KR101652061B1 - 공조기용 모터 제어 장치 및 방법 - Google Patents

공조기용 모터 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 운전 초기에는 오픈 루프 제어 방식으로 구동하고, 회전자 속도 추정치가 센서리스 전환 속도에 도달하면, 센서리스 제어 방식으로 전환하고, 오픈 루프 제어 중에도 부하의 크기에 따라 인버터의 출력전류를 제어할 수 있으며, 회전자 속도 추정치가 소정 속도에 도달하고, 부하의 크기가 소정값에 도달하지 않은 것으로 판단되면 인버터의 출력전류를 감소시키도록 제어하는 공조기용 모터의 제어 장치 및 방법을 제공한다.
본원의 제1 발명에 따른 공조기용 모터 제어 장치는, 공조기용 모터의 속도를 제어하는 장치에 있어서, 상기 모터로 출력되는 전류를 검출하여 상기 모터의 속도를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 생성하는 모터 제어부; 및 상기 PWM 제어 신호에 제어되어 입력 전원을 상기 모터에 스위칭하는 PWM인버터를 포함하고, 상기 모터 제어부는, 상기 모터의 회전 속도가 센서리스 제어 전환 속도에 도달하기 전에는 오픈 루프 제어 방식으로 동작하고, 상기 모터의 회전 속도가 상기 센서리스 제어 전환 속도에 도달하면 센서리스 제어 방식으로 동작한다.

Description

공조기용 모터 제어 장치 및 방법{MOTOR CONTROL APPARATUS FOR COMPRESSOR AND ITS METHOD}
본 발명은 공조기용 모터 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공조기용 모터의 초기 기동 전류의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
공기조화기의 하나인 에어컨 등에는 공조기용 모터가 구비되어 있다. 여기에는 브러쉬레스 직류 모터(BLDC)나, 영구자석 동기모터(PMSM)가 사용되고, 이들 모터는 센서리스 제어 방식으로 제어된다.
도 1은 공개특허 2006-64357호에 제시된 공조기용 모터의 제어 흐름도로서, 모터 구동속도 제어부는 외부로부터 입력되는 지령속도를 초기의 기준속도로 설정하고, 설정된 기준속도로 모터를 구동 제어한다. 이와 같이 모터가 구동하면 전류/전압 검출기는 인버터의 출력단에서 각 상전압과 상전류를 검출한다. 구동속도 제어부는 전류/전압 검출신호를 입력받아 모터의 회전자 위치 및 속도를 추정하고, 추정된 회전자 위치 및 속도는 모터를 설정된 기준속도로 구동시키기 위해 이용된다.
그런데, 위와 같이 공조기의 압력 상태를 모르는 상태에서 지령속도를 초기의 기준속도로 설정하고, 설정된 기준속도로 모터를 구동한다는 것은 오픈 루프 상에서 기동 토크를 충분히 확보하기 위하여 큰 지령치 전류를 인가하여야 한다. 이로 인해 모터의 구동 초기에 공조기 내 압력이 약한 상태에서 큰 지령치 전류를 인가하는 것은 소비 전력의 낭비를 초래할 뿐 아니라, 불필요하게 큰 전류가 인가되므로 인하여 모터에 과다한 열이 발생하게 된다.
한국공개특허 2006-0064357호 모터 제어 방법 한국공개특허 2008-0094122호 센서리스 BLDC 모터의 제어 방법
본 발명은 운전 초기에는 오픈 루프 제어 방식으로 구동하고, 회전자 속도 추정치가 센서리스 전환 속도에 도달하면, 센서리스 제어 방식으로 전환하는 공조기용 모터의 제어 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 오픈 루프 제어 중에도 부하의 크기에 따라 인버터의 출력전류를 제어할 수 있는 공조기용 모터의 제어 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 회전자 속도 추정치가 소정 속도에 도달하고, 부하의 크기가 소정값에 도달하지 않은 것으로 판단되면 인버터의 출력전류를 감소시키도록 제어하는 공조기용 모터의 제어 장치 및 방법을 제공한다.
