KR100796116B1

KR100796116B1 - 전동기의 제어 장치

Info

Publication number: KR100796116B1
Application number: KR1020060123436A
Authority: KR
Inventors: 요시로오 우에다; 유우지 후나야마; 아쯔시 오꾸야마; 마사히로 다무라; 히데끼 데라우찌
Original assignee: 히타치 어플라이언스 가부시키가이샤
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-01-21
Also published as: JP5193421B2; JP2007166695A; TWI333321B; TW200735518A; CN1980046A; CN1980046B; KR20070061393A

Abstract

본 발명의 과제는 외란 등에 의해 의도하지 않게 회전해 버리는 경우가 있는 모터를 180도 통전 방식에 의해 제어함으로써 낮은 가격ㆍ공간 절약ㆍ저진동ㆍ고효율 모두를 동시에 실현하는 것이다.

복수의 스위칭 소자로 구성되는 인버터 회로에 있어서, 3상(U상ㆍV상ㆍW상)에 흐르는 합성 전류 정보를 1개의 과전류 검출용 션트 저항에 의해 검출하고, PWM 신호에 동기한 인버터의 출력 전류를 재현함으로써, 통상시에는 로터 자극 위치를 추정하여 구동하는 180도 통전 제어를 실현한다. 한편, 기동 전에 외란 등(바람)에 의해 로터가 공회전하고 있는 경우에는, 모터가 회전함으로써 발생하는 유기 전압을 인버터가 스위칭하기 전에 로터의 자극 위치와 회전 속도와 회전 방향을 직접 검출하여 기동 가능하게 한다.

인버터 회로, 동기 모터, 제어 회로, 팬, 팬 모터, 팬 모터 지지부

Description

전동기의 제어 장치 {CONTROL DEVICE OF ELECTRIC MOTOR}

도1은 1개의 션트 저항에 의한 전류 검출과 유기 전압 검출의 모터 제어 장치의 블럭도.

도2는 공기 조화기의 실외 유닛도.

도3은 180도 통전 방식과 120도 통전 방식의 차이를 나타내는 도면.

도4는 AD 포트 1포트에서 유기 전압 검출을 행하는 회로도.

도5는 1션트 + 위치 검출 모터 제어의 흐름도.

도6은 유기 전압 검출의 원리를 설명하는 도면.

도7은 유기 전압의 검출 파형을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 직류 전원

2 : 인버터 회로

3 : 동기 모터

4 : 제어 회로

4a : 마이크로 컴퓨터

5 : 션트 저항

6 : 팬 모터 지지부

7 : 팬

8 : 팬 모터

9 : 전기제품

[문헌 1] 일본 특허 공개 제2005-6453호 공보

본 발명은 인버터 회로에 있어서, 1개의 과전류 검출용 저항에 의해 3상(U상ㆍV상ㆍW상)의 합성 전류를 검출함으로써, 마이크로 컴퓨터 내부 연산에 의해 자극 위치를 추정하여 통상 구동시에는 위치 센서리스 구동 방식에서 180도 통전 제어(정현파 변조)를 행하는 전동기의 제어 장치에 관한 것이다.

영구 자석 회전자와 고정자 권선을 구비한 영구 자석 동기 모터가 고효율이므로 공기 조화기 등 가전 제품에 많이 이용되고 있다. 이 영구 자석 동기 모터의 구동 제어는 회전자의 자극 위치와 모터 전류의 위상을 밀접하게 관계지어 행하는 것이 필요하다. 최근에는, 모터 제어의 고효율화가 진행되고 있고, 홀 소자 등의 로터 위치 검출 센서를 이용하여 로터 자극 위치 검출을 행하지 않고, 1개의 과전류 검출용 션트(shunt) 저항에 의해 전류 검출을 행하여 마이크로 컴퓨터 내부에서 A/D 변환함으로써 자극 위치를 추정하여 180도 통전 방식에 의해 모터 구동하는 위치 센서리스 구동 방법이 채용되어 있다.

