KR102217538B1 - 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, dc단 커패시터, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 상기 dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터, 상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되어 전류를 검출하는 출력 전류 검출부, 및, 상기 출력 전류 검출부를 통해 검출된 전류에 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함하고, 인버터 제어부는, 공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하며, 스위칭 한 주기 내에서 적어도 하나의 전압 벡터를 이동하면서 크기를 감소시켜, 상기 인버터를 구동할 수 있다.

Description

모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스{Motor driving apparatus and home appliance including the same}
본 발명은 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정확하게 상 전류를 검출할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다.
홈 어플라이언스(home appliance)는 사용자 편의를 위해 사용되는 기기이다.
또한, 가정에서 사용되는 의류 건조기, 세탁기, 냉장고, 공기조화기 등 홈 어플라이언스들은 각각 사용자의 조작에 따라 고유한 기능과 동작을 수행한다.
한편, 모터 구동 장치는, 회전 운동을 하는 회전자와 코일이 감긴 고정자를 구비하는 모터를 구동하기 위한 장치이며, 특히, 홈 어플라이언스 내의 모터를 구동하기 위해 사용될 수 있다.
최근, 제조 비용 저감 등을 이유로, 센서리스 방식의 모터 구동장치가 많이 사용되고 있으며, 이에 따라, 효율적인 모터 구동을 위해, 센서리스 방식의 모터 구동장치에 대한 연구가 수행되고 있다.
이러한 센서리스 모터 구동 장치를 안정적으로 구동시키기 위해서는, 상 전류를 간편하고 정확하게 감지할 수 있는 방법이 요구된다.
최근에는 하나의 전류 센서를 이용하여 인버터 출력 전류를 감지하는 회로들이 제안되고 있다. 이러한 회로들은 3상 전류의 합이 0이라는 것을 전제로 하여 특정 상 전류를 추정하고 있다.
예를 들어 선행 문헌(한국 공개특허공보 제10-2007-0096685호, 공개일자 2007년 10월 02일)은 단일 전류 센서를 이용한 3상 모터 제어시스템에 대한 내용을 기술하고 있다. 선행 문헌은 전류 감지 불가능 영역에서는 감지 가능한 영역으로 벡터(Vector)를 출력하고 추가된 벡터만큼 역방향으로 보상하는 벡터를 발생시키고 있다. 이에 따라, 1회의 스위칭 패턴(switching pattern)에서 2종류의 유효 벡터를 출력하여 실제 요구되는 벡터와는 다른 벡터가 출력되고, 역방향 벡터에 대한 전류 감지는 실시하지 않아 실제 위치와 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 하나의 전류 센서를 이용하여 인버터 출력 전류를 감지할 때 상 전류를 저비용으로 간편하고 정확하게 감지하고, 오차를 방지할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 단일 전류 센서로 모터에 흐르는 상 전류를 정확하게 검출할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 벡터 변경으로 인한 오차를 방지할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, dc단 커패시터, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 상기 dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터, 상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되어 전류를 검출하는 출력 전류 검출부, 및, 상기 출력 전류 검출부를 통해 검출된 전류에 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부를 포함하고, 인버터 제어부는, 공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하며, 스위칭 한 주기 내에서 적어도 하나의 전압 벡터를 이동하면서 크기를 감소시켜, 상기 인버터를 구동할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 단일 전류 센서로 모터에 흐르는 상 전류를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 벡터 변경으로 인한 오차를 방지하여 안정적으로 모터를 구동할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 왜곡된 벡터의 출력에 따른 소음, 고조파(harmococ) 악화를 개선할 수 있다.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 내부 블록도의 일예이다.
도 2는 도 1의 모터 구동 장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 3은 도 2의 인버터 제어부의 내부 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 출력 전류 검출부를 예시하는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 전류 추정 기법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 6은 최소 유효 벡터 인가 시간을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 7a와 도 7b는, 인버터 내의 각 스위칭 소자의 스위칭 조합에 따른, 공간 벡터 기반의 전압 벡터 및 전류 검출 측정이 불가능한 데드 밴드를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 8은 시프트(shift) 방식에 따른 전류 검출 방법의 일예를 도시한 도면이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전류 검출 방법의 일예를 도시한 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.
본 명세서에서 기술되는 모터 구동 장치(220)는, 모터의 회전자 위치를 감지하는 홀 센서(hall sensor)와 같이, 감지부가 구비되지 않는, 센서리스(sensorless) 방식에 의해, 모터의 회전자 위치를 추정할 수 있는 모터 구동 장치이다. 이하에서는, 센서리스 방식의 모터 구동 장치에 대해 설명한다. 한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치(220)는, 모터 구동부로 명명할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 내부 블록도의 일예이고, 도 2는 도 1의 모터 구동 장치의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(220)는, 센서리스 방식으로 모터를 구동하기 위한 것으로서, 인버터(420) 및 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치(220)는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 컨버터(410)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치(220)는, 입력 전류 검출부(A), 리액터(L), dc단 커패시터(C), dc단 전압 검출부(B), 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치(220)는, dc단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치되는 출력 전류 검출부(도 4의 Edc 참조)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(220)는, dc단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치되는 1개의 dc단 저항 소자(도 4의 Rdc 참조)를 더 포함할 수 있고, 이러한 dc단 저항 소자는 션트(shunt) 저항 소자로 명명될 수도 있다.
