KR100732717B1

KR100732717B1 - 모터시스템 및 그 제어방법과, 이를 이용한 압축기

Info

Publication number: KR100732717B1
Application number: KR1020050133857A
Authority: KR
Inventors: 하마오카코지; 유한주; 박평기; 서정호; 오광교; 배헌엽; 김윤정
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-06-27
Also published as: US20070152624A1

Abstract

본 발명은 모터시스템 및 그 제어방법과, 이를 이용한 압축기에 관한 것으로서, 상기 모터시스템은, BLDC모터와; 상기 BLDC모터를 구동시키는 인버터부와; 상기 인버터부의 직류전류를 검출하는 전류검출부와; 상기 BLDC모터의 유기전압을 검출하는 유기전압검출부와; 상기 전류검출부에 의해 검출된 직류전류 및 상기 유기전압검출부에 의해 검출된 유기전압에 기초하여, 상기 인버터부의 출력전압 및 출력주파수 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함한다. 이에 의하여, 간이한 회로 및 낮은 비용으로 높은 성능을 발휘할 수 있다.

Description

모터시스템 및 그 제어방법과, 이를 이용한 압축기{MOTOR SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF, AND COMPRESSOR USING THE SAME}

도 1은 종래 기술에 의한 모터시스템의 120도 구형파 구동을 도시한 파형도이며,

도 2는 인용발명에 의한 구동 시스템을 도시한 블록도이며,

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 모터시스템의 구성을 도시한 블록도이며,

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 모터시스템의 구동 시 각 신호의 파형을 나타낸 도면이며,

도 5는 본 발명의 일실시예에서 d축 전류와 모터 전류(Iu)의 특성을 나타낸 그래프이며,

도 6은 본 발명의 일실시예에서 직류전류와 상전류와의 관계를 나타낸 도면이며,

도 7은 본 발명의 일실시예에서 실제 U상 전류 및 추정된 U상 전류 및 직류전류를 나타낸 파형도이다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 모터시스템의 동작을 도시한 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 모터 시스템 11 : 교류전원

12 : 컨버터부 13 : 인버터부

14 : 전류검출부 15 : 유기전압 검출부

16 : 제어부 17 : BLDC모터

본 발명은 모터시스템 및 그 제어방법과, 이를 이용한 압축기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 간이한 회로 및 낮은 비용으로 높은 성능을 발휘하는 모터시스템 및 그 제어방법과, 이를 이용한 압축기에 관한 것이다.

BLDC모터와 같은 모터를 구비하는 모터시스템은, 교류전원을 직류전원으로 정류시키는 컨버터부와, 직류전력을 교류전력으로 변환하여 BLDC모터에 공급하는 인버터부와, 모터 회전자의 위치를 검출하기 위한 유기전압 검출부와, 인버터의 통전패턴을 출력하는 제어부를 구비할 수 있다. 인버터부는 복수의 스위칭 소자와 상기 스위칭 소자를 구동시키는 드라이버부를 포함한다. 한편, 모터시스템은 컨버터부와 인버터부와 사이에 개재되는 저항을 구비하여, 모터에 공급되는 과전류를 검출한다.

도 1은 이와 같은 모터시스템의 120도 구형파 구동을 도시한 파형도이다. 모터시스템은 센서리스 형태로서, 120도 구형파(1) 구동을 수행하며, 역기전압 검출부에 의해 검출된 역기전압(2)에 기초하여 모터 회전자의 위치를 추정하고, 위치가 추정된 시점을 기준으로 하여 상전환(Commutation)을 적절하게 수행한다.

그러나 이러한 120도 구동방식은, 첫째, 소음특성이 벡터제어 방식에 비해 상대적으로 좋지 않으며, 둘째, 통전각이 작기 때문에 동일한 부하토크에 대한 최대 운전속도 범위가 제한된다.

한편, 근래에는 모터의 전류 검출 수단과, 고속 연산이 가능한 CPU 등을 이용한 속도 센서리스 벡터제어 방식도 제안되고 있다. 대표적인 예로서는 일본 공개특허공보 제2003-189673호(이하, ＂인용발명＂이라 함)를 들 수 있다. 인용발명에서는, 모터의 전류 검출 수단, 모터의 속도 추정 알고리즘, d축 전류 제어 등을 갖춘 BLDC모터의 벡터제어(vector control) 방법이 제시되었다. 도 2는 인용발명에 의한 구동 시스템을 도시한 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 직류전원(3)은 인버터 회로(4)에 직류전력을 공급한다. 인버터 회로(4)는 6개의 스위칭 소자를 3상 풀 브리지(full-bridge) 형태로 구성한 것으로서, 직류전력을 3상 교류전력으로 변환하여 모터(7)에 공급한다. 모터(7)는 BLDC모터이다. 제어수단(5)은 모터(7)를 구동하기 위한 PWM(pulse width modulation) 지령치를 생성하고, 생성된 신호를 인버터 회로(4)에 입력한다. 2개의 전류센서(6)는 교류전류의 위상까지 정확히 검출하기 위한 것으로서, 직류전류 센서이다. 전류센서(6)의 출력은 제어수단(5)에 입력되며, 제어수단(5)은 입력된 전류에 대해 복잡한 연산을 수행하여 모터(7)의 구동에 적합한 PWM 지령치를 출력한다.

