KR101482441B1

KR101482441B1 - 모터 가속 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101482441B1
Application number: KR1020130123528A
Authority: KR
Inventors: 손정호; 우무선; 신홍철; 김대성
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-01-13
Also published as: EP2869456A1; CN104579095A; US20150102751A1

Abstract

본 발명은 모터 가속 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 상용 전원을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 정류부; 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압을 스위칭하여 교류화하여 2상 SRM을 구동하는 스위칭 컨버터; 및 상기 2상 SRM의 초기 가속시에 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 초기 설정 도통각을 정상 운전 상태의 도통각으로 변화시키고, 선행각 제어를 시작하는 마이크로 프로세서를 포함하는 모터 가속 장치 및 그 방법이 제공된다.

Description

모터 가속 장치 및 그 방법{Motor acceleration apparatus and method thereof}

본 발명은 모터 가속 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

스위치드 릴럭턴스 전동기는 150여 년이 넘는 오래된 전동기 설계 형태 중의 하나이다. 이런 전통적인 형태의 릴럭턴스 전동기가 전력용 반도체의 개발과 함께 가변 드라이브의 조건을 충족시키기 위해서 스위치드 릴럭턴스 전동기로 알려지게 되었다.

“Switched Reluctance" 라는 명칭은 S.A. Nasar에 의해서 명명되었고, 이 명칭은 SRM의 두 가지 주요한 특징을 설명하고 있다.

첫 번째로 ‘Switched’ 라는 의미는 전동기가 항상 연속적인 스위칭 모드에서 동작되어야만 한다는 것으로 이는 새로운 형태의 전력용 반도체의 개발과 발달에 의해 이를 적용시킨 이후에 사용되었던 용어이다.

두 번째로 ‘Reluctance'는 회전자와 고정자가 릴럭턴스 자기회로(magnetic circuits)를 가변시킴으로서 동작하게 하는 이중 돌극형 구조를 의미한다.

Nasra, French, Koch, Lawrenson 등의 학자들은 1960년대 구조적으로 유사한 Stepping Motor와 다르게 전력용 반도체를 이용한 연속 모드 제어를 고안하게 된다.

그 당시에, 전력용 사이리스터 반도체가 유일하게 상대적으로 높은 전압과 전류를 제어하는 성능을 지녔으므로 이를 스위치드 릴럭턴스 전동기를 제어하는 데 적용하였다.

현대에는 전력용 트랜지스터, GTO, IGBT 그리고 전력용 MOSFET등이 개발되어 SRM 제어를 위한 정격전력 범위 내에서 다양하게 이용할 수 있게 되었다.

SRM은 구조면에서 매우 간단하다. 영구자석이나 브러시 그리고 정류자가 없고, 고정자는 돌극을 가진 강철의 적층 구조로 되어 있으며, 직렬로 된 코일이 감겨진 권선이 각각의 상(phase)에 독립적으로 연결되어 있고, 이 권선이 고정자 극을 감싸는 구조로 되어 있다.

회전자에는 권선이 없고, 강철의 적층구 조로 되어 있으며 고정자와 마찬가지로 돌극형 구조로 되어 있다. 따라서 고정자와 회전자가 모두 돌극형 구조를 가짐으로서 이중 돌극형(double salient)구조라 볼 수 있다.

이러한 심플한 구조는 신뢰성과 생산단가를 낮춤으로서 가변속 드라이브의 대안으로 그 가능성이 크다고 할 수 있다.

이와 같은 SRM 모터의 제어에서 전류 센서를 사용하게 되면 비정상 구동시에 갑작스러운 전류 피크를 감지하여 전류를 차단하기 때문에 사용하지 않은 경우 보다는 IGBT 또는 FET 소손을 막을 수 있다.

하지만 SRM 모터 제어에서 초기 기동 시에나 가속시에 큰 토크가 필요하기 때문에 피크 전류가 커지게 된다.

이 때에 전류센서를 사용하면 센서에서 초기기동 및 가속시에 튀는 전류를 감지하여 모터 전류를 차단해 버리는 문제가 발생한다.