이때, 인버터 제어부(430)는, 공간 벡터 기반의 펄스폭(Pulse Width Modulation: PWM) 가변 제어에 의해, 인버터(420) 내의 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 1개의 dc단 저항 소자를 이용하여, 순차적으로 검출되는 상 전류 정보를 수신하고, 이에 기초하여, 공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 인버터(420) 내의 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
특히, 인버터 제어부(430)는, 전류 불감지 영역인 데드 밴드(dead band)에서, 스위칭 소자의 턴 온 시간을 시프트(shift) 하지 않고, 벡터를 이동하면서 그 크기를 감소시킬 수 있다.
시프트(shift)로 인하여 의도치않는 벡터가 생성되고, 왜곡된 벡터 출력에 따른 소음 및 고조파(harmonic) 악화를 개선하기 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치(220)는, dc단 커패시터(C), 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 복수의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터(C)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터(230)에 출력하는 인버터(420), dc단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치되어 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(Edc), 및, 출력 전류 검출부(Edc)를 통해 검출된 전류에 기초하여, 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
여기서, 출력 전류 검출부(Edc)는 dc단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치되는 하나의 저항 소자(Rdc)를 포함할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 인버터(420) 내의 상기 복수의 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어부(430)는, 스위칭 한 주기 내에서 적어도 하나의 전압 벡터를 이동하면서 크기를 감소시켜, 상기 인버터(430)를 구동할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 한 전압 벡터의 크기가 작아지면서 이동하도록 스위칭 한 주기 내에서 PWM 스위칭 벡터의 스위칭 패턴을 가변할 수 있다.
예를 들어, 상기 인버터 제어부(430)는, 상기 복수의 스위칭 소자 중 제1 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 증가시키고, 제2 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 감소시킬 수 있다. 이 경우에 나머지 제3 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 유지할 수 있다.
이 경우에, 상기 인버터 제어부(430)는, 상기 제1 상암 스위칭 소자의 턴 온 시작 시간은 앞당기고, 종료 시간은 지연하며, 상기 제2 상암 스위칭 소자의 턴 온 시작 시간은 지연하고, 종료 시간은 앞당기도록 제어할 수 있다.
즉, 복수의 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 유지하면서 하나 이상의 상암 스위칭 소자의 스위칭 벡터를 좌측 또는 우측으로 시프트(shift)하는 것이 아니라, 한 상암 스위칭 소자는 턴 온 시간이 증가하도록 스위칭 벡터를 가변하고, 다른 한 상암 스위칭 소자는 턴 온 시간이 감소하도록 스위칭 벡터를 가변할 수 있다.
이에 따라, 시프트(shift)에 의해 의도치 않는 전압 벡터를 생성하는 것을 방지함으로써, 소음 및 고조파 문제를 개선할 수 있다.
한편, 전압 벡터는 크기를 유지한 체 이동시키면, 로터(rotor)의 속도가 증가할 수 있다. 따라서, 인버터 제어부(430)는, 한 전압 벡터의 크기가 작아지면서 이동하도록 스위칭 한 주기 내에서 PWM 스위칭 벡터의 스위칭 패턴을 가변할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 인버터 제어부(430)는 상기 전압 벡터의 이동 시 회전 각도에 대응하여 상기 전압 벡터의 크기를 감소시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 인버터 제어부(430)는 상기 전압 벡터의 이동 시 회전 각도에 대응하여 전류 지령치를 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 인버터 제어부(430)는, 상기 전압 벡터의 이동 시 상기 전압 벡터 생성을 위한 유효 벡터가, 상기 인버터(420) 내의 스위칭 소자의 안정 시간, 상기 인버터(420)의 데드 타임 시간, 상기 출력 전류 검출부(Edc)의 아날로그 디지털 변환시간의 합에 대응하는 최소 전압 벡터 인가 시간보다 커지도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 모터(230)에 흐르는 상 전류를 정확하게 검출할 수 있게 된다. 또한, 출력 전류 검출부(Edc)는, 1개의 dc단 저항 소자(Rdc)를 이용하여, 시분할로, 상 전류를 검출함으로써, 제조 비용이 저감되며, 설치가 용이해지는 장점이 있다.
이하에서는, 도 1 및 도 2의 모터 구동 장치(220) 내의 각 구성 유닛들의 동작에 대해 설명한다.
리액터(L)는, 입력 교류 전원(405)과 컨버터(410) 사이에 배치되어, 역률 보정 또는 승압동작을 수행할 수 있다. 또한, 리액터(L)는 컨버터(410) 등의 고속 스위칭에 의한 고조파 전류를 제한하는 기능을 수행할 수도 있다.