전류센서(6)는 모터(7)에 흐르는 전류 중 U상 및 V상의 전류를 검출하며, 검출된 신호는 제어수단(5)에 A/D변환을 통해 입력된다. 제어수단(5)은 벡터제어 이 론에 기초하여 3상/2상 변환 및 d-q축 변환을 수행하고 d축 전류 및 q축전류를 구한다. 제어수단(5)은 전류센서(6)를 통해 검출된 상전류 및 소정의 모터 방정식에 기초하여 회전자의 위치를 추정한다. 제어수단(5)은 추정된 회전자의 위치에 기초하여 모터(7)를 구동하기 위한 정현파 전류를 생성할 수 있는 PWM 지령패턴을 출력한다. 벡터제어는 정현파 전류에 기초하여 유도된 이론으로서, 정확한 벡터제어를 수행하기 위해서는 정현파 전류를 생성하기 위한 PWM 지령패턴이 필요하다. 제어수단(5)은 구해진 d축 전류가 부하상태에 따라 미리 설정된 d축 전류의 목표치에 일치하도록 복잡한 연산을 통해서 PWM 지령패턴을 생성하여 출력한다.

이러한 위치추정 알고리즘은 비교적 많은 오차를 포함하고 있고, d-q축 변환을 수행할 때 위치정보가 필요하기 때문에, 로터리 인코더(rotary encoder)와 같은 위치센서를 사용했을 경우에 비하여 정밀도는 떨어진다. 하지만, 이러한 방식은 모터의 기계부에 부착해야 하는 고가의 위치센서를 포함한 구성에 비해 보다 간단하다. 또한, 압축기와 같은 경우, 모터가 밀폐용기 내에 장착되고, 밀폐용기의 내부가 고온, 오일, 냉매 등의 조건을 가진다. 이러한 조건에 있어서는 신뢰성 확보를 위해서 로터리 인코더와 같은 위치센서를 부착할 수 없기 때문에, 위치센서를 생략한 방식이 냉장고 및 에어컨, 세탁기 등의 가전제품 등의 분야를 중심으로 채용되고 있다.

그러나 이러한 센서리스 형태의 벡터제어 방식은 다음과 같은 문제점이 있다. 첫째, 전류센서가 2개 이상 필요하기 때문에 회로가 대형화되고, 비용이 상승한다. 둘째, 전류센서를 통해 검출된 전류를 기초로 하여 3상/2상 변환, d-q축 변 환, 정현파 전류 생성을 위한 PWM 지령패턴의 계산 등 복잡한 연산이 필요하기 때문에, 고속연산이 가능한 고가의 CPU가 필수적이다. 셋째, 정현파 전류를 생성하기 위한 PWM 패턴의 복잡한 동작에 대응하여 전류를 센싱해야 하기 때문에, A/D 변환이 고속의 타이밍으로 세밀하게 결정되어야 하며, 결과적으로 고속연산이 가능한 DSP와 같은 고가의 CPU가 필수적이다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간이한 회로 및 낮은 비용으로 높은 성능을 발휘하는 모터시스템 및 그 제어방법과, 이를 이용한 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 모터시스템에 있어서, BLDC모터와; 상기 BLDC모터를 구동시키는 인버터부와; 상기 인버터부의 직류전류를 검출하는 전류검출부와; 상기 BLDC모터의 유기전압을 검출하는 유기전압검출부와; 상기 전류검출부에 의해 검출된 직류전류 및 상기 유기전압검출부에 의해 검출된 유기전압에 기초하여, 상기 인버터부의 출력전압 및 출력주파수 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하는 모터시스템을 제공한다.

상기 BLDC모터는 3상으로 배치된 3개의 코일을 구비하는 고정자와, 상기 고정자에 대하여 회전 가능하도록 배치된 회전자를 포함하며, 상기 인버터부는 상기 각 코일에 유입되는 전류 및 상기 각 코일로부터 유출되는 전류의 흐름을 각각 스위칭하는 3쌍의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 인버터부의 직류전류 및 상기 BLDC모터의 유기전압에 기초하여 d축전류를 구하고, 상기 d축전류가 소정의 목표치에 이르도록 상기 각 쌍의 스위칭 소자를 제어할 수 있다. 유기전압과 직류전류로부터 계산되는 d축 전류에 기초하여, 미리 설정된 d축 전류의 목표치와 일치하도록 인버터의 출력전압 및/또는 출력주파수를 변경함으로써, BLDC모터의 부하상태에 따라 최적의 운전상태를 유지할 수 있고, 부하상태와 관계없이 저소음화 및 고효율화된 운전이 가능하다.