본원의 제1 발명에 따른 공조기용 모터 제어 장치는, 공조기용 모터의 속도를 제어하는 장치에 있어서, 상기 모터로 출력되는 전류를 검출하여 상기 모터의 속도를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 생성하는 모터 제어부; 및 상기 PWM 제어 신호에 제어되어 입력 전원을 상기 모터에 스위칭하는 PWM인버터를 포함하고, 상기 모터 제어부는, 상기 모터의 회전 속도가 센서리스 제어 전환 속도에 도달하기 전에는 오픈 루프 제어 방식으로 동작하고, 상기 모터의 회전 속도가 상기 센서리스 제어 전환 속도에 도달하면 센서리스 제어 방식으로 동작한다.
또한, 상기 모터 제어부는, 상기 모터의 회전 속도가 소정의 설정 속도에 도달하고, 상기 모터의 자속분 전류가 소정의 양의 값이면, 상기 모터로 출력되는 전류를 소정의 기울기로 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 모터 제어부는, 상기 모터의 회전 속도가 소정의 설정 속도에 도달하고, 상기 모터의 자속분 전류가 음의 값이면, 상기 모터로 출력되는 전류를 유지할 수 있다.
또한, 상기 모터 제어부는, 외부로부터 인가되는 회전자 속도 지령치(wr_cmd)와 회전자 속도 추정치(wr_est)를 이용하여 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 생성하는 속도 제어기(210); 상기 고정자 전류 지령치(Is_cmd)와 상기 회전자 속도 추정치(wr_est)를 이용하여 dq 전류 지령치(idq_cmd)를 생성하는 최대 토크 제어기(220); 상기 dq 전류 지령치(idq_cmd)와 dq 전류 실제치(idq)의 편차를 이용하여 dq 전압 지령치(vdq_cmd)를 생성하는 전류 제어기(230); 상기 dq 전압 지령치(vdq_cmd)를 이용하여 PWM 제어 신호를 생성하는 전압 제어기(240); 회전자 위치 추정치를 이용하여 상기 PWM 인버터(250)로부터 출력되는 3상 전류 실제치(iabc)를 dq 전류 실제치(idq)로 변환하는 3상/2상 변환기(260); 및 상기 dq 전류 실제치(idq)를 이용하여 상기 회전자 위치 추정치와 상기 회전자 속도 추정치(wr_est)를 생성하는 회전자 위치/속도 추정기(270)를 포함한다.
또한, 상기 속도 제어기는, 상기 센서리스 전환 속도에 도달하기 전에는 상기 회전자 속도 지령치(wr_cmd)에 대응하여 증가하는 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 출력하도록 저장된 테이블; 및 상기 센서리스 전환 속도에 도달하면, 상기 회전자 속도 지령치(wr_cmd)와 회전자 속도 추정치(wr_est)의 속도 편차를 비례 적분하여 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 출력하는 구성을 포함한다.
또한, 상기 소정의 양의 값은, 채터링을 막기 위한 소정의 불검출 영역이다.
또한, 본원의 제2 발명에 따른 공조기용 모터 제어 방법은, 외부로부터 구동명령을 인가받아, 모터의 초기각을 정렬하는 단계; 상기 모터로 출력되는 자속분 전류 실제치(id)가 소정의 구동 전류에 도달하기까지 오픈 루프 제어 방식으로 회전자 속도 지령치(wr_cmd)를 점차 증가시키는 단계; 상기 모터의 회전자 속도 추정치(wr_est)가 제1 속도에 도달하고, 상기 자속분 전류 실제치(id)의 부호를 판단하는 단계; 상기 자속분 전류 실제치(id)가 소정의 양의 값이면, 상기 모터의 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 소정의 기울기로 점차 감소시키는 단계; 및 상기 자속분 전류 실제치(id)가 음의 값이면, 상기 모터의 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 소정의 구동 전류로 유지하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 회전자 속도 추정치(wr_est)가 상기 제1 속도보다 더 높은 제2 속도에 도달하면 센서리스 구동 제어 방식으로 전환하여 상기 모터를 구동시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 운전 초기에는 오픈 루프 제어 방식으로 구동하고, 회전자 속도 추정치가 센서리스 전환 속도에 도달하면, 센서리스 제어 방식으로 전환할 수 있고, 오픈 루프 제어 중에도 부하의 크기에 따라 인버터의 출력전류를 제어할 수 있으며, 회전자 속도 추정치가 소정 속도에 도달하고, 부하의 크기가 소정값에 도달하지 않은 것으로 판단되면 인버터의 출력전류를 감소시키도록 제어하는 공조기용 모터의 제어 장치 및 방법을 제공한다.
