KR101400242B1

KR101400242B1 - 세탁기 모터 구동회로 및 세탁기 모터 구동방법

Info

Publication number: KR101400242B1
Application number: KR1020110093345A
Authority: KR
Inventors: 김병수; 심명규; 박창보
Original assignee: 주식회사 아모텍
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2014-05-28
Also published as: KR20130029929A

Abstract

본 발명은 세탁기의 세탁(헹굼)모드와 탈수모드에 따라 인버터를 전파 구동 또는 반파 구동 방법으로 절환함에 의해 모터 구동효율을 최적화할 수 있는 세탁기 모터 구동회로 및 세탁기 모터 구동방법에 관한 것이다.
본 발명은 세탁기를 구동하기 위해 스테이터와 로터를 구비하는 2상 또는 3상 구동방식 모터를 사용하는 세탁기 모터 구동회로에 있어서, 2쌍 또는 3쌍의 스위칭 소자가 각각 토템폴 구조로 접속되고 각 쌍의 접속점으로부터 상기 2상 또는 3상 구동방식 모터의 스테이터 코일에 대한 2상 또는 3상 구동신호를 발생하는 인버터; 상기 스테이터 코일의 중성점과 전원 사이에 삽입되어 모드선택신호가 인가됨에 따라 상기 인버터를 전파 구동방법 또는 반파 구동방법으로 절환시키는 구동모드선택부; 상기 세탁기 본체로부터 인가되는 제어신호와 로터의 위치신호에 기초하여 세탁기의 구동모드선택에 따라 상기 인버터를 전파 구동방법 또는 반파 구동방법으로 절환하도록 상기 인버터와 구동모드선택부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 세탁기가 세탁모드일 때 상기 인버터를 전파 구동방법으로 구동하고 탈수모드일 때 상기 인버터를 반파 구동방법으로 구동하는 것을 특징으로 한다.

Description

세탁기 모터 구동회로 및 세탁기 모터 구동방법{MOTOR DRIVE CIRCUIT FOR WASHING MACHINE AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 세탁기 모터 구동회로 및 세탁기 모터 구동방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터 구동회로에 하나의 스위칭 소자를 부가함에 의해 세탁기의 세탁(헹굼)모드와 탈수모드에 따라 모터 구동회로의 인버터를 전파 구동 또는 반파 구동 방식으로 절환하여 모터 구동효율을 최적화할 수 있는 세탁기 모터 구동회로 및 세탁기 모터 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로 구동축이 수평인 드럼 세탁기는 터브 내부에 배치된 드럼 또는 바스켓을 세탁기 구동 모터의 동력을 전달받아 드럼 또는 바스켓을 회전시킨다. 또한, 구동축이 수직인 전자동세탁기인 경우 외조의 하측에 배치된 구동 모터에 의해 세탁조를 회전 구동시킨다.

상기 드럼 세탁기인 경우 구동 모터의 동력은 모터의 출력축이 벨트 등을 통해 드럼의 구동축으로 간접적으로 연결되거나, 모터의 출력축이 드럼의 구동축에 직접 연결되어 전달된다.

세탁기 구동 모터는 코일이 코어에 권선된 고정자인 스테이터와, 스테이터에 간격을 두고 회전가능하게 설치된 로터로 구성된다. 상기 스테이터는 소정 곡률을 갖는 환형의 요크로부터 일정한 간격으로 방사방향으로"T"형상으로 돌출되어 그들 사이에 다수의 슬롯이 형성되도록 다수의 티스를 갖는 고정자 코어와 상기 고정자 코어의 티스에 권선되는 스테이터 코일로 구성되어 있다.

일반적으로 모터의 슬롯 수(스테이터 코어의 슬롯 수(티스 수)와 폴(pole) 수(N극 및 S극 자석 수)는 서로 비례하여 설정되며, 모터는 슬롯 수가 많으면 고토크, 저속 특성을 나타내고, 슬롯 수가 적으면 저토크, 고속 특성을 나타낸다.

한편, 세탁기는 크게 세탁모드(Wash mode)(이하 헹굼모드 포함)와 탈수모드(spin mode)로 구분할 수 있고, 세탁모드에서는 저속(Low RPM), 고토크(High Torque)로 모터를 구동하고, 탈수모드에서는 고속(High RPM), 저토크(Low Torque)로 모터를 구동하는 것이 요구된다. 즉, 세탁모드에서는 모터의 슬롯 수가 많은 것이 바람직하고, 탈수모드인 경우는 모터의 슬롯 수가 적은 것이 바람직하다.

그런데, 세탁모드와 탈수모드는 서로 상반된 특성을 요구하는 것이므로 하나의 모터가 두 가지 모드를 모두 만족시킬 수 있는 스테이터(즉, 슬롯 수) 구조를 갖는 것은 양립될 수 없다.

종래에는 세탁기 구동 모터에서 스테이터 코어의 티스에 권선을 감는 집중권 방법으로 세탁모드의 저속, 고토크에 적합하도록 설계되어 있어, 탈수모드시에 효율 저하의 원인이 되고 있었다.

또한, 세탁기에서 세탁모드와 탈수모드 중 세탁모드의 작동시간이 탈수모드의 작동시간에 비하여 훨씬 길기 때문에 세탁기 구동 모터는 스테이터의 슬롯 수를 세탁모드에 적합하도록 많은 슬롯 수를 갖도록 하여 고토크, 저속 특성에 최적화하도록 모터를 설계하고, 저토크, 고속 특성이 요구되는 탈수모드에서는 약계자 제어를 실시하고 있다.

