KR102015867B1 - 모터 구동 장치 - Google Patents

모터 구동 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102015867B1
KR102015867B1 KR1020180010986A KR20180010986A KR102015867B1 KR 102015867 B1 KR102015867 B1 KR 102015867B1 KR 1020180010986 A KR1020180010986 A KR 1020180010986A KR 20180010986 A KR20180010986 A KR 20180010986A KR 102015867 B1 KR102015867 B1 KR 102015867B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phase
motor
voltage
speed
inverter
Prior art date
Application number
KR1020180010986A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190091883A (ko
Inventor
김기만
엄상준
유동석
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020180010986A priority Critical patent/KR102015867B1/ko
Publication of KR20190091883A publication Critical patent/KR20190091883A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102015867B1 publication Critical patent/KR102015867B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings
    • H02M2001/0054—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

본 발명은 인버터에 인가되는 DC 링크 전압을 제어하여 인버터의 스위칭 손실과 모터의 철손을 저감할 수 있는 모터 구동 장치에 관한 것이다. 상기 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 한주기 동안 한번만 온-오프되는 PWM 신호(PWMS)와 함께 인버터에 인가되는 전압을 가변시킴으로써, 인버터에 포함된 3상 스위치소자들의 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다.

Description

모터 구동 장치{Motor drive apparatus}
본 발명은 인버터에 인가되는 DC 링크 전압을 제어하여 인버터의 스위칭 손실 및 모터의 철손을 저감할 수 있는 모터 구동 장치에 관한 것이다.
소형 정밀제어 모터는 크게 AC 모터, DC 모터, 브러시리스(Brushless) DC 모터 및 릴럭턴스(Reluctance) 모터로 구분된다.
이러한 소형 정밀제어 모터는 AV 기기용, 컴퓨터용, 가전 및 주택설비용, 산업용 등 많은 곳에서 사용되고 있다. 특히 가전 분야는 소형모터의 최대 시장을 형성해 가고 있는 분야이다. 가전제품은 점차 고급화 되어 가고 있으며 그에 따라 구동되는 모터의 소형화, 저소음화, 저소비전력화 등이 요구된다.
여기에서, 국내 공개 특허(KR 10-2016-0098886 A1)를 참조하면, 종래의 모터에 대한 구동 장치가 도시되어 있는바, 이를 참조하여, 종래의 모터 구동 장치를 살펴보도록 한다.
도 1은 종래의 모터 구동 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 모터　구동 장치(10)는　모터(11),　인버터(12) 및 제어유닛(13)을 포함할 수 있다.
모터(11)는 3상 코일(미도시)이 권선된 스테이터(stator) 및 스테이터 내에 배치되며 3상 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 로터(rotor)를 포함할 수 있다.
인버터(12)는 3상 스위치 소자들(미도시)을 포함한다. 3상 스위치 소자들은 제어유닛(13)으로부터 수신한 동작 제어 신호(이하, PWM(Pulse Width Modulation) 신호라 칭함, PWMS)를 기초로 온오프 동작을 수행한다. 이를 통해, 3상 스위치 소자들은 입력된 DC 전압(Vdc)을 3상 AC 전압(Vua, Vvb, Vwc)으로 변환하여 3상 코일로 공급할 수 있다.
제어유닛(13)은 입력받은 목표 지령값 및 로터의 전기각 위치를 기반으로 3상 스위치소자들 각각의 온 동작에 대한 온 시간구간 및 오프동작에 대한 오프 시간구간을 결정하는 PWM 신호(PWMS)를 출력할 수 있다.
다만, 종래의 모터 구동 장치(10)에서는 한주기 동안 복수 회에 걸쳐 온-오프되는 PWM 신호(PWMS)에 의해 인버터(12)에 포함된 3상 스위치소자들의 스위칭 손실이 증가하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 모터 구동 장치(10)에서는 한주기 동안 복수 회에 걸쳐 온-오프되는 PWM 신호(PWMS)에 의해 모터(11)에 입력되는 상전류에 리플이 발생하여 모터(11)의 철손이 증가하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 모터　구동 장치(10)에서는 인버터(12)에 입력되는 지령속도와 모터(11)의 현재속도 사이에 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 인버터에 포함된 3상 스위치소자들의 스위칭 손실을 저감시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 모터에 입력되는 리플 성분을 저감시켜 모터의 철손이 감소시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 인버터에 입력되는 지령속도와 모터의 현재속도 사이의 오차를 최소화시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 한주기 동안 한번만 온-오프되는 PWM 신호(PWMS)와 함께 인버터에 인가되는 전압을 가변시킴으로써, 인버터에 포함된 3상 스위치소자들의 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 한주기 동안 한번만 온-오프되는 PWM 신호(PWMS)와 함께 인버터에 인가되는 전압을 가변시킴으로써, 모터에 입력되는 전류 리플을 저감시켜 모터의 철손이 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 인버터에 입력되는 지령속도와 모터의 실제속도 사이의 차이에 따라 인버터에 인가되는 전압을 가변시킴으로써, 지령속도와 모터의 실제속도 사이의 오차를 최소화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 인버터에 포함된 3상 스위치소자들이 한주기 동안 한번만 온-오프되도록 동작시킴으로써 인버터에 포함된 3상 스위치소자들의 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다. 이를 통해, 인버터의 수명을 연장시키고, 인버터 동작의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 인버터의 제어 방식을 단순화시킴으로써 제어모듈의 필요 성능을 낮출 수 있고, 이를 통해 제조 원가를 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 3상 스위치소자들이 적은 횟수로 온-오프됨에 따라 모터에 전달되는 전력이 감소되는 것을 막기 위하여 인버터에 인가되는 전압을 가변시킴으로써, 모터의 회전력을 향상시킬 수 있다. 또한, 한주기 동안 한번만 온-오프되는 PWM 신호(PWMS)와 함께 인버터에 인가되는 전압을 가변시킴으로써, 모터에 입력되는 리플 성분을 저감시켜 모터의 철손이 감소시킬 수 있다. 이를 통해, 모터의 수명을 연장시키고, 모터 동작의 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 인버터에 입력되는 지령속도와 모터의 실제속도 사이의 차이에 따라 인버터에 인가되는 전압을 가변시킴으로써, 지령속도와 모터의 실제속도 사이의 오차를 최소화시킬 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 모터 구동 장치는 사용자가 필요로 하는 성능을 만족시킬 수 있으며, 모터 제어 및 구동의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 모터 구동 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 블록도이다.　