또한, 전류검출부로서, 종래의 과전류 보호수단을 사용할 수 있다. 이에 의해, 모터 전류를 간이하게 측정할 수 있다. 나아가, 모터 전류를 종래 과전류 보호수단을 통해서 검출하기 때문에 별도의 전류센서를 필요로 하지 않아서, 회로의 소형화가 가능하고 저비용화를 실현할 수 있다.

상기 제어부는 구형 또는 사다리꼴의 파형에 기초하여 상기 각 스위칭 소자를 제어할 수 있다. 상기 제어부는, 120도 이상 165도 이하의 통전각을 가지도록 상기 각 스위칭 소자를 제어할 수 있다. 이에 의해, 정현파 구동에 필요한 인버터 전용 PWM파형 발생기능이 없는 통상적인 범용 마이컴으로도 본 발명의 실현이 가능하다. 또한, 간단한 출력파형과 간단한 전류검출수단으로 d축 전류를 제어하는 것이 가능하므로, 저소음 및 고효율의 모터 시스템을 저가로 실현할 수 있다.

상기 제어부는, 3개의 상기 스위칭 소자가 동작되는 구간 중에서 동일한 방향의 2개의 상전류는 각각 상기 인버터의 직류전류의 1/2인 것으로 판단할 수 있다. 이에 의해, 모터 전류에 필요한 연산이 대폭 감소된다.

상기 제어부는, 상기 3쌍의 스위칭 소자 중 어느 하나에 대하여 펄스폭변조(pulse width modulation: PWM)를 수행할 수 있다. 즉, 본 발명의 모터 시스템은 모터에 공급되는 파형의 변조에 있어서 한쪽의 스위칭 소자만을 변조(PWM)하는 "단상 ARM 변조" 혹은 "2상 ARM 변조"를 수행한다. 따라서 3상 ARM 변조를 한 경우와 비교할 때, 전류 검출의 타이밍이 간단하며, 비교적 저속의 A/D 변환으로 전류의 검출이 가능하다. 이에 의해, 고가의 고속 CPU가 아니더라도 전류의 검출이 가능하다.

상기 전류검출부는, 상기 펄스폭변조 중 펄스가 온되어 있는 구간에, 상기 인버터의 직류전류를 검출할 수 있다. 이에 의해, 직류전류의 검출이 용이하게 된다. 상기 유기전압검출부는 상기 3쌍의 스위칭 소자 중 한 쌍의 스위칭 소자가 동시에 오프된 상의 유기전압을 검출할 수 있다.

본 발명의 상기 목적은, 모터시스템에 있어서, BLDC모터와; 상기 BLDC모터를 구동시키는 인버터부와; 상기 BLDC모터의 전류를 평가하는 전류평가부와; 상기 평가된 상기 BLDC모터의 전류에 기초하여 통전각 120도 이상 165도 이하의 비정현파 구동을 수행함으로써 상기 인버터부의 출력전압 및 출력주파수 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하는 모터시스템에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명의 상기 목적은, 상기 모터시스템과, 유체를 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 이동 가능하도록 배치되는 압축부재를 포함하며, 상기 모터시스템은 상기 유체가 압축되도록 상기 압축부재를 이동시키는 압축기에 의해서도 달성될 수 있다. 본 발명은 냉동 시스템에 구비되는 압축기에 적용될 수 있다. 압축기를 구비하는 냉동 시스템은 부하의 변동이 비교적 느리기 때문에, 본 발명의 모터 시스템 을 탑재함으로써 냉각시스템을 소형화 할 수 있고 저비용화를 실현할 수 있다. 또한, 냉각 시스템의 일례인 냉장고는 한정된 공간을 냉각하는 장치이기 때문에, 본 발명인 소형의 모터 시스템이 적용됨으로써 냉장고의 고내 용적을 크게 할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 상기 목적은, BLDC모터와, 상기 BLDC모터를 구동시키는 인버터부를 구비하는 모터시스템의 제어방법에 있어서, 상기 인버터부의 직류전류를 검출하는 단계와; 상기 BLDC모터의 유기전압을 검출하는 단계와; 상기 검출된 직류전류 및 상기 유기전압에 기초하여, 상기 인버터부의 출력전압 및 출력주파수 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 모터시스템의 제어방법에 의해서도 달성될 수 있다.

