KR102040018B1 - 전동기 제어 장치 - Google Patents

Abstract

전동기 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 전동기 제어 장치는, 제1 모터 및 제2 모터에 교류 전력을 공급하는 하나의 인버터, 상기 제1 모터의 3상 중 둘 이상의 상의 전류를 감지하는 제1 검출부, 상기 제2 모터의 3상 중 둘 이상의 상의 전류를 감지하는 제2 검출부, 및, 상기 제1 모터의 회전자의 위치각을 기준으로, 상기 제1 모터의 제1 q축 전류 및 상기 제2 모터의 제2 q축 전류의 차이에 기초하여 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 제어부를 포함한다.

Description

전동기 제어 장치{DEVICE FOR CONTROLLING MOTORS}

본 발명은, 단일의 인버터를 이용하여 병렬의 동기 전동기를 제어하는 SIDM 제어 방식에 있어서, 두 모터 사이의 q축 전류의 차이에 기초하여 모터의 탈조를 판단하는, 전동기 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치로서 냉동기기, 예를 들어 냉장고나 공기조화기 등의 일부분으로 사용된다.

공기 조화기는 압축기로 냉매를 압축시킨 후 압축된 냉매가 기화하면서 발생되는 열 교환을 통하여 공기를 냉각하는 장치이다.

공기조화기는 압축기, 팬 등에 전동기를 사용하며, 이를 구동하기 위하여 입력전원으로부터 제공된 교류전압을 직류전압으로 변환하고, 변환된 직류전압을 구동 전압으로 다시 변환하여 부하에 공급한다.

한편 영구 자석 동기식 모터를 구동하기 위해서는 영구 자석 동기식 모터의 구동에 요구되는 크기의 전압을 영구 자석 동기식 모터에 인가해줄 수 있는 인버터가 필요하다.

일반적으로는, 구동하고자 하는 영구자석 동기식 모터의 수만큼 인버터 배치된다.

다만 단일의 인버터를 이용하여 복수의 영구 자석 동기식 모터를 구동하고자 하는 경우에는, 복수의 영구 자석 동기식 모터를 인버터에 병렬 연결할 수 있다.

이 경우, 복수의 영구 자석 동기식 모터의 각 상(Phase)의 고정자 권선이 인버터의 동일한 레그(Leg)에 연결됨으로써, 복수의 영구 자석 동기식 모터 각각에는 모두 동일한 전압이 인가된다. 인가되는 전압의 크기는 복수의 영구 자석 동기식 모터 가운데 부하가 더 큰 영구 자석 동기식 모터에서 요구되는 크기의 전압을 따른다.

이와 같이 단일의 인버터에 복수의 영구 자석 동기식 모터를 병렬 연결하는 구조는, 대한민국특허청 공개특허공보 10-2015-0096900에서 개시하고 있다.

한편 복수의 영구 자석 동기식 모터의 재정수가 같고 부하 조건이 동일한 경우, 복수의 영구 자석 동기식 모터는 동일한 동작을 수행하게 된다.

그러나 실제 사용 환경에서는 강풍 등의 외부 요인으로 인하여 부하의 차이가 발생하고, 이에 따라 각 영구 자석 동기식 모터 간에는 속도의 차이가 발생하게 된다.

그리고 모터 간에 속도 차이가 발생하여 회전자 위치 차이가 증가하게 되는 경우, 복수의 영구 자석 동기식 모터 중 일부가 탈조하는 문제가 발생할 수 있었다.

본 발명의 목적은, 두 모터 사이의 q축 전류의 차이에 기초하여 모터의 탈조를 판단하는 전동기 제어 장치를 제공하기 위함이다.

본 발명의 또 다른 목적은, q축 전류의 차이에 기초한 탈조 판단 시, 오 판단을 방지하는 전동기 제어 장치를 제공하기 위함이다.

본 발명은, 제1 모터의 회전자의 위치각을 기준으로, 제1 모터의 q축 전류 및 제2 모터의 q축 전류의 차이에 기초하여 제2 모터의 탈조를 결정한다.

또한 본 발명은 제1 모터의 q축 전류 및 제2 모터의 q축 전류의 차가 기 설정된 시간 동안 기 설정된 횟수 이상 기준 레벨을 넘는 경우, 제2 모터가 탈조된 것으로 결정한다.

본 발명은, 단일의 인버터를 이용하여 두개의 모터에 전력을 공급하는 방식에서 q축 전류의 차를 이용하여 모터의 탈조를 판단함으로써, 모터의 탈조를 빠르게 판단할 수 있는 장점이 있다. 그리고 탈조 상황에서 조기에 탈출함으로써 탈조 상황에서 발생하는 진동에 의한 소음을 방지하고, 진동에 의해 발생하는 모터의 소손을 사전에 방지할 수 있다.

