KR100654813B1 - Ｂｌｄｃ 모터의 속도제어 방법 및 냉장고의 냉장 또는냉동 속도 제어 방법 - Google Patents

Ｂｌｄｃ 모터의 속도제어 방법 및 냉장고의 냉장 또는냉동 속도 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 BLCD 모터의 속도제어 방법 및 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도 제어 방법에 관한 것으로서, 주어진 기준속도를 달성하기 위해 상기 모터에 소정의 기준 통전각을 가지는 구동신호를 입력하는 단계와; 상기 모터의 회전속도를 측정하는 단계와; 상기 구동신호가 상기 모터의 최대입력에 도달한 상태에서도 상기 측정된 회전속도가 상기 기준속도에 못 미치는 경우, 상기 구동신호의 통전각을 확장하는 단계; 및 상기 통전각이 확장된 구동신호를 상기 모터에 입력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, BLDC 모터의 운전속도의 범위를 확장할 수 있다.
BLDC, 회전속도 제어, 통전각

Description

ＢＬＤＣ 모터의 속도제어 방법 및 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING SPEED OF BLDC MOTOR AND METHOD FOR CONTROLLING COOLING SPEED OF REFRIGERATOR}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 속도제어 방법이 적용되는 제어 시스템을 나타내는 블록도,
도 2는 도 1의 제어 시스템의 작동 시 생성되는 구동신호 및 유도전압을 설명하기 위한 개략도 및 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 속도제어 방법이 적용되는 경우의 개선된 점을 설명하기 위한 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예가 적용된 BLDC 모터의 성능 실측 결과를 나타내는 도표,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 속도제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 제어 시스템 110 : BLDC 모터
120 : 제어부 130 : 센서리스 위치검출 수단
본 발명은 BLCD 모터의 속도제어 방법 및 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 통전각이 확장된 구동신호를 통해 출력속도를 증가시키는 BLDC 모터의 속도제어 방법 및 이를 적용한 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도 제어 방법에 관한 것이다.
BLDC(Brushless Direct Current) 모터는 종래 직류모터의 사용 시 브러시(brush)가 반복적인 마찰로 손상되는 것을 방지하기 위해 고안된 것으로서, 현재 이를 구동하기 위한 반도체 소자의 개발과 함께 널리 사용되고 있는 기술이다.
특히, BLDC 모터는 냉장고의 압축기 등에 적용되어 냉장고의 냉장 또는 냉동 온도의 달성에 이용되기도 한다. 일반적으로 냉장고의 설계 시, 모터는 냉장고의 운전속도, 부하토크 등을 고려하여 정격출력이 결정된다.
그러나, 냉장고의 작동시 전원전압이 낮거나 주위 온도가 높은 경우 등 부하토크가 일반적인 운전조건에 비해 과도하게 커진 경우에는 상기 모터의 운전속도가 기준속도에 미치지 못하는 경우가 발생하며, 이때에는 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도가 떨어진다는 문제가 있었다.
이러한 문제는 모터의 정격출력을 더 크게 설계함으로써 해결할 수도 있으나, 이 경우에는 일반적인 운전조건에 비해 모터의 정격출력이 상대적으로 더 커지게 되므로 비효율적이라는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 운전속도의 범위를 확장할 수 있는 BLDC 모터의 속도제어 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 BLDC 모터가 적용된 냉장고에 대하여 사용환경에 따라 냉장 또는 냉동 속도가 떨어지는 것을 최소화할 수 있는 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, BLDC 모터의 속도제어 방법에 있어서, 주어진 기준속도를 달성하기 위해 상기 모터에 소정의 기준 통전각을 가지는 구동신호를 입력하는 단계와; 상기 모터의 회전속도를 측정하는 단계와; 상기 구동신호가 상기 모터의 최대입력에 도달한 상태에서도 상기 측정된 회전속도가 상기 기준속도에 못 미치는 경우, 상기 구동신호의 통전각을 확장하는 단계; 및 상기 통전각이 확장된 구동신호를 상기 모터에 입력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 속도제어 방법을 제공한다.
