KR100632689B1 - 모터의 토크제어장치 및 방법 - Google Patents

모터의 토크제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

싱글 로타리식 압축기에서 모터의 회전각속도 변동량에 따른 가속도 정보로 모터의 구동을 토크 제어한다.
속도제어수단이 모터를 구동시킬 속도제어전류를 계산하고, 회전 검출부가 모터의 회전각 및 회전각속도를 검출하며, 상기 검출한 모터의 회전각속도로 제 1 보상전류 발생수단이 가속도를 계산하고 그 계산한 가속도를 이용하여 제 1 보상전류를 생성하고, 상기 계산한 가속도로 제 2 보상전류 발생수단이 가속도 변화패턴을 판단하여 가속도 변화패턴이 설정시간 이상 일정할 경우에 제 2 보상전류를 발생하며, 상기 제 1 보상전류 및 제 2 보상전류를 가산기가 가산하여 속도 보상전류를 생성한 후 상기 속도제어전류에서 상기 속도 보상전류를 감산기가 감산하여 모터의 구동전류를 결정하고 결정한 구동전류에 따라 모터 구동수단이 상기 모터를 구동시키는 것으로 부하토크와 모터의 출력토크의 불일치로 인하여 발생되는 토크리플을 저감시키고, 진동 및 소음의 발생을 줄인다.
압축기, 모터, 토크제어, 속도제어, 가속도제어, 보상전류

Description

모터의 토크제어장치 및 방법{Apparatus and method for controlling torque of motor}
도 1a는 일반적인 싱글 로타리식 압축기의 구성을 보인 종단면도.
도 1b는 도 1의 A-A선 확대 단면도.
도 2a 및 도 2b는 싱글 로타리식 압축기에서 모터의 1회전에 따른 회전각속도의 변화와, 모터의 토크 및 부하 토크의 관계를 보인 그래프.
도 3은 종래의 토크제어장치의 구성을 보인 블록도.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따라 모터의 토크를 제어하는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 토크제어장치의 구성을 보인 블록도.
도 6은 본 발명의 토크제어방법을 보인 신호흐름도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
500 : 모터 510 : 속도 제어수단
512, 520 : 감산기 514 : 속도 제어기
530 : 모터 구동수단 532 : 전류 변조기
534 : 전압 변조기 536 : 인버터
540 : 회전 검출부 550 : 제 1 보상전류 발생수단
552 : 미분기 554 : 저역통과필터
556 : 평균 가속도 계산부 558 : 곱셈기
560 : 제 2 보상전류 발생수단 562 : 메모리
564 : 제어부 570 : 가산기
본 발명은 부하의 변동에 따라 모터를 구동 토크를 제어하는 모터의 토크제어장치 및 방법에 관한 것으로 특히 싱글 로타리식 압축기에서 모터의 회전각속도 변동량에 따른 가속도 정보를 이용하여 모터의 구동토크를 제어하는 모터의 토크제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 냉장고나 에어컨디셔너 등에서 널리 사용되고 있는 냉장 및 냉방용 압축기는 증발기에서 증발된 냉매가스를 흡입하는 흡입행정과, 흡입한 냉매가스를 응축기의 포화압력까지 압력을 높여 토출하는 토출행정을 반복하여 수행하고 있다.
상기 압축기는 용적형 압축기와 원심식 압축기로 대별(大別)되고, 상기 용적형 압축기는, 외관 구조에 따라 개방형 압축기와 밀폐형 압축기로 구분되며, 상기 밀폐형 압축기는 반밀폐형 압축기와 전밀폐형 압축기로 구분된다.
상기 용적형 압축기는 흡입한 냉매가스의 체적을 압축하여 냉매가스의 압력을 상승시키는 것이고, 상기 원심식 압축기는 회전하는 임펠러에 의해 냉매가스의 압력을 빠른 속도를 상승시키고, 임펠러의 출구에서 냉매가스가 갖고 있는 운동에너지를 디휴져(Diffuser)내에서 압력으로 바꾸는 것이다.
이러한 압축기에 있어서, 종래에는 주로 저속 횡형의 왕복형 압축기를 많이 사용하였으나 점차 소형 및 고속으로 동작하는 경량의 압축기가 많이 개발 및 사용되고 있으며, 소형의 냉장 및 냉방기기에서는 1회전식이라고 불리우는 싱글 로터리식 압축기와 스크롤식 압축기가 사용되고 있다. 특히 싱글 로타리식 압축기는 성능대비 제조단가의 측면에서 매우 유리하여 소용량 및 고속형의 에어컨디셔너 등에서 냉매가스를 압축시키는데 많이 사용되고 있다.
도 1a는 일반적인 싱글 로타리식 압축기의 구성을 보인 종단면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A선 확대 단면도이다. 여기서, 부호 100은 압축기 본체이다. 상기 압축기 본체(100)는 모터부(110) 및 압축부(120)로 분리된다. 상기 모터부(110)에는 스테이터(111) 및 로터(113)가 설치되고, 로터(113)의 회전축에는 베어링(115)을 개재하여 구동축(117)이 연결된다.
