KR101443388B1 - 모터, 모터의 제어장치, 모터의 제어방법, 및 세탁기 - Google Patents

Abstract

회전자의 위치 및 속도가 연속적으로 추정됨으로써, 모터의 동작 중에 발생되는 소음 및 진동이 저감되는, 다수의 권선된 코일이 원형으로 배치되는 고정자; 상기 코일과 일정거리 이격되는 다수의 영구자석을 가지는 회전자; 상기 고정자에 설치되어, 상기 회전자의 회전을 온/오프 신호로 감지하는 홀센서; 및 상기 회전자의 현재속도와 상기 회전자의 지령속도를 비교하여 상기 현재속도가 상기 지령속도에 추종하도록 하기 위하여, 벡터제어방식이 수행되고, 상기 회전자의 현재속도 및 현재위치는 정지상태부터 연속적인 값으로 추정되어, 제어신호를 송신하는 모터 제어부가 포함되는 모터가 개시된다.

모터, 세탁기

Description

모터, 모터의 제어장치, 모터의 제어방법, 및 세탁기{motor, controlling apparatus for the motor, controlling method for the motor, and washing machine}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세탁기의 단면도.

도 2는 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어장치.

도 3은 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어방법.

도 4는 회전자의 위치추정과정을 설명하는 도면.

도 5는 본 실시예에 따른 속도 추정기의 블록도.

도 6은 T-method 방법에 의해서 회전자의 위치가 추정되는 경우의 상전류와 추정 전기각 선도 그래프.

도 7은 본 발명 실시예에 의해서 회전자의 위치가 추정되는 경우의 상전류와 추정 전기각 선도 그래프.

본 발명은 모터, 모터의 제어장치, 모터의 제어방법, 세탁기에 관한 것이다.

모터는 외부전원에 의해서 회전자의 회전운동을 발생시키는 장치로서, 세탁 기의 드럼을 회전시키기 위하여 사용되거나, 압축기의 로터등을 회전시키기 위하여 사용되는 등 전자기기에 널리 사용되는 장치이다. 본 발명은 이 중에서 세탁기 모터에 주된 관심을 가지고 있으나, 그 사용범위가 세탁기만으로 제한된다고 할 수는 없다.

세탁기는 다양한 종류가 있으나, 이 중에서도 드럼 세탁기는 측방향으로 누어있는 드럼에 세탁포가 수용되도록 하고, 그 드럼이 회전되도록 하기 위하여, 드럼의 후방에는 세탁기 모터가 장착되어 있다. 상기 세탁기 모터는 고속으로 운전이 가능하면서도 소음이 줄도록 하기 위하여 BLDC 세탁기 모터가 주로 이용되고 있다.

상기 세탁기 모터의 통전방식에는, 삼상 전원인 u상, v상, 및 w상 각각에, 360도를 한 주기로 할 때, 전기각 120도의 범위로서 전원이 인가되지 아니하는 전원 비 인가영역이 생기는 120도 통전방식과, 상기 120도 통전방식과는 달리 전원 비 인가영역이 발생하지 않고 180도 마다 각 상으로의 전원 인가방향이 바뀌는 180도 통전방식이 있다. 상기 120도 통전방식의 경우에는 회전자의 대략적인 위치만으로 구동이 가능한 장점이 있어서, 상기 세탁기 모터의 초기 기동에서 많이 활용된다. 그러나, 상기 120도 통전방식은 과전류가 발생하여 시스템이 불안정하게 되고, 전류파형에 포함되는 고조파 하모닉 성분에 의한 토크 리플 때문에 소음과 진동이 많이 발생하는 단점이 있다. 한편, 180도 통전방식의 경우에는 전원이 안정적으로 인가되기 때문에 소음이 작고 시스템이 안정적으로 동작되는 장점은 있으나, 회전자의 위치가 정확히 측정되지 못하면 오히려 부정확한 전원 인가로 인하여, 모터가 정지하거나 소음이 오히려 더 많이 발생하는 문제점이 있다. 그러므로, 180도 통전 방식은 회전자가 일정속도 이상으로 회전되는 운전모드에 적용이 가능하다.

이와 같은 배경하에서, 세탁기의 기동모드 시에는 다소 소음이 발생하고 시스템이 불안정하더라도 120도 통전방식을 적용하여 모터를 구동하고, 운전모드 시에는 소음이 적고 시스템의 안정도가 높은 180도 통전방식을 적용하여 모터를 구동하였다. 그러나, 세탁기와 같은 기기는 가정에 놓여서 사용되기 때문에, 120도 통전방식의 적용시에 발생되는 소음/진동의 문제와 시스템의 불안정성의 문제는, 더욱 현저하게 드러난다. 이와 같은 문제점은 세탁 및 헹굼 행정과 같이 정회전과 역회전이 반복적으로 다수회 일어나는 경우에는 더 현저해서 사용자의 불만을 야기하여 왔다.

