KR100547336B1 - 세탁기에서의 제동 제어방법 - Google Patents

세탁기에서의 제동 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 세탁기에서의 제동 제어방법은, 세탁기의 제동 시 모터로부터 발생된 역기전력을 DC 링크단의 콘덴서에 충전하고 그 충전된 전압을 다시 모터쪽으로 방전하는, 충전과 방전의 반복 수행에 의해 상기 역기전력을 제어하는 단계; 및 상기 모터를 구동하기 위한 모터구동부(인버터)의 온도를 감지하여 그 값이 설정된 기준 온도(범위)를 초과할 때에는 모터구동부(인버터)에 출입하는 전압(전류) 펄스의 스위칭 듀티비를 가변 조정하여 모터쪽으로의 방전을 감소시키는 쪽으로 전압을 제어하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 제동 시 모터로부터 발생된 역기전력을 제동저항이 아닌 소프트웨어적인 제어 알고리즘에 의한 충전과 방전의 반복 수행에 의해 처리하므로, 종래와 같은 저항체의 설치에 따른 공간확보 문제와, 저항체로부터 발생되는 열의 방출 문제를 원천적으로 해결할 수 있고, 모터구동부의 온도감지값에 따라 듀티비를 가변 조정하여 역기전력에 대응하므로, 모터 내부의 지나친 온도 상승으로 인한 고정자 권선의 소손(燒損)이나 모터의 효율 저하를 방지할 수 있다.

Description

세탁기에서의 제동 제어방법{Breaking control method in an electric washing machine}
도 1은 종래 인버터 세탁기의 모터 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도.
도 2는 도 1의 인버터 세탁기의 모터 제어 시스템의 모터구동부(인버터)의 회로구성도.
도 3은 본 발명에 따른 세탁기에서의 제동 제어방법의 구현을 위해 채용되는 세탁기의 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도.
도 4는 일반적인 인버터 세탁기의 모터구동부(인버터)로부터 모터로 인가되는 3상 교류 전압의 이상적인 파형도.
도 5a는 본 발명에 따른 세탁기에서의 제동 제어방법이 채용되는 인버터 세탁기의 모터구동부(인버터)로부터 모터로 인가되는 3상 교류 전압의 실제 파형도.
도 5b는 도 5a의 전압 파형 그래프의 "A"부분에 대한 부분 발췌 확대도.
도 5c는 도 5b의 그래프상에서의 "ON", "OFF" 구간을 타임 차트화하여 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101,301...정류부 102,302...모터구동부(인버터)
103...제동저항 104,303...전압감지부
105...전압비교부 106...스위칭부
107,304...센서 108,305...마이크로컴퓨터
109...신호출력부 110,306...모터
307...온도감지기
본 발명은 세탁기에서의 제동 제어방법에 관한 것으로서, 특히 세탁기의 제동 시 모터에서 발생되는 역기전력에 의한 고정자 권선의 온도 상승을 효과적으로 억제시킬 수 있는 세탁기에서의 제동 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 세탁기는 세탁물의 세탁 및 탈수를 수행하는 세탁조와, 그 세탁조에 회전구동력을 제공하는 모터 및 그 모터를 제어하는 제어부로 크게 구성되어 있다. 이와 같은 세탁기에 있어서, 상기 모터(의 회전속도)를 더욱 정밀하게 제어하고, 다양한 운전 조건에 대응하기 위해 통상 인버터(inverter)가 채용되고 있는 바, 따라서 이와 같은 세탁기를 인버터 세탁기라고 지칭하기도 한다.
