KR100206777B1

KR100206777B1 - 세탁기의 모타 제어방법

Info

Publication number: KR100206777B1
Application number: KR1019960005680A
Authority: KR
Inventors: 김학원
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1996-03-05
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 1999-08-02
Also published as: US5813069A; JPH09239185A; KR970065833A; TW425445B; JP2899570B2

Abstract

본 발명의 세탁기의 모타 제어방법은, BLDC 모타가 세탁기의 세탁 및 탈수측에 속도 감속없이 직렬연결되는 세탁기에 있어서, 상기 BLDC 모타의 위치를 감지하는 단계와, 세탁기의 현재 모드가 세탁모드인지 탈수모드인지를 판별하는 단계와, 각 모드에서의 상기 BLDC모타의 구동로직을 계산하는 단계와, 상기 구동로직에 따라 펄스폭 변조 신호를 발생하는 단계와, 상기 펄스폭 변조신호에 따라 구동로직을 출력하는 단계로 이루어지며, 이러한 과정을 통해 세탁영역에서는 저속 고토크로, 탈수시에는 고속 저토크 특성을 나타내는 BLDC 모타를 분리 제어함으로써 정류 다이오드, 평활콘덴서와 인버터 장치를 용량이 적은 저렴한 가격의 부품으로 대치시켜 가격경쟁력을 향상시키고, 인입 전류가 감소하기 때문에 과대한 전류로 인한 화재등을 방지하여 안정성을 높일 수 있으며 또한 모타동손의 감소로 효율이 증가되는 효과가 있다.

Description

세탁기의 모타 제어방법

제1도는 종래의 기술에 의한 세탁기의 내부 구조를 도시한 것이고,

제2도는 종래의 기술에 의한 세탁기의 구동회로를 도시한 것이며,

제3도는 제2도 세탁기의 인버터 및 BLDC 모타의 등가회로를 도시한 것이며,

제4도는 제3도 BLDC 모타의 단면도를 도시한 것이며,

제5도는 제4도 BLDC 모타의 속도에 대한 토크 특성을 도시한 것이며,

제6도는 본 발명에 의한 세탁기의 내부 구조를 도시한 것이며,

제7도는 본 발명에 의한 세탁기의 모타 제어방법을 도시한 것이며,

제8도는 본 발명에 의한 세탁기의 세탁시 모타 제어개념을 도시한 것이며,

제9도는 본 발명에 의한 세탁기의 세탁시 모타 제어를 위한 벡터 다이아그램을 도시한 것이며,

제10도는 본 발명에 의한 세탁기의 세탁시 모타 제어를 위한 구동 로직의 일실시예를 도시한 것이며,

제11도는 본 발명에 의한 세탁기의 탈수시 제어개념을 도시한 것이며,

제12도는 본 발명에 의한 세탁기의 탈수시 모타 제어를 위한 벡터 다이어그램을 도시한 것이며,

제14도는 본 발명에 의한 BLDC 모타의 속도에 대한 토크 특성을 도시한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

50 : 세탁 및 탈수축 51 : 케이스

52 : 외조 53 : 탈수조

55 : 모터

본 발명은 세탁기에 관한 것으로 특히 BLDC모타를 사용하는 전자동 세탁기에 있어서 세탁 운전시 모타를 효율적으로 제어하기 위한 세탁기의 모타 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 세탁기는 제1도에 도시한 바와 같이 하단부에 세탁날개, 즉, 펄세이터(pulsator)(4)가 구비된 탈수조(3) 및 외조(2)가 부착되어 있으며, 상단부에는 도시하지는 않았으나 상단에 물을 공급하기 위한 급수밸브와, 수위를 감지시키기 위한 수위센서가 부착되어 있다.

그리고, 상기 탈수조(3)는 동력원인 모터(BLDC motor)(5)와, 세탁 및 탈수 모드는 전환하는 클러치(6) 및 모터(5)에서 클러치(6)로 동력이 전달되도록 하는 벨트/풀리(belt/pully)(7)에 의해 구동되어 좌, 우로 회전함에 따라 세탁물을 흔들거나 마찰에 의해 상기세탁물의 오염을 제거하도록 되어 있다.