일본공개특허공보 2012-5275호 국내공개특허공보 2001-36470호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전류 센서를 사용하는 SRM 모터 제어에서 정상적인 구간에서의 모터 정지를 방지할 수 있는 모터 가속 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면은, 상용 전원을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 정류부; 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압을 스위칭하여 교류화하여 2상 SRM을 구동하는 스위칭 컨버터; 및 상기 2상 SRM의 초기 가속시에 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 초기 설정 도통각을 정상 운전 상태의 도통각으로 변화시키고, 선행각 제어를 시작하는 마이크로 프로세서를 포함한다.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 마이크로 프로세서는 온(on) 신호가 들어오면 스위칭 컨버터를 제어하여 2상 SRM의 권선에 저전류를 공급한다.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 마이크로 프로세서가 스위칭 컨버터에 듀티비가 4% 이하인 PWM 신호를 제공하여 2상 SRM의 권선에 저전류가 공급되도록 한다.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 마이크로 프로세서는 초기 설정 도통각이 정상 운전 상태의 도통각으로 변화될 때에 스위칭 컨버터에 듀티비가 상승하는 PWM 신호를 공급한다.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 마이크로 프로세서는 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 초기 설정 도통각이 정상 운전 상태의 도통각으로 변화되는 시점에 선행각 제어를 시작한다.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 마이크로 프로세서는 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 도통각이 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에 일정 선행각에서 시작하여 일정 시간 동안 선행각을 증가시킨후에 일정 선행각을 유지하는 선행각 제어를 수행한다.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 스위칭 컨버터는 2상 SRM의 2개의 상권선의 각각에 상하로 직렬 연결되어 있는 한 쌍의 상부 및 하부 스위치, 2개의 상권선의 각각의 양단에 전원측과 연결되어 있는 한 쌍의 다이오드를 포함하며, 상기 마이크로 프로세서는 한쌍의 상부 및 하부 스위치의 동시에 턴-온 되는 시점을 조정하여 선행각을 제어하고, 동시에 턴-온 되는 시간을 조정하여 도통각을 제어한다.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 마이크로 프로세서는 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 선행각 제어를 수행하는 선행각 제어기; 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 도통각 제어를 수행하는 도통각 제어기; 및 상기 2상 SRM의 초기 가속시에 상기 도통각 제어기를 제어하여 상기 스위칭 컨버터의 초기 설정 도통각을 정상 운전 상태의 도통각으로 변화시키고, 상기 선행각 제어기를 제어하여 상기 스위칭 컨버터의 선행각 제어를 시작하는 속도 조절기를 포함한다.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 마이크로 프로세서는 온(on) 신호가 들어오면 스위칭 컨버터에 듀티비가 4% 이하인 PWM 신호를 제공하고, 초기 설정 도통각이 정상 운전 상태의 도통각으로 변화될 때에 스위칭 컨버터에 듀티비가 상승하는 PWM 신호를 공급하는 PWM 듀티 제어기를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 마이크로 프로세서는 상기 2상 SRM에서 부토크가 발생하는지 여부를 판단하고 상기 2상 SRM에서 부토크가 발생하는 경우 상기 선행각 제어기를 제어하여 상기 선행각을 증가시키고 상기 도통각 제어기를 제어하여 상기 도통각을 감소시키는 부토크 발생 여부 판단기를 더 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 측면은 (A) 마이크로 프로세서가 스위칭 컨버터에 저전류를 공급하여 2상 SRM의 초기 구동 시키는 단계; 및 (B) 상기 마이크로 프로세서가 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 초기 설정 도통각을 정상 운전 상태의 도통각으로 변화시키고, 선행각 제어를 시작하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (A) 단계는 상기 마이크로 프로세서가 온(on) 신호가 들어오면 스위칭 컨버터에 듀티비가 4% 이하인 PWM 신호를 제공하여 2상 SRM의 권선에 저전류가 공급되도록 한다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 (C) 상기 마이크로 프로세서가 초기 설정 도통각이 정상 운전 상태의 도통각으로 변화될 때에 스위칭 컨버터에 듀티비가 상승하는 PWM 신호를 공급하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (B) 단계에서 상기 마이크로 프로세서는 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 초기 설정 도통각이 정상 운전 상태의 도통각으로 변화되는 시점에 선행각 제어를 시작한다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 (D) 상기 마이크로 프로세서는 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 도통각이 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에 일정 선행각에서 시작하여 일정 시간 동안 선행각을 증가시킨후에 일정 선행각을 유지하는 선행각 제어를 수행하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 (E) 마이크로 프로세서는 상기 2상 SRM에서 부토크가 발생하는지 여부를 판단하는 단계; 및 (F) 마이크로 프로세서는 상기 2상 SRM에서 부토크가 발생하는 경우 상기 선행각을 증가시키고 상기 도통각을 감소시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에서 선행각 제어를 시작하면 턴 온 시점이 앞당겨져 전류 상승 시간이 증가하게 되며 그에 따라 전류 피크 발생을 방지할 수 있다.

그 결과, 본 발명은 전류센서를 사용하는 SRM 모터 제어에서 정상적인 구간에서의 모터 정지를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2상 스위치 릴럭턴스 모터의 가속 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 선행각, 도통각 및 PWM 듀티비의 증가를 보여주는 그래프이다.
도 3은 도 1의 스위칭 컨버터의 구성도이다.
도 4a 내지 4d는 스위칭 컨버터의 동작을 보여주는 도면이다.
도 5는 스위칭 컨버터의 선행각 제어와 도통각 제어를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 1의 마이크로 프로세서의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 2상 스위치 릴럭턴스 모터의 가속 방법의 흐름도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2상 스위치 릴럭턴스 모터의 가속 장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 2상 스위치 릴럭턴스 모터의 가속 장치는 상용 전원(10)을 정류하여 직류 전압을 공급하는 정류부(20), 정류부(20)에 연결된 커패시터(30), 커패시터(30)에 연결된 스위칭 컨버터(40) 및 2상 SRM(50)의 위치 및 속도를 감지하여 스위칭 컨버터(40)를 제어하는 마이크로 프로세서(60)를 포함할 수 있다.

정류부(20)는 입력되는 상용 전원(10)을 정류하여 직류 전압을 커패시터(30)에 공급한다. 커패시터(30)는 정류된 직류 전압의 역률을 개선하고 노이즈를 흡수하여 스위칭 컨버터(40)에 공급할 수 있다.

스위칭 컨버터(40)는 2상 SRM(50)의 2개의 상권선의 각각에 상하로 직렬 연결되어 있는 한 쌍의 상부 및 하부 스위치, 2개의 상권선의 각각의 양단에 전원측과 연결되어 있는 한 쌍의 다이오드를 포함하여, 마이크로 프로세서(60)의 제어에 따라 동작 모드 1 내지 3으로 동작하여 상기 2상 SRM(50)을 구동시킬 수 있다.