특히 모터가 센스리스 알고리즘을 이용하여 구동되는 경우, 기존의 센서리즘 알고리즘을 그대로 이용하되 제1 회전자의 위치각만 제2 모터의 축 변환에 적용하기 때문에, 새로운 감지 수단이나 새로운 알고리즘을 추가할 필요 없이 모터의 탈조 알고리즘을 간단하게 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한 q축 전류의 차이는, 모터 제작시 파라미터 편차나 장애물이나 역풍 등의 모터 동작 환경에 의한 미세한 부하 차이에 의해서도 발생할 수 있다. 따라서 본 발명은 q축 전류의 차이가 일정 시간 동안 일정 횟수 이상 기준 레벨을 넘어야 탈조로써 판단함으로써, 오 판단을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전동기 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른, 제1 모터의 회전자의 위치각을 기준으로, q축 전류의 차이를 비교하여 제2 모터의 탈조를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 3상 전류의 축 변환 시 전류 파형을 도시한 도면이다.
도 6은 제1 모터의 회전자의 위치각을 기준으로 동기 좌표계를 획득한 경우, 제1 모터의 q축 전류 및 제2 모터의 q축 전류를 도시한 도면이다.
도 7a는 정상 운전시의 q축 전류의 차이를 도시한 그래프이고, 도 7b는 모터 탈조시의 q축 전류의 차이를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다양한 모터의 기준 레벨을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전동기 제어 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에 개시되는 전원 유지 회로는 공기 조화기에 적용될 수 있다. 다만 이에 한정되지 아니하며, 본 명세서에 개시되는 전원 유지 회로는 냉장고 등 냉매를 압축하기 위한 압축기를 포함하는 모든 기기에 적용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기(100)는 실내기(10), 상기 실내기(10)에 연결되는 적어도 하나의 실외기(20), 실내기(10)와 연결되는 리모컨(미도시), 그리고 실내기(10) 및 실외기(20)를 제어하는 제어기(미도시)를 포함할 수 있다.

제어기(미도시)는 실내기(10) 및 실외기(20)와 연결되어 그 동작을 모니터링하고 제어할 수 있다. 이때, 제어기(미도시)는 복수의 실내기에 연결되어 실내기에 대한 운전설정, 잠금설정, 스케줄제어 등을 수행할 수 있다. 제어기(미도시)는 실내기(10) 또는 실외기(20)에 포함되는 구조일 수 있다.

공기조화기(100)는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기, 덕트형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 이하 설명의 편의를 위하여 스탠드형 공기조화기를 예로 설명한다.

실외기(20)는 냉매를 공급받아 압축하는 압축기와, 냉매와 실외공기를 열교환하는 실외 열교환기와, 공급되는 냉매로부터 기체 냉매를 추출하여 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터와, 난방운전에 따른 냉매의 유로를 선택하는 사방밸브를 포함할 수 있다. 또한, 다수의 센서, 밸브 및 오일회수기 등을 더 포함할 수 있다.

실외기(20)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(10)로 냉매를 공급한다. 실외기(20)는 제어기(미도시) 또는 실내기(10)의 요구에 의해 구동되고, 구동되는 실내기(10)에 대응하여 냉/난방 용량이 가변 됨에 따라 실외기(20)에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변 된다.

실내기(10)는 실외기(20)에 연결되어, 냉매를 공급받아 공조 대상으로 냉온 또는 열온의 공기를 토출한다. 실내기(10)는 실내 열교환기와, 실내기팬, 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브, 다수의 센서를 포함할 수 있다.

실외기 및 실내기는 제어기(미도시)와 별도의 통신선으로 연결되어 제어기(미도시)의 제어에 따라 동작할 수 있다.

리모컨(미도시)은 실내기(10)에 연결되어, 실내기(10)로 사용자의 제어명령을 입력하고, 실내기(10)의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때, 리모컨(미도시)은 실내기(10)와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신한다. 이를 위해, 리모컨(미도시)은 데이터를 송신 또는 수신할 수 있는 통신 모듈을 포함할 수 있다.

예를 들어, 사용자는 리모컨(미도시)을 통해 목표 온도를 입력할 수 있다. 이경우, 리모컨(미도시)은 목표 온도에 대한 사용자 입력을 수신하고, 제어기(미도시)로 전송한다.

도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 공기조화기(100)는, 크게 실내기(10)와 실외기(20)로 구분된다.

실외기(20)는, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(102)와, 압축기를 구동하는 압축기용 전동기(102b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(104)와, 실외 열교환기(104)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실외팬(105a)과 실외팬(105a)을 회전시키는 전동기(105b)로 이루어진 실외 송풍기(105)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구(106)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브(110)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(103) 등을 포함한다.

또한 실외기(20)는, 후술하는 전원 유지 회로를 포함할 수 있다.

실내기(10)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(108)와, 실내측 열교환기(108)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내팬(109a)과 실내팬(109a)을 회전시키는 전동기(109b)로 이루어진 실내 송풍기(109) 등을 포함한다.