상기 압축부(120)에는 실린더(121)의 벽면에 냉매가스를 흡입하는 흡입구(123)와, 압축된 냉매를 토출하는 토출구(125)가 형성되고, 흡입구(123) 및 토출구(125)의 사이에는 롤링 핀(127)이 설치됨과 아울러 롤링 핀(127)의 후방에 롤링 핀(127)이 실린더(121)의 내측으로 탄지되게 하는 스프링(127a)이 설치된다.
상기 실린더(121)의 내측에는 편심 캠인 베인(129)이 설치되고 그 베인(129)에 편심되게 상기 모터(111)의 구동축(113)의 단부가 고정된다.
이러한 구성을 가지는 싱글 로타리식 압축기는 모터(111)에 전원이 공급될 경우에 모터(111)의 로터(113)가 회전하고, 로터(113)의 회전에 따라 구동축(117)이 회전하여 압축부(120)의 베인(129)이 회전하게 된다.
그러면, 압축부(120)는 베인(129)의 회전에 따라 흡입구(123)로 냉매 가스가 흡입되고, 흡입된 냉매가스는 베인(129)의 회전에 따라 압축되어 토출구(125)로 토출되며, 이 때, 베인(129)의 회전에 따라 스프링(127a)의 탄성력에 의해 롤링 핀(127)이 실린더(121)의 내측으로 출몰되어 베인(129)의 외주면과 접하면서 흡입구(123) 및 토출구(125)를 상호간에 분리시키게 되므로 흡입구(123)로 흡입된 냉매가스가 바로 토출구(125)로 토출되지 않고, 또한 압축된 냉매가스가 흡입구(123)로 흡입된 냉매가스와 혼합되지 않도록 한다.
그러나 상기 싱글 로타리식 압축기는 냉매가스의 용적을 줄이는 압축행정과 냉매가스의 용적이 다시 원 상태로 복구되는 토출행정이 기계적으로 모터가 1회전할 때마다 발생하므로 모터(111)의 회전각도에 따라 압축기에서 요구하는 부하토크가 달라지게 된다.
즉, 상기한 싱글 로타리식 압축기의 행정 사이클은 크게 흡입/압축행정과 토출행정으로 나누어진다. 그리고 상기 흡입/압축행정과 토출행정은 기계적으로 모터(111)의 구동축(117)이 1회전할 때마다 반복하게 되는 것으로 상기 흡입/압축행정을 수행하는 동안에는 부하토크가 서서히 증가하게 되고, 토출행정을 수행하는 동안에는 부하토크가 빠르게 감소하게 되므로 모터(111)의 구동 1주기 동안 압축기의 부하토크는 변하게 된다.
도 2a 및 도 2b에 압축기의 모터(111)의 회전각속도와 토크의 관계를 그래프 로 도시하였다. 도 2b에 도시된 바와 같이 모터(111)의 출력토크와 압축기가 냉매가스를 압축시키기 위하여 필요로 하는 부하토크의 차이인 잔류토크로 인해 도 2a에 도시된 바와 같이 모터(111)의 회전각속도에 변동이 발생하고, 이러한 회전각속도의 변동은 압축기의 진동을 유발시켜 소음을 발생시키며, 또한 상기 발생된 진동은 압축기의 흡입구(123) 및 토출구(125)에 연결되는 파이프의 파손을 유발시킬 수 있다.
그러므로 싱글 로타리식 압축기를 저속으로 구동시킬 경우에 모터(111)의 출력토크와 압축기의 부하토크를 일치시키는 토크제어(Torque Control)를 수행하고 있다.
일반적으로 모터(111)의 출력 토크에 대한 운동방정식은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005008718564-pat00001
여기서, Te는 모터(111)의 출력토크이고, J는 압축기가 구동하는 전체 시스템의 관성이며, ωe는 모터의 회전각속도이며, B는 시스템의 마찰계수이며, TL은 압축기의 부하가 필요로 하는 토크로서 모터(111)의 회전각속도 ωe에 관한 비선형 함수 TL(ωe)이다.
상기 수학식 1에서 시스템의 마찰계수 B에 의한 토크는 모터(111)의 회전각 속도에 따라 크기가 변하고, 운동방향에 따라 비선형적으로 변하므로 이를 압축기의 부하 토크 TL에 포함시키면 상기 수학식 1은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005008718564-pat00002
상기 수학식 2의 운동방정식에서 알 수 있는 바와 같이 모터(111)의 출력토크 Te와 압축기의 부하 토크 TL이 동일하게 되도록 모터(111)를 토크 제어하면,
Figure 112005008718564-pat00003
이 된다. 즉 가속도가 0이 되어 속도의 변동이 없게 되고, 압축기에서 진동 및 소음이 발생하지 않게 된다.