한편, 마이크로 프로세서(60)는 2상 SRM(50)의 위치와 속도를 감지하여 스위칭 컨버터(40)의 한 쌍의 상부 및 하부 스위치를 제어하여 스위치들이 동작 모드 1 내지 3으로 동작하도록 하여 2상 SRM(50)이 구동되도록 할 수 있다.

여기에서, 동작 모드 1은 2상 SRM(50)의 해당 상권선에 양의 직류 전압을 인가하여 권선에 전류를 상승시키고, 동작 모드 2는 권선에 전류가 흐르고 있을 때 권선을 순환하게 하여 천천히 감소시키고, 동작 모드 3은 해당 상권선에 음의 직류 전압을 인가하여 빠르게 감소시킨다.

이와 같이 구성되는 2상 스위치 릴럭턴스 모터의 가속 장치는 다음과 같이 동작한다.

먼저, 상기 마이크로 프로세서(60)는 스위칭 컨버터(40)를 동작 모드 1 내지 동작 모드 3으로 동작하도록 제어하여 2상 SRM(50)의 2개의 상권선 가운데 어느 하나의 상권선을 여자시킨 후에 여자 상태가 종료되도록 한다.

그리고, 계속해서 상기 마이크로 프로세서(60)는 스위칭 컨버터(40)를 동작 모드 1 내지 3으로 동작하도록 제어하여 2상 SRM(50)의 2개의 상권선 가운데 다른 하나의 상권선을 여자시킨 후에 여자 상태가 종료되도록 한다.

이후에, 상기 마이크로 프로세서(60)는 이러한 동작을 반복적으로 수행하여 2상 SRM(50)이 구동되도록 한다.

이때, 상기 마이크로 프로세서(60)는 스위칭 컨버터(40)를 동작 모드 1 내지 3으로 동작하도록 제어하는데 다양한 방식으로 제어할 수 있다.

이와 같은 마이크로 프로세서(60)는 엔코더 파형을 근거로 판단하여 2상 SRM(50)의 속도 상태에 맞추어 턴 온 시점을 조정하여 선행각을 제어할 수 있으며, 턴 온 시간을 조정하여 도통각을 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 선행각, 도통각, PWM 듀티비를 변화시켜 2상 SRM(50)의 구동을 제어할 수 있다. 선행각, 도통각, PWM 듀티비가 변하는 경우 SRM의 구동은 아래와 같은 변화가 일어날 수 있다.

1) 선행각은 권선에 전원을 인가하여 여자(magnetizing)하는 구간이다. 선행각이 변화할 경우, 턴 온 시점이 앞당겨져 전류 상승 시간이 달라지게 된다. 도통각과 선행각을 변화시켜 SRM의 rpm(revolution per minute)을 조절할 수 있다. 예를 들어, 선행각을 조절하여 턴 온 시점을 앞당겨 충분한 전류 상승 시간을 도모하고, 도통각을 조절하여 토크 발생 영역을 최대한 이용하되, 역 토크가 발생되는 구간에 도달하기 전에 전류의 크기를 최소화시켜 역 토크 발생을 억제할 수 있다. 즉, 도통각이 조절되는 경우, 토크 발생 영역을 최대한 이용하되 역 토크가 발생되는 구간에 도달하기 전에 전류의 크기가 최소화할 수 있다.

또한, SRM의 토크 특성은 전류의 방향과 무관하고 인덕턴스의 기울기의 부호와 같게 되므로, 전류만을 제어하여 SRM을 역방향으로 회전시키는 것은 불가능하고, 정, 역회전을 위해서는 각도제어를 통해 원하는 회전방향의 토크를 발생시키는 구간에 전류를 흘려주는 것이 필요하다. 그 외에도 급제동을 하고자 할 때에도 각도 제어를 사용할 수 있다.

그리고, 도통각은 전술한 바와 같이 턴 온각과 턴 오프각의 차이로서 고정자 전류가 스위치 온(on)되는 곳의 회전자 위치를 턴 온(turn on)각, 회전자 전류가 스위치 오프(off)되는 곳의 회전자 위치를 턴 오프(turn off) 각이라고 할 때 턴 오프(turn off) 각과 턴 온(turn on) 각의 차이를 말할 수 있다.

이러한 도통각이 변화할 경우, SRM에서 토크가 발생 구간이 변하게 되어 SRM의 부하 변동을 제어할 수 있다.

2) PWM 듀티비를 변화시키는 경우 2상 SRM에 흐르는 전류를 제어하여 2상 SRM의 부하 변동을 조절할 수 있다. PWM 듀티비를 변화시켜 2상 SRM의 부하 변동을 제어하는 방법은 주로 저속 및 중속으로 구동되는 2상 SRM을 제어하는데 사용될 수 있다.

저속 또는 중속으로 구동되는 2상 SRM의 경우, 역기전력과 전동기의 인덕턴스 증가가 느리게 일어나므로 인가 전압에 의한 전류의 상승율이 크기 때문에 고속 운전시보다 피크 전류가 클 수 있다. 이 전류를 스위칭 소자의 전류보다 작게 제한하기 위해 스위칭 소자를 쵸핑에 의하여 턴 온, 턴 오프시켜서 SRM을 원하는 속도로 제어할 수 있다.

상기와 같은 2상 SRM(50)이 동작하는 환경에서 도 2에 도시된 제1 구간(210)은 마이크로 프로세서(60)에 온(on) 신호가 들어온 직후의 상태를 지시한다.