도 1은 종래기술에 따른 공조기용 모터의 제어 흐름도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공조기용 모터 제어 장치 전체 블록도,
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 속도 제어기 블록도,
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 속도 제어기 블록도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공조기용 모터의 제어 흐름도,
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 무부하시 파형도, 및
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 부하시 파형도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공조기용 모터 제어 장치의 전체 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 공조기용 모터 제어 장치는 속도 제어기(210), 최대 토크 제어기(220), 전류 제어기(230), 전압 제어기(240), PWM 인버터(250), 3상/2상 변환기(260), 및 회전자 위치/속도 추정기(270)를 포함한다.
속도 제어기(210)는 회전자 속도 추정치(wr_est)와 외부로부터 인가되는 회전자 속도 지령치(wr_cmd)를 이용하여 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 생성한다.
최대 토크 제어기(220)는, 센서리스 제어 방식으로 운전할 때, 고정자 전류 지령치(Is_cmd)와 회전자 속도 추정치(wr_est)를 이용하여 모터가 최대 토크로 운전할 수 있는 dq 전류 지령치(idq_cmd)를 생성한다. 한편, 최대 토크 제어기(220)는, 오픈 루프 제어 방식으로 운전할 때, 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 이용하여 dq 전류 지령치(idq_cmd)를 생성한다.
전류 제어기(230)는 dq 전류 지령치(idq_cmd)와 dq 전류 실제치(idq)를 이용하여 dq 전압 지령치(vdq_cmd)를 생성한다.
전압 제어기(240)는 dq 전압 지령치(vdq_cmd)를 이용하여 PWM 제어 신호를 생성한다.
PWM 인버터(250)는 PWM 제어 신호에 제어되어 입력전원(미도시)을 스위칭하여 모터(PMSM)로 제공한다.
3상/2상 변환기(260)는 회전자 위치 추정치(
Figure 112015056658280-pat00001
)를 이용하여 PWM 인버터(250)로부터 출력되는 3상 전류 실제치(iabc)를 dq 전류 실제치(idq)로 변환한다.
회전자 위치/속도 추정기(270)는 dq 전류 실제치(idq)를 이용하여 회전자 위치 추정치(
Figure 112015056658280-pat00002
)와 회전자 속도 추정치(wr_est)를 생성한다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 속도 제어기 블록도이고, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 속도 제어기 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 속도 제어기(210)는 스위칭 제어기(310), 스위치(315), 속도 오차 발생기(320), 비례적분기(325), 및 소정의 테이블(330)을 포함한다.
스위칭 제어기(310)는 회전자 속도 추정치(wr_est)가 센서리스 제어 방식으로 전환되는 센서리스 전환 속도(w2)에 도달하기 전까지는 스위치(315)를 1번으로 연결하고, 회전자 속도 추정치(wr_est)가 센서리스 전환 속도(w2)에 도달하게 되면 스위치(315)를 2번으로 연결한다.
스위치(315)가 1번으로 연결되면, 저장된 테이블(330)에 따라 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 출력한다. 예컨대, 소정의 설정 속도(w1)에 이르기까지 점증하는 회전자 속도 지령치(wr_cmd)에 대응하여 증가하는 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 출력한다. 또한, 소정의 설정 속도(w1)를 넘어서고, 자속분 전류 실제치(id)가 양이면, 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 소정의 기울기로 점차 감소시켜 출력한다. 또한, 소정의 설정 속도(w1)를 넘어서고, 자속분 전류 실제치(id)가 음이면, 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 유지시켜 출력한다.
