KR101413180B1 - 세탁기용 모터의 구동장치 및 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탈수모드에서 세탁기용 모터가 설정속도 이상으로 회전할 경우에 인버터를 전파 구동방식에서 반파 구동방식으로 구동시키면서 복수 개의 스테이터 코일들 각각에 개별적으로 3상 전력을 공급하여 구동시킴에 의해 세탁기용 모터의 구동효율을 최적화하는 세탁기용 모터의 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.
본 발명은 메인 제어부에 의해 세탁기가 세탁물을 세탁하는 동작을 설정하고, 메인 제어부의 제어에 따라 모터 제어부가 인버터를 제어하여 세탁기용 모터를 전파 구동방식으로 구동시키면서 세탁모드, 헹굼모드 및 탈수모드의 동작을 수행하며, 탈수모드의 동작을 수행할 경우에 모터 제어부가 세탁기용 모터의 회전속도를 검출하고 검출한 회전속도가 설정속도 이상일 경우에 인버터가 세탁기용 모터를 반파 구동방식으로 구동시키게 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

세탁기용 모터의 구동장치 및 구동방법{MOTOR DRIVE APPARATUS FOR WASHING MACHINE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 세탁기용 모터의 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 탈수모드에서 세탁기용 모터가 설정속도 이상으로 회전할 경우에 인버터를 전파 구동방식에서 반파 구동방식으로 구동시키면서 복수 개의 스테이터 코일들 각각에 개별적으로 3상 전력을 공급하여 세탁기용 모터의 구동효율을 최적화하는 세탁기용 모터의 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.
일반적으로 구동축이 수평으로 설치되는 드럼 세탁기는 터브의 내부에 배치된 드럼 또는 바스켓을 세탁기용 모터의 동력으로 회전시킨다. 또한, 구동축이 수직으로 설치되는 전자동세탁기들은 외조의 하부에 배치되어 있는 세탁기용 모터의 동력으로 세탁조를 회전시킨다.
상기 세탁기들은 세탁기용 모터의 동력이 벨트 등을 통해 구동축에 간접적으로 전달되거나 또는 세탁기용 모터의 동력이 구동축에 직접적으로 전달된다.
이러한 세탁기용 모터는 통상적으로 복수 개의 코일이 권선되는 스테이터와, 상기 스테이터의 중앙부에 소정의 간격을 두고 회전가능하게 설치되는 로터로 구성된다.
즉, 상기 스테이터는 소정의 곡률을 갖는 환형의 요크에 일정한 간격을 유지하면서 방사상으로 복수 개의 T자형 티스가 돌출되어 복수 개의 T자형 티스들 각각의 사이에 슬롯이 형성되는 스테이터 코어와, 상기 복수 개의 T자형 티스에 권선되는 복수 개의 코일로 구성되어 있다.
일반적으로 세탁기용 모터의 스테이터 코일에 구비되는 슬롯의 개수(티스의 개수)와 폴(pole)의 극수(N극 및 S극의 개수)는 서로 비례하여 설정되는 것으로서 슬롯의 개수가 많을 경우에 세탁기용 모터는 고토크 및 저속 특성을 나타내고, 슬롯의 개수가 적을 경우에 세탁기용 모터는 저토크 및 고속 특성을 나타낸다.
한편, 세탁기는 크게 세탁모드(Wash Mode), 헹굼 모드(Rinsing Mode) 및 탈수모드(Spin Mode)로 구분할 수 있다.
상기 세탁모드(이하, 헹굼 모드를 포함함)에서는 저속(Low RPM) 및 고토크(High Torque)를 필요로 하고, 상기 탈수모드에서는 고속(High RPM) 및 저토크(Low Torque)를 필요로 한다.
즉, 세탁모드에서는 세탁기용 모터의 슬롯의 개수가 많은 것이 바람직하고, 탈수모드에서는 세탁기용 모터의 슬롯의 개수가 적은 것이 바람직하다.
그러나 상기 세탁모드와 상기 탈수모드는 서로 상반된 특성을 요구하는 것으로서 하나의 세탁기용 모터가 세탁모드와 탈수모드를 모두 만족시킬 수 있는 구조의 스테이터(슬롯의 개수)를 설계할 수는 없다.
그러므로 통상적으로 세탁기용 모터는 스테이터 코어에 구비된 티스에 코일을 권선하는 집중권 방법을 사용하여 세탁모드에서 저속 및 고토크에 적합하도록 설계하고 있으나, 이는 탈수모드를 수행할 경우에 효율이 저하되는 원인이 되고 있다.
또한 세탁기는 세탁모드의 동작시간이 탈수모드의 동작시간보다 매우 길다.
그러므로 세탁기용 모터는 통상적으로 세탁모드에 적합하도록, 스테이터에 구비된 슬롯의 개수를 많이 설계하여 고토크 및 저속 특성에 최적화하고, 저토크 및 고속 특성이 요구되는 탈수모드에서는 약계자 제어를 실시하고 있다.
예를 들면, 대한민국 공개특허공보 제2004-68224호에서는 세탁모드의 저속 회전영역에서는 세탁기용 모터를 전계자로 운전하도록 제어하고, 탈수모드의 고속 회전영역에서는 세탁기용 모터를 약계자로 운전하도록 제어하며, 또한 전계자 운전을 할 경우에 세탁기용 모터의 출력토크를 벡터제어하고, 약계자 운전을 할 경우에는 세탁기용 모터의 출력토크를 전압 위상제어하고 있다.