이와 같은 문제점은 모터의 회전자의 위치 및 속도를 정확하게 추정하는 불가능하기 때문으로서, 모터의 회전자를 정지상태에서 부터 정확하게 알아낼 수 있도록 하는 방법이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 모터의 기동모드의 경우에도 180도 통전방식을 활용하여 저소음/저진동 상태로 드럼을 회전시킬 수 있도록, 회전자의 위치가 정확하게 추정되는 모터, 모터의 제어장치 및 세탁기 모터의 제어방법을 제안한다.

본 발명인 모터는, 다수의 권선된 코일이 원형으로 배치되는 고정자; 상기 코일과 일정거리 이격되는 다수의 영구자석을 가지는 회전자; 상기 고정자에 설치되어, 상기 회전자의 회전을 온/오프 신호로 감지하는 홀센서; 및 상기 회전자의 현재속도와 상기 회전자의 지령속도를 비교하여 상기 현재속도가 상기 지령속도에 추종하도록 하기 위하여, 벡터제어방식이 수행되고, 상기 회전자의 현재속도 및 현재위치는 정지상태부터 연속적인 값으로 추정되어, 제어신호를 송신하는 모터 제어부가 포함된다.

본 발명에 따른 세탁기 모터의 제어장치는, 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 좌표 상의 전류성분 Id와 Iq를 조절하여, d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 각각 발생시키는 속도 제어기; 상기 속도 제어기에서 출력되는 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*에 근거하여 d축 지령전압 Vd*과 q축 지령전압 Vq*을 각각 발생시키는 전류 제어기; 상기 전류 제어기에서 출력되는 상기 지령전압 Vd*와 Vq*에 근거하여 PWM 신호를 발생시켜 상기 코일로 인가시키는 인버터; 상기 영구자석의 위치를 감지하는 적어도 하나의 홀 센서; 및 상기 홀 센서의 온/오프 신호를 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 검출하는 속도/위치 검출기가 포함되고, 상기 속도/위치 검출기에는, 상기 홀 센서의 온/오프 신호를 입력받아 회전자의 속도를 검출하는 1차 속도/위치 검출기; 및 상기 1차 속도/위치 검출기로부터 출력되는 상기 회전자의 속도와, 상기 홀 센서의 온/오프 신호를 입력받아, 상기 회전자의 위치를 검출하는 2차 속도/위치 검출기가 포함된다.

본 발명에 따른 세탁기 모터의 제어방법은, 권선된 코일이 원형으로 놓이고 터브에 고정되는 고정자, 상기 고정자에 대하여 회전하고 영구자석을 가지는 회전자, 및 상기 회전자의 회전을 감지하기 위하여 상기 고정자에 설치되어 온/오프 신 호를 발생시키는 적어도 하나의 센서가 포함되는 모터를 구동하는 방법에 있어서, 상기 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 좌표 상의 전류성분 Id와 Iq를 조절하여 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 인가하는 벡터제어방식이 수행되도록 하기 위하여, 상기 센서의 온/오프 신호를 이용하여 상기 회전자의 속도 및 위치가 모터의 정지상태부터 연속적으로 추정되어 모터의 제어에 활용되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하에 제시되는 구체적인 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세탁기의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 드럼 세탁기는, 세탁기의 외관을 이루고 각 부품의 설치 및 지지대의 기능을 수행하는 캐비넷(1)과, 상기 캐비넷(1)의 내부에 설치되고 회전운동에 의해서 내부에 수용되는 세탁포의 세탁이 수행되도록 하는 드럼(7), 상기 드럼(7)의 외부에 설치되어 세탁수가 저장되는 터브(3)와, 상기 터브(3)의 배면에 고정되는 고정자(8)와, 상기 고정자(8)의 외주면에 놓여서 상기 고정자(8)와의 사이에 발생되는 전자기력에 의해서 회전되는 회전자(4)와, 상기 회전자(4)의 중심축으로서 회전자(4)와 함께 회전되는 샤프트(6)가 제공된다.

여기서, 상기 고정자(8)와 상기 회전자(4)와 샤프트(6)를 함께 칭하여 세탁 기 모터라고 이름할 수 있을 것이다. 여기서, 상기 고정자에는 코일이 권선되는 다수의 치가 제공되고, 상기 회전자(4)에는 마그넷이 설치되어 있다. 상기 코일과 상기 마그넷과의 사이에서 발생되는 전자기력에 의해서 회전자가 회전된다. 그리고, 일반적으로 모터가 회전된다는 의미는 회전자와 고정자와의 사이에 발생되는 전자기력에 의해서 상기 회전자(4)가 회전된다는 의미로 이해될 수 있다.

상기되는 구성을 참조하여 드럼 세탁기의 작동을 시계열 적으로 설명한다.

사용자가 도어(11)을 열고서 세탁포를 드럼(7)내부로 투입한다. 이후에, 사용자는 조작 패널(12)을 조작하여 세탁포의 상태와 자신이 원하는 동작조건을 참조하여 세탁기를 운전한다. 세탁기의 동작이 개시되면 먼저 모터가 회전되어 모터에 의해서 감지되는 부하량에 의해서 세탁포의 포량이 감지된다. 그리고, 감지된 포량에 적합하도록 세탁행정이 수행된다.