도 3은 싱글 로타리식 압축기를 토크 제어하는 종래의 토크 제어장치의 구성을 보인 블록도이다. 이에 도시된 바와 같이 모터(111)의 회전각 신호 θe를 이용하여 모터(111)의 회전각속도 ωe 및 가속도 αe를 계산하는 속도 및 가속도 계산부(300)와, 지령속도 ωe * 및 지령 가속도 αe *에서 상기 회전각속도 ωe 및 가속도 αe를 각기 감산하는 감산기(302)(304)와, 상기 감산기(302)(304)의 출력신호에 따라 상기 모터(111)의 회전각속도 및 가속도를 제어하기 위한 속도 보상전류 iv * 및 가속도 보상전류 iα *를 각기 발생하는 속도 제어기(306) 및 가속도 제어기(308)와, 상기 속도 제어기(306) 및 가속도 제어기(308)의 속도 보상전류 iv * 및 가속도 보상전류 iα *를 가산하여 상기 모터(111)의 구동전류 is *를 발생하는 가산기(310)와, 상기 가산기(310)가 출력하는 구동전류 is *에 따른 구동전압을 발생하는 전류 변조기(312)와, 상기 전류 변조기(312)가 발생하는 구동전압에 따라 상기 모터(111)를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하기 위한 PWM 신호를 발생하는 전압 변조기(314)와, 상기 전압 변조기(314)가 출력하는 PWM 신호에 따라 상기 모터(111)를 구동시키는 인버터(316)로 구성하였다.
이러한 구성을 가지는 종래의 토크 제어장치는 모터(111)가 구동될 경우에 엔코더(도면에 도시되지 않았음)가 모터(111)의 로터의 회전각을 검출하여 회전각 신호 θe를 출력한다. 여기서, 엔코더 대신에 모터(111)의 구동에 따라 발생되는 역기전력을 이용하여 로터의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출수단을 구비할 수도 있다.
그러면, 속도 및 가속도 계산부(300)는 상기 회전각 신호 θe를 이용하여 모터의 회전각속도 및 가속도를 계산한다. 예를 들면, 다음의 수학식 3 및 수학식 4와 같이 모터(111)의 속도 ωe 및 가속도 αe를 계산한다.
Figure 112005008718564-pat00004
여기서 n은 현재시간을 나타낸다.
Figure 112005008718564-pat00005
상기 속도 및 가속도 계산부(300)가 계산한 모터(111)의 회전각속도 ωe 및 가속도 αe는 감산기(302)(304)에 각기 입력되는 것으로서 감산기(302)(304)는 각기 지령속도 ωe * 및 지령 가속도 αe *에서 상기 회전각속도 ωe 및 가속도 αe를 감산한다. 상기 감산기(302)(304)의 출력신호는 속도 제어기(306) 및 가속도 제어기(308)에 각기 입력되는 것으로서 속도 제어기(306) 및 가속도 제어기(308)는 상기 감산기(302)(304)의 출력신호로 각기 모터(111)의 속도 및 가속도를 제어하기 위한 속도 보상전류 iv * 및 가속도 보상전류 iα *를 각기 발생하게 된다.
상기 발생한 속도 보상전류 iv * 및 가속도 보상전류 iα *는 가산기(310)에서 가산되어 모터(111)의 구동전류 is *로 출력되고, 그 출력된 구동전류 is *를 전류 변조기(312)가 구동전압으로 변환하며, 전압 변조기(314)가 PWM 신호로 변환한 후 인버터(316)에 구비된 복수의 스위칭 소자들을 PWM 제어하여 모터(111)를 토크 구동 시키게 된다.
그러나 상기한 종래의 토크 제어장치는 가속도 제어기(308)에서 출력되는 가속도 보상전류 iα *가 순시값으로서 잡음에 매우 민감하고, 엔코더 등으로 모터의 로터의 회전각을 검출한 후 궤환하므로 현재 보상하는 보상전류가 모터의 이전 회전각속도에 대한 보상전류로서 토크 제어의 성능이 나쁠 뿐만 아니라 가속도 제어기에 비례적분제어(Proportional plus Integral)를 사용하므로 게인 튜닝(Gain Tuning)이 복잡하고, 연산량이 많은 등의 여러 가지 문제점이 있었다.
그러므로 본 발명의 목적은 싱글 로타리식 압축기의 부하토크와 모터의 출력토크의 불일치로 인하여 발생되는 토크리플을 저감시킬 수 있는 모터의 토크제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 압축기가 구동되면서 발생되는 진동 및 소음을 줄일 수 있는 모터의 토크제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 가지는 본 발명의 모터의 토크제어장치 및 방법에 따르면, 모터의 회전각속도 변동량이 플러스 값일 경우에는 모터의 현재 회전각속도가 지령속도보다 높은 것이고, 마이너스 값을 경우에는 모터의 현재 회전각속도가 지령속도보다 낮은 것으로서 모터의 회전각속도 변동량을 가속도량으로 변환하고, 변환한 가속도량에 따라 모터의 보상전류를 결정하여 모터의 회전각속도를 보상함으로써 압축기의 부하토크와 모터의 출력토크를 일치시켜 모터의 회전각속도 변동량을 줄 인다.