그러나 상기한 약계자 제어는 매우 복잡한 제어회로와 제어 루틴을 요구하며, 또한 세탁기용 모터의 구동효율을 극대화할 수 없는 문제점이 있다.
상기와 같이 세탁모드와 탈수모드들 중에서 어느 하나만을 고려하여 세탁기용 모터를 설계하는 경우에 전체적인 측면에서 세탁기용 모터의 구동 효율을 최적화될 수 없기 때문에 세탁모드에서 요구되는 토크 값과 탈수모드에서 요구되는 세탁기용 모터의 회전속도를 고려하여 중간단계로 설계하는 것이 일반적이며, 그 결과 세탁모드 및 헹굼모드에서 최대 효율을 갖는 구조의 세탁기용 모터를 설계할 수 없는 문제가 존재한다.
한편, 에너지 효율을 높이기 위해 에어컨, 세탁기 및 냉장고 등과 같은 가전제품은 인버터에 의해 제어되는 브러시리스 직류(Brushless DC: BLDC) 모터를 사용하는 경우가 많아지고 있다.
상기 BLDC 모터는 무정류자 모터(commutatorless motor)라고도 하며, 직류 모터의 중요한 부품인 브러시와 정류자를 사용하는 대신에 트랜지스터와 같은 전력 스위칭 소자의 스위칭으로 스테이터 코일로 흐르는 전류를 절환하면서 회전 자계를 발생시켜 로터를 회전시킨다.
따라서, 상기 BLDC 모터는 동기 모터의 구조에 직류모터와 유사한 전류 대 토크 특성 및 속도 대 전압특성이 있으며, 고효율 및 높은 전력밀도 때문에 가전용 기기에서 산업용 기기에 이르기까지 사용분야가 지속적으로 확대되고 있는 추세이다.
이러한 BLDC 모터는 3상 구동방식인 경우에 로터의 영구자석과 대향하여, 3개의 스테이터 코일이 전기적으로 120°의 위상차를 갖도록 배치되며, 스위칭 소자를 통해 각 상의 스테이터 코일들을 선택적으로 통전시킬 때 그에 따라 선택적으로 자화되는 코어와 로터에 구비된 영구자석의 자극 상호 간에 작용하는 자기력에 의하여 로터가 회전하게 된다.
3상 BLDC 모터는 단상 BLDC 모터에 비하여 토크 제어가 용이하고, 효율이 높으며 소음면에서도 유리하여 대용량은 대부분 3상(U상, V상, W상) 교류전력으로 구동되는 3상 BLDC 모터를 사용하고 있다.
그리고 상기 3상 BLDC 모터를 구동시키는 모터 구동장치는 FET(Field Effect Transistor) 및 IGBT(Insulated Gate Bi-Polar Transistor) 등과 같은 전력 스위칭 소자 3쌍을 토템폴로 접속하여 직류전력을 스위칭시키면서 3상 교류전력을 발생하는 전압형 인버터가 많이 사용된다.
즉, 3상 BLDC 모터는 교류 모터와 다르게 로터의 위치에 기초하여, 토템폴로 접속된 3쌍의 스위칭 트랜지스터를 선택적으로 스위칭하여 U상, V상, W상의 3상 교류전력을 발생하고, 발생한 3상 교류전력을 U상, V상, W상의 스테이터 코일에 순차적으로 인가함에 의해 각 상의 스테이터 코일들이 순차적으로 여자되면서 회전자계를 발생하여 로터의 회전이 이루어지게 한다.
국내공개특허공보 제2004-68224호(공개일자 2004.07.30)
상기한 바와 같이, 종래의 세탁기용 모터는 세탁모드 및 헹굼모드와, 탈수모드를 동시에 만족할 수 없는 구조적 한계가 있고, 이를 극복하기 위해 탈수모드에서는 고속 회전을 위해 소위 약계자 제어를 적용하고 있으나, 약계자 제어는 매우 복잡한 제어 회로와 제어 루틴을 요구하며, 모터의 효율을 극대화할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 복잡한 약계자 제어를 선택하지 않는 경우에 세탁기용 모터는 세탁모드 및 헹굼모드와, 탈수모드를 모두 만족시킬 수 없으므로 일반적으로 세탁모드 및 헹굼모드와, 탈수모드를 모두 고려하여 중간 단계로 설계하여야 한다. 따라서, 세탁모드 및 헹굼모드와, 탈수모드들 각각에 최적인 효율을 가질 수 있는 세탁기용 모터의 설계가 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 세탁기의 세탁모드(헹굼모드 포함)와 탈수모드에 따라 모터 구동장치의 인버터를 전파 구동방식 또는 반파 구동방식으로 전환하여 구동 효율을 상승시킬 수 있는 세탁기용 모터의 구동장치 및 구동방법을 제공한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하나의 스위칭 소자를 부가하는 간단한 회로의 변경에 의해 인버터를 전파 구동방식 또는 반파 구동방식으로 전환할 수 있는 세탁기용 모터 구동장치 및 세탁기용 모터 구동방법을 제공한다.
