KR101911265B1 - 병렬 운전 모터의 구동 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 - Google Patents

병렬 운전 모터의 구동 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기 조화기에 관한 것으로 특히, 모터 구동 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 제1모터 및 상기 제1모터와 병렬로 연결되는 제2모터를 포함하는 모터부; 상기 모터부를 구동하기 위한 구동 신호를 출력하는 인버터; 및 상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함하고, 상기 인버터 제어부는, 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치를 감지하는 감지부; 목표 속도 및 상기 감지부에서 감지된 상기 제1모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 속도 제어부; 상기 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하는 전류 제어부; 상기 생성된 목표 전압 및 상기 감지부에서 감지된 상기 제1모터의 위치에 기초하여 구동 신호를 생성하는 구동신호 생성부; 및 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치의 차이를 추정하여 보상 전류를 생성하여 상기 전류 제어부 측에 보상하는 공진 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

병렬 운전 모터의 구동 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 {Apparatus for driving parallel motors and air conditioner including the same}
본 발명은 공기 조화기에 관한 것으로 특히, 병렬 운전 모터의 구동 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것이다.
일반적으로, 공기 조화기의 압축기는 모터를 구동원으로 이용하고 있다. 이러한 모터에는 전력 변환 장치로부터 교류 전력이 공급된다. 이 경우 전력 변환 장치는 모터 구동 장치를 의미할 수 있다.
이와 같은 전력 변환 장치는 주로, 정류부, 역률 제어부 및 인버터를 포함하는 것으로 일반적으로 알려져 있다.
우선, 상용 전원으로부터 출력되는 교류의 상용 전압은, 정류부에 의하여 정류된다. 이러한 정류부에서 정류된 전압은 인버터에 공급된다. 이때, 인버터에서는 정류부에서 출력된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전력을 생성한다.
이러한 인버터를 포함하는 모터 구동 장치에 의하여 두 모터가 동시에 연결되어 제어될 수 있다. 이때, 두 모터 중 하나의 모터는 인버터(140) 및 인버터 제어부에 의하여 제어되나, 제어되지 않는 모터의 경우에는 운전이 불안정하게 이루어지다가 발산하는 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어, 두 모터 사이의 속도의 차이가 점점 커지고, 직접 제어를 받지 않는 모터의 상전류가 점점 발산하다가 결국에는 멈추어버리는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 이와 같이 모터 구동 장치에 의하여 두 모터가 동시에 연결되어 제어되는 경우, 이 두 모터를 안정적으로 제어하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 모터 구동 장치에 의하여 두 모터가 동시에 연결되어 제어되는 병렬 운전 시 발생할 수 있는 공진에 의한 발산을 억제할 수 있는 병렬 운전 모터의 구동 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
또한, 모터 구동 장치에 의하여 두 모터가 동시에 연결되어 제어되는 병렬 운전 시 댐핑(Damping) 효과를 얻게 하고, 이로써 전체 시스템의 안정화를 도모할 수 있는 병렬 운전 모터의 구동 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 제1모터 및 상기 제1모터와 병렬로 연결되는 제2모터를 포함하는 모터부; 상기 모터부를 구동하기 위한 구동 신호를 출력하는 인버터; 및 상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함하고, 상기 인버터 제어부는, 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치를 감지하는 감지부; 목표 속도 및 상기 감지부에서 감지된 상기 제1모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 속도 제어부; 상기 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하는 전류 제어부; 상기 생성된 목표 전압 및 상기 감지부에서 감지된 상기 제1모터의 위치에 기초하여 구동 신호를 생성하는 구동신호 생성부; 및 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치의 차이를 추정하여 보상 전류를 생성하여 상기 전류 제어부 측에 보상하는 공진 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 보상 전류는 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도의 차이와 위치의 차이를 곱한 값일 수 있다.
이때, 상기 보상 전류는 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도의 차이와 위치의 차이를 곱한 값에 비례 게인을 곱한 값일 수 있다.
여기서, 상기 보상 전류는 제1모터의 구동에 댐핑 토크를 발생시키는 값일 수 있다.
여기서, 상기 공진 제어부는, 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치의 차이를 추정하는 추정부; 및 상기 추정된 속도 및 위치의 차이값에 비례 게인을 곱하여 보상 전류를 생성하여 상기 전류 제어부 측에 주입하는 공진 억제 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 보상 전류는, 상기 전류 제어부의 d축 전류 측에 인가될 수 있다.
