KR100799009B1 - 브러시리스 ｄｃ 모터의 구동 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 브러시리스 DC 모터의 구동 방법은, 출력 단자 간에 콘덴서를 접속하여 교류 전원의 교류 전압을 입력으로 하는 정류 회로에 의해 교류 전원의 교류 전압을 정류하는 동작과, 정류 회로에 접속된 인버터에 의해 모터를 구동하는 동작과, 위치 검출기에 의해 모터의 역기전력 또는 모터 전류 중 어느 한쪽으로부터 모터의 회전자의 회전 위치를 검출하는 동작과, 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 불가능할 때는 위치 추정기에 의해 회전자 위치를 추정하는 동작과, 위치 검출기에 의해 검출된 회전자 위치 또는 위치 추정기에 의해 추정된 회전자 위치 중 어느 한쪽에 기초해 제어기에 의해 인버터를 제어하는 동작을 포함한다.

Description

브러시리스 ＤＣ 모터의 구동 방법 및 그 장치{DRIVING METHOD AND DRIVER OF BRUSHLESS DC MOTOR}

본 발명은, 냉장고나 에어컨 등의 냉동 공조 시스템에 포함되는 압축기 등에 탑재되는 브러시리스 DC 모터(이하, 단순히 모터라고 한다)의 구동 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 특히, 정류 회로에서의 평활용 콘덴서를 대폭 소용량화하여, 장치 전체의 소형화를 도모한 모터 구동 장치에 있어서, 예를 들면 홀 소자나 인코더와 같은 특별한 위치 검출 센서를 사용하지 않고, 모터의 회전자의 위치 검출을 행하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

냉동 공조 시스템에 있어서의 압축기에 내장되는 모터를 구동하기 위한 종래의 모터 구동 장치는, 일반적으로 다음과 같은 구성이다. 즉, 출력 단자 간에 충분히 큰 용량의 평활용 콘덴서를 접속하여, 입력되는 교류 전원의 교류 전압을 정류하기 위한 정류 회로와, 그 정류 회로에 접속되어 모터를 구동하기 위한 인버터를 구비하고 있다.

또, 동 장치는, 모터의 회전자의 회전 위치를 검출하기 위해서, 예를 들면 홀 소자 또는 인코더와 같은 특별한 위치 검출 센서를 사용하지 않고, 모터의 고정자 코일이 모터 회전에 따라 유기하는 역기전력, 또는 모터 전류로부터 회전자 위 치를 검출한다. 그리고, 동 장치는, 그 검출 신호에 의해 인버터에 포함되는 복수의 스위칭 소자의 통전 상태를 순차적으로 전환해, 고정자 코일에 흐르는 전류를 전류(轉流) 제어함으로써 모터를 구동하고 있다.

이러한 특별한 위치 검출 센서를 사용하지 않는 구동 방식은, 일반적으로 센서리스 구동으로 불리고 있다. 냉동 공조 시스템에 있어서의 압축기에 내장되는 모터 구동에 있어서, 이 센서리스 구동을 채용하는 이유는, 압축기의 고온·고압 분위기 중, 냉매 분위기 중, 오일 분위기 중에서, 위치 검출 센서를 부착하는 것이 현저하게 곤란하기 때문이다.

또, 최근, 모터의 구동 장치를 소형화하기 위해서, 정류 회로의 평활용 콘덴서를 대폭 소용량화하는 시도도 이루어지고 있다. 그 관련 기술은, 예를 들면 일본특허출원 특개 2002-51589호 공보에 개시되어 있다.

이러한 종류의 종래의 모터의 구동 장치에 관해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 6은, 종래의 모터의 구동 장치의 블록도이다. 도 6도에 있어서, 단상 교류 전원(1)의 출력은, 다이오드 전파(全波) 정류 회로(2)에 접속되어 있다. 그 다이오드 전파 정류 회로(2)의 출력에는 평활 콘덴서(3)가 접속되어 있다. 이 평활 콘덴서(3)는 충분히 작은 용량의 것이며, 종래의 1/100 정도의 용량의 콘덴서이다.

그 평활 콘덴서(3)의 양단에 접속되는 PWM(펄스 폭 변조) 인버터(4)는, 6개의 스위칭 소자(역방향의 다이오드를 포함한다)를 3상 브릿지 접속함으로써 구성되어 있다. 모터(5)의 고정자에는 3상 코일이 설치되어 있다. 그들 3상 코일의 각각의 일단은, PWM 인버터(4)의 출력에 접속되어 있다. 이렇게 해서, 모터(5)는 PWM 인버터(4)에 의해 구동된다.

도 6에 도시한 바와 같이, 제어 회로(6)는, 단상 교류 전원(1)의 전압, 직류부 전류, PWM 인버터(4)의 출력 전류, 위치 검출 센서(7)의 위치 정보 등의 정보를 입력으로 해서, 최적의 모터 구동이 가능하도록 PWM 인버터(4)를 구성하는 6개의 스위칭 소자의 게이트를 제어하고 있다.

그러나, 상기 종래의 구성에 있어서, 위치 검출 센서인 인코더 또는 홀 소자 등을 가진 것은, 인버터에 인가되는 직류 전압이 저하하더라도 회전자의 위치 검출이 가능하다. 그러나, 압축기처럼 위치 검출 센서를 부착하는 것이 곤란한 경우는, 상기와 같은 종래의 구성은 적용할 수 없다.

