KR100539742B1 - 리니어 압축기의 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기의 제어장치에 관한 것으로, 종래에는 간접적 방식(sensorless)으로 여러 정보를 혼합하여 운동을 추정함으로써 오차, 불안정 현상 및 피스톤 중심이동에 따른 충돌현상이 발생하는 문제점이 있었다. 따라서 본 발명은 센서를 모터의 끝부분에 장착하여 피스톤이 움직임에 따라 피스톤의 겉면에 부착되어 있는 마그네트에 의해 발생되는 자장의 세기를 감지하고, 이 감지한 자장의 세기와 냉각모드에 따라 스트로크 지령치를 결정하여 모터를 제어하도록 하여, 간접적 방식(sensorless)에서 여러 정보를 혼합하여 운동을 추정하는 방식에 의해 생기는 오차, 불안정 현상, 피스톤 중심이동에 따른 충돌현상을 해결하고, 직접센서를 이용하여 정밀하고, 정교한 제어가 가능하도록 한 것이다.

Description

리니어 압축기의 제어장치{THE CONTROL APPARATUS FOR LINEAR COMPRESSOR}
도 1은 종래 리니어 압축기의 제어장치에 대한 블록 구성도.
도 2는 도 1에서, 각 부의 신호 파형도.
도 3은 도 1에서, 리니어 오실레이팅 모터를 역기전력이 있는 R-L회로로 모형화할 때의 등가회로도.
도 4는 본 발명 리니어 압축기의 제어장치에 대한 블록 구성도.
도 5는 회형 리니어 오실레이팅 모터에 대한 상세도.
도 6은 본 발명에 적용되는 센서부의 개념 및 파형도.
도 7은 도 3에서 센서구동 회로부의 상세도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
100 : 리니어 오실레이팅 모터 200 : 전기회로부
300 : 제어부 301 : 냉각모드 결정기
302 : 스트로크 검지부 303 : 스트로크 제어기
304 : 타이머 305 : 제로-크로스 검출기
본 발명은 직접 센서를 이용하여 피스톤의 운동을 검지함으로써, 정밀하고 정교한 제어가 가능하도록 한 리니어 압축기의 제어장치에 관한 것으로, 특히 센서를 모터 끝부분에 장착하여 자장의 세기를 감지하고, 그에따라 제어를 수행하여 피스톤에 밸브에 충돌하는 것을 방지하고, 추정방식에 따른 오차 및 불안정 현상을 없애도록 한 리니어 압축기의 제어장치에 관한 것이다.
리니어 압축기는 리니어 오실레이팅 모터로 구동되기 때문에 회전운동을 직선운동으로 바꾸어 주는 크랭크 샤프트(Crank shaft)가 없어 마찰손실이 적다.
따라서 다른 압축기에 비하여 효율이 좋다고 알려지고 있다.
또한 이 압축기가 냉장고나 에어컨으로 사용될 경우, 모터의 스트로크를 가변시켜 줌에 따라 압축비를 가변할 수 있어서 가변냉력 제어에도 사용될 수 있다는 장점이 있다.
이와같이 냉장고나 에어컨에 사용되고 있는 리니어 압축기의 동작에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 종래 리니어 압축기의 제어장치에 대한 블록 구성도로서, 이에 도시된 바와같이, 피스톤의 상하운동으로 스트로크를 가변시켜 냉력을 조절하는 리니어 오실레이팅 모터(10)와, 게이트 구동신호에 따라 교류전원을 단속시켜 상기 리니어 오실레이팅 모터(10)에 인가되는 전력을 통제하는 전기회로부(20)와, 입력되는 온도정 보에 따른 스트로크 지령치와 상기 리니어 오실레이팅 모터(10)에 인가되는 스트로크 전압에 의한 추종된 스트로크가 일치하도록 제어하고 그에따른 타이머 구동신호를 상기 전기회로부(20)로 제공하는 제어부(30)로 구성된다.
