KR101823450B1 - 표면 청소 기구 - Google Patents

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제임스 더글라스 치스홀름
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다이슨 테크놀러지 리미티드
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Abstract

표면 청소 기구는, 교반기 및 교반기를 구동시키기 위한 모터를 포함하는 청소기 헤드를 포함한다. 표면 청소 기구는 상기 모터를 공급 전압에 연결하는 스위치, 공급 전압의 크기를 측정하기 위한 전압 센서, 모터에 흐르는 전류의 크기를 측정하기 위한 전류 센서, 및 스위치를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하는 제어기를 더 포함한다. 제어기는 공급 전압의 변화 및 상기 모터에 흐르는 전류의 변화에 대응하여 상기 PWM 신호의 듀티 사이클을 조정한다.

Description

표면 청소 기구{SURFACE CLEANING APPLIANCE}
본 발명은 표면 청소 기구에 관한 것이다.
진공 청소기와 같은 표면 청소 기구는 모터로 구동되는 교반기를 포함하는 청소기 헤드를 포함할 수 있다. 모터에 전력을 공급하는 데에 사용되는 공급 전압의 변화는 모터의 성능에 영향을 주기 쉽다. 그 결과, 청소 기구의 청소 성능이 일정하지 않을 수 있다.
본 발명은 표면 청소 기구를 제공하는 바, 이 청소 기구는, 교반기 및 교반기를 구동시키기 위한 모터를 포함하는 청소기 헤드; 상기 모터를 공급 전압에 연결하는 스위치; 상기 공급 전압의 크기를 측정하기 위한 전압 센서; 상기 모터에 흐르는 전류의 크기를 측정하기 위한 전류 센서; 및 상기 스위치를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 공급 전압의 변화 및 상기 모터에 흐르는 전류의 변화에 대응하여 상기 PWM 신호의 듀티 사이클을 조정한다.
공급 전압 및 모터 전류의 변화에 대응하여 PWM 신호의 듀티 사이클을 변화시킴으로써, 모터에 대해 더욱 일정한 성능이 얻어질 수 있다. 주어진 부하에 대해, 모터의 속도는 모터에 대한 입력 전압에 비례할 수 있다. 따라서, 공급 전압의 변화에 대응하여 PWM 신호의 듀티 사이클을 조정하여, 모터의 속도에 대한 더 양호한 제어를 이룰 수 있다. 특히, 제어기는, 주어진 부하에 대해 모터의 속도가 다른 공급 전압의 범위에 걸쳐 일정하도록 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 옴 손실 때문에, 모터와 직렬로 연결되어 있는 전기 부품에서 전압 강하가 있게 된다. 이 전압 강하는 모터 전류의 크기에 비례하고, 모터 전류는 모터에 대한 부하가 변함에 따라 변하게 된다. 따라서, 모터에 대한 입력 전압은 부하의 변화에 민감하다 모터 전류의 변화에 대응하여 PWM 신호의 듀티 사이클을 조정함으로써, 다른 부하에서 작동할 때 모터 속도에 대한 더 양호한 제어를 이룰 수 있다. 특히, 다른 공급 전압의 범위에 걸쳐 동일한 토크-속도 곡선이 유지되도록 제어기는 공급 전압의 변화 및 모터 전류의 변화에 대응하여 듀티 사이클을 조정할 수 있다.
상기 제어기는 다른 공급 전압의 범위 및 다른 모터 전류의 범위에 걸쳐 모터에 대한 일정한 입력 전압을 유지하도록 상기 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 그 결과, 모터의 성능이 공급 전압의 변화에 영향을 받지 않게 된다.
주어진 듀티 사이클에 대해, 모터에 대한 입력 전압은 공급 전압이 감소함에 따라 감소하게 된다. 따라서, 제어기는 공급 전압의 감소에 대응하여 상기 듀티 사이클을 증가시킬 수 있다. 모터에 흐르는 전류가 증가함에 따라, 모터와 직렬로 연결되어 있는 그들 부품에서의 전압 강하가 증가하고 그래서 모터에 대한 입력 전압이 감소하게 된다. 이에 따라, 제어기는 모터 전류의 증가에 대응하여 상기 듀티 사이클을 증가시킬 수 있다.
스위치가 닫히면, 직렬 연결된 부품에서의 전압 강하는 모터 전류에 비례한다. 그러나, 스위치가 개방되면, 직렬 연결된 부품에서의 전압 강하는 제로이다 전압 강하는 PWM 신호의 각 사이클에 대해 평균될 때 전류와 PWM 신호의 듀티 사이클에 의존하고, 그리고 이는 공급 전압에 의존하다. 따라서, 전류의 변화에 대응하여 듀티 사이클을 조정할 때, 제어기는 모터 전류의 변화 뿐만 아니라 공급 전압의 크기에도 의존하는 양으로 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 즉, 모터 전류의 주어진 변화에 대응하여, 상기 제어기는 공급 전압의 크기에 의존하는 양으로 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어기는 더 낮은 공급 전압에 대응하여 더 큰 양으로 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 그 결과, 다른 공급 전압에서 작동할 때 모터의 토크-속도 곡선의 차이가 감소될 수 있다. 특히, 모터에 대한 입력 전압을 일정하게 함으로써, 다른 공급 전압에서 동일한 토크-속도 곡선이 얻어질 수 있다.
상기 제어기는 전압 룩업 테이블과 전류 룩업 테이블을 저장하고, 제어기는 제 1 값을 선택하기 위해 측정된 공급 전압을 사용하여 전압 룩업 테이블을 인덱싱하고, 상기 제어기는 제 2 값을 선택하기 위해 측정된 모터 전류를 사용하여 전류 룩업 테이블을 인덱싱한다. 상기 듀티 사이클은 상기 제 1 값과 제 2 값의 합으로정의된다. 이리하여, 공급 전압과 모터 전류 모두에 의존하는 듀티 사이클이 비교적 간단한 방식으로 얻어질 수 있는 이점이 얻어진다. 특히, 잠재적으로 복잡한 방정식을 풀 필요가 없다. 그 결과, 비교적 간단하고 그래서 저렴한 제어기를 사용할 수 있다.