일반적으로, 특별한 위치 검출 센서를 사용하지 않고 브러시리스 DC 모터를 구동하는 방법(센서리스 구동 방법)으로서 알려져 있는 것은, 모터의 고정자 코일에 유기되는 역기전력으로부터 회전자 위치를 검출하는 방법과, 모터 전류로부터 회전자 위치를 검출하는 방법 등이다.

그러나, 상기 종래의 센서리스 구동 방법을 채용한 모터의 구동 장치에 있어서는, 회전자 위치의 검출이 가능한 것은 평활 콘덴서의 용량이 충분히 크고, 그 평활 콘덴서의 양단 전압(정류 회로의 출력 전압)에 포함되는 리플 전압이 작을 때이다. 왜냐하면, 평활 콘덴서의 용량이 충분히 크고, 정류 회로의 출력 전압에 포함되는 리플 전압이 작을 때는, 역기전력이나 모터 전류가 안정적이므로 안정된 회전자 위치의 검출이 가능하기 때문이다.

그러나, 종래의 센서리스 구동 방법을 채용한 모터의 구동 장치에 있어서는, 도 6에 도시한 특별한 위치 검출 센서를 갖는 구동 장치처럼, 장치 전체를 소형화하기 위해서 평활 콘덴서를 대폭 소용량화하면, 리플 전압이 대폭 증가해 버린다. 그 때문에, 특히, PWM 인버터에 인가되는 전압이 낮을 때, 회전자 위치의 검출에 필요한 역기전력의 검출이 불가능하거나, 회전자 위치의 검출에 필요한 모터 전류를 흐르게 할 수 없다.

그 결과, 회전자 위치의 정확한 검출이 곤란해져, PWM 인버터에 의한 전류 타이밍이 대폭 어긋나, 모터 효율의 저하를 야기할 뿐만 아니라, 큰 모터 전류가 흐르게 된다. 또, 최악의 경우는, 모터가 정지해 버린다는 문제를 초래할 우려가 있었다.

본 발명은, 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로, 특별한 위치 검출 센서를 필요로 하지 않는 센서리스 구동에 있어서, 정류 회로에 접속하는 평활 콘덴서의 대폭의 소용량화를 가능하게 함과 더불어, 평활 콘덴서의 양단 전압(정류 회로의 출력 전압)에 큰 리플 전압이 포함되는 경우라도 안정된 모터 구동을 가능하게 한 모터의 구동 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 모터의 구동 방법은, 다음 동작을 갖는다. 출력 단자 간에 콘덴서를 접속하여, 교류 전원의 교류 전압을 입력으로 하는 정류 회로에 의해, 그 교류 전압을 정류하는 동작과, 정류 회로에 접속된 인버터에 의해 모터를 구동하는 동작과, 위치 검출기에 의해 모터의 역기전력 또는 모터 전류 중 어느 한쪽으로부터 모터의 회전자의 회전 위치를 검출하는 동작과, 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 불가능할 때는, 위치 추정기에 의해 회전자 위치를 추정하는 동작과, 위치 검출기에 의해 검출된 회전자 위치 또는 위치 추정기에 의해 추정된 회전자 위치 중 어느 한쪽에 기초해, 제어기에 의해 인버터를 제어하는 동작을 포함한다.

또, 본 모터의 구동 장치는, 다음 구성을 갖는다. 다이오드 브릿지 회로로 구성되며, 입력되는 교류 전원의 교류 전압을 정류하기 위한 정류 회로와, 그 정류 회로의 출력 단자 간에 접속되는 콘덴서와, 마찬가지로 정류 회로에 접속된 인버터와, 인버터에 의해 구동되는 모터의 역기전력 또는 모터 전류 중 어느 한쪽으로부터 모터의 회전자의 회전 위치를 검출하기 위한 위치 검출기와, 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 불가능할 때, 그 위치를 추정하기 위한 위치 추정기와, 위치 검출기로부터의 출력 신호와 위치 추정기로부터의 출력 신호를 전환해서 인버터를 동작시키기 위한 제어기를 포함한다.

본 발명의 모터의 구동 방법 및 그 장치는, 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 불가능할 때 그 위치를 추정하여 인버터를 동작시키는 것을 특징으로 한 것이다. 이에 의해, 회전자 위치의 검출이 불가능할 때도 그 위치를 추정하여 그 위치 검출에 따라 전류할 수 있으므로, 안정된 모터 운전이 가능해진다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 모터의 구동 장치의 블록도이다.

도 2는, 도 1에 도시한 모터의 구동 장치에 있어서의 콘덴서의 전압 파형을 나타낸 타이밍 차트이다.

도 3은, 도 1에 도시한 모터의 구동 장치에 있어서의 부하 전류에 대한 순간 최저 전압 및 리플 함유율을 나타낸 특성도이다.

도 4는, 도 1에 도시한 모터의 구동 장치에 있어서의 동작을 나타낸 흐름도이다.

도 5는, 도 1에 도시한 모터의 구동 장치에 있어서의 각 부의 파형을 나타낸 타이밍 차트이다.

도 6은, 종래의 모터의 구동 장치의 블록도이다.

〈부호의 설명〉

10…교류 전원 11…정류 회로

12…콘덴서 13…인버터

14…브러시리스 DC 모터 16…압축기

20…위치 검출기 21…위치 추정기

22…전압 검출기 23…전환기

24…전류기 30…제어기

이하, 본 발명의 실시형태에 관해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 모터의 구동 장치의 블록도이다. 도 1에 도시한 모터의 구동 장치는, 다음 구성을 갖고 있다.