도 1은 종래 인버터 세탁기의 모터 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 종래 인버터 세탁기의 모터 제어 시스템은 외부로부터의 교류전원을 입력받아 직류로 변환하여 출력하는 정류부(101)와, 그 정류부(101)를 거친 직류 전압을 다시 3상 교류로 변환하여 모터(110)에 공급하는 모터구동부(인버터)(102)와, 모터(110)의 제동 시 모터(110)로부터 전원공급단측으로 역류하는 전압(역기전력)을 저항에 의한 열에너지로 소모시키기 위한 제동저항(103)과, 상기 정류부(101) 링크단의 전압을 감지하는 전압감지부(104)와, 그 전압감지부(104)에 의해 감지된 전압과 기준전압(Vref)을 비교하는 전압비교부(105)와, 그 전압비교부 (105)에 의한 비교 결과에 따라 상기 제동저항(103) 회로단을 온/오프(ON/OFF)시키는 스위칭부(106)와, 상기 모터(110)의 회전속도 및 회전자의 위치를 감지하는 센서(107)와, 그 센서(107)로부터의 전송신호를 수신하여 그것을 바탕으로 모터의 동작을 제어하는 한편, 모터의 제동 시 시스템의 과전압 방출과 관련된 모든 로직 (logic)을 제어하는 마이크로컴퓨터(108)와, 마이크로컴퓨터(108)로부터의 제어 명령에 따라 그에 상응하는 제어신호를 상기 모터구동부(인버터)(102)로 출력하는 신호출력부(109)로 구성되어 있다. 그리고, 상기 모터구동부(인버터)(102)는 도 2에 도시된 바와 같이, 각각 한 개의 트랜지스터(transistor)(Q1∼Q6)와 다이오드 (diode)(D1∼D6)의 병렬접속으로 구성된 6개의 스위칭 소자(S1∼S6)의 직/병렬 조합회로로 구성되어 있다. 도 1에서 참조부호 C는 정류부(101)를 거쳐 출력되는 직류 전압에 혼입되어 있는 교류 성분을 제거하기 위한 콘덴서를 나타낸다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 종래 인버터 세탁기의 제어 시스템의 동작에 대해 설명해 보기로 한다.
먼저, 외부로부터의 교류 전원(예컨대, AC 220V, 60Hz)이 시스템에 공급되면, 정류부(101)는 입력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 그러면, 모터구동부(인버터)(102)는 그 직류 전압을 다시 3상(U,V,W) 교류 전압으로 변환하여 모터(110)에 공급한다. 여기서, 이와 같은 모터구동부(102)(인버터)의 동작은 물론 마이크로컴퓨터(108)의 제어명령에 따라 이루어진다. 즉, 마이크로컴퓨터 (108)에는 모터구동부(102)(인버터)의 6개의 스위칭 소자(S1∼S6)의 온/오프 제어와 관련된 소정의 제어 알고리즘(algorithm)이 미리 프로그램화되어 저장되어 있으며, 따라서 그 제어 알고리즘에 의해 해당 스위칭 소자(S1∼S6)들이 온/오프 동작하여 모터(110)에 3상 교류 전압을 공급하게 된다.
이와 같이 모터구동부(110)로부터 3상 교류 전압이 모터(110)에 공급되면, 모터(110)가 회전하게 되고, 그에 의해 세탁이나 탈수의 과정이 수행된다.
한편, 이상과 같은 정상 운전이 수행되는 도중에 세탁기의 뚜껑이 열리거나 세탁조의 언밸런스(unbalance) 상태로 인해 진동이 심할 경우, 운전 상태를 급격히 정지시켜야 할 경우가 발생된다. 즉, 상기 모터(110)를 급격히 정지시켜야 하는 경우가 발생된다. 여기서, 이때의 제동 메커니즘(mechanism)에 대해 살펴보기로 한다.
