KR100775703B1

KR100775703B1 - 브러시리스 모터의 기동방법, 구동 장치 및 냉장고

Info

Publication number: KR100775703B1
Application number: KR1020067015324A
Authority: KR
Inventors: 고사쿠 아다치; 유키 마루타니
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바; 도시바 콘슈머 마케팅 가부시끼 가이샤; 도시바 가덴세이조 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2007-11-09
Also published as: TW200537795A; CN100459406C; WO2005074118A1; TWI268653B; CN1914788A; JP2005218208A; KR20060127941A

Abstract

본 발명은 브러시리스 모터의 기동방법, 구동 장치 및 냉장고에 관한 것으로서, 직류 여자에 의해 로터를 미리 정해진 초기 위치로 회전 이동시키는 초기 위치 이동 단계(ta∼tc)와, 미리 설정된 통전 패턴에 따라서 통전함으로써 로터를 초기 위치에서 회전시키는 강제 전류 단계(tc∼td)와, 추정한 로터의 회전 위치에 기초한 회전 제어로 이행하는 이행 단계(td)로 이루어지고, 상기 초기 위치 이동 단계는 초기 위치에서 이간된 예비 여자 위치에 로터가 회전 이동하도록 직류 여자의 전류를 제 1 전류값까지 상승시키는 제 1 단계(ta∼tb)와, 로터가 예비 여자 위치에서 초기 위치로 회전 이동하도록 직류 여자의 전류를 제 1 전류값보다도 큰 제 2 전류값까지 상승시키는 제 2 단계(tb∼tc)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 기동 방법이다.

Description

브러시리스 모터의 기동방법, 구동 장치 및 냉장고{BRUSHLESS MOTOR START METHOD, DRIVE DEVICE, AND REFRIGERATOR}

본 발명은 권선을 갖는 스테이터와 영구자석을 갖는 로터를 구비한 브러시리스 모터의 기동 방법, 구동 장치 및 브러시리스 모터를 콤프레서의 구동 수단으로 이용한 냉장고에 관한 것이다.

종래부터 냉장고나 공기 조화기 등의 냉동 사이클에 있어서, 레시프로(recipro)식 콤프레서가 채용되고 있다. 현재에는 상기 콤프레서를 직류 브러시리스 모터로 구동하는 것이 주류로 되어 있다.

상기 브러시리스 모터는 복수 상(相)의 권선이 감겨진 스테이터와 영구자석을 구비한 복수 극(極)의 로터로 구성되어 있다. 콤프레서의 내부는 고온, 고압이 되므로 위치 센서를 장착하는 것이 어렵다. 이 때문에 권선의 전류 또는 전압에 기초하여 로터의 회전 위치를 검출하고, 이 검출 위치에 기초하여 회전 제어를 실시하는 센서리스 구동 장치가 이용되고 있다.

상기 센서리스 구동장치는 브러시리스 모터의 정지 상태에서 로터의 위치를 검출할 수 없다. 따라서, 센서리스 구동장치는 브러시리스 모터를 기동할 때, 위치 정보를 이용하지 않고, 미리 설정된 통전 패턴에 기초하여 권선에 전류를 흐르 게 하고, 로터를 소정의 회전 속도까지 가속시키는 강제 전류(轉流)를 실시한다. 이 경우, 로터의 급격한 회전 이동을 방지하기 위해, 예를 들면 일본 공개특허공보 소화61년(1986년) 제 1290호에 개시되어 있는 바와 같이, 직류 여자(勵磁)에 의해 로터를 초기 상태로 회전 이동시키고 나서 상기 강제 전류를 실시하도록 하고 있다.

구체적으로는 센서리스 구동 장치는 직류 여자의 전류를 서서히 상승시키고, 로터를 초기 위치로 회전 이동시킨다. 그리고, 미리 설정된 전류값까지 상승시켰을 때, 로터가 초기 위치까지 회전 이동하고 있다고 간주하여, 이 전류값 그대로 상기 강제 전류로 이행한다.

상기 기동 방법에 의하면 전류값의 급격한 변화를 저감할 수 있으므로 로터의 급격한 회전 이동을 저감할 수 있고, 기동시의 탈조(脫調)를 방지하기 쉽게 된다.

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그러나, 정지하고 있는 로터를 직류 여자에 의해 초기 상태로 회전 이동시키는 경우, 발생 자계의 방향과 자극과의 위치 관계에 따라서는 초기 위치로 회전 이동시킬 수 없거나, 직류 여자에서 강제 전류로의 이행 직전에 로터가 급격히 회전 이동하여 탈조하는 것이 있었다. 이하, 이 현상에 대해 도 14 내지 도 16을 참조하면서 설명한다.

상기 도면은 레시프로식 콤프레서의 실린더 내의 피스톤의 위치와, 4 극의 브러시리스 모터의 로터 위치와의 관계를 모식적으로 도시하고 있다. 로터(201)에는 회전축에서 어긋난 위치에 크랭크핀(202)이 고정되어 있다. 상기 크랭크핀(202)은 링크(203)를 통해 실린더실(204) 내의 피스톤(205)과 연결되어 있다.

상기 로터(201)의 초기 위치(X)는 로터(201)의 S 극에 대응하여 로터(201)에 장착된 크랭크핀(202)이 도면 중, X1 또는 X2 위치에 있는 상태이다. 스테이터의 권선을 직류 여자하여 X1 방향 및 X2 방향으로 N 극의 자계를 발생시키면, 로터(201)는 위치(X1, X2) 중 어느 한 방향으로 회전한다. 도 14에서는 CW 방향으로 회전하고, 크랭크핀(202)의 위치(이하, '로터 위치'라고 함)가 초기 위치(X1)로 이동한다.

이에 대해, 도 15에 도시한 바와 같이 S극에 대응한 크랭크핀(202)이 위치(X1)와 위치(X2)의 중간점(Z)에 정지하고 있는 경우, 직류 여자를 실시하여 권선의 전류를 소정의 전류값까지 증가시켜도 자력의 균형에 의해 로터(201)가 회전 이동할 수 없는 경우가 있다.