실내측 열교환기(108)는 적어도 하나가 설치될 수 있다.

압축기(102)는 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.

또한, 공기조화기(50)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.

한편, 도 2에서는 실내기(10)와 실외기(20)를 각각 1개씩 도시하고 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 구동장치는 이에 한정되지 않으며, 복수개의 실내기와 실외기를 구비하는 멀티형 공기조화기, 한 개의 실내기와 복수개의 실외기를 구비하는 공기조화기 등에도 적용이 가능함은 물론이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전동기 제어 장치를 도시한 도면이다.

전동기 제어 장치는, 인버터(320), 제1 모터(360), 제2 모터(370), 제1 검출부(341, 342), 제2 검출부(351, 352) 및 제어부(330)를 포함할 수 있다.

인버터(320)는 제1 모터(360) 및 제2 모터(370)에 교류 전압을 공급하는 단일의 인버터로써, 제1 모터(360) 및 제2 모터(370)를 동시에 구동하기 위한 장치일 수 있다.

인버터(320)는 직류 링크 전압을 변환하여 제1 모터(360) 및 제2 모터(370)에 교류 전력을 공급할 수 있다.

구체적으로 인버터(320)는 제1 모터(360) 및 제2 모터(370)의 전단에 구비되고, 게이트 구동 신호를 근거로 인버터(320) 내부의 스위치 소자를 스위칭 하여 직류 링크 전압을 구동 전압으로 변환할 수 있다.

인버터(320) 내부의 스위치 소자는, 전력용 스위치 소자로써, 예를 들어, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT), MOSFET 등일 수 있다.

한편 도시하지는 않았으나, 인버터(320)는 제어부(330)에서 출력되는 인버터 제어 신호에 기초하여 인버터(320) 내부의 스위칭 소자를 동작시키기 위한 게이트 구동 신호를 출력하는 게이트 구동부를 포함할 수 있다.

인버터(320)는 제어부(330)의 제어 하에, 목적하는 속도/토크가 제1 모터(360) 및 제2 모터(370)에서 발현될 수 있도록 제1 모터(360) 및 제2 모터(370)에 적절한 크기의 전류 또는 전압을 인가할 수 있다.

인버터(320)에 의해 전류와 전압, 위상 등이 변환된 전력은 제1 모터(360) 및 제2 모터(370)의 코일에 인가되어, 제1 모터(360) 및 제2 모터(370)를 구동하는데 이용될 수 있다.

인버터(320)는 복수의 스위칭 소자들로 구성되는 6-브리지 형태의 2레벨 3레그 전압형 인버터일 수 있다.

인버터(320)에서 서로 직렬 연결되는 한 쌍의 스위칭 소자를 레그(Leg)라고 하고, 인버터(320)는 세 개의 레그로 구성될 수 있다.

또한 인버터(320)의 세 개의 레그에서 얻어지는 전력이 제1 모터(360) 및 제2 모터(370)에 인가될 수 있다.

제1 모터(360) 및 제2 모터(370)는 영구 자석 동기식 모터(Permanent Magnetic Synchronous Motor, PMSM)일 수 있다.

제1 모터(360) 및 제2 모터(370)는 하나의 인버터(320)에 병렬로 연결되어, 인버터(320)로부터 전력을 공급 받을 수 있다.

구체적으로 제1 모터(360) 및 제2 모터(370)의 각 상(Phase)은 인버터(320)의 각 레그(leg)에 연결될 수 있다.

예를 들어 제1 모터의 제1 상(U상)과 제2 모터의 제1 상(U상)은 제1 레그(a)에 연결되고, 제2 모터의 제2 상(V상)과 제2 모터의 제2 상(V상)은 제2 레그(b)에 연결되고, 제1 모터의 제3 상(W상)과 제2 모터의 제3 상(W상)은 제3 레그(c)에 연결될 수 있다.

한편 제1 모터는 마스터 모터이고, 제2 모터는 슬레이브 모터일 수 있다.

여기서 마스터 모터는, q축 전류를 비교하기 위하여 고정 좌표계를 동기 좌표계로 변환하는 경우, 슬레이브 모터에 회전자의 위치각을 제공하는 모터일 수 있다.

제어부(330)는 전동기 제어 장치의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.

또한 제어부(330)는 인버터 제어신호를 출력할 수 있다. 여기서 인버터 제어 신호는 인버터(320) 내부의 스위치 소자 들의 온/오프 및 스위칭 타이밍을 조절하기 위한 PWM 신호일 수 있다.

제1 검출부(341, 342)는 인버터(320)와 제1 모터(360) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위하여 CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.

제1 검출부(341, 342)는 인버터(320)와 제1 모터(360) 사이에 흐르는 전류를 감지할 수 있다.

이 경우 제1 검출부(341, 342)는 제1 모터(360)의 3상 중 둘 이상의 전류를 감지할 수 있다.