다이오드 브릿지 회로로 구성되며, 입력되는 교류 전원(10)의 교류 전압을 정류하기 위한 정류 회로(11)와, 그 정류 회로(11)의 출력 단자 간에 접속되는 콘덴서(12)와, 마찬가지로 정류 회로(11)에 접속된 인버터(13)와, 그 인버터(13)에 의해 구동되는 모터(14)의 역기전력 또는 모터 전류 중 어느 한쪽으로부터, 모터(14)의 회전자의 회전 위치를 검출하기 위한 위치 검출기(20)와, 위치 검출기(20)에 의한 회전자위치의 검출이 불가능할 때, 그 위치를 추정하기 위한 위치 추정기(21)와, 위치 검출기(20)로부터의 출력 신호와 위치 추정기(21)로부터의 출력 신호를 전환해서 인버터(13)를 동작시키기 위한 제어기(30)를 포함한다.

도 1에 도시한 모터의 구동 장치를 더욱 상세하게 설명한다. 도 1에 있어서, 교류 전원(10)은, 일본의 경우 100V 50Hz 또는 60Hz의 일반적인 상용 전원이다. 정류 회로(11)를 구성하는 다이오드 브릿지 회로는 4개의 다이오드를 브릿지 접속하고 있다. 정류 회로(11)는, 교류 전원(10)의 교류 전압을 입력하여, 다이오드 브릿지 회로에서 그 교류 전압을 전파 정류한다. 정류 회로(11)의 출력 단자 간에는 콘덴서(12)가 접속되어 있다. 여기서, 그 콘덴서(12)는, 종래의 모터 구동 장치에 사용되고 있는 평활 콘덴서에 비해 소용량의 콘덴서이다. 도 1에 도시한 본 실시형태에 있어서의 모터의 구동 장치에 있어서는, 콘덴서(12)는 1㎌의 적층 세라믹 콘덴서를 사용하고 있다. 적층 세라믹 콘덴서는, 최근 고 내압이고 또한 종래에 비해 용량이 큰 것이 칩으로 실현 가능하도록 되어오고 있다.

한편, 종래의 모터 구동 장치에 있어서는, 평활 콘덴서는, 주로는 대용량(200W 출력의 경우에는 수백 ㎌)의 전해 콘덴서가 사용된다. 종래, 이 평활용 콘덴서는, 일반적으로는 인버터의 출력 용량(W 또는 VA) 또는 구동 장치 전체의 입력 용량(W 또는 VA)이나, 직류 전압의 리플 함유량이나 리플 전류에 의한 평활용 콘덴서의 내(耐)리플 전류의 특성 등으로부터 그 용량을 결정한다. 이들 조건을 가미 하여, 일반적으로는 2㎌/W부터 4㎌/W 정도의 용량을 확보한다. 즉, 인버터의 출력 용량이 200W인 경우는, 400㎌부터 800㎌ 정도의 전해 콘덴서를 사용하고 있다.

이에 대해, 도 1에 도시한 본 실시형태에 있어서의 모터 구동 장치에서는, 콘덴서(12)에는 0.1㎌/W 이하의 용량을 갖는 콘덴서를 사용한다. 즉, 인버터(13)가 200W의 출력 용량인 경우는, 20㎌ 이하의 콘덴서(12)를 사용한다.

인버터(13)는, 6개의 스위칭 소자(TR1, TR2, TR3, TR4, TR5 및 TR6)를 3상 브릿지 접속한 구성을 구비하고 있다. 이들 스위칭 소자의 각각은, 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT)가 사용되고 있다. 각각 트랜지스터의 콜렉터, 이미터 간에는 플라이휠 다이오드가 역방향으로 접속되어 있다.

모터(14)는, 인버터(13)의 3상 출력에 의해 구동된다. 모터(14)의 고정자에는 3상 스타 결선된 코일이 설치되어 있다. 이 권회 방법은 집중권이어도 되고, 분포권이어도 된다.

또, 회전자에는 영구 자석을 배치하고 있다. 그 배치 방법은, 고정자 코어의 표면에 영구 자석을 배치한 표면 자석형(SPM)이어도 되고, 고정자 코어의 내부에 영구 자석을 매입(埋入)한 매입 자석형(IPM)이어도 된다. 또한, 영구 자석은 페라이트 자석이어도 되고, 희토류 자석이어도 된다.

모터(14)의 회전자의 축에는 압축 요소(15)가 접속되어 있다. 이 압축 요소(15)는, 냉매 가스를 흡입하여 압축해서 토출한다. 이 모터(14)와 압축 요소(15)를 동일한 밀폐 용기에 수납하여 압축기(16)를 구성한다. 압축기(16)에서 압축된 토출 가스는, 응축기(17), 감압기(18), 증발기(19)를 통과해 압축기의 흡입으로 되 돌아오는 냉동 공조 시스템을 구성한다. 이 때, 응축기(17)에서는 방열, 증발기(19)에서는 흡열을 행하므로, 냉각이나 가열을 행할 수 있다. 필요에 따라 응축기(17)나 증발기(19)에 대해 송풍기 등을 사용해, 열교환을 더욱 촉진시키는 경우도 있다.

