KR100586456B1 - 전동기용 구동 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

냉동 압축기에 사용되는 타입의 전동기용 구동 제어 시스템으로서, 동일한 전압의 정 단자(21)와 부 단자(22) 사이에, 전동기(10)의 제1 코일(11)이 직접 접속되는 제로 전압의 중간 단자(25)를 가지는 직류 전원(20)과; 양단이 상기 전원(20)에 접속되고 각각 스위치 수단을 포함하며 각각의 중간에 각 코일이 접속되는 N-1개의 정류 암(30)을 구비한 인버터(30)와; 상기 제1 절환 상태와 상기 제2 절환 상태 각각에 있는 상기 스위치 수단에 대하여, 상기 전동기에 요구되는 속도 및 토크에 대응하는 전압값이 상기 코일들에 효과적으로 인가되도록 규정되는 절환 주파수 및 스위치 도통 기간을 결정하기 위해, 위치 센서 수단(50)으로부터 수신된 신호들에 따라 상기 스위치 수단을 작동시키는 제어 유닛(40)을 포함하는 전동기용 구동 제어 시스템이다.

Description

전동기용 구동 제어 시스템{A Driving Control System for Electronic Motors}

본 발명은 전동기용 구동 제어 시스템에 관한 것으로, 특히, 제어 유닛이 전동기에 작동적으로 연결된 시스템의 위치 센서로부터 수신된 정보의 함수로서 전동기의 적절한 여자(勵磁)를 지시하는, 냉동 압축기에 사용되는 타입의 영구 자석을 구비한 3상(相) 전동기에 관한 것이다.

무브러시(brushless) 직류 3상 전동기는 신뢰성 및 높은 효율이 요구되는 응용 분야에서 관심을 받고 있다.

그러한 전동기는 코일을 가지는 고정자, 영구 자석을 구비한 회전자, 고정자 코일에 전류를 인가하는 인버터, 각 코일 조립체가 여자(勵磁) 상태로 유지되어야 하는 시간 및 기간을 알리는 위치 센서, 및 전류, 회전자 속도 및 회정자 위치에 관한 정보를 처리하고 명령 신호를 인버터에 보내는 중앙 제어장치로 이루어져 있다.

냉동 시스템의 압축기에 사용되는 타입의 영구 자석을 구비한 3상 전동기는 전자적으로 구동되고, 통상은, 3개의 정류(整流) 암(commutation arms)을 구비한 인버터를 사용한다. 이 구성에서, 전동기의 각 상(相)은 인버터의 각 정류 암의 2개의 정류 스위치 사이에 접속되고, 이 인버터를 구성하는 3개의 정류 암이 리플(ripple) 필터 커패시터에 접속된 정류 다이오드 브리지(rectifying diode bridge)를 통해 동일 전원에 접속되어 있다.

영구 자석을 구비한 전동기의 작동에 있어서는, 전동기의 위치를 검출할 필요가 있고, 이것은 특허 PI8805485호(미국 특허 제4,978,895호)에 개시된 바와 같이, 회전자에 물리적으로 결합된 센서(홀 효과(hall effect), 광 센서, 등)에 의해 또는 전동기의 자체 코일에 유기(誘起)된 전압을 관찰함으로써 달성될 수 있다. 회전자 위치를 검출함으로써, 제어 시스템은 매 시간마다 어떤 전동기 상이 작동되는가를 선택할 수 있다.

통상, 토크 제어는, 전류 히스테리시스(hysteresis)에 의한 방법과 전동기에 인가되는 전압을 제어하는 것에 의한 방법의 2가지 방법에 의해 행해질 수 있다.