위에서 언급한 이유로, 모터 전류의 변화에 대응하여 듀티 사이클을 조정할 때, 공급 전압에도 의존하는 양으로 듀티 사이클을 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 전류 룩업 테이블은 다른 모터 전류 및 다른 공급 전압에 대해 다른 값을 저장할 수 있다. 그래서, 상기 제어기는 제 2 값을 선택하기 위해 측정된 모터 전류 및 측정된 공급 전압을 사용하여 전류 룩업 테이블을 인덱싱할 수 있다. 전압 룩업 테이블과 전류 룩업 테이블을 저장하는 대신에, 제어기는 단일의 더 큰 2차원 룩업 테이블을 저장할 수도 있다. 그러나, 2개의 룩업 테이블을 저장하는 것과 관련한 이점은, 전압 룩업 테이블과 전류 룩업 테이블에 대해 다른 전압 해상도가 사용될 수 있다는 것이다. 특히, 전압 룩업 테이블에 대해 더 미세한 전압 해상도를 사용할 수 있고, 전류 룩업 테이블에 대해서는 더 거친 전압 해상도를 사용할 수 있다. 결과적으로, 더 작은 룩업 테이블의 사용을 통해 입력 전압에 대한 비교적 양호한 제어를 이룰 수 있고, 그래서 제어기에 대한 메모리 요건이 감소된다.
모터가 정지되어 있을 때, PWM 신호의 듀티 사이클이 비교적 높은 경우 비교적 높은 돌입(inrush) 전류가 모터에 흐르게 될 것이다. 따라서, 상기 제어기는 모터가 정치식일 때 미리 정해진 듀티 사이클을 사용할 수 있다. 상기 제어기는 듀티 사이클이 목표 듀티 사이클 이상으로 될 때까지 듀티 사이클을 고정된 양 만큼 주기적으로 증가시키며, 목표 듀티 사이클은 측정된 공급 전압 및 측정된 모터 전류를 사용하여 결정된다.
상기 청소 기구는 공급 전압을 제공하는 배터리 팩을 포함할 수 있다. 배터리 팩이 방전됨에 따라 공급 전압은 자연적으로 감소하게 된다. 그래서 제어기는 배터리 팩이 방전되어도 모터의 성능이 비교적 일정하도록 PWM 신호의 듀티 사이클을 조정하게 된다.
본 발명을 더 잘 이해할 수 있도록, 이제 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 예시적으로 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 진공 청소기의 축측도로, 진공 청소기의 본체가 제 1 청소기 헤드에 부착되어 있다.
도 2 는 진공 청소기의 다른 축측도로, 본체가 제 2 청소기 헤드에 부착되어 있다.
도 3 은 진공 청소기의 분해도이다.
도 4 는 제 1 청소기 헤드의 분해도이다.
도 5 는 제 2 청소기 헤드의 분해도이다.
도 6 은 진공 청소기의 흡입원의 분해도이다.
도 7 은 진공 청소기의 회로 어셈블리의 블럭도이다.
도 8 은 회로 어셈블리의 개략도이다.
도 9 는 회로 어셈블리의 제어기에 의해 발생된 제어 신호에 응한 인버터의 허용 상태를 나타낸다
도 10 은 가속 모드에서 작동할 때 흡입원의 브러시레스 모터에 관한 다양한 파형을 도시한다.
도 11 은 정상 상태 모드에서 작동할 때 흡입원의 브러시레스 모터에 관한 다양한 파형을 도시한다.
도 12 는 청소기 헤드의 브러시형 모터를 제어할 때 회로 어셈블리의 제어기에 의해 사용되는 전압 룩업 테이블의 일 부분을 나타낸다.
도 13 은 청소기 헤드의 브러시형 모터를 제어할 때 회로 어셈블리의 제어기에 의해 사용되는 전류 룩업 테이블의 일 부분을 나타낸다.
도 1 내지 6 의 진공 청소기(1)는 본체(2)를 포함하며, 이 본체에는 청소기 헤드(3)가 기다란 관(4)에 의해 연결되어 있다. 본체(2)는 오물 분리기(6), 흡입원(7), 회로 어셈블리(8) 및 배터리 팩(9)을 포함한다. 사용 중에, 오물이 실린 공기는 청소기 헤드(3)를 통해 흡인되어 관(4)을 통해 오물 분리기에 전달된다. 그런 다음 오물은 공기로부터 분리되어 오물 분리기(6) 안에 유지된다. 정화된 공기는 흡입원(7)을 통해 흡인되어 청소기(1)에서 배출된다.
청소기 헤드(3) 및 관(4)은 본체(2)에서 분리가능하다. 더욱이, 진공 청소기(1)는 본체(2)에 직접 부착될 수 있는 제 2 청소기 헤드(5)를 포함한다. 결과적으로, 진공 청소기(1)는 직립형 또는 스틱형 청소기(즉, 도 1 에 나타나 있는 바와 같이 제 1 청소기 헤드(3) 및 본체(2)에 부착되는 관(4)을 가짐) 도는 휴대용 청소기(즉, 도 2 에 나타나 있는 바와 같이 본체(2)에 직접 부착되는 제 2 청소기 헤드(5)를 가짐)로서 사용될 수 있다. 도 3 및 4 에 도시되어 있는 바와 같이, 두 청소기 헤드(3, 5) 각각은 교반기(10, 12) 및 이 교반기(10, 12)를 구동시키기 위한 브러시형 모터(11, 13)를 포함한다. 관(4)은 이 관(4)의 길이를 따라 뻗어 있는 와이어(미도시)를 포함하는데, 이 와이어는 본체(2)로부터 전력을 제 1 청소기 헤드(3)에 전달하기 위한 것이다.
흡입원(7)은 임펠러(14) 및 이 임펠러(14)를 구동시키기 위한 브러시리스 모터(15)를 포함한다. 브러시리스 모터(15)는 4-극 고정자(17)에 대해 회전하는 4-극 영구자석 회전자(16)를 포함한다. 고정자(17) 주위의 와이어는 함께 연결되어 단상(single phase) 권선(18)을 형성한다.