위치 검출기(20)는, 모터(14)의 역기전력 또는 모터 전류로부터 모터(14)의 회전자의 회전 위치의 검출을 행한다. 본 실시형태에서는, 고정자 코일에 유기되는 역기전력으로부터 회전자의 회전 위치를 검출하는 방법에 관해 설명한다. 인버터(13)는, 3상 120도 통전 방식의 직사각형파 구동으로 한다.

이 구동 방식을 더욱 상세하게 설명한다. 모터(14)의 고정자에는 3상 스타 결선된 코일이 설치되어 있는데, 지금, 그 3상 코일을 U상 코일, V상 코일 및 W상 코일로 한다. 인버터(13)는, 회전자의 회전 위치에 따라, 순차적으로 각각 전기각으로 60도씩, U상에서 V상으로, U상에서 W상으로, V상에서 W상으로, V상에서 U상으로, W상에서 U상으로, W상에서 V상으로 모터 전류를 전류한다.

여기서, 예를 들면 U상 코일에 주목하면, 전기각 120도 기간에서 통전된 뒤, 전기각 60도 기간에서 통전이 중지되고, 그 후 전기각 120도 기간에서 역방향으로 통전된다. V상 코일 및 W상 코일에서도 같은 통전이 이루어진다. 이 때, U상, V상, W상의 서로의 통전 위상차는 전기각 120도이다.

상기 설명에서 명백한 바와 같이, 3상 120도 통전, 직사각형파 구동에 있어서는, 통전되고 있지 않은 상(통전 휴지 기간)이 존재한다. 이 통전되고 있지 않은 상에 발생하는 역기전력의 제로 크로스점을 검출함으로써, 회전자 위치를 검출 한다. 이 회전자 위치의 검출을 위치 검출기(20)에 의해 행하고 있다.

위치 추정기(21)는, 위치 검출기(20)가 정상적으로 위치 검출하고 있을 때, 그 검출 타이밍의 시간 측정을 행하여, 그 타이밍 시간에 기초해 회전자의 회전 위치의 추정을 행한다. 전압 검출기(22)는, 콘덴서(12)의 양단 전압을 검출하여, 그 전압값이 미리 설정된 소정값보다 큰지 작은지의 판단을 행한다.

전환기(23)는, 위치 검출기(20)의 출력 신호, 위치 추정기(21)의 출력 신호, 및 전압 검출기(22)의 출력 신호를 입력한다. 그 전환기(23)는, 전압 검출기(22)의 출력 신호, 즉 전압 검출기(22)에 있어서의 상기 판단 결과에 기초해, 위치 검출기(20)의 출력 신호나, 위치 추정기(21)의 출력 신호 중 어느 하나를 선택하여, 전류기(轉流器)(24)에 대해 출력한다. 그 전류기(24)의 출력 신호(전류 신호)가, 인버터(13)의 6개의 IGBT의 게이트에 입력되어, 그들 IGBT를 ON/OFF 제어한다. 여기서, 제어기(30)는, 전환기(23) 및 전류기(24)를 포함한다.

이상과 같이 구성된 본 실시형태에 있어서의 모터의 구동 장치에 관해, 그 동작을 설명한다. 교류 전원(10)의 교류 전압은, 정류 회로(11)를 구성하는 다이오드 브릿지 회로에서 전파 정류되지만, 콘덴서(12)가 종래에 비해 대단히 소용량이기 때문에, 정류 회로(11)의 출력 전압(콘덴서(12)의 양단의 전압)은 거의 평활되지 않아, 큰 리플을 가진 것이 된다.

위치 검출기(20)는, 모터의 회전에 따라 고정자 코일에 유기되는 역기전력 또는 모터 전류로부터 모터(14)의 회전자 위치를 검출하는데, 정류 회로(11)의 출력 전압이 낮을 때, 원하는 전압 또는 전류를 충분히 확보할 수 없기 때문에, 그 위치 검출은 불가능해진다.

한편, 위치 추정기(21)는, 위치 검출기(20)의 위치 검출 타이밍을 항상 검출하고 있어, 위치 검출 신호가 입력되지 않은 경우, 앞의 타이밍과 동일한 타이밍으로 위치 추정 신호를 출력한다.

전압 검출기(22)에서 검출한 콘덴서(12)의 양단의 전압이, 미리 설정된 소정값(본 실시형태에서는 50V로 한다. )보다 높으면, 전환기(23)는 위치 검출기(20)의 출력 신호를 선택하여, 전류기(24)에 대해 위치 검출 신호를 출력한다. 반대로, 소정값보다 낮으면, 전환기(23)는 위치 추정기(21)의 출력 신호를 선택하여, 전류기(24)에 대해 위치 추정 신호를 출력한다.

여기서, 콘덴서(12)의 양단 전압의 변화를 전압 검출기(22)로 검출하여, 도 1에는 생략하고 있지만, PWM 제어의 듀티로 피드 포워드 제어를 행하여, 인버터(13)의 출력의 전압 또는 전류를 일정하게 하도록 제어를 행한다. PWM 제어의 듀티란, PWM 제어에 있어서의(ON 기간+OFF 기간)에 대한 ON 기간의 비율을 나타내는 것으로 한다.