이 경우에도 센서리스 구동 장치는 직류 여자의 전류를 소정의 전류값까지 증가시켰을 때, 로터(201)가 초기 위치(X1 또는 X2)에서 정지하고 있는 것으로 간주하여 강제 전류로 이행한다. 이 때문에 강제 전류에 의해 로터(201)를 예를 들면 CW 방향으로 회전시킬 경우에는 강제 전류로의 이행 직후에 N극의 자계가 X1-X2 방향(파선으로 나타냄)에서 X3-X4 방향(이점쇄선으로 나타냄)으로 이동하고, 중간점(Z)에서 정지하는 로터(201)는 일단 위치(X2(X4)) 방향(CCW 방향)으로 당겨진다.

그 결과, 강제 전류 직후에 자계의 회전 방향과 로터(201)의 회전 방향이 반대가 되어 탈조할 우려가 있었다. 또한, 탈조하지 않아도 로터(201)의 급격한 속도 변화에 의해 진동이 생기고, 로터(201)를 유지하는 도시하지 않은 프레임이 콤프레서의 밀폐 케이스에 충돌하여 이상한 음이 발생하는 경우가 있었다.

또한, 도 16에 도시한 바와 같이, 로터(201)의 정지 위치가 중간점(Z)의 근방 위치(R)인 경우도 있다. 이 경우에도 직류 여자를 개시한 직후는 자력의 균형에 의해 로터(201)는 정지하고 있다. 그러나, 전류를 소정값 예를 들면 1.7A 이상까지 상승시키면 위치(X1)의 자계(N극)와 로터(201)의 S극과의 사이에 작용하는 자력과, 위치(X2)의 자계(N극)와 로터(201)의 S극과의 사이에 작용하는 자력과의 차가 커진다. 이 때문에, 로터(201)는 위치(X1) 또는 위치(X2) 중 가까운 방향(도 16에서는 CW 방향)으로 회전한다. 이 회전 개시 시의 전류값은 이미 커져 있으므로 로터(201)의 자극에 작용하는 자력이 크고, 로터(201)가 급격히 회전 이동한다. 그 결과, 로터(201)의 급격한 속도 변화에 의한 진동이 생기고, 로터(201)를 유지하는 프레임이 콤프레서의 밀폐 케이스에 충돌하여 이상한 음이 발생하는 경우가 있었다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 확실히 기동할 수 있는 브러시리스 모터의 기동 방법 및 구동 장치를 제공하는 것, 및 콤프레서를 구동하는 브러시리스 모터에 대해 상기 기동 방법을 적용한 냉장고를 제공하는 것에 있다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 브러시리스 모터의 기동 방법은,

권선을 갖는 스테이터와 영구자석을 갖는 로터를 구비한 브러시리스 모터의 기동 방법에 있어서,

상기 권선에 대해 직류 여자를 실시함으로써 상기 로터를 미리 정해진 초기 위치로 회동 이동시키는 초기 위치 이동 단계,

상기 권선에 대해 미리 설정된 통전 패턴에 따라서 통전함으로써 상기 로터를 상기 초기 위치에서 회전시키는 강제 전류 단계, 및

상기 권선의 전류 또는 전압을 이용하여 추정한 상기 로터의 회전 위치에 기초한 회전 제어로 이행하는 이행 단계로 이루어지고,

상기 초기 위치 이동 단계는 상기 초기 위치에서 이간된 예비 여자 위치에 상기 로터가 회전 이동하도록 상기 직류 여자의 전류를 제 1 전류값까지 상승시키는 제 1 단계와, 상기 로터가 상기 예비 여자 위치에서 상기 초기 위치로 회전 이동하도록 상기 직류 여자의 전류를 상기 제 1 전류값 보다도 큰 제 2 전류값까지 상승시키는 제 2 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 냉장고는 브러시리스 모터와, 상기 브러시리스 모터에 의해 구동되는 레시프로식 콤프레서를 구비한 냉장고에 있어서,

상기 브러시리스 모터의 기동 시에 미리 정해진 초기 위치에서 이간된 예비 여자 위치로 상기 로터가 회전 이동하도록 상기 권선의 전류를 제 1 전류값까지 상승시키는 직류 여자 제어를 실시하고, 그 후 상기 로터가 상기 예비 여자 위치에서 상기 초기 위치로 회전 이동하도록 상기 권선의 전류를 상기 제 1 전류값보다도 큰 제 2 전류값까지 상승시키는 직류 여자 제어를 실시하고, 그 후 상기 로터가 상기 초기 위치에서 회전하도록 강제 전류 제어를 실시하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면 브러시리스 모터의 기동 시에 로터를 확실히 초기 위치로 회전 이동시킨 상태에서 강제 전류(轉流)로 이행할 수 있으므로 진동이나 탈조를 방지하여 확실히 기동할 수 있다.

도 1은 제 1 실시형태를 나타내는 모터의 기동 타임차트,

도 2는 구동 장치의 블록 구성도,

도 3은 콤프레서의 종단면도,

도 4는 로터의 자극과 스테이터 권선의 위치 관계를 모식적으로 도시한 도면,

도 5는 냉장고의 종단면도,

도 6은 3 상의 전류와 2 상의 전류와의 관계를 나타내는 벡터 도면,

도 7은 αβ축의 전류와 dq축의 전류와의 관계를 나타내는 벡터 도면,

도 8은 로터의 정지 위치와 전류값과의 관계를 나타내는 도면,

도 9는 4 극의 모터에 대해 예비 여자 위치의 범위를 나타내는 설명도,

도 10은 로터가 초기 위치의 중간점에 정지하고 있는 상태를 나타내는 설명도,

도 11은 로터를 예비 여자 위치로 회전 이동시킨 상태를 나타내는 설명도,

도 12는 로터를 초기 위치로 회전 이동시킨 상태를 나타내는 설명도,

도 13은 제 2 실시형태를 나타내는 모터의 기동 타임차트,

도 14는 로터가 초기 위치로 회전 이동하는 상태를 나타내는 설명도,

도 15는 로터가 초기 위치의 중간점에 정지하고 있는 상태를 나타내는 설명도, 및

도 16은 로터가 초기 위치 근방에 정지하고 있는 상태를 나타내는 설명도이다.