예를 들어 제1 검출부(341, 342)는 제1 모터(360)의 각 상(U, V, W)의 전류를 모두 검출할 수도 있으며, 또는 두 상의 전류를 검출할 수도 있다. 제1 검출부가 두 상의 전류를 검출하는 경우, 제어부는 삼상 평형을 이용하여 제1 모터의 삼상의 전류를 산출할 수 있다.

제2 검출부(351, 352)는 인버터(320)와 제2 모터(370) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위하여 CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.

제2 검출부(351, 352)는 인버터(320)와 제2 모터(370) 사이에 흐르는 전류를 감지할 수 있다.

이 경우 제2 검출부(351, 352)는 제2 모터(370)의 3상 중 둘 이상의 전류를 감지할 수 있다.

예를 들어 제2 검출부(351, 352)는 제2 모터(370)의 각 상(U, V, W)의 전류를 모두 검출할 수도 있으며, 또는 두 상의 전류를 검출할 수도 있다. 제2 검출부가 두 상의 전류를 검출하는 경우, 제어부는 삼상 평형을 이용하여 제2 모터의 삼상의 전류를 산출할 수 있다.

한편 제어부(330)는 모터 파라미터 및 모터에 의해 발생되는 전압 또는 전류 정보를 근거로 회전자의 위치를 추정하고, 모터를 지령 속도에 따라 기동하는 센스리스 알고리즘으로 인버터(320)를 제어할 수 있다.

한편 하나의 인버터(320)를 이용하여 병렬로 연결된 두개의 모터(360, 370)를 센스리스 제어하는 방식에 있어서, 제어부는 각각의 모터(360, 370)에 대하여 전류를 측정하고, 측정된 전류를 이용하여 센스리스 알고리즘을 동작시켜, 두개의 모터(360, 370) 각각의 회전자의 위치를 검출할 수 있다.

한편 본 발명의 실시 예에 따른 전동기 제어 장치는, 직류 링크 캐패시터(310) 및 컨버터(미도시)를 더 포함할 수 있다.

컨버터(미도시)는 전원 입력부에 연결되어 외부에서 공급된 입력 교류 전원을 직류 전원으로 정류할 수 있다.

컨버터(미도시)는 일반적으로 복수의 다이오드, 일반적으로 4개의 다이오드로 구성된 다이오드 브리지를 구비하여, 다이오드들에 의해 교류 전원의 교류 전압을 전파 정류하고, 직류 전압으로 변환할 수 있다.

또한 컨버터(미도시)는 내부에 스위칭 소자를 구비하고, 제어부(330)의 제어 하에, 스위칭 소자를 이용하여 승압이나 역률 개선 등의 동작을 수행할 수 있다.

컨버터(미도시) 내부의 스위치 소자는, 전력용 스위치 소자로써, 예를 들어, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT), MOSFET 등일 수 있다.

직류 링크 캐패시터(310)는 컨버터의 후단에 병렬 연결되고, 컨버터(450)에서 정류된 전압을 근거로 DC 링크 전압을 충전하고, 충전된 DC 링크 전압을 인버터(320)에 인가할 수 있다.

또한 직류 링크 캐패시터(310)는 인버터(320) 내의 스위칭 소자들이 스위칭하는 동안, 스위칭 주파수에 대응하여 발생하는 리플 전압(전압 변동)을 평활화할 수 있다.

또한 직류 링크 캐패시터(310)는, 컨버터에 따라 정류하는 전압, 즉 전원 전압에 따라 변동하는 전압을 평활화할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른, 제1 모터의 회전자의 위치각을 기준으로, q축 전류의 차이를 비교하여 제2 모터의 탈조를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 3상 전류의 축 변환 시 전류 파형을 도시한 도면이다.

도 6은 제1 모터의 회전자의 위치각을 기준으로 동기 좌표계를 획득한 경우, 제1 모터의 q축 전류 및 제2 모터의 q축 전류를 도시한 도면이다.

먼저 5를 참고하여, 3상 전류의 축 변환시 전류를 설명한다

제1 모터 및 제2 모터는 U, V, W 상이 사인파로 120도 간격을 두고 주기적으로 전류가 인가되어야 회전을 하게 된다. 이와 같은 3상의 전류 파형은 도 5a에서 도시하는 3상 고정 좌표계에 나타나 있다.

한편 3상 고정 좌표계는 축 변환에 의하여 2상 고정 좌표계로 변환될 수 있다. 도 5b에서는 α축 및 β축의 고정 좌표계로 변환한 후의 전류를 도시하였다. 이 경우 2상의 전류는 90도의 위상 차이를 가지는 사인 파형으로 나타날 수 있다.

한편 2상 고정 좌표계는 축 변환에 의하여 2상 동기 좌표계로 변환될 수 있다. 도 5c에서는 2상 동기 좌표계로 변환한 후의 q축 및 d축의 전류를 도시하였다.