이제 도 7 및 8 을 참조하면, 회로 어셈블리(8)는 진공 청소기(1)의 작동을 제어하도록 되어 있는데, 사용자 조작 스위치(20), 제 1 구동 회로(21), 제 2 구동 회로(22), 전압 센서(23) 및 제어기(24)를 포함한다.
사용자 조작 스위치(20)(도 8 에서 SW1) 및 배터리 픽(9)은 두 구동 회로(21, 22)에 전력을 공급하는 역할을 하는 두 전압 레일(25, 26) 사이에 직결로 연결되어 있다. 그래서 스위치(20)는 진공 청소기(1)에 대한 전력을 온/오프하는데 사용된다.
제 1 구동 회로(21)는 흡입원(7)의 브러시리스 모터(15)를 구동시키도록 되어 있는데, 필터(30), 인버터(31), 게이트 구동기 모듈(32), 제 1 전류 센서(33), 및 위치 센서(34)를 포함한다. 필터(30)는 인버터(31)의 스위칭으로 인해 생기는 비교적 고주파수의 리플(ripple)을 평탄화하는 링크 캐패시터(C1)를 포함한다. 인버터(31)는 상(phase) 권선(18)을 전압 레일(25, 26)에 연결하는 네 전원 스위치(Q1 ∼ Q4)의 전(full) 브리지를 포함한다. 게이트 구동기 모듈(32)은 제어기(24)로부터 수신한 제어 신호에 응답하여 전원 스위치(Q1 ∼ Q4)의 개폐를 구동하게 된다. 전류 센서(33)는 인버터(31)와 제로 전압 레일(26) 사이에 위치되는 션트(shunt) 저항(R1)을 포함한다. 그러므로 전류 센서(33)에 대한 전압은 상기 상 권선(18)에서의 전류에 대한 척도를 제공한다. 전류 센서(33)에 대한 전압은 신호(I-BRUSHLESS)로서 제어기(24)에 출력된다. 위치 센서(34)는 고정자(17)의 슬롯 개구에 위치되는 홀 효과 센서를 포함한다. 센서(34)는 디지털 신호(HALL)를 출력하는데, 이 신호는 센서(34)를 통과하는 자속의 방향에 따라 논리적으로 높거나 낮다. 그러므로 HALL 신호는 회전자(16)의 각위치에 대한 척도를 제공한다.
제 2 구동 회로(22)는 청소기 헤드(3, 5)의 브러시형 모터(11, 13)를 구동하도록 되어 있고, 스위치(40), 구동기(41), 제 2 전류 센서(42), 및 초크(choke) 회로(43)를 포함한다. 초크 회로(43), 스위치(40) 및 전류 센서(42)는 두 전압 레일(25, 26) 사이에 직렬로 배치된다. 스위치(40)는 전원 스위치(Q5)의 형태이고, 이 전원 스위치는 제어기(24)로부터 수신한 제어 신호(S5)에 대응하여 구동기(41)에 의해 구동되어 개폐된다. 제 2 전류 센서(42)는 전원 스위치(Q5)와 제로 전압 레일(26) 사이에 위치되는 션트 저항(R2)을 포함한다. 션트(R2)에 대한 전압은 브러시형 모터(11)의 전류에 대한 척도를 제공하고, 신호(I-BRUSHED)로서 제어기에 출력된다. 초크 회로(43)는 공통 모드 초크(L1) 및 초크(L1)와 병렬로 배치되는 다이오드(D1)를 포함한다. 초크(L1)의 출력부는 브러시형 모터(11)의 단자에 연결된다. 초크(L1) 및 다이오드(D1)에 의해 제공되는 루프에 의해, 전원 스위치(Q5)가 개방되어 있을 때 브러시형 모터(11) 내의 전류가 자유롭게 흐를 수 있다.
전압 센서(23)는 두 전압 레일(25, 26) 사이에 위치되는 전위 분할기(R3, R4)를 포함한다. 이 전압 센서는 배터리 팩(9)에 의해 제공되는 DC 전압의 스케일 다운 척도를 나타내는 신호(V-DC)를 제어기(24)에 출력한다.
제어기(24)는 프로세서, 메모리 장치 및 복수의 주변 장치(예컨대, ADC, 비교기, 타이머 등)를 갖는 마이크로제어기를 포함한다. 메모리 장치는 프로세서에 의해 실행될 지령 그리고 제어 파라미터 및 작동 중에 프로세서에 의해 사용되는 룩업 테이블을 저장한다. 제어기(24)는 두 모터(11, 15)의 작동을 제어하도록 되어 있다. 이를 위해, 제어기(24)는 제 1 구동 회로(21)의 전원 스위치(Q1 ∼ Q4)를 제어하기 위한 4개의 제어 신호(S1 ∼ S4), 및 제 2 구동 회로(22)의 전원 스위치(Q5)를 제어하기 위한 다른 제어 신호(S5)를 출력한다. 제어 신호(S1 ∼ S4)는 제 1 구동 회로(21)의 게이트 구동기 모듈(32)에 출력되며 제어 신호(S5)는 제 2 구동 회로(22)의 구동기(41)에 출력된다.