즉, 속도 제한으로 얻어진 기준 듀티에 대해, 콘덴서(12)의 양단 전압이 높은 경우는 듀티를 낮게 하고, 반대로 콘덴서(12)의 양단 전압이 낮은 경우는 듀티를 높게 함으로써, 인버터(13)의 출력의 전압 또는 전류를 조정한다. 그에 의해, 모터(14)를 원활하게 구동한다.

다음에, 콘덴서(12)의 양단의 전압 파형에 관해, 도 2 및 도 1을 사용해 설명한다. 도 2는 본 실시형태에 있어서의 콘덴서(12)의 전압 파형을 나타낸 타이밍 차트이다.

도 2에 있어서, 세로축은 전압을 나타내고, 가로축은 시간을 나타낸다. 또, 교류 전원(10)은, 교류 전압 100V 50Hz를 공급하는 전원으로 한다. 도 2에서의 파선 A는, 대단히 부하 전류가 작을(거의 전류가 흐르고 있지 않을) 때의 상태이며, 콘덴서(12)의 충전 전하가 거의 방전되지 않아 전압의 저하는 거의 없다.

또한, 여기서 말하는 부하 전류란, 정류 회로의 출력 전류, 즉 인버터(13)로의 입력 전류이다. 파선 A에서의 평균 전압은 141V이고, 리플 전압은 0V, 리플 함유율은 0%이다. 또한, 리플 전압[V]=순간 최고 전압[V] - 순간 최저 전압[V]이다. 또, 리플 함유율[%]=(리플 전압[V]/평균 전압[V])×100이다.

다음에, 부하 전류를 크게 해 가면, 콘덴서(12)의 충전 전하의 일부가 방전되어, 일점쇄선 B로 나타낸 바와 같이 순간 최저 전압이 저하한다. 단, 전원 전압으로부터 정해지는 순간 최고 전압은 141V에서 변하지 않는다. 일점쇄선 B로 나타낸 경우, 순간 최저 전압은 40V이기 때문에, 평균 전압이 약 112V이고, 리플 전압은 101V, 리플 함유율은 90%가 된다.

또한, 부하 전류를 크게 해 가면, 콘덴서(1)에는 거의 충전 전하가 축적되지 않아, 실선 C로 나타낸 바와 같이 순간 최저 전압이 거의 0V까지 저하한다. 단, 전원 전압으로부터 정해지는 순간 최고 전압은 141V에서 변하지 않는다. 실선 C로 나타낸 경우, 순간 최저 전압은 0V이기 때문에, 평균 전압이 약 100V이고, 리플 전압은 141V, 리플 함유율은 141%가 된다.

상기한 바와 같이 콘덴서(12)가 소용량인 경우, 부하 전류를 취출하면, 거의 평활되지 않아 입력의 교류 전원(10)을 전파 정류한 채로의 파형이 된다.

다음에, 부하 전류에 대한 순간 최저 전압 및 리플 함유율의 관계에 관해, 도 3을 사용해 더 상세히 설명한다. 도 3은 본 실시형태에 있어서의 부하 전류에 대한 순간 최저 전압 및 리플 함유율을 나타낸 특성도이다. 도 3에 있어서, 가로축은 부하 전류이고, 세로축은 순간 최저 전압과 리플 함유율을 나타낸다. 또, 실선은 순간 최저 전압의 특성을, 파선은 리플 함유율의 특성을 각각 나타낸다.

도 2에서 설명한 파선 A로 나타낸 전류 파형일 때는 부하 전류 0A이고, 순간 최저 전압 141V, 리플 함유율 0%이다. 또, 일점 쇄선 B로 나타낸 전류 파형일 때는 부하 전류 0.25A이고, 순간 최저 전압 40V, 리플 함유율 90%이다. 또, 실선 C로 나타낸 전류 파형일 때는 부하 전류 0.35A이고, 순간 최저 전압 0V, 리플 함유율 141%이다. 0.35A 이상의 전류에 있어서는 순간 최저 전압, 리플 함유율 모두 변화는 하지 않는다.

본 실시형태에 있어서의 모터의 구동 장치에 있어서는, 실사용 범위는 부하 전류 0.25A 이상, 1.3A 이하인 것으로 한다. 실사용 범위에 있어서는, 리플 함유율이 항상 90% 이상이 되는 소용량의 콘덴서(12)를 선정하고 있다.

본 실시형태에 있어서는, 상술한 바와 같이 정류 회로의 출력 전압이 50V 이하에서는 위치 검출이 불가능한 상태이고, 그 결과 실사용 범위 중 어디에 있어서나 회전자 위치의 검출이 불가능한 부분이 포함되게 된다.

다음에, 도 1에 있어서의 동작을 더 상세하게, 도 4와 도 1을 사용해 설명한다. 도 4는, 본 실시형태에 있어서의 동작을 나타낸 흐름도이다.

우선, STEP1에 있어서, 전압 검출기(22)로 직류 전압 Vdc를 검출한다. 여기서, 직류 전압 Vdc는 정류 회로(11)의 출력 전압, 즉 콘덴서(12)의 양단 전압이다.

다음에, STEP2에 있어서, STEP1에서 검출된 직류 전압 Vdc를, 위치 검출기(20)에 의한 위치 검출이 불가능해지는 전압의 소정값 50V와 비교해, 직류 전압 Vdc가 50V 미만이면, STEP3으로 진행한다. STEP3에 있어서, 전환기(23)는, 위치 추정기(21)를 선택하여, 그 때까지의 위치 검출기(20)로부터 전환한다.