여기서, 감지부는, 상기 제1모터를 구동하는 제1전류를 감지하는 제1상전류 검출부; 상기 제2모터를 구동하는 제2전류를 감지하는 제2상전류 검출부; 및 상기 제1전류 및 제2전류를 이용하여 속도 및 위치를 추정하는 추정부를 포함할 수 있다.
여기서, 감지부는, 상기 제1모터의 위치를 감지하는 제1위치센서; 상기 제2모터의 위치를 감지하는 제2위치센서; 및 상기 제1위치센서 및 제2위치센서로부터 감지된 값을 이용하여 속도를 연산하는 속도 연산부를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 제1모터 및 상기 제1모터와 병렬로 연결되는 제2모터를 포함하는 모터부를 구동하는 방법에 있어서, 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치를 감지하는 단계; 목표 속도 및 상기 감지된 제1모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 단계; 상기 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하는 단계; 상기 생성된 목표 전압 및 상기 감지된 상기 제1모터의 위치에 기초하여 구동 신호를 생성하는 단계; 및 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치의 차이를 추정하여 보상 전류를 생성하여 상기 목표 전류에 보상하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같은 구동 장치를 포함하거나 또는 상기 구동 방법에 의하여 구동되는 공기 조화기를 제공할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 모터 구동 장치에 의하여 두 모터가 동시에 연결되어 제어되는 병렬 운전 시 발생할 수 있는 공진에 의한 발산을 억제할 수 있다.
또한, 모터 구동 장치에 의하여 두 모터가 동시에 연결되어 제어되는 병렬 운전 시 댐핑(Damping) 효과를 얻어서 전체 시스템의 안정시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 인버터 제어부의 세부를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 인버터 제어부의 세부를 나타내는 블럭도이다.
도 5는 도 2와 같은 시스템의 댐핑 전류, 댐핑 토크 및 댐핑 계수를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 공진 제어를 수행하지 않을 때의 파형을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 공진 제어를 수행할 때의 파형을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 공진 제어 적용 시의 부하 변동 특성의 파형을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동 장치를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동 장치를 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전력 변환 장치(100)는 교류 전원(10)을 정류하는 정류부(110), 정류부(110)에서 정류된 DC 전압을 승/강압하거나 역률을 제어하는 컨버터(120), 컨버터(120)를 제어하는 컨버터 제어부(130), 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(140), 인버터(140)를 제어하는 인버터 제어부(150)와, 그리고 컨버터(120)와 인버터(140) 사이의 DC-링크(DC-link) 캐패시터(C)를 포함할 수 있다.
이러한 인버터(140)는 삼상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(200)에 공급된다. 여기서, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터일 수 있다. 이하, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터이고, 전력 변환 장치(100)는 이러한 압축기 모터를 구동하는 모터 구동 장치인 것을 예로 설명한다.
그러나 모터(200)는 압축기 모터에 제한되지 않으며, 주파수 가변된 교류 전압을 이용하는 다양한 응용제품, 예를 들어, 냉장고, 세탁기, 전동차, 자동차, 청소기 등의 교류 모터에 이용될 수 있다.
또한, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 모터(200)는 두 개의 모터(210, 220)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 하나의 인버터(140)에 의하여 두 개의 모터(210, 220)를 구동할 수 있다.
이때, 두 모터(210, 220)는 팬 모터와 같은 압축기 이외의 모터가 이용될 수 있다.
한편, 모터 구동장치(100)는, DC단 전압 검출부(B), 입력 전압 검출부(A), 입력 전류 검출부(D), 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
모터 구동장치(100)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(200)에 변환된 전력을 공급한다.
컨버터(120)는, 입력 교류 전원(10)을 직류 전원으로 변환한다. 이러한 컨버터(120)는 역률 제어부(PFC(power factor control)부)로 작동하는 직류-직류(DC-DC) 컨버터를 이용할 수 있다. 또한, 이러한 직류-직류(DC-DC) 컨버터는 승압 컨버터(boost converter)를 이용할 수 있다. 경우에 따라, 컨버터(120)는 정류부(110)를 포함하는 개념일 수 있다. 이하, 컨버터(120)는 승압 컨버터를 이용하는 예를 들어 설명한다.
정류부(110)는, 단상 교류 전원(10)을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전원을 컨버터(120) 측으로 출력한다. 이를 위해, 정류부(110)는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
이와 같이, 컨버터(120)는 정류부(110)에서 정류된 전압을 승압 및 평활하는 과정에서 역률 개선 동작을 행할 수 있다.