전류 히스테리시스 제어에서는, 작동되도록 컨트롤러에 의해 선택된 전동기 상에 중간 전류가 인가된다. 이 전류는, 전류가 최대 값에 도달한 때, 선택된 스위치를 오프(off)로 하고, 전류가 최소 값에 도달한 때 그 스위치를 온(on)으로 하여, 절환 주파수(switching frequency)(전동기의 회전보다 매우 더 높은)라고도 불리는 전압 변조 신호(PWM)를 발생하고, 일정한 속도를 유지하도록 조정되는 기준 값 부근으로 전류를 유지하는, 히스테리시스를 가진 비교기에 의해 제어된다. 이 제어에서는, 비교기에 의해 발생되는 전압 변조 신호(PWM)는 각각의 시간에 그의 절환 주파수 및 스위치 도통(導通) 기간(conduction period)("충격 계수(duty cycle)", 즉, 스위치 폐쇄 기간과 전체 절환 기간의 비)을 변화시킬 수 있다. 이러한 타입의 제어는 부하 교란(load disturb)에 대하여 보다 신속하게 반응하지만, 적어도 하나의 A/D 변환기 및 강력한 마이크로컨트롤러를 필요로 하기 때문에, 마이크로컨트롤러에 의한 시스템에서 실현하기에는 매우 복잡하다.
전압 제어에서는, 작동되도록 컨트롤러에 의해 선택된 전동기 상에 전압값이 인가된다. 이 전압은 절환 주파수로도 알려진 전압 변조 신호(PWM)에 의해 변조된다. 이 신호는 타이머에 발생되고, 소망의 속도를 유지하기 위해 그의 평균값이 제어 유닛에 의해 조정된다. 이 전압 조정은 전동기 상에 전원으로부터 전압이 공급되는 기간 중에 제어 유닛에 의해 선택되는 스위치들을 절환(온/오프)시킴으로써 달성된다. 따라서, 전동기에의 평균 전압값을 변화시키기 위해서는, 스위치 도통 기간(스위치 폐쇄 기간과 전체 절환 기간의 비)을 변화시킨다.

삭제

전동기의 실제 회전속도가 소망의 속도보다 느린 경우, 전동기의 전압을 증가시키고, 전동기의 실제 회전속도가 소망의 속도보다 빠른 경우에는, 전동기의 전압을 감소시킨다. 이와 같은 전압값의 변화는 절환 주파수의 스위치 도통 기간의 값을 변화시킴으로써 조정된다. 즉, 스위치 도통 기간의 값을 증가시키면, 전동기의 전압값이 증가하고, 스위치 도통 기간의 값을 감소시키면, 전동기의 전압값이 감소한다. 이 제어에서, 통상, 전압 변조 신호(PWM)는 고정된 절환 주파수와, 매 회전시 조정되는 스위치 도통 기간을 가진다. 이러한 타입의 제어는 급격한 부하 교란에 대하여 신속하게 반응하지 않고, 냉동 시스템에서와 같이 부하가 급격하게 변화하지 않는 응용 분야에 적용된다. 그러나, 이것은 마이크로컨트롤러에 의한 시스템에서 실현하기에는 보다 간단한 제어이다.

삭제

종래 기술의 구성의 단점들 중 하나는 인버터에 포함되는 구성요소의 수, 높은 비용, 및 낮은 신뢰성이다. 또한, 모든 구성요소(6개의 전자 스위치 및 그들의 명령어, 구동, 및 보호 회로)를 설치하기 위해서는 넓은 설치 면적이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은, 전동기용 구동 제어 시스템, 특히, 보다 간소하고 간단하며 저렴한 구성을 가지는, 냉동 압축기에 사용되는 타입의 영구 자석을 구비한 3상 전동기용의 구동 제어 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적 및 다른 목적들을 달성하기 위해, N개(N은 적어도 3이다)의 코일을 가진 전동기용의 구동 제어 시스템으로서, 직류 전원과; 양단이 전원에 접속되고 각각 스위치 수단을 포함하며 각각의 중간에서 각 코일에 접속된 정류 암들을 가진 인버터와; 상기 코일들에 접속된 위치 센서 수단; 및 그 위치 센서 수단으로부터 수신된 신호들의 함수로서 상기 스위치 수단을 작동시키시 위해 상기 위치 센서 수단 및 상기 스위치 수단에 작동적으로 접속된 제어 유닛을 포함하는 전동기용 구동 제어 시스템이 제공된다. 인버터는 N-1개의 정류 암을 가지고 있고, 전원은 동일 전압의 정(正) 단자와 부(負) 단자 사이에 제로 전압의 중간 단자를 가지고, 그 중간 단자에는 전동기의 제1 코일이 직접 접속되고, 인버터는, 제1 코일에 제로 전압이 인가되는 한편, 다른 2개의 코일에는 소정의 전압값이 인가되는 스위치 수단의 제1 절환 상태와, 제1 코일 및 상기 다른 2개의 코일 중 어느 하나에 상기 소정의 전압값의 절반과 동일하고 공칭 전압에 대응하는 전압값이 인가되는 스위치 수단의 제2 절환 상태를 가지고, 제어 유닛은 상기 제1 절환 상태와 제2 절환 상태 중 어느 한 절환 상태에 있는 스위치 수단에 대하여 절환 주파수 및 스위치 도통 기간을 결정하고, 그 절환 주파수 및 스위치 도통 기간은, 스위치 수단의 절환 상태와는 무관하게, 코일들에 효과적으로 인가되는 전압값이 전동기에 요구되는 속도 및 토크에 대응하는 전압값이 되도록 규정된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된, 전동기, 인버터, 제어 유닛, 위치 센서 수단 및 전원으로 이루어진 조립체를 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 2는 전동기 상(相)에 작동적으로 접속된 정류(整流) 암을 가진 종래의 3상 인버터의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 3은 종래 기술의 인버터의 직류 전원의 일 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 4는 종래 기술에 따라 구성된 인버터의 각 정류 암의 제어 신호의 함수로서, 전동기의 1 전기 회전 중의 각 전동기 상에 대한 전압 및 전류 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이다.