STEP4에 있어서, 위치 추정기(21)는, 위치 검출 신호가 앞의 변화로부터 일정 시간 경과했는지 여부를 판단한다. 이 일정 시간은, 위치 검출에 의해 미리 정해진 시간이며, 회전수에 따라 그 시간은 변화하는 것이다. 일정 시간이 경과하지 않았으면, 그대로 통과, 완료하고, 일정 시간이 경과했으면, STEP5로 진행한다. STEP5에 있어서는, 전류 즉 위치 검출을 행한 것으로 해서 인버터(13)의 스위칭 소자군을 전류기(24)로 전환하는 동작을 한다.

또, STEP2에 있어서, STEP1에서 검출된 직류 전압 Vdc를, 위치 검출이 불가능해지는 전압의 소정값 50V와 비교해, 직류 전압 Vdc가 50V 이상이면, STEP6으로 진행한다. STEP6에 있어서, 전환기(23)는 위치 검출기(20)를 선택한다.

STEP7에 있어서, 위치 검출기(20)는, 위치 검출 신호가 앞의 변화로부터 상태가 변화했는지 여부를 판단한다. 상태가 변화하지 않았으면, 그대로 통과, 완료하고, 상태가 변화했으면, STEP8로 진행한다. STEP8에 있어서, 전류 즉 위치 검출을 행한 것으로 해서 인버터(13)의 스위칭 소자군을 전류기(24)로 전환하는 동작을 행한다.

이들 동작을 일정 시간 내에 반복함으로써, 항상 전압 검출기(22)에 의해 직류 전압의 상태를 검출하여, 그 상태에 따라 위치 검출기(20)의 출력 신호와 위치 추정기(21)의 출력 신호를 전환기(23)로 전환할 수 있다. 이에 의해, 직류 전압이 낮아서, 위치 검출이 불가능한 상태에서도 전류 동작을 행할 수 있어, 운전을 계속할 수 있다.

상기 설명한 동작을 행한 경우의 파형에 관해, 도 5와 도 1을 사용해 설명한다. 도 5는, 도 1에 도시한 본 실시형태에 있어서의 모터의 구동 장치 각 부의 파형을 나타낸 타이밍 차트이다.

도 5에 있어서, 직류 전압 (A)는 콘덴서(12)의 양단의 전압이다. 전압 검출(B)은 전압 검출기(22)의 출력이다. 전압 검출기(22)에서는, 직류 전압 (A)를 소정 전압(본 실시형태에서는 50V)과 비교한 결과를 출력한다. 직류 전압 (A)가 50V 이상이면 High 레벨을, 50V 미만이면 Low 레벨의 신호를 출력한다. 도 5에 있어서는, 시간 T6, T7에 있어서 직류 전압 (A)가 50V 이하인 경우를 나타낸다.

위치 검출 (C)는 위치 검출기(20)의 출력을 나타낸다. 또, 위치 추정 (D)는 위치 추정기(21)의 출력을 나타낸다. 직류 전압이 50V 이상일 때는, 위치 검출기(20)에 의한 위치 검출이 가능하고, 도 5의 시간 T1부터 T5까지, T8부터 T12까지의 구간에서는 위치 검출을 정상적인 상태에서 행할 수 있다.

한편, 도 5의 시간 T6, T7에서는, 직류 전압이 50V 미만이기 때문에 위치 검출기(20)로부터의 위치 검출 신호가 나오지 않는다. 가령 나왔다고 해도 타이밍이 전혀 맞지 않아 오동작을 야기하는 것이 발생할 가능성이 높다.

그래서, 시간 T6, T7에 있어서는, 전류 신호로서 위치 추정기(21)의 신호를 사용한다. 위치 추정기(21)에서는 앞의 전류의 타이밍 T5로부터의 시간을 계측하고 있으며, 미리 정해진 소정 시간이 경과하면 시간 T6의 타이밍에서 전류를 행한다.

또, 마찬가지로, 시간 T7에서도 시간 T6으로부터 소정 시간 경과 후에 전류를 행한다. 여기서 말하는 소정 시간이란, 정상적으로 위치 검출이 되어 있는 시간, 예를 들면 시간 T4부터 T5 사이까지의 시간을 측정하여 소정 시간으로 하고 있다. 여기서, 소정 시간의 측정은, 예를 들면 위치 추정기(21)가 구비하는 타이머에 의해 행할 수 있다.

이상과 같이, 시간 T1부터 T5까지, 및 시간 T8부터 T12까지에 있어서는, 전환기(23)는 위치 검출기(20)의 출력 신호를 선택하여 출력한다. 또, 시간 T6, T7에 있어서는, 전환기(23)는 위치 추정기(21)의 출력 신호를 선택하여 출력한다. 전환기(23)의 출력은, 전류기(24)에 입력되고, 전류기(24)에서는 인버터(13)의 6개의 스위칭 소자를, 도 5에 도시한 바와 같이, 즉 TR1의 통전 상태 (E), TR2의 통전 상태 (F), TR3의 통전 상태 (G), TR4의 통전 상태 (H), TR5의 통전 상태 (I), TR6의 통전 상태 (J)로 나타낸 바와 같이 ON/OFF시킨다. 도 5에 있어서, 통전 상태(E)부터 (J)에 있어서, High 레벨을 ON, Low 레벨을 OFF로 한다.