브러시리스 모터의 제어
도 9 는 제어기(24)에 의해 출력되는 제어 신호(S1 ∼ S4)에 응하는 스위치(Q1 ∼ Q4)의 허용 상태를 요약한 것이다. 이하, 신호가 논리적으로 각각 높게 되고 또한 낮게 된 것을 나타내기 위해 "설정" 및 "클리어" 라는 용어를 사용할 것이다. 도 9 에서 알 수 있는 바와 같이, 제어기(24)는 상 권선(18)을 좌측에서 우측으로 여자(exciting)시키기 위해 S1 및 S4를 설정하고 S2 및 S3를 클리어한다. 반대로, 제어기(24)는 상 권선(18)을 우측에서 좌측으로 여자시키기 위해 S2 및 S3을 설정하고 S1 및 S4를 클리어한다. 제어기(24)는 상 권선(18)을 프리휠링시키기 위해 S1 및 S3을 클리어하고 S2 및 S4를 설정한다. 프리휠링에 의해, 상 권선(18)의 전류가 인버터(31)의 저측 루프 주위를 재순환할 수 있다. 본 실시 형태에서, 전원 스위치(Q1 ∼ Q4)는 양 방향으로 전도가능하다. 따라서, 제어기(24)는 프리휠 중에 저측 스위치(Q2, Q4) 둘 다를 폐쇄하여, 전류가 덜 효율적인 다이오드가 아닌 스위치(Q2, Q4)를 통해 흐르게 된다. 인버터(31)는 단일 방향으로만 전도하는 전원 스위치를 포함할 수 있다. 이 경우, 제어기(24)는 상 권선(18)을 좌측에서 우측으로 프리휠링시키기 위해 S1, S2 및 S3을 클리어하고 S4를 설정한다. 그런 다음, 제어기(24)는 상 권선(18)을 우측에서 좌측으로 프리휠시키기 위해 S1, S3 및 S4를 클리어하고 S2를 설정한다. 그래서, 인버터(31)의 저측 루프에서의 전류는 폐쇄된 저측 스위치(예컨대, Q4)를 통해 아래로 흐르고 개방된 저측 스위치(예컨대, Q2)의 다이오드를 통해서는 위로 흐르게 된다.
제어기(24)는 회전자(16)의 속도에 따라 두 모드 중의 하나로 작동된다. 미리 정해진 문턱값 아래의 속도에서, 제어기(24)는 가속 모드로 작동한다. 문턱값 이상의 속도에서는 제어기(24)는 정상 상태 모드로 작동한다. 회전자(16)의 속도는 HALL 신호의 두 연속된 에지 사이의 간격(T-HALL)으로부터 결정된다. 이하 이 간격을 HALL 기간이라고 한다.
각각의 모드에서 제어기(24)는 HALL 신호의 에지에 따라 상 권선(18)을 커뮤테이션(commutating)시킨다. 각각의 HALL 에지는 회전자(16)의 극성의 변화에 대응하고, 그래서 상 권선(18)에서 유도된 역기전력의 극성의 변화에 대응하게 된다. 보다 구체적으로, 각각의 HALL 에지는 역기전력에서 제로 크로싱에 대응한다. 커뮤테이션은 상 권선(18)에 흐르는 전류의 방향을 반대로 하는 것을 포함한다. 따라서, 전류가 좌측에서 우측으로 상 권선(18)에 흐르고 있으면, 커뮤테이션은 우측에서 좌측으로 권선을 나가는 것을 포함한다.
가속 모드
가속 모드에서 작동할 때, 제어기(24)는 HALL 신호의 에지와 동기적으로 상 권선(18)을 커뮤테이션시키다. 각각의 전기적 반 사이클에 대해, 제어기(24)는 상 권선(18)을 차례 대로 여자시키고 프리휠링시킨다. 보다 구체적으로, 제어기(24)는 상 권선(18)을 여자시키고, 전류 신호(I-BRUSHLESS)를 모니터링하고, 또한 상 권선(18)의 전류가 미리 정해진 한계를 초과하면 그 상 권선(18)을 프리휠시킨다. 프리휠링은, 상 권선(18)에서의 전류가 전류 한계 보다 낮은 레벨로 떨어지는 미리 정해진 프리휠 기간 동안 계속된다. 프리휠 기간의 끝에서, 제어기(24)는 상 권선(18)을 다시 여자시킨다. 상 권선(18)을 여자시키고 프리휠하는 이러한 과정은 전기적 반 사이클의 전 길이에 걸쳐 계속된다. 그러므로 제어기(24)는 각각의 전기적 반 사이클 중에 여러 번 여자로부터 프리휠링으로 전환한다.
도 10 은 가속 모드에서 작동 중일 때 두개의 HALL 기간에 대한 HALL 신호, 백 ENF, 상 전류, 상 전압, 및 제어 신호(S1 ∼ S4) 의 파형을 도시한다.
비교적 낮은 속도에서, 상 권선(18)에서 유도된 역기전력의 크기는 비교적 작다. 상 권선(18)의 전류는 여자 중에 비교적 빨리 상승하게 되고, 프리휠링 중에는 비교적 느리게 하강하게 된다. 추가로, 각 HALL 기간의 길이 및 각 전기적 반 사이클의 길이는 비교적 길다. 따라서, 제어기(24)가 여자로부터 프리휠링으로 전환하는 빈도는 비교적 높다. 그러나, 회전자 속도가 증가함에 따라, 역기전력의 크기 및 전류는 여자 중에 더 느린 속도로 상승하고 프리휠링 중에는 더 빠른 속도로 하강하게 된다. 추가로, 각 전기적 반 사이클의 길이는 감소한다. 결과적으로, 전환의 빈도가 감소한다.
정상 상태 모드
정상 상태에서 작동할 때, 제어기(24)는 각각의 HALL 에지에 대한 커뮤테이션을 앞당기고 동기화시키거나 지연시킬 수 있다. 특정한 HALL 에지에 대해 상 권선(18)을 커뮤테이션시키기 위해, 제어기(24)는 이전 HALL 에지에 대응하여 작용한다. 이전 HALL 에지에 대응하여, 제어기(24)는 커뮤테이션 기간(T-COM)을 얻기 위해 HALL 기간(T-HALL)으로부터 상 기간(T-PHASE)을 뺀다.
T-COM = T-HALL - T-PHASE
제어기(24)는 이전 HALL 에지 후에 시간(T-COM)에서 상 권선(18)을 커뮤테이션시킨다. 결과적으로, 제어기(24)는 상 기간(T-PHASE)에 의해 다른 HALL 에지에 대해 상 권선(18)을 커뮤테이션시킨다. 상 기간이 양이면, 커뮤테이션은 HALL 에지 앞에서 일어난다(앞선 커뮤테이션). 상 기간이 제로이면, 커뮤테이션은 HALL 에지에서 일어난다(동기적인 커뮤테이션). 상 기간이 음이면, 커뮤테이션은 HALL 에지 뒤에서 일어난다(지연된 커뮤테이션).