상기 세탁행정이 개시되면 세탁수 유입구(2)를 통하여 세탁수가 유입된 다음에, 모터가 회전되어 드럼(7)을 회전시킨다. 여기서, 상기 드럼(7)의 회전은 정방향 회전과 역방향 회전이 교번하여 일어나는 것이 일반적인데, 이는 세탁포의 엉김을 방지하고 다른 세탁방식에 비하여 세탁력이 약한 드럼 세탁기에서 세탁효율을 높이는 장점을 얻기 위한 것이다. 한편, 상기되는 바와 같이 드럼(7)의 정방향 회전과 역방향 회전이 교번하여 일어나도록 하기 위해서는 드럼이 일방향으로 회전한 다음에 정지하도록 하고, 다시금 역방향으로 드럼이 회전되도록 하여야 한다.

그런데, 종래 세탁기 모터의 구동방식에 따르면, 이와 같은 모터의 기동모드에서 다량의 소음 및 진동이 발생되는 단점이 있다. 다시 말하면, 120도 통전방식 이 적용되어 모터가 구동됨으로써, 모터 동작 시에 자체적으로 다량의 소음이 발생되는 것이다. 또한, 모터의 시스템 이상에 의해서 세탁포의 움직임에 대응하는 적절한 제어가 수행되지 아니하면, 다량의 진동이 발생되는 단점이 있다. 상기 진동은 상기 베어링(5)에 의해서 터브로 전달될 수도 있고, 샤프트(6)에 의해서 직접 드럼으로 전달될 수도 있다. 그리고, 상기 드럼으로 전달된 진동도 터브(3)로 전달되어 댐퍼(9) 및 스프링(13)에 의해서 완충될 수도 있으나, 이와 같은 기구부품들 간의 접촉 충격은 여전히 소음의 요인으로 작용한다.

이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 본 실시예에서는 세탁기의 기동모드에서도 모터로 인가되는 전원의 인가방식을 180도 통전방식으로 하고, 나아가서, 상기 모터로 인가되는 전원이 제어되는 방식을 벡터제어방식을 활용하는 것을 일 특징으로 한다. 이는 모터의 회전가의 위치 및 속도가 연속적으로 추정가능 한 것에 의해서 달성될 수 있다.

상기 벡터제어방식은 상기 권선에 전류가 인가되는 것을 제어하는 전원인가제어방식의 일종으로서, 회전자에 놓이는 영구자석의 자속방향과 평행한 d축과 상기 영구자석의 자석방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 회전좌표계를 설정하여, 상기 d축 및 q축과 평행한 방향으로 전류를 인가하는 방식이다. 상기 벡터제어방식은 모터에 인가되는 전류를 보다 정확하게 제어할 수 있는 장점이 있어서 유리하고, 나아가서, 모터의 약자속 제어를 가능하게 하여 모터의 정격속도를 넘어서는 속도에 까지 이를 수 있도록 하는 장점이 있다. 그러므로 탈수행정과 같이 고속회전이 필요한 세탁기 모터의 경우에, 모터의 크기 및 사양을 줄이면서도 탈수행정에 필요한 회전수를 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예의 일 특징으로서는, 다수의 정회전과 역회전이 교번하여 수행되는 드럼 세탁기의 세탁행정의 경우에, 기동운전의 시기라도 백터제어방식에 의해서 고정자의 권선에 전원이 인가되도록 할 수 있다. 이 경우에는 저소음/저진동의 모터 및 세탁기가 운전될 수 있어서 유리하다. 상기 벡터제어방식에 대해서는 추후에 더 상세하게 설명한다.

상기되는 바와 같은 과정을 거쳐서 세탁포의 세탁이 종료되면, 세탁수 배수구(10)를 통하여 세탁수가 배수되고, 전체적인 세탁행정은 종료된다. 세탁행정 이후에는 헹굼행정 및 탈수행정이 개시된다. 여기서, 헹굼행정은 세탁행정과 유사한 행정으로서, 정방향 및 역방향으로 드럼이 교번하여 회전되도록 하여 세탁포가 세탁되도록 한다.

한편, 상기 탈수행정은 세탁포에서 물을 제거하는 행정으로서, 드럼이 고속으로 회전되어야 한다. 이를 위하여 탈수행정의 경우에는 상기 모터가 약자속 운전되도록 한다.

상기 약자속 운전은, 모터가 정격속도에 도달하고 나면 역기전력에 의해서 모터에 입력 가능한 전류량이 감소하여, 전류를 흘리더라도 더 이상 모터의 회전속도가 증가될 수 없는 문제가 발생하는 것을 해소하는 운전으로서, 강제로 영구자석의 자속을 약화시키는 모드이다. 보다 상세하게는, 모터가 정격속도에 이르고 나면, 상기 벡터제어방식에서 사용되는 상기 d-q축 회전좌표계에서 영구자석의 자속방향과 평행인 d축으로 입력되는 전류의 양을 증가시킴으로써, 자속을 약화시키도 록 하는 모드인 것이다. 이와 같이되면 모터의 운전 효율은 떨어지더라도 모터를 정격속도보다 고속으로 운전시킬 수 있는 장점을 얻을 수 있다.