이때 상기 클러치(6)는 유성기어와 벨트에 의해 고속으로 일정속도 회전하는 모타를 세탁 및 탈수에 맞게 적정수준으로 감속하며, 상단부의 축은 두 개의 축으로 구성되는데, 이 두 개의 축이 세탁시 교반하는 교반기와 연결된 세탁축과 탈수를 행하도록 하는 탈수조와 연결된 탈수축이면, 세탁영역에서는 저속 고토크(torqu)가 요구되고, 탈수시에는 고속 저처토크가 요구된다.

또한, 모터는 제2도에 도시한 바와 같이 상용의 AC전원(11)을 입력받아 정류하기 위한 브리지 다이오드(bridge diode)(12)와, 상기 브리지다이오드(12)에 의해 정류된 전압을 평활하기 위한 평활콘덴서(13)와, 상기 평활콘덴서(13)에 의해 평활된 DC 전압을 브러쉬 없는 직류모타(BLDC motor)(15)가 원하는 평균전압과 주파수의 AC로 인가하기 위한 인버터(14)와, 상기한 인버터(14)를 제어하기 위한 인버터 제어부(21)로 구성된 모타 제어장치에 의해 제어된다.

이때 상기 인버터 제어부(21)는 위치(22)의 정보와 방향 지령신호에 의해 인버터의 파워스위칭소자를 선택적으로 온/오프 할 수 있도록 기준신호를 발생하는 기준신호발생부(19)와, 상기 센서정보를 처리하여 속도를 감지하고 미리 프로그램된 속도지령을 비교하여 모타의 속도를 제어하는 속도제어부(20)와, 상기 속도제어부(20)의 출력신호인 전압지령 신호와 상기 기준신호를 이용하여 펄스폭변조를 처리하는 펄스폭 변조부(18)와, 상기 펄스폭 변조신호에 따라 인버터(14)와 인터페이스를 실행하는 게이트 구동부(17)로 구성된다.

상기 인버터(14)는 제3도에 도시한 바와 같이 6개의 파워 스위칭 소자(PS1 ~ PS6)와, 상기 6개의 파워 스위칭 소자(power switching device)와 역병렬로 연결되어 있는 프리 휠링 다이오드(D1 ~ D6)로 구성되어 있으며, 상기 파워스위칭 소자(ps1-ps6)중 3개는 상기한 평활콘덴서(13)의 고전압 부분에 연결되며, 나머지 소사는 평활콘덴서(13)의 접지측에 연결되고, 각상은 고전압 부분에 연결된 파워 스위칭 소자와 접지측에 연결된 파워 스위칭 소자로 구성되며, 상기한 두 소자의 중간전위점이 BLDC모타(15)와 연결된다.

그리고 상기 BLDC모터(15)는 제4도에 도시한 바와 같이 고정자(30)에 권선을 감을 수 있도록 구성된 고정자 슬롯(30')과, 상기한 고정자 슬롯(30')에 감겨져서 상기 인버터(14)로부터 전류를 공급받아 자속이 형성되도록 기자력을 발생시키는 권선(30)으로 이루어져 공간적으로 회전하는 회전자계를 발생하는 고정자(stator)(30)와, 상기한 고정자(30)에 대하여 상대적으로 회전하는 회전자(rotor)(35)와, 상기 회전자(35)의 고정자에 대한 상대적인 위치를 감지하기 위한 위치 센서(40)로 구성되며, 이러한 BLDC 모타를 사용하는 종래의 세탁기의 경우 제5도에 도시한 바와 같이 세탁 및 탈수영역이 중첩되어 나타나고, 클러치에서 세탁시 탈수시의 요구에 따라 기어비를 조절함으로써 세탁 및 탈수 특성에 맞추도록 되어 있다.

또한, 상기 BLDC 모타 일반적으로 그 특성을 다음과 같은 식(1), (2), (3)으로 나타낼 수 있다.