더욱이, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스테이터 코어의 슬롯 수를 가능한 한 최대로 설계함에 의해 세탁기의 세탁(헹굼)모드에서 최대의 구동효율을 도모하고, 탈수모드인 경우에는 인버터를 반파 구동방식으로 전환하여 슬롯 수를 1/2로 줄여서 동작함에 의해 고속 회전이 이루어질 수 있는 세탁기용 모터의 구동장치 및 구동방법을 제공한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 인버터를 반파방식으로 구동시킬 경우에 전력을 스위칭하지 않는 전력 스위칭 소자가 역기전력에 의해 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있는 세탁기용 모터의 구동장치 및 구동방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 세탁기용 모터의 구동장치는, 세탁모드, 헹굼모드 및 탈수모드에 따라 구동신호를 발생하여 세탁기용 모터의 구동을 제어하는 모터 제어부와, 2쌍 또는 3쌍의 스위칭 소자가 각각 토템폴 구조로 접속되고 상기 구동신호에 따라 상기 스위칭 소자들이 스위칭되면서 2상 또는 3상 교류전력을 발생하여 상기 세탁기용 모터를 구동시키는 인버터와, 상기 모터 제어부의 제어에 따라 상기 세탁기용 모터의 중성점을 전원단자와 차단 또는 전원단자와 전기적으로 접속시켜 상기 인버터가 상기 세탁기용 모터를 전파 구동방식 또는 반파 구동방식으로 구동시킬 수 있게 설정하는 구동방식 설정부와, 상기 세탁기용 모터의 로터 위치를 검출하여 상기 모터 제어부로 출력하는 로터위치 검출부를 포함하고, 상기 모터 제어부는, 상기 탈수 모드를 수행할 경우에 상기 세탁기용 모터의 회전속도를 검출하고 검출한 회전속도가 미리 설정된 속도 이상일 경우에 상기 구동방식 설정부가 반파 구동방식을 설정하게 제어하고 상기 인버터가 반파 구동방식으로 동작하게 구동신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터는, 상기 세탁기용 모터를 반파 구동방식으로 구동시킬 경우에 상기 스위칭 소자들이 역기전력에 의해 손상되지 않도록 하는 복수 개의 다이오드를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 세탁기용 모터의 구동방법은, 메인 제어부에 의해 세탁기가 세탁물을 세탁하는 동작을 설정하는 단계와, 상기 메인 제어부의 제어에 따라 모터 제어부가 인버터를 제어하여 상기 세탁기용 모터를 전파 구동방식으로 구동시키면서 세탁모드, 헹굼모드 및 탈수모드의 동작을 수행하는 단계와, 상기 탈수모드의 동작을 수행할 경우에 상기 모터 제어부가 상기 세탁기용 모터의 회전속도를 검출하고 검출한 회전속도가 설정속도 이상일 경우에 상기 인버터가 상기 세탁기용 모터를 반파 구동방식으로 구동시키게 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 세탁기의 세탁모드와 탈수모드에 따라 세탁기용 모터의 구동장치의 인버터를 전파 구동방식 또는 반파 구동방식으로 전환함에 의해 모터의 구동 효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 세탁기용 모터의 구동장치에 하나의 스위칭 소자를 부가하는 간단한 회로의 변경에 의해 세탁기용 모터를 전파 구동방식 또는 반파 구동 방식으로 전환할 수 있어 저렴한 비용으로 구현할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 스테이터 코어의 슬롯 수를 가능한 한 최대로 설계하여 전파 구동방식으로 구동되는 세탁기의 세탁모드에서 최대의 구동 효율을 도모하고, 탈수모드인 경우에는 반파 구동방식으로 전환하여 슬롯의 개수를 1/2로 줄여서 동작함에 의해 효율이 저하됨이 없이 고속 회전이 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세탁기용 모터의 구동장치의 구성을 보인 회로도,
도 2는 본 발명에 따른 세탁기용 모터의 구동장치에서 전파 구동방식 및 반파 구동방식에 따른 세탁기용 모터의 회전속도와 토크와의 관계를 나타내는 그래프,
도 3 및 도 4는 세탁기용 모터를 각각 전파 구동방식과 반파 구동방식으로 구동시킬 경우의 회전속도-토크 커브를 보인 그래프, 및
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 세탁기용 모터의 구동방법을 나타내는 제어흐름도이다.
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, 세탁기용 모터 구동회로에 의해 작동되는 모터에 의해 구동되는 세탁기는 구동축이 수평인 드럼 세탁기 또는 구동축이 수직인 전자동 세탁기들 모두에 적용될 수 있으며, 이후의 설명에서는 단지 세탁기라 칭한다.
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세탁기용 모터의 구동장치를 보인 회로도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 세탁기용 모터의 구동장치는 사용자가 설정한 세탁, 헹굼 및 탈수 동작에 따라 세탁물을 세탁, 헹굼 및 탈수하도록 드럼 세탁기의 드럼(바스켓) 또는 전자동 세탁기의 세탁조(내조)를 회전 구동시키는 것으로서 메인 제어부(100)와, 세탁기용 모터(110)와, 모터 제어부(120)와, 게이트 드라이버(130)와, 인버터(140)와, 구동방식 설정부(150)와, 회전속도 검출부(160)와, 전원회로(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
상기 메인 제어부(100)는 사용자의 조작에 따라 세탁물의 종류와, 세탁기의 세탁, 헹굼 및 탈수 동작을 설정한다. 예를 들면, 사용자의 조작에 따라 세탁시간, 헹굼 횟수 및 탈수 시간 등의 세탁코스를 설정한다. 여기서, 상기 메인 제어부(100)는 세탁기마다 미리 설정되어 있는 세탁코스를 선택하여 설정할 수도 있다. 그리고 상기 메인 제어부(100)는 상기 설정한 세탁 코스에 따라 제어신호를 발생하여 세탁, 헹굼 및 탈수 동작을 수행하는 것을 제어한다.