스위치(315)가 2번으로 연결되면, 속도 오차 발생기(320)는 회전자 속도 지령치(wr_cmd)와 회전자 속도 추정치(wr_est)의 속도 편차를 출력하고, 비례적분기(325)는 속도 편차를 비례 적분하여 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 출력한다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 속도 제어기 블록도로서, 도 3a의 구성과 대동소이하고, 다만, 스위치(315)가 후단에 설치되어 있다는 점이 상이하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공조기용 모터의 제어 흐름도이고, 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 무부하시 파형도이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 부하시 파형도이다.
외부로부터 구동명령이 인가되면(S410), 회전자 속도 지령치(wr_cmd)는 0으로, 자속분 전류 지령치(id_cmd)는 임의의 값으로 설정하여 모터의 초기각을 정렬한다(S420, t1).
회전자 속도 지령치(wr_cmd)를 점진적으로 증가시키면 모터 회전자가 회전하게 되고, 모터의 회전자 속도가 증가하게 되면 자속분 전류 실제치(id)가 증가한다. 한편, 모터의 회전자 속도가 너무 느리면 회전자 위치/속도 추정기(270)로부터 회전자 속도 추정치(wr_est)를 확보하기가 곤란하다. 따라서, 초기각 정렬 후에는 자속분 전류 실제치(id)가 소정의 구동 전류에 도달하기까지 오픈 루프 제어 방식으로 회전자 속도 지령치(wr_cmd)를 점차 증가시킨다(S430, t2). 여기서, 소정의 구동 전류는 예컨대, 오픈 루프 제어 방식에서 최대로 흐르는 최대 구동 전류일 수 있다.
이후, 회전자 위치/속도 추정기(270)로부터 출력되는 회전자 속도 추정치(wr_est)가 제1 속도(W1)에 도달하고, 3상/2상 변환기(260)로부터 출력되는 자속분 전류 실제치(id)가 양의 값인지(S440, 도 5a의 t3), 또는 회전자 위치/속도 추정기(270)로부터 출력되는 회전자 속도 추정치(wr_est)가 제1 속도(W1)에 도달하고, 3상/2상 변환기(260)로부터 출력되는 자속분 전류 실제치(id)가 음의 값인지를 판단한다(S450, 도 5b의 t3).
회전자 위치/속도 추정기(270)로부터 출력되는 회전자 속도 추정치(wr_est)가 소정의 제1 속도(W1)에 도달하고, 3상/2상 변환기(260)로부터 출력되는 자속분 전류 실제치(id)가 양의 값(x)이면(도 5a의 t3), 무부하 상태인 것으로 판단하고, 속도 제어기(210)는 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 소정의 기울기로 감소시킨다(S460, t4). 여기서, 자속분 전류 실제치(id)가 0보다 큰 양의 값(x)인지를 판단하는 이유는 소정의 불검출 영역을 두어 제어시 단계 S460과 S470을 반복하게 되는 채터링 문제를 극복하기 위함이다.
회전자 위치/속도 추정기(270)로부터 출력되는 회전자 속도 추정치(wr_est)가 소정의 제1 속도(W1)에 도달하고, 3상/2상 변환기(260)로부터 출력되는 자속분 전류 실제치(id)가 음의 값이면(도 5b의 t3), 부하 상태인 것으로 판단하고, 속도 제어기(210)는 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 소정의 구동 전류로 유지시킨다(S470, t4).