(제 1 실시형태)

이하, 본 발명의 제 1 실시형태에 대해 도 1 내지 도 12를 참조하면서 설명한다.

도 5는 냉장고의 종단면도이다. 냉장고 본체(1)는 단열 상자체(2)내에 상단에서 차례로 냉장실(3), 야채실(4), 전환실(5) 및 냉동실(6)을 구비하여 구성되어 있다. 냉장고 본체(1)의 전면 개구부에는 상단에서 차례로 각 저장실(3∼6)의 문(7∼10)이 설치되어 있다. 또한, 특별히 도시하지 않지만 제빙실이 전환실(5)에 병설되어 있다.

냉장실(3)의 배면 및 냉동실(6)의 배면에는 각각 냉동 사이클을 구성하는 냉장실용 냉각기(12)(이하, 'R증발기'라고 함), 냉동실용 냉각기(14)(이하, 'F증발기'라고 함)가 설치되어 있고, 그 각 상부에는 각각 냉장실용 팬(11), 냉동실용 팬(13)이 설치되어 있다. 팬(11, 13)이 운전되면 R증발기(12), F증발기(14)에 의해 생성된 냉기가 각 실로 공급되고, 각 실의 설정 온도에 따른 냉각이 실시된다.

냉장고 본체(1)의 배면 바닥부에는 기계실(15)이 설치되어 있다. 그 내부에는 레시프로식 콤프레서(16), 콤프레서 구동용 브러시리스 모터(17)(이하, '모터'라고 함)를 제어하는 구동 장치(18) 등이 설치되어 있다.

도 3은 레시프로식 콤프레서(16)의 종단면도이다. 이하, 이 콤프레서(16)의 구조에 대해 설명한다.

콤프레서(16)의 밀폐 케이스(19) 내의 상하 방향 거의 중간부에는 프레임(20)이 스프링(21)을 통해 탄성적으로 지지되어 있다. 프레임(20)상에는 콤프레스(compress) 기구부(22)가 설치되고, 프레임(20)의 하방에는 모터(17)가 설치되어 있다. 또한, 프레임(20)의 중심부에는 회전 지지용 구멍(23)이 설치되어 있고, 주축인 회전축(24)이 회전이 자유롭게 끼워져 있다.

상기 회전축(24)의 상단부에는 차양(collar)부(25)가 일체로 형성되어 있다. 상기 차양부(25)의 상부에는 크랭크핀(26)이 회전축(24)의 중심축에 대해 편심(偏心) 상태로 고정되어 있다. 회전축(24)이 회전하면 차양부(25)는 프레임(20)의 상면과 슬라이딩 접촉한 상태로 회전하고, 크랭크핀(26)은 회전축(24)에 대해 편심 회전하도록 되어 있다.

콤프레서 기구부(22)에는 실린더(27)가 설치되어 있고, 실린더실(28)에는 왕복운동 가능하도록 피스톤(29)이 수용되어 있다. 피스톤(29)과 상기 크랭크핀(26)은 링크(30)에 의해 연접되어 있다. 즉, 피스톤(29)은 링크(30)의 한단과 볼조인트 기구부(31)를 통해 연결되어 있고, 링크(30)의 타단(30a)은 크랭크핀(26)에 대 해 회전이 자유롭게 연결되어 있다. 이 구성에 의하면 크랭크핀(26)이 편심 회전하면 링크(30)가 볼조인트 기구부(31)를 지점(支点)으로 하여 요동 운동을 하고, 피스톤(29)은 실린더실(28) 내를 왕복 운동한다.

또한, 실린더(27)의 내부 단부(도 3에서는 좌측 단)에는 밸브 기구(33)가 설치되어 있다. 상기 밸브 기구(33)는 도시하지 않은 흡입실을 통해 냉매 가스를 흡입하고, 도시하지 않은 토출실을 통해 실린더실(28)에서 압축된 고압 가스를 냉매 사이클 내로 토출하도록 되어 있다.

모터(17)는 프레임(20)에서 아래쪽으로 돌출된 회전축(24)에 삽입되어 장착시킨 로터(34)와 스테이터(35)로 구성되어 있다. 로터(34)에는 영구자석(32)이 매립되어 있다. 로터(34)의 외주면과 스테이터(35)의 내주면 사이에는 협소한 틈(갭)이 설치되어 있다. 도 4는 모터(17)에 대해 로터(34)의 자극과 스테이터(35)의 권선(49)과의 위치 관계를 모식적으로 도시한 도면이다. 모터(17)는 직류 브러시리스 모터이고, 본 실시형태에서는 3 상 6 슬롯 4 극의 내전형(內轉型) 모터이다.

계속해서, 콤프레서(16)의 동작에 대해 설명한다.

모터(17)로의 통전에 의해 회전축(24)이 회전하면 크랭크핀(26)이 회전축(24)과 일체로 편심 회전한다. 이 편심 회전은 링크(30)와 볼조인트 기구부(31)를 통해 실린더실(28) 내의 피스톤(29)의 왕복 운동으로 변환된다.

밀폐 케이스(19) 내에는 R증발기(12) 또는 F증발기(14)로 증발된 냉매 가스가 인도된다. 이 냉매 가스는 피스톤(29)이 하사점을 향해 이동하면(흡입 공정), 밸브 기구(33)를 통해 실린더실(28)로 흡입된다.