예를 들어, 공개특허 제2004-68224호에 제안된 것과 같이 세탁모드의 저속 회전영역에서는 모터를 전계자로 운전하고, 탈수운전의 고속 회전영역에서는 모터를 약계자로 운전하도록 제어하는 동시에, 전계자 운전을 실행하는 경우는 모터의 출력토크를 벡터제어하고, 약계자 운전을 실행하는 경우는 모터를 전압위상제어하고 있다.

그러나 상기한 약계자 제어는 매우 복잡한 제어 회로와 제어 루틴을 요구하며, 모터의 효율을 극대화할 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같이 세탁모드와 탈수모드 중 어느 일측을 고려하여 설계하는 경우 전체적인 측면에서는 모터의 구동 효율이 최적화될 수 없기 때문에 세탁모드에 요구되는 토크값과 탈수모드에 요구되는 RPM을 고려하여 중간단계로 설계하는 것이 일반적이며, 그 결과 세탁모드에서 최대 효율을 갖는 모터 구조를 설계할 수 없는 문제가 존재한다.

한편, 에너지 효율을 높이기 위해 가전제품(에어컨, 세탁기, 냉장고 등)에 인버터에 의해 제어되는 3상 브러쉬레스 직류 모터를 사용하는 경우가 많아지고 있다.

브러쉬레스 직류(Brushless DC: BLDC) 모터는 무정류자 모터(commutatorless motor)라고도 하며, 통상 직류 모터의 중요한 부품인 브러시와 정류자 대신 트랜지스터와 같은 전력 스위칭 소자를 사용한 전자회로의 스위칭에 의해 스테이터 코일에 흐르는 전류를 절환하여 회전 자계를 발생시켜 로터를 회전 구동하는 모터이다.

따라서, BLDC 모터는 동기 모터의 구조에 직류모터와 유사한 전류 대 토크, 속도 대 전압의 특성이 있으며, 고효율, 높은 전력 밀도 때문에 가전용 기기에서 산업용 기기에 이르기까지 사용분야가 점점 확대되고 있는 추세이다.

이러한 BLDC 모터는 3상 구동방식인 경우 고정자(스테이터)로서 3개의 코일이 전기적으로 120도의 위상차를 갖도록 회전자(로터)인 영구자석과 대향하여 배치되며, 스위칭 소자를 통해 각 상의 스테이터 코일들을 선택적으로 통전시킬 때 그에 따라 선택적으로 자화되는 코어와 영구자석의 자극 상호 간에 작용하는 자기력에 의하여 로터가 회전하게 된다.

3상 BLDC 모터는 단상에 비해 토크 제어가 용이하며 효율이 높고 소음면에서도 유리하여 대용량은 대부분 3상(U상, V상, W상)으로 구동되고, 이때 사용되는 모터 구동 장치는 FET 또는 IGBT와 같은 6개의 전력 스위칭 소자를 사용한 전압형 인버터가 사용된다.

즉, BLDC 모터는 AC 모터와 다르게 로터의 위치에 기초하여 토템폴 접속된 3쌍의 스위칭 트랜지스터를 선택적으로 구동하여 U상, V상, W상 코일에 전류를 순차적으로 인가함에 의해 각상의 스테이터 코일을 순차적으로 여자시켜서 회전자계를 발생하여 로터의 회전이 이루어지게 한다.

국내공개특허공보 제2004-68224호(공개일자 2004.07.30)

상기한 바와 같이, 종래의 세탁기 구동 모터는 세탁모드와 탈수모드 2가지 모드를 동시에 만족할 수 없는 구조적 한계가 있고, 이를 극복하기 위해 탈수모드에서는 고속 회전을 위해 소위 약계자 제어를 적용하고 있으나, 매우 복잡한 제어 회로와 제어 루틴을 요구하며, 모터의 효율을 극대화할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 복잡한 약계자 제어를 선택하지 않는 경우 세탁기 구동 모터는 두 가지 모드를 모두 만족시킬 수 없기 때문에 일반적으로 세탁모드와 탈수모드를 모두 고려하여 중간 단계로 설계하여야 한다. 따라서, 세탁모드와 탈수모드 각각에 최적인 모터 효율을 가질 수 있는 모터 설계가 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 세탁기의 세탁(헹굼)모드와 탈수모드에 따라 모터 구동회로의 인버터를 전파 구동 또는 반파 구동 방식으로 절환함에 의해 모터 구동 효율을 상승시킬 수 있는 세탁기 모터 구동회로 및 세탁기 모터 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 하나의 스위칭 소자를 부가하는 간단한 회로 변경에 의해 인버터를 전파 구동 또는 반파 구동 방식으로 절환할 수 있는 세탁기 모터 구동회로 및 세탁기 모터 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 스테이터 코어의 슬롯 수를 가능한 한 최대로 설계함에 의해 세탁기의 세탁(헹굼)모드에서 최대의 구동 효율을 도모하고, 탈수모드인 경우에는 반파 구동방식으로 전환하여 슬롯 수를 1/2로 줄여서 동작함에 의해 고속 회전이 이루어질 수 있는 세탁기 모터 구동회로 및 세탁기 모터 구동방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 세탁기를 구동하기 위해 스테이터와 로터를 구비하는 2상 또는 3상 구동방식 모터를 사용하는 세탁기 모터 구동회로에 있어서, 2쌍 또는 3쌍의 스위칭 소자가 각각 토템폴 구조로 접속되고 각 쌍의 접속점으로부터 상기 2상 또는 3상 구동방식 모터의 스테이터 코일에 대한 2상 또는 3상 구동신호를 발생하는 인버터; 상기 스테이터 코일의 중성점과 전원 사이에 삽입되어 모드선택신호가 인가됨에 따라 상기 인버터를 전파 구동방법 또는 반파 구동방법으로 절환시키는 구동모드선택부; 및 상기 세탁기 본체로부터 인가되는 제어신호와 로터의 위치신호에 기초하여 세탁기의 구동모드선택에 따라 상기 인버터를 전파 구동방법 또는 반파 구동방법으로 절환하도록 상기 인버터와 구동모드선택부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 세탁기가 세탁모드일 때 상기 인버터를 전파 구동방법으로 구동하고 탈수모드일 때 상기 인버터를 반파 구동방법으로 구동하는 것을 특징으로 하는 세탁기 모터 구동회로를 제공한다.