입력 전류 검출부(A)는, 상용 교류 전원(405)으로부터 입력되는 입력 전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(A)로, CT(current transformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
컨버터(410)는, 리액터(L)를 거친 상용 교류 전원(405)을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력한다. 도면에서는 상용 교류 전원(405)을 단상 교류 전원으로 도시하고 있으나, 삼상 교류 전원일 수도 있다. 상용 교류 전원(405)의 종류에 따라 컨버터(410)의 내부 구조도 달라질 수 있다.
한편, 컨버터(410)는, 스위칭 소자 없이 다이오드 등으로 이루어져, 별도의 스위칭 동작 없이 정류 동작을 수행할 수도 있다.
예를 들어, 단상 교류 전원인 경우, 4개의 다이오드가 브릿지 형태로 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원인 경우, 6개의 다이오드가 브릿지 형태로 사용될 수 있다.
한편, 컨버터(410)는, 예를 들어, 2개의 스위칭 소자 및 4개의 다이오드가 연결된 하프 브릿지형의 컨버터가 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원의 경우, 6개의 스위칭 소자 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다. 이러한 경우의 컨버터(410)는 정류부(rectifier)라 명명할 수도 있다.
컨버터(410)가, 스위칭 소자를 구비하는 경우, 해당 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 승압 동작, 역률 개선 및 직류전원 변환을 수행할 수 있다.
dc단 커패시터(C)는, dc 양단에 접속되며, 입력되는 전원을 평활하고 이를 저장한다. 도면에서는, dc단 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
한편, 도면에서는, 컨버터(410)의 출력단에 접속되는 것으로 예시하나, 이에 한정되지 않고, 직류 전원이 바로 입력될 수도 있다. 예를 들어, 태양 전지로부터의 직류 전원이 dc단 커패시터(C)에 바로 입력되거나 직류/직류 변환되어 입력될 수도 있다. 이하에서는, 도면에 예시된 부분을 위주로 기술한다.
한편, dc단 커패시터(C) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
dc단 전압 검출부(B)는 dc단 커패시터(C)의 양단인 dc단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원(va,vb,vc)으로 변환하여, 삼상 동기 모터(230)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 동기 모터(230)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 센서리스 방식을 기반으로, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)를 입력 받을 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)를 기초로 생성되어 출력된다.
출력 전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(230) 사이에 흐르는 출력 전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(230)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력 전류 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.
출력 전류 검출부(E)는 인버터(420)와 모터(230) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
션트 저항이 사용되는 경우, 3개의 션트 저항이 인버터(420)와 동기 모터(230) 사이에 위치하거나, 인버터(420)의 3개의 하암 스위칭 소자 소자(S'a,S'b,S'c)에 일단이 각각 접속되는 것이 가능하다.
또는, 2개의 션트 저항이 사용되어, 나머지 한 상의 전류를 삼상 평형을 이용하여 연산하는 것도 가능하다.
보다 바람직하게는, 1개의 션트 저항(도 4의 Rdc)이, dc단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 방식을 1 션트(1-shunt) 방식이라 명명할 수 있다.
1 션트 방식에 따르면, 출력 전류 검출부(E)는, 1 개의 션트 저항 소자(Rdc)를 사용하여, 인버터(420)의 하암 스위칭 소자의 턴 온시, 시분할로, 모터(230)에 흐르는 출력 전류(io)인 상 전류(phase current)를 검출할 수 있다.
검출된 출력 전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력 전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다. 이하에서는 검출된 출력 전류(io)가 삼상의 출력 전류(ia,ib,ic)인 것으로 병행하여 기술할 수도 있다.
한편, 삼상 모터(230)는, 고정자(stator)와 회전자(rotor)를 구비하며, 각상(a,b,c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 모터(230)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interidcr 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.
부하(231)는, 홈 어플라이언스에 구현된 동작을 수행하기 위한 것으로, 각 홈 어플라이언스별로 다르게 구성될 수 있다.
예를 들어, 의류 건조기가 모터 구동 장치(220)를 포함하는 경우, 부하(231)는, 압축된 공기를 공급하기 위한 송풍팬일 수 있다.
다른 예로, 공기조화기가 모터 구동 장치(220)를 포함하는 경우, 부하(231)는, 실내팬, 실외팬, 냉매를 압축하는 압축기일 수 있다.
또 다른 예로, 냉장고가 모터 구동 장치(220)를 포함하는 경우, 부하(231)는, 냉장실 팬 또는, 냉동실 팬일 수 있다.
또 다른 예로 본 발명의 모터 구동 장치(220)는, 홈 어플라이언스 내의 압축기를 구동하기 위한 것으로서, 도 1의 부하(231)는 냉매를 압축하는 압축기일 수 있다.