여기서, 상기 통전각을 확장하는 단계는, 상기 회전속도가 상기 기준속도에 도달할 때까지 상기 구동신호의 통전각을 소정의 단위각도로 점차 증가시키는 단계를 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 모터는 3상 브러시리스 모터로서, 상기 기준 통전각은 120도이고, 상기 확장된 통전각은 150도를 초과하지 않도록 할 수도 있다.
또한, 상기 확장된 통전각에 의해 상기 모터의 회전속도가 상기 기준속도를 초과하는 경우, 상기 모터의 회전속도가 상기 기준속도에 도달할 때까지 상기 확장 된 통전각을 점차 축소시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, BLDC 모터가 구비된 압축기를 포함하는 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도의 제어 방법에 있어서, 주어진 기준온도를 달성하기 위해 상기 모터에 소정의 기준 통전각을 가지는 구동신호를 입력하는 단계와; 상기 냉장고의 냉장 또는 냉동 온도를 측정하는 단계와; 상기 구동신호가 상기 모터의 최대입력에 도달한 상태에서도 상기 측정된 냉장 또는 냉동 온도가 상기 기준온도에 못 미치는 경우, 상기 냉장 또는 냉동 온도가 상기 기준온도에 도달할 때까지 상기 구동신호의 통전각을 소정의 단위각도로 점차 증가시키는 단계; 및 상기 통전각이 확장된 구동신호를 상기 모터에 입력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도 제어 방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 속도제어 방법이 적용되는 BLDC 모터의 제어 시스템(100)을 나타내는 블록도이다.
제어 시스템(100)은 제어대상이 되는 BLDC 모터(110), 외부로부터 전원 및 모터제어를 위한 기준속도를 입력받아 모터(110)를 제어하는 제어부(120) 및 모터(110)의 속도를 측정하여 피드백 제어를 하기 위한 센서리스 위치검출 수단(130)을 포함한다.
제어부(120)는 입력되는 외부 전원이 교류인 경우에는 이를 직류 전류로 전환하기 위한 컨버터(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 모터에 구동신호(즉, 구동전류)를 입력하기 위한 인버터(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 인버터는 도 2에 도시된 바와 같은 전류의 주기적인 신호입력을 위해 이용된다.
모터(110)는 통상적인 3상 브러시리스 모터가 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 3상 브러시리스 모터의 경우에서는 후술하는 바와 같이 120도(°)의 기준 통전각을 가진다.
센서리스 위치검출 수단(130)은 모터 단자전압의 필터링 등을 통해서 회전자의 위치를 검출하는 회로로서, 홀소자, 광다이오드(photo diode), 자기저항소자 등이 이에 해당한다.
도 2는 도 1의 제어 시스템(100)을 적용하여 모터(110)를 구동시킬 경우 각각의 구동신호 및 유기전압이 파형을 설명하기 위한 도면이다.
모터(도 1의 110)는 도 2의 좌측 그림에서와 같이 3개의 전기자 권선(U, V, W)에 각각 구동전류(IU, IV, IW)를 순차 입력함으로써 영구자석 계자인 회전자가 회전하게 된다. 상기 구동전류는 인버터에 의해 도 2의 우측 아래 그래프와 같은 파형으로 모터(110)에 순차 입력된다. 즉, 360도를 3등분하여 권선(U)에 120도 동안의 구동전류(즉, 구동신호) IU를 통전시키고, 이후 권선(V)에 120도 동안의 구동전류 IV를 통전시키며, 마지막으로 권선(W)에 120도 동안 구동전류 IW를 통전시킨다. 이상의 통전 과정이 반복적으로 수행되어 모터(110)를 계속적으로 회전구동하게 된다. 따라서, 권선에 입력되는 구동전류는 한 주기당 120도의 기준 통전각을 가지게 된다.
이러한 구동전류의 입력에 따라 모터(110)는 도 2의 우측 위의 그래프와 같은 파형으로 유도전압(EU, EV, EW)이 발생한다. 상기 유도전압은 BLDC 모터의 일반적인 관계식에 따르면 모터(110)의 회전속도(rpm)에 비례하므로, 모터(110)의 회전속도를 나타내는 그래프 형태는 이와 같다고 볼 수 있다.
