KR102216409B1 - 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 공통의 입력 교류 전원에 기초하여 동작하며, 제1 모터와 제2 모터를 각각 구동하는 제1 인버터와 제2 인버터, 상기 제1 모터와 상기 제1 인버터 사이의 노드에 연결되는 제1 임피던스부, 상기 제2 모터와 상기 제2 인버터 사이의 노드에 연결되는 제2 임피던스부, 및, 공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함할 수 있다.

Description

모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기{Motor driver and air conditioner including the same}
본 발명은 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 복수개의 모터를 연동하여 구동할 때, 전자파 장해 노이즈를 효율적으로 저감할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다.
공기조화기는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해 실내로 냉온의 공기를 토출하여, 실내 온도를 조절하고, 실내 공기를 정화하도록 함으로서 인간에게 보다 쾌적한 실내 환경을 제공하기 위해 설치된다. 일반적으로 공기조화기는 열교환기로 구성되어 실내에 설치되는 실내기와, 압축기 및 열교환기 등으로 구성되어 실내기로 냉매를 공급하는 실외기를 포함한다.
한편, 모터 구동 장치는, 회전 운동을 하는 회전자와 코일이 감긴 고정자를 구비하는 모터를 구동하기 위한 장치이며, 공기조화기 등 홈 어플라이언스 내의 모터를 구동하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 공기조화기의 압축기를 구동하기 위해, 압축기 모터 구동 장치, 팬을 구동하기 위해 팬 모터 구동 장치가 사용될 수 있다.
한편, 국제 서지 보호 표준인 IEC 61000에 따르면, 고조파 저감을 위한 규격이 설정되며, 이에 따라, 모터 구동 장치 내의 입력 교류 전류에 의한 고조파 저감을 위한 다양한 노력이 시도되고 있다. 예를 들어, 선행 문헌(한국 공개특허공보 제2003-0026211호)는, 전자파 노이즈의 저감을 위해, 스위칭 주파수 변경에 따라, 주파수 변조 위상 지연을 위한 회로를 별도로 구비한다.
본 발명의 목적은 전자파 장해(Electro Magnetic Interference: EMI) 노이즈를 효율적으로 저감할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 복수개의 모터를 연동하여 구동할 때 EMI 노이즈를 효율적으로 저감할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 복수개의 모터를 안정적으로 연동하여 구동할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 커몬 모드 노이즈 저감을 통해 누설 전류를 감소할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 공통의 입력 교류 전원에 기초하여 동작하며, 제1 모터와 제2 모터를 각각 구동하는 제1 인버터와 제2 인버터, 상기 제1 모터와 상기 제1 인버터 사이의 노드에 연결되는 제1 임피던스부, 상기 제2 모터와 상기 제2 인버터 사이의 노드에 연결되는 제2 임피던스부, 및, 공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 인버터 제어부는, 스위칭 한 주기의 제1 반주기에서, 상기 제1 인버터를 기준 인버터로 설정하고, 상기 제2 인버터를 상기 기준 인버터에 연동하여 구동되는 연동 인버터로 설정하며, 상기 제1 반주기의 다음 반주기인 제2 반주기에서 상기 제1 인버터를 상기 연동 인버터로 설정하고 상기 제2 인버터를 상기 기준 인버터로 설정하여 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, EMI 노이즈를 효율적으로 저감할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 복수개의 모터를 연동하여 구동할 때 EMI 노이즈를 효율적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 커몬 모드 노이즈 저감을 통해 누설 전류를 감소할 수 있다.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3a는 본 발명과 관련된 모터 구동 장치의 내부 블록도이다.
도 3b는 도 3a의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 내부 블록도이다.
도 5b는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도를 예시하는 도면이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 노이즈 저감을 위한 임피던스부를 포함하는 회로에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
한편, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기(50)는, 복수의 유닛들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기(50)는, 실내기들(31 내지 35), 실내기들(31 내지 35)에 연결되는 실외기들(21, 22), 실내기들(31 내지 35) 각각과 연결되는 리모컨(41 내지 45)을 포함할 수 있다. 그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기(50)는, 복수의 실내기(31 내지 35) 및 실외기들(21, 22)을 제어하는 중앙제어기(10)를 더 포함할 수 있다.
중앙제어기(10)는 복수의 실내기(31 내지 36) 및 복수의 실외기(21, 22)와 연결되어 그 동작을 모니터링하고 제어할 수 있다. 이때, 중앙제어기(10)는 복수의 실내기에 연결되어 실내기에 대한 운전 설정, 잠금 설정, 스케줄제어, 그룹제어 등을 수행할 수 있다.
공기조화기는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 이하 설명의 편의를 위하여 천장형 공기조화기를 예로 설명한다. 또한, 공기조화기는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 실내기 및 실외기의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
실외기(21, 22)는 냉매를 공급받아 압축하는 압축기(미도시)와, 냉매와 실외공기를 열교환하는 실외 열교환기(미도시)와, 공급되는 냉매로부터 기체 냉매를 추출하여 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(미도시)와, 난방운전에 따른 냉매의 유로를 선택하는 사방밸브(미도시)를 포함한다. 또한, 다수의 센서, 밸브 및 오일회수기 등을 더 포함할 수 있다.
실외기(21, 22)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(31 내지 35)로 냉매를 공급한다.
실외기(21, 22)는 중앙제어기(10) 또는 실내기(31 내지 35)의 요구에 의해 구동되고, 구동되는 실내기에 대응하여 냉/난방 용량이 가변 됨에 따라 실외기의 작동 개수 및 실외기에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변 된다.
이때, 실외기(21, 22)는 복수의 실외기가, 각각 연결된 실내기로 각각 냉매를 공급하는 것을 기본으로 하여 설명하나, 실외기 및 실내기의 연결구조에 따라 복수의 실외기가 상호 연결되어 복수의 실내기로 냉매를 공급할 수도 있다.
실내기(31 내지 35)는 복수의 실외기(21, 22) 중 어느 하나에 연결되어, 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출한다. 실내기(31 내지 35)는 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창 밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함한다.
이때, 실외기(21, 22) 및 실내기(31 내지 35)는 통신선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신하고, 실외기 및 실내기는 중앙제어기(10)와 별도의 통신선으로 연결되어 중앙제어기(10)의 제어에 따라 동작한다.
리모컨(41 내지 45)은 실내기에 각각 연결되어, 실내기로 사용자의 제어명령을 입력하고, 실내기의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때 리모컨은 실내기와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신하며, 경우에 따라 복수의 실내기에 하나의 리모컨이 연결되어 하나의 리모컨 입력을 통해 복수의 실내기의 설정이 변경될 수 있다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 공기조화기(50)는, 크게 실내기(31)와 실외기(21)로 구분된다.