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 회로도이다.　
도 4는 도 2의 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 인버터에 인가되는 3상 제어신호를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 도 2의 제어유닛의 구성요소를 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.　
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 모터에 인가되는 상전류 및 상전압과 종래 기술과의 차이점을 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하에서는, 도 2 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 모터 구동 장치를 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 블록도이다.　
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는 부스트 회로부(107), 모터(110), 인버터(120) 및 제어유닛(130)을 포함할 수 있다.
추가적으로, 모터 구동 장치는 필터부(103) 및 정류부(105)를 더 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 다른 실시예에서 필터부(103) 및 정류부(105)는 생략되어 실시될 수 있다.
우선, 전원부(101)는 교류 전력을 제공할 수 있다.
구체적으로, 전원부(101)는 교류 전력을 필터부(103)를 통해 정류부(105)에 제공할 수 있고, 예를 들어, 전원부(101)는 상용 교류 전원일 수 있다.
필터부(103)는 전원부(101)로부터 인가되는 입력 전류에 포함된 리플(Ripple)이나 노이즈 성분을 제거한다.
여기에서, 필터부(103)는 복수의 인덕터로 구성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
정류부(105)는 전원부(101)로부터 공급받은 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 부스트 회로부(107)에 제공할 수 있다.
구체적으로, 정류부(105)는 전원부(100)로부터 공급받은 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환할 수 있다.
참고로, 도면에 도시되어 있지 않지만, 정류부(105)에 의해 정류된 직류 전원은 필터부(미도시)로 제공될 수 있고, 필터부는 해당 직류 전원에 남아 있는 교류 성분을 제거할 수 있다. 또한 정류부(105)에 의해 정류된 직류 전원은 직류 링크 커패시터(미도시; 평활 커패시터)로 제공될 수 있고, 직류 링크 커패시터는 해당 직류 전원의 리플(Ripple) 성분을 저감시킬 수 있다.
부스트 회로부(107)는 정류부(105)로부터 제공받은 직류 전원을 부스팅하여 인버터(120)에 제공한다. 즉, 부스트 회로부(107)는 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압의 크기를 조절할 수 있다. 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압을 직류 링크 전압(DC Link Voltage)라 한다.
이때, 부스트 회로부(107)는 제어유닛(130)으로부터 수신한 제어 신호(S1)에 의해 동작이 제어될 수 있다.
여기에서, 제어 신호(S1)는 PWM 신호일 수 있으며, 제어 신호(S1)의 듀티비(duty ratio)에 따라 부스트 회로부(107)에서 출력되는 전압의 크기는 가변될 수 있다.
여기에서, 제어 신호(S1)는 인버터(120)의 직류 링크 전압이 기준 전압보다 낮은 경우, 로우 논리 신호(예를 들어, 논리값 '0')를 나타낸다.
반대로, 제어 신호(S1)는 인버터(120)의 직류 링크 전압이 기준 전압보다 높은 경우, 하이 논리 신호(예를 들어, 논리값 '1')와 로우 논리 신호(예를 들어, 논리값 '0')가 교번하는 PWM 신호를 갖는다. 이러한 PWM 신호는 일정한 듀티비(duty ratio)를 갖는다.
제어 신호(S1)의 듀티비가 상승하는 경우, 부스트 회로부(107)는 입력되는 전압을 부스팅하여 인버터(120)에 제공할 수 있다. 즉, 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압의 크기는 증가될 수 있다.
이에 대한 자세한 설명은 이하에서 후술하도록 한다.
모터(110)는 3상 코일(미도시)이 권선된 스테이터(stator) 및 스테이터 내에 배치되며 3상 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 로터(rotor)를 포함할 수 있다.
인버터(120)로부터 3상 교류 전압(Vua, Vvb, Vwc)이 3상 코일로 공급되면, 모터(110)에서는 3상 코일에서 발생된 자계에 따라 로터에 포함된 영구자석이 회전한다.
모터(110)는 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 모터(110)는 표면 부착형 영구자석 동기 모터(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기 모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 모터(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다.
다만, 모터(110)는 3상 코일에 의해 동작하는 3상 모터에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 모터(110)는 단상 코일을 이용하는 단상 모터를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 3상 모터를 기준으로 본 발명의 특징을 설명하도록 한다.
인버터(120)는 3상 스위치 소자들(미도시)을 포함할 수 있다.
3상 스위치 소자들은 제어유닛(130)에서 공급된 동작 제어 신호(이하, 'PWM(Pulse Width Modulation) 신호'라 칭함, 이하, PWM 신호)가 입력되는 경우, 턴온(Turn-On) 또는 턴오프(Turn-Off) 된다.
이를 통해, 인버터(120)는 입력된 직류 전압(Vdc)을 3상 교류 전압(Vua, Vvb, Vwc)로 변환하여 3상 코일에 공급할 수 있다. 3상 스위치 소자들에 대한 자세한 설명은 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.
제어유닛(130)는 목표 지령값 입력시, 목표 지령값 및 로터의 전기각 위치를 기초로 3상 스위치소자들 각각의 온 동작에 대한 온 시간구간 및 오프동작에 대한 오프 시간구간을 결정하는 PWM 신호(PWMS)를 출력할 수 있다.
또한, 제어유닛(130)은 부스트 회로부(107)의 동작을 제어하는 제어 신호(S1)를 출력할 수 있다. 이때, 제어 신호(S1)는 모터(110)의 계산된 현재속도와, 지령속도 간의 차이를 기초로 생성될 수 있다.
제어유닛(130)의 구성요소 및 동작에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
추가적으로, 모터 구동 장치는 입력 전류 검출부(A), 직류단 검출부(B), 직류단 커패시터(C), 전동기 전류 검출부(E), 및 입력 전압 검출부(F) 등을 더 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 앞의 추가적인 구성요소 중 일부는 생략되어 실시될 수 있다.