앞선 커뮤테이션은 더 높은 회전자 속도에서 사용되고, 지연된 커뮤테이션은 더 낮은 회전자 속도에서 사용된다. 회전자(16)의 속도가 증가함에 따라, HALL 기간은 감소하고 그래서 상 인덕턴스와 관련된 시상수(L/R)의 중요성이 커지게 된다. 추가로, 상 권선(18)에서 유도된 역기전력은 증가하고, 이는 상 전류가 증가하는 속도에 영향을 주게 된다. 그러므로, 상 권선(18)에 대한 전류 및 파워를 구동시키는 것이 점점 더 어려워지게 된다. 역기전력에서 HALL 에지에 앞서 그리고 제로 크로싱에 앞서 상 권선(18)을 커뮤테이션시킴으로써, 공급 전압이 그 역기전력에 의해 증대된다. 결과적으로, 상 권선(18)을 통과하는 전류의 방향이 더욱 빨리 반대로 된다. 추가로, 상 전류는 역기전력을 안내하고, 이는 더 느린 전류 상승 속도를 보상하는 데에 도움을 준다. 이는 짧은 음의 토크 기간을 발생시키지만, 이는 양의 토크에서 다음 이득에 의해 일반적으로 더 많이 보상된다. 더 느린 속도에서 작동할 때, 요구되는 전류를 상 권선(18) 안으로 구동시키기 위해 커뮤테이션을 앞 당길 필요는 없다. 더욱이 최적의 효율이 일반적으로 커뮤테이션을 지연시켜 얻어진다.
정상 상태 모드에서 작동할 때, 제어기(24)는 각각의 전기적 반 사이클을 전도 기간과 그 다음의 프리휠 기간으로 분할한다. 제어기(24)는 전도 기간 중에 상 권선(18)을 여자시키고 프리휠 기간 중에는 상 권선(18)을 프리휠시킨다. 정상 상태 모드에서 작동할 때, 상 전류는 여자 중에 전류 한계를 초과하지 않을 것으로 예상된다. 따라서, 제어기(24)는 각각의 전기적 반 사이클 중에는 단지 한번만 여자로부터 프리휠링으로 전환된다.
제어기(24)는 전도 기간(T-CD) 중에 상 권선(18)을 여자시킨다. 전도 기간의 끝에서, 제어기(24)는 상 권선(18)을 프리휠링시킨다. 그리고 프리휠링은 제어기(24)가 상 권선(18)을 커뮤테이션시킬 때까지 막연하게 계속된다. 그러므로 제어기(24)는 2개의 파라미터, 즉 상 기간(T-PHASE) 및 전도 기간(T-CD)을 사용하여 상 권선(18)의 여자를 제어한다. 상 기간은 여자의 상(즉, 상 권선(18)이 역기전력에서 제로 크로싱에 대해 여자되는 전기적 기간 또는 각도)를 규정하고, 전도 기간은 여자의 길이(즉, 상 권선(18)이 여자되는 전기적 기간 또는 각도)를 규정한다.
도 11 은 정상 상태 모드에서 작동 중일 때 두개의 HALL 기간에 대한 HALL 신호, 역기전력, 상 전류, 상 전압, 및 제어 신호(S1 ∼ S4) 의 파형을 도시한다. 도 11 에서 상 권선(18)은 HALL 에지와 동기적으로 커뮤테이션된다.
공급 전압의 크기는 전도 기간 중에 상 권선(18)에 들어가는 전류의 양에 영향을 준다. 모터(15)의 입출력 파워는 공급 전압의 변화에 민감하게 된다. 공급 전압에 추가로, 모터(15)의 전력은 회전자(16) 속도의 변화에 민감하다. 회전자(16)의 속도가 변함에 따라(예컨대, 부하의 변화에 대응하여), 역기전력의 크기도 변하게 된다. 따라서, 전도 기간 중에 상 권선(18)에 들어가는 전류의 양은 변할 수 있다. 그러므로 제어기(24)는 공급 전압 크기의 변화에 대응하여 상 기간과 전도 기간을 변화시킨다. 제어기(24)는 또한 회전자(16) 속도의 변화에 응답하여 상 기간을 변화시킨다.
제어기(24)는 복수의 상이한 공급 전압에 대해 상 기간(T-PHASE) 및 전도 기간(T-CD)을 포함하는 전압 룩업 테이블을 저장한다. 제어기(24)는 복수의 상이한 회전자 속도 및 복수의 상이한 공급 전압에 대해 속도 보상값을 포함하는 속도 룩업 테이블을 저장한다 룩업 테이블은 각각의 전압 및 속도 점에서 특정의 입력 파워 및 출력 파워를 달성하는 값을 저장한다. 본 실시 형태에서, 룩업 테이블은 일정한 출력 파워를 달성하는 값을 저장한다.
제어기(24)는 상 기간과 전도 기간을 선택하기 위해 공급 전압을 사용하여 전압 룩업 테이블을 인덱싱한다. 제어기(24)는 속도 보상 값을 선택하기 위해 회전자 속도와 공급 전압을 사용하여 속도 룩업 테이블을 인덱싱한다. 전압 센서(23)에 의해 출력된 V-DC 신호는 공급 전압에 대한 척도를 제공하고, HALL 기간의 길이는 회전자 속도에 대한 척도를 제공한다. 제어기(24)는 선택된 속도 보상값을 선택된 상 기간에 더하여, 속도 보상된 상 기간을 얻는다. 커뮤테이션 기간(T-COM)은 HALL 기간(T-HALL)에서 상기 속도 보상된 상 기간을 빼어 얻어진다.