상기 약자속 운전에 의해서 모터의 정격속도보다 더 높은 회전속도로 드럼이 회전될 수 있게 됨으로써, 드럼 세탁기는 필요한 규격보다 작은 사양의 모터를 사용해도 되는 장점을 기대할 수 있게 된다.

상기되는 설명에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 모터는 회전자의 위치 및 속도가 정확하게 추정될 수 있기 때문에, 기동모드시 부터 벡터제어방식에 의해서 운전되도록 할 수 있고, 정상모드인 경우에도 더욱 안정적으로 모터가 제어가 수행될 수 있도록 하는 장점을 기대할 수 있다.

도 2는 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어장치의 블록도로서, 본 실시예의 세탁기 모터의 제어장치는, 물리적으로는 도 1에 제시되는 세탁기의 모터를 구동하는 장치로서 세탁기의 내부에 장착되는 기판에 설치되는 제어칩등과 같은 다수의 부품으로서 실현될 수 있다.

도 2를 참조하면, 모터(M)에 입력되는 전원을 제어하는 모터 제어부(40)와, 상기 모터 제어부(40)로부터 출력되는 uvw 정지 좌표계의 신호를 입력받아서 PWM 신호를 발생시키는 PWM 연산기(51)와, 상기 PWM 신호를 입력받아서 상기 모터(M)로 입력되는 전원을 직접 제어하는 인버터(52)와, 상기 인터버에서 출력되는 현재전류로서 d축 현재전류 Id와 q축 현재전류 Iq를 검출하는 전류 감지부(53)가 제공된다.

상세하게, 상기 모터 제어부(40)에는, 상기 모터(M)의 회전속도와 회전위치를 검출하는 속도/위치 검출기(42)와, 상기 속도/위치 검출기(42)에서 검출되는 회 전자의 현재속도 ω와 지령속도 ω*를 비교하여 상기 현재속도 ω가 지령속도 ω*에 추종하도록, 상기 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 회전좌표 상의 전류성분 Id와 Iq를 조절하여, d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 각각 발생시키는 속도 제어기(41)와, 상기 속도 제어기에서 출력되는 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*에 근거하고, 현재전류 Id와 Iq를 PID 제어하여 d축 지령전압 Vd*과 q축 지령전압 Vq*을 각각 발생시키는 전류 제어기(43)와, d-q축 회전 좌표계와 uvw 정지 좌표계가 서로 변환되도록 하는 좌표 변환부(44)가 포함된다.

여기서, 상기 속도/위치 검출기(42)는 상기 모터(M), 더 상세하게는 고정자(8)에 설치되는 홀 센서(도 1의 14참조)의 온/오프 신호 및 속도 제어기(41)의 토크 Te에 의해서, 현재 회전자의 속도 및 위치가 연속적으로 감지될 수 있다. 상기 홀 센서(14)는 전기각 90도 마다 회전자의 위치상태를 감지할 수 있도록 두 개가 설치되는 것이 가격적인 면에서 바람직하다. 그러나, 세 개 이상의 홀 센서가 설치되어 보다 정확하게 회전자의 위치를 감지할 수 있도록 하는 것을 배제하지는 않는다.

상기 정지좌표계와 상기 회전좌표계는 이하와 같은 상호 관계를 가진다.

먼저, uvw/dq의 좌표변환식은 하기되는 수학식 1과 같다.

그리고, 동기모터의 전압방정식은 하기되는 수학식 2와 같다.

또한, 인가되는 회전좌표계 상의 전류에 의해서 발생되는 토크는 수학식 3과 같다.

상기되는 수학식들에 있어서,

P는 극대수, R은 권선저항, Lq/Lp는 dp좌표계로 변환된 자기인덕턴스, Ke는 속도기전력상수, θ는 전기각이다.

상기되는 수학식들에 따르면, dq축으로 정의되는 회전좌표계 상에 가하여지는 전류는 결국, uvw 3상 정지좌표계에서 발생되는 토크로 나타나게 되는 것을 알 수 있다.

이하에서는 회전좌표계 상의 전류 또는 전압을 제어하는 것에 의해서 정지좌표계로 동작되는 모터의 토크가 제어되는 것으로 기본으로 하여 설명한다.

도 2에 제시되는 세탁기 모터의 제어장치를 참조하여 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어방법에 대하여 설명한다.

