암 게이트 신호(하부 암 스위칭 소자(22u)의 게이트에 부여되는 신호)는, 이 신호를 반전한 파형이 된다. 도 12b는 인버터(2)의 V상 브릿지 회로(20v)의 상부 암 스위칭 소자(21v)의 게이트에 부여되는 V상 상부 암 게이트 신호의 파형을 나타낸다. V상 하부 암 게이트 신호(하부 암 스위칭 소자(22v)의 게이트에 부여되는 신호)는, 이 신호를 반전한 파형이 된다. 도 12c는 인버터(2)의 W상 브릿지 회로(20w)의 상부 암 스위칭 소자(21w)의 게이트에 부여되는 W상 상부 암 게이트 신호의 파형을 나타낸다. W상 하부 암 게이트 신호(하부 암 스위칭 소자(22w)의 게이트에 부여되는 신호)는, 이 신호를 반전한 파형이 된다. 또한 도 12d는, U상 전류 검출기(3u)가 출력하는 U상 전류(Iu)의 변화를 나타낸다. 도 12e는 U상 전류의 시간 미분값, 즉, U상 전류 미분값(dIu)의 변화를 나타내며, U상 전류 미분 검출기(4u)의 출력에 상당하다.

도 3에 나타낸 것처럼 인버터(2)는, 6개의 스위칭 소자(21uvw, 22uvw)로 구성된 3상 인버터로, 교류 모터(M)의 U상, V상 및 W상의 3개의 권선(5uvw)의 단자를 전원 전압(Vdc) 또는 그라운드 전위(0V) 중 하나에 접속시킨다. 전술한 것처럼, 전원 전압(Vdc)에 접속된 상태(상부 암 스위칭 소자(21uvw)가 온인 상태)를 ‘1’로, 0V에 접속된 상태(상부 암 스위칭 소자(21uvw)가 오프인 상태)를 ‘0’으로 표현한다. 그러면, 생성되는 전압 벡터는 도 4a에 나타낸 것처럼, V0(0,0,0)~V7(1,1,1)의 8종류이다. 이들 중 V0(0,0,0) 및 V7(1,1,1)은, 모든 권선 단자가 동전위가 되며, 권선(5uvw) 사이에 걸리는 전압이 0이 되는 0전압 벡터이다. 나머지 6개의 전압 벡터(V1~V6)는, 권선(5uvw) 사이에 전압이 인가되는 비 0전압 벡터이다.

PWM 생성기(14)는, 전류 제어기(13)로부터 출력되는 각 상전압 지령(Vuvw)과 삼각파 캐리어 신호를 비교하여, 인버터(2)의 스위칭 소자(21uvw, 22uvw)를 온/오프하는 PWM 제어 신호를 생성한다. 예를 들어, PWM 주파수(삼각파 캐리어 신호의 주파수)는 14kHz이며, 이것은 약 70μ초 주기에 상당하다. 저속 회전 시에는 상전압 지령(Vuvw)이 낮기 때문에, 권선(5uvw) 사이에 전압이 걸리지 않는 0전압 벡터(V0, V7)의 기간이 길어진다. 도 12에는 0전압 벡터(V0)의 기간(T0) 및 0전압 벡터(V7)의 기간(T7)을 PWM 주기의 거의 절반씩으로 하여, 교류 모터(M)를 정지시키는 상태의 파형이 나타나있다.

PWM 생성기(14)는, PWM 제어 신호를 생성하는 기능에 더하여 0전압 벡터(V0) 또는 0전압 벡터(V7)의 기간에, 회전자 위치 검출을 위한 테스트 펄스(121)를 인가하는 기능을 갖는다. 테스트 펄스(121)란, 여기에서는 위치 검출을 위한 전압 벡터를 말한다. 테스트 펄스(121)를 인가하는 시간은, PWM 주기(예를 들면, 약 70μ초)와 비교하여 충분히 짧고, 또한 PWM 주기의 절반과 비교하여 충분히 짧다. 보다 구체적으로는, 테스트 펄스(121)를 인가하는 시간은 PWM 주기의 10% 이하, 보다 바람직하게는 5% 이하인 것이 바람직하다. 예를 들어, 테스트 펄스(121)를 인가하는 시간을 3μ초로 하면, PWM 주기가 70μ초인 경우, PWM 주기의 4.2% 정도가 된다.