반대로 피스톤(29)이 상사점을 향해 이동하면(압축 공정), 냉매 가스는 압축되고, 밸브 기구(33)를 통해 토출관으로부터 냉매 사이클로 인도된다. 이와 같이 모터(17)의 회전에 의해 압축 공정과 흡입 공정이 반복되고, 냉동 사이클 내의 냉매가 순환되어, 각 저장실(3∼6)이 냉각되도록 되어 있다.

계속해서, 모터(17)를 회전 제어하는 구동 장치(18)의 구성에 대해 설명한다.

도 2는 구동 장치(18)의 블록 구성도이다. 구동 장치(18)는 모터(17)에 흐르는 전류에 기초하여 회전 위치를 검출하는, 이른바 센서리스 구동 장치이다. 구동 장치(18)는 인버터 회로(36), 정류 회로(37), PWM 형성부(38), A/D 변환부(39), dq 변환부(40), 속도 검출부(41), 속도 지령 출력부(42), 속도 PI 제어부(43), d축 전류 PI 제어부(44), q축 전류 PI 제어부(45), 3 상 변환부(46) 및 초기 패턴 출력부(47)를 구비하고 있다.

구동 장치(18) 중 인버터 회로(36)와 정류 회로(37)를 제외한 부분 및 후술하는 주 제어부(48)는 마이크로 컴퓨터에 의해 구성되어 있다. 또한, d축 전류 PI 제어부(44), q축 전류 PI 제어부(45), 3 상 변환부(46) 및 PWM 형성부는 전류 제어부(55)(전류 제어 수단)을 구성하고 있다.

인버터 회로(36)는 모터(17)를 회전시킨 경우, 모터(17)의 3 상(u상, v상, w상)의 스테이터 권선(49u, 49v, 49w)에 3 상의 구동 전류를 흐르게 한다. 상기 인버터 회로(36)는 파워 스위칭 반도체 소자인 트랜지스터(TrT∼Tr6)(본 실시형태에서는 IGBT)를 직류 전원선(50p)과 (50n) 사이에 풀브릿지 접속한 구성을 구비하고 있다. 하부 아암측의 트랜지스터(Tr4, Tr5, Tr6)와 직류 전원선(50n) 사이에는 각각 전류를 검출하기 위한 샨트(shunt) 저항(R1, R2, R3)(전류 검출기)이 접속되어 있다.

정류 회로(37)는 상용 전원(예를 들면, AC100V)인 교류 전원(51)의 교류 전압을 정류하여 인버터 회로(36)에 공급한다.

PWM 형성부(38)는 후술하는 3 상의 전압(Vu, Vv, Vw)에 기초하여 펄스폭 변조를 실시하여 트랜지스터(Tr1∼Tr6)의 각 게이트에 PWM 신호(전류 신호)를 출력한다.

A/D 변환부(39)는 샨트 저항(R1, R2, R3)의 각 전압을 입력하고, 이를 아날로그값에서 디지털값으로 변환하고, 그 A/D 변환값에 기초하여 상 전류(Iu, Iv, Iw)를 검출한다.

dq 변환부(40)는 A/D 변환부(39)로부터 출력된 상 전류(Iu, Iv, Iw)를 자속에 대응한 전류 성분인 d축(direct-axis)의 전류(Id)와, 토크에 대응한 전류 성분인 q축(quadrature-axis)의 전류(Iq)로 변환한다. 이 경우, 우선 수학식 1에 나타내는 3 상-2 상 변환을 실시하고, 3 상의 전류(Iu, Iv, Iw)를 2 상의 전류(Iα, Iβ)로 변환한다. 도 6은 3 상의 전류와 2 상의 전류와의 관계를 나타내는 벡터도이다.

계속해서, 하기 수학식 2에 나타내는 dq 좌표 변환을 실시하고, 2 상의 전류(Iα, Iβ)를 d축 전류(Id)와 q축 전류(Iq)로 변환한다. 도 7은 2 상의 전류(Iα, Iβ)와 d축 전류(Id), q축 전류(Iq)와의 관계를 나타내는 벡터도이다. 또한, 수학식 1과 수학식 2에 나타내는 연산은 한번에 정리하여 실시해도 좋다.

속도 검출부(41)는 검출한 d축 전류(Id)와 q축 전류(Iq)에 기초하여 모터(17)의 로터(34)의 회전각(θ)을 검출한다. 그리고, 이 회전각(θ)을 미분함으로써 회전 속도(ω)를 구한다.

주 제어부(48)는 각 저장실(3∼6)의 온도 제어 등 냉장고 전반의 제어를 실시하는 것이다. 주 제어부(48)는 dq 변환부(40)로 보내져 온 q축 전류(Iq)에 기초하여 속도 지령 신호(S)를 출력한다.

속도 지령 출력부(42)는 주 제어부(48)로부터 출력된 속도 지령 신호(S)와 속도 검출부(41)로부터 출력된 회전 속도(ω)에 기초하여 기준 회전 속도(ωref)를 생성하여 출력한다. 기준 회전 속도(ωref)는 속도 지령 신호(S)에 대해 스케일 (scale) 변환 및 리밋(limit) 처리를 실시한 것이다. 감산기(52)는 기준 회전 속도(ωref)에서 현재의 회전 속도(ω)를 감산하여 차분량(속도 편차)을 출력한다.

속도 PI 제어부(43)는 상기 속도 편차를 입력하여 PI 연산을 실시하고, 기준 d축 전류(Idref)와 기준 q축 전류(Iqref)를 출력한다. 감산기(53)는 기준 d축 전류(Idref)에서 검출한 d축 전류(Id)를 감산하여 d축 전류 편차를 출력한다. 마찬가지로 감산기(54)는 기준 q축 전류(Iqref)에서 검출한 q축 전류(Iq)를 감산하여 q축 전류 편차를 출력한다.

d축 전류 PI 제어부(44)는 d축 전류 편차를 입력하여 PI 연산을 실시하고, 기준 d축 전압(Vd)을 출력한다. 마찬가지로 q축 전류 PI 제어부(45)는 q축 전류 편차를 입력하여 PI 연산을 실시하여 기준 q축 전압(Vq)을 출력한다.