그런데, 세탁기에 있어서, 제어계에 소정의 이상이 발생하였을 때에 인버터에 의한 모터의 구동을 일단 정지하지만, 그 후 제어를 재개할 경우, 동기 모터가 관성에 의해 회전하고 있어, 로터의 자극 위치를 특정할 수 없게 된다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 특허문헌 1에 있어서, 모터의 자극 위치 센서를 설치함으로써 위치가 검출되고, 인버터에 의한 구동이 가능해지는 것이 기재되어 있다.

한편, 이 특허문헌 1에는, 자극 위치 센서를 설치하지 않는 센서리스 구동 방식에 대해서도 기재되어 있다. 상기한 바와 같은 상태에 빠졌을 때, 회전자가 갖는 관성에 의해 급속으로 회전 속도가 저하되지 않는 것을 이용하여 이상 발생 직전의 회전 주파수를 기억해 두고, 이 위치를 이용하여 운전을 재개하는 것이 기재되어 있다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2005-6453호 공보

그러나, 공기 조화기의 실외기에 설치되는 실외 팬을 구동하는 동기 전동기의 경우, 인버터에 의한 모터 기동 전에 바람에 의해 팬이 의도하지 않게 회전하고 있는 경우가 있다. 이와 같은 경우에, 전동기의 구동을 션트 저항 1개로 자극 위치를 추정하고 있는 센서리스 벡터 제어로 행하고 있으면, 이 자극 위치의 추정은 인버터가 스위칭하는 타이밍으로부터 현재 션트 저항에 흐르고 있는 전류가 어떠한 전류인지를 논리적으로 도출하는 제어이므로, 인버터의 스위치 소자가 온ㆍ오프(ONㆍOFF)되어 있지 않은 상태에서는, 모터의 유기 전압에 의한 전류가 어떠한 전류인지를 특정할 수 없다. 또한, 종래 기술과 같이, 직전에도 인버터에 의한 모터 제 어가 실행되고 있는 것은 아니므로, 직전의 회전 주파수를 판독하여 추정하는 것은 불가능하다.

모터 효율의 향상을 위해 홀 소자를 사용하여 위치 검출을 행하여 제어하거나 (U상ㆍV상ㆍW상) 3상 각 상에 션트 저항을 마련한 방식으로 180도 통전 방식을 행한 경우에는 3개의 션트 저항과 3개의 전류 검출 회로가 필요하게 되므로, 부품의 개수가 대폭으로 증가하여 모터 제어 시스템이 고가로 되어 버리는 데 더하여, 넓은 실장 공간을 필요로 한다.

본 발명의 목적은, 외란에 의해 모터가 의도하지 않게 회전해 버릴 가능성이 있는 용도로 사용하는 모터에 관해서도 (U상ㆍV상ㆍW상) 3상 각 상의 합성 전류를 1개의 과전류 검출용 션트 저항으로 검출함으로써 180도 통전 방식을 적용할 수 있는 전동기의 제어 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적은, 복수의 스위칭 소자로 구성되는 인버터와, 이 인버터에 의해 구동되는 전동기와, 상기 인버터의 직류측에 설치된 저항과, 이 저항에 걸리는 전압의 변화로부터 상기 전동기의 로터 자극 위치를 검출하는 전동기의 제어 장치에 있어서, 상기 전동기의 선간 전압을 검출하는 수단을 마련한 전동기의 제어 장치로 함으로써 달성된다.

또한 상기 목적은, 복수의 스위칭 소자로 구성되는 인버터와, 이 인버터에 의해 구동되는 전동기와, 상기 인버터의 직류측에 설치된 저항과, 이 저항에 걸리는 전압의 변화로부터 상기 전동기의 로터 자극 위치를 검출하는 전동기의 제어 장 치에 있어서, 상기 전동기의 선간 전압을 검출하는 수단을 마련하고, 상기 인버터의 스위칭에 의한 상기 전동기의 구동 전에 상기 전동기의 로터의 회전 방향, 회전 속도 및 자극 위치를 검출하는 전동기의 제어 장치로 함으로써 달성된다.

이하, 본 발명의 영구 자석 동기 모터를 사용한 모터 제어 장치의 실시예를 도1 내지 도5를 이용하여 설명한다.