이때에 마이크로 프로세서(60)는 스위칭 컨버터(40)를 제어하여 2상 SRM(50)의 어느 하나의 권선에 약간의 전원만을 흘려주어 SRM의 고정자와 회전자가 정해진 위치로 이동하여 구동 대기 상태로 만들어준다.

고정자의 상에 전류가 흐르면 회전자를 최대 인덕턴스 값을 가지는 위치가 될 때까지 인덕턴스가 증가하는 방향으로 회전시키려는 토크가 발생된다.

만약 철심에 자화 성분이 남아있지 않다면, 전류의 방향은 토크의 극성과 무관해지며, 토크는 항상 가장 가까운 정렬위치로 가려는 방향으로 발생된다. 도통각(드웰각, dwell angle)은 초기 설정 도통각으로 설정될 수 있다.

이때, 상기 마이크로 프로세서(60)가 스위칭 컨버터(40)에 제공하는 PWM 신호의 듀티비는 4% 이하가 바람직하며(더 바람직하게는 4%), 그 시간은 1sec 이하가 바람직하다.

다음으로, 제2 구간(220)은 마이크로 프로세서(60)가 2상 SRM(50)의 가속을 시작하여 정상 운전을 시작하는 상태를 지시한다. 제2 구간(220)에서는 초기 설정 도통각(대략 60~80% 구간)에서 정상 운전 상태로 설정된 도통각(대략 40~60%)으로 SRM의 도통각이 변화하게 된다. 이때 초기 모터 구동을 위한 PWM 듀티비는 상승할 수 있다. 즉, PWM 듀티비를 변화시키는 경우 2상 SRM에 흐르는 전류를 제어하여 2상 SRM의 부하 변동을 조절할 수 있다.

바람직하게 마이크로 프로세서(60)는 초기 설정 도통각에서 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에 PWM 듀티비가 증가를 시작할 수 있도록 한다. 이때, 가속 시간은 대략 3.5sec가 될 수 있다.

이처럼 마이크로 프로세서(60)가 초기 설정 도통각에서 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에 PWM 듀티비가 증가를 시작하도록 하면, 도통각의 변화로 총전류량이 줄어드는 시점에 PWM 듀티비의 증가로 총 전류량이 증가하도록 하여 가속 초기에 완만한 가속 특성을 얻을 수 있다.

다음으로, 제3 구간(230)은 선행각(진상각)에 대한 제어가 수행되는 운전 제어 모드 구간이다. 전술한 바와 같이 선행각이 변하는 경우, 턴 온 시점이 앞당겨져 전류 상승 시간이 달라지게 된다. 즉, 제3 구간(230)에서는 선행각을 변화시켜 SRM의 rpm(revolution per minute)을 조절할 수 있다.

바람직하게 마이크로 프로세서(60)는 도통각이 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에 일정 선행각에서 시작하여 일정 시간 동안 선행각을 증가시킨 후에 일정 선행각을 유지하는 선행각 제어를 시작할 수 있다.

그리고, 마이크로 프로세서(60)는 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에서 선행각 제어를 시작하면 턴 온 시점이 앞당겨져 전류 상승 시간이 증가하게 되며 그에 따라 전류 피크 발생을 방지할 수 있다.

한편, 제4 구간(240)에서는 PWM 주파수가 최대로 상승하여 최대 PWM 듀티비로 구동되는 구간을 지시한다. 제4 구간(440)부터는 SRM은 정상 속도로 도달하여 구동될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에서 선행각 제어를 시작하면 턴 온 시점이 앞당겨져 전류 상승 시간이 증가하게 되며 그에 따라 전류 피크 발생을 방지할 수 있다.

그 결과, 전류센서를 사용하는 SRM 모터 제어에서 정상적인 구간에서의 모터 정지를 방지할 수 있다.

도 3은 도 1의 스위칭 컨버터의 상세 구성도이다.

도 3을 참조하면, 도 1의 스위칭 컨버터는 A상 권선의 상부에 직렬 연결되어 있는 제1 상부 스위치(S1), A상 권선의 하부에 직렬 연결되어 있는 제1 하부 스위치(S2), B상 권선의 상부에 직렬 연결되어 있는 제2 상부 스위치(S3), B상 권선의 하부에 직렬 연결되어 있는 제2 하부 스위치(S4)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 스위칭 컨버터(40)는 A상 권선과 제1 하부 스위치(S2)의 접점에 양극이 연결되어 있고 음극이 일측의 전원 입력 단자에 연결되어 있는 제1 다이오드(D1) 및 다른측의 전원 입력 단자에 양극이 연결되어 있고 음극이 A상 권선과 제1 상부 스위치(S1)의 접점에 연결되어 있는 제2 다이오드(D2)를 포함하고 있다.

또한, 상기 스위칭 컨버터(40)는 B상 권선과 제2 하부 스위치(S4)의 접점에 양극이 연결되어 있고 음극이 일측의 전원 입력 단자에 연결되어 있는 제3 다이오드(D3) 및 다른측의 전원 입력 단자에 양극이 연결되어 있고 음극이 B상 권선과 제2 상부 스위치(S3)의 접점에 연결되어 있는 제4 다이오드(D4)를 포함하고 있다.

이와 같은 도 1의 스위칭 컨버터의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 제1 상부 스위치(S1)와 제1 하부 스위치(S2)가 턴 온(Turn On)된다. 그러면, 도 4a에 도시된 바와 같이 제1 상부 스위치(S1)와, A상 권선 그리고 제1 하부 스위치(S2)로 이루어진 전류 루프가 형성된다(A상 동작 모드 1).