구체적으로, 입력 전류 검출부(A)는 전원부(101)로부터 입력되는 입력 전류(ig)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(A)로, CT(current transformer), 션트 저항 등이 이용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(ig)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 전력 제어를 위해 제어유닛(130)에 입력될 수 있다.
입력 전압 검출부(F)는 전원부(101)으로부터 입력되는 입력 전압(vg)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전압 검출부(F)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 입력 전압(vg)은 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서 전력 제어를 위해 제어유닛(130)에 입력될 수 있다.
커패시터(C)는 입력되는 전원을 저장한다. 도면에서는, 직류단 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어 소자 안정성을 확보할 수 있다.
직류단 검출부(B)는 커패시터(C)의 양단의 직류단 전압(Vdc) 및 직류단 전류(Idc)를 검출할 수 있다. 이를 위해, 직류단 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다.
검출되는 직류단 전압(Vdc)은 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, PWM 신호(PWMS)의 생성을 위해 제어유닛(130)에 입력될 수 있다.
또한, 인버터(120)에 제공되는 직류단 전압(Vdc) 및 직류단 전류(Idc)는 모터(110)의 각 상에서 발생하는 역기전력을 계산하는데 이용될 수 있다. 각 상에 대한 역기전력을 계산하는 방법에 대한 내용은 이하에서 자세히 설명하도록 한다.
전동기 전류 검출부(E)는, 인버터(120)와 모터(110) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 3상 모터(110)에 흐르는 전류를 검출한다. 전동기 전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia, ib, ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 3상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
전동기 전류 검출부(E)는 인버터(120)와 3상 모터(110) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current transformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
이에, 제어유닛(130)는, 입력 전류 검출부(A)에서 검출되는 입력 전류(ig)와 입력 전압 검출부(F)에서 검출되는 입력 전압(vg), 직류단 검출부(B)에서 검출되는 직류단 전압(Vdc) 및 직류단 전류(Idc), 전동기 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 이용하여 인버터(120)의 동작 제어를 수행할 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어유닛(130)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 PWM 신호(PWMS)가 생성된다. 이하에서는 검출된 출력전류(io)가 3상의 출력 전류(ia,ib,ic)인 것으로 하여 기술한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 회로도이다.　
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치에서, 필터부(103), 정류부(105), 부스트 회로부(107) 및 인버터(120)는 순서대로 연결된다.
필터부(103)는 전원부(101)로부터 인가되는 입력 전류에 포함된 리플(Ripple)이나 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 이때, 필터부(103)는 복수의 인덕터(L1, L2)를 포함한다. 각각의 인덕터(L1, L2)는 전원부(101)과 정류부(105) 사이에 배치될 수 있다.
정류부(105)는 전원부(101)로부터 공급받은 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 부스트 회로부(107)에 공급할 수 있다.
예를 들어, 정류부(105)는, 4개의 다이오드가 연결된 풀 브릿지 다이오드를 구비할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형되어 적용될 수 있다.
또한, 정류부(105)의 출력단에는 커패시터(C1)가 추가되어, 출력되는 전원의 리플 또는 노이즈 성분을 제거할 수 있다.
부스트 회로부(107)는 인덕터(Lb), 다이오드(Db), 부스트 스위치소자(Tb), 및 커패시터(Cb)를 포함한다. 다만, 부스트 회로부(107)의 구성은 다양하게 변형되어 실시될 수 있고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 도 3에 도시된 부스트 회로부(107)의 각각의 구성요소에 대해 설명하도록 한다.
우선, 커패시터(Cb)는 인버터(120)의 입력 단자에 병렬로 연결된다. 이에 따라, 커패시터(Cb)의 양단에는 인버터(120)의 입력 단자에 걸리는 직류 링크 전압(DC Link Voltage)과 동일한 전압(Vdc)이 인가된다.
다이오드(Db)는 커패시터(Cb)의 일측과 중앙 노드(N1) 사이에 배치된다. 다이오드(Db)는 중앙 노드(N1)에서 인버터(120)를 향해 흐르는 전류(순방향 전류)를 통과시키고, 그 반대방향으로 흐르는 전류(역방향 전류)는 통과시키지 않는다.
인덕터(Lb)는 정류부(105)와 중앙 노드(N1) 사이에 배치된다. 인덕터(Lb)는 정류부(105)로부터 출력된 직류 전류를 입력받아 다이오드(Db)에 전달한다.
부스트 스위치소자(Tb)는 중앙 노드(N1)와 커패시터(Cb)의 타측 사이에 배치된다. 부스트 스위치소자(Tb)는 제어유닛(130)에서 출력되는 제어 신호(S1)에 의해 턴온(Turn-On) 또는 턴오프(Turn-Off)된다.
부스트 스위치소자(Tb)는 다양한 종류의 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 제어 신호(S1)는 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되어, 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전류를 조절할 수 있다.
여기에서, 제어 신호(S1)는 PWM 신호일 수 있으며, 제어 신호(S1)의 듀티비(duty ratio)는 제어유닛(130)에 의해 가변될 수 있다.
제어 신호(S1)에 의해 부스트 스위치소자(Tb)가 온-오프를 반복함에 따라 중앙 노드(N1)에는 통전과 단락이 반복해서 발생한다. 이에 따라, 중앙 노드(N1)에는 교류 전력이 발생되며, 인덕터(Lb)에는 에너지가 축적된다.
이어서, 인덕터(Lb)에 축적된 에너지는 다이오드(Db)를 통해 커패시터(Cb)로 전달된다. 이에 따라, 커패시터(Cb)의 양단에 걸리는 전압(Vdc)의 크기는 가변될 수 있다.
이때, 제어 신호(S1)의 듀티비가 증가되는 경우, 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)의 크기는 증가된다.
반대로, 제어 신호(S1)의 듀티비가 감소되는 경우, 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)의 크기는 감소된다.