공기 조화기의 실외기를 도시한 도2에 있어서, 실외기는 옥외에 설치되므로 바람에 노출된다. 이로 인해, 팬 모터(8)를 구동하지 않아도 팬(7)은 풍향에 의해 정회전 혹은 역회전하고, 풍속에 따라 다양한 회전수로 회전한다.

한편, 실외기 유닛 자체를 소형화하고 또한 저렴한 비용을 실현할 필요가 있다. 그로 인해 탑재되어 있는 전기제품도 한정된 좁은 공간에 저렴하게 고효율의 전기제품을 작성해야만 한다. 그래서 실외 팬 모터(8)의 제어 방식을 도1에 도시한 바와 같이 1개의 과전류 검출용 션트 저항에 의해 인버터 모듈 (U상ㆍV상ㆍW상) 3상 각 상에 흐르는 합성 전류를 검출하는 방법을 이용한다. 이에 의해, 자극 위치 센서나 전동기의 각 상에 전류 검출용 저항을 설치할 필요가 없어진다. 합성한 전류를 연산 증폭기(operational amplifier)와 몇 개의 저항에 의해 구성되는 차동 증폭기에 의해 증폭하고, 그 값을 마이크로 컴퓨터의 A/D 포트에 입력함으로써 마이크로 컴퓨터 내부에서 A/D 변환을 행하고, 그 값으로부터 모터 전류를 재현한다.

제어의 상세는, 마이크로 컴퓨터 내부에서 직류 전류가 흐르고 있지 않은 위상도 A/D 변환하고, 그 결과와 직류가 흐르고 있는 위상에서의 A/D 변환 결과를 조합하여 직류 전류 검출 회로의 출력에 포함되어 있는 오프셋 전압을 제거하고, PWM 신호의 펄스 폭을 검출할 수 있는 펄스 폭으로 확대하기 위해 캐리어 주파수를 변화시키거나, 또한 과거에 얻은 직류 전류 정보로부터 재현한 모터 전류를 조합하여 현시점의 인버터의 출력 전류를 추정하여 제어하고 있다. 도7에 도시하는 센서리스 운전부에 나타낸 바와 같이 (S13)에서 1개의 과전류 검출용 션트 저항으로부터 3상의 합성 전류를 마이크로 컴퓨터 A/D 포트에서 검출하여 (S14)에서 마이크로 컴퓨터 내부에서 A/D 변환을 행하고, (S9)에서 모터 전류를 재현한다. 그 재현한 모터 전류 정보를 기초로 (S10)에서 발생시킨 PWM 신호를 (S11)에서 드라이버에 입력하고, (S12) 인버터 모듈을 제어하고 있다. 이 방법에서는, 통상 구동시에는 위치 검출을 행할 필요가 없으므로, 180도 통전 방식(도3)에 의해 제어 가능해진다. 180도 통전 방식에서는, 정현파 전압을 모터 권선에 인가하여 구동하는 방법으로, 모터 전류를 원활하게 변화시키기 때문에, 모터의 역률을 대폭으로 개선할 수 있으므로 고효율화를 실현할 수 있고, 150도 또는 120도 통전과 같이 전류(轉流)에 수반하여 모터 출력 토크의 맥동이 발생하지 않는다. 그에 의해, 진동과 소음의 저감을 실현하였다.

통상은 이 제어 방식만으로 모터 구동하는 것이 가능한 것이지만, 공기 조화기의 실외 팬 모터(8)의 경우, 기동 전에 바람 등의 외란에 의해 의도하지 않게 팬이 회전하고 있는 상태에 있는 경우가 있다. 그 경우, 기동시의 로터의 위상과 회전 주파수를 알 수 없으므로, 이 제어만으로는 모터 기동할 수 없다.

그래서, 인버터 회로(2)가 스위칭하기 전에 동기 모터(3)의 유기 전압을 검출하는 회로를 추가함으로써 로터 자극 위치와 회전 속도와 회전 방향을 검출한다. 이에 의해, 기동시에 외란이 들어가도 원하는 회전 속도로 제어하는 것이 가능해진다.