테스트 펄스(121)에 의한 영향을 최소화하기 위해, 테스트 펄스(121)를 인가한 직후에, 테스트 펄스(121)의 역방향의 전압 벡터에 의해 정의되는 상쇄 펄스(122)를 테스트 펄스(121)와 동일한 시간만큼 인가하여 테스트 펄스(121)에 의한 전류를 상쇄하는 것이 바람직하다. 이 경우, 위치 검출을 위해 전압이 인가되는 시간은 테스트 펄스(121)의 인가 시간의 두 배가 된다. 예를 들어, 테스트 펄스(121)를 인가하는 시간을 3μ초, 상쇄 펄스(122)를 인가하는 시간을 3μ초라고 하면, 70μ초의 PWM 주기 중의 6μ초, 즉 8.5%의 시간을 위치 검출을 위해서 전압 인가에 이용하고, 나머지인 64μ초, 즉 91.5%를 일반적인 모터 제어에 이용한다.

또한 PWM 주기마다 U상, V상, W상에 순서대로 테스트 펄스(121) 및 그것을 상쇄하는 상쇄 펄스(122)를 인가하도록, 테스트 펄스(121)를 위한 3종류의 전압 벡터와, 그들에 각각 대응하는 상쇄 펄스(122)를 위한 3종류의 전압 벡터가 이용된다. 이를 통해 위치 검출을 위한 테스트 펄스(121)의 인가 영향이 3상에서 균등해진다.

도 12의 예에서는, U상에 인가되는 테스트 펄스(121)는 전압 벡터 V1(1,0,0)으로 표시되고, U상에 인가되는 상쇄 펄스(122)는 전압 벡터 V4(0,1,1)로 표시된다. 또한 V상에 인가되는 테스트 펄스(121)는 전압 벡터 V3(0, 1,0)로 표시되고, V상에 인가되는 상쇄 펄스(122)는 전압 벡터 V6(1,0,1)로 표시된다. 또한 W상에 인가되는 테스트 펄스(121)는 전압 벡터 V5(0,0,1)로 표시되고, W상에 인가되는 상쇄 펄스(122)는 전압 벡터 V2(1,1,0)로 표시된다.

도 12d 및 도 12e에 나타낸 바와 같이, 테스트 펄스(121) 및 상쇄 펄스(122)를 인가함에 따라 U상 전류가 변화하고, 또한 U상 전류 미분 검출 전압이 변화한다. 전류뿐만 아니라 전류 미분값도 직접적으로 검지하기 때문에, 테스트 펄스(121)가 인가되면 U상 전류 미분 검출 전압이 순시로 상승하는 것을 알 수 있다. 따라서 실질적으로 테스트 펄스(121)의 인가 시간(예컨대 3μ초)에서 전류 미분값을 검출할 수 있다. 테스트 펄스(121)의 인가에 대응되는 타이밍이 전류 미분값을 샘플링해야 할 미분 검출 포인트(123)가 된다.

도 13a는 회전자 전기각을 엔코더로 검출하면서, 다양한 회전자 전기각으로 전압 벡터(V1)의 테스트 펄스를 인가하여 얻어진 전류 미분 검출 전압을 나타낸다. 도 13b는 마찬가지로 전압 벡터(V3)의 테스트 펄스를 인가하여 얻어지는 전류 미분 검출 전압을 나타내며, 도 13c는, 마찬가지로 전압 벡터(V5)의 테스트 펄스를 인가하여 얻어지는 전류 미분 검출 전압을 나타낸다. 테스트 펄스 인가 후, 상쇄 펄스를 인가하기 직전, 즉 테스트 펄스의 말기에 A/D 변환을 실시하여, 전류 미분 검출 전압을 입력한다. 각 도면에는, U상 전류 미분(diU)의 검출 전압, V상 전류 미분(diV)의 검출 전압 및 W상 전류 미분(diW)의 검출 전압이 나타나 있다. 실제 측정 전압 범위는 0~5V이고, 2.5V가 중심으로 전류 미분값=0에 대응한다.

전압 벡터(V1)의 테스트 펄스에 대해서는, 도 13a와 같이 U상 전류 미분(diU)의 검출 전압은, 중심값인 2.5V에 대해 -1V의 부근(측정 전압으로 1.5V의 부근)에서 주기적으로 변동하며, V상 전류 미분(diV)의 검출 전압 및 W상 전류 미분(diW)의 검출 전압은, 중심값인 2.5V에 대해 +0.5V의 부근(측정 전압으로 3.0V의 부근)에서 주기적으로 변동한다.