상기 제어부(30)는, 온도정보를 받아서 그 온도에 대응하는 스크로크 지령치를 결정하여 출력하는 스트로크 지령치 결정기(31)와, 리니어 오실레이팅 모터(10)로 공급되는 스트로크 전압들(V0-V3)을 입력받아 스크로크치를 추정하고 그 추정된 스트로크치를 출력하는 센서리스 스트로크 추정기(32)와, 상기 센서리스 스트로크 추정기(32)에서 추정된 스트로크가 상기 스트로크 지령치 결정기(31)에서 결정한 스트로크 지령치에 잘 추정하도록 제어하고, 그에따른 타이머 지령치를 출력하는 스트로크 제어기(33)와, 입력되는 전압파형으로 부터 제로-크로스 포인트를 검출하고 그에 대한 제로-크로스신호를 출력하는 제로-크로스 검출기(34)와, 상기 제로 크로스 검출기(34)에서 출력되는 제로-크로스신호가 출력되는 시점으로 상기 스트로크 제어기(33)에서 추정한 추정치에 따라 게이트 구동신호를 제공하는 타이머(35)로 구성된다.
이와같이 구성된 종래기술에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
전원전압단으로 부터 도 2의 (a)에서와 같은 220V 전원전압을 공급하면, 그 전원전압은 전기회로부(20)의 전류감지용 저항(R)과 트라이악(T) 그리고 캐패시터(C)를 통해 리니어 오실레이팅 모터(10)로 공급된다.
이에따라 상기 리니어 오실레이팅 모터(10)에 전류가 흐르게 된다.
그러면 상기 리니어 오실레이팅 모터(10)의 피스톤(11)이 왕복 운동을 행하는 데, 상기 피스톤(11)의 왕복 행정거리가 스트로크이며, 이 스트로크를 가변시켜 냉력을 가변시킨다.
즉, 냉장고 또는 에어컨의 냉력을 조절한다.
이때 사용자가 냉장고 또는 에어컨의 온도를 설정하면, 이 설정된 온도정보를 제어부(30)의 스트로크 지령치 결정기(31)에서 입력받는다.
이렇게 온도정보를 입력받은 스트로크 지령치 결정기(31)는 온도에 해당하는 스트로크 지령치를 결정하고, 그 결정된 스트로크 지령치를 스트로크 제어기(33)로 제공한다.
이때 센서리스 스트로크 추정기(32)는 상기 리니어 오실레이팅 모터(10)로 전류를 공급하는 전기회로부(20)로 부터 전원전압단과 전류감지용 저항(R) 사이의 전압(V0), 상기 전류감지용 저항(R)과 트라이악(T) 사이의 전압(V1), 상기 트라이악(T)에서 리니어 오실레이팅 모터(10)로 공급되는 전압(V2) 및 상기 캐패시터(C)를 거쳐 상기 리니어 오실레이팅 모터(10)로 공급되는 전압(V3)을 입력받아 스트로크치와 전류정보를 추정하고, 그 추정한 스트로크 정보와 전류정보를 상기 스트로크 제어기(33)로 전송한다.
그러면 상기 스트로크 제어기(33)는 스트로크 지령치 결정기(31)에서 결정된 스트로크 지령치와 추정된 스트로크치가 같아지도록 제어한다.
이렇게 제어를 행하여 얻어진 타이머 지령치를 타이머(35)로 전송한다.
이때 제로 크로스 검출기(34)는 상기 전기회로부(20)내 전원전압단과 전류감지용 저항(R) 사이의 전압(V0) 또는 상기 전원전압단으로 부터 캐패시터(C)를 거치 기 이전의 전압(V4)을 입력받아 제로 크로스 포인트를 검출하고, 검출된 제로-크로스신호를 타이머(35)로 제공한다.
그러면 상기 타이머(35)는 제로-크로스신호를 시작단자(start)로 받아들인다.
상기 시작단자(start)로 제로-크로스신호가 입력되면, 상기 타이머(35)는 스트로크 제어기(33)에서 제공하는 타이머 지령치에 의하여 도 2의 (c)에 도시한 시간(t1)을 설정한다.
이렇게 설정된 시간(t1)이 되면, 상기 타이머(35)는 게이트 구동신호를 전기회로부(20)의 트라이악(T)의 게이트(G)로 출력한다.
가령 도 2의 (c)에서와 같이 t1이 작으면 게이트 구동신호가 도 2의 (c)에서와 같이 제로-크로스 시점부터 짧게 설정되어 도 2의 (d)에서와 같이 많은 전류가 흐르게 되고, t1이 도 2의 (e)에서와 같이 크면 게이트 구동신호가 제로-크로스 시점부터 멀어져 도 2의 (f)에서와 같이 적은 전류가 흐르게 된다.