2상의 동기 좌표계에서는 q축 전류와 및 d축 전류가 DC 성분으로 나타날 수 있다. 또한 표면 부착형 영구 자석 동기식 모터의 경우에는, 동기 좌표계에서 d축 전류가 0에 근접하게 나타날 수 있다.

한편, 제1 모터와 제2 모터의 파라미터가 동일하다고 가정하는 경우, 정상 운전시 제1 모터와 제2 모터의 속도가 동일하며, 이에 따라 제1 모터와 제2 모터의 회전자의 위치 또한 동일해야 한다.

다만 하나의 모터에 높은 부하가 걸리는 등의 이유로 탈조가 발생하는 경우, 도 4에서 도시하는 바와 같이 모터의 회전 속도가 차이날 수 있으며, 이에 따라 제1 모터의 전류를 d1축 및 q1 축으로 변환한 동기 좌표계에서의 제1 모터의 회전자의 위치각(θ1)과 제2 모터의 전류를 d2축 및 q2 축으로 변환한 동기 좌표계에서의 제2 모터의 회전자의 위치각(θ2)은 차이(Δθ)를 나타내게 된다.

따라서 본 발명은 q축 전류의 차이를 이용하여 모터의 탈조를 판단하는 방법을 제안한다.

일반적인 센서리스 알고리즘에서 제1 모터의 3상 전류를 고정 좌표계로 변환 후 고정 좌표계를 동기 좌표계로 변환하는 경우, 제1 모터의 회전자의 위치각(θ1)을 적용하여 동기 좌표계를 획득하게 된다.

구체적으로 고정 좌표계에서 동기 좌표계로 변환 시, 제1 모터에 대하여 추정된 각 속도(ω1)만큼 d축 및 q축이 회전하게 된다. 따라서 제1 모터의 전류에 대한 고정 좌표계에 제1 모터의 회전자의 위치각(θ1)을 적용하여 제1 모터의 동기 좌표계를 획득하고, 제1 모터의 동기 좌표계에 따른 q축 전류를 획득할 수 있다.

또한 일반적인 센서리스 알고리즘에서 제2 모터의 3상 전류를 고정 좌표계로 변환 후 고정 좌표계를 동기 좌표계로 변환하는 경우, 제2 모터의 회전자의 위치각(θ2)을 적용하여 동기 좌표계를 획득하게 된다.

구체적으로 고정 좌표계에서 동기 좌표계로 변환 시, 제2 모터에 대하여 추정된 각 속도(ω2)만큼 d축 및 q축이 회전하게 된다. 따라서 제2 모터의 전류에 대한 고정 좌표계에 제2 모터의 회전자의 위치각(θ2)을 적용하여 제2 모터의 동기 좌표계를 획득하고, 제2 모터의 동기 좌표계에 따른 q축 전류를 획득할 수 있다.

다만 본 발명은, 제1 모터(360)의 회전자의 위치각을 기준으로, 제1 모터(360)의 제1 q축 전류 및 제2 모터(370)의 제2 q축 전류의 차이에 기초하여 제2 모터의 탈조를 결정할 수 있다.

구체적으로 제어부(330)는 제1 모터에 대해서는 일반적인 센서리스 알고리즘에서와 마찬가지로, 제1 모터(360)의 3상의 전류를 제1 고정 좌표계로 변환하고, 제1 고정 좌표계에 제1 모터(360)의 회전자의 위치각(θ1)을 적용한 제1 모터의 동기 좌표계를 획득할 수 있다. 그리고 제어부(330)는 제1 모터(360)의 동기 좌표계에 따른 제1 모터(360)의 제1 q축 전류를 획득할 수 있다.

한편 제어부(330)는 제2 모터에 대해서는 제2 모터의 회전자의 위치각(θ2)을 이용하는 것이 아닌, 제1 모터(360)의 회전자의 위치각(θ1)을 적용하여 제2 모터(370)의 제2 q축 전류를 획득할 수 있다.

구체적으로 제어부(330)는, 제2 모터(370)의 3상의 전류를 제2 고정 좌표계로 변환하고, 제2 고정 좌표계에 제1 모터의 회전자의 위치각(θ1)을 적용한 제2 모터(370)의 동기 좌표계를 획득하고, 제2 모터(370)의 동기 좌표계에 따른 제2 q축 전류를 획득할 수 있다.

즉 제어부(330)는 제2 모터의 제2 고정 좌표계에서 제2 모터의 제2 동기 좌표계로 변환 시, 좌표 축의 회전 속도를 제1 모터의 회전자의 회전 속도(ω1)에 연동하여 회전시킬 수 있다.

모터가 탈조된 경우, 제1 모터(마스터)의 동기 좌표계에 따른 q축 전류 및 제2 모터(슬레이브)의 동기 좌표계에 따른 q축 전류는 도 6에서 도시하였다.