3 상 변환부(46)는 기준 d축 전압(Vd)과 기준 q 전압(Vq)을 3 상의 전압(Vu, Vv, Vw)으로 변환하고, 이를 PWM 형성부(38)에 출력한다. 이 경우, 우선 수학식 3에 나타내는 dq 좌표 변환을 실시하고, 기준 d축 전압(Vd)과 기준 q전압(Vq)을 2 상의 전압(Vα, Vβ)으로 변환한다.

계속해서, 하기 수학식 4에 나타내는 3 상-2 상 변환을 실시하고, 2 상의 전압(Vα, Vβ)을 3 상의 전압(Vu, Vv, Vw)으로 변환한다.

초기 패턴 출력부(47)(전류 지령 수단)에는 콤프레서(16)(모터(17))를 기동시킬 때의 기동 패턴이 설정되어 있다. 구동 장치(18)는 모터(17)의 기동 시에 이 설정된 기동 패턴에 따라서 운전을 개시하도록 되어 있다. 여기서, 기동 패턴이라는 것은 후술하는 초기 위치 이동 단계에서 이용되는 회전 초기 위치 전류(Idinit1, Iqinit 1)(직류 여자 지령 전류)와 강제 전류 단계에서 이용되는 시동 d축 전류(Idinit2), 시동 q축 전류(Iqinit2)(강제 전류(轉流) 지령 전류(電流))의 크기, 지속 시간, 변화율 등 기동에 관한 데이터이다.

계속해서, 정지 상태에 있는 콤프레서(16)의 운전을 개시할 때의 구동 장치(18)에 의한 모터(17)의 기동 제어에 대해 도 1 및 도 8 내지 도 12도 참조하면서 설명한다. 도 10 내지 도 12는 콤프레서(16)의 실린더실(28)의 피스톤(29)의 위치와, 모터(17)의 로터(34)의 위치와의 관계를 모식적으로 도시하고 있다.

정지 상태에 있는 모터(17)를 기동하여 통상의 속도 제어 상태로 이행시키기 위해서는 초기 패턴 출력부(47)에 설정되어 있는 기동 패턴에 따라서 초기 위치 이동 단계, 강제 전류 단계 및 속도 제어 이행 단계를 차례로 실행한다.

초기 위치 이동 단계는 임의의 위치에 정지하고 있는 로터(34)를 초기 위치(X)(도 10 내지 도 12 참조)로 회전 이동시키는 단계이다. 강제 전류 단계는 회전 위치 정보를 이용하지 않고 강제 전류에 의해 모터(17)를 회전시키고, 위치 검출이 가능해지는 회전 속도까지 가속시키는 단계이다. 속도 제어 이행 단계는 강제 전류 제어에서 위치 신호에 기초한 전류 제어로 전환하는 단계이다.

초기 위치 이동 단계는 후술한다. 우선은 강제 전류 단계부터 설명한다.

도 1은 모터(17)의 기동 타임차트이다. 구동 장치(18)는 초기 위치 이동 단계의 종료 시각(tc) 이후, 모터(17)를 미리 설정된 가속도 예를 들면, 150Hz/s²로 가속시킨다. 구체적으로는 권선(49)에 일정한 시동 d축 전류(Idinit2)가 흐르도록 전류 제어함과 동시에 로터(34)가 정상으로 회전하고 있는 것으로 간주하여 강제 전류를 위한 PWM 신호를 인버터 회로(36)에 출력한다. 강제 전류를 실시하는 것은 기동 시의 저속 영역에서는 위치 검출이 가능하지 않기 때문이다. 이 때, 속도 제어, 즉 q축 전류(Iq)의 제어는 실시하지 않고, 시동 q축 전류(Iqinit2)는 0으로 하고 있다.

구동 장치(18)는 로터(34)가 상기 기동 패턴에 의해 미리 설정된 전환 속도, 예를 들면 10Hz/s(=600rpm)에 도달하는 시각(td)까지 강제 전류를 계속한다. 그리고, 시각(td)에서 강제 전류 단계에서 속도 제어 이행 단계로 전환한다.

구동 장치(18)는 속도 제어 단계로의 이행 시각(td) 이후, 검출한 d축 전류(Id)와 q축 전류(Iq)에 기초하여 회전 속도(ω)와 로터(34)의 회전 위치(θ)를 검출하고, 이 회전 속도(ω)와 기준 회전 속도(ωref)에 기초하여 생성한 PWM 신호를 인버터 회로(36)에 출력한다. 인버터 회로(36)는 이 PWM 신호에 기초하여 트랜지스터(TrT∼Tr6)의 스위칭을 실시하고, 모터(17)의 권선(49)에 3 상의 전압을 출력 한다. 이에 의해 모터(17)가 기준 회전 속도(ωref)에 일치한 회전 속도(ω)로 회전하도록 속도 제어(피드백 제어)가 실시된다.

계속해서, 초기 위치 이동 단계에 대해 설명한다.

초기 위치 이동 단계는 제 1 단계와 제 2 단계로 이루어진다. 주 제어부(48)가 시각(ta)에서 초기 패턴 출력부(47)에 대해 콤프레서(16)의 구동 지령을 출력하면 초기 패턴 출력부(47)는 속도 PI 제어부(43)에 대해 소정 시간, 예를 들면 3초간에 걸쳐 회전 초기 위치 전류(Idinit1, Iqinit1)를 출력한다(제 1 단계). 이 전류는 로터(34)를 후술하는 예비 여자 위치(Y)(도 11에 나타내는 Y1 또는 Y2)로 회전 이동시키기 위한 직류 여자 전류이다. 회전 초기 위치 전류(Idinit1)는 0에서 제 1 전류값(I1) 예를 들면 1A까지 서서히 증가하는 전류이다. 회전 초기 위치 전류(Iqinit1)는 0으로 설정되어 있다.