세탁기의 정상 운전 시에는 시스템 관점에서 볼 때 모터(110)는 하나의 부하 (전력 소비원)로 볼 수 있으며, 따라서 이때 전류는 전원공급단측으로부터 모터 (110)측으로 흐른다. 이와 같이 모터(110)를 정상 운전시키다가 모터(110)에 제동을 걸면(모터(110)로 공급되는 전원을 차단하면), 모터(110)는 회전속도가 감소되면서 정지된다. 즉, 모터(110)는 전원을 차단하는 순간 즉시 정지되는 것이 아니라, 회전관성력에 의해 일정 시간동안 회전하다가 정지된다. 바로 이때, 즉 전원이 차단된 이후 모터(110)가 회전관성력에 의해 회전하는 동안, 모터(110)는 부하가 아닌 발전기의 역할을 하게 되며, 따라서 이때는 모터(110)에 의해 발생된 역기전력에 의한 전류가 모터(110)측으로부터 전원공급단(DC 링크단)측으로 흐르게 된다. 이와 같이 모터(110)로부터 발생된 전류가 전원공급단측으로 흐르면, 전압감지부 (104)는 정류부(101)와 모터구동부(102) 사이의 전압을 감지하여 전압비교부(105)로 전송한다. 그러면, 전압비교부(105)는 전압감지부(104)에 의해 감지된 전압과 미리 설정된 기준 전압(Vref)을 비교하여, 감지전압이 기준전압(더 정확히는 어떤설정된 전압 허용범위)을 초과할 경우 스위칭부(106)를 온시키는 제어신호를 출력한다. 그에 따라 스위칭부(106)가 온되고, 즉 제동저항(103)과 스위칭부(106)로 구성된 회로단이 온되고, 그 결과 모터(110)측으로부터 전원공급단측, 즉 정류부 (101)쪽으로 흐르는 전류는 더 이상 정류부(101)쪽으로 흐르지 않고, 제동저항 (103)을 통해 열에너지(주울열)로 소모된다. 따라서, 모터(110)로부터 발생된 역기전력에 의한 DC 링크단의 전압레벨 상승으로 인해 시스템 회로에 미칠 수 있는 악영향이 방지된다. 즉, 정류부(101) 내의 회로소자나 정류부(101)와 모터구동부 (102) 사이에 위치하는 콘덴서(C)의 열화(劣化)나 손상을 방지하게 되는 것이다.
그런데, 이상과 같은 종래 인버터 세탁기의 제어 시스템은, 전술한 바와 같이 모터(110)의 제동 시 모터(110)로부터 DC 링크단 측으로 역류하는 전류를 제동저항(103)에 의한 열에너지로 소모시키는 메커니즘을 이용하므로, 비교적 큰 전압에 견딜 수 있는 저항체가 필요하게 된다. 이와 같은 저항체는 대체로 외형적으로 그 크기가 크며, 따라서 설치에 있어서 공간확보 문제가 대두된다. 또한, 저항체로 부터 발생되는 열을 효과적으로 방출시켜야 하는 또 다른 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 세탁기의 제동 시 제동 저항을 사용함없이 모터를 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만이 아니라, 모터로부터 발생하는 역기전력에 의한 고정자 권선의 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있는 세탁기에서의 제동 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 세탁기에서의 제동 제어방법은, 세탁기의 제동 시 모터로부터 발생된 역기전력을 DC 링크단의 콘덴서에 충전하고 그 충전된 전압을 다시 모터쪽으로 방전하는, 충전과 방전의 반복 수행에 의해 상기 역기전력을 제어하는 단계; 및
상기 모터를 구동하기 위한 모터구동부(인버터)의 온도를 감지하여 그 값이 설정된 기준 온도(범위)를 초과할 때에는 모터구동부(인버터)에 출입하는 전압(전류) 펄스의 스위칭 듀티비를 가변 조정하여 모터쪽으로의 방전을 감소시키는 쪽으로 전압을 제어하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 세탁기에서의 제동 제어방법의 구현을 위해 채용되는 세탁기의 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 세탁기에서의 제동 제어방법의 구현을 위해 채용되는 세탁기의 제어 시스템은 종래 인버터 세탁기의 제어 시스템과 크게 다 르지는 않다. 즉, 본 발명의 방법에 채용되는 세탁기의 제어 시스템은 외부로부터의 교류전원을 입력받아 직류로 변환하여 출력하는 정류부(301)와, 그 정류부(301)를 거친 직류 전압을 다시 3상 교류로 변환하여 모터(306)에 공급하는 모터구동부(인버터)(302)와, 상기 정류부(301) 링크단의 전압을 감지하는 전압감지부(303)와, 모터(306)의 회전속도 및 회전자의 위치를 감지하는 센서(304)와, 상기 전압감지부 (104)에 의해 감지된 전압과 기준전압(Vref)을 비교하여 그 결과에 따라 모터구동부(인버터)(302)에 의해 모터(306)로 인가되는 전압을 제어하고, 상기 센서(304)로부터의 전송신호를 수신하여 그것을 바탕으로 모터(306)의 동작을 제어하는 한편, 모터의 제동 시 시스템의 과전압 방출과 관련된 모든 로직(logic)을 제어하는 마이크로컴퓨터(305)를 구비한다. 참조부호 C는 정류부(301)를 거쳐 출력되는 직류 전압에 혼입되어 있는 교류 성분을 제거하기 위한 콘덴서를 나타낸다.