실내기(31)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 냉방 시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방 시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
실외기(21)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 촉진 시키는 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.
한편, 도 2에서는 실내기(31)와 실외기(21)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 1의 실외기(21) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(250)를 구동하는 압축기 구동을 위한 모터 구동 장치(도 4의 200)에 의해 구동될 수 있다.
또는, 도 1의 실내기(31) 내의 실내팬(109a)은, 실내팬 모터(109b)를 구동하는 실내팬(109a) 구동을 위한 모터 구동 장치(도 4의 200)에 의해 구동될 수 있다.
또는, 도 1의 실외기(21) 내의 실외팬(105a)은, 실외팬 모터(105b)를 구동하는 실외팬(105a) 구동을 위한 모터 구동 장치(도 4의 200)에 의해 구동될 수 있다.
도 3a는 본 발명과 관련된 모터 구동 장치의 내부 블록도이고, 도 3b는 도 3a의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 도 3a의 모터 구동 장치(200x)는, 복수의 모터가 병렬 구동되는 것에 그 특징이 있다.
이를 위해, 도 3a의 모터 구동 장치(200x)는, 제1 모터(250ax), 제2 모터(250bx), 제1 모터(250ax)에 교류 전류를 출력하는 제1 인버터(220ax), 제2 모터(250bx)에 교류 전류를 출력하는 제2 인버터(220bx), 제1 인버터(220ax)를 제어하는 제1 인버터 제어부(230ax), 제2 인버터(220bx)를 제어하는 제2 인버터 제어부(230bx)를 구비할 수 있다.
또한, 모터 구동 장치(200x)는, 제1 인버터(220ax)와 제2 인버터(220bx)에 공통 직류 전원 공급을 위해 동작하는 컨버터(210x)를 구비할 수 있다.
도 3a의 모터 구동 장치(200x)에 따르면, 제1 인버터 제어부(230ax)와 제2 인버터 제어부(230bx)가, 각각 제1 인버터(220ax)와 제2 인버터(220bx)를 제어하게 된다.
한편, 도 3b의 (a)는, 도 3a의 모터 구동 장치(200x)의 컨버터(210x)의 전단인 입력단에서의 커몬 모드 노이즈(common mode noise)(Nsix)를 예시하며, 도 3b의 (b)는, 도 3a의 제1 모터(250ax)에서의 커몬 모드 노이즈(Nscx)를 예시하며, 도 3b의 (c)는, 도 3a의 제2 모터(250bx)에서의 커몬 모드 노이즈(Nsfx)를 예시한다.
도 3b에 따르면, 서로 각각 구동되는, 제1 인버터(220ax)와 제2 인버터(220bx)로 인하여, 제1 모터(250ax)에서의 커몬 모드 노이즈(Nscx)와, 제2 모터(250bx)에서의 커몬 모드 노이즈(Nsfx)가 합산되어, 입력단에서의 커몬 모드 노이즈(Nsix)와 같이 나타나게 된다.
한편, 제1 모터(250ax)에서의 커몬 모드 노이즈(Nscx)는, 제1 모터(250ax)에서 누설되는 누설 전류(isax)에 의한 것일 수 있으며, 제2 모터(250bx)에서의 커몬 모드 노이즈(Nsfx)는, 제2 모터(250bx)에서 누설되는 누설 전류(Isbx)에 의한 것일 수 있다.
이러한 입력단에서의 고조파 성분인, 커몬 모드 노이즈(Nsix)로 인하여, 내부 회로 소자의 내구성을 약화시키며, 전력 변환 효율이 저하될 수 있다.
이에 본 발명에서는, 모터의 병렬 구동시, 커몬 모드 노이즈를 저감하는 방안을 제시한다. 이에 대해서는, 도 4 이하를 참조하여 기술한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 내부 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 4의 모터 구동 장치(200)는, 복수의 모터가 병렬 구동되는 것에 그 특징이 있다.
이를 위해, 모터 구동 장치(200)는, 제1 모터(250a), 제2 모터(250b), 제1 모터(250a)에 교류 전류를 출력하는 제1 인버터(220a), 제2 모터(250b)에 교류 전류를 출력하는 제2 인버터(220b)를 구비할 수 있다.
또한, 모터 구동 장치(200)는, 제1 인버터(220a)와 제2 인버터(220b)에 공통 직류 전원 공급을 위해 동작하는 컨버터(210)를 구비할 수 있다.
컨버터(210)는, 리액터(L)를 거친 상용 교류 전원(201)을 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 상용 교류 전원(201)은 단상 교류 전원 또는 삼상 교류 전원일 수도 있다. 상용 교류 전원(201)의 종류에 따라 컨버터(210)의 내부 구조도 달라진다.
한편, 컨버터(210)는, 스위칭 소자 없이 다이오드 등으로 이루어져, 별도의 스위칭 동작 없이 정류 동작을 수행할 수도 있다.
예를 들어, 단상 교류 전원인 경우, 4개의 다이오드가 브리지 형태로 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원인 경우, 6개의 다이오드가 브리지 형태로 사용될 수 있다.
한편, 컨버터(210)는, 예를 들어, 2개의 스위칭 소자 및 4개의 다이오드가 연결된 하프 브리지형의 컨버터가 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원의 경우, 6개의 스위칭 소자 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다.
컨버터(210)가, 스위칭 소자를 구비하는 경우, 해당 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 승압 동작, 역률 개선 및 직류전원 변환을 수행할 수 있다.
dc단 커패시터(C1, C2)는, 입력되는 전원을 평활하고 이를 저장한다. 도면에서는, dc단 커패시터(C1, C2)사이의 노드를 n 노드로 도시한다.
한편, dc단 커패시터(C1, C2) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
dc단 전압 검출부(Ba, Bb)는 dc단 커패시터(C1, C2)의 양단인 dc단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc단 전압 검출부(Ba, Bb)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(230)에 입력될 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 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, 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있다.
한편, 입력 전압 검출부(A)에 의해, 입력 전압의 제로 크로싱 지점도 검출할 수 있게 된다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 컨버터(210) 전단에, 위치할 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Is)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있다.
제1 인버터(220a)와 제2 인버터(220b) 각각은, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원을 소정 주파수의 교류 전원으로 변환하여, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)에 출력할 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 제1 인버터(220a)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 제1 인버터 스위칭 제어신호(Sica)를 제1 인버터(220a)에 출력할 수 있다. 제1 인버터 스위칭 제어신호(Sica)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 제1 모터(250a)에 흐르는 출력 전류(ioa) 또는 제1 dc단 커패시터 양단인 제1 dc단 전압(Vdca)에 기초하여, 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(ioa)는, 제1 출력전류 검출부(Ea)로부터 검출될 수 있으며, 제1 dc단 전압(Vdca)은 제1 dc단 전압 검출부(Ba)로부터 검출될 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 제2 인버터(220b)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 제2 인버터 스위칭 제어신호(Sicb)를 제2 인버터(220b)에 출력할 수 있다. 제2 인버터 스위칭 제어신호(Sicb)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 제2 모터(250b)에 흐르는 출력 전류(iob) 또는 제2 dc단 커패시터 양단인 제2 dc단 전압(Vdcb)에 기초하여, 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(iob)는, 제2 출력전류 검출부(Eb)로부터 검출될 수 있으며, 제2 dc단 전압(Vdcb)은 제2 dc단 전압 검출부(Bb)로부터 검출될 수 있다.