도 4a는 스위칭 주파수를 나타내는, 도 4의 일부의 확대 개략도이다.

도 5는 정류 암을 전동기 상에 작동적으로 접속하는, 본 발명에 따른 3상 인버터의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 인버터의 직류 전원의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명에 따라 구성된 인버터의 각 정류 암의 제어 신호의 함수로서, 전동기의 1 전기 회전 중의 각 전동기 상에 대한 전압 및 전류 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이다.

도 7a는 스위칭 주파수를 나타내는, 도 7의 일부의 확대 개략도이다.

도 1에서, 영구 자석을 구비한 회전자를 가지는 3상 전동기인 전동기(10)는, 인버터(30) 및 위치 센서 수단(50)에 작동적으로 접속된 제어 유닛(40)으로부터의 선택된 지시에 의해 전동기(10)의 3개의 코일(11, 12, 13)들 중 하나에 전류 및 전압을 공급하는 인버터(30)를 통해 직류 전원(20)에 작동적으로 접속되어 있다.

종래 기술에 따르면, 도 2∼도 4에 도시된 바와 같이, 인버터(30)는 정류(整流) 암(commutation arm)(31, 32, 33)을 구비하고 있고, 이들 정류 암(31, 32, 33) 각각은 제1 정류 스위치(31a, 32a, 33a) 및 제2 정류 스위치(31b, 32b, 33b)의 형태의 스위치 수단들을 포함하고, 양 단부가 전원(20)에 접속되어 있으며, 상기 스위치 수단들의 스위칭은 위치 센서 수단(50)으로부터 받은 신호의 함수로서 제어 유닛(40)에 의해 명령된다.

제1 정류 스위치(31a, 32a, 33a)들 각각은 전원(20)의 정(正) 단자(21)에 접속 가능한 단자를 가지고 있고, 제2 정류 스위치(31b, 32b, 33b)들 각각은 전원(20)의 부(負) 단자(22)에 접속 가능한 단자를 가지고 있다.

인버터(30)의 각 정류 암(31, 32, 33)의 각 제1 정류 스위치(31a, 32a, 33a)와 각 제2 정류 스위치(31b, 32b, 33b) 사이에는, 전동기(10)의 코일(11, 12, 13)들 중 하나의 단자가 각각 전기적으로 접속되어 있어, 인버터(30)의 각 제1 정류 스위치(31a, 32a, 33a)가 폐쇄되면, 전동기(10)의 대응하는 코일(11, 12, 13)이 전원(20)의 정 단자에 전기적으로 접속되고, 마찬가지로, 인버터(30)의 각 제2 정류 스위치(31b, 32b, 33b)가 폐쇄되면, 전동기(10)의 대응하는 코일(11, 12, 13)이 전원(20)의 부 단자에 전기적으로 접속된다.

이 실시예에서는, 전원(20)은 리플(ripple) 필터 커패시터(23) 및 정류 다이오드 브리지(rectifying diode bridge)(24)를 포함하고, 종래의 교류 전류원(Vac)에 접속된 한 쌍의 단자를 가지고 있다. 전원(20)은, 전동기(10)에 직류 전압(Edc)을 공급하기 위해 각 정류 암(31, 32, 33)의 제1 및 제2 정류 스위치(31a, 32a, 33a; 31b, 32b, 33b)에 각각 선택적으로 접속된 정극(正極) 및 부극(負極)을 가지고 있다.

해당 전동기의 구동 시스템을 형성하는 위치 센서 수단(50)은 전동기의 3개의 코일(11, 12, 13) 각각에 유기(誘起)되는 전압을 검출하고, 이 정보를 제어 유닛(40)에 보내고, 제어 유닛(40)은, 평균 전류 및 전압값과 기준 속도값에 관하여 상기 정보의 함수로서 명령 신호들을 인버터(30)에 전송하여, 인버터(30)를 통해 전동기(10)의 각 2개의 코일(11, 12, 13)이 결정된 순간에 그리고, 전동기의 속도 및 부하(토크)의 함수로서 정해진 소정의 시간 간격으로 차례로 여자(勵磁)된다. 그 코일들은 쌍으로 여자된다.