자극 위치 검출 방법은, 종래 몇 가지의 방법이 채용되어 있고, 예를 들어 일본 특허 공보 소59-36519호 공보에는 모터가 회전함으로써 발생하는 유기 전압을 1차 필터에 통과시킴으로써 유기 전압에 대해 대략 90도의 위상 관계를 갖는 3개의 삼각 파형 신호로 변환하고, 이들 3개의 삼각 파형 신호를 성형 결선한 저항에 도통시켜 성형 결선의 중성점 전압과 이들 삼각 파형 신호를 비교기로 대소 비교하여 비교기로부터 얻어진 펄스 신호에 따라서 모터 구동 제어하고 있다.

이것에는, 1차 필터를 이용하여 유기 전압을 검출한 경우 모터의 회전수가 낮고 경우 위상차가 커져 버리는 문제가 있어, 일본 특허 공개 제2000-14187호 공보에는 비교기에 의해 비교하는 전압을 안정시키기 위해 직류 전원 전압의 1/2의 전압과 비교하여, 각 상의 로터 자극 위치 검출 신호를 형성하여 모터 구동 제어를 행하고 있다.

그러나 어떠한 경우에도 120도 통전이나 150도 통전 방식을 채용하고 있어, 무통전 구간에 상기에 나타내는 위치 검출 회로에 의해 선간의 유기 전압을 검출하여 기동시와 통상 운전시에 로터의 자극 위치 검출을 행하여 제어하고 있다. 120도 통전이나 150도 통전 방식에서는 무통전 구간이 각 상에 존재한다. 기동시에는, 인버터 모듈이 온하고 있지 않으므로 유기 전압을 검출할 수 있다. 통상 구동 중에는, 전류가 흐르고 있지 않은 상(무통전 구간에 있는 상)에 발생하는 모터의 회전에 의해 발생하는 유기 전압을 검출할 수 있다. 이와 같이 로터의 자극 위치 검출과 회전 속도와 회전 방향을 검출하여 모터 제어를 행하고 있다.

본 실시예에 있어서는, 유기 전압의 검출 회로는 마이크로 컴퓨터의 A/D 포트에 (U상ㆍV상ㆍW상) 3상에 발생하는 유기 전압을 직접 넣어 마이크로 컴퓨터 내부에서 A/D 변환함으로써 재현한 모터 전류로부터 모터의 로터 자극 위치와 회전 속도와 회전 방향을 산출하는 방식으로 하고 있다.

그러나, 마이크로 컴퓨터(4a)의 A/D 포트의 개수가 부족한 경우에는, 도4에 도시하는 회로에 의해 트랜지스터와 다이오드를 사용함으로써 1개의 A/D 포트에서 검출하는 것이 가능하다.

도6을 이용하여 그 검출 원리를 설명한다. 바람에 의해 팬이 회전하고, 동기 모터(3)가 의도하지 않게 회전하고 있는 경우에도, 로터의 자석이 고정자 권선을 가로지르기 때문에 유기 전압이 발생하고, 이 전압 때문에 인버터 회로(2)를 통해 전류가 흐른다. 예를 들어, 도시한 바와 같이 전압이 발생하고 있는 경우, U상 권선으로부터의 전류는 인버터의 U상의 환류 다이오드, 전원, 션트 저항을 거쳐서 W상 하부 아암의 환류 다이오드를 통해 W상 권선에 이른다. 마찬가지로, V상 권선으로부터의 전류는, 인버터의 V상의 환류 다이오드, 전원, 션트 저항, W상 하부 아암의 환류 다이오드를 통해 W상 권선에 이른다.

이 때, 트랜지스터(Tr1, Tr2, Tr3)를 소정의 순서로 하나만 오프한다. 즉, 다른 2개는 온 상태가 된다. 이를 동기 모터(3)의 회전 주파수보다도 충분히 높은 주파수로 행한다. 따라서, Tr1, Tr2, Tr3의 순으로 순차 오프 동작을 행한 경우, 대략 그 순간의 유기 전압을 검출할 수 있다.