상기 탈수모드인 경우 스테이터 코어의 슬롯 수가 세탁모드의 1/2로 감축됨에 따라 스테이터 코일의 저항값이 1/2로 감축되어 탈수모드 진행에 요구되는 고 RPM이 얻어진다.

또한, 상기 구동모드선택부는 스위칭 소자로 구성되고, 상기 세탁모드인 경우 구동모드 선택용 스위칭 소자를 턴-오프 상태로 설정하고, 상기 탈수모드인 경우 구동모드 선택용 스위칭 소자를 턴-온 상태로 설정하는 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 세탁모드인 경우 2개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르도록 상기 2쌍 또는 3쌍의 스위칭 소자의 상부 스위칭 소자 중 하나의 스위칭 소자와 하부 스위칭 소자 중 하나를 턴-온시키고, 상기 탈수모드인 경우 1개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르도록 상기 2쌍 또는 3쌍의 스위칭 소자의 하부 스위칭 소자 중 하나를 턴-온시킨다.

또한, 상기 세탁모드인 경우 3상 중 2개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르게 하고, 상기 탈수모드인 경우 3상 중 1개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르게 구동하는 것이 바람직하다.

상기 모터의 로터 위치신호는 상기 스테이터 코일에 흐르는 기전력(EMF: Electromotive Force) 값에 기초하여 감지하거나, 스테이터에 설치된 홀 센서에 의해 얻어질 수 있다.

상기 제어부는 예를 들어, 펄스폭변조(PWM) 구동방법으로 인버터를 구동하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 세탁기 모터 구동회로는 제어부와 인버터 사이에 접속되어 제어부로부터 PWM 구동신호를 수신하여 예비 증폭한 후 각각 예비 증폭된 PWM 구동신호를 인버터에 인가하는 게이트 드라이버를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 세탁기 모터 구동회로의 세탁기 모터 구동방법에 있어서, 세탁기의 진행모드를 판단하는 단계; 및 상기 세탁기의 진행모드가 세탁모드인 경우 전파 구동방법으로 인버터를 설정하고, 상기 세탁기의 진행모드가 탈수모드인 경우 반파 구동방법으로 인버터를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세탁기 모터 구동방법을 제공한다.

이 경우, 상기 세탁기 모터는 스테이터와 로터를 구비하는 3상 구동방식 모터로 이루어지며, 상기 세탁모드인 경우 3상 중 2개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르게 하고, 상기 탈수모드인 경우 3상 중 1개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르게 구동하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탈수모드인 경우 스테이터 코어의 슬롯 수가 세탁모드의 1/2로 감축되는 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 세탁기 모터 구동회로는 2쌍 또는 3쌍의 스위칭 소자가 각각 토템폴 구조로 접속되고 각 쌍의 접속점으로부터 상기 2상 또는 3상 구동방식 모터의 스테이터 코일에 대한 2상 또는 3상 구동신호를 발생하는 인버터; 및 모드선택신호가 인가됨에 따라 상기 인버터를 전파 구동 또는 반파 구동 방식으로 절환시키는 구동모드선택부를 구비하며, 상기 세탁모드인 경우 구동모드 선택용 스위칭 소자를 턴-오프 상태로 설정하고, 상기 탈수모드인 경우 구동모드 선택용 스위칭 소자를 턴-온 상태로 설정하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 세탁기의 세탁(헹굼)모드와 탈수모드에 따라 모터 구동회로의 인버터를 전파 구동 또는 반파 구동 방식으로 절환함에 의해 모터 구동 효율을 상승시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 모터 구동회로에 하나의 스위칭 소자를 부가하는 간단한 회로 변경에 의해 인버터를 전파 구동 또는 반파 구동 방식으로 절환할 수 있어 저렴한 비용으로 회로를 구현할 수 있다.

더욱이, 본 발명은 스테이터 코어의 슬롯 수를 가능한 한 최대로 설계함에 의해 전파 구동방법으로 구동되는 세탁기의 세탁(헹굼)모드에서 최대의 구동 효율을 도모하고, 탈수모드인 경우에는 반파 구동방식으로 전환하여 슬롯 수를 1/2로 줄여서 동작함에 의해 효율의 저하 없이 고속 회전이 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세탁기 모터 구동회로를 나타낸 회로도이다.
도 2는 도 1에서 인버터와 모터의 상세 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 세탁기 모터 구동방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 세탁기 모터 구동회로에서 구동방식에 따른 회전수와 토크와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5 및 도 6은 각각 전파구동방식과 반파구동방식인 경우 N-T 커브를 나타낸다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이하의 설명에서 모터에 요구되는 회전속도와 토크를 고려할 때 세탁모드와 헹굼모드는 서로 유사하므로 헹굼모드를 별도로 설명하지 않는다.

또한, 세탁기 모터 구동회로에 의해 작동되는 모터에 의해 구동되는 세탁기는 구동축이 수평인 드럽 세탁기 또는 구동축이 수직인 전자동 세탁기 모두에 적용될 수 있으며, 이후의 설명에서는 단지 세탁기라 칭한다.