이 구성에 따르면, 전동기(10)의 1회전마다, 인버터(30)의 6개의 정류 스위치들 각각은 전동기의 전기 사이클(도 4 및 도 4a)의 120°에 대응하는 기간 중에 절환되어 절환 상태로 유지된다. 이 절환은 제어 유닛(40)에 의해 지시되어, 정류 암들 중 하나의 정류 암의 제1 정류 스위치가 절환되어 있는 기간이 2개의 다른 제2 정류 스위치가 절환되는 기간의 절반에 대응하고, 각 스위치는 다른 2개의 정류 암들 중 하나의 정류 암에 속하고, 그리하여, 각 정류 스위치가 절환되어 있는 기간에, 전동기(10)의 코일들 중 하나에 전동기의 전기 사이클의 120°에 대응하는 기간 중에 전원(20)의 정 단자를 통해 전력이 공급되고, 다른 코일들에는 전원(20)의 부 단자를 통해 차례로 그리고 일시적으로 전력이 공급되도록 결정된다.

예를 들면, 제1 정류 스위치(31a)가 절환되는 경우, 전동기(10)의 제1 코일(11)에 전원(20)으로부터 일정한 정(正) 전압(Edc/2)이 공급된다. 이 제1 정류 스위치(31a)가 절환되어 있는 동안(전동기의 전기 사이클의 120°중에), 제2 정류 스위치(32b, 33b)중 하나, 예를 들어, 제2 정류 스위치(32b)가 제1 정류 스위치(31a)의 절환의 초기로부터 전동기의 전기 사이클의 60°에 대응하는 기간동안 절환 상태로 유지됨으로써, 전동기(10)의 코일(12)이 전원(20)으로부터 일정한 부(負) 전압(-Edc/2)을 공급받을 수 있게 한다. 이 기간 중에, 전원의 정 단자와 부 단자 사이의 Edc에 대응하는 전압이 전동기 회로에 공급된다.

상기 기간 동안, 코일(13)에 접속된 정류 암(33)의 제1 및 제2 정류 스위치(33a, 33b)는 개방된 채로 있고, 따라서, 이 코일에는 전원(20)으로부터 전압이 공급되지 않는다.

전동기(10)의 전기 사이클의 60°에 대응하는 기간이 경과한 후, 제어 유닛(40)은 제2 정류 스위치(32b)의 개방 및 제2 정류 스위치(33b)의 절환의 순간 개시를 명령함으로써, 전동기(10)의 코일(12)을 전원(20)으로부터 단락시키고, 코일(13)에 전원(20)으로부터 일정한 부 전압(-Edc/2)이 공급되게 한다.

전동기(10)의 전기 사이클의 120°에 대응하고, 제1 정류 스위치(31a)가 절환되어 있는 기간이 경과한 후, 제어 유닛(40)은 그 제1 정류 스위치(31a)의 개방 및 제1 정류 스위치(32a)의 절환을 명령함으로써, 전동기(10)의 코일(12)에 전원(20)으로부터 일정한 정 전압(Edc/2)이 공급되게 한다. 마찬가지로, 제2 정류 스위치(33b, 31b) 각각은 전동기의 60° 회전에 대응하는 기간만큼 차례로 절환된다.

이 구성에 의해, 전동기(10)의 각 코일(11, 12, 13)은 도 4에 도시된 것과 같은 그래프 거동(擧動)을 나타내고, 여기서는, 전원(20)의 상기 전압에서의 작동 기간(또는 전동기의 전기 사이클)의 2/3에 해당하는 절환 기간(Tch)을 가지고, 그 절환 기간(Tch) 중에, 상기 코일들은 각 정류 스위치가 폐쇄되어 있는 기간(Ton) 동안 전원(20)의 전압 값과 동일한 전압 값(Edc)(정 또는 부)을 받고, 그 사이에,
전압이 제로(Toff)인 기간이 삽입된다.

전동기(10)의 각 코일(11, 12, 13)이 전원(20)의 전압으로 작동하고 있는 기간 중에, 제어 유닛(40)은 120°만큼 절환되어야 하는 제1 및 제2 정류 스위치들에 상기 절환을 연속적으로 그리고 순간적으로 번갈아 행하도록 명령함으로써, 이들 정류 스위치와 관련된 코일들에 인가되는 유효 절환 전압이 전동기에 요구되는 속도 및 토크에 대응하는 접압으로 되게 한다. 이 절환 주파수(1/Tch)는 고정된 값이고, 계획 단계에서 정해지며, 상기 절환 주파수 내의 스위치 도통(導通) 기간(Ton/Tch)은 전동기(10)의 작동 속도 및 토크를 변경시키기 위한 요건의 함수로서 조절된다.