유도전압(EU, EV, EW)의 그래프에 의하면, 각각 해당 구동전류의 입력과 일치하여 일정 출력이 발생됨을 알 수 있다. 따라서, 모터(110)의 전체 출력은 각각 서로 연계되어 발생되는 유도전압(EU, EV, EW)으로 인해 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
따라서, 이러한 구동방식에 의해 제어부(120)는 외부로부터 기준속도를 입력받고, 이를 바탕으로 구동전류(즉, 구동신호)를 생성하여 모터(110)를 회전구동시키게 된다.
한편, 상기한 BLDC 모터의 제어 시스템(100)은 구동전류(IU, IV, IW)의 입력값이 모터(110)의 최대입력에 도달한 경우에도 모터(110)의 회전속도가 상기 기준속도에 미달인 경우에는 구동전류(IU, IV, IW)의 통전각을 확장시키는 방법을 사용한다.
즉, 도 2의 우측 아래의 구동전류(IU, IV, IW)의 그래프에서 각 구동전류의 통전시점을 소정 각도(θ) 앞당김으로써 전체 통전각이 (120+θ)가 되도록 한다. 이에 따라, 각각의 전후 이웃하는 구동전류는 θ 각도만큼 중복하여 발생된다. 실 험에 따르면 이 때의 모터(110)의 회전속도는 결과적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 통상의 냉장고에 적용되는 3상의 BLDC 모터의 경우 통전각을 150도로 확장 적용할 경우 120도 기준 통전각을 적용한 경우에 비해 400 ~ 500rpm의 속도향상을 나타냈다.
도 3은 이와 같은 속도향상 효과를 설명하기 위한 그래프이다. 일반적으로 120도 통전각을 적용할 때의 모터(110)의 속도(N) 및 토크(T)는 실선의 그래프와 같은 관계를 나타낸다. 그러나, 통전각을 확장할 경우에는 도면에서 점선의 그래프와 같은 속도(N)-토크(T) 관계를 나타냄으로써, 120도 통전각의 경우에 비해 향상된 성능을 얻게 됨을 알 수 있다.
도 4는 이러한 통전각의 확장에 따라 변화되는 모터(11)의 속도(N)를 실측한 일례를 설명하기 위한 도표이다. 도표에서는 기준 통전각이 120도이며, 이를 15도의 단위각도로 증가시키면서 출력속도(N)을 측정한 것이다. 도표에서 알 수 있듯이, 120도의 기준 통전각에서의 출력속도는 3619rpm인데 비해, 135도로 확장된 통전각(즉, 120+15도)에서의 출력속도는 3814rpm으로, 150도로 확장된 통전각(즉, 120+30도)에서의 출력속도는 3927rpm으로 각각 증가하였음을 알 수 있다. 한편, 이상의 실측례에서는 단위각도를 15도로 설정하였으나, 이는 필요에 따라서는 더 작게 세분하거나 더 크게 확대시킬 수도 있다. 실험에 따르면 센서리스(sensorless) 구동방식의 BLDC 모터에 대하여 통전각이 150도까지 확장 가능하였다.
이에 따라, 제어부(120)는 구동전류의 통전각 확장을 통해 모터(110)의 회전속도가 증가하도록 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(120)는 센서리스 위치검출 수 단(130)을 통해 모터(110)의 회전속도를 피드백 제어를 함으로써, 상기 회전속도가 상기 기준속도에 도달할 때까지 상기 구동신호의 통전각을 소정의 설정된 단위각도로 점차 증가시킬 수도 있다.
도 5는 이상의 제어부(120)의 모터 속도제어 과정을 정리하여 나타낸 순서도이다. 외부로부터 기준속도를 입력받은 제어부(120)는 모터(110)를 구동시키고 센서리스 위치검출 수단(130)을 통해 현재 모터(110)의 회전속도가 상기 기준속도에 도달하였는지 판단한다(S110). 판단 결과, 모터(110)가 상기 기준속도에 미달되는 경우에는 모터(110)에 입력되는 구동신호(즉, 구동전류)가 모터(110)가 수용할 수 있는 최대입력에 도달하였는가를 판단한다(S120). 판단 결과, 구동신호가 상기 최대입력에 못 미치는 경우에는 상기 구동신호를 모터(110)의 최대입력까지 점차 증가시킨다(S130).