즉, 제어유닛(130)은 제어 신호(S1)의 듀티비를 조절함으로써 인버터(120)에 인가되는 전압의 크기를 가변시킬 수 있다. 인버터(120)에 인가된는 전압의 크기가 증가될수록, 모터(110)의 동작 속도는 증가될 수 있다.
이후에 자세히 설명하겠으나, 제어유닛(130)은 2상 통전 방식으로 인버터(120)에 포함된 복수의 스위치를 제어한다.
2상 통전 방식은 한 주기(1 Hz)에 120도 구간에서만 신호를 통전시키는 방식을 의미한다. 본 발명에서 인버터(120)에 포함된 각각의 스위치는 한 주기에 120도에 해당하는 시간만 신호가 활성화되는 개선된 2상 통전 방식이 이용된다.
개선된 2상 통전 방식을 이용하는 경우, 인버터(120)는 스위치의 턴온 및 턴오프 횟수를 최소화할 수 있고, 인버터(120)는 3상 스위치소자들의 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다.
또한, 개선된 2상 통전 방식은 한 주기에 신호가 복수회 스위칭되는 대신, 120도 구간 동안 일정한 전압이 인가되는 바, 모터(110)에 인가되는 상전류 및 상전압의 리플 성분이 저감되고, 이로 인해 모터(110)의 철손이 저감될 수 있다.
다만, 이러한 개선된 2상 통전 방식은 PWM 신호의 평균값에 해당하는 전압이 인가되는 바, 상대적으로 모터(110)에 낮은 출력을 전달하게 된다.
이를 보상하여 모터(110)를 정상 동작시키기 위해, 본 발명에서는 부스트 회로부(107)를 추가하여 일정 조건에서 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압을 증가시킨다. 이를 통해, 모터(110)에는 충분한 크기의 전력이 전달될 수 있다.
또한, 개선된 2상 통전 방식은 종래의 2상 통전 방식 및 3상 통전 방식에 비해 인버터(120)의 제어 방식이 단순하므로, 제어유닛(130)에 요구되는 필요 성능(spec)이 낮아질 수 있다.
따라서, 본 발명의 모터 구동 장치는 상대적으로 저비용의 마이컴을 이용하여 인버터(120)를 제어할 수 있어 제조 비용이 절감될 수 있다.
또한, 모터 구동 장치의 제어 방법이 단순화됨에 따라 모터 구동 장치의 동작 안정성은 향상될 수 있다.
인버터(120)의 구체적인 회로는 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 도 2의 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(120)는 3상 스위치소자들을 포함할 수 있다. 3상 스위치소자들은 제어유닛(130)으로부터 공급된 PWM 신호(PWMS)에 의해 온-오프 동작하며, 이를 통해 입력된 직류 링크 전압(Vdc)을 소정 주파수 또는 듀티를 갖는 3상 교류 전압(Vua, Vvb, Vwc)으로 변환하여 모터(110)로 제공할 수 있다.
3상 스위치소자들은 서로 직렬 연결되는 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc) 및 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'b)가 서로 한 쌍이 되며, 총 세쌍의 제1 내지 제3 상암 스위치 및 제1 내지 제3 하암 스위치(Sa&S'a, Sb&S'b, Sc&S'c)가 서로 병렬 연결될 수 있다.
이때, 제1 상, 하암 스위치(Sa, S'a)는 모터(110)의 3상 코일(La, Lb, Lc) 중 제1 상 코일(La)로 3상 교류 전압(Vua, Vvb, Vwc) 중 제1 상 교류 전압(Vua)를 공급한다.
또한, 제2 상, 하암 스위치(Sb, S'b)는 제2 상 코일(Lb)로 제2 상 교류 전압(Vvb)을 공급하며, 제3 상, 하암 스위치(Sc, S'c)는 제3 상 코일(Lc)로 제3 상 교류 전압(Vwc)를 공급할 수 있다.
여기서, 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc) 및 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'b) 각각은 로터의 일 회전당, 입력된 PWM 신호(PWMS)에 따라 한번 온-오프 동작하여, 3상 코일(La, Lb, Lc) 각각으로 3상 교류 전압(Vua, Vvb, Vwc)을 제공할 수 있다.
즉, 인버터(120)는 로터의 일 회전당 각각의 스위치들이 한번씩 온-오프되는 개선된 2상 통전 방식으로 동작할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 인버터에 인가되는 3상 제어신호를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 인버터(120)에서 제1 상 코일(La)에 인가되는 제1 상 파형(Iua)은 한 주기(T1) 내에서 120도 동안 제1 상암 스위치(Sa)가 온 상태로 동작한다.
이어서, 제2 상 코일(Lb)에 인가되는 제2 상 파형(Ivb)은 한 주기(T1) 내에서 120도 동안 제2 상암 스위치(Sb)가 온 상태로 동작한다. 이어서, 제3 상 코일(Lc)에 인가되는 제3 상 파형(Iwc)은 한 주기(T1) 내에서 120도 동안 제3 상암 스위치(Sc)가 온 상태로 동작한다.
이때, 제1 상암 스위치(Sa)의 온 시간구간은 제2 및 제3 상암 스위치(Sb, Sc)의 온 시간구간과 서로 중첩되지 않는다.
즉, 로터의 한 주기(T1) 내에서 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc) 중 하나의 스위치만이 온 상태로 동작하게 된다.
이에 따라, 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc)의 동작을 제어하는 3상 제어신호(Su, Sv, Sw)의 경우에도, 각각의 온 시간구간이 서로 중첩되지 않는다.
마찬가지로, 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc)와 마찬가지로, 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'c)의 온 시간구간도 서로 중첩되지 않을 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 모터(110) 및 인버터(120)는 개선된 2상 통전 방식으로 동작할 수 있다.
이때, 인버터(120)에 포함된 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc) 및 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'c)는 한 주기에 120도에 해당하는 시간만 신호가 활성화된다.
즉, 인버터(120)에 포함된 각각의 스위치는 한 주기(T1)에 한번씩만 턴온 및 턴오프 될 수 있다.