스위치 도통 기간은 제1 및 제2 정류 스위치 각각이 전원(20)에 접속되어 유지되는 기간과 전체 절환 기간 사이의 비율에 의해 정해지고, 이 도통 기간은 절환 기간 중에 일정하다. 이 관계는 전동기의 각 전기 사이클이 종료된 후에만 변경되어, 각 전동기 회전 중에 요구되는 속도 변경이 영향받는 것을 방지한다.

본 발명에 따르면, 인버터(30)는 그의 스위치 수단의 제1 및 제2 폐쇄 상태를 가지도록 구성되고, 각 스위치에 대하여, 제어 유닛(40)은 전동기(10)의 속도 및 토크에 대한 요건의 함수로서 절환 주파수 내의 도통 기간을 규정하고, 절환 주파수의 각 도통 기간은 본 발명의 인버터(30)와 함께 작동하도록 구성된 전원(20)에 전기적으로 접속된 코일(상(相))들에 인가되는 소정의 전압을 정한다.

본 발명의 전원(20)은, 동일한 전압(2Edc)을 가지는 정 단자(21)와 부 단자(22) 사이에 제로 전압의 중간 단자(25)를 가지고, 이 중간 단자(25)에 제1 코일(11)이 직접 접속되어 있다.

이 구성을 위해, 전원(20)은 한 쌍의 커패시터(26), 즉, 정 단자(21)와 부 단자(22) 사이에 직렬로 배치된, 동일한 값(Edc)을 가진 리플 커패시터들과, 이들 커패시터 사이에 설치된 중간 단자(25)를 포함한다. 또한, 전원(20)은 종래의 교류 전류원(Vac)에 접속된 한 쌍의 단자를 가진 전압 정류 수단(27)을 추가로 포함하여, 아래에 설명되는 바와 같이, 상이한 전압값, 즉, 0, +Edc, -Edc, +2Edc, -2Edc를 인버터(30)를 통해 전동기(10)에 공급하도록 되어 있다.

본 발명의 구성에서는, 인버터(30)는 N-1개의 정류 암을 가지고, 그 정류 암들 각각은 그의 스위치 수단들 사이에서 전동기(10)의 대응하는 코일에 접속되어 있다. 이렇게 구성된 인버터(30)는 N-1개의 정류 암의 스위치 수단의 제1 및 제2 절환 상태를 가진다. 제1 절환 상태에서는, 제1 코일(11) 이외의 2개의 코일(전원에 접속된)에는 소정의 전압값(2Edc)이 인가되는 한편, 제1 코일(11) 및 전원(20)에 접속되지 않은 코일들에는 제로 전압이 인가된다. 제2 절환 상태에서는, N-1개의 코일들 중 어느 하나와 제1 코일에는 전동기의 공칭 작동 전압에 대응하는 소정의 전압값(Edc)의 절반과 동일한 전압값이 인가되는 한편, 상기 N-1개의 코일들 중 나머지 코일들에는 제로 전압이 인가된다. 제어 유닛(40)은 또한, 제1 절환 상태의 발생에 따라, 상기 코일들이 공칭 전압으로 여자되게 되는 값만큼 스위치 도통 기간을 단축시키는 것을 규정한다.

본 발명에 따르면, 도 5∼도 7a에 도시된 바와 같이, 인버터(30)는 2개의 정류 암(32, 33)을 가지고 있고, 각각의 정류 암은 제1 및 제2 정류 스위치(32a, 32b, 33a, 33b)로 이루어진 한 쌍의 정류 스위치를 구비하고 있다.

본 발명에 따르면, 인버터(30)의 제1 절환 상태에서는, 정류 암들 중 하나의 정류 암의 제1 정류 스위치는 전원(20)의 정 단자(21)에 접속되고, 다른 하나의 정류 암의 제2 정류 스위치는 전원(20)의 부 단자(22)에 동시에 접속되어 있다. 이 상태에서, 이들 정류 암에 접속된 코일들에는 2Edc의 전압값이 인가되고, 각 코일에는 Edc와 동등한 전압값이 개별적으로 인가되는 한편, 제1 코일에는 제로 전압 값이 인가된다.