전압 벡터(V3)의 테스트 펄스에 대해서는, 도 13b와 같이 V상 전류 미분(diV)의 검출 전압은, 중심값인 2.5V에 대해 -1V의 부근(측정 전압으로 1.5V의 부근)에서 주기적으로 변동하며, U상 전류 미분(diU)의 검출 전압 및 W상 전류 미분(diW)의 검출 전압은, 중심값인 2.5V에 대해 +0.5V의 부근(측정 전압으로 3.0V의 부근)에서 주기적으로 변동한다.

전압 벡터(V5)의 테스트 펄스에 대해서는, 도 13c와 같이 W상 전류 미분(diW)의 검출 전압은, 중심값인 2.5V에 대해 -1V의 부근(측정 전압으로 1.5V의 부근)에서 주기적으로 변동하며, U상 전류 미분(diU)의 검출 전압 및 V상 전류 미분(diV)의 검출 전압은, 중심값인 2.5V에 대해 +0.5V의 부근(측정 전압으로 3.0V의 부근)에서 주기적으로 변동한다.

전압 벡터(V1, V3, V5)의 인가 시에는, 하나의 상이 전원 전압(Vdc)에 접속되고, 나머지 2상이 0V(그라운드 전위)에 접속된다. 전압이 인가되는 방향은, 하나의 상과, 나머지 2상에서 반대가 된다. 또한 3상이므로, 전류의 합계는 0이며 전류 미분의 합계도 0이다.

도 13a, 도 13b 및 도 13c에 나타낸 것처럼, 진폭은 작으나, 회전자 전기각의 1주기에 대해, 2주기의 120도 위상차의 3상 정현파 신호를 얻을 수 있기 때문에, 회전자 위치를 구할 수 있다. 본 구체예에서는, PWM 주기(70μ초)마다, 회전자 위치가 갱신되며, 검출 정밀도는 기계각으로 약 ±1도였다. 따라서, 본 실시형태에 의해, 돌극성이 적고, 저속 영역의 센서리스 제어가 힘든 SPMSM에서도, 정확하면서도 응답성이 빠른 위치 피드백 제어가 필요한 위치 서보 제어를 실현할 수 있음을 알 수 있다.

본 실시형태에서는, 테스트 펄스로서 3개의 전압 벡터(V1, V3, V5)를 사용하여 3상분의 전류 미분값을 검출했으나, 테스트 펄스로서 하나의 전압 벡터만을 사용하여 3상분의 전류 미분값을 검출해도, 회전자 위치를 추정할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시형태에 따르면 회전자 위치 검출기를 이용하지 않는 센서리스 제어에 의해 교류 모터(M)를 제어하는 모터 제어 장치(100)가 제공된다. 이 모터 제어 장치(100)는, 교류 모터(M)의 권선 전류의 전류 미분을 고속으로 또한 정확하게 검출할 수 있으며, 게다가 소형의 구성으로 전류 미분을 검출할 수 있다. 따라서 소형 구성이면서, 응답성이 우수한 정확한 모터 제어를 실현할 수 있는 모터 제어 장치(100)를 제공할 수 있다.

구체적으로 본 실시형태에서는, 인버터(2)와 교류 모터(M)의 권선(5uvw)을 접속하는 전류 라인(9uvw)에, 프린트 기판(40)(다층 프린트 기판)의 배선 패턴으로 이루어지는 전류 패턴(51, 52)이 개재된다. 이 전류 패턴(51, 52)은, 프린트 기판(40)의 내부 프린트 배선층(45, 46)에 형성되므로, 프린트 기판(40)의 주면(41, 42)과의 절연이 확보된다. 그리고 프린트 기판(40)의 주면(41, 42)에는, 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)가 전류 패턴(51, 52)에 대향하도록 실장된다. 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)는 전류 패턴(51, 52)과 교차하는 소정의 방향(53)으로 권선 방향을 향해 배치된다. 즉, 프린트 기판(40)의 내부 프린트 배선층(45, 46)에 형성된 전류 패턴(51, 52)과, 프린트 기판(40)의 주면(41, 42)에 실장된 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)는, 프린트 기판(40)의 절연 재료(절연 기판)에 의해 전기적으로 절연된 상태로 대향하며, 또한 전류 패턴(51, 52)과 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 권선 방향이 교차한다. 따라서, 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류가 형성하는 자속과 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 권선이 쇄교한다.