(단 T는 토크이고, i는 모타 전류이며 k는 모타의 토크 상수이며는 역률각임)

(단, w는 모타속도이고, emf는 모타의 역기전력임)

상기 BLDC 모타의 제어방법은, 상기 역률 각를 0으로 일정하게 하고, 이러한 조건하에서 모타의 무부하 속도를 증가시키려면 상기 모타의 토크 상수 k가 작아져야 하며, 이렇게 되면 모타의 같은 토크를 생성시키기 위해서 모타의 토크 상수 k가 작은 것이 큰 것 보다 전류를 많이 모타에 인가하여야 한다.

따라서 상기와 같은 BLDC 모타를 사용하는 세탁기의 경우, 상기 많은 전류에 의해 정류기의 다이오드, 평활콘덴서, 인버터의 파워 스위칭소자 등등의 재료비를 증가시키고, 모타의 효율감소를 초래할 수 있으며, 또한 가정용 전원으로 과도한 전류가 인입되므로 세탁기의 동작시 안정성을 보장할 수 없으며, 또한 다른 가전제품과 같이 사용하면 전원이 불안하여 다른 가전제품의 동작에 악영향을 미칠 수 이온 등 많은 문제점들이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 부하 토크가 직접 모타에 전달되도록 하여 세탁부하영역과 탈수 부하영역을 완전히 분리시킴으로써 세탁 운전시 모타 전류를 감소시킬 수 있는 세탁기의 모타 제어방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 세탁기의 모타 제어방법은, BLDC 모타를 동력원으로 가지며, 상기 BLDC 모타가 세탁기의 세탁 및 탈수축에 속도 감속없이 직렬연결되는 세탁기에 있어서, 상기 BLDC 모타의 위치를 감지하는 단계와, 세탁기의 현재 모드가 세탁모드인지 탈수모드인지를 판별하는 단계와, 각 모드에서의 상기 BLDC 모타의 구동로직을 계산하는 단계와, 상기 구동로직에 따라 펄스폭 변조 신호를 발생하는 단계와, 상기 펄스폭 변조신호에 따라 구동로직을 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명의 세탁기는, 제6도에 도시한 바와 같이 세탁 및 탈수축(50)이 동일한 하나의 축이며, 상기 BLDC 모타(55)를 상기 세탁 및 탈수축(50)에 속도 감속없이 직렬연결하고, 제7도에 도시한 바와 같이 세탁이 시작되면 먼저, 홀센서의 신호를 입력받고 세탁모드인지 탈수모드인지를 구분하여 각각의 모드에 따라 모타외의 무부하 rpm을 일반적인 구동방식보다 작게 설계하되, 탈수시는 모타의 역률각을 증가시켜 세탁기를 제어한다.

즉, 상기 세탁모드시에는 회전방향 지령을 검사하여 정회전(CW)이면 역률각이1인 정회전 방향 구동로직을 계산하고, 역회전(CCW)이면 역률각이 β1인 역회전 방향 구동로직을 계산하여 각각의 구동로직에 따라 전압지령을 구하고, 상기 구동로직에 의한 펄스 폭 변조를 실시하여 상기 인버터를 제어하도록 한다. 상기 역률각 β1은 일반적으로 O로 하여도 최대 토크 운전이 가능하며, 만약 모터의 시정수에 의한 직연(Delay)이 큰 경우 시정수를 고려하여 설정한다. 즉 어드밴스(Advance)와 β1=jℓℓ/R에 의해서 계산되어도 무방하며, 또한 실험적으로 전류와 역전력(emf)의 위상차가 0이 되도록1을 실험적으로 결정하여도 본 발명의 기본개념은 벗어나지 않는다.

상기 역률각 β1을 일반적인 제어시와 마찬가지로 0로 하는 경우, 즉 상기 모타의 위치를 감지하여 모타의 역기전력의 기본파 성분과 인가되는 전압의 기본과 성분의 위상차가 0이 되도록 제어하는 경우, BLDC 모타의 각상에 인가되는 전압ⓐ과 역기전력ⓑ은 제8도에 도시한 바와 같으며, 상기 역기전력은 사다리꼴이다.