이러한 컨버터(120)는, 정류부(110)에 연결되는 인덕터(L1), 이 인덕터(L1)에 연결되는 스위칭 소자(Q1), 및 스위칭 소자(Q1)와 DC-링크 캐패시터(C) 사이에 연결되는 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
승압 컨버터(120)는 입력전압보다 높은 출력전압을 얻을 수 있는 컨버터로서, 스위칭 소자(Q1)가 도통되면 다이오드(D1)가 차단되면서 인덕터(L1)에 에너지가 저장되며, DC-링크 캐패시터(C)에 저장되어 있던 전하가 방전하면서 출력단에 출력전압을 발생시킨다.
또한, 스위칭 소자(Q1)가 차단되면 스위칭 소자(Q1) 도통 시 인덕터(L1)에 저장되어 있던 에너지가 더해져서 출력단으로 전달된다.
여기서, 스위칭 소자(Q1)는 별도의 PWM(pulse width modulation) 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다. 즉, 컨버터 제어부(130)에서 전달되는 PWM 신호가 스위칭 소자(Q1)의 게이트(gate; 또는 베이스) 단에 연결되어, 이 PWM 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다.
컨버터 제어부(130)는 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver)와, 이러한 게이트 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부를 포함한 구성일 수 있다.
이러한 스위칭 소자(Q1)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
IGBT는 전력 MOSFET(metal oxide semi-conductor field effect transistor)과 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)의 구조를 가지는 스위칭(switching) 소자로서, 구동전력이 작고, 고속 스위칭, 고내압화, 고전류 밀도화가 가능한 소자이다.
이와 같이, 컨버터 제어부(130)는 컨버터(120) 내의 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 타이밍을 위한 컨버터 제어 신호(Sc)를 출력할 수 있다.
이를 위해, 컨버터 제어부(130)는 입력 전압 검출부(A)와 입력 전류 검출부(D)로부터 각각, 입력 전압(Vs)과, 입력 전류(Is)를 수신할 수 있다.
경우에 따라, 이러한 컨버터(120) 및 컨버터 제어부(130)는 생략될 수 있다. 즉, 정류부(110)를 거친 출력 전압이 컨버터(120)를 거치지 않고 DC-링크 캐패시터(C)에 충전되거나 인버터(140)를 구동할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 정류부(110) 전단에 위치할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는 전압 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Vs)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 제어 신호(Sc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(130)에 인가될 수 있다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부(110) 전단에 위치할 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current transformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Is)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 제어 신호(Sc)의 생성을 위해 컨버터 제어부(130)에 인가될 수 있다.
DC 전압 검출부(B)는 DC-링크 캐패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC-링크 캐패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(150)에 인가될 수 있으며, DC-링크 캐패시터(C)의 직류 전압(Vdc)에 기초하여 인버터 제어신호(Si)가 생성될 수 있다.
한편, 도면과 달리, 검출되는 DC 전압은, 컨버터 제어부(130)에 인가되어, 컨버터 제어신호(Sc)의 생성에 사용될 수도 있다.
인버터(140)는, 복수 개의 인버터 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 구비하고, 컨버터(120)의 스위칭 소자(Q1)의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(140)는 각각 서로 직렬 연결되는 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc) 및 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하측 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.
컨버터(120)와 마찬가지로, 인버터(140)의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
인버터 제어부(150)는, 인버터(140)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어신호(Si)를 인버터(140)에 출력할 수 있다. 인버터 제어신호(Si)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(200)에 흐르는 출력 전류(io) 및 DC-링크 캐패시터(C) 양단인 DC-링크 전압(Vdc)에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, DC-링크 전압(Vdc)은 DC-링크 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
인버터 제어부(150)는 인버터(140)에 포함되는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver)와, 이러한 게이트 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부를 포함한 구성일 수 있다.
상전류 검출부(E)는, 인버터(140)와 모터(200) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(200)에 흐르는 전류를 검출한다. 상전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia, ib, ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
상전류 검출부(E)는 인버터(140)와 모터(200) 사이에 위치할 수 있으며, 각 상의 전류 검출을 위해, CT(current transformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 인버터(140)에 의하여 제1모터(모터 1; 210) 및 제2모터(모터 2; 220)를 포함하는 두 모터가 동시에 구동될 수 있다. 이때, 제1모터(210)는 인버터 제어부(150)에 의하여 제어를 받는 주 모터일 수 있다.