상기 세탁기용 모터(110)는 예를 들면, 3상 구동방식의 BLDC 모터로서, 서로 대향하여 배치되는 스테이터(stator)와 로터(rotor)를 구비하고 있고, U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1∼L3)이 예를 들면, 36개, 42개, 48개 또는 54개의 슬롯을 갖는 스테이터 코어의 티스 또는 분할 코어에 권선되어 있다.
그리고 상기 세탁기용 모터(110)는 예를 들면, 레이디얼 방식의 싱글 로터-싱글 스테이터 또는 더블 로터-싱글 스테이터 구조의 모터를 사용할 수 있다. 또한 상기 세탁기용 모터(110)는 더블 스테이터-싱글 로터나 더블 스테이터-더블 로터 구조의 모터를 비롯하여 여러 가지 구조의 모터를 사용할 수 있다.
상기 스테이터는 코어 타입인 경우에 백요크로부터 돌출된 다수의 코어 티스에, 3상 구동방식인 경우 3개 또는 2상 구동방식인 경우 2개의 코일이 교대로 권선되어 있고, 로터에는 N극 및 S극의 자석이 백요크에 배치되어 있으며 중앙부에 회전축이 결합되어 있다.
상기 세탁기용 모터(110)는 3상 구동방식인 경우 3개의 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1∼L3)을 포함하고, 단상 구동방식인 경우 2개의 스테이터 코일을 포함한다. 본 발명의 실시 예의 설명에서는 세탁기용 모터(110)가 3상 구동방식으로서 3개의 스테이터 코일(L1∼L3)을 포함하는 것을 예를 들어 설명하나, 본 발명은 단상 구동방식에도 적용될 수 있다.
상기 모터 제어부(120)는 디지털 신호처리장치(DSP) 또는 마이컴 등으로 구성될 수 있으며 전원회로로부터 인가되는 0.7~5V 범위의 구동전압에 의해 동작이 이루어진다.
또한 상기 모터 제어부(120)는 메인 제어부(100)로부터 사용자가 선택한 세탁물의 종류와 세탁코스 등에 따라 결정되어 전달되는 제어신호를 수신하며, 수신한 제어신호에 따라 순차적으로 세탁물을 세탁하도록 로터의 위치정보를 수신하여 신호처리한 후 펄스폭변조(PWM) 구동방법으로 인버터(140)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.
또한 상기 모터 제어부(120)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(120)의 PWM 구동방법은 상기한 방법에 국한되지 않고 주지된 다른 여러 가지의 방법을 적용하는 것도 가능하다.
상기 게이트 드라이버(130)는 상기 모터 제어부(120)에서 출력되는 PWM 구동신호를 입력하여 충분한 전압 레벨을 갖도록 증폭한다.
상기 인버터(140)는 상기 게이트 드라이버(130)가 충분한 전압 레벨을 갖도록 증폭한 PWM 구동신호에 따라 스위칭되는 3쌍의 스위칭 소자(Q1, Q2)(Q3, Q4)(Q5, Q6)와, 다이오드(D1∼D3)를 포함하고 있다. 상기 3쌍의 스위칭 소자(Q1, Q2)(Q3, Q4)(Q5, Q6)들은 상부 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5)와 하부 스위칭 소자(Q4, Q6, Q2)로 구분되어 토템폴 구조로 접속되고, 상부 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5) 및 하부 스위칭 소자(Q4, Q6, Q2)들 각각의 사이에는 상기 상부 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5)가 역기전력에 의해 손상되지 않도록 보호하기 위한 다이오드(D1∼D3)가 구비된다. 그리고 상기 다이오드(D1∼D3)와 상기 하부 스위칭 소자(Q4, Q6, Q2)들 각각의 접속점이 상기 세탁기용 모터(110)의 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1∼L3)들 각각에 접속되는 구조로 구성된다.
상기 구동방식 설정부(150)는 상기 모터 제어부(120)가 제공하는 구동모드 선택신호에, 상기 세탁기용 모터(110)를 상기 인버터(140)가 전파 구동방식과 반파 구동방식들 중에서 하나의 구동방식으로 구동시킬 수 있도록 설정하는 것으로서 상기 세탁기용 모터(110)의 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1∼L3)의 중성점과 전원단자(Vs)의 사이에 접속되는 스위칭 소자(Q7)로 구성될 수 있다.
상기 스위칭 소자(Q1∼Q7)들은 FET, MOSFET, BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 전력 스위칭 반도체 소자를 사용할 수 있다.
상기 로터 위치 검출부(160)는, 상기 세탁기용 모터(110)의 스테이터에 설치되어 회전되는 로터의 극성변화를 검출하는 홀 센서를 이용하여 로터의 위치를 검출하고, 검출한 로터의 위치 검출신호는 상기 모터 제어부(120)에 제공된다.
상기 로터위치 검출부(16)는 2개 또는 3개의 홀 센서를 사용하여 로터의 위치를 검출할 수 있으며, 또한 스테이터 코일에 흐르는 EMF(Electromotive Force) 값을 신호 처리하여 로터의 위치를 검출할 수도 있고, 엔코더를 사용하여 로터의 위치를 검출할 수 있다.
3개의 홀센서를 사용하는 경우에 회전하는 로터의 자계에 의해 발생되는 위상 예를 들어, 120°의 차이가 나는 3개의 위상신호를 검출한다.
상기 모터 제어부(120)가 상기 세탁기용 모터(110)의 로터를 일방향으로만 계속 회전시키기 위해서는 로터위치 검출부(160)의 출력신호로 로터의 위치를 정확하게 판단하고, 판단한 로터의 위치에 따라 각 상의 스테이터 코일(L1∼L3)로 흐르는 전류의 방향을 전환시키도록 스위칭 소자(Q1∼Q6)를 순차적/선택적으로 스위칭시켜야 한다.