도 3은 도 2의 인버터 제어부의 내부 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 인버터 제어부(430)는, 축변환부(310), 속도 연산부(320), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 출력 전류(ia,ib,ic)를, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환할 수 있다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
속도 연산부(320)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 출력 전류(ia,ib,ic)에 기초하여, 위치치(
Figure 112018118095456-pat00001
)를 추정하고, 추정된 위치를 미분하여, 속도(
Figure 112018118095456-pat00002
)를 연산할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure 112018118095456-pat00003
)와 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure 112018118095456-pat00004
)와 속도 지령치(ω* r)의 차이에 기초하여, PI 제어기(335)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, 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 112018118095456-pat00005
)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 112018118095456-pat00006
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(1050)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 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
한편, 모터 구동 장치(220)는, 인버터(420) 제어를 통하여, 모터(230)를 구동하는 벡터(vector) 제어를 수행하기 위해서 모터(230)에 흐르는 출력 전류, 특히, 상 전류를 감지할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 감지된 상 전류를 이용하여, 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340)를 통해, 모터(230)를 원하는 속도와 토크(torque)로 제어할 수 있게 된다.
전류 지령 생성부(330)는 전압 벡터의 이동 시 회전 각도에 대응하여 전류 지령치를 감소시킬 수 있다. 특히, 전류 지령 생성부(330)는 전압 벡터의 이동 시 회전 각도에 대응하여 q축 전류 지령치(i* q)를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 전압 벡터의 이동에도 회전자의 정속도를 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 출력 전류 검출부를 예시하는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 출력 전류 검출부(E)는, dc단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치되는 션트 저항 소자(Rdc)를 구비할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, dc단 저항 소자(Rdc)에 흐르는 전류에 기초하여, 모터(230)에 흐르는 전류를 감지하고, 감지된 모터 전류에 기초하여 인버터(420)를 제어할 수 있다.
도면과 같이, 션트 저항 소자(Rdc)를 이용한, 전류 획득 방법을 션트(shunt) 알고리즘이라 한다.
션트 알고리즘은, 션트 저항 소자의 위치와 개수에 따라 1-션트, 2-션트, 3-션트로 구분되는데, 본 발명의 모터 구동 장치(220)는, 1-션트 방식을 이용할 수 있다. 이하 1-션트 방식에 대해 기술한다.
이러한 1-션트(shunt) 방식에 따르면, 모터(230)에 흐르는 3 상 전류(a,b,c 상 전류)를, dc단에 배치되는, 하나의 션트(shunt) 저항 소자만으로 획득한다.
따라서, 전류 센서 없이 상 전류를 감지할 수 있고, 2-션트(shunt), 3-션트(shunt) 방법에 비해, 전압 증폭기, A/D 포트 등의 주변 회로를 감소시킬 수 있게 된다. 또한, 모터 구동 장치(220)의 제조 비용 및 부피가 감소하는 등의 많은 장점이 있다.
모터 구동 장치(220)는, 1개의 션트 저항 소자(Rdc)를 이용하여 상 전류를 검출할 수 있다. 이때, 인버터 제어부(430)는, 공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 인버터(420) 내의 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 전류 추정 기법을 설명하기 위해 참조되는 도면으로, 도 5a는, 제1 유효 벡터와 제2 유효 벡터에 대응하여, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 스위칭을 예시하는 도면이고, 도 5b는, 제1 유효 벡터에서의 전류 패쓰를 예시하는 도면이다.
도 6은 최소 유효 벡터 인가 시간을 설명하기 위해 참조되는 도면이며, 도 7a와 도 7b는, 인버터 내의 각 스위칭 소자의 스위칭 조합에 따른, 공간 벡터 기반의 전압 벡터 및 전류 검출 측정이 불가능한 데드 밴드를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 스위칭 조합에 따라, 공간 벡터 기반의 전압 벡터가 생성될 수 있다.
도 7a 내지 도 7b에서와 같이, 인버터(420) 내의 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc)가 모두 온(On)인 경우, V0(111)의 영 벡터(zero vector)에 대응하며, 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 모두 온(On)인 경우, V7(000)의 영 벡터에 대응한다. 즉, 공간 벡터 영역(800)에, 2개의 영 벡터가 존재한다.
또한, 2개의 영 벡터를 제외하고 6개의 유효 벡터(V1 내지 V6)가 공간 벡터 상에 존재한다.
한편, 제1 유효 벡터(V1)와 제2 유효 벡터(V2)의 조합으로 전압 벡터(v*)가 생성될 수 있다. 이러한 전압 벡터(v*)는, 상술한 전압 지령 생성부(340)에서 생성될 수 있다.
1-션트 방식은, 한 공간 벡터 기반의 PWM(SVPWM)을 위한 제어 주기(Ts)에서, 유효 벡터가 인가될 때, 션트 저항 소자(Rdc)로부터 상전류를 검출하고, 검출된 상전류를 아날로그 디지털(A/D)변환하고, 스위칭 제어 신호 출력부(도 3의 360) 내의 게이트 신호 생성부(미도시)에서, 현재의 섹터와, 유효 벡터를 판단하여, 상전류를 복원한다. 이때, 벡터가 한 주기(Ts) 내에서 인가되므로, 2상의 상전류를 복원할 수 있으며, 나머지 한 상의 전류는 세 상의 전류의 합이 0이라는 것을 이용하여 구한다.