만약, 구동신호를 모터(110)의 최대입력까지 증가시킨 때에도 모터(110)의 회전속도가 상기 기준속도에 미치지 못하는 경우에는, 제어부(120)는 구동신호의 통전각이 최대로 확장되었는지 판단하여(S140), 통전각이 최대로 확장되지 않은 상태인 경우에는 이를 확장시켜 모터(110)에 입력한다(S150). 여기서, 통전각이 확장되는 단위각도 및 통전각 확장 과정에서의 피드백 제어 또한 상기에서 설명한 바와 같이 수행될 수 있다.
한편, 도 5의 모터 속도 제어는, 이러한 BLDC 모터(110)가 적용된 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도 제어에도 동일한 방식으로 적용될 수 있다. 즉, 제어부(120)는 주어진 기준온도를 달성하기 위해 모터(110)구동을 위한 기준속도를 계산하고, 이를 통해 구동신호를 생성하여 모터(110)에 입력한다. 이 후 제어부(120)는 도 5에 도시된 바와 같은 제어방식으로 모터(110)를 제어하여 상기 기준속도를 달성하도록 한다. 여기서, 기준속도를 달성하는 과정은 냉장고의 냉장 또는 냉동을 위한 기준온도를 달성하는 과정에 대응된다. 따라서, 이러한 제어방식이 적용된 냉장고에서는 보다 빠른 시간에 냉장 또는 냉동을 위한 기준온도에 도달할 수 있다는 장점을 가진다.
이상에서는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 속도제어 방법이 냉장고에 적용된 경우에 대해서만 설명되었으나, 상기 방법은 이에 한정되는 것은 아니며 냉난방장치에도 동일하게 적용할 수도 있으며, 더 나아가 BLDC 모터를 포함하는 모든 장치에 공히 적용될 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 BLDC 모터의 속도제어 방법에 의하면, 모터에 입력되는 구동신호의 통전각 확장을 통해 BLDC 모터의 운전속도의 범위를 확장할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도의 제어 방법에 의하면, 상기와 같은 BLDC 모터의 속도제어 방법을 적용함으로써 사용환경에 따라 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도가 떨어지는 것을 최소화할 수 있다.

Claims (5)

  1. BLDC 모터의 속도제어 방법에 있어서,
    주어진 기준속도를 달성하기 위해 상기 모터에 소정의 기준 통전각을 가지는 구동신호를 입력하는 단계와;
    상기 모터의 회전속도를 측정하는 단계와;
    상기 구동신호가 상기 모터의 최대입력에 도달한 상태에서도 상기 측정된 회전속도가 상기 기준속도에 못 미치는 경우, 상기 구동신호의 통전각을 확장하는 단계; 및
    상기 통전각이 확장된 구동신호를 상기 모터에 입력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 속도제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통전각을 확장하는 단계는, 상기 회전속도가 상기 기준속도에 도달할 때까지 상기 구동신호의 통전각을 소정의 단위각도로 점차 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 속도제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 모터는 3상 브러시리스 모터로서, 상기 기준 통전각은 120도이고, 상기 확장된 통전각은 150도를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 속도제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 확장된 통전각에 의해 상기 모터의 회전속도가 상기 기준속도를 초과하는 경우, 상기 모터의 회전속도가 상기 기준속도에 도달할 때까지 상기 확장된 통전각을 점차 축소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 속도제어 방법.
  5. BLDC 모터가 구비된 압축기를 포함하는 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도의 제어 방법에 있어서,
    주어진 기준온도를 달성하기 위해 상기 모터에 소정의 기준 통전각을 가지는 구동신호를 입력하는 단계와;
    상기 냉장고의 냉장 또는 냉동 온도를 측정하는 단계와;
    상기 구동신호가 상기 모터의 최대입력에 도달한 상태에서도 상기 측정된 냉장 또는 냉동 온도가 상기 기준온도에 못 미치는 경우, 상기 냉장 또는 냉동 온도가 상기 기준온도에 도달할 때까지 상기 구동신호의 통전각을 소정의 단위각도로 점차 증가시키는 단계; 및
    상기 통전각이 확장된 구동신호를 상기 모터에 입력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 냉장 또는 냉동 속도 제어 방법.
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