상기 제어하는 단계는, 상기 인버터부의 직류전류 및 상기 BLDC모터의 유기전압에 기초하여 d축전류를 구하는 단계와; 상기 d축전류가 소정의 목표치에 이르도록 상기 각 쌍의 스위칭 소자를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제어하는 단계는, 구형 또는 사다리꼴의 파형에 기초하여 상기 각 스위칭 소자를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제어하는 단계는, 120도 이상 165도 이하의 통전각을 가지도록 상기 각 스위칭 소자를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제어하는 단계는, 3개의 상기 스위칭 소자가 동작되는 구간 중에서 동일한 방향의 2개의 상전류는 각각 상기 인버터의 직류전류의 1/2인 것으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제어하는 단계는, 상기 3쌍의 스위칭 소자 중 동시에 어느 하나에 대하여 펄스폭변조를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 직류전류를 검출하는 단계는, 상기 펄스폭변조 중 펄스가 온되어 있는 구간에, 상기 인버터부의 직류전류를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 유기전압을 검출하는 단계는, 상기 3쌍의 스위칭 소자 중 한 쌍의 스위칭 소자가 동시에 오프된 상의 유기전압을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 목적은, BLDC모터와, 상기 BLDC모터를 구동시키는 인버터부를 구비하는 모터시스템의 제어방법에 있어서, 상기 BLDC모터의 전류를 평가하는 단계와; 상기 평가된 상기 BLDC모터의 전류에 기초하여 통전각 120도 이상 165도 이하의 비정현파 구동을 수행함으로써 상기 인버터부의 출력전압 및 출력주파수 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 모터시스템의 제어방법에 의해서도 달성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 모터시스템(10)의 구성을 도시한 블록도이다. 모터시스템(10)은 BLDC모터(17)와, BLDC모터(17)를 구동하는 인버터부(13)와, 인버터부(13)의 직류전류를 검출하는 전류검출부(14)와, BLDC모터(17)의 유기전압을 검출하는 유기전압검출부(15)와, 검출된 직류전류 및 유기전압에 기초 하여, 인버터부(13)의 출력전압 및 출력주파수 중 적어도 하나를 제어하는 제어부(16)를 포함한다.

BLDC모터(17)는 3상으로 배치된 3개의 코일을 구비하는 고정자와, 상기 고정자에 대하여 회전 가능하도록 배치된 회전자를 포함한다.

모터시스템(10)은 상용전원인 교류전원(10)을 입력 받아, 직류전압으로 변환하는 컨버터부(12)를 더 포함할 수 있다. 컨버터부(12)는 2상 브리지(bridge)로 구성된 4개의 다이오드(121)와 평활용 캐패시터(122)를 포함하며, 이를 통해 전파 정류를 수행한다. 다른 실시예로서, 컨버터부(12)는 배전압 회로를 구비할 수 있으며, 이 경우 반파 정류를 수행할 수도 있다.

인버터부(13)는 3상 브리지 형태로 접속된 6개의 스위칭 소자(131u, 131v, 131w, 132u, 132v 및 132w; 이하 간략히 ＂131 및 132＂라고도 함)와, 스위칭 소자(131 및 132)를 온/오프시키는 드라이버부(133)를 포함한다. 3쌍의 스위칭 소자(131 및 132)는 BLDC모터(17)의 고정자에 배치된 각 코일에 유입되는 전류 및 각 코일로부터 유출되는 전류의 흐름을 각각 스위칭한다. 드라이버부(133)는 제어부(16)의 제어에 따라 스위칭 소자(131 및 132)를 온/오프시킴으로써, 인버터부(13)가 소정 전압 및 주파수의 3상 교류를 출력하게 한다. 출력된 3상 교류는 BLDC모터(17)에 공급됨으로써 BLDC모터(17)가 동작된다.

전류검출부(14)는 컨버터부(12)와 인버터부(13) 사이에 직렬로 개재된다. 컨버터부(12)로부터 출력된 직류전압은 전류검출부(14)를 통해서 인버터부(13)에 인가된다. 전류검출부(14)는 션트(shunt) 저항으로 구현될 수 있다. 전류검출부(14) 는 인버터부(13)의 스위칭 소자(131 및 132)가 과전류에 의해 파괴되지 않도록 보호하는 과전류 검출 기능을 더 가질 수 있다.

제어부(16)는, 인버터부(13)가 소정의 전압 및 주파수로 BLDC모터(17)를 구동시킬 수 있도록, 스위칭 소자(131 및 132)를 온/오프시키기 위한 신호를 생성하여 인버터부(13)에 공급한다.

인버터부(13)의 출력전압은 유기전압검출부(15)에 인가된다. BLDC모터(17)는 고정자의 코일에 대하여 영구자석인 회전자가 회전하기 때문에 그 동작 중에 유기전압이 발생한다. 따라서 인버터부(13)의 상하 한 쌍의 스위칭 소자(131 및 132)가 동시에 오프된 상태에 있는 상의 유기전압을 유기전압 검출부(15)에 의해 검출함으로써, 회전자의 위치를 추정할 수 있다.