탈조 상황이 아닌 경우, 제1 모터의 회전자의 속도와 제2 모터의 회전자의 속도가 차이가 없기 때문에, 제1 모터의 q축 전류와 제2 모터의 q축 전류의 차이는 모터의 파라미터 차이만 반영하여 미약하게 나타난다.

다만 모터가 탈조된 경우 제2 모터(슬레이브)의 q축 전류는 도 6과 같은 파형을 나타나게 되며, 제어부는 제1 모터의 제1 q축 전류의 제2 모터의 제2 q축 전류의 차이에 기초하여 제2 모터의 탈조를 결정할 수 있다.

이 경우 제어부는 제1 모터의 제1 q축 전류의 제2 모터의 제2 q축 전류의 차이가 기준 레벨보다 큰 경우, 제2 모터가 탈조된 것으로 판단할 수 있다.

도 7a는 정상 운전시의 q축 전류의 차이를 도시한 그래프이고, 도 7b는 모터 탈조시의 q축 전류의 차이를 도시한 그래프이다.

도 7a의 그래프의 가로축은 제1 모터의 단위 시간당 회전 수, 더욱 구체적으로는 제1 모터의 분당 회전수(revolution per minute, RPM)를 나타내고, 그래프의 세로축은 제1 모터의 q축 전류와 제2 모터의 q축 전류의 차이를 암페어(A) 단위로 나타내고 있다.

도 7a에 따르면, 정상 운전 시의 제1 모터의 q축 전류와 제2 모터의 q축 전류의 차이가 기준 레벨(720)을 넘지 않는 것을 알 수 있다.

이 경우 제어부는 제2 모터가 탈조되지 않은 것으로 판단할 수 있다.

한편 도 7b에 따르면, 모터 탈조 시 제1 모터의 q축 전류와 제2 모터의 q축 전류의 차이가 기준 레벨(720)을 넘는 것을 알 수 있다.

이 경우 제어부는 제2 모터가 탈조 된 것으로 판단할 수 있다.

한편 q축 전류의 차이가 기준 레벨을 넘는지 만에 기초하여 탈조를 판단하는 경우, 갑작스러운 부하 변동 등의 이유로 탈조가 발생하지 않은 정상 운전 조건에서도 전류의 차이가 커짐으로써, 탈조로 오판되는 경우가 발생할 수 있다.

따라서 제어부는, 제1 q축 전류와 제2 q축 전류의 차이가 기 설정된 시간 동안 기 설정된 횟수 이상 기준 레벨을 넘는 경우, 제2 모터가 탈조된 것으로 결정할 수 있다.

한편 제어부는 모터의 단위 시간당 회전수에 기초하여 q축 전류의 차이에 따라 모터의 탈조 여부를 결정할 것인지를 결정할 수 있다.

구체적으로, 모터의 단위 시간당 회전수가 커질수록 모터의 토크가 커지고, 토크가 큰 상태에서 모터의 탈조가 발생하는 경우 과전류가 발생되며, 이 경우 제어부는 과전류를 감지하여 해당하는 보호 동작을 수행할 수 있다.

다만 모터의 단위 시간당 회전수가 낮아질수록 모터의 토크가 작아지고, 토크가 낮은 상태에서는 모터의 탈조에도 불구하고 과전류가 감지되지 않을 수 있다.

따라서 제어부는 제1 모터의 단위 시간당 회전수가 특정수보다 작으면 제1 모터의 q축 전류 및 제2 모터의 q축 전류의 차이에 기초하여 제2 모터의 탈조를 결정하고, 제1 모터의 단위 시간당 회전수가 특정수보다 크면, 탈조에 의한 과전류의 발생 여부로 제2 모터의 탈조를 결정할 수 있다.

도 7a에서는 탈조 결정 방식의 기준(710)이 되는 특정수(400 RPM)를 도시하였다.

그리고 제어부는 제1 모터의 단위 시간당 회전수가 400 RPM보다 작으면 제1 모터의 q축 전류 및 제2 모터의 q축 전류의 차이에 기초하여 제2 모터의 탈조를 결정하고, 제1 모터의 단위 시간당 회전수가 400 RPM보다 크면, 탈조에 의한 과전류의 발생 여부로 제2 모터의 탈조를 결정할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다양한 모터의 기준 레벨을 도시한 도면이다. 표 1을 함께 참고하여 설명한다.

구 분		800 RPM	200 RPM	비 고
Q축 전류 차이	3상 220V 900W	2.5 A	2.5 A	RPM 별 동일 감지 레벨
	3상 380V 1500W	2.5 A	3.1 A	감지 레벨을 선형화 하여 RPM별 차등 적용
	3상 380V 900W	2.0 A	3.0 A

기준 레벨은 모터의 사양에 따라 다양하게 결정될 수 있다.

예를 들어 제1 모터(220V, 900W)의 경우에는, RPM의 변화에도 불구하고 기준 레벨은 항상 일정할 수 있다.