이처럼 제1 상부 스위치(S1)와 제1 하부 스위치(S2)가 턴 온된 후에 일정시간이 지나면 정상 동작 구간(T1~T2)에 진입하여 제1 상부 스위치(S1)에 인가 전압에 의한 전류 Isa가 흐르게 되는데 제1 상부 스위치(S1)에 흐르는 전류 Isa는 시간이 지남에 따라 서서히 감소한다. 이때, 제1 상부 스위치(S1)의 전압(Vsa)은 턴 온에 의해 0 전압이 된다.

또한, 이처럼 제1 상부 스위치(S1)와 제1 하부 스위치(S2)가 턴 온된 후에 일정시간이 지나면 정상 동작 구간에 진입하여 제1 하부 스위치(S2)에 직류 전압의 인가에 의한 전류 Isb가 흐르게 되는데 제1 하부 스위치(S2)에 흐르는 전류 Isb는 시간이 지남에 따라 서서히 감소한다. 이때, 제1 하부 스위치(S2)의 전압(Vsb)은 턴 온상태에 의해 0 전압이 된다.

정상 동작 구간(T1~T2)에서 제1 상부 스위치(S1)와 제1 하부 스위치(S2)에 흐르는 전류를 동일하다.

한편, 이후에(시간 T2~T3 구간) 제1 상부 스위치(S1)는 턴 오프되고 제1 하부 스위치(S2)는 턴 온 상태를 유지한다. 그러면, 도 4b에 도시된 바와 같이 A상권선, 제1 하부 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2)로 이루어진 전류 루프가 형성된다(A상 동작 모드 2).

이때, 제1 상부 스위치(S1)는 턴 오프됨에 따라 제1 상부 스위치(S1)에는 전류가 흐르지 않으며, 양단의 전압(Vsa)은 인가되는 직류 전압에 근접한 전압이 형성된다.

그리고, 제1 하부 스위치(S2)는 온상태를 유지하고 있기 때문에 서서히 전류가 감소하며, 전압 또한 턴 온상태에 의한 0 전압으로 변동이 없다.

다만, 이때 제1 상부 스위치(S1)가 턴 오프되면, 제1 하부 스위치(S2)와 제2 다이오드(D2)를 통하여 A상 권선에 흐르던 전류가 순환된다.

이에 따라, 도 4b에 도시된 바와 같이 A상권선, 제1 하부 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2)로 이루어진 전류 루프에 흐르는 전류는 서서히 감소하게 된다.

이때, 제2 다이오드(D2)에 흐르는 전류(Idb)는 제1 하부 스위치(S2)에 흐르는 전류와 동일하다.

다음으로, 이와 같은 상태에서 제1 하부 스위치(S2)는 턴 온 상태를 계속 유지하도록 하고 있어, 시간 구간 T3~T4에서 서서히 전류가 감소하며, 전압 또한 턴 온상태에 의한 0 전압으로 변동이 없다.

한편, 제1 하부 스위치(S2)가 턴 오프한다(시간 구간 T4~T5).

그러면, 제1 하부 스위치(S2)의 턴 오프에 따라 도 4c에 도시된 바와 같이 제1 다이오드(D1), A상 권선, 제2 다이오드로 이루어진 전류 루프가 형성된다.

그리고, 제1 하부 스위치(S2)가 턴 오프됨에 따라 제1 하부 스위치(S2)에는 전류가 흐르지 않으며, 전압(Vsb)은 턴 오프에 따라 입력 전압과 근접하게 된다.

이때, 상기 제1 다이오드(D1)과 제2 다이오드(D2)에는 여전히 A상 권선의 순환 전류가 흐른다.

이때, 제1 다이오드(D1)통해서 흐르는 전류(Ida)는 제2 다이오드(D2)를 통해 흐르는 전류와 동일하다.

다음으로, 이후에(시간 구간 T5~T6 참조) 제2 하부 스위치(S4)를 턴온 상태를 유지한 상태에서 제2 상부 스위치(S3)를 턴온시킨다.

그러면, 제2 상부 스위치(S3)와 B상 권선 그리고 제2 하부 스위치(S4)로 이루어진 전류 루프와 제1 다이오드(D1), A상 권선, 제2 다이오드로 이루어진 전류 루프가 도 4d에 도시된 바와 같이 중첩된다.

그러면, B상 권선에 흐르는 전류와 A상 권선에 흐르는 전류의 차만큼 제2 상부 스위치(S3)와 제2 하부 스위치(S4)에 전류가 흐르게 된다(A상 동작 모드 3과 B상 동작 모드 1의 중첩).

이후에(시간 구간 T6~T7), 제2 상부 스위치(S3)와 제2 하부 스위치(S4)가 턴 온상태를 계속 유지하면, A 상 권선에 흐르는 전류를 서서히 감소하게 되며 이에 따라 제2 상부 스위치(S3)와 제2 하부 스위치(S4)에 흐르는 전류 루프만이 남게 된다(B상 동작 모드 1).

이후에는 다시 제2 하부 스위치(S4)를 턴온 상태를 유지한 상태에서 제2 상부 스위치(S3)를 오프하고(B상 동작 모드 2), 또 일정 시간 후에 제2 하부 스위치(S4)를 오프하며(B상 동작 모드 3), 제2 하부 스위치(S2)가 턴온상태를 유지한 상태에서 제1 상부 스위치(S1)를 턴온하여(B상 동작 모드 3과 A상 동작 모드 1의 중첩) 유지하는(A상 동작 모드 1) 과정을 반복하여 모터를 구동시킨다.