도 4는 본 실시예의 모터시스템(10)의 구동시의 각 신호의 파형을 나타낸 파형도이다. ＂U+＂ 내지 ＂W-＂는 스위칭 소자(131 및 132)에 대한 드라이버부(133)의 온/오프 신호를 나타낸다. ＂Vu-n＂ 내지 ＂Vw-n＂은 각각 U상, V상 및 W상의 출력전압의 파형을 나타낸다. ＂PWM＂으로 표시된 곳은 PWM이 수행되는 것을 나타낸다. 제어부(16)는 150도 구형파에 기초하여 인버터부(13)를 제어한다. 드라이버부(133)는 제어부(16)의 제어에 따라 수 kHz 내지 20kHz 정도의 캐리어 주파수 및 0 내지 100%의 듀티로 스위칭 소자(131 및 132)를 구동한다.

본 실시예에서와 같이 구형파 구동의 경우, PWM 제어는 등폭 PWM이 이용될 수 있다. 다시 말하면, 출력 위상에 관계없이 일정한 듀티로 스위칭 소자(131 및 132)를 구동하면 되기 때문에, 간단한 제어로 실현이 가능하다.

종래 120도 구형파 구동의 경우, 모터의 구동 중 각 시점에서 단 2개의 스위칭 소자만이 온 상태를 유지할 수 있다. 그러나 본 실시에 의하면, 150도 통전을 하고 있기 때문에, 3개의 스위칭 소자(131 및 132 중 어느 3개)가 오버랩(overlap)되어 동작하는 부분이 존재하게 된다. 도 4에 있어서, ＂U+＂상의 0 내지 30도 부분, ＂U-＂상의 180 내지 200도 부분, ＂V+＂상의 120 내지 150도 부분, ＂V-＂상의 300 내지 330도 부분, ＂W+＂상의 240 내지 270도 부분, ＂W-＂상의 60 내지 90도 부분은 이러한 오버랩 부분을 나타낸다.

이러한 오버랩 부분에서는 3개의 상에 있어서 각 하나의 스위칭 소자(131 및 132 중 각 하나)가 온되기 때문에, ＂U+＂ 내지 ＂W-＂에 표시된 유기전압이 나타난다. 그러나 오버랩 후의 부분에 있어서는 1개 상의 상하 스위칭 소자가 모두 오프되는 구간이 존재한다(예를 들어, 30 내지 60도 구간에서 W상). 따라서 이 구간에서는 유기전압이 발생하기 때문에, 유기전압을 검출하여 회전자 위치를 추정하는 것이 가능하다. 통상적으로 위치검출 구간으로는 15도정도가 필요하기 때문에, 본 실시예의 최대 통전각은 165도이다.

이하, 본 실시예에 의한 모터시스템(10)의 구동에 있어서, 벡터제어에 기초한 d축 전류의 산출과 d축 전류의 제어 여부를 시뮬레이션과 실험을 통해서 검토한다.

통상적으로, 정현파 구동에 의한 벡터제어를 수행하기 위해 d축 전류를 구하는데, 먼저, 하기 [수학식 1]과 같은 행렬식을 이용하여 3상/2상 변환을 수행한다.

[수학식 1]

여기에서, Iu 및 Iv는 각각 U상 및 V상의 모터 전류를 나타내며, Ia 및 Ib는 Iu 및 Iv의 2상 변환된 전류를 나타낸다.

다음으로, 2상 변환된 전류(Ia 및 Ib)를 [수학식 2]와 같은 행렬식을 이용하여 d-q축으로 변환한다.

[수학식 2]

여기에서, Id 및 Iq는 각각 d축 전류 및 q축 전류를 나타내며,

는 회전자의 각속도를 나타낸다.

여러 가지 위상 상태에서 상기 수학식에 의해 구해진 d축 전류와 실제 모터전류와의 관계가 검토되었으며, 그 결과는 도 5에 나타난 바와 같다. 도 5는 본 실시예에 있어서 d축 전류와 모터 전류(Iu)의 특성을 나타낸 그래프이다. 도 5에서의 운전 조건은 회전수 1000rpm, 캐리어 주파수는 10kHz이었으며, 통전각을 파라미터로 하였다. 도 5의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 120도 내지 130도 통전의 경우에는 정현파 구동에 비해 약간 차이가 나지만, 통전각이 140도 이상이 되면 정현파와 유사한 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 다시 말하면, 구형파 구동에 있어서도 정현파 구동과 동일한 수식의 전개를 통해 d축 전류를 구할 수 있음을 알 수 있 다.