상기 모터가 정지상태에서 회전하기 시작하는 기동모드 시에는 먼저 회전자가 일정위치에 정렬될 수 있도록 강제정렬시키는데, 이때에는 상기 d-q축 회전좌표계에서 영구자석과 평행한 방향인 d축에 일정시간 동안 펄스를 인가하여 모터가 영구자석과 대응되는 위치-이 위치는 영구자석과 권선과의 상호 관계에 의해서 미리 정하여진 것이다-에 정렬되도록 한다.

이후에는 상기 정하여진 위치-이 위치는 강제정렬된 위치로서 모터의 제어정보로서 이미 저장되어 있다-에서 모터가 기동할 수 있도록 모터에 전류를 인가한다. 한편, 강제정렬된 위치에서 전기각 90도를 회전하고 난 다음에는 어느 하나의 홀 센서(14)에 의해서 영구자석의 통과가 감지되고, 이후에 회전자가 전기각 90도를 더 회전하면 다른 하나의 홀 센서(14)에 의해서 영구자석의 통과가 감지된다. 이와 같이 회전자가 전기각 90도의 회전마다 소정의 감지신호가 발생될 수 있는 고정자의 위치에 홀 센서가 놓이는 것은 용이하게 이해될 것이다.

한편, 본 실시예에서는, 상기 기동모드에서 상기 속도/위치 검출기(42)는 홀 센서(14)의 감지신호 및 속도 제어기(41)에 의해서 감지되는 토크 Te에 의해서 상기 회전자(4)의 위치 및 속도를 연속적으로 추정하는 것을 일 특징으로 한다. 상세하게 설명하면, 상기 홀 센서(14)는 두 개가 제공되어 있는데 이는 회전자(4)가 전기각으로 90도를 회전할 때마다 소정의 신호를 발생시키는 기능을 수행하고, 그 신호를 이용하여 상기 속도/위치 검출기(42)는 회전자의 위치 및 속도를 연속적으로 추정하는 것이다. 즉, 회전자의 속도 및 위치의 값에서 불연속점이 없이 연속적으로 측정될 수 있는 것이다.

이와 같이 회전자의 속도 및 위치가 연속적으로 추정되도록 하는 것은, 본 실시예에서 기동모드 시에도 백터제어방식이 적용되기 때문이다. 상세하게 설명하면, 상기 백터제어방식은 d-q축 회전좌표계를 이용하여 모터(M)에 전원을 인가하는데, 추정되는 위치 및 속도-실제로는 회전자의 위치가 더 큰 영향을 미치게 될 것이다-에 불연속점이 발생하게 되면, 해당되는 지점-다시 말해서 홀 센서의 감지위치-위치에서는 상기 영구자석과 평행한 방향의 d-q 회전 좌표계의 d축과 상기 영구자석과 직각인 q축으로 가하여지는 전류에 급작스런 변화가 발생되고, 이 경우에는 소음이 발생하고, 극단적인 경우에는 회전자에 역방향 토크가 발생되거나, 회전자가 정지해 버리는 일이 발생된다. 물론 고속으로 회전될 때에도 역토크가 발생되는 경우가 있으나, 이 경우에는 회전자의 관성이 크기 때문에 역토크로 인한 영향이 실제로 크지 않을 것이다.

이와 같은 문제점을 감안하여 본 실시예에서는 회전자의 위치 ω및 속도 θ를 연속적으로 추정하여, 그 연속적인 추정치를 이용하게 된다. 여기서, 연속적이라는 것의 의미는 어느 하나의 시간대에서 두 개 이상의 값을 가지지 않고, 하나의 값을 가지는 것을 의미한다.

상기 속도/위치 검출기(42)에 의해서 연속적으로 추정되어 검출된 회전자의 현재속도 ω는 속도 제어기(41)에 입력되어 회전자의 지령속도 ω*과 함께 PID 제어된다. 그리고, 상기 속도 제어기(41)는 d-q 회전 좌표계의 d축 지령전류 Id*와 q 축 지령전류 Iq*를 출력한다. 출력된 지령전류 Id*와 Iq*는 전류 제어기(43)로 입력되어, 상기 전류 감지부(53)에서 감지되고 상기 좌표 변환부(44)에서 변환된, d-q 회전 좌표계로 정의되는 인버터(52)의 현재전류 Id와 Iq와 비교되어 PID 제어가 수행된다. 이때, 전류 제어기(43)에서는 상기 속도/위치 검출기(42)에 의해서 감지된 회전자의 현재속도 ω가 참조된다. 상기 전류 제어기(43)에서는 d-q 회전 좌표계 상의 지령전압 Vd*와 Vq*를 출력한다.

상기 전류 제어기(43)에서 출력된 지령전압은 좌표 변환부(44)를 거쳐서 uvw 정지 좌표계 상의 지령전압으로 변경되어 PWM 연산기(51)로 입력된다. 상기 PWM 연산기(51)에서는 지령전압에 대응하는 PWM 신호를 발생시켜서 인버터(52)로 입력하고, 상기 인버터(52)에 제공되는 여섯개의 트랜지스터는 전원을 온/오프 시켜서 모터(M)를 구동시키게 된다.