다른 예를 들어 제2 모터(380V, 900W)의 경우에는, 일부 구간에서는 RPM의 변화에 따라 기준 레벨이 선형적으로 변경될 수 있으며, 다른 일부 구간에서는 RPM의 변화에도 불구하고 기준 레벨은 일정할 수 있다.

또 다른 예를 들어, 제3 모터(380V, 1500W)의 경우에도, 일부 구간에서는 RPM의 변화에 따라 기준 레벨이 선형적으로 변경될 수 있으며, 다른 일부 구간에서는 RPM의 변화에도 불구하고 기준 레벨은 일정할 수 있다.

또한 서로 다른 모터 간에는 모터의 사양에 따라 기준 레벨이 서로 상이할 수 있다.

한편 표 2를 참고하여 기준 레벨 이상의 q축 전류 차이를 복수회 카운팅하여 평균을 낸 실험 데이터를 설명한다.

	3상 380V 900W		3상 380V 1500W
	탈조	기준 레벨	탈조	기준 레벨
80 RPM	824.1	3.2A	888.1	2.5A
100 RPM	1086.9		1054.7
150 RPM	844.3		368.1
200 RPM	1172.4		1043.8
250 RPM	134.8		223.8

도 6에서 설명한 바와 같이 제2 모터의 q축 전류는 오프셋을 가지는 교류와 유사한 형태의 파형으로 나타나며, 제어부는 제1 모터의 q축 전류와 제2 모터의 q축 전류의 차이가 기준 레벨을 넘는 경우 카운팅을 수행할 수 있다.

또한 제1 q축 전류 및 제2 q축 전류의 차가 기 설정된 시간 동안 기 설정된 횟수 이상 기준 레벨을 넘는 경우, 제어부는 제2 모터가 탈조된 것으로 결정할 수 있다.

예를 들어 제어부는, 제1 q축 전류 및 제2 q축 전류의 차가 10초 동안 100회 이상 기준 레벨을 넘는 경우, 제2 모터가 탈조된 것으로 결정할 수 있다.

이와 같이 본 발명은, 단일의 인버터를 이용하여 두개의 모터에 전력을 공급하는 방식에서 q축 전류의 차를 이용하여 모터의 탈조를 판단함으로써, 모터의 탈조를 빠르게 판단할 수 있는 장점이 있다. 그리고 탈조 상황에서 조기에 탈출함으로써 탈조 상황에서 발생하는 진동에 의한 소음을 방지하고, 진동에 의해 발생하는 모터의 소손을 사전에 방지할 수 있다.

특히 모터가 센스리스 알고리즘을 이용하여 구동되는 경우, 기존의 센서리즘 알고리즘을 그대로 이용하되 제1 회전자의 위치각만 제2 모터의 축 변환에 적용하기 때문에, 새로운 감지 수단이나 새로운 알고리즘을 추가할 필요 없이 모터의 탈조 알고리즘을 간단하게 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한 q축 전류의 차이는, 모터 제작시 파라미터 편차나 장애물이나 역풍 등의 모터 동작 환경에 의한 미세한 부하 차이에 의해서도 발생할 수 있다. 따라서 본 발명은 q축 전류의 차이가 일정 시간 동안 일정 횟수 이상 기준 레벨을 넘어야 탈조로써 판단함으로써, 오 판단을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 저속에서만 q축 전류의 차이를 이용하여 탈조를 판단하고 탈조 시 모터를 정지시킴으로써, 모터의 정지 및 재시동 시간을 냉동 싸이클에 영향을 주지 않을 만큼 최소화 할 수 있다. 이에 따라 제품의 운전에 이치는 영향을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전동기 제어 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 실시 예에 따른 전동기 제어 장치의 동작 방법은, 하나의 인버터가, 제1 모터 및 제2 모터에 교류 전력을 공급하는 단계(S910), 상기 제1 모터의 3상 중 둘 이상의 상의 전류를 감지하는 단계(S930), 상기 제2 모터의 3상 중 둘 이상의 상의 전류를 감지하는 단계(S950), 및, 상기 제1 모터의 회전자의 위치각을 기준으로, 상기 제1 모터의 제1 q축 전류 및 상기 제2 모터의 제2 q축 전류의 차이에 기초하여 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계(S970)를 포함할 수 있다.

여기서 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계는, 상기 제1 모터의 3상의 전류를 제1 고정 좌표계로 변환하고, 상기 제1 고정 좌표계에 상기 제1 모터의 회전자의 위치각을 적용한 상기 제1 모터의 제1 동기 좌표계를 획득하고, 상기 제1 동기 좌표계에 따른 상기 제1 q축 전류를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계는, 상기 제2 모터의 3상의 전류를 제2 고정 좌표계로 변환하고, 상기 제2 고정 좌표계에 상기 제1 모터의 회전자의 위치각을 적용한 상기 제2 모터의 제2 동기 좌표계를 획득하고, 상기 제2 동기 좌표계에 따른 상기 제2 q축 전류를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.