도4, 도6에 있어서, I/O 포트에 의해 가령 Tr1을 오프한 경우에는 R1에 의해 검출한 U상의 유기 전압(Vun)이 D1의 다이오드를 통과하여 A/D 포트에서 검출할 수 있다. 이 경우, 동기 모터(3)의 W상이 기준 전압(접지)이 되어 W상 권선 및 U상 권선의 합성 유기 전압이 검출된다. 다음에 Tr1을 온하고 Tr2를 오프하면, W상의 단자가 기준 전위가 되는 W상 권선 및 V상 권선의 합성 유기 전압이 검출된다. 다음에, Tr2를 온하고, Tr3을 오프하면, 이 전위는 인버터 회로(2)의 W상 하부 아암의 환류 다이오드가 온하고 있으므로 접지 전위가 되고 검출용 저항(R1)에는 전류가 흐르지 않아 0 전압이 검출되게 된다. 이 상태가 도7의 (a)에 있어서의 270도 내지 30도의 기간이다. 각 상의 전압 파형에 산이 2개 있는 이유는, 도7의 (b)에 있어서 W상의 270 내지 30도는 마이너스극이 되고, 예를 들어 플러스극이 되는 U상에 나타나는 전압은 W상 권선과 U상 권선의 합성 전압이므로 선간 전압이 검출되게 된다. W상의 단자는 접지 전위이고, 이 접지를 기준으로 하여 선간 전압을 검출하고 있으므로, 기준 전위가 동기 모터(3)의 W상 단자 전압의 시간 변화에 따라서 변화된다. 즉, 정현파 형상으로 변화되는 W상 단자 전압을 0 전위로 하였으므로, 합성 전압인 U상, V상 단자 전압은 도7의 (a)와 같이 변화되는 것이다.

이와 같이 트랜지스터의 온ㆍ오프의 동작을 고속으로 절환함으로써 1개의 A/D 포트에서 3상의 순간의 유기 전압을 검출할 수 있고, 이 3상의 유기 전압을 트레이스함으로써 도7의 (a)와 같은 그래프를 그릴 수 있게 된다. 이에 의해, 로터의 회전 방향, 회전 속도, 자극 위치를 검출할 수 있다.

회전 방향은 UVW의 출현 순서에 의해, 회전 속도는 이들 파형의 주파수에 의 해, 자극 위치는 각각의 위상에 의해 판별할 수 있다.

이 흐름을 도5를 기초로 하여 설명한다. 위치 검출부에서 (S1)에서 선간 유기 전압을 검출하고, (S2)에서 RC 구성에 의해 노이즈 필터를 설치하여 노이즈를 제거한다. 단, 충분히 노이즈를 저감시키는 검출 회로로 되어 있지만, 필터로 제거할 수 있는 노이즈에는 한계가 있어, 검출한 유기 전압에 노이즈가 남아 검출한 데이터가 약간 어긋날 가능성이 있다. 그로 인해 일정치 이하의 검출치는 노이즈라 판정하여 오판정을 행하지 않도록 하고 있다.

또한, (S5), (S6)에서 전압의 αㆍβ 변환을 행하여 전압 위상을 산출한다. 그 데이터로부터 (S7) 위상차를 연산하고 (S3) 그 위상 총합치(ΔΦ_SUM)가 플러스인 경우 정회전 상태, 0인 경우 정지 상태, 마이너스인 경우 역회전 상태로 회전 방향을 판정한다. (S3)의 판정치와 (S6)의 연산치로부터 (S8)에서 로터 위상을 결정한다. 또한 (S3)의 판정치로부터 (S4)에서 주파수 변환을 행하고, 회전수를 검출한다. 여기서 산출한 회전수가 정지 또는 약간의 회전이라 판단한 경우에는, 로터의 위치 결정을 행하고, 로터 위치를 1도 고정한 후 기동한다. 또한 산출한 회전 방향이 역회전이라 판단한 경우, 제어에 의해 브레이크 걸어 정회전으로 이행하고, 원하는 회전수로 구동한다.

또한 산출한 회전 방향이 정회전이라 판단한 경우, 한번도 멈추지 않고 그대로 로터 위치를 맞추어 PWM 통전을 개시하여 원하는 회전수로 구동한다.