속도 룩업 테이블은 회전자(16)의 속도 뿐만 아니라 공급 전압의 크기에도 의존하는 속도 보상값을 저장한다. 그 이유는, 공급 전압이 감소함에 따라 특정한 속도 보상 값이 모터(15)의 전력에 대한 더 작은 정미 영향을 주기 때문이다. 회전자의 속도 뿐만 아니라 공급 전압에도 의존하는 속도 보상값을 저장함으로써, 모터(15)의 출력 파워에 대한 더 양호한 제어가 회전자 속도의 변화에 따라 이루어질 수 있다.
2개의 룩업 테이블은 상 기간(T-PHASE)을 결정하는 데에 사용된다. 제 1 룩업 테이블(즉, 전압 룩업 테이블)은 공급 전압을 사용하여 인텍싱된다. 제 2 룩업 테이블(즉, 속도 룩업 테이블)은 회전자 속도 및 공급 전압 둘 다를 사용하여 인덱싱된다. 제 2 룩업 테이블은 회전자 속도 및 공급 전압 둘 다를 사용하여 인덱싱되므로, 두 룩업 테이블이 필요할 거라고 의문을 가질 수 있다. 그러나, 두 룩업 테이블을 사용하는 이점은, 다른 전압 해상도가 사용될 수 있다는 것이다. 모터(15)의 출력 파워는 공급 전압의 크기에 비교적 민감하다. 이와는 대조적으로,속도 보상 값이 출력 파워에 주는 영향은 공급 전압에 덜 민감하다. 따라서, 두 룩업 테이블을 사용함으로써, 전압 룩업 테이블에 대해 더 미세한 전압 해상도를 사용할 수 있고, 속도 룩업 테이블에 대해서는 더 거친 전압 해상도를 사용할 수 있다. 결과적으로, 더 작은 룩업 테이블의 사용을 통해 모터(15)의 출력 파워에 대한 비교적 양호한 제어를 이룰 수 있고, 그래서 제어기(24)에 대한 메모리 요건이 감소된다.
브러시형 모터의 제어
제어기(24)의 주변 장치는 PWM 모듈을 포함하는데, 이 모듈은 제어 신호(S5)를 발생시켜 출력한다. 프로세서는 고정된 기간, 및 공급 전압과 모터 전류에 의존하는 듀티 사이클을 PWM 모듈에 로딩한다. 그러므로 제어 신호(S5)는 고정된 기간 및 가변 듀티 사이클을 갖는 PWM 신호이다.
배터리 팩(9)이 방전됨에 따라, 브러시형 모터(11, 13)에 전력을 공급하는 데에 사용되는 공급 전압은 감소된다. 그러므로 프로세서는 공급 전압의 변화에 따라 PWM 모듈의 듀티 사이클을 조정한다. 보다 구체적으로, 프로세서는 브러시형 모터(11, 13)에 대한 입력 전압이 일정하도록 PWM 모듈의 듀티 사이클을 조정한다. 입력 전압은 펄스화되어 있기 때문에, 물론 순간 전압이 변하게 돤다. 그러므로, 일정한 전압은, 입력 전압이 PWM 신호의 각 사이클에 대해 평균될 때 일정함을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 주어진 부하에 대해, 브러시형 모터(11, 13)의 속도는 입력 전압에 비례한다. 따라서, 입력 전압을 일정하게 함으로써, 배터리 팩(9)이 방전되어도 모터(11, 13)의 속도가 변하지 않는다.
제어기(24)는 다른 전압에 대한 다른 듀티 사이클을 포함하는 다른 전압 룩업 테이블을 저장한다. 프로세서는 V-DC 신호로부터 결정되는 배터리 팩(9)에 의해 제공되는 공급 전압을 사용하여 다른 전압 룩업 테이블을 인덱싱하여 듀티 사이클을 선택한다.
진공 청소기(1)의 사용 중에, 교반기(10, 12) 및 브러시형 모터(11, 13)는 다른 부하를 경험하게 된다. 결과적으로, 모터(11, 13)에 흐르는 전류가 변하게 된다. 옴 손실 때문에, 전력 스위치(40) 및 모터(11, 13)에서의 전류의 크기에 민감한 제 2 전류 센서(42)에서 전압 강하게 있다. 그래서 모터(11, 13)에 대한 입력 전압은 부하의 변화에 민감하다. 그러므로 제어기(24)는 전류의 변화에 따라 듀티 사이클을 조정한다. 그러므로, 아래에서 설명할 이유로, 제어기가 듀티 사이클을 조정하는 양은 전류의 변화 뿐만 아니라 공급 전압의 크기에도 달려 있다.
스위치(40)가 닫히면, 스위치(40)와 전류 센서(42)에서의 전압 강하는 모터 전류에 비례하는데, 즉 V강하 = I x (R스위치 + R센서 ) 이다. 그러나, 스위치(40)가 개방되어 있으면, 스위치(40)와 전류 센서(42)에서의 전압 강하는 제로인데, 즉 V강하 = 0 이다. 전압 강하는 PWM 신호의 각 사이클에 대해 평균될 때 모터 전류와 PWM 신호의 듀티 사이클에 비례하는데, 즉
V강하 = I x (R스위치 + R센서 ) x 듀티 사이클
듀티 사이클은 공급 전압의 크기로 정의된다. 따라서, 모터 전류의 변화에 따라 듀티 사이클을 조정할 때, 제어기(24)는 공급 전압의 크기도 고려한다. 즉, 모터 전류의 주어진 변화에 대해, 제어기(24)는 공급 전압의 크기에 의존하는 양으로 듀티 사이클을 조정하게 된다. 보다 구체적으로, 제어기(24)는 더 낮은 공급 전압에 대응하여 더 큰 양으로 듀티 사이클을 조정한다. 제어기(24)는, 모터(11, 13)에 다른 부하가 걸릴 때 그 모터(11, 13)에 대한 입력 전압이 일정하도록 듀티 사이클을 조정한다. 결과적으로, 모터(11, 13)에 대한 토크-속도 곡선은 배터리 팩(9)이 방전되어도 변하지 않는다.