또한 상기 모터 제어부(120)는 로터위치 검출부(160)의 출력신호를 이용하여 상기 세탁기용 모터(110)의 회전속도를 검출할 수 있다.
본 발명의 세탁기용 모터의 구동장치에 채용되는 전원회로는 크게 교류(AC)전력을 직류(DC)전력으로 변환하는 AC-DC 컨버터와, 직류전력의 전압레벨을 조절하는 DC-DC 컨버터를 포함하고 있다.
상기 AC-DC 컨버터는 정류회로로 구성될 수 있으며, 일반 상용 교류전력을 정류하여 후단으로 전달하는 역할을 하며, 입력된 교류전력에 포함되어 있는 고주파 노이즈를 제거하기 위한 커패시터, EMC(Electromagnetic compatibility) 또는 EMI(electro magnetic interference) 대책용 필터 등을 구비할 수도 있다.
상기 메인 제어부(100) 및 상기 모터 제어부(120)는 예를 들면, 디지털 신호처리장치(DSP) 또는 마이크로컴퓨터 등으로 구성되어 있다.
상기 DC-DC 컨버터는 상기 AC-DC 컨버터가 변환한 직류전력을, 예를 들면, 디지털 신호처리장치(DSP) 또는 마이크로컴퓨터 등을 동작시키는데 필요한 0.7∼5V 레벨의 직류전압으로 변환하여 디지털 신호처리장치(DSP) 또는 마이크로컴퓨터 등으로 구성되는 메인 제어부(100) 및 모터 제어부(120)에 동작전력으로 공급한다.
또한 상기 전원회로는 전압검출회로 또는 전류검출회로를 구비하여 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.
이러한 본 발명의 세탁기용 모터 구동장치는 세탁물을 세탁할 경우에 사용자는 먼저 키스위치(도면에 도시되지 않음)를 조작하여 메인 제어부(100)에 세탁물의 세탁, 헹굼 및 탈수 등의 세탁코스를 설정한다.
상기 세탁코스가 설정되고, 세탁동작을 시작할 경우에 상기 메인 제어부(100)는 상기 세탁코스의 동작 수행에 따른 제어신호를 발생하고, 발생한 제어신호에 따라 모터 제어부(120)는 먼저 구동방식 설정부(150)의 스위칭 소자(Q7)를 턴 오프시켜 전원단자(Vs)와 세탁기용 모터(110)의 중성점을 전기적으로 차단시키고, 인버터(140)가 상기 세탁기용 모터(110)를 전파 구동방식으로 구동시킬 수 있도록 한다.
이와 같이 구동방식 설정부(150)의 스위칭 소자(Q7)를 턴 오프시킨 상태에서 상기 모터 제어부(120)는 상기 메인 제어부(100)의 제어에 따라 PWM 구동신호를 발생한다.
상기 발생한 PWM 구동신호는 게이트 드라이버(130)에서 충분한 전압레벨로 증폭된 후 인버터(140)를 구성하는 스위칭 소자(Q1∼Q6)의 게이트에 인가된다.
그러면, 상기 스위칭 소자(Q1∼Q6)들은 상기 PWM 구동신호에 따라 스위칭되면서 전원단자(Vs)의 직류전력으로 3상 교류전력을 생성하고, 생성한 교류전력은 세탁기용 모터(110)의 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1∼L3)에 인가되어 상기 세탁기용 모터(110)가 구동되며, 상기 세탁기용 모터(110)의 구동에 따라 세탁물의 세탁 동작을 수행하게 된다.
이때, 로터 위치 검출부(160)는 상기 세탁기용 모터(110)에 구비되어 있는 로터의 위치를 검출하여 상기 모터 제어부(120)에 제공한다.
상기 모터 제어부(120)는 상기 로터 위치 검출부(160)의 출력신호로 로터의 위치를 정확하게 검출하여 상기 세탁기용 모터(110)를 정확하게 구동시킬 수 있도록 PWM 구동신호를 발생하며, 발생한 PWM 구동신호를 게이트 드라이버(130)가 증폭하여 인버터(140)의 스위칭 소자(Q1∼Q6)들을 정확하게 스위칭시키게 된다.
이와 같이 전파 구동방식으로 상기 세탁기용 모터(110)를 구동시켜 세탁물을 세탁하는 상태에서 상기 모터 제어부(120)는 현재 탈수모드를 수행하는지의 여부를 판단한다.
상기 판단 결과 탈수모드를 수행할 경우에 상기 모터 제어부(120)는 로터위치 검출부(160)의 출력신호를 이용하여 상기 세탁기용 모터(110)의 로터 위치신호 및 회전속도를 검출하고, 검출한 상기 세탁기용 모터(110)의 회전속도가 미리 설정된 속도 이상인지의 여부를 판단한다.
상기 탈수모드에서 상기 세탁기용 모터(110)의 회전속도가 미리 설정된 속도 , 예를 들어, 300rpm 이상일 경우에 상기 모터 제어부(120)는 구동방식 설정부(150)의 스위칭 소자(Q7)를 턴 온시켜 상기 인버터(140)가 상기 세탁기용 모터(110)를 반파 구동방식으로 구동시킬 수 있도록 설정하고, 상기 인버터(140)에서 상부 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5)들은 스위칭시키지 않고, 하부 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)들만 스위칭시키는 PWM 구동신호를 발생한다.
상기 발생한, 하부 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)들만 스위칭시키는 PWM 구동신호는 게이트 드라이버(130)에서 증폭된 후 하부 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)의 게이트에 인가된다.