나아가, 120도 내지 130도 통전의 경우에도, 데이터가 약간 벗어나기만 할 뿐이고 경향 자체는 거의 동일하므로, 구형파 구동에 있어서도 d축 전류를 제어하는 것이 가능하다는 결론을 얻었다. 즉, 원래는 정현파에 기초하여 전개되었던 d-q변환이 구형파 구동에 있어서도 유효하다는 것이다. 이는 구형파 구동에 있어서도 오버랩 구동을 한다면, 전류파형이 정현파에 점점 가까워지기 때문인 것으로 이해된다. 다른 운전조건, 예컨대, 회전속도나 부하상태의 변동을 준 경우에도 그 특성을 검토한 결과, 도 5의 그래프와 대동소이 하였다.

다음으로, 본 실시예에 의한 모터시스템(10)의 구체적인 동작에 관해서 설명한다. 먼저, 본 실시예에서 출력되는 파형은 비정현파로서 통전각은 120도 내지 165도의 구형파 혹은 사다리꼴 파형으로 한다.

이 경우, 회전자의 위치 검출에 있어서, 구형파 혹은 사다리꼴 파형을 사용한 경우에는 모터 전류가 완전한 정현파가 되지 않기 때문에, 정현파 구동에 비해서 큰 오차가 발생할 가능성이 있다. 따라서 회전자 위치 검출은, 상기한 바와 같이, 인버터부(13)의 상하 스위칭 소자(131 및 132)가 동시에 오프되어 있는 구간의 유기전압을 유기전압 검출부(15)에 의해 검출함으로써, 회전자의 위치를 정확하게 검출할 수 있다. 예를 들어, 유기전압 검출부(15)는 유기전압의 제로 크로스 포인트(zero-cross point)를 직접 검출하거나, 전압을 A/D변환하여 제로 크로스 포인트를 예측하는 방법 등으로 회전자의 위치를 추정할 수 있다.

유기전압은 전기각(electrical angle) 360도 당 6회(즉, 60도마다 1회)가 검 출되기 때문에, 냉동시스템이나 냉장고 등과 같이 부하의 변화가 느린 시스템에는 충분하다고 할 수 있다. 또한, 본 실시예의 유기전압의 검출은 3상 모두의 전압을 검출하였으나, 다른 실시예로서, 어느 하나의 상에 대하여만 전기각 360도 당 2회(180도마다 1회)로 유기전압을 검출하더라도, 부하의 변화가 느린 시스템에서는 본 발명이 충분히 실용화 될 수 있다.

다음으로, 본 실시예의 모터시스템(10)에 의한 모터 전류의 추정에 대해서 설명한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(16)는, 온되어 있는 2개 혹은 3개의 스위칭 소자(131 및 132) 중 하나 만에 대하여 변조(PWM)가 수행되도록 드라이버부(133)를 제어한다. 이를, 이른바, ＂단상 ARM 변조＂라고도 한다. 이에 대하여, 복수의 스위칭 소자 중 2개의 상기 변조되는 경우는 ＂2상 ARM 변조＂라고 한다.

통상의 정현파 PWM의 경우, 3상 ARM 변조가 사용되며, U상, V상 및 W상에는 각 위상에 따라 변경되는 PWM 듀티가 출력된다. 따라서 정현파 PWM의 경우, 캐리어 주파수의 1주기 내에 있어서 전류는 복잡하게 변화하게 되고, 직류부분의 전류로부터 A/D변환을 통해 모터 전류를 검출하기 위해서 고속의 A/D변환과 복잡한 타이밍 발생 기법이 요구되기 때문에, 고속처리가 가능한 고가의 CPU가 필요하다.

이에 대하여, 본 실시예의 모터시스템(10)과 같이, 구형파 구동에 있어서 단상 ARM 변조를 수행하는 경우에는, PWM 중에서 온되어 있는 구간의 전류상태가 변화하지 않는다. 따라서 이 구간에서 전류를 측정하면 되기 때문에, 매우 간단한 타이밍으로 모터 전류의 검출이 가능하다. 또한, A/D 변환속도에 있어서도, 3상 ARM 변조에 비해 고속일 필요가 없으며, 저속의 저가 CPU를 통해서도 본 발명의 구현이 가능하다.

본 실시예에 의한 간단한 방법으로 검출한 직류전류에 대해서 모터의 전류를 추정하는 방법을 설명한다. 도 4에 있어서 다음의 각 구간에서 검출한 직류전류(Idc)는 하기와 같이 표현할 수 있다.

본 실시예에서는, 모터 전류를 간단히 구하기 위해서, 중복되는 전류는 단순하게 직류전류(Idc)의 1/2인 것으로 하였다. 그 결과, 예컨대 U상의 모터 전류(Iu)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

구간0: Idc/2

구간1: Idc

구간2: Idc

구간3: Idc

구간4: Idc/2

구간5: 0

구간6: -Idc/2

구간7: -Idc

구간8: -Idc

구간9: -Idc

구간10: -Idc/2

구간11: 0

상기한 바와 같이, 각 구간에 있어서의 모터 전류를 단순화함으로써, 저가의 저속 CPU를 이용하더라도 벡터제어에 관한 계산이 가능해 진다. 본 실시예와 같은 방식으로 모터 전류를 추정해 본 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에서 도면부호 21은 실제 모터의 전류를 나타내고, 도면부호 22는 추정한 모터의 전류, 도면부호 23은 직류전류(Idc)를 나타낸다. 도 7로부터 알 수 있듯이, 본 실시예의 모터시스템(10)의 동작은 매우 간단함에도 불구하고, 추정한 모터 전류와 실제 모터 전류는 비교적 일치하고 있다.