제1 출력전류 검출부(Ea)는, 제1 인버터(220a)와 제1 모터(250a) 사이에 흐르는 출력전류(ioa)를 검출할 수 있다. 즉, 제1 모터(250a)에 흐르는 전류를 검출한다. 검출된 출력전류(ioa)는, 인버터 제어부(230)로 인가될 수 있다.
제2 출력전류 검출부(Eb)는, 제2 인버터(220b)와 제2 모터(250b) 사이에 흐르는 출력전류(iob)를 검출할 수 있다. 즉, 제2 모터(250b)에 흐르는 전류를 검출한다. 검출된 출력전류(iob)는, 인버터 제어부(230)로 인가될 수 있다.
한편, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)는, 각각 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a,b,c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치(200)는, 모터(250a, 250b)의 병렬 구동시, 입력 교류 전원에 의해 발생하는 고조파, 특히 커몬 모드 노이즈를 저감하는 방안을 제시한다.
한편, 커몬 모드 노이즈는, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)의 비동기 구동에 의해 발생될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)에 의해 유발되는 커몬 모드 노이즈를 저감하는 방안으로, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)를 동기 구동하는 방안을 제시한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치(200) 내의 인버터 제어부(230)는, 제1 인버터(220a)와 제2 인버터(220b)를 공통으로 제어한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어부(230)는, 제1 모터(250a)에서 발생하는 제1 노이즈의 레벨의 극성과, 제2 모터(250b)에서 발생하는 제2 노이즈의 레벨의 극성이, 반대가 되도록 제어함으로써, 복수 모터의 병렬 구동시, 커몬 모드 노이즈를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
특히, 인버터 제어부(230)는, 제1 모터(250a)에서 누설되는 제1 누설 전류(isa)와, 제2 모터(250b)에서 누설되는 제2 누설 전류(isb)의 합이 최소가 되도록 제어함으로써, 복수 모터의 병렬 구동시, 커몬 모드 노이즈를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
한편, 도 4에서 도시된, dc단 커패시터(C1, C2) 사이의 노드인 n 노드와, 제1 인버터(220a)의 출력단인 a1, b1, c1 노드와, 제1 모터(250a)의 내부 중성점(s1)에 의해, 다음의 수학식 1과 같이, 극전압(Va1n, Vb1n, Vc1n), 상전압(Va1s1, Vb1s1, Vc1s1), 오프셋 전압(Vs1n1)과의 관계가 형성될 수 있다.
Figure 112018121986785-pat00001
Figure 112018121986785-pat00002
Figure 112018121986785-pat00003
한편, 도 4에서 도시된, dc단 커패시터(C1, C2) 사이의 노드인 n 노드와, 제2 인버터(220b)의 출력단인 a2, b2, c2 노드와, 제2 모터(250b)의 내부 중성점(s2)에 의해, 다음의 수학식 2와 같이, 극전압(Va2n, Vb2n, Vc2n), 상전압(Va2s2, Vb2s2, Vc2s2), 오프셋 전압(Vs2n2)과의 관계가 형성될 수 있다.
Figure 112018121986785-pat00004
Figure 112018121986785-pat00005
Figure 112018121986785-pat00006
도 3a의 모터 구동 장치(200x)에서의, 커몬 모드 노이즈(Nsix)는, 제1 모터(250a)의 제1 오프셋 전압(Vs1n1a)의 극성과, 제2 모터(250b)의 제2 오프셋 전압(Vs2n2a)의 극성이, 동일한 경우, 도 3b의 (a)와 같이, 커몬 모드 노이즈(Nsix)가 증폭되는 경향이 있다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(230)는, 제1 모터(250a)의 제1 오프셋 전압(Vs1n1a)의 극성과, 제2 모터(250b)의 제2 오프셋 전압(Vs2n2a)의 극성이, 서로 반대가 되도록 제어한다. 이에 따라, 복수 모터의 병렬 구동시, 커몬 모드 노이즈를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부(230)는, 제1 인버터(220a)의 스위칭 주기와, 제2 인버터(220b)의 스위칭 주기를 동기화시키며, 제1 인버터(220a)의 스위칭 타이밍에 대응하여, 제2 인버터(220b)의 스위칭 타이밍이 가변되도록 제어함으로써, 복수 모터의 병렬 구동시, 커몬 모드 노이즈를 효율적으로 저감할 수 있게 된다.
인버터 제어부(230)는, 스위칭 주기들을 동기화시켜 제1 인버터(220a)와 제2 인버터(220b)가 연동하여 동작하도록 제어할 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 커몬 모드 노이즈를 저감하기 위해, 제1 인버터(220a) 또는 제2 인버터(220b)에 인가되는 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 스위칭 제어 신호를 시프트(shift)할 수 있다.
즉, 스위칭 제어 신호 출력부(360)에서 펄스폭 변조(PWM) 스위칭 패턴 중 어느 하나의 스위칭 시점을 변경하여 커몬 모드 노이즈를 저감할 수 있다. 인버터 제어부(230)는, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)의 노이즈가 상쇄되도록 어느 하나의 펄스폭 변조(PWM) 스위칭 패턴을 시프트(shift)할 수 있다. 예를 들어, 제1 인버터(220a)와 제2 인버터(220b)의 스위칭 소자들의 온 오프 동작이 반대로 이루어지도록 어느 하나의 펄스폭 변조(PWM) 스위칭 패턴을 시프트(shift)하여 커몬 모드 노이즈를 저감할 수 있다.
도 5는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도를 예시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 인버터 제어부(230)는, 축변환부(310), 속도 연산부(320), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어 신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
축변환부(310)는, 제1 및 제2 출력 전류 검출부(Ea, Eb)에서 검출된 삼상 출력 전류(iaa, iba, ica 또는 iab, ibb, icb)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id, iq)로 변환할 수 있다.