이와같이 게이트 구동신호가 전기회로부(20)의 트라이악(T)의 게이트(G)로 출력하면, 상기 트라이악(T)이 턴온되어 리니어 오실레이팅 모터(10)로 전류가 공급되고, 이에따라 상기 리니어 오실레이팅 모터(10)의 피스톤(11)이 상하운동을 하여 냉장고 또는 에어컨의 냉력을 조절한다.
입력전류를 주기함수로 가하면 피스톤의 움직임도 같은 주기를 갖게 되는데 흡입과 토출압에 따라서 모습은 여러 가지로 나타나진다.
피스톤의 주기를 T라 할 때, 스트로크는 한 주기내에서 최대변위를 나타내므 로 다음과 같이 정의된다.
Figure 111999012989470-pat00001
여기서
Figure 111999012989470-pat00002
는 센서리스에 의한 추정치이므로 실제값과 오차
Figure 111999012989470-pat00003
는 존재할 수 있다.
리니어 오실레이팅 모터(10)를 도 3과 같은 역기전력이 있는 R-L회로로 모형화할 때 피스톤의 움직임을 나타내는 이론적 근거는 다음과 같이 두 개의 비선형 연립미분 방정식으로 설명될 수 있다.
기계적 운동방정식
Figure 111999012989470-pat00004
전기적 등가방정식
Figure 111999012989470-pat00005
단, x : 피스톤의 변위, i :모터에 흐르는 전류, m : 피스톤의 질량, C : 댐핑계수, k : 등가적 스프링 상수,
Figure 111999012989470-pat00006
: 피스톤에 미치는 힘, α: 역기전력 상수, L : 등가적 인덕턴스 계수, R : 등가적 저항, r : 전류크기 감지용 저항 r《R, V : 외부전압.
상기 식에서
Figure 112004010663374-pat00007
는 흡입과 토출 사이의 압력차에 의한 힘을 나타내는데, 압축기가 흡입-압축-토출과정을 거치면서 비선형적으로 시시각각 달라진다.
따라서 전압V가 커지면 식(2)에서 우변이 커져 좌변의 전류도 커지게 되고, 전류가 커지면 식(1)에서 우변이 커져 좌변의 피스톤의 변위도 커지게 된다.
즉, 피스톤의 행정거리는 인가전압에 의하여 변하게 되고, 반도체 스위칭소자인 트라이악을 사용하면 인가전압을 스위칭 조절할 수 있어 동일한 효과를 갖을 수 있다.
그러나, 상기에서와 같은 종래기술에 있어서, 리니어 오실레이팅 압축기는 스트로크가 경계면(토출밸브면)에 이를 때는 피스톤의 동작이 불안정하게 나타나는 수가 종종 있고, 피스톤의 스트로크의 추정치의 오차로 인해 토출밸브와 충돌이 생길 수 있다. 이 경우 소음발생과 성능변화 및 수명에 영향을 줄 수 있는 문제점이 있고, 또한 피스톤의 동작이 불안정 하여지면 입력전력이 흔들리면서 냉력이 흔들리기 때문에 냉장고나 에어컨에서는 대단히 나쁘게 인식되는 문제점이 있다.