전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류가 변화하고, 이에 따라 자속이 변화하면, 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)는 자속의 변화를 방해하는 기전력을 발생시키고, 그에 따른 전압이 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 양쪽 전극간에 나타난다. 이 전압은, 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류의 변화, 바꿔 말하면 전류 미분값을 나타내는 신호로서 취급할 수 있다. 따라서 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)는, 전류 미분을 직접적으로 검출하는 센서로서 기능하기 때문에, 복잡하고 시간이 걸리는 연산 처리를 필요로 하지 않고 고속으로 전류 미분값을 검출할 수 있다.

이러한 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)가 프린트 기판(40)의 주면(41, 42)에 복수개 실장되고, 이들이 직렬로 접속되어 직렬 회로(60)를 형성한다. 그리고 그 직렬 회로(60)의 중점(59)이 기준 전위인 그라운드 전위에 접속되고, 그 직렬 회로(60)의 양단이 차동 증폭 회로(70)의 한 쌍의 입력단(70a, 70b)에 접속된다. 당해 직렬 회로(60)의 양단과 중점(59) 사이에는, 한 쌍의 부하 저항(R1, R2)이 각각 접속된다.

칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)가 발생시키는 기전력에 의해 부하 저항(R1, R2)에 전류가 흘러 전압이 강하되고, 그에 따른 신호가 차동 증폭 회로(70)에 입력된다. 직렬 회로(60)의 중점(59)이 그라운드 전위(기준 전위)에 접속됨으로써, 인버터(2)에서 스위칭으로 인해 전류 패턴(51, 52)의 전위가 크게 변위해도, 중점(59)의 전위는 변동되지 않는다. 이를 통해 스위칭의 영향을 억제하여, 안정된 신호를 차동 증폭 회로(70)에 입력할 수 있다.

차동 증폭 회로(70)는 한 쌍의 입력단(70a, 70b)에 입력되는 신호를 차동 증폭하기 때문에, 한 쌍의 입력단(70a, 70b)에 입력되는 동상 성분을 제거하고 위상이 다른 성분을 증폭시킨다. 노이즈 성분은 동상 성분이 되므로, 차동 증폭 회로(70)는 노이즈 성분을 제거한 신호 성분을 증폭하여 출력할 수 있다. 따라서 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)에서 출력되는 전류 미분 신호가 미소하더라도, 양호한 신호 대 잡음비로 전류 미분을 검출할 수 있다.

이와 같이 하여 인버터(2)로부터 교류 모터(M)에 공급되는 전류를 칩 인덕터를 통해 직접적으로(따라서 고속으로) 검출할 수 있으며, 또한 전류 미분을 나타내는 양호한 신호를 얻을 수 있다. 이에 따라 컨트롤러(1)는, 교류 모터(M)의 회전자 위치를 신속 정확하게 추정할 수 있으므로, 응답성이 우수한 정확한 모터 제어를 실현할 수 있다.

게다가 공업적으로 생산되는 칩 인덕터는 성능 편차가 적기 때문에, 복수개의 칩 인덕터를 사용해도 개별적인 조정이 필요하지 않다. 또한 칩 인덕터의 크기가 미소하기 때문에, 전류 미분을 검출하기 위한 구성을 매우 소형으로 구성할 수 있다는 이점이 있다.

프린트 기판(40)에는, 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)뿐만 아니라, 부하 저항(R1, R2), 차동 증폭 회로(70), 인버터(2) 및 컨트롤러(1) 중 일부 또는 전부를 함께 실장할 수 있다. 이를 통해 모터 제어 장치(100)를 전체적으로 소형화할 수 있다. 다시 말하면 모터 제어 장치(100)의 대형화를 억제 또는 방지하면서, 전류 미분값을 직접적으로 또한 정확하게 검출할 수 있는 구성을 구비할 수 있다.