이러한 개선된 2상 통전 방식을 이용하는 경우, 인버터(120)는 스위치의 턴온 및 턴오프 동작 횟수를 최소화할 수 있다. 이를 통해, 인버터(120)는 3상 스위치소자들(즉, 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc) 및 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'c))의 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다.
또한, 개선된 2상 통전 방식은 한 주기(T1)에 120도 동안 일정한 전압이 인가되는 바, 3상 스위치소자들을 제어하는 PWM 신호(Su, Sv, Sw)에 의해 발생하는 전류 리플이 저감되고, 이에 따라 모터(110)의 철손이 저감될 수 있다.
또한, 개선된 2상 통전 방식은 PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 신호 변화 횟수를 최소화할 수 있으므로, PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 생성에 필요한 제어유닛(130)에 요구되는 필요 성능(spec)이 낮아질 수 있다.
따라서, 본 발명의 모터 구동 장치는 상대적으로 저성능 저비용의 제어유닛(130)을 이용하여 인버터(120)를 제어할 수 있으므로 제조 비용이 절감될 수 있다.
도 6은 도 2의 제어유닛의 구성요소를 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제어유닛(130)은 역기전력 연산부(210), 제1 속도 연산부(220), 제2 속도 연산부(230), 스위치부(240), 전압지령 생성부(250), 및 제어신호 생성부(260)를 포함한다.
우선, 역기전력 연산부(210)는 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)(즉, 직류 링크 전압) 및 전류(Idc)를 기초로 모터(110)의 3상 코일(La, Lb, Lc)에 인가되는 역기전력을 계산할 수 있다.
여기에서 역기전력 연산부(210)는 아래 수학식 (1)을 이용하여 각 3상 코일(La, Lb, Lc)에 인가되는 역기전력을 계산할 수 있다.
Figure 112018010257288-pat00001
-----(1)
여기에서, ea는 a 상의 역기전력을 나타내고, Vdc는 직류 링크 전압을 나타내고, Tduty는 전기각 주기를 나타내고, La는 a상의 인덕턴스를 나타내고, iD는 특정 시점에 모터(110)에 흐르는 전류를 나타내고, Ts는 전류 샘플링 주기를 나타내고, Ra는 a상의 저항을 나타낸다.
즉, 역기전력 연산부(210)는 상기 수학식 (1)을 이용하여 u상, v상, 및 w상의 역기전력(eu, ev, ew)를 계산하여 제1 속도 연산부(220)에 전달할 수 있다.
제1 속도 연산부(220)는 모터(110)의 3상에 대한 역기전력(eu, ev, ew)을 수신하고, 이를 이용하여 모터(110)의 제1 현재속도(ωcal)를 산출한다.
이때, 제1 속도 연산부(220)는 룩업 테이블(Look-up Table)을 이용하여 제1 현재속도(ωcal)를 산출할 수 있다. 제1 속도 연산부(220)는 3상에 대한 역기전력(eu, ev, ew)과 제1 현재속도(ωcal) 사이의 대응 관계를 나타내는 룩업 테이블을 저장할 수 있다.
즉, 제1 속도 연산부(220)는 미리 저장된 룩업 테이블과, 역기전력 연산부(210)에서 수신한 역기전력(eu, ev, ew)의 값을 기초로 제1 현재속도(ωcal)를 산출한다.
다만, 제1 속도 연산부(220)는 룩업 테이블을 이용하는 방식에 한정되지 않으며, 역기전력(eu, ev, ew)을 기초로 제1 현재속도(ωcal)를 산출할 수 있는 다양한 방식이 이용될 수 있다.
제2 속도 연산부(230)는 3상 전압(Va, Vb, Vc)을 기초로 모터(110)의 제2 현재속도(ωest)를 산출할 수 있다.
도면에 명확하게 도시하지는 않았으나, 제2 속도 연산부(230)는 모터(110)에 포함된 로터의 위치 추정부(미도시)에서 추정한 위치(H) 및 3상 전압(Va, Vb, Vc) 또는 3상 전류(Ia, Ib, Ic) 중 적어도 하나에 기초하여, 모터(110)의 제2 현재속도(ωest)를 연산할 수 있다.
이때, 제2 속도 연산부(230)는 로터의 위치(H)를 시간으로 나누어 제2 현재속도(ωest)를 연산할 수 있다.
다만, 제2 속도 연산부(230)는 3상 전압(Va, Vb, Vc) 또는 3상 전류(Ia, Ib, Ic)를 기초로 다양한 방식을 이용하여 모터(110)의 제2 현재속도(ωest)를 연산할 수 있다.
스위치부(240)는 제1 현재속도(ωcal) 및 제2 현재속도(ωest)를 입력받고, 입력 받은 두 신호 중 어느 하나만을 출력한다.
즉, 스위치부(240)는 제1 속도 연산부(220)의 출력 신호 또는 제2 속도 연산부(230)의 출력 신호 중 어느 하나를 선택하여 전압지령 생성부(250)에 전달한다.
이때, 스위치부(240)는 모터(110)의 현재 동작 특성에 따라 어떤 신호를 출력할지를 결정할 수 있다.
예를 들어, 모터(110)의 현재속도의 변화량이 기준치보다 작은 경우, 스위치부(240)는 제1 속도 연산부(220)의 출력 신호인 제1 현재속도(ωcal)를 출력한다.
즉, 모터(110)의 속도 변화량이 작아 비교적 일정한 속도로 모터(110)가 동작하는 경우, 제어 신호(S1)를 생성하는데 제1 현재속도(ωcal)가 이용된다.
반면, 모터(110)의 현재속도의 변화량이 기준치보다 큰 경우, 스위치부(240)는 제2 속도 연산부(230)의 출력 신호인 제2 현재속도(ωest)를 출력한다.
즉, 모터(110)의 속도 변화량이 비교적 커서 모터(110)의 동특성 가변률이 커지는 경우, 제어 신호(S1)를 생성하는데 제2 현재속도(ωest)가 이용된다.
스위치부(240)에서 출력된 현재속도(ωp)는 전압지령 생성부(250)에 전달된다.
전압지령 생성부(250)는 지령속도(ω*)와 스위치부(240)에서 출력된 현재속도(ωp)를 이용하여 전압 지령치(Vdc*)를 생성한다.