도 3은 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어방법의 흐름도로서, 도 3을 참조하여 위에서 설명된 바가 있는 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어방법을 시계열적으로 살펴보도록 한다.

도 3을 참조하면, 먼저 모터가 정지상태에서 회전을 시작하는 기동모드인지의 여부를 판단한다(S1). 상기 기동모드인지의 판단단계에서 기동모드인 것으로 판단된 때에는 회전자를 강제로 정렬하는 단계가 수행되고(S2), 기동모드가 아닌 경우에는 회전자의 속도/위치를 검출하는 단계가 수행된다(S3).

상기 회전자의 정렬단계(S2)는, 대략 5초 정도 복수개의 서로 이격되는 펄스가 d-q 회전 좌표계 상의 d축과 평행한 방향으로 인가되는 것에 의해서, 영구자석 과의 관계에서 특정 위치에 정렬될 수 있다. 상기 회전자가 정렬되고 난 다음에도 회전자의 속도/위치를 검출단계(S3)가 수행된다.

상기 회전자의 속도/위치 검출단계(S3)는, 상기 홀 센서(14)를 이용하여 전기각 90도 마다 발생되는 홀 센서의 신호를 이용하여 현재 회전자의 위치 및 속도를 추정하게 된다.

이하에서는, 상기 회전자의 위치추정과정을 신호선도를 참조하여 더 상세하게 설명한다.

도 4는 회전자의 위치추정과정을 설명하는 도면이다.

도 4를 참조하면, 홀 센서(14)(Hall A, Hall B)는 시간이 경과됨에 따라서 전기각 90도마다 적어도 하나의 홀 센서의 온/오프 신호가 변경된다. 상기 홀 센서의 온/오프 신호의 변화와 함께 상기 회전자의 실제위치 θr-real는 360도를 선형적으로 증가하면서 회전한다.

상기 회전자의 실제위치 θr-real를 상기 홀 센서(14)의 온/오프 신호의 변화를 이용하여 추정하기 위한 방법을 설명한다.

먼저, 홀 센서의 온/오프 신호가 변경되는 지점마다 회전자의 실제위치로서 회전자의 추정위치를 새로이 세트하는 방법(T-method)의 경우에 추정되는 회전자 추정위치 θr-Tmethod는, 전기각으로 한 주기인 360도의 내에 세 개의 불연속점이 생기는 것을 볼 수 있다. 이 방법은 종래에 적용된 방법으로서, 불연속점이 한 주기마다 생기게 되므로, 모터의 기동모드에서 백터제어방식이 적용되어 모터가 구동되지 못하는 문제가 발생된다.

이와 같은 문제점을 개선하기 위하여, 본 실시예에서는 홀 센서의 온/오프 신호를 하나의 인자로 하면서 360도의 주기 중에 연속적인 추정값을 가지도록 상기 속도/위치 검출기(42)가 동작된다.

본 발명에서는 회전자의 속도 및 위치가 연속적으로 추정되는 것이 하나의 특징이다. 이하에서는 이와 같은 기능을 달성하는 속도/위치 검출기의 구성 및 작용에 대하여 상세하게 설명한다.

도 5는 상기 속도/위치 검출기의 블록도이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 속도/위치 검출기에는, 홀 센서(14)로부터의 온/오프 신호와 속도 제어기(41)의 토크 신호 Te를 입력받아 회전자의 회전속도 ωr를 추정하는 1차 속도/위치추정기(421)와, 상기 1차 속도/위치 추정기(421)로 부터 출력되는 각속도와 상기 홀 센서(14)의 온/오프 신호와 속도 제어기(41)의 토크 신호 Te를 입력받아 회전자의 위치 θr-real를 추정하는 2차 속도/위치 추정기(422)가 포함된다.

여기서, 상기 1차 속도/위치 추정기(421)의 출력값은 속도 제어기(41)로 입력되어 속도제어에 사용되고, 상기 2차 속도/위치 추정기(422)의 출력값은 좌표 변환부(44)로 입력되어 사용된다.

이와 같은 속도/위치 추정기(42)에 따르면, 불연속점이 없는 연속적인 값으로 회전자의 위치와 속도가 추정되기 때문에, 모터 제어가 연속적으로 수행될 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 모터의 지령속도 ωr*는 강제정렬시간(T2) 동안은 회 전자의 회전운동이 일어나지 않고 회전자가 고정자에 대하여 정렬되기만 한다. 그 이후에 모터의 기동모드(T2)에서는 초기에 회전자가 정지된 상태에서 서서히 회전자의 회전속도가 증가한다. 그 이후에 모터의 정상모드(T3)에서는 모터가 정상속도로 회전되는 알 수 있다.

다시 도 3을 참조하여 설명을 계속한다.

상기 회전자의 속도/위치 검출단계(S3)에서 회전자의 속도/위치를 추정하는 방식에 의해서 회전자의 속도/위치가 검출된 다음에는, 그 정보를 활용하여 백터제어방식에 의해서 회전자가 회전된다(S4).