복수의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)는, 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류가 형성하는 자속의 변화에 따라 각 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)에 유기되는 기전력의 방향을 맞춰 직렬로 접속된다. 이를 통해 복수의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)가 발생시키는 기전력의 총합을 차동 증폭 회로(70)에서 증폭할 수 있으므로, 전류 미분을 나타내는 큰 신호를 얻을 수가 있다. 나아가 개개의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)가 갖는 특성의 편차를 평균화할 수 있어, 보다 정확하게 전류 미분값을 검출할 수 있다.

또한 본 실시형태에서 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 수는, 짝수(제1 구체예에서는 2, 제2 구체예에서는 4)이다. 이에 따라 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 직렬 회로(60)를, 중점(59)을 사이에 두고 대칭으로 구성하기 쉬워지므로, 차동 증폭 회로(70)의 한 쌍의 입력단(70a, 70b)에 대한 입력 밸런스를 잡기가 쉬워진다.

컨트롤러(1)는, 차동 증폭 회로(70)의 출력을 교류 모터(M)의 권선 전류의 시간 미분값(전류 미분값)에 상당하는 값으로 취급하여 회전자의 위치를 추정한다. 구체적으로 컨트롤러(1)는, 권선 전류의 시간 미분값(전류 미분값)에 기초하여, 각 상의 권선의 인덕턴스를 구한다. 각 상 권선의 인덕턴스는, 회전자 위치에 따라서 주기적으로 변화하므로, 컨트롤러(1)는 각 상 권선의 인덕턴스에 기초하여 회전자 위치를 추정할 수 있다.

전술한 실시형태에서는, 복수의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)가 프린트 기판(40)의 대향하는 2개의 주면(41, 42)에 같은 수만큼 실장된다. 프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41)과 다른 쪽 주면(42)에 같은 수만큼의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)를 실장함으로써, 그들 직렬 회로(60)를, 중점(59)을 사이에 두고 대칭으로 구성하기 쉬워지므로, 차동 증폭 회로(70)의 한 쌍의 입력단(70a, 70b)에 대한 입력 밸런스를 잡기가 쉬워진다.

또한 프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41)과 다른 쪽 주면(42)에 나눠서 복수의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)를 실장함으로써, 칩 인덕터를 3차원적으로 배치할 수 있으므로, 모터 제어 장치(100)의 소형화를 더욱 더 도모할 수 있다.

또한 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류가 형성하는 자속의 방향은, 프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41)측과 다른 쪽 주면(42)측에서 반대 방향이 된다. 이에 비해, 외부에서 발생한 자속, 즉 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류에 기인하지 않는 자속은, 프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41)측과 다른 쪽 주면(42)측에서 동일한 방향이며 또한 동일한 크기가 된다. 전술한 것처럼, 복수의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)는, 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류가 형성하는 자속의 변화에 따라 각 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)에 유기되는 기전력의 방향을 맞춰 직렬로 접속된다. 이 경우, 복수의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 직렬 회로(60)의 양단에 나타나는 전압은, 전류 패턴(51, 52)에 흐르는 전류 변화에 따라 각 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)에서 발생하는 기전력을 중첩시키고, 또한 외부 발생 자속에 기인하는 기전력을 상쇄한 값이 된다. 이와 같이 하여 외부 발생 자속의 영향을 억제 또는 방지하여, 전류 미분을 검출할 수 있다.

전술한 제1 구체예에서 복수의 칩 인덕터(L1, L2)는, 프린트 기판(40)의 하나의 주면(41)에서의 배치수가 1이며, 다른 주면(42)에서의 배치수가 1이다. 그리고 권선 전류가 흐르는 전류 패턴(51, 52)에 대해, 한쪽 주면(41)측의 하나의 칩 인덕터(L1)와 다른 쪽 주면(42)측의 하나의 칩 인덕터(L2)가, 기하학적으로 대칭으로 배치된다. 바꿔 말하면, 권선 전류가 흐르는 전류 패턴(51, 52)으로부터 한쪽 주면(41)측의 하나의 칩 인덕(L1)까지의 거리와 다른 쪽 주면(42)측의 하나의 칩 인덕터(L2)까지의 거리가, 서로 같아지도록 설계되었다. 이를 통해 차동 증폭 회로(70)의 한 쌍의 입력단(70a, 70b)에 대한 입력 밸런스를 잡기가 쉬워진다.