여기서, 특히 상기 모터구동부(인버터)(302)의 소정 부위에는 모터구동부(인버터)(302)의 온도를 감지하여 상기 마이크로컴퓨터(305)로 전송하기 위한 온도감지기(307)가 설치된다. 또한, 상기 마이크로컴퓨터(305)에는 세탁기의 제동 시 모터(306)로부터 발생된 역기전력에 의해 정류부(301)쪽으로 역류하는 전류를 콘덴서 (301)에 충전시키는 한편, 그 콘덴서(301)에 충전된 전압을 다시 모터(306)쪽으로 방전하는, 그와 같은 충전과 방전이 반복 수행되도록 상기 모터구동부(인버터) (302) 내의 스위칭 소자(S1∼S6)를 일정한 규칙에 의해 온/오프시키는 제어 알고리즘이 미리 프로그램화되어 저장된다.
이상과 같은 본 발명의 방법에 채용되는 세탁기의 제어 시스템과 상기 도 1 에서 설명한 종래 인버터 세탁기의 제어 시스템의 가장 큰 차이는, 종래의 제어 시스템은 제동 시 모터(110)로부터 발생되는 역기전력을 제동저항(103)에 의해 열에너지로 소모시킴으로써 모터(110)를 제동하게 되는 반면에, 상기 본 발명의 방법에 채용되는 제어 시스템은 그와 같은 제동저항(103)에 의해 역기전력을 처리하는 것이 아니라, DC 링크단측의 콘덴서(C)에 역기전력을 충전시킴과 아울러 매 순간의 DC 링크단측의 전압을 감지하여 설정된 기준전압과 비교하고, 그 결과에 따라 다시 콘덴서(C)로부터 모터(306)쪽으로 방전하는, 즉 충전과 방전을 반복 수행하여 역기전력을 처리함으로써 모터(306)를 제동하게 되는 점이다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 방법에 채용되는 세탁기의 제어 시스템과 관련하여 본 발명에 따른 세탁기에서의 제동 제어방법에 대해 설명해 보기로 한다.