이후에는 회전자를 정지시키는 신호가 발생되었는지의 여부를 판단하여(S5), 정지되는 경우에는 회전자를 정지시키고, 계속해서 모터를 회전시키고자 하는 경우에는 회전자의 속도/위치 검출단계(S3)로 다시금 이행한다.

상기되는 설명은 모터의 기동모드에서부터 벡터제어가 수행되는 것에 의해서, 모터가 보다 더 안정적으로 동작되는 것을 주된 관점으로 설명된 바가 있다. 그러나, 본 발명에 따른 속도/위치 검출기(42)에 따르면, 기동모드에서 뿐만이 나라, 회전자의 위치 및 속도가 연속적인 값으로 정확하게 추정되기 때문에 정상운전에서도 모터가 안정적으로 동작될 수 있다.

도 6은 종래 T-method 방법에 의해서 회전자의 위치가 추정되는 경우의 그래프이고, 도 7은 본 발명의 속도/위치 검출기에 의해서 회전자의 위치 및 속도가 추정되는 경우의 그래프이다. 각각은 모터가 300rpm으로 회전 중인 상태이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, DC 링크선도(101)(201)는 그다지 많은 차이가 없 다. 그러나, 전기각 선도(103)(203)는 서로가 많은 차이점을 보인다. 상세하게, 종래의 방법에 따르면, 홀 센서의 온/오프 상태가 변할 때 마다 불연속점이 계속해서 발생되는데, 이는 종래 T-method의 경우에는 홀 센서(14)의 온/오프 신호가 바뀔때마다 회전자의 각도를 새로이 세트시키기 때문이다. 이에 반하여 본 발명의 실시예에 따른 속도/위치 검출기(42)에 따르면, 불연속점이 발생하지 않는다. 그 이유는 이미 설명된 바와 같다.

뿐만 아니라, 상전류 선도(102)(202)를 참조하면, 실시예에 따른 속도/위치 검출기(42)에 의해서 연속적으로 추정되는 회전자의 위치 및 속도에 의해서는, 모터에 인가되는 각 상 전류도 보다 더 연속적이고 정확한 정현파로 구현되고, 그 단차가 없어지는 것을 알 수 있다. 그래프를 참조하면, 상전류의 피크치가 20% 이상 작아지는데, 이로 인하여 일정속도로 운전되는 모터의 정상동작 중에도 소음 및 진동이 더 저감되는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 모터의 기동모드의 경우에도 180도 통전방식을 활용하여 저소음/저진동 상태로 운전가능하고, 나아가서, 180도 통전방식에서 모터의 전원인가방식으로 회전자의 위치 및 속도가 연속적으로 추정됨으로써, 벡터제어방식이 모터의 기동모드에서도 활용가능하게 됨으로써, 모터에 인가되는 전원이 더욱 적절하게 제어가능하여 소음/진동이 더욱 줄어들고, 과전류의 발생이 방지된다.

또한, 본 발명에 따르면, 속도/위치 검출기에서 출력되는 회전자의 위치 및 속도가, 회전자의 정상운전인 경우에는 물론이고 기동모드에서도 연속적으로 추정 됨으로써, 모터의 기동시 뿐만 아니라, 정상운전 상태에서도 전류의 피크치가 감소되어 모터의 동작 중에 발생되는 소음 및 진동이 저감되는 장점을 얻을 수 있다.

Claims (20)

1. 다수의 권선된 코일이 원형으로 배치되는 고정자;

   상기 코일과 일정거리 이격되는 다수의 영구자석을 가지는 회전자;

   상기 고정자에 설치되어, 상기 회전자의 회전을 온/오프 신호로 감지하는 홀센서; 및

   상기 회전자의 현재속도와 상기 회전자의 지령속도를 비교하여 상기 현재속도가 상기 지령속도에 추종하도록 하기 위하여,

   벡터제어방식이 수행되고,

   상기 홀센서에 의해서 감지되는 온/오프신호와 상기 회전자의 토크 정보로 부터 상기 회전자의 현재속도 및 현재위치는 정지상태부터 연속적인 값으로 추정되어, 제어신호를 송신하는 모터 제어부가 포함되는 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 모터 제어부는,

   상기 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 좌표 상의 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 제어하는 속도 제어기;

   상기 속도 제어기에서 출력되는 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*에 근거하여 d축 지령전압 Vd*과 q축 지령전압 Vq*을 각각 제어하는 전류 제어기;

   상기 전류 제어기에서 출력되는 상기 지령전압 Vd*와 Vq*에 근거하여 PWM 신호를 발생시키는 PWM 연산기;

   상기 PWM 신호에 따라서, 상기 코일로 인가되는 전원을 제어하는 인버터; 및

   상기 홀센서에 의해서 감지되는 온/오프신호와 상기 회전자의 토크 정보로 부터 상기 회전자의 현재속도 및 위치를 연속적인 값으로 추정하는 검출기가 포함되는 모터.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 검출기에는,