그러므로 본 발명의 모터의 토크제어장치는, 모터를 지령속도에 따라 구동시키기 위한 속도 제어전류를 발생하는 속도 제어수단과, 상기 속도 제어수단이 발생한 속도 제어전류에서 속도보상전류를 감산하여 구동전류를 출력하는 제 1 감산기와, 상기 제 1 감산기가 출력하는 구동전류에 따라 상기 모터를 구동시키는 모터 구동수단과, 상기 모터의 회전각 및 회전각속도를 검출하는 회전 검출부와, 상기 회전 검출부가 검출한 모터의 회전각속도로 가속도를 검출하고, 검출한 가속도에 따른 제 1 보상전류를 발생하는 제 1 보상전류 발생수단과, 상기 회전 검출부가 검출한 회전각에 따라 상기 속도 보상전류를 저장하고, 상기 제 1 보상전류 발생수단이 검출한 가속도의 패턴이 미리 설정된 소정의 시간동안 일정할 경우에 상기 저장한 속도 보상전류 중에서 상기 회전 검출부가 검출한 회전각에 해당되는 속도 보상전류를 제 2 보상전류로 출력하는 제 2 보상전류 발생수단과, 상기 제 1 보상전류 발생수단 및 제 2 보상전류 발생수단이 출력하는 제 1 및 제 2 보상전류를 가산하여 상기 제 1 감산기 및 상기 제 2 보상전류 발생수단에 속도 보상전류로 출력하는 가산기로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 제 1 보상전류 발생수단은 상기 회전 검출부가 검출한 모터의 회전각속도를 미분하여 가속도를 검출하는 미분기와, 상기 미분기에서 현재 출력되는 가속도 및 이전에 출력한 가속도의 평균 가속도를 계산하는 평균 가속도 계산부와, 상기 평균 가속도 계산부가 계산한 평균 가속도에 실험적으로 미리 설정한 전류 보상계수를 곱하여 제 1 보상전류를 발생하는 곱셈기로 구성되고, 상기 미분기 및 평균 가속도 계산부의 사이에 상기 미분기의 출력신호를 저역 필터링하여 평균 가속도 계산부로 출력하는 저역통과필터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 보상전류 발생수단은 제 2 보상전류를 저장하는 메모리와, 상기 가산기가 출력하는 속도 보상전류를 상기 회전 검출부가 검출한 회전각에 따라 상기 메모리에 저장하고, 상기 제 1 보상전류 발생수단이 검출한 가속도의 패턴이 미리 설정된 소정의 시간동안 일정할 경우에 상기 저장한 속도 보상전류 중에서 상기 회전 검출부가 검출한 회전각에 해당되는 속도 보상전류를 제 2 보상전류로 출력하는 제어부로 구성됨을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 모터의 토크제어방법은, 속도제어수단이 모터를 구동시킬 속도제어전류를 계산하고, 회전 검출부가 모터의 회전각 및 회전각속도를 검출하며, 상기 검출한 모터의 회전각속도로 제 1 보상전류 발생수단이 가속도를 계산하고 그 계산한 가속도를 이용하여 제 1 보상전류를 생성하고, 상기 계산한 가속도로 제 2 보상전류 발생수단이 가속도 변화패턴을 판단하여 가속도 변화패턴이 설정시간 이상 일정할 경우에 제 2 보상전류를 발생하며, 상기 제 1 보상전류 및 제 2 보상전류를 가산기가 가산하여 속도 보상전류를 생성한 후 상기 속도제어전류에서 상기 속도 보상전류를 제 2 감산기가 감산하여 모터의 구동전류를 결정하고 결정한 구동전류에 따라 모터 구동수단이 상기 모터를 구동시키는 것을 특징으로 한다.
상기 속도제어전류의 계산은 지령속도에서 상기 회전 검출부가 검출한 모터의 회전각속도를 제 2 감산기로 감산하여 속도오차를 계산하고, 상기 계산한 속도오차로 속도제어기가 속도구동전류를 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 보상전류의 생성은 상기 회전 검출부가 검출한 모터의 회전각속도를 미분기가 미분하여 가속도를 검출하고, 설정 시간동안 상기 검출한 가속도의 평균 가속도를 계산하며, 상기 계산한 평균 가속도에 미리 설정된 전류보상계수를 곱하여 제 1 보상전류를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 보상전류의 발생은 상기 회전 검출부가 검출하는 모터의 회전각에 해당되는 상기 속도보상전류를 메모리에 저장하고, 상기 계산한 가속도로 가속도 변화패턴을 판단하여 가속도 변화패턴이 설정시간 이상 일정한지의 여부를 판단하여 상기 판단 결과 설정시간 이상 가속도 변화패턴이 일정할 경우에 상기 메모리에서 상기 회전 검출부가 검출하는 모터의 회전각에 해당되는 상기 속도보상전류를 제 2 보상전류로 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 속도제어수단이 계산한 속도제어전류로 상기 모터의 토크제어 여부를 판단하고, 판단 결과 토크제어가 필요하지 않을 경우에 상기 속도제어전류를 모터의 구동전류로 결정하고, 결정한 구동전류에 따라 상기 모터 구동수단이 상기 모터를 구동시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도 4 내지 도 6의 도면을 참조하여 본 발명의 모터의 토크제어장치 및 방법을 상세히 설명한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따라 모터의 토크를 제어하는 동작원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4a는 모터의 현재 회전각속도에서 지령속도를 감산한 모터의 회전각속도 변동량을 보인 것으로서 회전각속도 변동량이 플러스 값일 경우에 는 모터의 현재 회전각속도가 지령속도보다 높다는 것을 의미하고, 마이너스 값을 경우에는 모터의 현재 회전각속도가 지령속도보다 낮다는 것을 의미한다.