제어기(24)는 다른 전류 및 다른 전압에 대해 다른 보상 값을 포함하는 전류 룩업 테이블을 저장한다. 제어기(24)는 I-BRUSHED로부터 결정되는 모터 전류 및 V-DC로부터 결정되는 공급 전압을 사용하여 전류 룩업 테이블을 인덱싱하여 보상 값을 선택한다. 그리고 제어기(24)는 선택된 보상 값을 다른 전압 룩업 테이블로부터 선택된 듀티 사이클에 더하여 보상된 듀티 사이클을 얻는다. 그런 다음 프로세서는 PWM 모듈의 듀티 사이클 레지스터를 그 보상된 듀티 사이클로 로딩한다.
도 12 및 13 은 다른 전압 룩업 테이블 및 전류 룩업 테이블의 일 부분을 도시한다. 이 다른 전압 룩업 데이블은, PWM 모듈의 8-비트 듀티 사이클 레지스터에 직접 로딩되는 16진법 값을 저장한다. 그러나, 예시의 목적으로, 백분율로 나타나 있는 대응하는 듀티 사이클이 결과적인 입력 전압과 함께 나타나 있다. 전압 룩업 테이블에서 알 수 있는 바와 같이, 공급 전압이 감소함에 따라 제어기(24)는 PWM 신호의 듀티 사이클을 증가시킨다. 이 특정한 실시 형태에서, 다른 전압 룩업 테이블은 브러시형 모터(11, 13)에 대한 16.2 V의 일정한 입력 전압을 얻는 값을 저장한다. 전류 룩업 테이블에서 알 수 있는 바와 같이, 모터 전류가 증가함에 따라 제어기(24)는 PWM 신호의 듀티 사이클을 증가시킨다. 더욱이, 주어진 전류 레벨에 대해, 공급 전압이 낮으면 제어기(24)는 듀티 시이클을 더 큰 양으로 조정한다.
제어기(24)는 2개의 룩업 테이블을 사용하여 듀티 사이클을 결정한다. 제 1 룩업 테이블(즉, 다른 전압 룩업 테이블)은 공급 전압을 사용하여 인덱싱된다. 제 2 룩업 테이블(즉, 전류 룩업 테이블)은 모터 전류 및 공급 전압을 사용하여 인덱싱된다. 또한, 두 룩업 테이블을 사용하는 이점은, 다른 전압 해상도가 사용될 수 있다는 것이다. 모터(11, 13)의 입력 전압은 공급 전압 크기의 변화에 크게 민감하다. 이와는 대조적으로, 모터(11, 13)의 입력 전압은 모터 전류의 변화에 덜 민감하다. 따라서, 두 룩업 테이블을 사용함으로써, 다른 전압 룩업 테이블에 대해 더 미세한 전압 해상도를 사용할 수 있고, 전류 룩업 테이블에 대해서는 더 거친 전압 해상도를 사용할 수 있다. 결과적으로, 더 작은 룩업 테이블의 사용을 통해 일정한 입력 전압을 얻을 수 있고, 그래서 제어기(24)에 대한 메모리 요건이 감소된다.
브러시형 모터(11, 13)가 정지되어 있을 때, 제어 신호(S5)의 듀티 사이클이 비교적 높은 경우 비교적 높은 돌입(inrush) 전류가 모터(11, 13)에 흐르게 될 것이다. 따라서, 사용자 조작 스위치(20)가 처음에 닫혀 있으면, 제어기(24)는 메모리에 저장되어 있는 미리 정해진 듀티 사이클을 선택하게 된다. 이 듀티 사이클은 스위치(20)가 처음에 닫혀 잇을 때에만 사용되고, 다른 전압 룩업 테이블에 저장되어 있는 듀티 사이클 보다 상당히 낮다. 본 실시 형태에서, 제어기(24)는 처음에 PWM 모듈의 듀티 사이클 레지스터를 0x28의 값으로 로딩하는데, 이 값은 15.625%의 듀티 사이클에 대응한다. 제어기(24)는 전압 및 전류 룩업 테이블을 인덱싱하여 목표 듀티 사이클을 결정한다. 제어기(24)는 듀티 사이클을 주기적으로 증가시킨다. 본 실시 형태에서, 제어기(24)는 대략 2.5 ms 마다 PWM 모듈의 듀티 사이클 레지스터를 0x01(0.390%의 듀티 증가에 대응함) 만큼 주기적으로 증가시킨다. 제어기(24)는, 듀티 사이클이 목표 듀티 사이클 이상이 될 때까지 듀티 사이클을 주기적으로 계속 증가시키고, 이때 제어기(24)는 목표 듀티 사이클을 사용한다. 정상 상태 동안에 사용되는 것과 훨씬 낮은 시작 듀티 사이클을 사용하고 또한 모터가 가속됨에 따라 듀티 사이클을 주기적으로 증가시킴으로써, 돌입 전류를 피할 수 있다.
본 실시 형태에서, 제 1 청소기 헤드(3) 및 제 2 청소기 헤드(5)는 동일한 종류의 브러시형 모터(11, 13)를 포함한다. 더욱이, 두 모터(11, 13)는 동일한 입력 전압으로 구동된다. 그러므로 제어기(24)는 두 청소기 헤드(3, 5)를 구별하지 않는다. 그러나, 일 대안적인 실시 형태에서, 두 모터(11, 13)를 다른 입력 전압에서 구동하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 두 모터(11, 13)가 다를 수 있거나 두 모터(11, 13)는 동일할 수 있지만, 모터(11, 13)를 다른 속도로 구동시키고자 할 수 있다. 이 경우, 제어기(24)는 두 브러시형 모터(11, 13)에 대해 다른 전압 및 전류 룩업 테이블을 포함할 수 있다. 제어기(24)는 적절한 룩업 테이블을 인덱싱하고 이 룩업 테이블에 따라 청소기 헤드(3, 5)가 본체(2)에 부착된다.