이와 같은 스위칭 컨버터(40)에 있어서 제1 하부 스위치(S2)와 제2 하부 스위치(S4)는 도 5에 도시된 바와 같이 서로 180도 위상차를 가지며 반주기씩 온(on)되어 있다. 그리고, 제1 상부 스위치(S1)와 제2 상부 스위치(S3) 또한 도 5에 도시된 바와 같이 마찬가지로 시간 간격을 가지며 온(on)되어 있다.

이와 같은 스위칭 컨버터(40)는 도 5에 도시된 바와 같이 엔코더 파형을 기준으로 제1 상부 스위치(S1)와 제1 하부 스위치(S2)의 턴 온 시점을 조정하여 A상 권선의 선행각(또는 진상각, advanced angle)을 조절할 수 있다.

그리고, 스위칭 컨버터(40)은 도 5에 도시된 바와 같이 제1 상부 스위치(S1)의 턴 온 시간을 조정하여 A상 권선의 도통각(dwell angle)을 조정할 수 있다.

또한, 스위칭 컨버터(40)는 도 5에 도시된 바와 같이 엔코더 파형을 기준으로 제2 상부 스위치(S3)과 제2 하부 스위치(S4)의 턴 온 시점을 조정하여 B상 권선의 선행각(또는 진상각, advanced angle)을 조절할 수 있다.

그리고, 스위칭 컨버터(40)은 도 5에 도시된 바와 같이 제2 상부 스위치(S3)의 턴 온 시간을 조정하여 B상 권선의 도통각(또는 드웰각, dwell angle)을 조정할 수 있다.

도 6은 도 1의 마이크로 프로세서의 구성도이다.

도 6을 참조하면, 도 1의 마이크로 프로세서는 속도 조절기(600), 부토크 발생 여부 판단기(610), PWM 듀티 제어기(620), 선행각 제어기(630) 및 도통각 제어기(640)를 포함할 수 있다.

상기 속도 조절기(600)는 2상 SRM이 구동함에 있어 설정된 목표 구동 속도에 도달하였는지 여부를 판단하기 위해 구현될 수 있다. 예를 들어, 1000rpm(revolution per minute)으로 SRM을 구동하고자 할 때 SRM의 목표 속도를 1000rpm으로 설정하고 해당 목표 속도에 현재 구동 속도가 도달하였는지 여부를 판단할 수 있다.

이와 같은 속도 조절기(600)는 판단 결과 현재 속도가 목표 속도보다 작은 경우이거나 큰 경우에 PWM 듀티 제어기(620)와, 선행각 제어기(630) 및 도통각 제어기(640)을 제어하여 현재 속도가 목표 속도에 접근하도록 한다.

상기 부토크 발생 여부 판단기(610)는 2상 SRM(50)에 부토크가 발생하였는지 여부에 대해 판단할 수 있다.

부토크 발생 여부 판단기(610)에서 판단 결과 부토크가 발생하지 않은 경우 목표 운전 상태가 되었다고 판단할 수 있고 2상 SRM(50)을 설정된 도통각 및 선행각으로 구동시킬 수 있다.

반대로 부토크 발생 여부 판단기(610)에서 판단 결과 부토크가 발생한 것으로 판단한 경우, 도통각 제어기(640)로 도통각을 감소시키도록 명령하고, 선행각 제어기(630)로 선행각을 증가시키도록 명령할 수 있다.

다음으로, PWM 듀티 제어기(620)는 2상 SRM(50)의 스위칭 컨버터(40)에 제공되는 PWM 신호의 듀티를 제어한다.

그리고, 선행각 제어기(630)는 2상 SRM(50)의 스위칭 컨버터(40)를 제어하여 선행각을 제어한다.

상기 도통각 제어기(640)는 2상 SRM(50)의 스위칭 컨버터(40)를 제어하여 도통각을 제어한다.

이와 같은 도 1의 마이크로 프로세서의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 속도 조절기(600)는 도 2에 도시된 제1 구간(210)에서 온(on) 신호가 들어온 직후에 PWM 듀티 제어기(620)로 초기 기동 전류를 공급하도록 제어한다.

그러면, PWN 듀티 제어기(620)는 스위칭 컨버터(40)에 제공하는 PWM 신호의 듀티비를 4% 이하가 되도록 하여(바람직하게는 4%) 저전류의 초기 기동 전류를 공급한다.

이처럼 PWM 듀티 제어기(620)가 스위칭 컨버터(40)에 초기 기동 전류를 공급하여 2상 SRM(50)의 어느 하나의 권선에 약간의 전원만을 흘려주면 SRM의 고정자와 회전자가 정해진 위치로 이동하여 구동 대기 상태가 된다.

만약 철심에 자화 성분이 남아있지 않다면, 전류의 방향은 토크의 극성과 무관해지며, 토크는 항상 가장 가까운 정렬위치로 가려는 방향으로 발생된다. 이때,도통각 제어기(640)는 도통각(드웰각, dwell angle)을 초기 설정 도통각으로 설정한다.

다음으로, 도 2의 제2 구간(220)에서 속도 조절기(600)는 PWM 제어기(620)로 듀티비를 증가시키도록 제어하고, 도통각 제어기(640)로 초기 설정 도통각에서 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 2상 SRM의 도통각이 변화시키도록 제어한다.