그러므로 냉매가스를 압축하여 압축기의 부하가 증가하는 압축행정에서는 모터의 회전각속도가 감소하고, 압축기의 부하가 급격히 감소하는 토출행정에서는 모터의 회전각속도가 증가함을 알 수 있다.
이와 같이 압축기의 압축행정과 토출행정에 따른 압축기의 부하변동에 의하여 압축기의 내부에 구비되어 있는 모터의 회전각속도에 변동이 발생하고, 이러한 회전각속도의 변동은 압축기의 진동과 소음의 발생을 유발한다.
모터의 회전각속도 변동량을 가속도량으로 나타내면, 도 4b에 도시된 바와 같이 모터의 회전각속도가 감소하는 동안에는 가속도량이 마이너스 값으로 되고, 모터의 회전각속도가 증가하는 동안에는 가속도량이 플러스 값으로 된다. 즉. 가속도량이 마이너스 값이라는 것은 모터의 출력토크가 압축기의 부하토크보다 작은 것이므로 모터의 출력토크를 증가시켜야 되고, 또한 가속도량이 플러스 값이라는 것은 모터의 출력토크가 압축기의 부하토크보다 큰 것이므로 모터의 출력토크를 감소시킬 필요가 있다.
따라서 가속도량이 마이너스 값일 경우에는 속도제어기에서 출력되는 전류 지령치보다 더 큰 플러스 값의 전류지령치를 필요로 하는 것으로서 도 4c에 도시된 바와 같이 가속도량에 따른 보상전류량은 플러스 값으로 되고, 가속도량이 마이너스 값일 경우에는 속도제어기를 출력되는 전류지령치보다 더 작은 전류지령치가 필요로 하는 것으로서 도 4c에 도시된 바와 같이 가속도량에 따른 보상전류량은 마이 너스 값으로 된다.
이와 같이 모터의 회전각속도 변동량에 따른 가속도량을 통해 모터의 보상전류량을 결정할 수 있고, 이 보상전류량을 도 4d에 도시된 바와 같이 단위시간당 평균량을 계산하여 보상함으로써 압축기의 부하토크와 모터의 출력토크를 일치시켜 모터의 회전각속도 변동량을 줄일 수 있고, 이렇게 줄어든 모터의 회전각속도 변동량은 압축기가 구동되면서 발생하는 진동 및 소음을 최소로 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 토크제어장치의 구성을 보인 블록도이다. 이에 도시된 바와 같이 모터(500)를 지령속도로 구동시키기 위한 속도 제어전류를 발생하는 속도 제어수단(510)과, 상기 속도 제어수단(510)이 발생한 속도 제어전류에서 속도보상전류를 감산하여 구동전류를 출력하는 제 1 감산기(520)와, 상기 제 1 감산기(520)가 출력하는 구동전류에 따라 상기 모터(500)를 구동시키는 모터 구동수단(530)과, 상기 모터(500)의 회전각 및 회전각속도를 검출하는 회전 검출부(540)와, 상기 회전 검출부(540)가 검출한 모터(500)의 회전각속도로 가속도를 검출하고, 검출한 가속도의 평균 가속도에 따른 제 1 보상전류를 발생하는 제 1 보상전류 발생수단(550)과, 상기 속도 보상전류를 저장하고, 상기 제 1 보상전류 발생수단(550)이 검출한 가속도의 패턴이 미리 설정된 소정의 시간동안 일정할 경우에 상기 저장한 속도 보상전류 중에서 상기 회전 검출부(540)가 검출한 회전각에 해당되는 속도 보상전류를 제 2 보상전류로 출력하는 제 2 보상전류 발생수단(560)과, 상기 제 1 보상전류 발생수단(550) 및 제 2 보상전류 발생수단(560)이 출력하는 제 1 및 제 2 보상전류를 가산하여 상기 제 1 감산기(520) 및 상기 제 2 보상전류 발생수단(560)에 속도 보상전류로 출력하는 가산기(570)로 구성하였다.