전압지령 생성부(250)는 제1 비교기(252)와 제1 PI 제어기(254)를 포함한다. 여기에서, 제1 비교기(252)는 지령속도(ω*)와 스위치부(240)에서 출력된 현재속도(ωp)의 차이를 계산하고, 제1 PI 제어기(254)는 PI 제어를 수행하여 전압 지령치(Vdc*)를 생성할 수 있다.
이후, 전압지령 생성부(250)에서 출력된 전압 지령치(Vdc*)는 제어신호 생성부(260)에 전달된다.
제어신호 생성부(260)는 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)과 전압지령 생성부(250)에서 출력된 전압 지령치(Vdc*)를 이용하여 제어 신호(S1)를 생성한다.
제어신호 생성부(260)는 제2 비교기(262)와 제2 PI 제어기(264)를 포함한다. 여기에서, 제2 비교기(262)는 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)와 전압 지령치(Vdc*)의 차이를 계산하고, 제2 PI 제어기(264)는 PI 제어를 수행하여 제어 신호(S1)를 생성할 수 있다.
생성된 제어 신호(S1)는 부스트 회로부(107)에 포함된 부스트 스위치소자(Tb)에 입력될 수 있다.
정리하면, 제어유닛(130)은 모터(110)에서 발생되는 역기전력(eu, ev, ew)을 계산하고, 역기전력(eu, ev, ew)을 기초로 모터(110)의 현재속도(ωp)를 계산하며, 현재속도(ωp)를 기초로 인버터(120)에 인가되는 전압(Vdc)을 조절한다.
이를 통해, 제어유닛(130)은 인버터(120)에 입력되는 지령속도(ω*)와 모터(110)의 현재속도(ωp) 간의 차이에 따라 인버터(120)에 인가되는 전압(Vdc)을 가변시킴으로써, 지령속도(ω*)와 모터(110)의 현재속도(ωp) 간의 오차를 최소화시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.　
도 7을 참조하면, 우선, 제1 구간(T1)에서 모터(110)의 속도는 점차적으로 증가된다. 여기에서, 제어유닛(130)에 인가되는 지령속도(ω*)는 점차적으로 증가되며, 모터(110)의 속도는 지령속도(ω*)를 따라 함께 증가될 수 있다.
이때, 인버터(120)는 앞에서 설명한 개선된 2상 통전 방식으로 동작한다. 인버터(120)에 포함된 각각의 스위치들은 한 주기(1 Hz)에 120도 구간에서만 통전된다. 즉, 인버터(120)의 각각의 스위치들의 동작을 제어하는 PWM 신호(Su, Sv, Sw)는 한 주기(1 Hz)에 한번씩 턴온 및 턴오프된다.
이때, 모터(110)의 현재속도(ωp)가 증가됨에 따라 PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 신호 주기는 점차 짧아질 수 있다.
참고로, 모터(110)의 현재속도(ωp)가 기준속도(ωst)보다 작은 경우, 인버터(120)에 인가되는 전압(Vdc)의 크기는 일정하게 유지된다. 이때, 인버터(120)에 인가되는 전압(Vdc)의 크기는 기준 전압(Vsp)과 동일할 수 있다.
이어서, 제2 구간(T2)에서 지령속도(ω*)는 모터(110)의 현재속도(ωp)와일치되고, 모터(110)는 일정한 속도로 동작한다. 이에 따라, 인버터(120)에 입력되는 PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 주기도 일정하게 유지된다.
참고로, 지령속도(ω*)는 모터(110)의 현재속도(ωp)와 동일하게 유지될 수 있다. 또한, 인버터(120)에 인가되는 전압(Vdc)의 크기도 일정하게 유지된다.
이어서, 제3 구간(T3)에서, 지령속도(ω*)는 모터(110)의 현재속도(ωp) 보다 커진다. 이때, 지령속도(ω*)는 기준속도(ωst)보다 커질 수 있다.
이때, 부스트 회로부(107)에는 일정한 듀티비를 갖는 제어 신호(S1)가 인가된다. 부스트 회로부(107)에 포함된 부스트 스위치소자(Tb)는 제어 신호(S1)에 의해 온-오프를 반복한다. 이를 통해, 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)의 크기는 증가된다.
참고로, 지령속도(ω*)의 크기가 증가됨에 따라 제어 신호(S1)의 듀티비는 증가된다. 이에 따라 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)의 크기도 함께 증가된다.
또한, 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)이 증가함에 따라 모터(110)에 전달되는 전력량이 증가되고, 모터(110)의 현재속도(ωp)가 증가됨에 따라 PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 신호 주기는 점차 짧아질 수 있다.
이어서, 제4 구간(T4)에서 지령속도(ω*)는 모터(110)의 현재속도(ωp)와일치되고, 모터(110)는 일정한 속도로 동작한다. 이에 따라, 인버터(120)에 입력되는 PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 주기도 일정하게 유지된다.
이때에도, 인버터(120)는 앞에서 설명한 2상 통전 방식으로 동작하며, 인버터(120)에 포함된 각각의 스위치들은 한 주기(1 Hz)에 120도 구간에서만 통전된다.
이어서, 제5 구간(T5)에서 지령속도(ω*)는 모터(110)의 현재속도(ωp) 보다 작아진다. 이때, 지령속도(ω*)는 여전히 기준속도(ωst)보다 큰 범위에 있다.
이때, 제어 신호(S1)의 듀티비는 감소되며, 이에 따라 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)의 크기도 함께 감소된다.
또한, 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)이 감소함에 따라 모터(110)에 전달되는 전력량도 감소되고, 모터(110)의 현재속도(ωp)가 감소됨에 따라 PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 신호 주기는 점차 길어질 수 있다.
이어서, 제6 구간(T6)에서 지령속도(ω*)는 모터(110)의 현재속도(ωp) 보다 작아진다. 이때, 지령속도(ω*)는 기준속도(ωst)보다 작은 범위에 있다.