속도 연산부(320)는, 축변환부(310)에서 변환된 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)에 기초하여, 모터(250)의 회전자 위치(
Figure 112018121986785-pat00007
)를 추정한다. 또한, 추정된 회전자 위치(
Figure 112018121986785-pat00008
)에 기초하여, 연산된 속도(
Figure 112018121986785-pat00009
)를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure 112018121986785-pat00010
)와 목표 속도(ω)에 기초하여, 속도 지령치(ω* r)를 연산하며, 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure 112018121986785-pat00011
)와 목표 속도(ω)의 차이인 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, PI 제어기(435)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 도면에서는, 전류 지령치로, q축 전류 지령치(i* q)를 예시하나, 도면과 달리, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성하는 것도 가능하다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id, iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i* d, i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(344)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(348)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(v* d)의 값은, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(340)는, d 축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)는, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure 112018121986785-pat00012
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure 112018121986785-pat00013
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(350)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a, v*b, v*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a, v*b, v*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 제1 및 제2 인버터 스위칭 제어 신호(Sica, Sicb)를 생성하여 출력할 수 있다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 제1 및 제2 인버터(220a, 220b) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 제1 및 제2 인버터(220a, 220b) 내의 각 스위칭 소자들(Sa, S'a, Sb, S'b, Sc, S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
실시예에 따라서 인버터 제어부(230)는, 스위칭 주기들을 동기화시켜 제1 인버터(220a)와 제2 인버터(220b)가 연동하여 동작하면서, 제1 인버터(220a) 또는 제2 인버터(220b)에 인가되는 펄스폭 변조(PWM) 스위칭 패턴 중 어느 하나의 스위칭 시점을 변경하여 커몬 모드 노이즈를 저감할 수 있다.
예를 들어, 제1 인버터(220a)와 제2 인버터(220b)의 스위칭 소자들의 온 오프 동작이 반대로 이루어지도록 어느 하나의 펄스폭 변조(PWM) 스위칭 패턴을 시프트(shift)하여 커몬 모드 노이즈를 저감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(200) 및 이를 구비하는 공기조화기(50)는, 복수개의 모터에 대응하는 복수개의 인버터를 구비하고, 스위칭 주기 내에 일정 구간에서 어느 하나의 모터를 구동하는 인버터를 기준 인버터로 설정하고 나머지 모터를 구동하는 인버터를 연동 인버터로 설정하여, 복수개의 모터가 연동하여 구동되도록 제어할 수 있다. 이후에는 기준 인버터로 설정되는 인버터를 변경하여 동일하게 제어할 수 있다.
특히, 2개의 인버터를 이용하는 경우에, 한 스위칭 주기를 2개의 스위칭 반주기로 나누어 각각의 스위칭 반주기에서의 기준 인버터를 교번적으로 설정할 수 있다.
상기 인버터 제어부(230)는, 제1 전압 벡터를 생성하여, 기준 인버터를 제어하며, 상기 제1 전압 벡터와는 위상이 180도 차이가 나는 제2 전압 벡터로 연동 인버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부(230)는, 제1 전압 벡터를 생성하여, 상기 기준 인버터를 제어하며, 상기 제1 모터(250a)에서 발생하는 제1 노이즈의 레벨의 극성과, 상기 제2 모터(250b)에서 발생하는 제2 노이즈의 레벨의 극성이 반대가 되도록 제2 전압 벡터를 생성하여, 상기 기준 인버터에 연동하여 구동하는 연동 인버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부(230)는, 상기 기준 인버터의 구동을 위한 제1 전압 벡터를 생성하여, 상기 기준 인버터를 제어하고, 상기 기준 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 온되는 경우, 상기 연동 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 오프되고, 상기 기준 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 오프되는 경우, 상기 연동 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 온되도록 제2 전압 벡터를 생성하여, 상기 연동 인버터를 제어할 수 있다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 6의 (a)는, 도 4의 모터 구동 장치(200)의 컨버터(210)의 전단인 입력단에서의 EMI 노이즈, 특히, 커몬 모드 노이즈(common mode)(Nsi)를 예시하며, 도 6의 (b)는, 도 4의 제1 모터(250a)에서의 커몬 모드 노이즈(Ncs)를 예시하며, 도 6의 (c)는, 도 4의 제2 모터(250b)에서의 커몬 모드 노이즈(Nsf)를 예시한다.
도 6에 따르면, 서로 각각 구동되는, 제1 인버터(220a)와 제2 인버터(220b)로 인하여, 제1 모터(250a)에서의 커몬 모드 노이즈(Nsc)와, 제2 모터(250b)에서의 커몬 모드 노이즈(Nsf)가 합산되어, 입력단에서의 커몬 모드 노이즈(Nsi)와 같이 나타나게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(230)는, EMI 노이즈를 저감하기 위하여, 도 6과 같이, 제1 모터(250a)에서 발생하는 제1 노이즈의 레벨의 극성과, 제2 모터(250b)에서 발생하는 제2 노이즈의 레벨의 극성이, 반대가 되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 인버터 제어부(230)는, 제1 모터(250a)에서 발생하는 제1 노이즈(Nsc)의 레벨의 극성을 기준으로, 제2 모터(250b)에서 발생하는 제2 노이즈의 레벨(Nsf)의 극성이, 반대가 되도록 제어할 수 있다.
다른 예로, 인버터 제어부(230)는, 제2 모터(250b)에서 발생하는 제2 노이즈의 레벨(Nsf)의 극성을 기준으로, 제1 모터(250a)에서 발생하는 제1 노이즈(Nsc)의 레벨의 극성이, 반대가 되도록 제어할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(230)는, 도 6와 같이, 특정 시점인 제1 시점에, 제1 모터(250a)에서 발생하는 제1 노이즈의 레벨의 극성과, 제2 모터(250b)에서 발생하는 제2 노이즈의 레벨의 극성이, 반대가 되도록 제어할 수 있다.
한편, 제1 모터(250a)에서의 커몬 모드 노이즈(Nsc)는, 제1 모터(250a)에서 누설되는 누설 전류(isa)에 의한 것일 수 있으며, 제2 모터(250b)에서의 커몬 모드 노이즈(Nsf)는, 제2 모터(250b)에서 누설되는 누설 전류(isb)에 의한 것일 수 있다.
또한, 도 6의 (b)의 제1 모터(250a)에서의 커몬 모드 노이즈(Nsc)의 극성은, 제1 모터(250a)에서 누설되는 제1 누설 전류(isa)의 극성에 대응할 수 있으며, 도 6의 (c)의 제2 모터(250b)에서의 커몬 모드 노이즈(Nsf)의 극성은, 제2 모터(250b)에서 누설되는 제2 누설 전류(isb)의 극성에 대응할 수 있다.
이에 따라, 인버터 제어부(230)는, 제1 모터(250a)에서 누설되는 제1 누설 전류(isa)의 극성과, 제2 모터(250b)에서 누설되는 제2 누설 전류(isb)의 극성이, 반대가 되도록 제어할 수 있다.