그러면, 인버터(140)의 하부 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)들만 스위칭시키면서 세탁기용 모터(110)의 U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1∼L3)들 각각에 3상 전력을 공급하여 구동시키게 된다.
이러한 본 발명은 세탁모드를 수행하거나 또는 탈수모드를 수행하는 초기에 모터 제어부(120)가 구동방식 설정부(150)의 스위칭 소자(Q7)를 제어하여 상기 세탁기용 모터(150)를 인버터(140)가 전파 구동방식으로 구동시킬 수 있도록 한 상태에서 인버터(140)가 전파 구동방식으로 3상 교류전력을 발생하여 상기 세탁기용 모터(150)를 구동시킨다.
그러므로 상기 모터 제어부(120)는 고토크 및 저속 특성으로 상기 세탁기용 모터(150)를 구동시킬 수 있다.
그리고 탈수모드에서 상기 세탁기용 모터(150)가 설정속도 이상으로 회전할 경우에 상기 모터 제어부(120)는 구동방식 설정부(150)의 스위칭 소자(Q7)를 제어하여 상기 세탁기용 모터(150)를 인버터(140)가 전파 구동방식으로 구동시킬 수 있도록 한 상태에서 상기 인버터(140)가 반파 구동방식으로 3상 전력을 발생하여 상기 세탁기용 모터(150)를 구동시킴으로써 저토크 및 고속 특성으로 상기 세탁기용 모터(150)를 구동시켜 탈수 동작을 수행할 수 있다.
즉, 세탁모드 및 탈수 모드에 따라 전파 구동방식과 반파 구동방식들 중에서 하나로 구동되는 본 발명의 세탁기용 모터(110)의 동작특성은 도 2에 도시된 바와 같이 얻어지며, 이 경우에 세탁기용 모터(110)의 회전속도는 반파 구동방식이 전파 구동방식과 비교하여 2배 이상 증가하고, 토크는 전파 구동방식이 반파 구동방식보다 더 높게 얻어지는 것을 알 수 있다.
그 결과 본 발명에서는 탈수모드에서 약계자 제어를 실시하지 않고서도 세탁기용 모터(110)에 요구되는 고속의 회전속도에 쉽게 근접할 수 있게 된다.
또한, 세탁모드에서 인버터(140)를 전파구동방식으로 구동함에 의해 저속(Low RPM), 고토크(High Torque)로 세탁기용 모터(110)를 구동할 수 있고, U상, V상 및 W상 스테이터 코일(L1∼L3)의 슬롯 수는 종래에는 채택하기 어려운 27개 이상의 다수 슬롯 예를 들어, 36개, 42개, 48개 및 54개의 슬롯을 갖는 스테이터 코어를 채용하는 것이 가능하여 세탁기용 모터(110)의 효율 상승을 기할 수 있다.
더욱이, 탈수모드에서는 인버터(140)를 반파 구동방식으로 구동시켜 세탁기용 모터(110)를 구동시킴에 따라 고속(High RPM) 및 저토크(Low Torque)로 세탁기용 모터(110)를 구동시킬 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 세탁기용 모터(110)의 효율 상승을 기할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 종래에는 채택하기 어려운 27개 슬롯 이상의 다수 슬롯 예를 들어, 36개, 42개, 48개 및 54개의 슬롯을 갖는 스테이터 코어를 채용하는 것이 가능하여 모터 효율 상승을 기할 수 있다.
상기한 전파구동방식과 반파구동방식의 회전속도-토크 커브를 도 3 및 도 4에 도시하였다. 도 3 및 도 4를 참고하면, RPM(■), 파워(▲)는 반파 구동방식이 전파구동방식 보다 더 높고, 효율(◆)은 전파 구동방식이 반파 구동방식보다 더 높은 것을 알 수 있다.
이하에 도 5를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 세탁기용 모터 구동방법을 설명한다.
도 5를 참조하면, 세탁기의 전원이 턴 온되고(S200), 메인 제어부(100)는 세탁기의 동작을 설정한다(S202).
즉, 상기 메인 제어부(100)는 사용자가 키스위치를 조작함에 따라 세탁, 헹굼 및 탈수 동작의 세탁코스를 설정한다.
이와 같은 상태에서 상기 메인 제어부(100)는 세탁 시작명령이 입력되는지의 여부를 판단한다(S204).
세탁 시작명령이 입력될 경우에 상기 메인 제어부(100)는 제어신호를 발생하고, 발생한 제어신호에 따라 모터 제어부(120)는 먼저 구동방식 설정부(150)의 스위칭 소자(Q7)를 턴 오프시켜 인버터(140)가 세탁기용 모터(110)를 전파 구동방식으로 구동시킬 수 있도록 한다(S206).
이와 같은 상태에서 상기 메인 제어부(100)는 설정된 세탁코스에 따라 제어신호를 발생하고, 발생한 제어신호에 따라 상기 모터 제어부(120)는 전파 구동방식으로 인버터(140)를 구동시킬 PWM 구동신호를 발생하며, 발생한 PWM 구동신호는 게이트 드라이버(130)에서 증폭된 후 인버터(140)의 스위칭 소자(Q1∼Q6)의 게이트에 인가하여 구동시키면서 세탁모드 및 헹굼모드의 동작을 수행한다(S208).
이와 같은 상태에서 상기 모터 제어부(120)는 탈수모드를 수행해야 되는지의 여부를 판단한다(S210).