그리고 모타의 고정자 권선에 인가되는 전압(V)과, 모타전류(1s)와, 역기전력(EMF) 및 역기전력보다 90뒤지는 로터의 플럭스(flux) 관계를 살펴보면, 제9도에 도시한 바와 같이 상기 역률각이 0가 되면 모타가 같은 상태전류에 의해 최대토크를 발생하며, 이들 위한 구동로직은 제10도의 표 1과 같다.

한편, 탈수모드시에는 역률각을 증가시켜 구동하는데, 상기 역률각을 증가시키면 모터의 회전속도가 증가하며, 이때 토크가 줄어든다.

즉, 탈수모드시에는 역률각이 β2인 구동로직을 계산하고, 이에 따라 전압지령을 구하며, 상기 역률각이 β2인 구동로직에 따라 펄스폭변조를 실시하여 인버터를 제어하도록 한다.

상기 역률각 β2을 상기 세탁시보다 60앞서도록 하는 경우, 상기 BLDC 모타의 각상에 인가되는 전압ⓐ과 역기전력ⓑ은 제11도에 도시한 바와 같으며, 모타의 고정자 권선에 인가되는 전압(V)과, 모타전류(Is)와, 역기전력(EMF) 및 역기전력보다 90뒤지는 로터의 플럭스(flux)관계와 이를 위한 구동조직은 제12도 및 제13도에 도시하였다.

이러한 구조의 세탁기에 있어서, 세탁기의 부하특성은 세탁시 저속 고토크로, 속도는 30rpm ~ 130rpm 정도이고, 토크는 300Kg.F.cm 정도이며, 탈수시는 고속 저토크로 속도는 850rpm ~ 1000rpm 정도이고, 토크는 10Kg.Fcm정도로, 이와 같은 방법에 의하면 세탁시에는 작은 전류로 모타의 토크를 크게할 수 있으며, 탈수시는 상기 역률각을 증가시켜 탈수rpm으로 구동하게 한다.

즉, 제14도에 도시한 바와 같이 세탁영역을 완전히 분리하고, 상기 방법에 의해 세탁영역과 탈수영역 모두 구동가능하도록 하는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 역률각을 증가시키면 모타의 rpm이 증가하며 토크는 줄어들므로 세탁영역과 탈수영역을 완전히 분리하여, 세탁영역에서는 저속 고토크로, 탈수시에는 고속 저토크로 특성을 나타내도록 BLDC 모타를 제어함으로써 정류 다이오드, 평활콘덴서와 인버터 장치를 용량이 적은 저렴한 가격의 부품으로 대치시켜 가격경쟁력을 향상시키고, 인입 전류가 감소하기 때문에 과대한 전류로 인한 화재등을 방지하여 안정성을 높일 수 있으며 또한 모타동손의 감소로 효율이 증가되는 효과가 있다.

Claims

BLDC 모타를 동력원으로 가지며, 상기 BLDC 모타가 세탁기의 세탁 및 탈수축에 속도 감속없이 직렬연결되는 세탁기에 있어서, 상기 BLDC모타의 위치를 감지하는 단계와, 세탁기의 현재 모드가 세탁모드인지 탈수모드인지를 판별하는 단계와, 상기 세탁기의 현재 모드가 세탁모드이면 회전지령방향을 판별한 후 그 회전 지령방향에서의 세탁시에 적용되는 특정 역률각(0)에서 구동로직을 계산하는 단계와, 상기 BLDC모타의 속도지령과 실제 속도값에서 전압지령을 계산하고 상기 구동로직에서 상기 전압지령을 펄스폭 변조시킨 후 그 펄스폭 변조된 전압지령치를 출력하는 단계와, 상기 세탁기의 현재 모드가 탈수모드이면 상기 세탁시의 특정 역률각 보다 큰 탈수시에 적용되는 특정 역률각(60)에서 구동로직 계산하는 단계와, 상기 BLDC 모타의 지령속도와 실제의 속도값에서 전압지령을 계산하고 상기 구동로직에서 상기 전압지령을 펄스폭 변조시킨후 그 구동로직을 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 세탁기의 모타 제어방법.