인버터(13)의 출력 전압 파형의 일례로서, 도 5에 U상 전압 (K)를 나타낸다. 출력의 최대 전압은 직류 전압 (A)에 의해 규제되어, U상 전압의 포락선(파선으로 나타낸다)은 직류 전압 (A)에 일치한다.

상술한 바와 같이, 직류 전압 (A)의 전압 레벨에 따라 PWM 제어의 듀티를 변경하고 있으므로, 도 5의 U상 전압 (K)로 나타낸 바와 같이, U상 전압이 낮은 곳(예를 들면, 시간 T5부터 T6까지의 사이)에서는 듀티를 높게(ON 기간을 길게) 하고, U상 전압이 높은 곳(예를 들면, 시간 T11부터 T12까지의 사이)에서는 듀티를 낮게(ON 기간을 짧게) 하고 있다. 이에 의해 U상 전압의 전압 변동에 의해 U상 전류가 불안정해지는 것을 미연에 방지한다. V상 및 W상에서도 동일하다.

본 실시형태에 있어서는, 전압 검출기(22)는 전압 레벨을 직접 검출하는 것으로 했으나, 전압 레벨의 제로 크로스 등의 타이밍을 검출하여, 그 검출 결과에 기초해, 시간에 따라 전압 레벨을 추정하는 것 등이어도 무방하다.

또, 본 실시형태에 있어서는, 직류 전압, 즉 콘덴서(12)의 양단의 전압에 의해, 전환기(23)에 의해 위치 검출기(20)와 위치 추정기(21)를 전환하도록 했으나, 위치 검출기(20)로부터 위치 검출 신호가 나오지 않을 때, 자동적으로 위치 추정기(21)로부터의 위치 추정 신호로 전환하는 방법이어도 무방하다.

또, 본 실시형태에 있어서는 압축기로 설명했으나, 송풍기처럼 관성 모멘트(inertia)가 큰 용도에 응용할 수도 있다. 그 경우는, 콘덴서가 소용량이고, 정류 전압이 큰 리플을 갖고 있더라도, 큰 이너시아 부하 때문에, 모터는 안정된 회전을 얻을 수 있다. 따라서, 지금까지 생각할 수 없었던 대폭의 장치의 소형화를 실현할 수 있다.

또, 본 실시형태에 있어서는, 위치 검출기(20)는, 실시간으로 회전자 위치를 검출하는 것으로 했으나, 예를 들면 전체의 위치 검출과 전류의 타이밍 차를 평균 적으로 보는 방법 등을 사용해도 된다.

이상과 같이, 본 발명의 모터의 구동 장치는, 위치 검출기(20)에 의한 회전자 위치의 검출이 불가능할 때 그 위치를 추정하여 인버터(13)를 동작시키도록 하는 것을 특징으로 한 것이다. 이에 의해, 회전자 위치의 검출이 불가능할 때도 그 위치를 추정하여, 위치 검출기(20)의 위치 검출 신호에 상당한 위치 추정 신호에 의해, 인버터(13)의 전류 동작을 행할 수 있으므로, 안정된 운전이 가능해진다.

또, 콘덴서(12)는, 모터 구동의 실사용의 출력 범위에 있어서, 정류 회로(11)의 출력 전압의 리플 함유율이 90% 이상이 되는 용량인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 모터의 구동 장치에 있어서는, 큰 리플 전압이라 해도 모터를 효율적으로 안정되게 구동할 수 있으므로, 리플 전압이 거의 0V까지 강하하는 작은 용량의 콘덴서를 사용할 수 있다. 그 결과, 대단히 소형의 모터의 구동 장치를 실현할 수 있다.

또, 본 발명의 모터의 구동 장치는, 위치의 검출이 불가능할 때 소정 시간마다 위치가 전환되어 가는 것으로 해서 추정을 행하는 것을 특징으로 한 것이다. 따라서, 위치 검출이 불가능한 상태에 있어서, 압축기(16) 등의 모터(14)는 이너시아(관성 모멘트)로 동작하고 있기 때문에, 안정된 운전을 실현하여, 모터 정지를 방지할 수 있다.

또, 본 발명의 모터의 구동 장치는, 정류 회로(11)의 출력 전압이 미리 정해진 소정 전압 이하일 때, 위치 검출이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 것으로, 위치 검출이 불가능한 부분을 적확(的確)하게 판단할 수 있기 때문에, 보 다 안정된 운전을 행할 수 있다.

또, 본 발명의 모터의 구동 장치는, 위치 검출기(20)에 의한 위치의 검출이 불가능할 때 그 위치를 추정하는 위치 추정기(21)와, 위치 검출기(20)와 위치 추정기(21)를 전환해서 인버터(13)를 동작시키도록 하는 제어기(23)를 설치함으로써, 위치 검출이 불가능할 때라도 안정된 위치 검출을 행할 수 있어, 효율적인 안정된 운전을 실현할 수 있다.

또, 본 발명의 모터의 구동 장치는, 위치의 검출이 불가능할 때 추정 위치를 타이머를 사용해 결정함으로써, 압축기처럼 알맞은 이너시아(관성 모멘트)를 갖는 시스템에 있어서는, 간단하게 안이한 구성으로 안정된 운전을 실현할 수 있다.