상기 판단 결과 탈수모드를 수행해야 될 경우에 상기 모터 제어부(120)는 탈수모드에 따른 PWM 구동신호를 발생하여 세탁기용 모터(110)를 전파 구동방식으로 구동시키면서 탈수모드를 수행한다(S212).
이와 같은 상태에서 상기 모터 제어부(120)는 로터위치 검출부(160)가 검출하는 로터 위치신호를 이용하여 상기 세탁기용 모터(110)의 회전속도를 검출하고(S214), 검출한 회전속도가 미리 설정된 속도 이상인지의 여부를 판단한다(S216).
상기 판단 결과 세탁기용 모터(110)의 회전속도가 미리 설정된 속도 이상이 아닐 경우에 상기 모터 제어부(120)는 로터 위치신호를 이용하여 상기 세탁기용 모터(110)의 회전속도를 검출하고, 검출한 회전속도가 미리 설정된 속도 이상인지의 여부를 판단하는 동작을 반복 수행한다.
이와 같은 상태에서 상기 세탁기용 모터(110)의 회전속도가 미리 설정된 속도 이상으로 되면, 상기 모터 제어부(120)는 구동방식 설정부(150)를 제어하여 상기 인버터(140)가 상기 세탁기용 모터(110)를 반파 구동방식으로 구동시킬 수 있도록 설정한다(S218). 즉, 상기 모터 제어부(120)는 구동방식 설정부(150)의 스위칭 소자(Q7)를 턴 온시켜 전원단자(Vs)의 동작전력이 스위칭 소자(Q7)를 통해 상기 세탁기용 모터(110)의 중성점에 인가되도록 한다.
그리고 상기 모터 제어부(120)는 반파 구동방식으로 상기 인버터(140)를 구동시키면서 계속 탈수동작을 수행한다(S220). 즉, 상기 모터 제어부(120)는 상기 인버터(140)의 하부 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)를 3상 구동시키기 위한 PWM 구동신호를 발생하고, 발생한 PWM 구동신호는 게이트 드라이버(130)에서 증폭된 후 하부 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)의 게이트에 인가되는 것으로서 하부 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)들은 상호간에 120°의 위상차가 발생하는 3상으로 구동되면서 상기 세탁기용 모터(■110)의 스테이터 코일(L1∼L3)에 3상 교류전력을 인가하여 구동시킨다.
예를 들면, 상기 인버터(140)는 하부 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)들이 상호간에 120°의 위상차가 발생되는 3상으로 구동되면서 상기 세탁기용 모터(■110)의 스테이터 코일(L1∼L3)에 3상 교류전력이 인가된다.
이 때, 상부 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5)와 상기 세탁기용 모터(110)의 스테이터 코일(L1∼L3)의 사이에는 다이오드(D1∼D3)가 구비되어 있으므로 상기 세탁기용 모터(110)가 구동되면서 발생되는 역기전력이 상기 상부 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5)로 인가되는 것이 차단되어 상기 상부 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5)들이 역기전력에 의해 손상되는 것이 미연에 방지된다.
이와 같은 상태에서 메인 제어부(100)는 탈수모드의 동작이 종료되는지의 여부를 판단한다(S220). 즉, 상기 메인 제어부(100)는 사용자가 설정한 탈수모드의 동작시간이 경과되었는지의 여부를 판단한다.
상기 판단 결과 탈수모드의 동작시간이 경과되지 않았을 경우에 상기 메인 제어부(100)는 계속 탈수모드의 수행을 알리는 제어신호를 발생하고, 발생한 제어신호에 따라 모터 제어부(120)는 반파 구동방식으로 인버터(140)를 구동시켜 탈수모드의 동작을 계속 수행한다.
그리고 상기 단계(S220)에서 탈수모드의 동작이 완료될 경우에 상기 모터 제어부(120)는 PWM 구동신호를 발생하지 않고, 세탁물의 모든 세탁동작을 종료한다.
이상에서와 같이 고토크 및 저속이 요구되는 세탁 및 헹굼모드에서는 인버터(140)를 전파 구동방식으로 구동시켜 세탁기용 모터(110)에 3상 교류전력을 인가함으로써 세탁 및 헹굼모드에서의 효율을 극대화시킬 수 있다.
그리고 저토크 및 고속이 요구되는 탈수모드에서는 인버터(140)를 반파 구동방식으로 구동시켜 세탁기용 모터(110)의 스테이터 코일(L1∼L3)들 각각에 3상 교류전력을 인가함으로써 전파 구동방식으로 구동시킬 경우에 비하여 3상 교류전력들 각각이 인가되는 슬롯의 개수를 1/2로 줄일 수 있고, 또한 3상 교류전력들 각각이 인가되는 스테이터 코일의 임피던스를 1/2로 줄일 수 있어 탈수모드에서 세탁기용 모터(110)의 회전속도를 쉽게 상승시킬 있게 된다.
또한 본 발명에서는 모드 선택에 따라 스테이터의 슬롯 수를 1/2로 다운시키는 것이 가능하므로 탈수모드에서 회전수(RPM) 상승의 부담을 갖지 않고 다수의 슬롯 수를 갖는 스테이터 코어와 슬롯 수를 갖는 세탁기용 모터를 채택하여 세탁 및 헹굼모드에서 고효율을 도모할 수 있는 설계 자유도가 높게 된다.