또한, 제2모터(220)는 인버터 제어부(150)에 의하여 구동되나, 별도의 제어를 받지 않는 보조 모터일 수 있다. 즉, 제1모터(210)는 마스터 모터(master motor)일 수 있고, 제2모터(220)는 여기에 연결되는 슬레이브 모터(slave motor)일 수 있다.
따라서, 출력 전류(ia, ib, ic)에 의하여 제1모터(210) 및 제2모터(220)가 동시에 구동되며, 이때, 출력 전류(ia, ib, ic)는 제1모터(210)를 구동하기 위한 제어 요소로 사용될 수 있다.
한편, 인버터 제어부(150)는 하나의 인버터(140)를 이용하여 마스터 모터인 제1모터(210) 및 슬레이브 모터인 제2모터(220)를 제어(이하, 이러한 모터의 운전 상태를 병렬 운전이라 칭하고, 이러한 모터를 병렬 운전 모터라 칭한다.)하면서, 병렬 운전 시 발생할 수 있는 공진에 의한 발산을 억제하기 위한 제어(이하, 공진 제어라 칭한다.)를 수행할 수 있다.
그 방안으로서, 본 발명에 의하면, 인버터 제어부(150)에서는 이와 같이, 마스터-슬레이브 방식으로 병렬 운전 모터를 제어하면서 발생하는 슬레이브 모터(제2모터; 220)의 맥동을 마스터 모터(제1모터; 210)를 기준으로 하여 로터(Rotor)의 위치 각의 차이와 속도의 차이를 곱한 값을 이용하여 마스터 모터(210)의 d축 제어 전류값에 직접 보상할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 인버터 제어부의 세부를 나타내는 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 위에서 설명한 인버터 제어부(150)의 세부 구성이 도시되어 있고, 여기에 제1모터(210) 및 이 제1모터(210)와 병렬로 연결되는 제2모터(220)를 포함하는 모터부(200)가 함께 표현되어 있다.
또한, 각각 제1모터(210) 및 제2모터(220)에 흐르는 전류를 검출하는 제1 상전류검출부(E) 및 제2 상전류 검출부(E')가 함께 표현되어 있다. 이러한 제1 상전류검출부(E) 및 제2 상전류 검출부(E')를 통하여, 제1모터(210) 및 제2모터(220)의 위치(위치 각) 및 속도의 차이를 센서리스(sensorless) 방식으로 검출할 수 있다.
이러한 인버터 제어부(150)는 비례 적분 제어(Proportional Integral Control) 방식의 모터 제어 방법을 주로 이용할 수 있다.
즉, 이러한 비례 적분 제어 방식의 인버터 제어부(150)는, 속도 제어부(151), 전류 제어부(152), 구동신호(PWM) 생성부(153), 감지부(154) 및 공진 제어부(157)를 포함할 수 있다.
이하, 이러한 구성에 대하여 자세히 설명한다.
먼저, 감지부(154)는, 제1모터(210) 및 제2모터(220)의 속도 및 위치를 감지하여, 도시하는 바와 같이, 제1모터(210)의 속도 및 위치 값을 출력할 수 있다.
속도 제어부(151)는 목표 속도(속도 지령치) 및 감지부(154)에서 감지된 제1모터(210)의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성할 수 있다.
또한, 전류 제어부(152)는 이러한 속도 제어부(151)에서 출력되는 목표 전류(I*: 전류 지령치)에 기초하여 목표 전압(V*: 전압 지령치)을 생성할 수 있다.
구동신호 생성부(153)에서는 전류 제어부(152)에서 생성된 목표 전압(V*) 및 감지부(154)에서 감지된 제1모터(210)의 위치에 기초하여 구동 신호(PWM 신호)를 생성할 수 있다.
이러한 구동 신호(PWM 신호)에 의하여 인버터(140)에서는 구동 전압(Vabc)이 생성되고, 이러한 구동 전압(Vabc)에 의하여 제1모터(210) 및 제2모터(220)는 구동될 수 있다.
그리고, 공진 제어부(157)에서는 제1모터(210) 및 제2모터(220)의 속도 및 위치의 차이를 추정하여 보상 전류를 생성하여 전류 제어부(152) 측에 보상할 수 있다.
이때, 보상 전류는 제1모터(210) 및 제2모터(220)의 속도의 차이와 위치의 차이를 서로 곱한 값일 수 있다.