따라서 상기에서와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 피스톤의 움직임에 따른 자장의 변화를 센서를 통해 검지하여 실제 피스톤의 움직임에 의한 스트로크를 알아내고, 그에따라 피스톤의 정밀한 상사점 통과여부를 검지하여 안정적인 클리어런스 볼륨을 관리하여 효율 및 신뢰성을 향상시키도록 한 리니어 압축기의 제어장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 자장의 세기를 감지하는 센서를 포함한 리니어 오실레이팅 모터와, 이 모터로 전류를 공급하는 전기회로부와, 온도정보에 따른 스트로크 지령치와 상기 모터에 인가되는 스트로크 전압에 의한 추종된 스트로크가 일치하도록 하는 게이트 구동신호를 출력하는 제어부로 구성된 장치에 있어서, 상기 제어부는 입력되는 온도정보에 따른 냉각모드를 결정하여 출력하는 냉각모드 결정기와, 상기에서 결정한 냉각모드와 자장의 세기에 따른 스트로크 지령치를 결정하는 스트로크 검지부와, 상기 스트로크 검지부에서 결정한 스트로크 지령치를 얻을 수 있도록 타이머 지령치를 조절하는 스트로크 제어기와, 입력되는 전압파형으로 부터 제로-크로스 포인트를 검출하고 그에 대한 제로-크로스신호를 출력하는 제로-크로스 검출기와, 상기 제로 크로스 검출기에서 출력되는 제로-크로스신호가 출력되는 시점으로 상기 스트로크 제어기에서 추정한 추정치에 따라 게이트 구동신호를 제공하는 타이머로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명 리니어 압축기의 제어장치에 대한 회로 구성도로서, 이에 도시한 바와같이, 피스톤의 겉면에 부착된 마그네트에 의해 변하는 자장의 세기를 감지하는 모터 끝부분에 장착된 센서를 포함하는 리니어 오실레이팅 모터(100)와, 게이트 구동신호에 따라 교류전원을 단속시켜 상기 리니어 오실레이팅 모터(100)에 인가되는 전력을 통제하는 전기회로부(200)와, 입력되는 온도정보와 상기 센서에서 감지한 자장의 세기에 따라 타이머 구동신호를 결정하고, 이렇게 결정된 타이머 구동신호를 상기 전기회로부(200)로 제공하는 제어부(300)로 구성된다.
상기에서 제어부(300)는, 입력되는 온도정보에 따른 냉각모드를 결정하여 출력하는 냉각모드 결정기(301)와, 상기 냉각모드 결정기(301)에서 결정한 냉각모드와 센서를 통해 감지한 자장의 세기에 따른 스트로크 지령치를 결정하여 출력하는 스트로크 검지부(302)와, 상기 스트로크 검지부(302)에서 결정한 스트로크 지령치를 얻을 수 있도록 타이머 지령치를 조절하는 스트로크 제어기(303)와, 리니어 오실레이팅 모터(100)로 공급되는 입력전압(V0)(V4)으로 부터 제로-크로스 포인트를 검출하고 그에 대한 제로-크로스신호를 출력하는 제로-크로스 검출기(305)와, 상기 제로 크로스 검출기(305)에서 출력되는 제로-크로스신호가 출력되는 시점으로 상기 스트로크 제어기(303)에서 추정한 추정치에 따라 게이트 구동신호를 제공하는 타이머(304)로 구성한다.
이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
전원전압단으로 부터 220V 전원전압을 공급하면, 그 전원전압은 전기회로부(200)의 전류감지용 저항(R)과 트라이악(T) 그리고 캐패시터(C)를 통해 리니어 오실레이팅 모터(100)로 공급된다.
이에따라 상기 리니어 오실레이팅 모터(100)에 전류가 흐르게 된다.
그러면 상기 리니어 오실레이팅 모터(100)의 피스톤이 왕복 운동을 행하는데, 상기 피스톤의 왕복 행정거리가 스트로크이며, 이 스트로크를 가변시켜 냉력을 가변시킨다.
즉, 냉장고 또는 에어컨의 냉력을 조절한다.
이때 사용자가 냉장고 또는 에어컨의 온도를 설정하면, 이 설정된 온도정보를 제어부(300)의 냉각모드 결정기(301)에서 입력받는다.
이렇게 온도정보를 입력받은 냉각모드 결정기(301)는 온도에 해당하는 냉각모 들르 결정하여 스트로크 검지부(302)로 출력한다.
여기서, 피스톤(104)은 도 6의 (a)에 도시한 바와같이, 모터의 내측 적층철심과 외측 적층철심 사이에 움직임 가능하도록 삽입되는 마그네트 홀더(103)에 다수개의 영구자석 조각이 일정간격을 두고 결합된다.
상기에서와 같이 결합되어 있는 피스톤(104)과 일정거리를 두고, 즉 모터의 끝부분에 센서(102)를 장착한다.
이와같이 장착되는 센서(102)의 위치는 도 5에 도시한 바와같다.
이렇게 모터의 끝부분에 장착되어 있는 센서(102)는, 도 6의 (a)에 도시한 바와같이, 피스톤이 움직임에 따라 피스톤의 겉면에 부착된 영구자석에 의해 자장의 세기가 변하고, 그 자장의 세기를 센서(102)가 감지하여 출력한다.