초기 패턴 출력부(47)는 시각(tb)에 회전 초기 위치 전류(Idinit1)가 제 1 전류값(I1)에 도달하면 직류 여자 전류를 일단 0으로 한다. 그 후, 다시 속도 PI 제어부(43)에 대해 소정 시간, 예를 들면 3초간에 걸쳐 회전 초기 위치 전류(Idinit1, Iqinit1)를 출력한다(제 2 단계). 이 전류는 로터(34)를 초기 위치(X)에 회전 이동시키기 위한 직류 여자 전류이다. 회전 초기 위치 전류(Idinit1)는 0에서 제 2 전류값(I2) 예를 들면 2A까지 서서히 증가하는 전류이다. 회전 초기 위치 전류(iqinit1)는 0으로 설정되어 있다. 제 2 전류값(I2)은 상기 제 1 전류값(I1)보다도 크게 설정되어 있다. 그리고, 시각(tc)에 있어서 회전 초기 위치 전류(Idinit1)가 제 2 전류값(I2)에 도달하면 상기 강제 전류 단계로 이행한다.

여기서, 제 1 단계를 설치한 이유에 대해 설명한다.

본원의 발명자는 로터(34)의 정지 위치를 초기 위치(X)에 대해 적절히 변경하고, 직류 여자에 의해 로터(34)를 각각의 정지 위치에서 초기 위치(X)로 회전 이동시키기 위해 필요한 전류값을 측정했다. 또한, 각 정지 위치에서 초기 위치(X)로 회전 이동시킬 때, 로터(34)의 급격한 속도 변화에 의해 프레임(20)이 밀폐 케이스(19)에 충돌하여 이상한 음이 생긴 전류값을 측정했다. 여기서, 로터(34)의 정지 위치라는 것은 예를 들면 영구 자석(32)의 S극의 위치이고, 초기 위치(X)(X1, X2)라는 것은 예를 들면 직류 여자에 의해 생기는 자계의 N 극의 위치이다.

도 8은 이 실험 결과를 나타내는 것이며, 실선은 정지 위치와 회전 이동에 필요한 전류값과의 관계를 나타내고, 파선은 정지 위치와 이상한 음이 생긴 전류값과의 관계를 나타내고 있다. 횡축은 초기 위치(X)에서의 각도(기계각)이고, 종축은 전류값이다. 상기 도 8에서 이해할 수 있는 바와 같이, 로터(34)의 정지 위치가 초기 위치(X)에 가까울수록 더 작은 전류로 회전 이동 가능해진다. 또한, 로터(34)의 정지 위치가 초기 위치(X)에 가까울수록 이상한 음이 생기는 전류값이 커진다.

그러나, 로터(34)의 정지 위치가 도 10에 도시한 바와 같이 초기 위치(X1, X2)의 중간점(Z), 즉 90° 근방이 되면 직류 여자에 의해 생기는 자계와 로터(34)의 자극 사이에 작용하는 자력이 균형을 갖는다. 이 균형 상태에서 이탈하여 회전 이동시키기 위해서는 더 큰 여자 전류가 필요해진다. 또한, 초기 위치(X)까지의 회전 거리가 길기 때문에 직류 여자에 의해 로터(34)가 가속되어 급격한 속도 변화 를 생기게 쉽게 하고, 이상한 음이 발생하는 전류값이 낮아진다. 이 때문에 중간점(Z) 근방에서는 회전에 필요한 전류값보다도 이상한 음을 발생시키는 전류값이 낮아진다.

도 8에 도시한 특성에 있어서, 탈조나 이상한 음의 발생을 방지하고자 하면 1.7A 이하의 전류값으로 직류 여자를 실시할 필요가 있지만, 이것으로는 로터(34)를 회전 이동시킬 수 없다. 또한, 1.7A 이상의 전류값을 흐르게 하면 로터(34)를 회전 이동시키는 것은 가능하지만, 상기한 바와 같이 이상한 음이 발생하거나 탈조할 우려가 생긴다.

도 9는 4 극의 모터(17)에 대한 초기 위치(X(X1, X2)), 예비 여자 위치(Y)(Y1, Y2) 및 초기 위치 회전 불가 영역(Z1∼Z2)(후술)의 관계를 나타내고 있다. 도면에 나타내는 각도는 기계각이다. 로터(34)의 정지 위치가 90°(중간점(Z))를 사이에 두고 전후 5°의 범위(X1을 기준으로 하여 CW 방향 또는 CCW 방향으로 85°에서 95°의 범위)이면 상기와 같은 문제가 발생한다. 또한, 편차 등도 고려하면 이상한 음이 발생하거나 탈조가 생길 우려가 있는 범위(이하, 이 범위를 '초기 위치 회전 불가 영역(Z1∼Z2)'이라고 함)를 90°(중간점(Z))를 사이에 두고 전후 10°의 범위(X1을 기준으로 하여 80°에서 100°의 범위)로 하는 것이 적당하다.

따라서, 탈조나 이상한 음의 발생을 방지하여 직류 여자에 의해 로터(34)를 초기 위치(X)로 확실히 회전 이동시키기 위해, 사전 단계로서 로터(34)를 예비 여자 위치(Y)(Y1 또는 Y2)로 회전 이동시키는 제 1 단계를 설치한다. 이에 의해 기동 시에 로터(34)가 초기 위치 회전 불가 영역(Z1∼Z2)에 계속 정지하는 것을 방지 할 수 있다.