한편, 보상 전류는 제1모터(210) 및 제2모터(220)의 속도의 차이와 위치의 차이를 곱한 값에 비례 게인(K)을 곱한 값일 수 있다.
여기서, 보상 전류는 제1모터(210)의 구동에 댐핑 토크를 발생시키는 값일 수 있다.
이때, 공진 제어부(157)는, 제1모터(210) 및 제2모터(220)의 속도 및 위치의 차이를 추정하는 추정부(159) 및 이 추정부(159)에서 추정된 속도 및 위치의 차이값에 비례 게인(K)을 곱하여 보상 전류를 생성하여 전류 제어부(152) 측에 주입하는 공진 억제 제어부(158)를 포함할 수 있다.
이와 같은 과정에서 생성되는 보상 전류는, 전류 제어부(152)의 d축 전류 측에 인가될 수 있다.
여기서, d축은 회전 동기 좌표계에서의 하나의 축을 의미하는 것으로서, 회전 동기 좌표계에서는 3상의 정보를 두 직교 좌표(d축 및 q축)로 표현한다.
이와 같이 전류 제어부(152)에 인가되는 보상 전류(전류 레퍼런스)는 마스터 모터인 제1모터(210)를 구동하기 위한 구동 제어 값의 d축에 직접 보상함으로써 댐핑(Damping) 효과를 얻게 하고, 이로써 전체 시스템의 안정화를 도모할 수 있다.
한편, 제1모터(210) 및 제2모터(220)의 속도 및 위치를 감지하는 감지부(154)는 센서리스 방식 또는 센서 방식으로 구현될 수 있다.
먼저, 센서를 포함하지 않는 센서리스 방식으로 구현하는 경우에는, 상전류 검출부(E)를 이용하여 감지된 전류를 이용하여 속도 및 위치를 추정할 수 있다.
즉, 이러한 감지부(154)는 제1모터(210)를 구동하는 제1전류를 감지하는 제1상전류 검출부(E), 제2모터(220)를 구동하는 제2전류를 감지하는 제2상전류 검출부(E') 및 제1전류 및 제2전류를 이용하여 속도 및 위치를 추정하는 추정부(155)를 포함할 수 있다.
도시하는 바와 같이, 추정부(155)를 통하여 감지부(154)에서 추정된 제1모터(210)의 속도 및 위치(위치 각) 값 중에서, 속도 값은 각각 속도 지령치에 더해져서 속도 제어부(151)로 인가되고, 위치 값은 구동신호 생성부(153)로 피드백될 수 있다.
한편, 위에서 언급한 바와 같이, 감지부(154)는 센서 방식으로 구현될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 인버터 제어부의 세부를 나타내는 블럭도이다.
도 4를 참조하면, 센서 방식으로 구현된 감지부(154)를 포함한다.
즉, 감지부(154)는 제1모터(210)의 위치 각을 감지하는 제1위치센서(F) 및 제2모터(220)의 위치 각을 감지하는 제2위치센서(F'), 그리고 이러한 제1위치센서(F) 및 제2위치센서로(F')부터 감지된 값을 이용하여 속도를 연산하는 속도 연산부(156)를 포함할 수 있다.
도시하는 바와 같이, 속도 연산부(156)를 통하여 감지부(154)에서 연산된 제1모터(210)의 속도 값은 각각 속도 지령치에 더해져서 속도 제어부(151)로 인가되고, 제1위치센서(F) 및 제2위치센서(F')에서 감지된 위치 값은 구동신호 생성부(153)로 피드백될 수 있다.
그 외에 다른 부분은 도 3을 참조하여 설명한 사항이 동일하게 적용될 수 있으므로, 반복되는 설명은 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 하나의 인버터(140)로 두 개의 모터(210, 220)를 동시에 운전 시, 제어를 행하고 있는 모터(제1모터: 210)의 d축에 두 모터(210, 220)의 위치 각의 차이와 속도의 차이를 곱한 값에 비례하는 전류를 전류 레퍼런스로 주입함으로써 공진을 억제할 수 있다. 따라서, 하나의 인버터(140)를 이용하여 두 모터(210, 220)를 안정적으로 제어할 수 있다.
이하, 이러한 공진 억제의 원리를 도출하는 과정 및 그로 인한 효과를 상세히 설명한다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 두 개의 모터(210, 220)를 하나의 인버터(140)를 이용하여 동작시킬 경우, 전체 시스템의 고유 특성에 의하여 공진이 발생할 수 있다.