도 5a에서, S51 영역은, 제1 상암 스위칭 소자(Sa) 온, 제2 상암 스위칭 소자(Sb) 오프, 제3 상암 스위칭 소자(Sc) 오프 되는 영역으로써, 제1 유효 벡터(V1) 영역에 대응한다.
도 5b에서, 제1 하암 스위칭 소자(S'a), 제2 하암 스위칭 소자(S'b) 및 제3 하암 스위칭 소자(S'c)는, 각 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc)에 상보적으로 동작하므로, 입력 전류는, 제1 상암 스위칭 소자(Sa)를 통해, 입력 되어, 모터(230), 제2 하암 스위칭 소자(S'b) 및 제3 하암 스위칭 소자(S'c)를 경유하여, 션트 저항 소자(Rdc)에 인가된다. 도면에서는, 제1 전류 패쓰(Path 1)를 예시한다.
따라서, 출력 전류 검출부(Edc)는, 제1 유효 벡터(V1)의 인가 시간인 T2/2 시간 동안에 a 상 전류인 ia를 검출한다.
출력 전류 검출부(Edc)는, 동일한 방식에 의해, 제2 유효 벡터(V2)의 인가 시간인 T1/2 시간 동안, c 상 전류인 -ic를 검출할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 나머지 b 상 전류인 ib를 내부 연산을 통하여 얻을하고, 수 있다.
도 5c는, 각 벡터에 대한, 출력 전류 검출부(Edc)에서 검출되는 모터 전류의 상태를 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 섹터 1에서의 제1 유효 벡터에 대해, 션트 소자(Rdc)를 통해, a 상전류인 Ias 전류가 검출되며, 섹터 2에서의 제2 유효 벡터에 대해, 션트 저항 소자(Rdc)를 통해, c 상전류인 -Ics 전류가 검출되며, 섹터 3에서의 제3 유효 벡터에 대해, 션트 저항 소자(Rdc)를 통해, b 상전류인 Ibs 전류가 검출되며, 섹터 4에서의 제4 유효 벡터에 대해, 션트 저항 소자(Rdc)를 통해, a 상전류인 -Ias 전류가 검출되며, 섹터 5에서의 제5 유효 벡터에 대해, 션트 저항 소자(Rdc)를 통해, c 상전류인 Ics 전류가 검출되며, 섹터 6에서의 제6 유효 벡터에 대해, 션트 저항 소자(Rdc)를 통해, b 상전류인 -Ibs 전류가 검출된다.
한편, 영 벡터인, V0, V7 벡터에 대해, 션트 저항 소자(Rdc)를 통해, 전류 검출이 불가능하게 된다.
도면을 참조하여 설명하면, 상술한 바와 같이 인버터 제어부(430)는, 유효 벡터 구간에서 션트 저항 소자(Rdc)에 흐르는 전류를 감지하여, 상전류를 감지할 수 있다.
이때, 유효 벡터가 인가되는 구간이 짧을 경우, 즉, 유효 벡터의 인가 시간이, 최소 유효 벡터 인가 시간(Tmin) 보다 작은 경우, 상 전류를 감지하는데 문제가 발생하게 된다.
도 6을 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 인버터(420) 내의 스위칭 소자의 암쇼트(arm short)를 방지하기 위한 데드 타임(dead time)(Td), 인버터(420) 내의 스위칭 소자의 스위칭 시 발생하는 링잉(Ringing) 현상에 따른 안정 시간(settling tiem)(Ts), 샘플링시의 아날로그 디지털 변환 시간(Tad)을 고려하여, 최소 유효 벡터 인가 시간(Tmin)을 연산할 수 있다.
특히, 인버터 제어부(430)는, 인버터(420) 내의 스위칭 소자의 스위칭에 의한 스위칭 시간 마진(margin)(Tm1) 및 샘플링시의 아날로그 디지털 변환 시간 마진(margin)(Tm2)까지 고려하여, 최소 유효 벡터 인가 시간(Tmin)을 연산할 수 있다.
결국 최소 유효 벡터 인가 시간(Tmin)은, 다음의 수학식 1과 같이 연산된다.
Figure 112018118095456-pat00007
즉, 최소 벡터 인가 시간(Tmin)은, 인버터(420) 내의 스위칭 소자의 암쇼트(arm short)를 방지하기 위한 데드 타임(dead time)(Td), 인버터(420) 내의 스위칭 소자의 스위칭 시 발생하는 링잉(Ringing) 현상에 따른 안정 시간(settling tiem)(Ts), 샘플링시의 아날로그 디지털 변환 시간(Tad), 인버터(420) 내의 스위칭 소자의 스위칭에 의한 스위칭 시간 마진(margin)(Tm1) 및 샘플링시의 아날로그 디지털 변환 시간 마진(margin)(Tm2)의 합에 대응될 수 있다.