그러면, PWM 듀티 제어기(620)는 초기 구동을 위한 PWM 듀티비는 상승시키며, 이처럼 PWM 듀티비를 변화시키는 경우 2상 SRM에 흐르는 전류를 제어하여 2상 SRM의 부하 변동을 조절할 수 있다.

또한, 도통각 제어기(640)는 초기 설정 도통각에서 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 2상 SRM의 도통각이 변화시킨다.

바람직하게 속도 조절기(600)는 초기 설정 도통각에서 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에 PWM 듀티비가 증가를 시작할 수 있도록 한다.

다음으로, 속도 조절기(600)는 도 2의 제3 구간(230)에서 선행각 제어기(630)로 선행각을 증가시키도록 제어한다.

그러면, 선행각 제어기(630)는 도통각이 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에 일정 선행각에서 시작하여 일정 시간 동안 선행각을 증가시킨후에 일정 선행각을 유지하는 선행각 제어를 수행한다.

전술한 바와 같이 선행각이 변하는 경우, 턴 온 시점이 앞당겨져 전류 상승 시간이 달라지게 된다. 즉, 제3 구간(230)에서는 선행각을 변화시켜 SRM의 rpm(revolution per minute)을 조절할 수 있다.

이와 같이 속도 조절기(600)가 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에서 선행각 제어를 시작하면 턴 온 시점이 앞당겨져 전류 상승 시간이 증가하게 되며 그에 따라 전류 피크 발생을 방지할 수 있다.

다음으로, 속도 조절기(600)는 도 2의 제4 구간(240)에서 현재 속도가 목표 속도에 도달하였는바, PWM 듀티 제어기(620)를 제어하여 일정한 PWM 듀티를 유지하도록 한다.

한편, 부토크 발생 여부 판단기(610)는 2상 SRM에 부토크가 발생하였는지 여부에 대해 판단할 수 있다.

부토크 발생 여부 판단기(610)에서 판단 결과 부토크가 발생하지 않은 경우 목표 운전 상태가 되었다고 판단할 수 있고 2상 SRM을 설정된 도통각 및 선행각으로 구동시킬 수 있다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2상 SRM의 가속 방법을 나타낸 순서도이다.

도 7을 참조하면, 초기 구동을 수행한다(단계 S700).

단계 S700에서는 전술한 도 2의 제1 구간의 동작이 수행될 수 있다.

단계 S700에서는 SRM의 초기 구동을 수행하기 위해 SRM의 권선에 약간의 전원만을 흘려주어 SRM의 고정자와 회전자가 정해진 위치로 이동한 구동 대기 상태로 만들어 줄 수 있다. 초기 설정 도통각에서 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 SRM의 도통각이 변화하게 된다. 즉, 초기 모터 구동을 위해 PWM 듀티비, 선행각 및 도통각에 대한 제어를 수행하여 정상 구동 단계로 변화시킬 수 있다.

이를 위해 속도 조절기(600)는 온(on) 신호가 들어온 직후에 PWM 듀티 제어기(620)로 초기 기동 전류를 공급하도록 제어한다.

다음으로, 2상 SRM(50)을 정상 운전을 시작한다(단계 S710).

이를 위하여 PWM 듀티비를 상승시켜 2상 SRM(50)을 정상 속도로 구동시킬 수 있다. 2상 SRM(50)의 정상 구동 상태에서는 설정된 도통각 및 선행각으로 SRM을 동작시킬 수 있다.

이를 좀더 구체적으로 살펴보면, 속도 조절기(600)는 PWM 제어기(620)로 듀티비를 증가시키도록 제어하고, 도통각 제어기(640)로 초기 설정 도통각에서 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 SRM의 도통각이 변화시키도록 제어한다.

그러면, PWM 제어기(620)는 초기 구동을 위한 PWM 듀티비는 상승시키며, 이처럼 PWM 듀티비를 변화시키는 경우 2상 SRM에 흐르는 전류를 제어하여 2상 SRM의 부하 변동을 조절할 수 있다.

또한, 도통각 제어기(640)는 초기 설정 도통각에서 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 SRM의 도통각이 변화시킨다.

다음으로, 2상 SRM의 운전 제어 모드를 수행한다(단계 S720).

운전 제어 모드는 현재 속도와 목표 속도를 비교하여 현재 속도를 목표 속도로 제어하라는 명령이 시작되는 운행 모드를 지시한다.

본 발명의 실시예에 따른 2상 SRM의 운전 제어 모드는 목표 속도 도달 여부, 목표 속도를 도달한 경우, 부토크가 발생되었는지 여부 등을 판단하여 선행각과 도통각을 변화시킬 수 있다.

먼저, 마이크로 프로세서(60)의 속도 조절기(600)는 목표 속도에 도달하였는지 여부를 판단한다(단계 S730).

상기 속도 조절기(600)는 목표 속도에 도달하지 못한 경우, 선행각을 제어하여 2상 SRM을 목표 속도로 구동시킬 수 있다.

다음으로, 목표 속도가 획득된 경우 부토크 발생 여부 판단기(610)는 부토크가 발생하는지 여부를 판단한다(단계 S740).

한편, 판단 결과, 부토크 발생한 것으로 판단하여 선행각을 증가시키고 도통각을 감소시킬 수 있다(단계 S745). 예를 들어, 선행각 5도 증가시키고, 도통각 3도 감소시킬 수 있다.

이상 본 발명을 구제적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명이 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 즉, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 의하여 명확해질 것이다.