예비 여자 위치(Y)의 설정 범위는 직류 여자에 의한 전류가 제 2 전류값(I2) 보다도 작은 제 1 전류값(I1)에 도달하기까지 로터(34)가 회전 이동하여 초기 위치 회전 불가 영역(Z1∼Z2)에서 벗어날 수 있도록 설정할 필요가 있다. 초기 위치(X)에 너무 가까운 0°∼20°의 범위를 예비 여자 위치(Y)로 하면 초기 위치 회전 불가 영역(Z1∼Z2)에 정지하고 있는 로터(34)가 제 1 단계에서 회전 이동할 수 없는 경우가 생긴다. 한편, 초기 위치(X)의 중간점(Z)에 너무 가까운 80°∼100°의 범위를 예비 여자 위치(Y)로 하면 제 1 단계에서 로터(34)를 초기 위치 회전 불가 영역(Z1∼Z2)에 정지시키게 된다. 따라서, 초기 위치(X(X1, X2))를 기준으로 하여 CW 방향 또는 CCW 방향으로 20°∼80°의 범위로 예비 여자 위치(Y)를 설정하고 있다. 또한, 편차까지 고려하면 30°∼70°의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.

구체적으로는 도 9에 도시한 바와 같이, 초기 위치(X)에서 이간된 위치, 예를 들면 45° 위치에 예비 여자 위치(Y)(Y1, Y2)를 설정하고, 로터(34)가 예비 여자 위치(Y)로 이동하도록 직류 여자한다. 이에 의해, 로터(34)가 초기 위치 회전 불가 영역(Z1∼Z2)에 정지하고 있어도 제 1 단계에 의해 초기 위치 회전 불가 영역(Z1∼Z2)을 벗어나 예비 여자 위치(Y)에 회전 이동시킬 수 있다. 그리고, 계속해서 제 2 단계에 의해 예비 여자 위치(Y)에서 초기 위치(X)에 확실히 회전 이동시킬 수 있다.

또한, 예비 여자 위치(Y1, Y2)의 중간점(O) 또는 그 근방(O1∼O1)에 로터(34)가 정지하고 있는 경우, 제 1 단계의 직류 여자에 있어서 제 2 단계와 마찬가 지로 제 2 전류값(I2)까지 상승시키면 이 제 1 단계에서도 이상한 음이 발생하거나 탈조할 우려가 있다. 따라서, 제 1 단계에서는 제 2 단계에서 이용하는 제 2 전류값(I2) 보다도 작은 제 1 전류값(I1)까지 밖에 증가시키지 않는다. 이에 의해 로터(34)가 급격히 회전 이동하는 것을 방지할 수 있고, 상기 문제점을 해소할 수 있다.

제 1 단계에서 직류 여자 전류를 제 1 전류값(I1)에만 상승시키지 않으므로 회전 이동시킬 수 없는 영역(O1∼O2)이 넓어진다. 그러나, 로터(34)가 이 영역에 정지해 있다고 해도 이 영역은 초기 위치 회전 불가 영역(Z1∼Z2) 외이므로 제 2 단계에서 초기 위치(X)로 확실히 회전 이동시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 기동 시의 초기 위치 이동 단계를 제 1 단계와 제 2 단계로 구성했다. 제 1 단계에서 로터(34)가 예비 여자 위치(Y)로 회전 이동하도록 제 1 전류값(I1)까지 직류 여자를 실시하고, 그 후, 제 2 단계에서 로터(34)가 초기 위치(X)로 회전하도록 제 1 전류값(I1)보다도 큰 제 2 전류값(I2)까지 직류 여자를 실시한다. 이에 의해, 제 2 단계에서 로터(34)를 초기 위치(X)로 확실히 회전 이동시킬 수 있고, 초기 위치 이동 단계에 계속해서 실행되는 강제 전류 단계에서 탈조를 방지하여 확실히 기동할 수 있다.

또한, 냉장고에 이용되는 콤프레서(16)의 기동용 모터(17)에 상기 기동 방법을 적용함으로써 로터(34)의 급격한 속도 변화를 방지할 수 있다. 그 결과, 이상한 음을 발생시키지 않고 콤프레서(16)를 확실히 기동할 수 있다.

(제 2 실시형태)

계속해서, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 도 13을 참조하여 설명한다.

제 1 실시형태에서는 제 1 단계에서 제 2 전류값(I2) 보다도 작은 제 1 전류값(I1), 예를 들면 1A까지밖에 상승시키지 않으므로 초기 위치(X)의 중간점(Z) 및 그 근방(Z1∼Z2)에 로터(34)가 정지하고 있어 회전 이동시키기 어려운 경우가 있다. 따라서, 제 1 단계에서 로터(34)를 확실히 회전 이동시키기 때문에 본 실시 형태에서는 직류 여자 전류가 제 1 전류값(I1)까지 상승한 후, 그 제 1 전류값(I1)으로 소정 시간만큼 계속해서 통전시키도록 하고 있다.

구체적으로는 도 13에 도시한 바와 같이, 구동 장치는 로터(34)가 예비 여자 위치(Y)로 회전 이동하도록 시각(te)에서 전류값을 서서히 증가시킨다(전류 상승 단계). 그리고, 시각(tf)에 직류 여자 전류가 제 1 전류값(I1)에 도달하면 소정 시간 여기서는 2 초간, 제 1 전류값(I1)을 그대로 계속해서 직류 여자한다(전류 유지 단계). 그리고, 소정 시간이 경과된 시각(th)으로 전류값을 0으로 되돌린 후, 제 2 단계로 이행한다.

이 구성에 의하면 로터(34)가 회전하기 어려운 장소인 초기 위치 회전 불가 영역(Z1∼Z2)에 정지해도 제 1 단계에서 확실히 예비 여자 위치(Y)로 회전 이동시킬 수 있고, 이후의 제 2 단계, 강제 전류 단계를 거쳐 더 확실히 모터(17)를 기동할 수 있다.

또한, 도 13의 파선으로 나타내는 바와 같이, 시각(tf)과 시각(th)과의 사이의 시각(tg)으로부터 이후는 제 1 전류값(I1) 보다도 작은 제 3 전류값(I3)으로 직류 여자해도 좋다. 이에 의해 제 2 단계로 이행하기 직전의 th의 타이밍으로 로터 (34)가 회전하는 것을 방지할 수 있다.