예를 들어, 최소 벡터 인가 시간(Tmin)은, 데드 타임(Td) 2us, 안정 시간(Ts) 3us, 아날로그 디지털 변환 시간(Tad) 2us에, 스위칭 시간 마진(Tm1) 0.5us 와 아날로그 디지털 변환 시간 마진(Tm1) 0.5us을 더한 8us일 수 있다.
이에 따라, 모터 구동 장치(220)는, 데드 타임(Td), 안정 시간(Ts), 아날로그 디지털 변환 시간(Tad) 뿐만 아니라, 스위칭 마진(Tm1) 및 아날로그 디지털 변환 시간 마진(Tm2)까지 고려하여, 최소 유효 벡터 인가 시간(Tmin)을 연산하므로, 보다 안정적인 상 전류 감지가 가능하다.
한편, 유효 벡터의 인가 시간이, 최소 유효 벡터 인가 시간(Tmin)보다 작은 경우에 대해서는, 도 7a와 도 7b를 참조하여 설명한다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 7a는 공간 벡터 기반의 PWM(SVPWM) 육각형에서, 스위칭 한 주기 내에서 한 유효 벡터의 인가 시간이, 최소 유효 벡터 인가 시간(Tmin) 보다 작은 경우를 예시한다.
도 7a에 따르면, 제1 유효 벡터 내지 제6 유효 벡터 주변 영역에서, 션트 저항 소자(Rdc)를 통해 한 상의 전류가 검출 불가능한 영역(71)이 발생하게 되며, 이를 측정 불가영역 또는 데드 밴드(dead band)라 명명할 수 있다.
도 7b는 공간 벡터 기반의 PWM(SVPWM) 육각형에서, 스위칭 한 주기 내에서 두 유효 벡터의 인가시간이, 최소 유효벡터 인가 시간(Tmin)보다 작은 경우를 예시한다.
도 7b에 따르면, 영 벡터(zero vector) 주변 영역에서, 션트 저항 소자(Rdc)를 통해 두 상의 전류가 검출 불가능한 영역(72)이 발생하게 된다.
한편, 이러한 데드 밴드에서, 전류 검출을 수행하지 못하는 경우, 정확한 모터 제어를 할 수 없다.
한편, 이러한 전류 검출 불가능한 영역이 발생하는 것을 방지하기 위해, 최소 유효벡터 인가 시간(Tmin) 확보하는 방안이 있다.
이러한 방안에 따르면, 강제로, 대칭형 스위칭 타이밍을 비대칭형으로 변경하거나, 턴 온 타이밍을 시프트(shift)할 수 있게 된다. 그러나, 순시적으로 보면, 전압 벡터에 왜곡이 생겨, 노이즈가 발생할 수 있다.
도 8은 시프트(shift) 방식의 전류 검출 방법의 일예를 도시한 도면이다.
도 8의 (a)는, T1 구간과 T2 구간 중 T2 구간이, 전류 검출 가능한 최소 시간(Tmin)보다 작은 경우를 예시한다. 도 8의 (a)는, 순차적으로, (0,0,0), (1,0,0), (1,1,0), (1,1,1), (1,1,1), (1,1,0), (1,0,0), (0,0,0) 벡터가 인가되는 것을 예시한다.
도 8의 (b)는, Sa 외에, Sb, Sc에 대응하는 b 상 벡터와 c 상 벡터를 좌측과 우측으로 각각 시프트시키는 것을 예시한다. 이러한 방안에 따르면, 대칭형 스위칭 타이밍이 비대칭형으로 변경되게 된다. 즉, 스위칭 벡터의 시프트가 수행되게 된다.
이러한 방안에 따르면, 강제로, 대칭형 스위칭 타이밍을 비대칭형으로 변경하거나, 턴 온 타이밍을 시프트(shift)할 수 있게 된다. 그러나, 순시적으로 보면, 전압 벡터에 왜곡이 생겨, 노이즈가 발생할 수 있다.
하나의 감지 회로로 3상 전류를 감지하는 1 션트 방식의 경우, 3상 전류 복원을 위해 최소 2상의 전류를 감지해야 한다. 또한, 최소 유효벡터 인가 시간 확보가 필요하다.
종래에는 공간 벡터 상에서 감지가 불가능한 영역(71, 72)이 존재하기 때문에, 해당 영역(71, 72)에서는 PWM의 폭을 고정하고 위치를 변경하여 최소 유효벡터 인가 시간을 확보하는 PWM 시프트(shift) 방식을 적용하는 경우가 많았다.
하지만, 공간 벡터 기반의 펄스폭(Pulse Width Modulation: PWM) 가변 제어에서는 원래 두개의 인접 벡터를 사용하는 데, 시프트로 인하여 요구하지 않는 왜곡된 벡터가 생성될 수 있다.