이때, 두 모터(210, 220) 중 마스터 모터(210; 제1모터)는 인버터(140) 및 인버터 제어부(150)에 의하여 제어되나, 제어되지 않는 슬레이브 모터(220; 제2모터)의 경우에는 제2모터(220)의 운전이 불안정하게 이루어지다가 발산하는 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어, 두 모터(210, 220) 사이의 속도의 차이가 점점 커지고, 슬레이브 모터인 제2모터(220)의 상전류가 점점 발산하다가 결국에는 멈추어버리는 문제가 발생할 수 있다.
이와 같이 두 개의 모터(210, 220)를 하나의 인버터(140)를 이용하여 동작시킬 경우, 전체 시스템의 동적 특성은 수학식 1에서 나타내는 기계 방정식과 같다.
Figure 112017029193501-pat00001
수학식 1에서, J2는 제2모터(220)의 관성모멘트이고, B2는 제2모터(220)에 연결된 전체 시스템의 감쇄 계수이다. 여기서, J2는 제2모터(220)에 연결된 전체 시스템, 즉, 팬, 회전축, 등을 포함한 모터 전체의 관성모멘트를 의미한다.
또한, ωmd는 ωm2 - ωm1로서, 즉, 두 모터의 각속도의 차이를 의미하고, p는 모터의　극쌍(pole Pair; 극수/2)을 의미한다.
그리고, ωr은 전기적 회전 속도를 의미하며, 이는 전기적 입장에서의 각속도를 말한다. 즉, 전기 주파수 및 모터의 극 수가 고려된다. 예를 들어 4극 모터의 기계 주파수가 60 Hz라면 전기 주파수는 120 Hz(ωr = ωm * 모터 극 수 /2)이다.
수학식 1에서, θmd는 두 모터의 위치 각 차이이고, Rs는 스테이터(stator)의 저항, Td는 외부에서 가해지는 외란 토크(disturbance torque), Ls는 모터의 상 인덕턴스(phase inductance), λf은 영구자석으로부터의 자속 쇄교수(flux linkage from permanent magnet),
Figure 112017029193501-pat00002
는 모터 1의 동기 좌표계(synchronous reference frame)에서의 모터 1의 d축 전류, 그리고 α는 아래 수학식 2와 같다.
Figure 112017029193501-pat00003
이러한 수학식 1은 질량, 댐퍼 등을 포함하는 전형적인 두 모터의 거동을 나타내는 수식이며, 댐핑이 충분하지 않을 경우, θd(두 모터의 위치 각 차이)는 외란에 의하여 증폭된다.
이때, 시스템이 발산하지 않고 안정성을 가지도록 하기 위하여, 수학식 1에서,
Figure 112017029193501-pat00004
항이 댐핑 토크(damping torque)를 발생시키도록 제어할 수 있다.
즉, 여기서 d축 전류(id)를 마치 시스템의 댐핑 효과를 내도록 아래의 수학식 3 내지 수학식 5와 같이 제어하면 시스템에 댐퍼(Damper)가 추가되는 효과를 얻을 수 있으며 시스템의 안정화가 가능하다.
이와 같이, 마스터 모터(제1모터)의 d축 전류에 의하여 생성되는 슬레이브 모터(제2모터)의 토크를 이용하여 수학식 3 내지 5에서 나타내는 바와 같이 추가적인 댐핑 토크를 생성할 수 있다.
Figure 112017029193501-pat00005
Figure 112017029193501-pat00006
Figure 112017029193501-pat00007
즉, 댐핑 토크의 지령치(T*damp)는　등가 댐핑 계수(Beq; 위치 차이의 함수로 표현)와 속도의 차이(제1모터의 속도 - 제2모터의 속도; ωd)의 곱인데,　모터에서 이 댐핑 토크를 KT * 위치 차이 * id로 나타낼 수 있다(만들어낼 수 있다).
여기서, KT는 모터의 토크 상수이다(모터가 설계될 때 결정되는 값).
이러한 수식으로부터 시스템의 댐핑 전류, 댐핑 토크 및 댐핑 계수는 하기의 도 5와 같이 해석될 수 있다.
도 5는 도 2와 같은 시스템의 댐핑 전류, 댐핑 토크 및 댐핑 계수를 나타내는 그래프이다.