세탁기가 세탁이나 탈수 등의 과정으로 정상 운전되던 도중에, 세탁기의 뚜껑이 열리거나 세탁조의 언밸런스 상태로 인해 진동이 심할 경우, 사용자는 운전 상태를 급격히 정지시키게 된다. 사용자의 정지 조작에 의해 모터(306)로 공급되는 전원이 차단되면, 그 이후부터는 모터(306)는 전술한 바와 같이 부하가 아닌 발전기의 역할을 하게 되며, 따라서 모터(306)에 의해 발생된 역기전력에 의한 전류가 모터(306)측으로부터 전원공급단(DC 링크단)측으로 흐르게 된다. 이와 같이 모터 (306)로부터 발생된 전류가 전원공급단측으로 흐르면, 전압감지부(304)는 정류부 (301)와 모터구동부(302) 사이의 전압을 감지하여 마이크로컴퓨터(105)로 전송한다. 그러면, 마이크로컴퓨터(305)는 전압감지부(303)에 의해 감지된 전압과 미리 설정된 기준 전압(Vref)을 비교하여 그 결과에 따라 역기전력 에너지를 제어하게 된다. 즉, 본 발명에 따른 방법의 특징에 따라 모터(306)로부터 발생된 역기전력을 DC 링크단의 콘덴서(C)에 충전하고 그 충전된 전압을 다시 모터(306)쪽으로 방전하는, 충전과 방전의 반복 수행에 의해 상기 역기전력을 제어하되, 상기 모터구동부(인버터)(302)의 온도를 온도감지기(307)에 의해 감지하여 그 값이 설정된 기준 온도(범위)를 초과할 때에는 모터구동부(인버터)(302)에 출입하는 전압(전류) 펄스의 스위칭 듀티비를 가변 조정하여 모터(306)쪽으로의 방전을 감소시키는 쪽으로 전압을 제어하게 된다. 이에 대해 좀 더 상세히 설명해 보기로 한다. 먼저, 상기 스위칭 듀티비에 관하여 설명해 보기로 한다.
모터구동부(인버터)(302)로부터 모터(306)로 공급되는 3상 교류 전압(U,V,W)은 도 4에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 그러나, 도 4의 경우는 전압 변동이 없고, 3상간 완전 평형을 이루며, 기타 어떠한 외부 요인도 개입되지 않는 가장 이상적인 상태하에서의 전압 파형을 나타낸 것으로서, 실제로 모터(306)에 인가되는 전압 파형은 그렇지 않다. 즉, 도 5a에 도시된 바와 같이 실제로 모터(306)에 인가되는 전압(편의상 U상을 대표로 선택함)은 전체적으로는 하나의 정현파 형태를 가지지만, 순간치의 변동이 매우 심한 형태의 파형을 가진다. 도 5b는 도 5a의 전압 파형 그래프의 "A"부분을 확대 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 방법에서는 그래프상의 좌하단에서 우상단으로의 전압값 상승 부분의 구간을 "ON", 그리고, 좌상단에서 우하단으로의 전압값 하강 부분의 구간을 "OFF"로 설정한다. 여기서, "ON"부분은 모터(306)에 전압이 인가되는 것을 의미하고, "OFF"부분은 모터(306)로의 전 압 인가가 차단되는 것을 의미한다. 도 5c는 그와 같은 "ON", "OFF" 구간을 타임 차트로 나타낸 것으로서, 여기서 스위칭 듀티비란 부하기간(ON 구간)과 {부하기간 (ON 구간) + 휴지기간(OFF 구간)}과의 비를 말한다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 111999012934672-pat00001
상기 수학식 1에서 Dr은 스위칭 듀티비, Ton은 "ON"구간의 시간, Toff는 "OFF"구간의 시간을 각각 나타낸다.