이후, 모터의 회전자 속도가 증가하여, 회전자 위치/속도 추정기(270)로부터 출력되는 회전자 속도 추정치(wr_est)가 소정의 제2 속도(w2)에 도달하게 되는지를 판단하고(S480), 회전자 속도 추정치(wr_est)가 소정의 제2 속도(w2)에 도달하게 되면, 센서리스 구동 제어 방식으로 전환하여(S490, t5) 모터를 구동시킨다. 여기서, 제2 속도(w2)는 제1 속도(w1)보다 상대적으로 더 높다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
210: 속도 제어기
220: 최대 토크 제어기
230: 전류 제어기
240: 전압 제어기
250: PWM 인버터
260: 3상/2상 변환기
270: 회전자 위치/속도 추정기

Claims (9)

  1. 공조기용 모터의 속도를 제어하는 장치에 있어서,
    상기 모터로 출력되는 전류를 검출하여 상기 모터의 속도를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 생성하는 모터 제어부; 및
    상기 PWM 제어 신호에 제어되어 입력 전원을 상기 모터에 스위칭하는 PWM인버터를 포함하고,
    상기 모터 제어부는,
    상기 모터의 회전 속도가 센서리스 제어 전환 속도에 도달하기 전에는 오픈 루프 제어 방식으로 동작하고, 상기 모터의 회전 속도가 상기 센서리스 제어 전환 속도에 도달하면 센서리스 제어 방식으로 동작하며,
    상기 모터의 회전 속도가 소정의 설정 속도에 도달하고, 상기 모터의 자속분 전류가 소정의 양의 값이면, 상기 모터로 출력되는 전류를 소정의 기울기로 감소시키는 공조기용 모터 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 모터 제어부는,
    상기 모터의 회전 속도가 소정의 설정 속도에 도달하고, 상기 모터의 자속분 전류가 음의 값이면, 상기 모터로 출력되는 전류를 유지하는 공조기용 모터 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모터 제어부는,
    외부로부터 인가되는 회전자 속도 지령치(wr_cmd)와 회전자 속도 추정치(wr_est)를 이용하여 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 생성하는 속도 제어기(210);
    상기 고정자 전류 지령치(Is_cmd)와 상기 회전자 속도 추정치(wr_est)를 이용하여 dq 전류 지령치(idq_cmd)를 생성하는 최대 토크 제어기(220);
    상기 dq 전류 지령치(idq_cmd)와 dq 전류 실제치(idq)의 편차를 이용하여 dq 전압 지령치(vdq_cmd)를 생성하는 전류 제어기(230);
    상기 dq 전압 지령치(vdq_cmd)를 이용하여 PWM 제어 신호를 생성하는 전압 제어기(240);
    회전자 위치 추정치를 이용하여 상기 PWM 인버터(250)로부터 출력되는 3상 전류 실제치(iabc)를 dq 전류 실제치(idq)로 변환하는 3상/2상 변환기(260); 및
    상기 dq 전류 실제치(idq)를 이용하여 상기 회전자 위치 추정치와 상기 회전자 속도 추정치(wr_est)를 생성하는 회전자 위치/속도 추정기(270)
    를 포함하는 공조기용 모터 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 속도 제어기는,
    상기 센서리스 전환 속도에 도달하기 전에는 상기 회전자 속도 지령치(wr_cmd)에 대응하여 증가하는 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 출력하도록 저장된 테이블; 및
    상기 센서리스 전환 속도에 도달하면, 상기 회전자 속도 지령치(wr_cmd)와 회전자 속도 추정치(wr_est)의 속도 편차를 비례 적분하여 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 출력하는 구성
    을 포함하는 공조기용 모터 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 양의 값은, 채터링을 막기 위한 소정의 불검출 영역인 공조기용 모터 제어 장치.
  7. 외부로부터 구동명령을 인가받아, 모터의 초기각을 정렬하는 단계;
    상기 모터로 출력되는 자속분 전류 실제치(id)가 소정의 구동 전류에 도달하기까지 오픈 루프 제어 방식으로 회전자 속도 지령치(wr_cmd)를 점차 증가시키는 단계;
    상기 모터의 회전자 속도 추정치(wr_est)가 제1 속도에 도달하고, 상기 자속분 전류 실제치(id)의 부호를 판단하는 단계;
    상기 자속분 전류 실제치(id)가 소정의 양의 값이면, 상기 모터의 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 소정의 기울기로 점차 감소시키는 단계; 및
    상기 자속분 전류 실제치(id)가 음의 값이면, 상기 모터의 고정자 전류 지령치(Is_cmd)를 소정의 구동 전류로 유지하는 단계
    를 포함하는 공조기용 모터 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 회전자 속도 추정치(wr_est)가 상기 제1 속도보다 더 높은 제2 속도에 도달하면 센서리스 구동 제어 방식으로 전환하여 상기 모터를 구동시키는 단계
    를 더 포함하는 공조기용 모터 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 소정의 양의 값은, 채터링을 막기 위한 소정의 불검출 영역인 공조기용 모터 제어 방법.
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