전술한 제2 구체예에서 복수의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)는, 프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41)에서의 배치수가 2이며, 다른 쪽 주면(42)에서의 배치수가 2이다. 그리고 프린트 기판(40)의 한쪽 주면(41)의 하나의 칩 인덕터(L1)와 다른 쪽 주면(42)의 칩 인덕터(L2)를 직렬로 접속하여 상기 중점(59)의 한쪽에 배치(접속)하고, 남는 2개의 칩 인덕터(L3, L4)를 직렬로 접속하여 상기 중점(59)의 다른쪽에 배치(접속)하도록 하여, 4개의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)가 직렬로 접속된다. 이에 의해, 권선 전류가 흐르는 전류 패턴(52)에 대한 칩 인덕터의 기하학적 배치(보다 구체적으로는 전류 패턴(52)으로부터 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)까지의 거리)가, 직렬 회로의 중점(59)의 양측에서 동등(대칭)해진다. 이러한 접속(배치)은, 특히 전류 패턴(52)에 대한 한쪽의 주면(41)에 실장된 칩 인덕터(L1, L4) 및 다른 쪽의 주면(42)에 실장된 칩 인덕터(L2, L3)의 기하학적 배치(보다 구체적으로는 전류 패턴(52)으로부터 각 주면의 칩 인덕터(L1, L4; L2, L3)까지의 거리)가 동등(대칭)하지 않은 경우에 효과가 있다.

또한 전술한 실시형태에서 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)는, 공심 코일로 차폐되어 있지 않다. 공심 코일형의 칩 인덕터를 이용함으로써, 자기 포화의 영향을 받지 않고 전류 미분을 검출할 수 있다. 또한 차폐되지 않은 구조의 칩 인덕터를 이용함으로써, 배선 패턴에 흐르는 전류가 형성하는 자속을 고감도로 검출할 수 있다.

또한 전술한 실시형태에서 복수의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)는, 동일 사양이다. 동일 사양의 칩 인덕터를 이용함으로써, 중점(59)을 사이에 두고 대칭인 구조의 직렬 회로(60)를 형성하기 쉬워진다. 공업적으로 생산되는 동일 사양의 칩 인덕터는 동일한 성능을 가지므로 실질적으로 조정할 필요없이 사용할 수가 있다.

이상, 본 발명의 일 실시형태에 대해 설명했으나, 본 발명은 또 다른 형태로 실시할 수 있으며, 특허 청구의 범위에 기재한 사항의 범위 내에서 다양하게 설계를 변경하여 실시할 수 있다.

예를 들면, 전술한 실시형태에서는, 전류 미분 검출기(4uvw)의 구성으로서, 2개의 칩 인덕터(L1, L2)를 이용한 제1 구체예, 4개의 칩 인덕터(L1, L2, L3, L4)를 이용한 제2 구체예에 대해 설명했다. 그러나, 전류 미분을 검출하기 위해 사용하는 칩 인덕터의 개수는, 이에 한정되지 않는다. 전술한 것처럼 칩 인덕터의 개수는 짝수인 것이 바람직하다. 또한 짝수개의 칩 인덕터는, 같은 수만큼을 프린트 기판(40)의 양쪽 주면(41, 42)으로 나눠 배치하는 것이 바람직하다.

또한 전술한 실시형태에서는, 프린트 기판(40)의 양쪽 주면에 배치되는 칩 인덕터가 한 쌍씩 서로 대향하여 배치되는 것을 예로 들었다. 그러나, 칩 인덕터는 전류 패턴(51, 52)에 대향하고 있으면 되며, 프린트 기판(40)의 양쪽 주면(41, 42)에 배치된 칩 인덕터가, 주면(41, 42)에 수직으로 보았을 때 어긋나 있어도 된다.

또한 전술한 실시형태에서는, 전류 패턴(51, 52)이 프린트 기판(40)의 2개의 내부 프린트 배선층(45, 46)에 형성된 제1 구체예, 및 프린트 기판(40)의 하나의 내부 프린트 배선층(46)에 형성된 제2 구체예에 대해 설명했다. 그러나, 보다 많은 프린트 배선층을 갖는 다층 프린트 기판을 사용하여, 3층 이상의 내부 프린트 배선층에 전류 패턴을 배치할 수도 있다. 또한 전류 패턴은, 직선적인 띠 형상일 필요는 없으며, 곡선부나 굴곡부를 포함하는 형상일 수도 있다.