도 5에서, TL1과 TL2는 각각 로드 토크(Load Torque) 1, 2를 나타낸다. 이는 각 모터에 걸리는 부하 토크를 의미한다. 또한, 도 5의 (a)는 TL1과 TL2가 같을 경우, (b)는 TL1이 TL2보다 클 경우, (c)는 TL1보다 TL2이 클 경우를 나타낸다.
여기서, 부하 차이에 따라 모터의 위치 각의 평균 차이가 발생할 수 있으며, 부하에 따라 평균치가 양이 될 수도 있고 음이 될 수도 있다. 즉, TL1이 더 크면 도 5에서 θd가 +방향으로 이동하고, TL2가 더 크면 θd가 -방향으로 이동하는 것이다.
도 5의 첫 번째 그래프는, 시스템 맥동이 정현파 형태로 맥동할 경우, θd가 ωn의 공진 주기로 맥동하는 모습이고(sin 함수 형태), 세 번째 그래프는 θd를 이를 미분한 형태이므로 코사인(cos) 함수 형태이다.
또한, 도 5의 두 번째 그래프에서, 제1모터의 d축 전류(id1)의 지령치(i* d1)는 수학식 5로부터　sin*cos의 형태이므로, 맥동 주파수의　두 배로 주입하여야 함을 나타내고 있다.
이와 같이 전류 지령치를 주입할 경우 댐핑 효과는, 도 5의 가장 아래의 그래프에서 도시하는 바와 같이, 수학식 4에 의해, 댐핑 계수도 시간에 따라 변하는　형태의 댐핑 토크가 생성된다는 의미를 나타내고 있다.　
이상 설명한 바와 같이, 제어하고자 하는 모터(모터 1; 210)의 d축 전류를 속도 차이와 위치 각 차이의 곱으로 인가할 경우 항상 속도의 방향과 같은 방향으로 토크가 작용함을 알 수 있고, 이 토크는 속도에 비례하므로 댐핑력(damping force)으로 작용할 수 있다. 또한, 이러한 댐핑력은 두 모터의 부하의 차이가 나더라도 항상 속도의 부호와 일치한다.
도 6 내지 도 8은 상술한 본 발명에 의한 제어에 따른 공진 감소 효과를 나타내고 있다. 구체적으로, 도 6은 본 발명의 공진 제어를 수행하지 않을 때의 파형을 나타내고, 도 7은 본 발명의 공진 제어를 수행할 때의 파형을 나타낸다. 또한, 도 8은 본 발명의 공진 제어 적용 시의 부하 변동 특성의 파형을 나타낸다.
먼저, 도 6을 참조하면, (a) 그래프와 같이, 델타 함수 형의 외란 토크가 인가된 경우를 가정한다.
이때, 외란 토크가 인가될 때부터 (b) 그래프와 같이, 두 모터 사이의 속도 차이가 점점 커짐을 알 수 있다.
도 6의 (c)는 마스터 모터(제1모터; 210)의 상전류를 나타내는 것으로서, 외란 노크 인가 이후에도 일정하게 전류가 제어되는 것을 알 수 있다.
그러나, 도 6의 (d)를 참조하면, 슬레이브 모터(제2모터; 220)의 상전류는 외란 토크 인가시부터 점점 커져서 발산하는 것을 볼 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 도 6(a)과 동일하게 외란 토크가 인가되었을 때, 두 모터(210, 220) 사이의 속도 차이는 (b)에서와 같이 점점 감소하여 제어되는 것을 알 수 있다.
즉, 슬레이브 모터(제2모터; 220)의 상전류(d) 또한 마스터 모터(제1모터; 210)의 상전류(c)와 같이 일정하게 제어되는 것을 알 수 있다.
여기서, 도 7의 (e)는 마스터 모터(210)의 d축 보상 전류를 나타내는 것으로, 외란 토크 인가시에 크게 인가되어 점점 작아지는 것을 볼 수 있다.
이와 같이, 위에서 설명한 바와 같은 d축 보상 전류를 마스터 모터(210)의 제어에 주입함으로써 외란 토크가 인가되어도 두 모터(210, 220) 사이의 속도 차이는 커지지 않고 일정하게 제어되거나 또는 점점 작아지는 것을 알 수 있다.
도 8(a)은 비동기식 부하 변경에 따른 토크 응답 차이를 나타낸다. 즉, 실질적으로 두 모터(210, 220)에 서로 다른 시간에 서로 다른 부하가 더해지거나 감소하는 경우 이에 따른 토크 응답 차이를 나타낸다.