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세탁기 모터 구동회로를 나타낸 회로도이고, 도 2는 도 1에서 인버터와 모터의 상세 회로도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세탁기 모터 구동회로(10)는 세탁기 본체(15)로부터 제어신호를 수신하는 제어부(11), 게이트 드라이버(12), 인버터(13), 구동모드선택부(14), 로터위치검출부(16) 및 전원회로(도시되지 않음)를 포함하여 구성된다.

상기 인버터(13)의 3출력과 연결되는 모터(20; M)는 3상 구동방식으로 이루어지며, U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)이 예를 들어, 36, 42, 48, 54의 슬롯을 갖는 스테이터 코어의 티스 또는 분할 코어에 권선되어 있다.

본 발명에 따른 세탁기 모터 구동회로(10)는 세탁기 본체(15)로부터 사용자가 선탁한 세탁코스에 따라 세탁물을 세탁 및 탈수하도록 드럼 세탁기의 드럼(바스켓) 또는 전자동 세탁기의 세탁조(내조)를 회전 구동시키기 위한 세탁기 구동 모터(20)를 작동시키는 회로이다.

본 발명의 세탁기 모터 구동회로(10)에 의해 제어되는 세탁기 구동 모터(20)는 3상 구동방식의 브러쉬레스 직류(BLDC) 모터로서, 서로 대향하여 배치되는 스테이터(stator)와 로터(rotor)를 구비하고 있다.

상기 세탁기 구동 모터(20)는 예를 들어, 레이디얼 방식의 싱글 로터-싱글 스테이터 또는 더블 로터-싱글 스테이터 구조의 모터를 사용할 수 있다. 또한, 구동 모터(20)는 더블 스테이터-싱글 로터나 더블 스테이터-더블 로터 구조의 모터를 사용할 수 있다.

스테이터는 코어 타입인 경우 백요크로부터 돌출된 다수의 코어 티스에, 3상 구동방식인 경우 3개, 또는 2상 구동방식인 경우 2개의 코일이 교대로 권선되어 있고, 로터에는 N극 및 S극 자석이 백요크에 배치되어 있으며 중앙부에 회전축이 결합되어 있다.

상기 모터(20)는 3상 구동방식인 경우 3개의 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)을 포함하며, 2상 구동방식인 경우 2개의 스테이터 코일을 포함한다. 본 발명의 실시예 설명에서는 모터(20)가 3상 구동방식으로서 3개의 스테이터 코일(L1-L3)을 포함하는 것을 예를 들어, 설명하나, 본 발명은 2상 구동방식에도 적용될 수 있다.

본 발명의 모터 구동회로에 채용되는 전원회로는 크게 AC 전원을 DC 전원으로 변경하는 AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터를 포함하고 있다.

상기 AC-DC 컨버터는 정류회로로 구성될 수 있으며, 일반 상용 교류전원을 정류하여 후단으로 전달하는 역할을 하며, 입력된 전원에 포함된 고주파 노이즈를 제거하여 균일하게 하기 위한 커패시터, EMC(Electromagnetic compatibility) 또는 EMI(electro magnetic interference) 대책용 필터 등을 구비할 수도 있다.

DC-DC 컨버터는 상기 정류회로로부터의 DC 전원을 입력받아 디지털 신호처리장치(DSP)를 구동하는 데 필요한 전압으로 다운시켜서 디지털 신호처리장치(DSP) 또는 마이컴 등으로 구성되는 제어부(11)에 대한 디지털 구동전원으로 0.7~5V의 전압을 인가함과 동시에 전압검출회로 또는 전류검출회로를 구비하고 과전압과 과전류를 검출하는 역할을 한다. DC-DC 컨버터는 각종 보호회로를 구비하고 있으며, 레귤레이터(Regulator)를 사용하여 구현되거나 SMPS(Switching Mode Power Supply) 방식의 전원장치를 사용할 수 있다.

상기 제어부(11)는 디지털 신호처리장치(DSP) 또는 마이컴 등으로 구성될 수 있으며 전원회로로부터 인가되는 0.7~5V 범위의 디지털 구동전원에 의해 동작이 이루어진다.

제어부(11)는 세탁기 본체(15)로부터 사용자가 선택한 세탁물의 종류와 세탁코스 등에 따라 결정되어 전달되는 제어신호를 수신하며, 제어신호에 따라 순차적으로 세탁물을 세탁하도록 로터의 위치정보를 수신하여 신호처리한 후 펄스폭변조(PWM) 구동방법으로 인버터(13)를 구동하기 위한 펄스폭변조(PWM) 신호를 출력한다.

이러한 PWM 구동방법은 예를 들어, 전압을 일정하게 유지하면서 전류를 펄스방식으로 인가할 때 펄스폭의 비율을 제어함에 의해 평균전류를 제어하는 방식을 사용할 수 있다.

제어부(11)는 미리 설정된 출력 세기에 비례하는 제어전압을 사용자가 선택함에 따라 가변되는 제어전압과 로터의 위치정보에 기초하여 스테이터 코일(L1-L3)에 인가되는 통전시간이 결정되는 PWM 신호를 출력한다.

상기한 제어부(11)의 PWM 구동방법은 이에 제한되지 않고 주지된 다른 방법을 적용하는 것도 가능하다.

상기 인버터(13)는 도 2에 도시된 바와 같이, 모터(20)에 대해 3상 구동신호(Su,Su,Sw)를 인가하기 위한 3쌍의 스위칭 소자(Q1,Q4;Q3,Q6;Q5,Q2)를 포함하고 있다.

각 쌍의 스위칭 소자(Q1,Q4;Q3,Q6;Q5,Q2)는 상부 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)와 하부 스위칭 소자(Q4,Q6,Q2)가 토템폴 구조로 접속되고, 각각의 접속점(Pu,Pv,Pw)이 모터(20)의 스테이터에 권선된 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)에 각각 연결되는 구조로 되어 있다.