   상기 홀 센서의 온/오프 신호와 상기 회전자의 토크정보를 받아서 상기 회전자의 현재속도를 검출하는 1차 검출기; 및

   상기 홀 센서의 온/오프 신호, 상기 회전자의 토크정보 및 상기 1차 검출기로부터 검출되는 상기 회전자의 현재속도를 입력받아, 상기 회전자의 위치를 검출하는 2차 검출기가 포함되는 모터.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 토크정보는 상기 속도 제어기에서 출력되는 모터.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 홀 센서는 두 개가 사용되어, 전기각 90도마다 온/오프 신호를 발생시키는 모터.
7. 권선된 코일이 원형으로 놓이고 터브에 고정되는 고정자, 상기 고정자에 대하여 회전하고 영구자석을 가지는 회전자, 및 상기 회전자의 회전을 감지하기 위하여 상기 고정자에 설치되어 온/오프 신호를 발생시키는 적어도 하나의 홀 센서가 포함되는 모터를 구동하는 방법에 있어서,

   상기 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 좌표 상의 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 조절하는 벡터제어방식이 수행되도록 하기 위하여,

   상기 센서의 온/오프 신호와 상기 회전자의 토크정보를 이용하여 상기 회전자의 속도 및 위치가 모터의 정지상태부터 연속적으로 추정되어 모터의 제어에 활용되는 모터의 제어방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 홀 센서는 두 개인 세탁기 모터의 제어방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 회전자의 위치는, 추정된 상기 회전자의 속도가 참조되어 추정되는 모터의 제어방법.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 회전자의 위치 및 속도는 상기 회전자의 토크가 참조되어 추정되는 모터의 제어방법.
11. 삭제
12. 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 좌표 상의 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 각각 제어하는 속도 제어기;

    상기 속도 제어기에서 출력되는 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*에 근거하여 d축 지령전압 Vd*과 q축 지령전압 Vq*을 각각 제어하는 전류 제어기;

    상기 전류 제어기에서 출력되는 상기 지령전압 Vd*와 Vq*에 근거하여 PWM 신호를 발생시키는 PWM 연산기;

    상기 PWM 신호에 따라서, 모터의 코일로 인가되는 전원을 제어하는 인버터;

    상기 영구자석의 위치를 감지하는 적어도 하나의 홀 센서; 및

    상기 홀 센서의 온/오프 신호를 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 검출하는 검출기가 포함되고,

    상기 검출기에는, 상기 홀 센서의 온/오프 신호와 상기 회전자의 토크정보를 입력받아 회전자의 속도를 검출하는 1차 검출기; 및

    상기 1차 검출기로부터 출력되는 상기 회전자의 속도와, 상기 홀 센서의 온/오프 신호와 상기 회전자의 토크정보를 입력받아, 상기 회전자의 위치를 검출하는 2차 검출기가 포함되는 모터의 제어장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 토크정보는 상기 속도 제어기에서 출력되는 모터의 제어장치.
14. 삭제
15. 권선된 코일이 원형으로 놓이고 터브에 고정되는 고정자;

    상기 고정자에 대하여 회전하고 영구자석을 가지는 회전자;

    상기 회전자의 회전을 감지하기 위하여 상기 고정자에 설치되어 온/오프 신호를 발생시키는 적어도 하나의 홀 센서;

    상기 홀 센서의 온/오프 신호와 상기 회전자의 토크정보를 받아서 상기 회전자의 현재속도를 검출하는 1차 검출기; 및

    상기 홀 센서의 온/오프 신호, 상기 1차 검출기에서 검출된 회전자의 현재속도 및 상기 회전자의 토크정보를 입력받아, 상기 회전자의 현재위치를 검출하는 2차 검출기가 포함되는 모터.
16. 삭제
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 회전자의 현재위치는 연속적으로 검출되는 모터.
18. 캐비넷;

    상기 캐비넷의 내부에 설치되는 드럼;

    상기 드럼의 외부에 설치되어 세탁수가 저장되는 터브;

    상기 터브의 배면에 고정되는 고정자, 상기 고정자와의 사이에 발생되는 전자기력에 의해서 회전되고 상기 드럼에 연결되는 회전자가 포함되는 모터; 및

    상기 모터는 백터제어방식으로 동작되고, 상기 회전자의 위치 및 속도는 정지상태로부터 연속적으로 검출하는 검출기를 포함하고,

    상기 검출기는,

    상기 회전자의 위치를 일정각도 단위로 검출하는 센서의 온/오프 신호와, 상기 회전자의 토크정보를 참조하여 회전자의 위치 및 속도를 검출하는 세탁기.
19. 삭제
20. 제 18 항에 있어서,

    상기 검출기에는,

    회전자의 속도를 추정하는 1차 검출기; 및

    상기 1차 검출기에 의해서 추정되는 회전자의 속도와, 상기 센서의 온/오프 신호와, 상기 회전자의 토크정보를 참조하여 회전자의 위치를 추정하는 2차 검출기가 포함되는 세탁기.

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