이와 같이, 두 모터(210, 220) 사이에 부하가 변경될 경우에 (b)에서와 같이 두 모터(210, 220) 사이의 속도 차이가 발생할 수 있다.
이때, 마스터 모터(210)의 상전류는 (c)와 같이 나타나고, 슬레이브 모터(220)의 상전류는 (d)와 같이 나타날 수 있다.
본 발명에 의한 공진 제어에 의하면, 마스터 모터(210)의 d축 보상 전류가 도 8의 (e)와 같이 주입될 수 있으며, 이에 따라 위의 (b)에서 도시하는 바와 같이, 두 모터(210, 220) 사이의 속도 차이는 곧 제어되어 작아짐을 알 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 전력 변환 장치 110: 정류부
120: 컨버터 130: 컨버터 제어부
140: 인버터 150: 인버터 제어부
151: 속도 제어부 152: 전류 제어부
153: 구동신호(PWM) 생성부 154: 감지부
157: 공진 제어부 200: 모터부
210: 제1모터(마스터 모터) 220: 제2모터(슬레이브 모터)

Claims (12)

  1. 제1모터 및 상기 제1모터와 병렬로 연결되는 제2모터를 포함하는 모터부;
    상기 모터부를 구동하기 위한 구동 신호를 출력하는 인버터; 및
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치를 감지하는 감지부;
    목표 속도 및 상기 감지부에서 감지된 상기 제1모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 속도 제어부;
    상기 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하는 전류 제어부;
    상기 생성된 목표 전압 및 상기 감지부에서 감지된 상기 제1모터의 위치에 기초하여 구동 신호를 생성하는 구동신호 생성부; 및
    상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도의 차이와 위치의 차이를 곱한 값을 이용하여 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치의 차이를 추정하여 보상 전류를 생성하여 상기 전류 제어부 측에 보상하는 공진 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 병렬 운전 모터의 구동 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 보상 전류는 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도의 차이와 위치의 차이를 곱한 값에 비례 게인을 곱한 값인 것을 특징으로 하는 병렬 운전 모터의 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 보상 전류는 제1모터의 구동에 댐핑 토크를 발생시키는 값인 것을 특징으로 하는 병렬 운전 모터의 구동 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공진 제어부는,
    상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치의 차이를 추정하는 추정부; 및
    상기 추정된 속도 및 위치의 차이값에 비례 게인을 곱하여 보상 전류를 생성하여 상기 전류 제어부 측에 주입하는 공진 억제 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 운전 모터의 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 보상 전류는, 상기 전류 제어부의 d축 전류 측에 인가되는 것을 특징으로 하는 병렬 운전 모터의 구동 장치.
  7. 제1항에 있어서, 감지부는,
    상기 제1모터를 구동하는 제1전류를 감지하는 제1상전류 검출부;
    상기 제2모터를 구동하는 제2전류를 감지하는 제2상전류 검출부; 및
    상기 제1전류 및 제2전류를 이용하여 속도 및 위치를 추정하는 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 운전 모터의 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서, 감지부는,
    상기 제1모터의 위치를 감지하는 제1위치센서;
    상기 제2모터의 위치를 감지하는 제2위치센서; 및
    상기 제1위치센서 및 제2위치센서로부터 감지된 값을 이용하여 속도를 연산하는 속도 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 운전 모터의 구동 장치.
  9. 제1모터 및 상기 제1모터와 병렬로 연결되는 제2모터를 포함하는 모터부를 구동하는 방법에 있어서,
    상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치를 감지하는 단계;
    목표 속도 및 상기 감지된 제1모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 단계;
    상기 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하는 단계;
    상기 생성된 목표 전압 및 상기 감지된 상기 제1모터의 위치에 기초하여 구동 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도의 차이와 위치의 차이를 곱한 값을 이용하여 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도 및 위치의 차이를 추정하여 보상 전류를 생성하여 상기 목표 전류에 보상하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 병렬 운전 모터의 구동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 보상 전류는 상기 제1모터 및 상기 제2모터의 속도의 차이와 위치의 차이를 곱한 값에 비례 게인을 곱한 값인 것을 특징으로 하는 병렬 운전 모터의 구동 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 보상 전류는, 상기 목표 전류의 d축 전류에 보상되는 것을 특징으로 하는 병렬 운전 모터의 구동 방법.
  12. 제1항 및 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 구동 장치를 포함하거나 또는 제9항 내지 제11항의 구동 방법에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
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