인버터(30)의 제2 절환 상태에서는, 정류 암들 중 하나의 정류 암의 제1 및 제2 정류 스위치들 중 어느 하나가 전원(20)의 정 단자(21)와 부 단자(22)중 하나의 단자에 접속되어, 하나의 전동기 상(相)의 코일들과 제1 상의 코일들에 Edc에 대응하는 전압값이 인가된다. 이 상태에서, 하나의 전동기 상의 코일들 각각에는 Edc/2와 동등한 전압값이 개별적으로 인가된다.

제2 상태의 도면에 의하면, 인버터(30)의 제1 정류 스위치(32a, 33a)의 각 폐쇄 동작에 따라, 전동기(10)의 60°회전에 대응하는 기간 중에 전원(20)에 의해 제1 코일(11)을 통해 Edc의 전압값을 공급받기 위해, 전동기(10)의 대응하는 코일(12, 13)은 전원(20)의 정 단자(21)에 전기적으로 접속된다. 제1 정류 스위치(32a, 33a)중 어느 한 스위치의 폐쇄 중에, 전동기(10)의 각 코일(12, 13) 및 제1 코일(11)에는 직류 전압 Edc/2 및 -Edc/2가 각각 개별적으로 공급된다.

인버터의 제2 정류 스위치(32b, 33b)중 어느 하나가 폐쇄된 때에도 동일한 동작이 개별적으로 일어나는데, 이때의 전압값은 반전된 전압값이다. 제1 코일(11)에의 공급은 인버터(30)의 정류 암(31, 32)들 중 하나의 정류 암의 제1 및 제2 정류 스위치 중 어느 하나에의 공급에 의존한다.

이 구성에 의하면, 전동기(10)의 각 전기 사이클에서, 인버터(30)의 4개의 정류 스위치(32a, 32b, 33a, 33b) 각각은 전동기의 전기 사이클의 120°에 대응하는 기간(도 7 및 도 7a)중에 절환되어 절환 상태로 유지된다. 이 절환은 제어 유닛(40)에 의해 지시되어, 정류 암(32, 33)들 중 하나의 정류 암의 제1 정류 스위치(32a, 33a)들 중 하나가 절환되는 기간이 다른 하나의 정류 암의 제2 정류 스위치가 절환되는 기간의 절반에 대응하여, 전동기의 전기 사이클의 60°에 대응하는 기간 중에 전원(20)의 정 단자(21)와 부 단자(22) 중 어느 한 단자를 통해 전동기(10)의 코일(12, 13)들 중 하나에 전력이 공급되는 한편, 그 기간에 제1 코일(11)에는 제로 전압값이 일시적으로 인가된다.

예를 들면, 제2 정류 암(32)의 제1 정류 스위치(32a)가 폐쇄된 때, 이 정류 암(32)에 접속된 코일(12)은 전원(20)의 정 단자(21)에 의해 전력이 공급된다. 이 제1 정류 스위치(32a)가 절환되어 있는 동안(전동기의 전기 사이클의 120°동안), 제1 정류 스위치(32a)의 폐쇄로부터 전동기의 60°회전에 대응하는 기간 동안, 제2 정류 스위치(33b)는 절환된 채 유지되어, 제3 정류 암(33)에 접속된 코일(13)이 전원(20)으로부터 부(負) 전압을 받게 한다. 이 기간에, 전동기(10)에는 2Edc의 전압이 공급된다(제1 작동 상태).

전동기(10)의 전기 사이클의 60°에 대응하는 기간이 경과한 후에, 제어 유닛(40)은 제2 정류 스위치(33b)의 개방을 지시한다. 이 단절에 의해, 코일(12)은 전원(20)에 의해 Edc/2의 공급 상태가 되고, 제1 코일(11)은 -Edc/2의 공급 상태가 된다.

전동기(10)의 전기 사이클의 120°에 대응하고, 제1 정류 스위치(32a)가 절환되어 있는 기간이 경과한 후, 전동기(10)의 전기 사이클의 120°의 기간 중에 제어 유닛(40)은 제1 정류 스위치(32a)의 개방과 제1 정류 스위치(33a)의 절환을 지시하여, 전동기의 전기 사이클의 최초 60°에서 제1 코일(11)을 통해 코일(13)에 전원(20)으로부터 정(正) 전압이 공급되고, 전동기(10)에는 Edc의 전압이 공급되도록 한다. 마찬가지로, 전동기의 전기 사이클의 60°에 대응하는 기간 중에 제2 정류 스위치(32b)는 절환된다. 그러나, 이것은 제1 정류 스위치(33a)가 절환되는 전동기의 전기 사이클의 120°의 최초 60°에서는 일어나지 않고, 이 전기 사이클의 최종 60°에서 일어난다(제1 작동 상태를 반복한다).