동시 제어
제어기(24)는 브러시리스 모터(15)와 브러시형 모터(11, 13)의 여자를 동시에 제어하기 위한 제어 신호(S1 ∼ S4, S5)를 발생시킨다. 이는 브러시형 모터(11, 13)에 대한 제어 신호(S5)를 발생시키도록 제어기(24)의 PWM 모듈을 구성함으로써 가능하게 된다. 제어기(24)의 프로세서는 브러시리스 모터(15)에 대한 제어 신호(S1 ∼ S4)를 발생시키는 데에 필요한 소프트웨어 지령을 자유롭게 실행할 수 있다. 프로세서는 PWM 모듈의 듀티 사이클을 주기적으로 업데이트한다. 그러나, 이는 브러시리스 모터(15)의 제어 및 작동에 나쁜 간섭을 줌이 없이 메인 코드 내에서 행해질 수 있다.
통상적인 진공 청소기에서, 각 모터는 그 자신의 제어기를 포함한다. 한편, 본 발명의 진공 청소기(1)에서는, 단일의 제어기(24)가 브러시리스 모터(15)와 브러시형 모터(11, 13) 모두를 제어하기 위해 사용된다. 결과적으로, 진공 청소기(1)의 가격이 낮아진다. 더욱이, 진공 청소기(1)는 서로 교환가능한 2개의 청소기 헤드(3, 5)를 갖는데, 각각의 청소기 헤드는 모터(11, 13)를 포함한다. 그래서, 단일의 제어기(24)를 사용하여 3개의 모든 모터(11, 13, 15)를 제어함으로써 진공 청소기(1)의 가격이 더 줄어든다.
전술한 실시 형태에서, 진공 청소기(1)는 공급 전압을 공급하는 배터리 팩(9)을 포함한다. 제어기(24)는 그 공급 전압의 변화에 대응하여 PWM 신호의 듀티 사이클 및 상 기간과 전도 기간의 길이를 조정하게 된다. 특히, 제어기(24)는 공급 전압의 감소에 대응하여 듀티 사이클 및 상 기간과 전도 기간의 길이를 증가시킨다. 더욱이, 제어기(24)에 의해 발생된 제어 신호(S1 ∼ S4, S5)에 의해, 배터리 팩이 방전될 때 브러시형 모터(11, 13)의 입력 전압 및 브러시리스 모터(15)의 출력 파워가 일정하게 될 수 있다. 그 결과, 진공 청소기(1)의 성능(즉, 흡입원(7)에 의해 발생되는 흡입 및 청소기 헤드(3, 5)에 의해 발생되는 교반)이 배터리 팩(9)의 방전에도 악화되지 않는다. 일 대안적인 실시 형태에서, 공급 전압은 대안적인 공급원에 의해 제공될 수 있다. 예컨대, 진공 청소기(1)는 주 전력 공급부에 의해 전력 공급을 받을 수 있다. 그러면 회로 어셈블리98)는 규칙적인 공급 전압을 제공하도록 주 전압으로 작동하는 정류기 및 평탄화 개패시터를 포함할 것이다. 그럼에도 불구하고, AC 공급원의 RMS 전압은 변할 수 있는데, 이는 진공 청소기(1)의 성능에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 따라서, 제어기(24)는 일정한 성능을 유지하도록 공급 전압의 변화에 대응하여 듀티 사이클, 상 기간 및 전도 기간을 계속 조정한다.
전술한 실시 형태에서, 제어기(24)는 공급 전압의 변화에 대응하여 상 기간 및 전도 기간을 조정한다. 이러면, 브러시리스 모터(15)의 효율이 각각의 전압 점에서 더 더 잘 최적화되는 이점이 얻어진다. 그럼에도, 상 기간과 전도 기간 중의 단지 하나만 변화시켜 모터(15)의 출력 파워에 대한 원하는 제어를 이룰 수 있다. 예컨대, 정상 상태 모드 전체에 걸쳐 동기적인 커뮤테이션을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 제어기(24)는 공급 전압의 변화에 대응하여 전도 기간만 변화시키게 될 것이다.

Claims (8)

  1. 표면 청소 기구로서,
    교반기 및 교반기를 구동시키기 위한 모터를 포함하는 청소기 헤드;
    상기 모터를 공급 전압에 연결하는 스위치;
    상기 공급 전압의 크기를 측정하기 위한 전압 센서;
    상기 모터에 흐르는 전류의 크기를 측정하기 위한 전류 센서; 및
    상기 스위치를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하도록 구성되는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 공급 전압의 변화 및 상기 모터에 흐르는 전류의 변화에 대응하여 상기 PWM 신호의 듀티 사이클을 조정하는 표면 청소 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 모터에 대한 일정한 입력 전압을 유지하도록 상기 듀티 사이클을 조정하는 표면 청소 기구.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 공급 전압의 감소 및 모터 전류의 증가에 대응하여 상기 듀티 사이클을 증가시키는 표면 청소 기구.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    모터 전류의 주어진 변화에 대응하여 상기 제어기는 공급 전압이 더 낮을 때 보다 더 큰 양으로 듀티 사이클을 조정하는 표면 청소 기구.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 전압 룩업 테이블과 전류 룩업 테이블을 저장하고, 제어기는 제 1 값을 선택하기 위해 측정된 공급 전압을 사용하여 전압 룩업 테이블을 인덱싱하고, 상기 제어기는 제 2 값을 선택하기 위해 측정된 모터 전류를 사용하여 전류 룩업 테이블을 인덱싱하며, 상기 듀티 사이클은 상기 제 1 값과 제 2 값의 합으로정의되는 표면 청소 기구.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는 제 2 값을 선택하기 위해 측정된 모터 전류 및 측정된 공급 전압을 사용하여 전류 룩업 테이블을 인덱싱하는 표면 청소 기구.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 모터가 정지되어 있을 때 미리 정해진 듀티 사이클을 사용하고, 제어기는 측정된 공급 전압 및 측정된 모터 전류를 사용하여 목표 듀티 사이클을 결정하고, 상기 제어기는 듀티 사이클이 목표 듀티 사이클 이상으로 될 때까지 듀티 사이클을 고정된 양 만큼 주기적으로 증가시키는 표면 청소 기구.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    공급 전압을 제공하는 배터리 팩을 포함하는 표면 청소 기구.
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