상기 속도 제어수단(510)은, 지령속도에서 상기 회전 검출부(540)가 검출한 모터(500)의 회전각속도를 감산하는 제 2 감산기(512)와, 상기 제 2 감산기(512)의 출력신호를 속도제어전류로 변환하는 속도 제어기(514)로 구성하였다.
상기 모터 구동수단(530)은, 상기 제 1 감산기(520)의 출력 전류를 전압으로 변환하는 전류 변조기(532)와, 상기 전류 변조기(532)의 출력전압을 상기 모터(500)를 구동시킬 PWM 신호로 변환하는 전압 변조기(534)와, 상기 전압 변조기(534)가 출력하는 PWM 신호에 따라 상기 모터(500)로 구동전압을 공급하여 구동시키는 인버터(536)로 구성하였다.
상기 제 1 보상전류 발생수단(550)은, 상기 회전 검출부(540)가 검출한 모터(500)의 회전각속도를 미분하여 가속도를 검출하는 미분기(552)와, 상기 미분기(552)의 출력신호를 저역 필터링하여 잡음을 제거하는 저역통과필터(554)와, 상기 저역통과필터(554)에서 필터링된 가속도 및 이전의 설정 시간동안의 가속도의 평균 가속도를 계산하는 평균 가속도 계산부(556)와, 상기 평균 가속도 계산부(556)가 계산한 평균 가속도에 실험적으로 미리 설정한 전류 보상계수를 곱하여 제 1 보상전류를 발생하는 곱셈기(558)로 구성하였다.
상기 제 2 보상전류 발생수단(560)은, 제 2 보상전류를 저장하는 메모리(562)와, 상기 가산기(570)가 출력하는 속도 보상전류를 상기 메모리(562)에 제 2 보상전류로 미리 저장하고, 상기 제 1 보상전류 발생수단(550)이 검출한 가속도의 패턴이 미리 설정된 소정의 시간동안 일정할 경우에 상기 메모리(562)에서 상기 회 전 검출부(540)가 검출한 회전각에 해당되는 제 2 보상전류를 출력하는 제어부(564)로 구성하였다.
이와 같이 구성된 본 발명의 토크제어장치는 모터(500)가 구동될 경우에 모터(500)에서 발생되는 역기전력을 이용하여 회전 검출부(540)가 모터(500)의 회전각 θ를 검출함과 아울러 검출한 회전각 θ를 이용하여 모터(500)의 회전각속도 ωe를 검출한다. 상기 회전 검출부(540)가 검출한 모터(500)의 회전각속도 ωe는 제 1 보상전류 발생수단(550)의 미분기(552)에서 미분되어 가속도로 변환되고, 저역통과필터(554)에서 저역 필터링된 후 평균 가속도 계산부(556)로 입력된다.
그러면, 평균 가속도 계산부(556)는 이전에 설정시간동안 입력된 가속도와 현재 입력된 가속도의 평균 가속도를 계산하게 된다. 예를 들면, 다음의 수학식 5와 같이 평균 가속도 α(k)를 계산한다.
Figure 112005008718564-pat00006
여기서, k 및 m은 상수로서 k는 현재 시점이고, m은 현재시점으로부터 미리 설정된 이전 시점이다.
상기 평균 가속도 계산부(556)가 평균 가속도를 계산하면, 곱셈부(558)가 상기 계산한 평균 가속도에 실험적으로 미리 설정한 전류 보상계수를 곱하여 제 1 보상전류 ΔIS1을 출력하게 된다.
그리고 가산기(570)에서 출력되는 속도 보상전류를 제 2 보상전류 발생수단(560)의 제어부(564)가 입력받아 제 2 보상전류로 메모리(562)에 룩업 테이블로 저장하고, 상기 제 1 보상전류 발생수단(550)의 미분기(552)에서 출력되는 가속도의 패턴이 일정하게 유지되는지의 여부를 판단한다. 상기 판단 결과 가속도 패턴이 일정하지 않을 경우에 제어부(564)는 제 2 보상전류를 출력하지 않고, 가속도 패턴이 일정할 경우에는 상기 모터(500)의 회전각 θ에 해당되는 제 2 보상전류를 메모리(562)에서 추출하여 출력한다.
상기 곱셈기(558)가 출력하는 제 1 보상전류 ΔIS1과 상기 제어부(564)가 출력하는 제 2 보상전류 ΔIS2를 가산기(570)가 가산하여 보상전류 ΔIS로 출력한다.
한편, 속도 제어수단(510)은 입력되는 지령속도 ωe *에서 상기 회전 검출부(540)가 검출한 모터(500)의 회전각속도 ωe를 제 2 감산기(512)가 감산하고, 제 2 감산기(512)의 출력신호를 속도 제어기(514)가 모터(500)의 속도제어전류 IS로 변환하여 제 1 감산기(520)로 출력한다.
그러면, 제 1 감산기(520)는 속도 제어기(514)가 출력하는 속도제어전류 IS에서 상기 가산기(570)가 출력하는 보상전류 ΔIS를 감산하여 구동전류를 출력한다.