(그 외의 실시 형태)

또한, 본 발명은 상기 및 도면에 도시한 각 실시 형태에 한정되지 않고, 예를 들면 이하와 같이 변형 또는 확장이 가능하다.

각 실시 형태에서는 4 극의 모터(17)를 예로 들어 설명했다. 그러나, 자력의 균형에 의해 로터(34)가 회전할 수 없는 상황은 2 극 모터, 6 극 모터 등 다른 극수의 모터라도 발생할 수 있는 문제이다. 본 발명은 이와 같은 모터에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다. 단, 상기 또는 도면에 도시된 각도는 기계각이므로 다른 극 수의 모터에서는 그 수치가 다르다. 예를 들면, 2 극 모터의 경우, 예비 여자 위치(Y)는 초기 위치(X)를 기준으로 하여 CW 방향 또는 CCW 방향으로 40°∼160°(기계각 및 전기각)의 각도 범위 내로 설정된다. 편차까지 고려하면 60°∼140°의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.

초기 위치 이동 단계에서의 직류 여자 전류의 상승률은 일정하지 않아도 좋다.

권선(49)의 전압을 이용하여 로터(34)의 회전 위치를 추정해도 좋다.

각 실시 형태에서는 냉장고에 이용되는 브러시리스 모터에 대해 설명했지만, 이에 한정되지 않고 여러 가지 기기에 이용되는 브러시리스 모터의 기동 방법에도 적응 가능하다. 또한, 벡터 제어를 이용하여 설명했지만, 통상의 인버터 제어라도 동일한 효과를 가질 수 있다. 또한, 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 로터의 자극, 전류값, 직류 여자 위치를 적절히 변경해도 좋다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 브러시리스 모터의 기동 방법은 냉장고 뿐만 아니라 여러 가지 기기에 이용되는 브러시리스 모터의 기동에 유용하다.

Claims

권선(49)을 갖는 스테이터(35)와 영구자석(32)을 갖는 로터(34)를 구비한 브러시리스 모터(17)의 기동 방법에 있어서,

상기 권선(49)에 대해 직류 여자를 실시함으로써 상기 로터(34)를 미리 정해진 초기 위치로 회전 이동시키는 초기 위치 이동 단계,

상기 권선(49)에 대해 미리 설정된 통전 패턴에 따라서 통전함으로써 상기 로터(34)를 상기 초기 위치에서 회전시키는 강제 전류(轉流) 단계, 및

상기 권선(49)의 전류 또는 전압을 이용하여 추정한 상기 로터(34)의 회전 위치에 기초한 회전 제어로 이행하는 이행 단계로 이루어지며,

상기 초기 위치 이동 단계는 상기 초기 위치에서 이간된 예비 여자 위치에 상기 로터(34)가 회전 이동하도록 상기 직류 여자의 전류를 제 1 전류값까지 상승시키는 제 1 단계와, 상기 로터(34)가 상기 예비 여자 위치에서 상기 초기 위치로 회전 이동하도록 상기 직류 여자의 전류를 상기 제 1 전류값 보다도 큰 제 2 전류값까지 상승시키는 제 2 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 기동 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 브러시리스 모터(17)가 4 극인 경우, 상기 예비 여자 위치는 상기 초기 위치를 기준으로 하여 20°∼80°(기계각)의 각도 범위 내로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 기동 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 단계는 상기 직류 여자의 전류를 상기 제 1 전류값까지 상승시키는 전류 상승 단계와, 그 이후의 소정 시간, 상기 권선(49)에 상기 제 1 전류값 이하의 직류 여자 전류를 흐르게 하는 전류 유지 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 기동 방법.
권선(49)을 갖는 스테이터(35)와 영구 자석(32)을 갖는 로터(34)를 구비한 브러시리스 모터(17)의 구동 장치에 있어서,

전류 신호에 기초하여 상기 권선(49)으로의 통전을 실시하는 인버터 회로(36),

상기 권선(49)에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기(R1, R2, R3),

지령 전류와 상기 검출 전류에 기초하여 전류 신호를 생성하고, 그 전류 신호를 상기 인버터 회로에 출력하는 전류 제어 수단(55),

기동 시에 있어서, 상기 전류 제어 수단(55)에 대해 미리 정해진 초기 위치에서 이간된 예비 여자 위치에 상기 로터(34)가 회전 이동하도록 상기 권선(49)의 전류를 제 1 전류값까지 상승시키는 직류 여자 지령 전류를 출력하고, 그 후 상기 로터(34)가 상기 예비 여자 위치에서 상기 초기 위치로 회전 이동하도록 상기 권선(49)의 전류를 상기 제 1 전류값 보다도 큰 제 2 전류값까지 상승시키는 직류 여자 지령 전류를 출력하고, 그 후 상기 로터(34)가 상기 초기 위치에서 회전하도록 강제 전류 지령 전류를 출력하는 전류 지령 수단(47)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
권선(49)을 갖는 스테이터(35) 및 영구자석(32)을 갖는 로터(34)를 구비한 브러시리스 모터(17)와, 상기 브러시리스 모터(17)에 의해 구동되는 레시프로식 콤프레서(16)를 구비한 냉장고에 있어서,

상기 브러시리스 모터(17)의 기동시에 미리 정해진 초기 위치에서 이간된 예비 여자 위치로 상기 로터(34)가 회전 이동하도록 상기 권선(49)의 전류를 제 1 전류값까지 상승시키는 직류 여자 제어를 실시하고, 그 후, 상기 로터(34)가 상기 예비 여자 위치에서 상기 초기 위치로 회전 이동하도록 상기 권선(49)의 전류를 상기 제 1 전류값보다도 큰 제 2 전류값까지 상승시키는 직류 여자 제어를 실시하고, 그 후 상기 로터(34)가 상기 초기 위치에서 회전하도록 강제 전류 제어를 실시하는 제어 수단(18)을 구비한 것을 특징으로 하는 냉장고.