상기 구동모드선택부(14)는 제어부(11)로부터의 구동모드선택에 따라 인버터(13)를 전파 구동방법과 반파 구동방법 중 하나의 방법으로 구동하도록 설정하며, U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)의 중성점(NP)과 전원(Vs) 사이에 접속되는 스위칭 소자(Q7)로 구성될 수 있다.

상기 스위칭 소자(Q1,Q2;Q3,Q4;Q5,Q6)(Q7)는 FET, MOSFET, BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 전력 스위칭 반도체 소자를 사용할 수 있다.

또한, 상기 인버터(13)의 상부 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)에는 전단에 제어부(11)로부터 PWM 구동신호를 수신하여 예비 증폭하여 각각 예비 증폭된 PWM 구동신호를 인가하는 제1 내지 제3 게이트 드라이버(12)를 삽입되어 있다.

상기 인버터(13)의 하부 스위칭 소자(Q4,Q6,Q2)는 각각 제어부(11)에 연결되어 구동신호를 수신한다.

상기 제어부(11)는 세탁기에 작동에 대한 사용자의 선택에 따라 세탁기 본체(15)로부터 인가되는 가변 제어전압과 로터의 위치정보를 수신하여 신호처리한 후 펄스폭변조(Pulse Width Modulation: PWM) 구동방법으로 인버터(13)의 스위칭 소자(Q1-Q6)를 선택적으로 구동하도록 펄스폭변조(PWM) 신호를 게이트 드라이버(12)로 출력한다.

이 경우, 상기 로터 위치정보는 스테이터에 설치되어 회전되는 로터 마그넷의 극성변화를 검출하는 자기검출소자에 의해 구성되는 로터위치검출부(16)에 의해 감지되어 제어부(11)로 제공된다.

상기 로터위치검출부(16)는 2개 또는 3개의 Hall 센서를 사용하여 구성될 수 있으며, 또한, 스테이터 코일에 흐르는 EMF(Electromotive Force) 값을 신호 처리하여 로터의 위치를 감지할 수도 있다.

3개의 홀센서를 사용하는 경우, 회전하는 로터의 자계에 의해 발생되며 위상이 예를 들어, 120°차이가 나는 3개의 신호를 검출한다.

모터(20)의 로터를 한쪽 방향으로 계속해서 회전시키기 위해서는 로터의 위치를 검출하고, 검출된 로터의 위치에 따라 코일(L1-L3)의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 전환시키도록 스위칭 소자(Q1~Q6)를 순차적/선택적으로 온, 오프시켜야 한다.

이하에 상기와 같이 구성된 본 발명의 세탁기 모터 구동회로의 동작을 상세하게 설명한다.

모터 구동회로(10)가 세탁기 본체(15)로부터 세탁모드를 수행하도록 제어신호가 제어부(11)에 인가된 경우, 제어부(11)는 인버터(13)를 전파 구동방법으로 동작하도록 모드선택신호(Sm)를 로우레벨로 인가함에 의해 스위칭 소자(Q7)를 턴-오프시킨다.

스위칭 소자(Q7)가 턴-오프 상태인 경우, 인버터(13)는 전파 구동방법으로 동작하여 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)에 펄스폭변조(PWM) 신호가 인가된다.

즉, U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)로 3상 구동신호(Su,Su,Sw)를 선택적으로 인가하도록 상부 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)와 하부 스위칭 소자(Q4,Q6,Q2)의 한 쌍을 순차적으로 턴-온시키기 위한 스위칭 신호를 하이레벨로 발생하여 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)로부터 회전자계를 발생시킨다.

제어부(11)는 3개의 Hall 센서로부터 120°위상차가 나는 3개의 로터위치신호에 기초하여 상부 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)와 하부 스위칭 소자(Q4,Q6,Q2)를 120° 간격으로 교대로 절환시키면서 동작시킨다.

즉, 제어부(11)는 순차적으로 상부 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5) 중 하나와 하부 스위칭 소자(Q4,Q6,Q2) 중 하나를 선택적으로 턴-온시키기 위해 3개의 게이트 구동신호(AH-CH)를 제1 내지 제3 게이트 드라이버(12)를 통하여 상부 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)에 인가하고 3개의 게이트 신호(GAL-GCL)는 하부 스위칭 소자(Q4,Q6,Q2)에 직접 인가한다.

먼저, 하나의 상부 스위칭 소자(Q1)와 하나의 하부 스위칭 소자(Q2)를 턴-온시키도록 게이트 구동신호(AH)와 게이트 신호(GCL)를 하이레벨로 발생하면, 게이트 구동신호(AH)는 제1 게이트 드라이버(12)에서 예비 증폭된 후 상부 스위칭 소자(Q1)의 게이트에 인가되고, 게이트 신호(GCL)는 제어부(11)로부터 직접 하부 스위칭 소자(Q2)의 게이트에 인가됨에 따라 상부 스위칭 소자(Q1)와 하부 스위칭 소자(Q2)는 턴-온로 되고, 나머지 스위칭 소자(Q3-Q6)는 턴-오프 상태에 있게 된다.

이 경우, 전류는 상부 스위칭 소자(Q1)로부터 접속점(Pu), U상 스테이터 코일(L1), W상 스테이터 코일(L3) 및 하부 스위칭 소자(Q2)를 통하여 흐르게 된다. 즉, 모터(20)는 U상 스테이터 코일(L1)과 W상 스테이터 코일(L3), 2개의 코일을 통하여 전류가 흐르는 전파 구동방법으로 동작이 이루어진다.