이때, 제어 신호(S1)의 듀티비는 계속해서 감소되어 '0'으로 수렴한다. 다만, 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)의 크기는 기준 전압(Vst)으로 유지된다.
모터(110)의 현재속도(ωp)가 감소됨에 따라 PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 신호 주기는 점차 길어질 수 있다. 이때에도, 인버터(120)는 앞에서 설명한 2상 통전 방식으로 동작하며, 인버터(120)에 포함된 각각의 스위치들은 한 주기(1 Hz)에 120도 구간에서만 통전된다.
즉, 제어유닛(130)은 인버터(120)에 입력되는 지령속도(ω*)가 기준속도(ωst)보다 큰지 여부에 따라 제어 신호(S1)로서 PWM 신호의 출력 여부를 결정한다.
이어서, 인버터(120)에 입력되는 지령속도(ω*)가 기준속도(ωst)보다 큰 경우, 지령속도(ω*)의 크기에 따라 제어 신호(S1)의 듀티비를 조절한다.
이를 통해, 제어유닛(130)은 지령속도(ω*)의 크기에 따라 인버터(120)에 인가되는 전압(Vdc)을 가변시킬 수 있으며, 2상 통전 방식을 이용함에 따라 부족해질 수 있는 모터(110)의 출력을 보상할 수 있다.
또한, 인버터(120)에 인가되는 전압(Vdc)을 높임으로써, 모터(110)의 동작 성능을 향상시키고, 지령속도(ω*)와 모터(110)의 현재속도(ωp) 간의 오차를 최소화시킬 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 모터에 인가되는 상전류 및 상전압과 종래 기술과의 차이점을 설명하기 위한 그래프이다.
여기에서 도 8은 종래 기술에서 모터(110)에 인가되는 상전류(예를 들어, u상의 전류) 및 상전압(예를 들어, u상의 전압)를 나타내고, 도 9는 본 발명의 모터(110)에 인가되는 상전류(예를 들어, u상의 전류) 및 상전압(예를 들어, u상의 전압)를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 종래 기술의 모터에 인가되는 상전류(예를 들어, u상의 전류) 및 상전압(예를 들어, u상의 전압)에는 리플(ripple) 성분이 포함되어 있다. 이러한 현상은 한주기 동안 인버터에 포함된 각각의 스위치들이 복수 회에 거쳐 턴온 및 턴오프를 반복함에 따라 발생한다.
즉, 인버터의 잦은 스위칭으로 인해 와전류가 발생함에 따라 모터에 인가되는 상전류 및 상전압에 리플 성분이 포함되게 된다.
이 경우, 인버터에는 스위칭 손실 발생하게 되고, 잦은 턴온 및 턴오프의 제어신호를 출력해야 함에 따라 높은 성능의 제어유닛을 필요로 하게 된다. 또한, 모터의 철손은 증가될 수 있다.
반면, 도 9를 참조하면, 본 발명의 모터(110)에 인가되는 상전류(예를 들어, u상의 전류) 및 상전압(예를 들어, u상의 전압)에는 종래 기술과 비교하여 리플 성분이 대폭 감소된 것을 확인할 수 있다.
이는 본 발명의 인버터(120)에 포함된 각각의 스위치가 한 주기에 한번씩만 턴온 및 턴오프 되는 개선된 2상 통전 방식을 이용함에 따른 결과이다.
개선된 2상 통전 방식은 한 주기에 120도 동안 일정한 전압이 모터(110)에 인가된다. 이에 따라, 본 발명은 인버터(120)를 제어하는 PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 신호 변화 횟수를 최소화할 수 있으므로, 스위칭 손실을 최소화시킬 수 있다.
또한, 한 주기에 120도 동안 일정한 전압이 인가되는 바, 3상 스위치소자들을 제어하는 PWM 신호(Su, Sv, Sw)에 의해 발생하는 전류 리플이 저감되고, 이에 따라 모터(110)의 철손이 저감될 수 있다.
또한, PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 신호 변화 횟수를 최소화함에 따라, PWM 신호(Su, Sv, Sw)의 생성에 필요한 제어유닛(130)에 요구되는 필요 성능(spec)을 낮출 수 있다.
또한, 2상 통전 방식을 이용함으로써 부족해질 수 있는 모터(110)의 출력은 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 전압(Vdc)을 지령속도(ω*)와 현재속도(ωp)를 기초로 가변시킴으로써 보상할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 모터 구동 장치는 모터(110)의 충분한 전력을 제공할 수 있으며, 모터(110)의 동작 성능을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
101: 전원부 103: 필터부
105: 정류부 107: 부스트 회로부
110: 모터 120: 인버터
130: 제어유닛

Claims (13)

  1. 3상 코일이 권선된 스테이터 및 상기 스테이터 내에 배치되며 상기 3상 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 로터를 포함하는 모터;
    상기 3상 코일로 3상 교류 전압이 공급 또는 차단되도록 온-오프 동작하는 3상 스위치소자들을 포함하는 인버터;
    상기 인버터의 입력 단자에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 부스트 회로부; 및
    상기 모터에서 발생되는 역기전력 및 상기 모터에 인가되는 3상 전압을 이용하여 상기 모터의 제1 및 제2 현재속도를 각각 계산하며, 상기 모터의 속도 변화량에 기초하여 상기 계산된 제1 및 제2 현재속도 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 현재속도를 기초로 상기 인버터에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 제어유닛을 포함하는
    모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 모터의 지령속도가 상기 현재속도보다 큰 경우, 상기 인버터의 상기 입력 단자에 인가되는 전압이 증가되도록 상기 부스트 회로부를 제어하는
    모터 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 회로부는,
    상기 인버터의 상기 입력 단자에 병렬로 연결되는 커패시터와,
    직류 전류가 인가되는 인덕터와,
    상기 커패시터의 일측과, 상기 인덕터 사이에 배치되는 다이오드와,
    상기 커패시터의 타측과, 상기 인덕터 및 상기 다이오드 사이의 노드에 연결되는 부스트 스위치소자를 포함하는
    모터 구동 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 모터의 상기 현재속도와 입력된 지령속도의 차이를 기초로 상기 부스트 스위치소자에 인가되는 제어 신호(S1)의 듀티비를 조절하는
    모터 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 지령속도가 상기 현재속도보다 커지는 경우, 상기 제어 신호(S1)의 듀티비를 증가시키고,
    상기 지령속도가 상기 현재속도보다 작아지는 경우, 상기 제어 신호(S1)의 듀티비를 감소시키는
    모터 구동 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    입력된 지령속도가 상기 모터의 기준속도보다 작은 경우, 상기 부스트 스위치소자를 오프시키고,