다음으로, 본 실시예의 모터시스템(10)의 제어방법에 대해서 설명한다. 도 8은 이를 도시한 제어흐름도이다. 먼저, 제어부(16)는 목표 회전수가 될 수 있도록 주파수 및 듀티 신호를 발생하고 이를 인버터부(13)에 입력시켜 BLDC모터(17)를 구동한다(S11). 한편, 유기전압 검출부(15)는 유기전압을 검출하며 전류검출부(14)는 인버터(13)의 직류전류(Idc)를 검출한다(S12). 검출된 직류전류(Idc)에 따라 추정된 모터전류와 검출된 유기전압에 기초한 위치정보에 기초하여 3상/2상 변환 및 d-q축 변환을 수행하여 d축 전류를 구한다(S13). 구해진 d축 전류와 미리 정해진 목표치가 일치하도록 PWM 듀티 또는 주파수를 변경하여 인버터부(13)를 제어한다(S14).

통상의 벡터제어에 있어서는 고속 응답의 필요성으로 인하여 얻은 결과를 바로 출력전압에 반영하기 때문에, 이전의 모터 전류로부터 현재의 d축 전류를 구하는 방식으로 제어를 수행한다. 따라서 이를 실현하기 위해서는 고가의 고속 CPU가 필요하다.

이에 대하여, 본 실시예의 모터시스템(10)에 의하면, 실제의 d축 전류와 그 목표치의 오차로 PI제어를 수행하고, 등폭 PWM을 수행하므로 정현파 구동에 비하여 출력 듀티를 상대적으로 천천히 변화시킨다. 따라서 본 발명은 저가의 CPU로 실현될 수 있다. 한편, 출력 듀티로 응답할 수 없을 때에는 출력 주파수를 변경할 수도 있다.

이와 같이, 간단한 구성으로 고성능의 벡터제어와 동등한 수준의 d축 전류를 제어하는 것이 가능하며, 이에 따라 저소음 및 고효율 운전이 가능하다.

또한 상기한 바와 같이, 본 실시예의 모터시스템(10)은 저속 CPU를 사용하여 직류전류를 검출하여 출력전압 또는 출력주파수를 조정하므로, 비교적 부하의 변동이 느린 시스템에 있어서 적용하는 것이 유용하다.

예를 들어, 본 실시예의 모터시스템(10)은 냉각시스템의 압축기 구동에 사용될 수 있다. 이 경우, 본 실시예의 압축기는, 유체를 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 이동 가능하도록 배치되는 압축부재를 포함한다. 모터시스템(10)은 상기 챔버 내의 유체가 압축되도록 압축부재를 이동시킨다.

본 실시예에 의하면, 냉각시스템의 압축기에 있어서 고효율화와 저소음화를 도모할 수 있다. 또한, 냉각 시스템의 압축기의 부하는 압축기의 흡입압력과 토출압력에 의해 결정되기 때문에, 부하의 변동이 부드러운 시스템이다. 이러한 냉각 시스템에 대해서 본 실시예의 모터시스템(10)을 탑재함으로써 소형화와 저비용화를 동시에 도모할 수 있다.

또한, 냉장고와 같은 냉각 시스템은 한정된 공간을 냉각시키는 장치이기 때문에, 부하의 변동폭이 작아서 본 실시예의 모터시스템(10)이 적절히 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 인버터를 소형화함으로서 고내 용적을 증가시키고 비용을 감소시킬 수 있다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 간이한 회로 및 낮은 비용으로 높은 성능을 발휘하는 모터시스템 및 그 제어방법과, 이를 이용한 압축기를 제공할 수 있다.