이어서, 제어부(11)가 상부 스위칭 소자(Q1)는 턴-온 상태를 유지한 상태로 하부 스위칭 소자(Q2)를 턴-오프시키도록 게이트 신호(GCL)를 로우레벨로 전환하고, 하부 스위칭 소자(Q6)를 턴-온시키기 위해 게이트 신호(GBL)를 하이레벨로 발생하면, 나머지 스위칭 소자(Q2-Q5)는 턴-오프 상태에 있게 된다.

이 경우, 전류는 상부 스위칭 소자(Q1)로부터 접속점(Pu), U상 스테이터 코일(L1), V상 스테이터 코일(L2) 및 하부 스위칭 소자(Q6)를 통하여 흐르게 된다.

계속하여, 게이트 구동신호(CH)를 하이레벨로 전환하고 게이트 신호(GBL)를 하이레벨로 유지하면, 상부 스위칭 소자(Q5)와 하부 스위칭 소자(Q6)가 턴-온상태로 되어, 전류가 W상 스테이터 코일(L3)에서 V상 스테이터 코일(L2)로 흐르게 된다.

이와 같이 순차적으로 전류가 W상 스테이터 코일(L3)에서 U상 스테이터 코일(L1)로, V상 스테이터 코일(L2)에서 U상 스테이터 코일(L1)로, V상 스테이터 코일(L2)에서 W상 스테이터 코일(L3)로 전류가 흐르도록 상부 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)와 하부 스위칭 소자(Q4,Q6,Q2)를 선택적으로 턴-온시키면, 스테이터의 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)로부터 발생하는 회전 자계에 의해 N극 및 S극이 교대로 배치된 다극 구조의 로터는 계속하여 회전이 이루어지게 된다.

즉, 세탁(헹굼)모드인 경우 3상 코일 중 2개상의 코일을 통하여 전류가 순차적으로 흐르게 되고, 전류가 흐르는 방향이 변경되면서 스테이터 코일(L1-L3)로부터 순차적인 회전 자계를 발생시켜 로터를 회전시키게 된다.

상기한 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)로부터 회전 자계를 발생시키는 구동방법은 상기한 구동방법 이외에도 다른 구동방법으로 회전자계를 발생할 수 있으며, 본 발명은 이에 제한되지 않고 다른 구동방법을 적용하는 것도 물론 가능하다.

한편, 세탁(헹굼)모드가 완료되면, 세탁기 본체(15)는 모터 구동회로(10)에 탈수모드를 수행하도록 제어신호를 제어부(11)에 인가한다. 이 경우, 제어부(11)는 인버터(13)를 반파 구동방법으로 동작하도록 모드선택신호(Sm)를 하이레벨로 인가함에 의해 스위칭 소자(Q7)를 턴-온시킨다.

또한, 스위칭 소자(Q7)가 턴-온 상태에서, 인버터(13)가 반파 구동방법으로 동작하도록 3개의 게이트 구동신호(AH-CH)를 모두 로우레벨로 인가하여 상부 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)를 모두 턴-오프시킨다.

이 상태에서 하부 스위칭 소자(Q4,Q6,Q2)를 순차적으로 턴-온시키도록 게이트 신호(GAL-GCL)를 순차적으로 하이레벨로 발생하면, U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)로부터 회전자계가 발생된다.

즉, 상부 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)가 턴-오프 상태이고, 스위칭 소자(Q7)가 턴-온 상태에서 예를 들어, 게이트 신호(GAL)만 하이레벨로 설정하고, 게이트 신호(GBL,GCL)를 로우레벨로 설정하면, 전류는 스위칭 소자(Q7), U상 스테이터 코일(L1) 및 하부 스위칭 소자(Q4)를 통하여 흐르게 된다.

이어서, 제어부(15)가 게이트 신호(GBL)만 하이레벨로 설정하고, 게이트 신호(GAL,GCL)를 로우레벨로 설정하면, 전류는 스위칭 소자(Q7), V상 스테이터 코일(L2) 및 하부 스위칭 소자(Q6)를 통하여 흐르게 된다.

또한, 이 상태에서 게이트 신호(GCL)만 하이레벨로 설정되면, 전류는 스위칭 소자(Q7), W상 스테이터 코일(L3) 및 하부 스위칭 소자(Q2)를 통하여 흐르게 된다.

상기한 바와 같이, 구동모드를 선택하는 스위칭 소자(Q7)가 턴-온 상태에서 하부 스위칭 소자(Q4,Q6,Q2)를 선택적으로 턴-온시키면, 스테이터의 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)이 순차적으로 여자되어 자계가 발생하면서 이러한 회전 자계에 의해 N극 및 S극이 교대로 배치된 다극 구조의 로터는 계속하여 회전이 이루어지게 된다.

즉, 탈수모드인 경우 3 상중 1개상의 스테이터 코일(L1-L3)을 통하여 전류가 순차적으로 흐르게 되면서 스테이터 코일(L1-L3)로부터 회전 자계를 발생시켜 로터를 회전시게 된다.

상기한 세탁모드와 탈수모드를 비교하면, 탈수모드에서는 1개상의 코일을 통하여 전류가 순차적으로 흐르는 반파구동방식이고, 세탁모드에서는 2개상의 코일을 통하여 전류가 순차적으로 흐르는 전파구동방식이다.

이 경우, 전파구동방식에서는 2개상의 코일을 통하여 전류가 흐르고, 반파구동방식에서는 1개상의 코일을 통하여 전류가 흐르므로, 반파구동방식인 경우가 전파구동방식보다 저항값이 1/2로 줄어들게 되어, 탈수모드에서 RPM의 상승에 문제가 발생하지 않게 된다.