    입력된 지령속도가 상기 모터의 기준속도보다 큰 경우, 상기 부스트 스위치소자를 반복적으로 온오프 동작시키는
    모터 구동 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 입력 단자에 인가되는 전압 및 전류와, 상기 3상 코일의 저항 및 인덕턴스를 이용하여, 상기 3상 코일의 역기전력을 계산하는 역기전력 연산부와,
    상기 역기전력을 기초로 룩업테이블을 참조하여 상기 모터의 제1 현재속도를 연산하는 제1 속도 연산부를 포함하는
    모터 구동 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 제1 현재속도와 입력된 지령속도를 비교하여 전압지령을 생성하는 전압지령 생성부와,
    상기 전압지령과 상기 입력 단자의 전압을 비교하여 상기 부스트 회로부에 포함된 부스트 스위치소자의 동작을 제어하는 제어 신호(S1)를 생성하는 제어신호 생성부를 더 포함하는
    모터 구동 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 모터에 인가되는 3상 전압을 이용하여, 상기 모터의 제2 현재속도를 연산하는 제2 속도 연산부와,
    상기 제1 및 제2 현재속도를 입력받고, 상기 제1 및 제2 현재속도 중 어느 하나만을 선택하여 출력하는 스위치부를 더 포함하는
    모터 구동 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 3상 코일은,
    상기 3상 교류 전압 중 제1 상 교류 전압이 공급되는 제1 상 코일과,
    상기 3상 교류 전압 중 제2 상 교류 전압이 공급되는 제2 상 코일과,
    상기 3상 교류 전압 중 제3 상 교류 전압이 공급되는 제3 상 코일을 포함하는
    모터 구동 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 3상 스위치소자들은,
    상기 제1 상 교류 전압이 공급되도록 온 및 오프 동작하며, 상기 제1 상 코일과 병렬 연결된 제1 상암 스위치 및 제1 하암 스위치와,
    상기 제2 상 교류 전압이 공급되도록 온 및 오프 동작하며, 상기 제2 상 코일과 병렬 연결된 제2 상암 스위치 및 제2 하암 스위치와,
    상기 제3 상 교류 전압이 공급되도록 온 및 오프 동작하며, 상기 제3 상 코일과 병렬 연결된 제3 상암 스위치 및 제3 하암 스위치를 포함하는
    모터 구동 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 로터의 일회전당 상기 3상 스위치소자들 각각의 온 동작에 대한 온 시간구간 및 오프동작에 대한 오프 시간구간을 결정하는 3상 제어신호를 출력하고,
    상기 제1 내지 제3 상암 스위치 및 상기 제1 내지 제3 하암 스위치 각각은, 상기 로터의 일 회전당 상기 3상 제어신호에 따라 한번 온 및 오프 동작하는
    모터 구동 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 상암 스위치의 온 시간구간은, 상기 제2, 및 제3 상암 스위치의 온 시간구간과 서로 비중첩되는
    모터 구동 장치.
KR1020180010986A 2018-01-29 2018-01-29 모터 구동 장치 KR102015867B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180010986A KR102015867B1 (ko) 2018-01-29 2018-01-29 모터 구동 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180010986A KR102015867B1 (ko) 2018-01-29 2018-01-29 모터 구동 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190091883A KR20190091883A (ko) 2019-08-07
KR102015867B1 true KR102015867B1 (ko) 2019-08-29

Family

ID=67621563

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180010986A KR102015867B1 (ko) 2018-01-29 2018-01-29 모터 구동 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102015867B1 (ko)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990081161A (ko) * 1998-04-27 1999-11-15 구자홍 모터의 구동방법
WO2009033912A1 (de) * 2007-09-11 2009-03-19 Abb Schweiz Ag Verfahren und vorrichtung zum bestimmen eines erregerstroms in bürstenlosen elektrischen maschinen
KR102350484B1 (ko) * 2014-12-01 2022-01-17 삼성전자주식회사 모터 구동 장치, 이를 포함하는 공기조화기 및 그의 제어방법
KR101736819B1 (ko) * 2015-02-11 2017-05-17 엘지전자 주식회사 모터 구동 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190091883A (ko) 2019-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9998059B2 (en) Motor driving apparatus
JP5501231B2 (ja) 単一スイッチ方式のスイッチドリラクタンス機を制御する方法、制御装置、および電力変換装置
US20150145446A1 (en) Motor drive device
KR20150129755A (ko) 무브러시 dc 모터들용 사인 변형 사다리꼴 구동
AU2018281237B2 (en) Motor driving apparatus
JP4226224B2 (ja) インバータ装置
AU2018295871B2 (en) Motor drive apparatus
AU2018300408B2 (en) Motor driving apparatus
KR102015867B1 (ko) 모터 구동 장치
KR102429553B1 (ko) 전기자동차의 전력변환시스템 및 전력변환방법
KR102336239B1 (ko) 모터 구동 장치 및 그 제어 방법
KR102238456B1 (ko) 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동 회로
CN113364305A (zh) 一种用于控制变频压缩机转速的变频器及其控制方法
JP6198083B2 (ja) 電動工具
KR102509725B1 (ko) 모터 구동 장치
KR20200055575A (ko) 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스
JP3908431B2 (ja) 永久磁石同期モータの回転制御方法
JPH1169863A (ja) 直流ブラシレスモータ駆動装置
CN110620459A (zh) 用于操作bldc电动机的驱动电路
JP2003018877A (ja) 冷蔵庫
JP2018042393A (ja) モータ駆動制御装置
JP2016163517A (ja) 永久磁石モータの制御方法及び永久磁石モータの制御装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right