Claims

모터시스템에 있어서,

BLDC모터와;

상기 BLDC모터를 구동시키는 인버터부와;

상기 인버터부의 직류전류를 검출하는 전류검출부와;

상기 BLDC모터의 유기전압을 검출하는 유기전압검출부와;

상기 전류검출부에 의해 검출된 직류전류 및 상기 유기전압검출부에 의해 검출된 유기전압에 기초하여 d축전류를 구하고, 상기 d축전류가 소정의 목표치에 이르도록 상기 인버터부의 출력전압 및 출력주파수 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하는 모터시스템.
제1항에 있어서,

상기 BLDC모터는 3상으로 배치된 3개의 코일을 구비하는 고정자와, 상기 고정자에 대하여 회전 가능하도록 배치된 회전자를 포함하며,

상기 인버터부는 상기 각 코일에 유입되는 전류 및 상기 각 코일로부터 유출되는 전류의 흐름을 각각 스위칭하는 3쌍의 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터시스템.
삭제
제2항에 있어서,

상기 제어부는 구형 또는 사다리꼴의 파형에 기초하여 상기 각 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터시스템.
제2항에 있어서,

상기 제어부는, 120도 이상 165도 이하의 통전각을 가지도록 상기 각 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터시스템.
제2항에 있어서,

상기 제어부는, 3개의 상기 스위칭 소자가 동작되는 구간 중에서 동일한 방향의 2개의 상전류는 각각 상기 인버터의 직류전류의 1/2인 것으로 판단하는 특징으로 하는 모터시스템.
제2항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 3쌍의 스위칭 소자 중 어느 하나에 대하여 펄스폭변조(pulse width modulation: PWM)를 수행하는 것을 특징으로 하는 모터시스템.
제2항에 있어서,

상기 전류검출부는, 상기 펄스폭변조 중 펄스가 온되어 있는 구간에, 상기 인버터의 직류전류를 검출하는 것을 특징으로 하는 모터시스템.
제2항에 있어서,

상기 유기전압검출부는 상기 3쌍의 스위칭 소자 중 한 쌍의 스위칭 소자가 동시에 오프된 상의 유기전압을 검출하는 것을 특징으로 하는 모터시스템.
모터시스템에 있어서,

BLDC모터와;

상기 BLDC모터를 구동시키는 인버터부와;

상기 BLDC모터의 전류를 평가하는 전류평가부와;

상기 평가된 상기 BLDC모터의 전류에 기초하여 통전각 120도 이상 165이하의 비정현파 구동을 수행함으로써 상기 인버터부의 출력전압 및 출력주파수 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하는 모터시스템.
제1항 내지 제10항 중 어느 하나에 기재된 상기 모터시스템과, 유체를 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 이동 가능하도록 배치되는 압축부재를 포함하며, 상기 모터시스템은 상기 유체가 압축되도록 상기 압축부재를 이동시키는 압축기.
BLDC모터와, 상기 BLDC모터를 구동시키는 인버터부를 구비하는 모터시스템의 제어방법에 있어서,

상기 인버터부의 직류전류를 검출하는 단계와;

상기 BLDC모터의 유기전압을 검출하는 단계와;

상기 검출된 직류전류 및 상기 유기전압에 기초하여, 상기 인버터부의 출력전압 및 출력주파수 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 모터시스템의 제어방법.
제12항에 있어서,

상기 BLDC모터는 3상으로 배치된 3개의 코일을 구비하는 고정자와, 상기 고정자에 대하여 회전 가능하도록 배치된 회전자를 포함하며,

상기 인버터부는 상기 각 코일에 유입되는 전류 및 상기 각 코일로부터 유출되는 전류의 흐름을 각각 스위칭하는 3쌍의 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터시스템의 제어방법.
제13항에 있어서,

상기 제어하는 단계는,

상기 인버터부의 직류전류 및 상기 BLDC모터의 유기전압에 기초하여 d축전류를 구하는 단계와;

상기 d축전류가 소정의 목표치에 이르도록 상기 각 쌍의 스위칭 소자를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터시스템의 제어방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 제어하는 단계는, 구형 또는 사다리꼴의 파형에 기초하여 상기 각 스위칭 소자를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터시스템의 제어방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 제어하는 단계는, 120도 이상 165도 이하의 통전각을 가지도록 상기 각 스위칭 소자를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터시스템의 제어방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 제어하는 단계는, 3개의 상기 스위칭 소자가 동작되는 구간 중에서 동일한 방향의 2개의 상전류는 각각 상기 인버터의 직류전류의 1/2인 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터시스템의 제어방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 제어하는 단계는, 상기 복수의 스위칭 소자 중 동시에 어느 하나에 대하여 펄스폭변조를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터시스템의 제어방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 직류전류를 검출하는 단계는, 상기 펄스폭변조 중 펄스가 온되어 있는 구간에, 상기 인버터부의 직류전류를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터시스템의 제어방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 유기전압을 검출하는 단계는, 상기 3쌍의 스위칭 소자 중 한 쌍의 스위칭 소자가 동시에 오프된 상의 유기전압을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터시스템의 제어방법.
BLDC모터와, 상기 BLDC모터를 구동시키는 인버터부를 구비하는 모터시스템의 제어방법에 있어서,

상기 BLDC모터의 전류를 평가하는 단계와;

상기 평가된 상기 BLDC모터의 전류에 기초하여 통전각 120도 이상 165도 이하의 비정현파 구동을 수행함으로써 상기 인버터부의 출력전압 및 출력주파수 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 모터시스템의 제어방법.