이 구성에 의해, 전동기(10)의 각 코일(12, 13)은, Edc와 동등한 전압값(정 또는 부)이 인가되는 작동 기간을 가지고, Edc/2의 기간과 제로 전압의 기간이 교대로 삽입되어 있는 도 7 및 도 7a에 도시된 바와 같은 그래픽 거동을 나타낸다. 소정의 전압을 가진 각각의 기간은 전동기(10)의 전기 사이클의 60°에 대응하는 지속 시간을 가진다.

종래 기술에서 일어나는 것과 같이, 각각의 시간에 전동기(10)의 코일 또는 코일들이 절환되는 것을 제어 유닛(40)이 결정하기 위해, 전동기(10)의 구동에는, 전동기의 위치를 검출할 필요가 있다. 본 발명의 구성에서는, 전류 히스테리시스(hysteresis)에 의해 또는 전동기에 인가되는 전압을 제어함으로써 토크 제어도 행해질 수 있다.

히스테리시스에 의한 제어에서는, 인버터(30)의 2개의 정류 암(32, 33)에 접속된 코일(12, 13)만이 격리된 전류 센서들에 의해 제어된다.

전압 제어에서는, 제어 시스템의 실현이 간략화된다. 그 이유는, 인버터(30)의 2개의 정류 암에 접속된 전동기(10)의 2개의 코일에만 전류를 인가하면 되기 때문이다. 종래 기술에서와 같이, 인가되는 전압은 타이머에 의해 발생되는 변조 신호(PWM)에 의해 변조되고, 그의 평균값은 제어 유닛(40)에 의해 조정되어 일정한 속도를 유지한다. 따라서, 전동기의 실제 회전속도가 소망의 속도보다 느린 경우에는, 제어 유닛(40)은 전압을 높이도록 지시한다. 전동기의 실제 속도가 소망의 속도보다 빠른 경우에는, 제어 유닛(40)은 전동기에 인가되는 전압을 감소시키도록 지시한다. 이러한 전압 변화는 스위치 도통 기간의 값을 변화시킴으로써 조정되는데, 그 이유는 상기 값의 증가 및 감소가 전동기(10)에서의 전압값의 증가 및 감소를 각각 의미하기 때문이다.

본 발명의 구성에 의하면, 전동기(10)의 3개의 코일(11, 12, 13)에서 별개의 형태의 전압이 얻어진다. 이들 차이가 이들 상에서의 전류들 사이의 불균형을 야기하여 토크가 영향을 받는 것을 방지하기 위해, 본 발명은, 전동기(10)의 피크 전압값이 2Edc의 값에 도달할 때 제어 유닛(40)의 지시에 의해 스위치 도통 기간을 변화시켜 그 값을 절반으로 감소시키고, 전동기의 피크 전압값이 절반으로 감소된 때, 즉, Edc와 같을 때 스위치 도통 기간을 규정된 통상 값으로 복귀시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 평균 전압값을 일정하게 유지하고, 또한 전류를 균형되게 유지하고 순간 토크를 일정하게 유지하는 것이 가능하다. 이러한 균형을 얻기 위해, 제어 유닛(40)은 전기 회로의 0°∼ 60°각도 및 180°∼ 240°각도(제1 동작 상태)에 대응하는 기간 중에 전동기(10)의 각 전기 사이클에 대하여 스위치 도통 기간의 값을 절반으로 감소시켜, 60°∼ 180°의 각도 및 240°∼ 360°의 각도(제2 작동 상태)에 대응하는 기간 중에 스위치 도통 기간의 값을 통상의 값으로 복귀시키도록 지시한다.

전동기의 피크 전압의 증가로 인해, 전기 사이클의 0°∼ 60°각도 및 180°∼ 240°각도에 대응하는 기간 중에 일어날 수 있는 전류 리플(ripple)의 증가를 방지하기 위해, 제어 유닛(40)은 이들 조건에서 전동기(10)의 절환 주파수를 증가시키는 것을 추가로 결정할 수도 있다.