한편, 제1 모터(250a) 또는 제2 모터(250b)에서 누설되는 누설 전류는, 도 7에서와 같이, 제1 인버터(220a) 또는, 제2 인버터(220b)의 스위칭 소자들의 온 오프 동작에 의해 발생될 수도 있다.
도 7에서, 정극성(양의 방향)의 누설 전류는, 스위칭 소자의 상승 시간(rise time)에 발생될 수 있다. 부극성(음의 방향)의 누설 전류는, 스위칭 소자의 하강 시간(fall time)에 발생될 수 있다.
이에 따라, 인버터 제어부(230)는, 제1 인버터(220a) 및 제2 인버터(220b)의 스위칭 타이밍을 조절하여, 커몬 모드 노이즈를 저감할 수 있다.
보다 상세하게는, 인버터 제어부(230)는, 제1 인버터(220a)의 스위칭 주기와, 제2 인버터(220b)의 스위칭 주기를 동기화시킬 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 제1 인버터(220a) 및 제2 인버터(220b) 중 어느 하나를 기준 인버터로 설정하고, 나머지 인버터를 기준 인버터에 연동하여 구동하는 연동 인버터로 설정할 수 있다.
연동 인버터는, 기준 인버터의 스위칭 소자 중 어느 하나가 턴 온되는 경우, 턴 오프되고, 기준 인버터의 스위칭 소자 중 어느 하나가 턴 오프되는 경우, 턴 온될 수 있다. 즉, 기준 인버터의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 기준 인버터의 스위칭 타이밍에 대응하여, 연동 인버터의 스위칭 타이밍이 가변되도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(230)는, 공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어 방법을 사용할 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 제1 인버터(220a) 및 제2 인버터(220b) 중 어느 하나를 기준 인버터로 설정하고, 기준 인버터를 제어하기 위한, 제1 전압 벡터를 생성하여, 제1 전압 벡터를 기초로, 기준 인버터를 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 7에서, 인버터 제어부(230)는, 제1 인버터(220a)를 기준 인버터로 설정하고, 제1 인버터(220a) 내의 스위칭 소자의 온, 오프를 위한, 유효 벡터를 V51과 같이 생성할 수 있다. 또한, 인버터 제어부(230)는, 도 7에서와 같이, V51 유효 벡터를 기초로, 제1 인버터(220a)의 삼상의 상암 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 제1 모터(250a)에서 발생하는 제1 노이즈의 레벨의 극성과, 제2 모터(250b)에서 발생하는 제2 노이즈의 레벨의 극성이 반대가 되도록, 제2 전압 벡터를 생성하여, 연동 인버터를 제어할 수 있다.
특히, 인버터 제어부(230)는, 기준 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 온되는 경우, 연동 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 오프되고, 기준 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 오프되는 경우, 연동 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 온되도록 제2 전압 벡터를 생성하여, 연동 인버터를 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 8에서, 인버터 제어부(230)는, 제1 전압 벡터, V51에 대응하여, 제2 전압 벡터, V55를 생성할 수 있다. 또한, 인버터 제어부(230)는 도 7에서와 같이, V55 유효 벡터를 기초로, 제2 인버터(220b)의 삼상의 상암 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
이와 같이, 각각의 모터(230a, 230b)를 하나의 인버터 제어부(230)로 제어하기 때문에 180도 위상을 반전하여 제어하면 두 모터(230a, 230b) 사이의 누설전류가 감쇄될 수 있다.
도 7에서와 같이, 제1 인버터(220a)와, 제2 인버터(220b)의 스위칭 타이밍을 제어함으로써, 도 3b의 입력단에서의 커몬 모드 노이즈(Nsix)와 비교하여, 도 6의 (a)와 같이, 입력단에서의 커몬 모드 노이즈(Nsi)가 현저히 저감된 것을 알 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 인버터 제어부(230)는, 기준 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 온되는 경우, 연동 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 오프되고, 기준 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 오프되는 경우, 연동 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 온되도록 제2 전압 벡터를 생성하므로, 제2 전압 벡터는, 도 8의 V52 내지 V57 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 인버터 제어부(230)는, 제2 전압 벡터를 제1 전압 벡터와 동일한 섹터에 위치하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 제2 전압 벡터가, 제1 전압 벡터와 동일한 섹터에서, 제1 전압 벡터의 투영된 형상으로 생성될 수 있다.
예를 들어, 도 9에서, 제1 전압 벡터가 V51과 같이, 섹터 1에 생성되는 경우, 인버터 제어부(230)는, V52와 같이, 제2 전압 벡터를, 제1 전압 벡터가 생성되는 섹터와 동일한 섹터인, 섹터 1에, 임의의 선을 기준으로 제1 전압 벡터의 투영된 형상으로 생성할 수 있다. 제1 전압 벡터와 제2 전압 벡터가 동일한 섹터에 형성됨에 따라, 제어 편의성이 향상될 수 있다.
본 발명의 인버터 제어부(230)는, 제2 전압 벡터를 제1 전압 벡터와 다른 섹터에 위치하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 제2 전압 벡터가, 제1 전압 벡터와 다른 섹터에서, 제1 전압 벡터의 투영된 형상으로 생성될 수 있다. 이 경우에, 제2 전압 벡터는, 도 8의 V53 내지 V57 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 기준 인버터를 제1 인버터(220a)로 고정하는 경우, 즉, 인버터의 스위칭 타이밍을 제1 인버터(220a)에만 고정하는 경우, 제2 인버터(220b)의 기준(reference) 전압이 왜곡될 수 있다. 이에 따라, 목적하는 제2 인버터 스위칭 제어 신호(Sicb)를 출력할 수 없어, 제2 모터(250b)의 제어 오류가 발생될 수 있다.
본 발명의 모터 구동 장치(200)는, 이러한 제어 오류를 해결하기 위해, 제1 인버터(220a) 및 제2 인버터(220b)를 교번하여 제어할 수 있다. 즉, 인버터 제어부(230)는, 스위칭 반주기에서, 제1 인버터(220a)를 기준 인버터로 설정하여, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)를 동기 구동하고, 나머지 스위칭 반주기에서, 제2 인버터(220b)를 기준 인버터로 설정하여, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)를 동기 구동할 수 있다.
구체적으로, 인버터 제어부(230)는, 도 10에서와 같이, 제1 스위칭 주기(Tsa) 중, 제1 스위칭 반주기(Ts1)에서, 제1 인버터(220a)를 기준 인버터로 설정하고, 제2 인버터(220b)를 연동 인버터로 설정할 수 있다. 또한, 인버터 제어부(230)는, 제1 스위칭 주기(Tsa) 중, 나머지 스위칭 반주기인, 제2 스위칭 반주기(Ts2)에서, 제2 인버터(220b)를 기준 인버터로 설정하고, 제1 인버터(220a)를 연동 인버터로 설정할 수 있다.