이상과 같은 스위칭 듀티비의 개념을 염두에 둘 때, 결국 스위칭 듀티비는 주어진 조건(예컨대, ON+OFF 구간의 1주기가 16kHz)하에서 상기 수학식 1에서의 분모값(Ton+Toff )이 일정하게 되므로, 분자값인 Ton에 좌우된다고 할 수 있다. 따라서, 위에서 언급된 스위칭 듀티비를 가변 조정한다는 말은 결국 상기 Ton 값을 가변시킨다는 의미가 된다. 예를 들어, 세탁기의 제동 시, 온도감지기(307)에 의해 감지된 모터구동부(인버터)(302)의 온도(여기서, 모터구동부(인버터)의 온도를 감지하는 것은 사실은 모터 내부의 고정자 권선의 온도를 감지하기 위한 것인데, 고정자 권선의 온도가 상승하면 모터구동부(인버터)의 온도도 거의 비슷한 값으로 상승하므로, 모턱구동부(인버터)의 온도를 감지함으로써 곧 모터 내부의 고정자 권선의 온도를 감지하는 것으로 대체하는 것임)가 설정된 기준 온도(범위)(예컨대, 100℃)미 만이면, 평상시의 충전/방전 알고리즘에 의한 듀티비로 모터구동부(인버터)(302)에 출입하는 전압을 제어하게 된다. 그러나, 상기 감지온도가 설정된 기준 온도(범위)를 초과할 때는 모터 내부의 고정자 권선의 온도가 높다는 것을 의미하므로, 이때는 듀티비를 가변하여 전압을 제어하게 된다. 즉, 듀티비를 작게 하여 전압을 제어하게 된다. 여기서, 듀티비를 작게 한다는 것은 결국 위에서 설명한 바와 같이 Ton 값을 작게 한다는 것을 의미하고, 그것은 DC 링크단의 콘덴서(C)로부터 모터(306)로의 전압 방전량을 작게, 즉 모터(306)쪽으로의 전압인가(방전) 시간을 짧게 한다는 것을 의미한다. 이것은 역으로 말하면, 모터(306)로부터 콘덴서(C)쪽으로의 충전시간을 길게 한다는 것을 의미하며, 그것은 곧 모터(306)로부터 콘덴서(C)쪽으로의 역기전력(회생 에너지)의 충전량을 크게 한다는 것을 의미한다. 이렇게 함으로써 제동 시 모터(306)에서 발생된 역기전력(회생 에너지)이 모터(306) 내부의 고정자 권선에서 소모되는 량을 작게 하게 되며, 그로써 고정자 권선의 온도상승을 억제하게 되는 것이다. 이로써 세탁기의 제동 시 모터 내부의 고정자 권선의 온도 상승을 효과적으로 제어할 수 있게 된다.
이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 스위칭 듀티비의 가변 조정은 물론 마이크로컴퓨터(305)에 미리 저장되어 있는 제어 알고리즘에 의해 수행되며, 그와 관련하여 실제로 모터구동부(인버터)(302)내의 스위칭 소자들(S1∼S6)이 제어 알고리즘에 따라 선택적으로 온/오프되고, 또한 그 온/오프의 지속 시간이 제어됨으로써 듀티비의 가변이 구현된다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 세탁기에서의 제동 제어방법은, 제동 시 모터로부터 발생된 역기전력을 처리함에 있어서 종래의 제동저항에 의한 열에너지로의 소비방식이 아니라, 모터구동부(인버터)에 출입하는 전압(전류) 펄스의 스위칭 듀티비의 가변 조정에 의한 충전과 방전의 반복 수행에 의해 역기전력을 처리하므로, 종래와 같은 저항체의 설치에 따른 공간확보 문제와, 저항체로부터 발생되는 열의 방출 문제를 원천적으로 해결할 수 있다. 그리고, 제동 시 모터구동부의 온도감지값에 따라 듀티비를 가변 조정하여 역기전력에 효율적으로 대응하므로, 모터 내부의 고정자 권선의 지나친 온도 상승으로 인한 고정자 권선의 소손(燒損)이나 모터의 효율 저하를 방지할 수 있다.

Claims (1)

  1. 세탁기의 제동 시 모터로부터 발생된 역기전력을 DC 링크단의 콘덴서에 충전하고 그 충전된 전압을 다시 모터쪽으로 방전하는, 충전과 방전의 반복 수행에 의해 상기 역기전력을 제어하는 단계; 및
    상기 모터를 구동하기 위한 모터구동부(인버터)의 온도를 감지하여 그 값이 설정된 기준 온도(범위)를 초과할 때에는 모터구동부(인버터)에 출입하는 전압(전류) 펄스의 스위칭 듀티비를 가변 조정하여 모터쪽으로의 방전을 감소시키는 쪽으로 전압을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세탁기에서의 제동 제어방법.
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