도 8의 (b)를 참조하면, 요구하지 않는 (1,0,0) 벡터가 발생할 수 있다. 이에 따라, 왜곡된 벡터가 출력되고, 소음, 고조파 문제가 악화될 수 있다.
또한, (1,0,0) 벡터까지 포함하면 3개의 벡터가 사용되거나, 시프트 정도에 따라서, 다른 구간에서 최소 유효벡터 인가 시간이 획보되지 않을 수도 있다.
따라서, 왜곡된 벡터 생성으로 이상 소음과 고조파(Harmonic) 부분에서 불리한 점이 있는 PWM 시프트 방식보다 개선된 알고리즘을 제안한다.
도 1 내지 도 4 등을 참조하여 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(220)는, dc단 커패시터(C), 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 복수의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터(C)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터(420), dc단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치되어 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(Edc), 및, 출력 전류 검출부(Edc)를 통해 검출된 전류에 기초하여, 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 출력 전류 검출부(Edc)는, 하나의 저항 소자(Rdc)를 포함하여 1-션트 방식으로 전류를 검출할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 인버터(420) 내의 상기 복수의 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
특히, 인버터 제어부(430)는, 전류 불감지 영역인 데드 밴드(dead band)를 방지하기 위해서, 스위칭 소자의 턴 온 시간을 시프트(shift) 하지 않고, 벡터를 이동하면서 그 크기를 감소시킬 수 있다.
즉, 인버터 제어부(430)는, 한 전압 벡터의 크기가 작아지면서 이동하도록 스위칭 한 주기 내에서 PWM 스위칭 벡터의 스위칭 패턴을 가변할 수 있다.
도 9와 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전류 검출 방법의 일예를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 스위칭 벡터의 변경을 예시하고, 도 10은 전압 벡터의 이동을 예시한다.
도 9의 (a)를 참조하면, 순차적으로, (0,0,0), (1,0,0), (1,1,0), (1,1,1), (1,1,1), (1,1,0), (1,0,0), (0,0,0) 벡터가 인가될 때, 특정 구간이 전류 검출 가능한 최소 시간(Tmin)보다 작을 수 있다.
도 9의 (a)는 T1 구간과 T2 구간 중 T2 구간이, 전류 검출 가능한 최소 시간(Tmin)보다 작은 경우를 예시한다.
이 경우에, 본 발명은, 복수의 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 유지하면서 하나 이상의 상암 스위칭 소자의 스위칭 벡터를 좌측 또는 우측으로 시프트(shift)하지 않고, 전압 벡터가 전류 검출이 불가능한 영역(71, 72)을 벗어나도록 이동시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 인버터 제어부(430)는, 상기 복수의 스위칭 소자 중 제1 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 증가시키고, 제2 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 감소시킬 수 있다. 이 경우에 나머지 제3 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 유지할 수 있다.
즉, 상기 인버터 제어부(430)는, 한 상암 스위칭 소자는 턴 온 시간이 증가하도록 스위칭 벡터를 가변하고, 다른 한 상암 스위칭 소자는 턴 온 시간이 감소하도록 스위칭 벡터를 가변할 수 있다. 이에 따라, 하나 이상의 PWM 스위칭 벡터가 좌측 또는 우측으로 시프트되는 것이 아니고, 확장 또는 축소되는 방식으로 가변될 수 있다.
이 경우에, 상기 인버터 제어부(430)는, 상기 제1 상암 스위칭 소자의 턴 온 시작 시간은 앞당기고, 종료 시간은 지연하며, 상기 제2 상암 스위칭 소자의 턴 온 시작 시간은 지연하고, 종료 시간은 앞당기도록 제어할 수 있다.
도 9의 (b)를 참조하면, 상기 인버터 제어부(430)는, Sa에 대응하는 a 상 벡터는 온 구간을 증가시키고, Sb에 대응하는 b 상 벡터는 온 구간을 감소시킬 수 있다.
상기 인버터 제어부(430)는, Sa 상암 스위칭 소자의 턴 온 시작 시간은 앞당기고, 종료 시간은 지연되도록 제어하여 Sa 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 증가시킬 수 있다.
상기 인버터 제어부(430)는 Sb 상암 스위칭 소자의 턴 온 시작 시간은 턴 온 시작 시간은 지연하고, 종료 시간은 앞당기도록 제어하여 Sb 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 감소시킬 수 있다.
이때, 상기 인버터 제어부(430)는, 상기 전압 벡터의 이동 시 상기 전압 벡터 생성을 위한 유효 벡터가, 상기 인버터(420) 내의 스위칭 소자의 안정 시간(Tsettling), 상기 인버터(420)의 데드 타임 시간(Tdead), 상기 출력 전류 검출부(Edc)의 아날로그 디지털 변환시간(TA /D)의 합에 대응하는 최소 전압 벡터 인가 시간(Tmin)보다 커지도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 변경된 T1' 구간과 T2' 구간 모두 전류 검출 가능한 최소 시간(Tmin)보다 커져, 정확한 전류 검출에 필요한 시간을 확보할 수 있다.