마찬가지로, 인버터 제어부(230)는, 제2 스위칭 주기(Tsb) 중, 제3 스위칭 반주기(Ts3)에서, 제1 인버터(220a)를 기준 인버터로 설정하고, 제2 인버터(220b)를 연동 인버터로 설정할 수 있다. 또한, 인버터 제어부(230)는, 제2 스위칭 주기(Tsb) 중, 나머지 스위칭 반주기인, 제4 스위칭 반주기(Ts4)에서, 제2 인버터(220b)를 기준 인버터로 설정하고, 제1 인버터(220a)를 연동 인버터로 설정할 수 있다.
상술한, 교번 제어는, 모터 동작시, 전 구간에서 수행될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 모터 구동 장치(200)는, 제1 인버터(220a) 및 제2 인버터(220b)의 기준 전압 왜곡을 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 모터 구동 장치(200)가 공기조화기(50)의 실내팬(109a) 및/또는 실외팬(105a)에 구비되는 경우, 실내팬(109a) 및/또는 실외팬(105a)은, 주어진 캐리어 주파수(예를 들어, 20khz)에서, 평균 출력 값만 만족하면 되므로, 제1 인버터(220a) 및 제2 인버터(220b)를 교번 제어해도 문제될 것 없다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 노이즈 저감을 위한 임피던스부를 포함하는 회로에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 11은 도 4에서 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)를 등가 회로로 표현한 것이고, 도 12는 도 11의 등가 회로에 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스부(Z3, Z4)가 추가된 회로를 도시한 것이다.
도 11과 도 12를 참조하면, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)는 각각 저항과 코일 인덕턴스의 합으로 간단히 표현될 수 있다. 또는, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)는 코일로 간단히 표현되기도 한다.
한편, 도 11과 도 12를 참조하면, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)로 인한 기생 커패시터(Cp1, Cp2)가 존재하고, 제1 모터(250a)로 인한 제1 기생 커패시터(Cp1)는 제1 모터(250a)와 그라운드 사이에 존재하고, 제2 모터(250b)로 인한 제2 기생 커패시터(Cp2)는 제2 모터(250b)와 그라운드 사이에 존재할 수 있다.
또한, 도선으로 인한 기생 인덕터(Lp1, Lp2)가 존재할 수 있다. 예를 들어, 제1 기생 인덕터(Lp1)는 제1 모터(250a)와 그라운드 사이에 존재하고, 제2 기생 인덕터(Lp2)는 제2 모터(250b)와 그라운드 사이에 존재할 수 있다.
여기서, 제1 기생 인덕터(Lp1)와 제2 기생 인덕터(Lp2)는 다른 경우가 많다. 예를 들어, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)가 각각 다른 실외팬(105a)을 구동할 때, 2개의 실외팬(105a)과 PCB 보드 사이의 거리가 다른 경우가 대다수이기 때문에 2개의 실외팬(105a)과 PCB 보드를 연결하는 도선의 길이가 달라지고, 기생 인덕턴스에도 차이가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 상술한 것과 같이, 제1 인버터(220a) 및 제2 인버터(220b)를 교번하여 제어함으로써, EMI 노이즈를 대폭 제거할 수 있다.
하지만, 현실적으로 기생 인덕턴스 차이에 의해, 제1 모터(250a)에 대응하는 임피던스(Z1)와 제2 모터(250b)에 대응하는 임피던스(Z2)도 달라진다(Z1≠Z2).
이에 따라, 전류도 달라져(I1≠I2), 의도한 스위칭 노이즈 상쇄(I1=I2)를 만들기 어렵다. 따라서, 공기조화기 제품 밖으로 스위칭 노이즈(I3)가 유출될 수 있다. 이와 같이, 제1 기생 인덕터(Lp1)와 제2 기생 인덕터(Lp2)로 인하여, 스위칭 노이즈(I3)가 유출된다. 따라서, 제1 기생 인덕터(Lp1)와 제2 기생 인덕터(Lp2)로 인한, 누설 전류 및 커몬 모드 노이즈도 저감할 수 있는 방안이 필요하다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(200) 및 공기조화기(50)는, 상기 제1 모터(250a)와 상기 제1 인버터(220a) 사이의 노드에 연결되는 제1 임피던스부(Z3), 및, 상기 제2 모터(250b)와 상기 제2 인버터(220b) 사이의 노드에 연결되는 제2 임피던스부(Z4)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 임피던스부(Z3)는 상기 제1 모터(250a)에 대응하는 임피던스(Z1)보다 매우 작게 설계되고, 상기 제2 임피던스부(Z4)는 상기 제2 모터(250b)에 대응하는 임피던스(Z2)보다 매우 작게 설계될 수 있다.
이에 따라, 기생 인덕턴스 차이에 의해 발생하는 누설 전류(I3)가 우회되어, 누설 전류(I3)가 그라운드나 제품 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있고, 커몬 모드 노이즈를 저감할 수 있다.
도 4 내지 도 10을 참조하여 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(200) 및 공기조화기(50)는, 공통의 입력 교류 전원에 기초하여 동작하며, 제1 모터(250a)와 제2 모터(250b)를 각각 구동하는 제1 인버터(220a)와 제2 인버터(220b), 및, 공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 상기 제1 인버터(220a) 및 제2 인버터(220b)를 제어하는 인버터 제어부(230)를 포함할 수 있다.
상기 제1 인버터(220a)와 제2 인버터(220b)는 공통의 입력 교류 전원을 정류하는 컨버터(210x) 및 컨버터(210x)의 출력이 저장되는 dc단 커패시터(C)에 병렬로 연결될 수 있다.
상기 인버터 제어부(230)는, 상기 제1 인버터의 스위칭 주기와, 상기 제2 인버터의 스위칭 주기를 동기화시켜 연동 제어할 수 있다.
또한, 2개의 인버터를 이용하는 경우에, 한 스위칭 주기를 2개의 스위칭 반주기로 나누어 각각의 스위칭 반주기에서의 기준 인버터를 교번적으로 설정할 수 있다.
예를 들어, 상기 인버터 제어부(230)는, 스위칭 한 주기의 제1 반주기에서, 상기 제1 인버터(220a)를 기준 인버터로 설정하고, 상기 제2 인버터(220b)를 상기 기준 인버터에 연동하여 구동되는 연동 인버터로 설정할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부(230)는, 상기 제1 반주기의 다음 반주기인 제2 반주기에서 상기 제1 인버터(220a)를 상기 연동 인버터로 설정하고 상기 제2 인버터(220b)를 상기 기준 인버터로 설정하여 상기 제1 인버터(220a) 및 상기 제2 인버터(220b)를 제어할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부(230)는, 제1 전압 벡터를 생성하여, 기준 인버터를 제어하며, 상기 제1 전압 벡터와는 위상이 180도 차이가 나는 제2 전압 벡터로 연동 인버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부(230)는, 제1 전압 벡터를 생성하여, 상기 기준 인버터를 제어하며, 상기 제1 모터(250a)에서 발생하는 제1 노이즈의 레벨의 극성과, 상기 제2 모터(250b)에서 발생하는 제2 노이즈의 레벨의 극성이 반대가 되도록 제2 전압 벡터를 생성하여, 상기 기준 인버터에 연동하여 구동하는 연동 인버터를 제어할 수 있다.