상기 제 1 감산기(520)가 출력하는 구동전류는 모터 구동수단(530)의 전류 변조기(532)에서 전압으로 변환되고, 전압 변조기(534)에서 PWM 신호로 변환된 후 인버터(536)에 구비된 복수의 스위칭 소자들을 PWM 제어하여 모터(500)를 토크 구동시키게 된다.
한편, 도 6은 본 발명의 토크제어방법을 보인 신호흐름도이다. 이에 도시된 바와 같이 단계(600)에서 속도 제어수단(510)이 모터(500)를 구동시킬 속도제어전류를 계산한다. 즉, 속도 제어수단(510)은, 입력되는 지령속도 ωe *에서 회전 검출부(540)가 검출한 모터(500)의 회전각속도 ωe를 제 2 감산기(512)가 감산하고, 제 2 감산기(512)의 출력신호로 속도 제어기(514)가 모터(500)의 속도제어전류 IS를 계산하여 출력한다.
다음 단계(602)에서 상기 속도 제어기(514)가 출력하는 모터(500)의 속도제어전류 IS로 모터(500)를 토크 제어해야 되는지의 여부를 판단한다. 즉, 모터(500)의 속도제어전류 IS가 설정 값 이하로서 모터(500)를 저속으로 구동시켜 토크 제어해야 되는지의 여부를 판단한다.
상기 단계(602)에서 모터(500)를 토크 제어해야 될 경우에 단계(604)에서 회전 검출부(540)가 모터(500)의 회전각 및 회전각속도를 검출하고, 단계(606)에서 상기 검출한 회전각속도를 미분기(552)가 미분하여 가속도를 계산한 후 저역통과필터(554)로 저역 필터링한다.
다음 단계(608)에서 평균 가속도 계산부(556)가 상기 저역통과필터(554)에서 소정의 시간동안 출력되는 가속도의 평균 가속도를 계산하고, 계산한 평균 가속도 에 단계(610)에서 실험적으로 미리 설정한 전류 보상계수를 곱셈기(558)가 곱하여 제 1 보상전류를 계산한다.
다음 단계(612)에서 상기 저역통과필터(554)에서 출력되는 가속도의 변화패턴을 제어부(564)가 판단하고, 판단 결과 단계(614)에서 가속도의 변화패턴이 일정하게 유지될 경우에 제어부(564)는 단계(616)에서 상기 회전 검출부(540)가 검출한 모터(500)의 회전각에 해당되는 제 2 보상전류를 메모리(562)에서 추출하여 출력한다.
다음 단계(618)에서 상기 제 1 보상전류 및 제 2 보상전류를 가산기(570)가 가산하여 속도 보상전류를 계산하고, 그 계산한 속도 보상전류를 제어부(564)가 회전 검출부(540)가 검출하는 모터(500)의 회전각에 따른 제 2 보상전류로 메모리(562)에 저장한다.
다음 단계(620)에서는 상기 속도 제어수단(510)이 계산한 모터(500)를 구동시킬 속도제어전류에서 상기 가산기(570)가 출력하는 속도보상전류를 제 1 감산기(520)가 감산하여 모터(500)의 구동전류를 결정하고, 단계(622)에서 상기 결정한 구동전류에 따라 모터 구동수단(530)이 모터(500)를 구동시킨다.
그리고 상기 단계(602)의 판단 결과 모터(500)를 토크제어하지 않을 경우에 단계(624)에서 상기 속도 제어수단(510)이 계산한 모터(500)를 구동시킬 속도제어전류를 모터(500)의 구동전류를 결정하고, 단계(622)에서 상기 결정한 구동전류에 따라 모터 구동수단(530)이 모터(500)를 구동시킨다.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 모터가 일정한 가속도 패턴을 구동될 경우에 메모리에 저장된 제 2 보상전류를 발생하여 모터의 구동에 따른 진동을 감쇄시키고, 제 1 보상전류 발생수단이 발생하는 제 1 보상전류를 이용하여 순시적인 토크제어를 함으로써 보다 효율적으로 모터의 구동을 토크 제어할 수 있고, 이로 인하여 압축기가 구동되면서 발생되는 진동 및 소음을 줄일 수 있다.