또, 본 발명의 모터의 구동 장치는, 콘덴서(12)의 양단 전압을 검출하여 미리 정해진 소정 전압 이하일 때, 위치 추정기(21)로부터의 출력으로 인버터를 동작시키도록 한 것이며, 직류 전압이 저하하여 위치 검출이 불가능해지는 상태를 적확하게 판단할 수 있어, 적절한 전환을 행할 수 있으므로, 보다 안정된 운전을 실현할 수 있다.

또, 본 발명의 모터의 구동 장치는, 냉동 공조 시스템을 구성하는 압축기(16)를 구동하는 경우처럼, 위치 검출 센서를 부착할 수 없는 용도에서의 콘덴서(13)의 소용량화를 실현할 수 있으므로, 지금까지 생각할 수 없었던 대폭의 소형화를 실현할 수 있다.

또, 본 발명의 모터의 구동 장치는, 바람을 보내는 송풍기를 구동함으로써, 특히 송풍기처럼 관성 모멘트(inertia)가 큰 용도에서는, 소용량의 콘덴서에 의한 큰 리플에 그 회전수는 큰 영향을 받지 않고 회전시킬 수 있기 때문에, 지금까지 생각할 수 없었던 대폭의 소형화를 실현할 수 있다.

본 발명에 따른 브러시리스 DC 모터의 구동 방법 및 그 장치에 의하면, 위치 검출기에 의한 모터 회전자의 위치 검출이 불가능할 때도, 위치 추정기에 의해 회전자 위치를 추정하여, 그 추정한 위치에 따라 인버터를 동작시키기 때문에 안정된 모터 운전을 행할 수 있다. 본 발명은, 냉장고나 에어컨 등의 냉동 공조 시스템의 압축기 등에 탑재되는 브러시리스 DC 모터의 구동에 한정되지 않고, 폭넓은 장치에 있어서의 모터 구동에 이용 가능하다.

Claims (11)

1. 출력 단자 간에 콘덴서를 접속하여, 교류 전원의 교류 전압을 입력으로 하는 정류 회로에 의해, 상기 교류 전압을 정류하는 동작과,

   상기 정류 회로에 접속된 인버터에 의해, 브러시리스 DC 모터를 구동하는 동작과,

   위치 검출기에 의해, 상기 브러시리스 DC 모터의 역기전력 또는 모터 전류 중 어느 한쪽으로부터 상기 브러시리스 DC 모터의 회전자의 회전 위치를 검출하는 동작과,

   상기 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 불가능할 때는, 위치 추정기에 의해 상기 회전자 위치를 추정하는 동작과,

   제어기에 의해, 상기 위치 검출기로부터의 출력 신호와 상기 위치 추정기로부터의 출력 신호를 전환해서 상기 인버터를 제어하는 동작을 포함하는 브러시리스 DC 모터의 구동 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 콘덴서는, 브러시리스 DC 모터의 구동에서의 실사용의 출력 범위에 있어서, 상기 정류 회로의 출력 전압의 리플 함유율이 90% 이상이 되는 용량인 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 구동 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 가능할 때의 검출 시간을 기초로 해서 소정 시간을 정하고, 상기 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 불가능할 때 상기 소정 시간마다 위치가 전환되어 가는 것으로 해서 추정을 행하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 구동 방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 정류 회로의 출력 전압이 미리 정해진 소정 전압 이하일 때, 상기 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 구동 방법.
5. 다이오드 브릿지 회로로 구성되며, 입력되는 교류 전원의 교류 전압을 정류하기 위한 정류 회로와,

   상기 정류 회로의 출력 단자 간에 접속되는 콘덴서와,

   상기 정류 회로에 접속되는 인버터와,

   상기 인버터에 의해 구동되는 브러시리스 DC 모터의 역기전력 또는 모터 전류 중 어느 한쪽으로부터, 상기 브러시리스 DC 모터의 회전자의 회전 위치를 검출하기 위한 위치 검출기와,

   상기 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 불가능할 때, 그 위치를 추정하기 위한 위치 추정기와,

   상기 위치 검출기로부터의 출력 신호와 상기 위치 추정기로부터의 출력 신호를 전환해서 상기 인버터를 동작시키기 위한 제어기를 포함하는 브러시리스 DC 모터의 구동 장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 인버터는, 6개의 스위칭 소자를 3상 브릿지 접속한 구성인 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 구동 장치.
7. 청구항 5에 있어서,

   상기 콘덴서는, 브러시리스 DC 모터의 구동에서의 실사용의 출력 범위에 있어서, 상기 정류 회로의 출력 전압의 리플 함유율이 90% 이상이 되는 용량인 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 구동 장치.
8. 청구항 5에 있어서,

   상기 위치 추정기는 타이머를 구비하고, 상기 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 가능할 때의 검출 시간을 기초로 해서 소정 시간을 정하고, 상기 위치 검출기에 의한 회전자 위치의 검출이 불가능할 때, 상기 타이머를 사용해 회전자의 추정 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 구동 장치.
9. 청구항 5에 있어서,

   상기 콘덴서의 양단 전압을 검출하여, 그 검출 전압이 미리 정해진 소정 전압 이하일 때, 상기 위치 추정기로부터의 출력으로 상기 인버터를 동작시키는 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 구동 장치.
10. 청구항 5에 있어서,

    상기 브러시리스 DC 모터는, 냉동 공조 시스템에 포함되는 압축기를 구동하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 구동 장치.
11. 청구항 5에 있어서,

    상기 브러시리스 DC 모터는, 바람을 보내기 위한 송풍기를 구동하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 구동 장치.

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