즉, 세탁 및 탈수 모드에 따라 전파구동방식과 반파구동방식 중 하나로 구동되는 본 발명 모터의 특성은 도 4에 도시된 바와 같이 얻어지며, 이 경우 RPM은 반파구동방식이 전파구동방식과 비교하여 2배 이상 증가하고, 토크는 전파구동방식이 반파구동방식보다 더 높게 얻어지는 것을 알 수 있다.

그 결과 본 발명에서는 탈수모드에서 약계자 제어를 실시하지 않고도 요구되는 고속 RPM에 쉽게 근접할 수 있게 된다.

또한, 세탁모드에서 인버터(13)를 전파구동방식으로 구동함에 의해 저속(Low RPM), 고토크(High Torque)로 모터를 구동할 수 있고, U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)의 슬롯 수는 종래에는 채택하기 어려운 27 슬롯 이상의 다수 슬롯 예를 들어, 36, 42, 48, 54의 슬롯을 갖는 스테이터 코어를 채용하는 것이 가능하여 모터 효율 상승을 기할 수 있다.

더욱이, 탈수모드에서는 인버터(13)를 반파구동방식으로 구동함에 의해 고속(High RPM), 저토크(Low Torque)로 모터를 구동할 수 있고, U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1-L3)의 슬롯 수는 전파구동방식의 1/2인 18, 21, 24, 27의 슬롯을 갖는 스테이터 코어로 변환됨에 따라 모터 효율 상승을 기할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 종래에는 채택하기 어려운 27 슬롯 이상의 다수 슬롯 예를 들어, 36, 42, 48, 54의 슬롯을 갖는 스테이터 코어를 채용하는 것이 가능하여 모터 효율 상승을 기할 수 있다.

상기한 전파구동방식과 반파구동방식의 N-T 커브를 도 5 및 도 6에 나타낸다. 도 5 및 도 6을 참고하면, RPM(■), 파워(▲)는 반파구동방식이 전파구동방식 보다 더 높고, 효율(◆)은 전파구동방식이 반파구동방식 보다 더 높은 것을 알 수 있다.

이하에 도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 세탁기 모터 구동방법을 설명한다.

도 3을 참조하면, 세탁기가 작동되는 경우, 우선 홀센서로부터 얻어진 감지신호에 기초하여 로터의 회전속도를 산출함에 의해 모터의 현재속도를 측정하여(S1), 이를 토대로 제어부(11)에서 현재 세탁기의 진행모드가 탈수모드인 지를 확인한다(S2).

모터 속도에 기초하여 세탁기의 모드가 탈수모드가 아닌 경우 즉, 세탁이나 헹굼모드인 경우에는 정상운전방식, 즉 전파구동방법으로 인버터(13)를 작동시켜 2개상의 스테이터 코일을 통하여 전류가 순차적으로 흐르도록 구동한다(S4).

상기 모드판단단계(S2)에서 탈수모드인 경우 제어부(11)는 반파구동방법으로 인버터(13)를 작동시켜 1개상의 스테이터 코일을 통하여 전류가 순차적으로 흐르도록 구동한다(S3).

이 경우, 제어부(11)는 전파구동방법 또는 반파구동방법으로 인버터(13)를 작동시킬 때 세탁기 본체(15)로부터 인가되는 제어신호에 기초하여 지령전류와 지령전압을 계산하고(S5,S6), 이에 대응하는 PWM 구동신호를 발생하여 인버터(13)로 인가함에 의해 회전속도와 토크를 제어한다(S7).

상기 제어부(11)는 PWM 구동신호로 이루어진 3개의 게이트 구동신호(AH-CH)를 제1 내지 제3 게이트 드라이버(12)를 통하여 상부 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)에 선택적으로 인가하고 3개의 게이트 신호(GAL-GCL)를 하부 스위칭 소자(Q2,Q4,Q6)에 선택적으로 인가함에 의해 모터(20)를 구동하게 된다(S8,S9).

이후에는 상기 세탁모드와 탈수모드 동작이 모두 완료될 때까지 리턴된다(S10).

상기한 바와 같이 고토크, 저속 영역의 세탁모드에서는 전파 구동방식으로 구동하여 세탁모드의 효율을 극대화시키고, 저토크, 고속 영역의 탈수모드에서는 반파 구동방식으로 인버터를 동작시킴에 의해 탈수모드에서 스테이터의 슬롯 수를 세탁모드보다 1/2로 줄임에 의해 스테이터 코일의 저항을 1/2로 다운시켜 탈수모드에서 회전수(RPM) 상승이 쉽게 이루어질 수 있게 된다.

상기와 같이, 본 발명에서는 모드 선택에 따라 스테이터의 슬롯 수를 1/2로 다운시키는 것이 가능하여 세탁모드시에 탈수모드에서 회전수(RPM) 상승의 부담을 갖지 않고 다수의 슬롯 수를 갖는 스테이터 코어와 슬롯 수를 갖는 모터를 채택함에 의해 세탁모드에서 고효율을 도모할 수 있는 설계 자유도가 높게 된다.

그 결과, 일반적인 드럼 세탁기의 세탁모드 효율이 30% 정도이나, 본 발명에 의하면 최소 40% 이상의 효율이 가능하고, 복잡한 제어 회로와 제어 루틴을 요구하는 약계자 제어 없이도 목표 고속 RPM에 쉽게 근접할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 모드선택용 스위칭 소자(Q7) 하나만 추가하면 쉽게 고효율 모터를 구현할 수 있는 효과가 있다.