또한, 도 7과 같이, 상기 인버터 제어부(230)는, 상기 기준 인버터의 구동을 위한 제1 전압 벡터를 생성하여, 상기 기준 인버터를 제어하고, 상기 기준 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 온되는 경우, 상기 연동 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 오프되고, 상기 기준 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 오프되는 경우, 상기 연동 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 온되도록 제2 전압 벡터를 생성하여, 상기 연동 인버터를 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 2개의 인버터(220a, 220b)를 기준 인버터와 연동 인버터로 교번적으로 제어하며, 2개의 모터(250a, 250b)에서 발생되는 노이즈 전류(I1, I2)를 상쇄시킬 수 있도록 스위칭할 수 있다.
하지만, 도선 내 기생 인덕터로 인하여, 2개의 모터(250a, 250b)에서 발생되는 노이즈 전류(I1, I2)가 서로 정확하게 상쇄되지 않을 수 있다.
2개의 모터(250a, 250b)에서 발생되는 노이즈 전류(I1, I2)는 기생 커패시터(Cp1, Cp2)를 지나 모터(250a, 250b) 외부에서 만나 합성될 수 있다. 도 11을 참조하면, 도선이 길어질수록 기생 인덕터(Lp1, Lp2)의 영향이 강해지기 때문에, 스위칭 노이즈가 왜곡될 수 있고, 연동제어에 의해 생성된 스위칭 노이즈 전류(I1, I2)가 합성되어도 0이 되지 않는다.
도 12를 참조하면, 본 발명은, 스위칭 노이즈 전류(I1, I2)가 모터(250a, 250b)를 지나기 전 우회경로를 형성하는 임피던스부(Z3, Z4)를 추가함으로써 기생 인덕터(Lp1, Lp2)의 영향을 무력화할 수 있다.
여기서, 상기 제1 임피던스부(Z3)는 상기 제1 모터(250a)에 대응하는 임피던스(Z1)보다 매우 작게 설계되고, 상기 제2 임피던스부(Z4)는 상기 제2 모터(250b)에 대응하는 임피던스(Z2)보다 매우 작게 설계될 수 있다. 이에 따라, 스위칭 노이즈 전류(I1, I2)가 모터(250a, 250b)를 지나기 전 우회경로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 모터(250a)를 구동할 때 생긴 스위칭 노이즈 전류(I1)가 상기 제1 임피던스부(Z3)로 우회할 수 있다.
또한, 상기 제1 임피던스부(Z3)와 상기 제2 임피던스부(Z4)는, 서로 연결될 수 있다.
이에 따라, 스위칭 노이즈 전류(I1, I2)가 흐르는 단일 우회 경로를 형성할 수 있고, 의도한 스위칭 노이즈 상쇄(I1=I2)를 만들어, 스위칭 노이즈(I1=I2)는 외부로 유출되지 않고, 제2 모터(250b)로 흐른다. 따라서, 아날로그(Analog) 회로로 연동제어의 목표인 I3=0을 구현하는 것을 도울 수 있다.
한편, 상기 제1 임피던스부(Z3)는, 각각 상기 제1 모터(250a)와 상기 제1 인버터(220a)의 삼상에 연결되는 3개의 커패시터(C1, C2, C3)를 포함할 수 있다.
예를 들어, a상에는 제3 커패시터(C3), b상에는 제2 커패시터(C2), c상에는 제1 커패시터(C1)가 연결될 수 있다, 여기서, a, b, c상은 제1 인버터(220a)의 출력단인 a1, b1, c1 노드에 대응할 수 있다.
동일하게, 상기 제2 임피던스부(Z4)는, 각각 상기 제2 모터(250b)와 상기 제2 인버터(220b)의 삼상에 연결되는 3개의 커패시터(C4, C5, C6)를 포함할 수 있다.
예를 들어, a상에는 제6 커패시터(C6), b상에는 제5 커패시터(C5), c상에는 제4 커패시터(C4)가 연결될 수 있다. 여기서, a, b, c상은 제2 인버터(220b)의 출력단인 a2, b2, c2 노드에 대응할 수 있다.
이에 따라, 간단하게, 상기 모터(250a, 250b)에 대응하는 임피던스(Z1, Z2)보다 임피던스가 매우 작게 설계하기 용이하고, 쇼트(short)도 방지할 수 있다.
한편, 상기 제1 임피던스부(Z3)는, 상기 3개의 커패시터(C1, C2, C3)에 각각 직렬로 연결되는 3개의 저항(R1, R2, R3)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 커패시터(C1)에는 제1 저항(R1)이 직렬로 연결되고, 제2 커패시터(C2)에는 제2 저항(R2)이 직렬로 연결되고, 제3 커패시터(C3)에는 제3 저항(R3)이 직렬로 연결될 수 있다.
동일하게, 상기 제2 임피던스부(Z4)는, 상기 3개의 커패시터(C4, C5, C6)에 각각 직렬로 연결되는 3개의 저항(R4, R5, R6)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제4 커패시터(C4)에는 제4 저항(R4)이 직렬로 연결되고, 제5 커패시터(C5)에는 제5 저항(R5)이 직렬로 연결되고, 제6 커패시터(C6)에는 제6 저항(R6)이 직렬로 연결될 수 있다.
여기서, 커패시터(C1, C2, C3, C4, C5, C6)의 용량은 기성 커패시터(Cp1, Cp2) 대비 상대적으로 크게 설계되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 커패시터(C1, C2, C3)는, 상기 제1 모터(250a)의 기생 커패시터(Cp1) 대비 10배 이상의 커패시턴스 용량을 가질 수 있다. 또한, 상기 커패시터(C4, C5, C6)는, 상기 제2 모터(250b)의 기생 커패시터(Cp2) 대비 10배 이상의 커패시턴스 용량을 가질 수 있다. 이에 따라, 충분히 작은 임피던스를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 연동제어로 스위칭 노이즈를 상쇄할 수 있다. 하지만 노이즈 전류의 경로가 모터(250a, 250b)의 기생 커패시터(Cp1, Cp2) 통해 흐르기 때문에 전류 패스(path)가 긴편이다. 전류 패스가 길어 도선의 기생 인덕터(Lp1, Lp2)에도 영향을 받는다. 본 발명은 스위칭 노이즈가 모터(250a, 250b)와 기생 커패시터(Cp1, Cp2)로 흐르지 않도록 커패시터(C)와 저항(R)의 조합으로 우회 경로를 만들 수 있다.