Claims (10)

  1. 모터를 지령속도로 구동시키기 위한 속도 제어전류를 발생하는 속도 제어수단;
    상기 속도 제어수단이 발생한 속도 제어전류에서 속도보상전류를 감산하여 구동전류를 출력하는 제 1 감산기;
    상기 제 1 감산기가 출력하는 구동전류에 따라 상기 모터를 구동시키는 모터 구동수단;
    상기 모터의 회전각 및 회전각속도를 검출하는 회전 검출부;
    상기 회전 검출부가 검출한 모터의 회전각속도로 가속도를 검출하고, 검출한 가속도에 따른 제 1 보상전류를 발생하는 제 1 보상전류 발생수단;
    상기 회전 검출부가 검출한 회전각에 따라 상기 속도 보상전류를 저장하고, 상기 제 1 보상전류 발생수단이 검출한 가속도의 패턴이 미리 설정된 소정의 시간동안 일정할 경우에 상기 저장한 속도 보상전류 중에서 상기 회전 검출부가 검출한 회전각에 해당되는 속도 보상전류를 제 2 보상전류로 출력하는 제 2 보상전류 발생수단; 및
    상기 제 1 보상전류 발생수단 및 제 2 보상전류 발생수단이 출력하는 제 1 및 제 2 보상전류를 가산하여 상기 감산기 및 상기 제 2 보상전류 발생수단에 속도 보상전류로 출력하는 가산기로 구성된 모터의 토크제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 속도제어수단은;
    지령속도에서 상기 회전 검출부가 검출한 모터의 회전각속도를 감산하는 제 2 감산기; 및
    상기 제 2 감산기의 출력신호를 속도제어전류로 변환하는 속도 제어기로 구성됨을 특징으로 하는 모터의 토크제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 보상전류 발생수단은;
    상기 회전 검출부가 검출한 모터의 회전각속도를 미분하여 가속도를 검출하는 미분기;
    상기 미분기에서 현재 출력되는 가속도 및 이전에 출력한 가속도의 평균 가속도를 계산하는 평균 가속도 계산부; 및
    상기 평균 가속도 계산부가 계산한 평균 가속도에 실험적으로 미리 설정한 전류 보상계수를 곱하여 제 1 보상전류를 발생하는 곱셈기로 구성됨을 특징으로 하는 모터의 토크제어장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 미분기 및 평균 가속도 계산부의 사이에;
    상기 미분기의 출력신호를 저역 필터링하여 평균 가속도 계산부로 출력하는 저역통과필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모터의 토크제어장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 보상전류 발생수단은;
    상기 가산기가 출력하는 속도보상전류를 상기 회전 검출부가 검출한 회전각에 따라 저장하는 메모리; 및
    상기 가산기가 출력하는 속도 보상전류를 상기 회전 검출부가 검출한 회전각에 따라 상기 메모리에 저장하게 제어하고, 상기 제 1 보상전류 발생수단이 검출한 가속도의 패턴이 미리 설정된 소정의 시간동안 일정할 경우에 상기 저장한 속도 보상전류 중에서 상기 회전 검출부가 검출한 회전각에 해당되는 속도 보상전류를 제 2 보상전류로 출력하는 제어부로 구성됨을 특징으로 하는 모터의 토크제어장치.
  6. 속도제어수단이 모터를 구동시킬 속도제어전류를 계산하는 단계;
    회전 검출부가 모터의 회전각 및 회전각속도를 검출하는 단계;
    상기 검출한 모터의 회전각속도로 제 1 보상전류 발생수단이 가속도를 계산하고 그 계산한 가속도를 이용하여 제 1 보상전류를 생성하는 단계;
    상기 계산한 가속도로 제 2 보상전류 발생수단이 가속도 변화패턴을 판단하여 가속도 변화패턴이 설정시간 이상 일정할 경우에 제 2 보상전류를 발생하는 단계;
    상기 제 1 보상전류 및 제 2 보상전류를 가산기가 가산하여 속도 보상전류를 생성하는 단계; 및
    상기 속도제어전류에서 상기 속도 보상전류를 제 1 감산기가 감산하여 모터의 구동전류를 결정하고 결정한 구동전류에 따라 모터 구동수단이 상기 모터를 구동시키는 단계로 이루어지는 모터의 토크제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 속도제어전류의 계산은;
    지령속도에서 상기 회전 검출부가 검출한 모터의 회전각속도를 제 2 감산기로 감산하여 속도오차를 계산하는 단계;
    상기 계산한 속도오차로 속도제어기가 속도구동전류를 계산하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터의 토크제어방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 보상전류의 생성은;
    상기 회전 검출부가 검출한 모터의 회전각속도를 미분기가 미분하여 가속도를 검출하는 단계;
    설정 시간동안 상기 검출한 가속도의 평균 가속도를 계산하는 단계; 및
    상기 계산한 평균 가속도에 미리 설정된 전류보상계수를 곱하여 제 1 보상전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터의 토크제어방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 보상전류의 발생은;
    상기 회전 검출부가 검출하는 모터의 회전각에 해당되는 상기 속도보상전류를 메모리에 저장하는 단계;
    상기 계산한 가속도로 가속도 변화패턴을 판단하여 가속도 변화패턴이 설정시간 이상 일정한지의 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과 설정시간 이상 가속도 변화패턴이 일정할 경우에 상기 메모 리에서 상기 회전 검출부가 검출하는 모터의 회전각에 해당되는 상기 속도보상전류를 제 2 보상전류로 발생하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터의 토크제어방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 속도제어수단이 계산한 속도제어전류로 상기 모터의 토크제어 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과 토크제어가 필요하지 않을 경우에 상기 속도제어전류를 모터의 구동전류로 결정하고, 결정한 구동전류에 따라 상기 모터 구동수단이 상기 모터를 구동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 토크제어방법.
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