1 :컨트롤러
2 :인버터
3u, 3v, 3w : 전류 검출기
4u, 4v, 4w : 전류 미분 검출기
5u, 5v, 5w : 권선
9u, 9v, 9w : 전류 라인
11 :위치 제어기
12 :속도 조절기
13 :전류 제어기
14 :PWM 생성기
15 :위치 추정기
16 :속도 추정기
40 :프린트 기판
41, 42 :주면(主面)
43, 44 :외부 프린트 배선층
45, 46 :내부 프린트 배선층
47, 48, 49 :절연층
51, 52 :전류 패턴
53 :소정 방향
60 :직렬 회로
70 :차동 증폭 회로
70a, 70b :입력단
100 :모터 제어 장치
121 :테스트 펄스
122 :상쇄 펄스
L1~L4 :칩 인덕터
M :교류 모터
R1, R11, R12 :부하저항
R2, R21, R22 :부하저항

Claims

회전자 위치 검출기를 사용하지 않는 센서리스 제어(sensorless control)에 의해 교류 모터를 제어하는 모터 제어 장치로서,
펄스폭 변조 신호에 기초하여 직류를 교류로 변환하는 인버터와,
상기 인버터와 상기 교류 모터의 권선을 접속하는 전류 라인에 개재된 배선 패턴을 내층에 갖는 다층 프린트 기판과,
상기 배선 패턴과 교차하는 소정의 방향으로 권선 방향을 향해 상기 배선 패턴과 대향하도록 상기 다층 프린트 기판의 주면(主面) 상에 실장되고, 직렬로 접속되어, 기준 전위에 접속되는 중점(中點)을 갖는 직렬 회로를 형성하는 복수의 칩 인덕터와,
상기 직렬 회로의 상기 중점과 당해 직렬 회로의 양단 사이에 각각 접속된 부하 저항과,
상기 직렬 회로의 상기 양단에 한 쌍의 입력단이 접속된 차동 증폭 회로와,
상기 차동 증폭 회로의 출력을 이용하여 상기 교류 모터의 회전자의 위치를 추정하고, 당해 추정된 회전자의 위치에 따라, 상기 인버터로 공급하는 펄스폭 변조 신호를 생성하는 제어 유닛을 포함하는, 모터 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 칩 인덕터는, 상기 배선 패턴에 흐르는 전류가 형성하는 자속의 변화에 의해 각 칩 인덕터에 유기(誘起)되는 기전력의 방향을 맞춰 직렬로 접속되는, 모터 제어 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 복수의 칩 인덕터의 총수는 짝수인, 모터 제어 장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛이, 상기 차동 증폭 회로의 출력을 상기 교류 모터의 권선 전류의 시간 미분값에 상당하는 값으로 취급하여 상기 회전자의 위치를 추정하도록 구성되는, 모터 제어 장치.
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 칩 인덕터는, 상기 다층 프린트 기판의 대향하는 2개의 주면에 같은 수만큼 실장되는, 모터 제어 장치.
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 칩 인덕터는, 상기 다층 프린트 기판의 하나의 주면에서의 배치수가 1이고, 상기 하나의 주면에 대향하는 다른 주면에서의 배치수가 1인, 모터 제어 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 배선 패턴으로부터 상기 다층 프린트 기판의 한쪽의 주면측의 하나의 상기 칩 인덕터까지의 거리와 다른 쪽의 주면측의 하나의 상기 칩 인덕터까지의 거리가, 서로 같아지도록 설계되는, 모터 제어 장치.
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 칩 인덕터는, 상기 다층 프린트 기판의 하나의 주면에서의 배치수가 2이고, 상기 하나의 주면에 대향하는 다른 주면에서의 배치수가 2인, 모터 제어 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 다층 프린트 기판의 한쪽의 주면의 하나의 상기 칩 인덕터와 다른 쪽의 주면의 하나의 상기 칩 인덕터를 직렬로 접속하여 상기 중점의 한쪽에 배치하고, 남는 2개의 상기 칩 인덕터를 직렬로 접속하여 상기 중점의 다른 쪽에 배치하여, 4개의 상기 칩 인덕터의 상기 직렬 회로가 형성되는, 모터 제어 장치.
청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 칩 인덕터는, 공심 코일(air-core coil)이며 차폐되어 있지 않은, 모터 제어 장치.
청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 칩 인덕터는 동일 사양인, 모터 제어 장치.