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Claims (11)

1. N개(N은 적어도 3이다)의 코일을 가진 전동기용의 구동 제어 시스템으로서, 직류 전원(20)과; 양단이 상기 전원에 접속되고 각각 스위치 수단을 포함하며 각각의 중간에서 각 코일에 접속된 정류(整流) 암들을 가진 인버터(30)와; 상기 코일들에 접속된 위치 센서 수단(50); 및 그 위치 센서 수단으로부터 수신된 신호들에 따라 상기 스위치 수단을 작동시키시 위해 상기 위치 센서 수단(50) 및 상기 스위치 수단에 접속된 제어 유닛(40)을 포함하는 전동기용 구동 제어 시스템에 있어서,

   상기 인버터(30)가 N-1개의 정류 암을 가지고 있고, 상기 전원(20)은 동일 전압의 정(正) 단자(21)와 부(負) 단자(22) 사이에 제로 전압의 중간 단자(25)를 가지고, 그 중간 단자에는 상기 전동기(10)의 제1 코일(11)이 직접 접속되고, 상기 인버터(30)는, 상기 제1 코일(11)에 제로 전압이 인가되는 한편, 다른 2개의 코일에는 소정의 전압값이 인가되는, 상기 스위치 수단의 제1 절환 상태와, 상기 제1 코일(11) 및 상기 다른 2개의 코일 중 어느 하나에 상기 소정의 전압값의 절반과 동일하고 공칭 전압에 대응하는 전압값이 인가되는, 상기 스위치 수단의 제2 절환 상태를 가지고, 상기 제어 유닛(40)은 상기 제1 절환 상태와 상기 제2 절환 상태 중 어느 한 절환 상태에 있는 상기 스위치 수단에 대하여 절환 주파수 및 스위치 도통(導通) 기간을 결정하고, 그 절환 주파수 및 스위치 도통 기간은, 상기 스위치 수단의 절환 상태와는 무관하게, 상기 코일들에 효과적으로 인가되는 전압값이 상기 전동기(10)에 요구되는 속도 및 토크에 대응하는 전압값이 되도록 규정되는 것을 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 유닛(40)이, 상기 제1 절환 상태의 발생에 따라, 여자(勵磁)된 코일에 공칭 전압값을 인가하는 상기 스위치 도통 기간의 단축을 결정하는 것을 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 절환 상태가 발생한 때의 상기 스위치 도통 기간의 단축이 상기 전동기(10)의 전기 사이클의 60°중에 상기 제2 절환 상태의 상기 스위치 도통 기간의 값의 절반과 동등한 것을 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 절환 상태에서는, 상기 2개 코일 각각이 상기 전원(20)의 상기 정 단자(21) 및 상기 부 단자(22) 각각에 동시에 접속되고, 상기 제2 절환 상태에서는, 상기 코일들 중 어느 한 코일이 상기 전원(20)의 상기 정 단자(21)와 상기 부 단자(22) 중 어느 한 단자에 개별적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 정류 암(32, 33) 각각의 상기 스위치 수단이 한 쌍의 정류 스위치(32a, 32b, 33a, 33b)를 포함하고, 그 정류 스위치들 중 하나는 상기 전원(20)의 상기 정 단자(21)에 접속 가능한 단자를 가지고, 상기 정류 스위치들 중 다른 하나는 상기 전원(20)의 상기 부 단자(22)에 접속된 단자를 가지는 것을 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제1 절환 상태에서는, 별개의 상기 정류 암(32, 33)에서의 상기 정류 스위치(32a, 32b, 33a, 33b)의 절환에 의해, 상기 코일(12, 13)들 각각이 상기 전원(20)의 상기 정 단자(21) 및 상기 부 단자(22)에 각각 접속되고, 상기 제2 절환 상태에서는, 상기 정류 암(32, 33) 각각의 상기 정류 스위치(32a, 32b, 33a, 33b) 중 하나의 개별적인 절환에 의해, 상기 코일(12, 13) 각각이 상기 전원(20)의 상기 정 단자(21)와 상기 부 단자(22) 중 어느 하나에 접속되는 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전원(20)이 상기 정 단자(21)와 상기 부 단자(22) 사이에, 직렬로 배치된 한 쌍의 커패시터(26)를 포함하고, 그 커패시터들 사이에 제로 전압의 상기 중간 단자(25)가 배치되는 것을 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 전원(20)은 상기 한 쌍의 커패시터(26)에 접속되는 전압 정류 수단(27)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 N-1개의 코일 각각의 전압이 상기 전동기의 전기 사이클의 60°마다 정 전압 값과 부 전압 값 사이에서 교대로 변화하는 것을 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 코일(11)에 정 전압과 부 전압을 공급하는 상태가 상기 전동기의 전기 사이클의 120°후에 변경되는 것을 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 유닛(40)은 상기 제1 절환 상태가 발생한 때, 상기 전동기(10)의 전류 리플의 증가를 방지하기 위해 상기 절환 주파수의 증가를 결정하는 것을 특징으로 하는 전동기용 구동 제어 시스템.

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