또한, 저항들(R1, R2, R3, R4, R5, R6)은 노이즈를 소모시켜 누설 전류를 일정 수준 이하로 억제할 수 있다. 이에 따라, 다른 회로에 미치는 노이즈의 영향을 최소화할 수 있다.
도 13과 도 14는 임피던스부(Z3, Z4) 회로 추가에 따른 영향 및 설계 방향에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 13을 참조하면, 만약, 기생 커패시터(Cp)의 커패시턴스가 100pF이면, 제1 내지 제3 커패시터(C1, C2, C3)의 커패시턴스는 1nF로 설계될 수 있다. 모터의 스위치 노이즈가 약 3A이면, 도 13의 점선 패스에 흐르는 전류는 1A 이하인 것이 바람직하다.
도 13의 점선 패스에 흐르는 전류는 도시된 수식에 따라 산출될 수 있다. 여기서, C는 제2 커패시터(C2)와 제3 커패시터(C3)의 직렬 연결로 인해 0.5nF가 될 수 있고, dc단 커패시터(C)에 병렬로 2개의 커패시터(C11, C12)가 연결된 경우에, E는 dc단 커패시터(C)의 양단 전압*2/3일 수 있다.
도 13의 점선 패스에 흐르는 전류는 1A 이하로 구현하기 위하여, 수식의 R은 20Ω으로 설계될 수 있다. 점선 패스 상에서 제2 저항(R2)과 제3 저항(R3)이 직렬 연결되었으므로, 제2 저항(R2)과 제3 저항(R3) 각각은 10Ω으로 설계될 수 있다.
이와 같이, 제1 내지 제3 커패시터(C1, C2, C3)의 커패시턴스는 1nF로 설계되고, 제1 저항 내지 제3 저항(R1, R2, R3)가 10Ω으로 설계된 경우에, 점선 패스를 따라 도 14에서 예시된 전류가 흐를 수 있다.
도 14를 참조하면, 100ns이내에 전류는 소멸하고, 100ns이내 구간에서도 전류의 최대값은 0.5A를 넘지 않으므로, 1A 이하의 설계 조건을 만족할 수 있다.
기생성분은 매우 작은 값을 가지기 때문에 일반소자들이 기생성분들보다 노이즈에 더 큰 영향력을 가진다. 따라서, 일정 수준 이하의 임피던스로 임피던스부(Z3, Z4)를 구현하는 것만으로도 기생성분에 영향을 덜 받기 때문에 노이즈 저감 효과가 향상될 수 있다.
또한, 실험에 의해 측정된 기생 커패시터(Cp1, Cp2)의 용량 대비 충분히 큰 커패시턴스 용량의 커패시터로 저(low) 임피턴스를 구현하면, 모델 및 제품에 의한 임피던스 영향을 고려하지 않아도 충분히 노이즈 저감 효과를 발휘할 수 있다.
따라서 일일히 실제 회로에 존재하는 기생성분들을 분석하지 않아도 우회경로를 쉽게 생성할 수 있는 점을 이용하여, 저(low) 임피턴스의 임피던스부(Z3, Z4)로 우회경로를 형성하여 기생 성분들을 일일이 분석하여 연동제어를 하는 것보다 더 간단하게 노이즈를 저감할 수 있다.
더욱 바람직하게는, EMI 노이즈를 저감하는데 상당한 효과가 있는 PWM 연동제어와 함께 임피던스부(Z3, Z4) 아날로그 회로를 추가함으로써 시너지효과를 발생시킬 수 있다.
한편, 상술한 모터 구동 장치(200)는, 공기조화기 외에도 다양한 기기에 구비되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 홈 어플라이언스 중 세탁물 처리기기, 냉장고, 정수기, 청소기 등에 사용될 수 있다. 또한, 모터로 동작 가능한 차량(vehicle), 로봇(robot), 드론(drone) 등에 적용 가능하다.
본 발명에 따른 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
50: 공기조화기
200: 모터 구동 장치
220a: 제1 인버터
220b: 제2 인버터
230: 인버터 제어부
250a: 제1 모터
250b: 제2 모터

Claims (10)

  1. 공통의 입력 교류 전원에 기초하여 동작하며, 제1 모터와 제2 모터를 각각 구동하는 제1 인버터와 제2 인버터;
    상기 제1 모터와 상기 제1 인버터 사이의 노드에 연결되는 제1 임피던스부;
    상기 제2 모터와 상기 제2 인버터 사이의 노드에 연결되는 제2 임피던스부; 및,
    공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    스위칭 한 주기의 제1 반주기에서, 상기 제1 인버터를 기준 인버터로 설정하고, 상기 제2 인버터를 상기 기준 인버터에 연동하여 구동되는 연동 인버터로 설정하며,
    상기 제1 반주기의 다음 반주기인 제2 반주기에서 상기 제1 인버터를 상기 연동 인버터로 설정하고 상기 제2 인버터를 상기 기준 인버터로 설정하여 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터를 제어하고,
    상기 제1 임피던스부와 상기 제2 임피던스부는, 서로 연결되어, 스위칭 노이즈 전류가 흐르는 단일 우회 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치."
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 임피던스부는, 각각 상기 제1 모터와 상기 제1 인버터의 삼상에 연결되는 3개의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 임피던스부는, 상기 3개의 커패시터에 각각 직렬로 연결되는 3개의 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 커패시터는, 상기 제1 모터의 기생 커패시터 대비 10배 이상의 커패시턴스 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 임피던스부는, 각각 상기 제2 모터와 상기 제2 인버터의 삼상에 연결되는 3개의 커패시터 및, 상기 3개의 커패시터에 각각 직렬로 연결되는 3개의 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 기준 인버터의 구동을 위한 제1 전압 벡터를 생성하여, 상기 기준 인버터를 제어하고,
    상기 기준 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 온되는 경우, 상기 연동 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 오프되고, 상기 기준 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 오프되는 경우, 상기 연동 인버터의 삼상의 상암 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자가 턴 온되도록 제2 전압 벡터를 생성하여, 상기 연동 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    제1 전압 벡터를 생성하여, 상기 기준 인버터를 제어하며,
    상기 제1 모터에서 발생하는 제1 노이즈의 레벨의 극성과, 상기 제2 모터에서 발생하는 제2 노이즈의 레벨의 극성이 반대가 되도록 제2 전압 벡터를 생성하여, 상기 기준 인버터에 연동하여 구동하는 연동 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 제1 인버터의 스위칭 주기와, 상기 제2 인버터의 스위칭 주기를 동기화시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  10. 제1항 내지 제5항, 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항의 모터 구동 장치를 구비하는 공기조화기.




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