즉, 도 7에 도시한 바와같이, 피스톤이 센서로 부터 멀어질 경우 자장의 세기는 약해지고 그에따라 트랜지스터(Q)의 턴온량이 작아져 출력전압(VO)이 작아지고, 피스톤이 센서에 접근하여 미리 설정한 센서의 기준선에 다달을 때 자장의 세기는 최대한 강해서 상기 트랜지스터(Q)의 턴온량이 커져서 출력전압(VO)이 커진다.
결국, 도 6의 (b)에 도시한 바와같이, 거리가 작아지면 전압이 작아지고, 거리가 커지면 전압이 커진다.
이상에서와 같이 센서(102)에서 자장의 세기를 감지하여 스트로크 검지부(302)로 출력한다.
그러면 상기 스트로크 검지부(302)는 냉각모드 결정기(301)에서 결정한 냉각모드와 센서(102)에서 감지한 자장의 세기에 맞는 스트로크 지령치를 결정하여 스트 로크 제어기(303)로 전송한다.
상기 스트로크 제어기(303)는 스트로크 검지부(302)에서 결정된 스트로크 지령치로 모터를 제어하기 위한 타이머 지령치를 계산하여 타이머(304)로 전송한다.
이때 제로 크로스 검출기(305)는 상기 전기회로부(200)내 전원전압단과 전류감지용 저항(R) 사이의 전압(V0) 또는 상기 전원전압단으로 부터 캐패시터(C)를 거치기 이전의 전압(V4)을 입력받아 제로 크로스 포인트를 검출하고, 검출된 제로-크로스신호를 타이머(304)로 제공한다.
그러면 상기 타이머(304)는 제로-크로스신호를 시작단자(start)로 받아들인다.
상기 시작단자(start)로 제로-크로스신호가 입력되면, 상기 타이머(304)는 스트로크 제어기(303)에서 제공하는 타이머 지령치로 게이트 구동신호를 전기회로부(200)의 트라이악(T)의 게이트(G)로 출력한다.
이와같이 게이트 구동신호가 전기회로부(200)의 트라이악(T)의 게이트(G)로 출력하면, 상기 트라이악(T)이 턴온되어 리니어 오실레이팅 모터(100)로 전류가 공급되고, 이에따라 상기 리니어 오실레이팅 모터(100)의 피스톤이 상하운동을 하여 냉장고 또는 에어컨의 냉력을 조절한다.
이와같이 리니어 압축기에서 직접센서를 이용하여 피스톤의 운동을 검지하는 간접적 방식(sensorless)에서 여러 정보를 혼합하여 운동을 추정하는 방식에 의해 생기는 오차, 불안정 현상, 피스톤 중심이동에 따른 충돌현상을 해결할 수 있다.
그리고, 직접센서를 이용하여 정밀하고, 정교한 제어가 가능함으로써 클리어런스 볼륨을 작고 타이트하게 관리함으로써, 효율향상을 꾀할 수 있고, 피스톤이 밸브에 충돌하는 것을 방지할 수 있어 소음과 기계적 수명연장 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims (1)

  1. 리니어 오실레이팅 모터로 전류를 공급하는 전기회로부와, 온도정보에 따른 스트로크 지령치와 상기 모터에 인가되는 스트로크 전압에 의한 추종된 스트로크가 일치하도록 하는 게이트 구동신호를 출력하는 제어부로 구성된 장치에 있어서, 상기 제어부는 입력되는 온도정보에 따른 냉각모드를 결정하여 출력하는 냉각모드 결정기와, 상기 모터의 끝부분에 장착되어 피스톤의 겉면에 부착된 마그네트에 의한 자장의 세기를 감지하는 센서의 출력값과 상기 냉각모드 결정기에서 결정한 냉각모드에 따른 스트로크 지령치를 결정하는 스트로크 검지부와, 상기 스트로크 검지부에서 결정한 스트로크 지령치를 얻을 수 있도록 타이머 지령치를 조절하는 스트로크 제어기와, 입력되는 전압파형으로 부터 제로-크로스 포인트를 검출하고 그에 대한 제로-크로스신호를 출력하는 제로-크로스 검출기와, 상기 제로 크로스 검출기에서 출력되는 제로-크로스신호가 출력되는 시점으로 상기 스트로크 제어기에서 추정한 추정치에 따라 게이트 구동신호를 제공하는 타이머를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 리니어 압축기의 제어장치.
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