10: 모터 구동회로 11: 제어부
12: 게이트 드라이버 13: 인버터
14: 구동모드선택부 15: 세탁기 본체
16: 로터위치검출부 20: 모터
L1-L3: 스테이터 코일 Q1-Q7: 스위칭 소자

Claims

세탁기를 구동하기 위해 스테이터와 로터를 구비하는 3상 구동방식 모터를 사용하는 세탁기 모터 구동회로에 있어서,
3쌍의 스위칭 소자가 각각 토템폴 구조로 접속되고 각 쌍의 접속점으로부터 상기 3상 구동방식 모터의 스테이터 코일에 대한 3상 구동신호를 발생하는 인버터;
상기 스테이터 코일의 중성점과 전원 사이에 삽입되어 모드선택신호가 인가됨에 따라 상기 인버터를 전파 구동방법 또는 반파 구동방법으로 절환시키는 구동모드선택부; 및
상기 세탁기 본체로부터 인가되는 제어신호와 로터의 위치신호에 기초하여 세탁기의 구동모드선택에 따라 상기 인버터를 전파 구동방법 또는 반파 구동방법으로 절환하도록 상기 인버터와 구동모드선택부를 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 세탁기가 세탁모드일 때 상기 인버터를 전파 구동방법으로 구동하고 탈수모드일 때 상기 인버터를 반파 구동방법으로 구동하며,
상기 구동모드선택부는 스위칭 소자로 구성하여, 상기 세탁모드인 경우 구동모드 선택용 스위칭 소자를 턴-오프 상태로 설정하고, 상기 탈수모드인 경우 구동모드 선택용 스위칭 소자를 턴-온 상태로 설정하며,
상기 세탁모드인 경우 2개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르도록 상기 3쌍의 스위칭 소자의 상부 스위칭 소자 중 하나의 스위칭 소자와 하부 스위칭 소자 중 하나를 턴-온시키고, 상기 탈수모드인 경우 1개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르도록 상기 3쌍의 스위칭 소자의 하부 스위칭 소자 중 하나를 턴-온시켜, 상기 탈수모드인 경우 스테이터 코어의 슬롯 수가 세탁모드의 1/2로 감축되는 것을 특징으로 하는 세탁기 모터 구동회로.
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세탁기를 구동하기 위해 스테이터와 로터를 구비하는 3상 구동방식 모터를 사용하는 세탁기 모터 구동회로에 있어서,
3쌍의 스위칭 소자가 각각 토템폴 구조로 접속되고 각 쌍의 접속점으로부터 상기 3상 구동방식 모터의 스테이터 코일에 대한 3상 구동신호를 발생하는 인버터;
상기 스테이터 코일의 중성점과 전원 사이에 삽입되어 모드선택신호가 인가됨에 따라 상기 인버터를 전파 구동방법 또는 반파 구동방법으로 절환시키는 구동모드선택부; 및
상기 세탁기 본체로부터 인가되는 제어신호와 로터의 위치신호에 기초하여 세탁기의 구동모드선택에 따라 상기 인버터를 전파 구동방법 또는 반파 구동방법으로 절환하도록 상기 인버터와 구동모드선택부를 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 제어부로부터 세탁기의 구동모드선택에 따라 구동모드선택부에 모드선택신호가 인가될 때 세탁기가 세탁모드일 때 상기 인버터를 전파 구동방법으로 구동하고 탈수모드일 때 상기 인버터를 반파 구동방법으로 구동하며,
상기 세탁모드인 경우 3상 중 2개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르게 하고, 상기 탈수모드인 경우 3상 중 1개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르게 구동하며,
상기 탈수모드인 경우 스테이터 코어의 슬롯 수가 세탁모드의 1/2로 감축되는 것을 특징으로 하는 세탁기 모터 구동회로.
제1항에 있어서,
상기 모터의 로터 위치신호는 상기 스테이터 코일에 흐르는 기전력(EMF: Electromotive Force) 값에 기초하여 감지하는 것을 특징으로 하는 세탁기 모터 구동회로.
제1항에 있어서,
상기 모터의 로터 위치신호는 스테이터에 설치된 홀 센서에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 세탁기 모터 구동회로.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 펄스폭변조(PWM) 구동방법으로 인버터를 구동하는 것을 특징으로 하는 세탁기 모터 구동회로.
제1항에 있어서,
상기 제어부와 인버터 사이에 접속되어 제어부로부터 PWM 구동신호를 수신하여 예비 증폭한 후 각각 예비 증폭된 PWM 구동신호를 인버터에 인가하는 게이트 드라이버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세탁기 모터 구동회로.
3쌍의 스위칭 소자가 각각 토템폴 구조로 접속되고 각 쌍의 접속점으로부터 세탁기 모터의 스테이터 코일에 대한 3상 구동신호를 발생하는 인버터; 모드선택신호가 인가됨에 따라 상기 인버터를 전파 구동 또는 반파 구동 방식으로 절환시키는 구동모드선택부; 및 세탁모드와 탈수모드에 따라 상기 구동모드선택부를 제어하는 모드선택신호를 발생하는 제어부를 포함하는 세탁기 모터 구동회로의 세탁기 모터 구동방법에 있어서,
세탁기의 진행모드를 판단하는 단계; 및
상기 세탁기의 진행모드가 세탁모드인 경우 구동모드선택부의 스위칭 소자를 턴-오프 상태로 설정하여 전파 구동방법으로 인버터를 설정하고, 상기 세탁기의 진행모드가 탈수모드인 경우 구동모드선택부의 스위칭 소자를 턴-온 상태로 설정하여 반파 구동방법으로 인버터를 설정하는 단계를 포함하며,
상기 세탁기 모터는 스테이터와 로터를 구비하는 3상 구동방식 모터로 이루어지며,
상기 세탁모드인 경우 3상 중 2개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르게 하고, 상기 탈수모드인 경우 3상 중 1개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르게 구동하며,
상기 탈수모드인 경우 스테이터 코어의 슬롯 수가 세탁모드의 1/2로 감축되는 것을 특징으로 하는 세탁기 모터 구동방법.
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