그 결과, 일반적인 드럼 세탁기의 세탁 및 헹굼모드 효율이 30% 정도이나, 본 발명에 의하면 최소 40% 이상의 효율이 가능하고, 복잡한 제어 회로와 제어 루틴을 요구하는 약계자 제어를 사용하지 않고서도 목표로 하는 고속 회전속도에 쉽게 근접할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 하나의 스위칭 소자(Q7)와 3개의 다이오드(D1∼D3)만을 추가하여 쉽게 구현할 수 있고, 쉽게 고효율의 세탁기용 모터를 구현할 수 있다.
100 : 메인 제어부 110 : 세탁기용 모터
120 : 모터 제어부 130 : 게이트 드라이버
140 : 인버터 150 : 구동방식 설정부
160 : 로터위치 검출부 Q1∼Q7 : 스위칭 소자
D1∼D3 : 다이오드 L1∼L3 : 스테이터 코일

Claims (14)

  1. 세탁모드, 헹굼모드 및 탈수모드에 따라 구동신호를 발생하여 세탁기용 모터의 구동을 제어하는 모터 제어부;
    2쌍 또는 3쌍의 스위칭 소자가 각각 토템폴 구조로 접속되고 상기 구동신호에 따라 상기 스위칭 소자들이 스위칭되면서 2상 또는 3상 교류전력을 발생하여 상기 세탁기용 모터를 구동시키는 인버터;
    상기 모터 제어부의 제어에 따라 상기 세탁기용 모터의 중성점을 전원단자와 차단 또는 전원단자와 전기적으로 접속시켜 상기 인버터가 상기 세탁기용 모터를 전파 구동방식 또는 반파 구동방식으로 구동시킬 수 있게 설정하는 구동방식 설정부; 및
    상기 세탁기용 모터의 로터 위치를 검출하여 상기 모터 제어부로 출력하는 로터위치 검출부;를 포함하고,
    상기 모터 제어부는, 상기 탈수 모드를 수행할 경우에 상기 세탁기용 모터의 회전속도를 검출하고 검출한 회전속도가 미리 설정된 속도 이상일 경우에 상기 구동방식 설정부가 반파 구동방식을 설정하게 제어하고 상기 인버터가 반파 구동방식으로 동작하게 구동신호를 발생하는 세탁기용 모터의 구동장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인버터는,
    상기 세탁기용 모터를 반파 구동방식으로 구동시킬 경우에 상기 스위칭 소자들이 역기전력에 의해 손상되지 않도록 하는 복수 개의 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구동방식 설정부는,
    스위칭 소자로 구성되고,
    상기 모터 제어부는,
    세탁모드 및 헹굼모드이거나 또는 탈수모드에서 상기 세탁기용 모터의 회전속도가 설정속도 이하일 경우에 상기 구동방식 설정부의 스위칭 소자를 턴 오프시켜 상기 전원단자와 상기 세탁기용 모터의 중성점을 차단시키고, 탈수모드에서 상기 세탁기용 모터의 회전속도가 설정속도 이상일 경우에 상기 구동방식 설정부의 스위칭 소자를 턴 온시켜 상기 전원단자를 상기 세탁기용 모터의 중성점에 전기적으로 접속시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모터 제어부는,
    상기 로터위치 검출부가 검출하는 로터 위치신호로 상기 세탁기용 모터의 회전속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 로터위치 검출부는,
    홀소자 또는 엔코더인 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반파 구동방식인 경우 스테이터 코어의 슬롯 수가 전파 구동방식의 1/2로 감축되는 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모터 제어부와 상기 인버터의 사이에,
    상기 구동신호를 증폭하여 상기 인버터로 출력하는 게이트 드라이버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동장치.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 구동신호는,
    PWM(Pulse Width Modulation) 구동신호인 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동장치.
  9. 메인 제어부에 의해 세탁기가 세탁물을 세탁하는 동작을 설정하는 단계;
    상기 메인 제어부의 제어에 따라 모터 제어부가 인버터를 제어하여 세탁기용 모터를 전파 구동방식으로 구동시키면서 세탁모드, 헹굼모드 및 탈수모드의 동작을 수행하는 단계; 및
    상기 탈수모드의 동작을 수행할 경우에 상기 모터 제어부가 상기 세탁기용 모터의 회전속도를 검출하고 검출한 회전속도가 설정속도 이상일 경우에 상기 인버터가 상기 세탁기용 모터를 반파 구동방식으로 구동시키게 제어하는 단계;를 포함하는 세탁기용 모터의 구동방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 모터 제어부는,
    PWM(Pulse Width Modulation) 구동신호를 발생하여 상기 인버터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 세탁기용 모터의 모터 제어부는 구동방식 설정부를 포함하고,
    상기 구동방식 설정부는, 상기 인버터가 상기 세탁기용 모터를 전파 구동방식으로 구동시킬 경우에 전원단자와 상기 세탁기용 모터의 중성점을 차단하고, 상기 인버터가 상기 세탁기용 모터를 반파 구동방식으로 구동시킬 경우에 전원단자와 상기 세탁기용 모터의 중성점을 전기적으로 접속하는 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 세탁기용 모터의 모터 제어부는 로터위치 검출부를 포함하고,
    상기 로터위치 검출부가 검출하는 로터 위치신호로 상기 세탁기용 모터의 회전속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 세탁기용 모터는 스테이터와 로터를 구비하는 3상 구동방식 모터로 이루어지며,
    상기 전파 구동방식인 경우 3상 중 2개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르게 하고, 상기 반파 구동방식인 경우 3상 중 1개상의 스테이터 코일을 통해 전류가 흐르게 구동하는 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 반파 구동방식인 경우 스테이터 코어의 슬롯 수가 전파 구동방식의 1/2로 감축되는 것을 특징으로 하는 세탁기용 모터의 구동방법.
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