여기서 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계는, 상기 제1 q축 전류 및 상기 제2 q축 전류의 차가 기 설정된 시간 동안 기 설정된 횟수 이상 기준 레벨을 넘는 경우, 상기 제2 모터가 탈조된 것으로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계는, 상기 제1 모터의 단위 시간당 회전수가 특정수보다 작으면, 상기 제1 모터의 q축 전류 및 상기 제2 모터의 q축 전류의 차이에 기초하여 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계, 및

상기 제1 모터의 단위 시간당 회전수가 상기 특정수보다 크면, 탈조에 의한 과전류의 발생 여부로 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부(180)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

320: 인버터 330: 제어부
360: 제1 모터 370: 제2 모터

Claims (10)

1. 제1 모터 및 제2 모터에 교류 전력을 공급하는 하나의 인버터;
   상기 제1 모터의 3상 중 둘 이상의 상의 전류를 감지하는 제1 검출부;
   상기 제2 모터의 3상 중 둘 이상의 상의 전류를 감지하는 제2 검출부; 및
   상기 제1 모터의 회전자의 위치각을 기준으로, 상기 제1 모터의 제1 q축 전류 및 상기 제2 모터의 제2 q축 전류의 차이에 기초하여 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 제1 모터의 3상의 전류를 제1 고정 좌표계로 변환하고, 상기 제1 고정 좌표계에 상기 제1 모터의 회전자의 위치각을 적용한 상기 제1 모터의 제1 동기 좌표계를 획득하고, 상기 제1 동기 좌표계에 따른 상기 제1 q축 전류를 획득하고,
   상기 제2 모터의 3상의 전류를 제2 고정 좌표계로 변환하고, 상기 제2 고정 좌표계에 상기 제1 모터의 회전자의 위치각을 적용한 상기 제2 모터의 제2 동기 좌표계를 획득하고, 상기 제2 동기 좌표계에 따른 상기 제2 q축 전류를 획득하는
   전동기 제어 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 제1 q축 전류 및 상기 제2 q축 전류의 차가 기 설정된 시간 동안 기 설정된 횟수 이상 기준 레벨을 넘는 경우, 상기 제2 모터가 탈조된 것으로 결정하는
   전동기 제어 장치.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 제1 모터의 단위 시간당 회전수가 특정수보다 작으면, 상기 제1 모터의 상기 제1 q축 전류 및 상기 제2 모터의 상기 제2 q축 전류의 차이에 기초하여 상기 제2 모터의 탈조를 결정하고,
   상기 제1 모터의 단위 시간당 회전수가 상기 특정수보다 크면, 탈조에 의한 과전류의 발생 여부로 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는
   전동기 제어 장치.
6. 하나의 인버터가, 제1 모터 및 제2 모터에 교류 전력을 공급하는 단계;
   상기 제1 모터의 3상 중 둘 이상의 상의 전류를 감지하는 단계;
   상기 제2 모터의 3상 중 둘 이상의 상의 전류를 감지하는 단계; 및
   상기 제1 모터의 회전자의 위치각을 기준으로, 상기 제1 모터의 제1 q축 전류 및 상기 제2 모터의 제2 q축 전류의 차이에 기초하여 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계를 포함하고,
   상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계는,
   상기 제1 모터의 3상의 전류를 제1 고정 좌표계로 변환하고, 상기 제1 고정 좌표계에 상기 제1 모터의 회전자의 위치각을 적용한 상기 제1 모터의 제1 동기 좌표계를 획득하고, 상기 제1 동기 좌표계에 따른 상기 제1 q축 전류를 획득하는 단계; 및
   상기 제2 모터의 3상의 전류를 제2 고정 좌표계로 변환하고, 상기 제2 고정 좌표계에 상기 제1 모터의 회전자의 위치각을 적용한 상기 제2 모터의 제2 동기 좌표계를 획득하고, 상기 제2 동기 좌표계에 따른 상기 제2 q축 전류를 획득하는 단계를 포함하는
   전동기 제어 장치의 동작 방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 6항에 있어서,
   상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계는,
   상기 제1 q축 전류 및 상기 제2 q축 전류의 차가 기 설정된 시간 동안 기 설정된 횟수 이상 기준 레벨을 넘는 경우, 상기 제2 모터가 탈조된 것으로 결정하는 단계를 더 포함하는
   전동기 제어 장치의 동작 방법.
10. 제 6항에 있어서,
    상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계는,
    상기 제1 모터의 단위 시간당 회전수가 특정수보다 작으면, 상기 제1 모터의 상기 제1 q축 전류 및 상기 제2 모터의 상기 제2 q축 전류의 차이에 기초하여 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계; 및
    상기 제1 모터의 단위 시간당 회전수가 상기 특정수보다 크면, 탈조에 의한 과전류의 발생 여부로 상기 제2 모터의 탈조를 결정하는 단계를 포함하는
    전동기 제어 장치의 동작 방법.

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