10 : 상용 전원 20 : 정류부
30 : 커패시터 40 : 스위칭 컨버터
50 : 2상 SRM 600 : 속도 조절기
610 : 부토크 발생 여부 판단기 620 : PWM 듀티 제어기
630 : 선행각 제어기 640 : 도통각 제어기

Claims

상용 전원을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 정류부;
상기 정류부에서 출력되는 직류 전압을 스위칭하여 교류화하여 2상 SRM을 구동하는 스위칭 컨버터; 및
상기 2상 SRM의 초기 가속시에 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 초기 설정 도통각을 정상 운전 상태의 도통각으로 변화시키고, 선행각 제어를 시작하는 마이크로 프로세서를 포함하며,
상기 마이크로 프로세서는 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 초기 설정 도통각이 정상 운전 상태의 도통각으로 변화되는 시점에 선행각 제어를 시작하는 모터 가속 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 마이크로 프로세서는 온(on) 신호가 들어오면 스위칭 컨버터를 제어하여 2상 SRM의 권선에 일정 시간 동안 저전류를 공급하는 모터 가속 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 마이크로 프로세서가 스위칭 컨버터에 듀티비가 4% 이하인 PWM 신호를 제공하여 2상 SRM의 권선에 일정 시간 동안 저전류가 공급되도록 하는 모터 가속 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 마이크로 프로세서는 초기 설정 도통각이 정상 운전 상태의 도통각으로 변화될 때에 스위칭 컨버터에 듀티비가 상승하는 PWM 신호를 공급하는 모터 가속 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 마이크로 프로세서는 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 도통각이 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에 일정 선행각에서 시작하여 일정 시간 동안 선행각을 증가시킨 후에 일정 선행각을 유지하는 선행각 제어를 수행하는 모터 가속 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 스위칭 컨버터는 2상 SRM의 2개의 상권선의 각각에 상하로 직렬 연결되어 있는 한 쌍의 상부 및 하부 스위치, 2개의 상권선의 각각의 양단에 전원측과 연결되어 있는 한 쌍의 다이오드를 포함하며,
상기 마이크로 프로세서는 한쌍의 상부 및 하부 스위치의 동시에 턴 온 되는 시점을 조정하여 선행각을 제어하고, 동시에 턴 온 되는 시간을 조정하여 도통각을 제어하는 모터 가속 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 마이크로 프로세서는
상기 스위칭 컨버터를 제어하여 선행각 제어를 수행하는 선행각 제어기;
상기 스위칭 컨버터를 제어하여 도통각 제어를 수행하는 도통각 제어기; 및
상기 2상 SRM의 초기 가속시에 상기 도통각 제어기를 제어하여 상기 스위칭 컨버터의 초기 설정 도통각을 정상 운전 상태의 도통각으로 변화시키고, 상기 선행각 제어기를 제어하여 상기 스위칭 컨버터의 선행각 제어를 시작하는 속도 조절기를 포함하는 모터 가속 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 마이크로 프로세서는 온(on) 신호가 들어오면 스위칭 컨버터에 듀티비가 4% 이하인 PWM 신호를 제공하고, 초기 설정 도통각이 정상 운전 상태의 도통각으로 변화될 때에 스위칭 컨버터에 듀티비가 상승하는 PWM 신호를 공급하는 PWM 듀티 제어기를 더 포함하는 모터 가속 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 2상 SRM에서 부토크가 발생하는지 여부를 판단하고 상기 2상 SRM에서 부토크가 발생하는 경우 상기 선행각 제어기를 제어하여 상기 선행각을 증가시키고 상기 도통각 제어기를 제어하여 상기 도통각을 감소시키는 부토크 발생 여부 판단기를 더 포함하는 모터 가속 장치.
(A) 마이크로 프로세서가 스위칭 컨버터를 제어하여 2상 SRM의 권선에 일정 시간 동안 저전류를 공급하여 상기 2상 SRM을 초기 구동시키는 단계; 및
(B) 상기 마이크로 프로세서가 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 초기 설정 도통각을 정상 운전 상태의 도통각으로 변화시키고, 선행각 제어를 시작하는 단계를 포함하며,
상기 (B) 단계에서 상기 마이크로 프로세서는 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 초기 설정 도통각이 정상 운전 상태의 도통각으로 변화되는 시점에 선행각 제어를 시작하는 모터 가속 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 (A) 단계는 상기 마이크로 프로세서가 온(on) 신호가 들어오면 스위칭 컨버터에 듀티비가 4% 이하인 PWM 신호를 제공하여 2상 SRM의 권선에 저전류가 공급되도록 하는 모터 가속 방법.
청구항 11에 있어서,
(C) 상기 마이크로 프로세서가 초기 설정 도통각이 정상 운전 상태의 도통각으로 변화될 때에 스위칭 컨버터에 듀티비가 상승하는 PWM 신호를 공급하는 단계를 더 포함하는 모터 가속 방법.
삭제
청구항 11에 있어서,
(D) 상기 마이크로 프로세서는 상기 스위칭 컨버터를 제어하여 도통각이 정상 운전 상태로 설정된 도통각으로 변화되는 시점에 일정 선행각에서 시작하여 일정 시간 동안 선행각을 증가시킨 후에 일정 선행각을 유지하는 선행각 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는 모터 가속 방법.
청구항 11에 있어서,
(E) 마이크로 프로세서는 상기 2상 SRM에서 부토크가 발생하는지 여부를 판단하는 단계; 및
(F) 마이크로 프로세서는 상기 2상 SRM에서 부토크가 발생하는 경우 상기 선행각을 증가시키고 상기 도통각을 감소시키는 단계를 포함하는 모터 가속 방법.