이 1개의 과전류 검출용 션트 저항에 의한 전류 검출 방식과 유기 전압 방식 을 조합하여 채용함으로써, 공기 조화기의 외란에 의해 공회전할 가능성이 있는 실외 팬 모터를 좁은 실장 공간에서, 저렴하고 또한 고효율ㆍ저진동으로 원하는 회전 속도로 제어하는 것이 가능한 모터 구동 회로를 실현할 수 있다.

이상 본 실시예에서 설명한 바와 같이, 이 제어 방식에서는 통상 운전시에는 1개의 1션트 저항에서 (U상ㆍV상ㆍW상) 3상 각 상의 합성 전류를 검출함으로써 180도 통전 제어를 행하고, 외란 등에 의해 의도하지 않게 팬이 회전하고 있는 상태에서는 기동시에만 인버터가 스위칭하기 전에 유기 전압 검출을 행하여 로터 자극 위치와 회전 주위 속도와 회전 방향을 산출하여 그 위상에 맞추어 180도 통전 제어를 행한다.

상기에 나타내는 외란 등에 의해 로터가 공회전하고 있을 가능성이 있는 용도로 사용하는 모터에 관하여 (U상ㆍV상ㆍW상) 3상 각 상에 흐르는 전류를 합성한 전류를 1개의 과전류 검출용 션트 저항에 의해 검출하는 방식과, 기동시에만 인버터가 스위칭하기 전에 유기 전압 검출을 행하여 로터 자극 위치와 회전 주위 속도와 회전 방향을 산출하는 2개의 방식을 맞춘 모터 제어 방법에 의해, 좁은 공간에 실장 가능하면서 저렴하고 또한 고효율 및 저진동으로 안정된 시동과 원하는 회전 속도로 제어하는 것이 가능해지는 등의 효과를 갖는다.

또, 도1에 있어서, 유기 전압을 검출하여 그것을 전류로 치환하고 있는 이유는, 원래 180 통전의 벡터 제어로 모터 전류를 작성하고 있고, 이를 이용하여 유기 전압에 의한 로터의 움직임을 잡기 위해서이다.

또한 이상은, 외란 등에 의해 로터가 공회전하고 있는 경우에 로터의 자극 위치 검출을 행하기 위해 발생하는 3상(U상ㆍV상ㆍW상)의 유기 전압을 마이크로 컴퓨터의 A/D 포트 1포트에서 검출하는 방식을 설명하였지만, 3상(U상ㆍV상ㆍW상)의 유기 전압을 마이크로 컴퓨터의 A/D 포트에 직접 입력하여 마이크로 컴퓨터 내부에서 A/D 변환하도록 해도 효과는 동일하다.

본 발명에 따르면, 외란에 의해 모터가 의도하지 않게 회전해 버릴 가능성이 있는 용도에 사용하는 모터에 관해서도 (U상ㆍV상ㆍW상) 3상 각 상의 합성 전류를 1개의 과전류 검출용 션트 저항으로 검출함으로써 180도 통전 방식을 적용할 수 있는 전동기의 제어 장치를 제공할 수 있다.

Claims

복수의 스위칭 소자로 구성되는 인버터와, 이 인버터에 의해 구동되는 전동기와, 상기 인버터의 직류측에 설치된 저항과, 이 저항에 걸리는 전압의 변화로부터 상기 전동기의 로터 자극 위치를 검출하는 전동기의 제어 장치에 있어서, 상기 전동기의 선간 전압을 검출하는 수단을 마련한 전동기의 제어 장치.
복수의 스위칭 소자로 구성되는 인버터와, 이 인버터에 의해 구동되는 전동기와, 상기 인버터의 직류측에 설치된 저항과, 이 저항에 가해지는 전압의 변화로부터 상기 전동기의 로터 자극 위치를 검출하는 전동기의 제어 장치에 있어서, 상기 전동기의 선간 전압을 검출하는 수단을 마련하고, 상기 인버터의 스위칭에 의한 상기 전동기의 구동 전에 상기 전동기의 로터의 회전 방향, 회전 속도 및 자극 위치를 검출하는 전동기의 제어 장치.