또한, 도 8에서 예시된 (1,0,0) 벡터와 같이 시프트(shift)에 의해 의도치 않는 전압 벡터를 생성하는 것을 방지함으로써, 소음 및 고조파 문제를 개선할 수 있다.
본 발명에 따르면, 최소한의 센싱(sensing) 시간이 확보되지 않는 경우 공간 벡터 상에서 센싱 가능한 위치로 전압 벡터를 변경할 수 있다.
도 10을 참조하면, 전류 검출이 불가능한 영역(71, 72)에 위치하던 전압 벡터(1010)가 전류 검출이 불가능한 영역(71, 72)을 벗어나도록 이동시킬 수 있다.
이 경우에, 전압 벡터는 크기를 유지한 체 이동시키면, 로터(rotor)의 속도가 증가할 수 있다. 이동 후 벡터(1020)가 이동 전 벡터(1010)의 크기가 같으면, 원래 목표로 하는 각도(angle)보다 벡터를 더 많이 이동시켰기 때문에 로터(rotor)의 속도가 증가하게 된다.
따라서, 인버터 제어부(430)는, 한 전압 벡터의 크기가 작아지면서 이동하도록 스위칭 한 주기 내에서 PWM 스위칭 벡터의 스위칭 패턴을 가변할 수 있다. 즉, 인버터 제어부(430)는, 이동 후 벡터(1020)가 이동 전 벡터(1010)의 크기보다 작게 제어할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 인버터 제어부(430)는 상기 전압 벡터의 이동 시 회전 각도에 대응하여 상기 전압 벡터의 크기를 감소시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 인버터 제어부(430)는 상기 전압 벡터의 이동 시 회전 각도에 대응하여 전류 지령치를 감소시킬 수 있다.
특히, 전류 지령 생성부(330)는 전압 벡터의 이동 시 회전 각도에 대응하여 q축 전류 지령치(i* q)를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 전압 벡터의 이동에도 회전자의 정속도를 유지할 수 있다.
본 발명은 벡터를 추가 생성하여 출력하는 대신에 전류를 감소시켜 속도를 유지할 수 있다. 전류 지령 생성부(330)는 벡터의 회전 각도(angle)의 증가분만큼 토크(Torque)축 전류를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 벡터를 회전 각도 2도로 회전 이동하도록 변경하는 경우, 전류 지령 생성부(330)는 q축 전류를 5% 축소하여 출력하여, 로터가 정속도를 유지하도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 단일 전류 센서로 모터에 흐르는 상 전류를 정확하게 검출할 수 있고, 벡터 변경으로 인한 오차를 방지하여 안정적으로 모터를 구동할 수 있다.
한편, 상술한 모터 구동장치(220)는, 다양한 기기에 구비되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 홈 어플라이언스 중 세탁물 처리기기, 공기조화기, 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 홈 어플라이언스는 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.
220: 모터 구동 장치
230: 모터
231: 부하
410: 컨버터
420: 인버터
430: 인버터 제어부

Claims (9)

  1. dc단 커패시터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 상기 dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터;
    상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되어 전류를 검출하는 출력 전류 검출부; 및
    상기 출력 전류 검출부를 통해 검출된 전류에 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    공간 벡터 기반의 펄스폭 가변 제어에 의해, 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하며,
    스위칭 한 주기 내에서 적어도 하나의 전압 벡터를 이동하면서 크기를 감소시켜, 상기 인버터를 구동하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 전류 검출부는, 상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되는 하나의 저항 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    유효 벡터의 이동 시 회전 각도에 대응하여 상기 전압 벡터의 크기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 출력 전류 검출부를 통해 검출된 전류에 기초하여, 상기 모터의 회전자 속도를 연산하는 속도 연산부;
    상기 연산된 속도 정보와, 속도 지령치에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치와 상기 검출된 전류에 기초하여, 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 전압 지령치에 기초하여, 상기 인버터를 구동하기 위한 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전류 지령 생성부는,
    상기 전압 벡터의 이동 시 회전 각도에 대응하여 상기 전류 지령치를 감소시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 복수의 스위칭 소자 중 제1 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 증가시키고, 제2 상암 스위칭 소자의 턴 온 시간은 감소시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 제1 상암 스위칭 소자의 턴 온 시작 시간은 앞당기고, 종료 시간은 지연하며, 상기 제2 상암 스위칭 소자의 턴 온 시작 시간은 지연하고, 종료 시간은 앞당기는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 전압 벡터의 이동 시 상기 전압 벡터 생성을 위한 유효 벡터가, 상기 인버터 내의 스위칭 소자의 안정 시간, 상기 인버터의 데드 타임 시간, 상기 출력 전류 검출부의 아날로그 디지털 변환시간의 합에 대응하는 최소 전압 벡터 인가 시간보다 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 모터 구동 장치를 구비하는 홈 어플라이언스.

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