KR102273206B1 - 환풍기에 있어서의 풍량 제어 방법 - Google Patents

환풍기에 있어서의 풍량 제어 방법 Download PDF

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Abstract

환풍기 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 환풍기 제어 장치는, 팬을 구동하는 모터, 상기 모터의 속도를 결정하기 위한 제1 데이터를 획득하는 제1 센싱부, 상기 모터의 토크를 결정하기 위한 제2 데이터를 획득하는 제2 센싱부, 및, 상기 제1 데이터에 기초하여 획득된 모터의 속도 및 상기 제2 데이터에 기초하여 획득된 모터의 토크를 이용하여 상기 환풍기의 풍량을 결정하고, 상기 결정된 풍량 및 지정 풍량에 기초하여 상기 환풍기가 상기 지정 풍량을 유지하도록 상기 모터의 인가 전압을 조절하는 제어부를 포함한다.

Description

환풍기에 있어서의 풍량 제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING AIRFLOW VOLUME IN VENTILATING FAN}
본 발명은, 모터의 속도와 토크를 이용하여 환풍기의 현재 풍량을 산출하고, 환풍기의 현재 풍량을 이용하여 정 풍량 제어를 수행하는 환풍기 제어 장치에 관한 것이다.
환풍기는, 모터에 의한 환기 팬의 구동에 의해 건물 내의 흡기 및 배기, 공기조화, 공기 정화 등을 수행하는 장치로, 실내의 연기, 냄새, 나쁜 공기 등을 흡입 배출하는 용도로 사용될 수 있다.
환풍기의 부하량은 장착조건(덕트 길이와 덕트의 직경 등의 통풍 저항, 실내의 기밀도 등)에 따라서 변경될 수 있으며, 부하량이 달라지는 경우 환풍기의 풍량 역시 달라질 수 있다.
또한 환풍기에 장착된 공기 필터의 오염에 따라 설정된 풍량을 얻지 못하는 경우도 발생할 수 있다.
또한 기압이 변동되는 경우 환풍기의 풍량도 변동되며, 심한 경우에는 외부의 바람에 의한 역류 현상까지 발생하여 외기가 실내로 유입되는 경우도 발생한다.
위와 같은 다양한 요인들에 의해 환풍기의 풍량은 변동될 수 있으며, 단지 모터의 회전수를 일정하게 제어하는 것 만으로는 설정된 풍량을 얻을 수 없다.
따라서 풍량에 영향을 미칠 수 있는 다양한 요인들에도 불구하고, 항상 일정하게 풍량을 발생시켜 환기를 할 수 있도록 환풍기를 제어하는 것이 중요하다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 모터의 속도와 토크를 이용하여 환풍기의 현재 풍량을 산출하고, 환풍기의 현재 풍량을 이용하여 정 풍량 제어를 수행하는 환풍기 제어 장치를 제공하기 위함이다.
본 발명의 실시 예에 따른 환풍기 제어 장치는, 팬을 구동하는 모터, 상기 모터의 속도를 결정하기 위한 제1 데이터를 획득하는 제1 센싱부, 상기 모터의 토크를 결정하기 위한 제2 데이터를 획득하는 제2 센싱부, 및, 상기 제1 데이터에 기초하여 획득된 모터의 속도 및 상기 제2 데이터에 기초하여 획득된 모터의 토크를 이용하여 상기 환풍기의 풍량을 결정하고, 상기 결정된 풍량 및 지정 풍량에 기초하여 상기 환풍기가 상기 지정 풍량을 유지하도록 상기 모터의 인가 전압을 조절하는 제어부를 포함한다.
이 경우 상기 제어부는, 상기 획득된 모터의 속도, 상기 획득된 모터의 토크, 그리고 모터의 속도 및 토크와 풍량 사이의 관계를 나타내는 관계식을 이용하여 상기 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
한편 상기 관계식은, 정압이 변경되는 동안 상기 환풍기가 상기 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들에 기초하여 산출될 수 있다.
한편 상기 환풍기의 풍량은, 하기의 관계식 1에 따라 결정될 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112020003599439-pat00001
여기서, k1, k2, k3, k4, k5는 상기 지정 풍량에 대응하는 계수, Q는 상기 환풍기의 풍량, T는 상기 모터의 토크, S는 상기 모터의 속도이다.
한편 환풍기 제어 장치는, 복수의 지정 풍량에 각각 대응하는 복수의 관계식을 저장하는 저장부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수의 지정 풍량 중 상기 환풍기에 설정된 상기 지정 풍량에 대응하는 관계식을 이용하여, 상기 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
이 경우 상기 복수의 관계식은, 제1 지정 풍량에 대응하는 제1 관계식 및 제2 지정 풍량에 대응하는 제2 관계식을 포함하고, 상기 제1 관계식은, 정압이 변경되는 동안 상기 환풍기가 상기 제1 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들에 기초하여 산출되고, 상기 제2 관계식은, 정압이 변경되는 동안 상기 환풍기가 상기 제2 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들에 기초하여 산출될 수 있다.
이 경우 환풍기 제어 장치는 입력부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 입력부를 통하여 상기 제1 지정 풍량을 선택하는 입력이 수신되면, 상기 제1 지정 풍량에 대응하는 상기 제1 관계식을 이용하여 상기 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
한편 상기 제어부는, 상기 결정된 풍량 및 상기 지정 풍량의 차가 작아지도록, 상기 모터의 인가 전압을 조절할 수 있다.
이 경우 상기 제어부는, 상기 결정된 풍량이 상기 지정 풍량으로 수렴하는 속도를 변경할 수 있다.
한편 상기 제어부는, 상기 환풍기에 대하여, 상기 결정된 풍량 및 상기 지정 풍량의 오차를 이용한 PD 제어 또는 PID 제어를 수행할 수 있다.
한편 본 발명의 실시 예에 따른 정풍량 제어 방법은, 정압이 변경되는 동안 환풍기가 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 획득하는 단계, 상기 모터의 속도들 및 토크들을 이용하여 상기 지정 풍량에 대응하는 관계식을 획득하는 단계, 상기 환풍기에 상기 지정 풍량이 설정되는 경우, 상기 환풍기의 모터의 속도, 모터의 토크 및 상기 지정 풍량에 대응하는 관계식을 이용하여 상기 환풍기의 풍량을 결정하는 단계, 및, 상기 결정된 풍량 및 상기 지정 풍량에 기초하여 상기 환풍기가 상기 지정 풍량을 유지하도록 모터의 인가 전압을 조절하는 단계를 포함한다.
이 경우 상기 정압이 변경되는 동안 환풍기가 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 획득하는 단계는, 상기 정압이 변경되는 동안 상기 환풍기가 제1 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 획득하는 단계, 및, 상기 정압이 변경되는 동안 상기 환풍기가 제2 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 획득하는 단계를 포함하고, 상기 모터의 속도들 및 토크들을 이용하여 상기 지정 풍량에 대응하는 관계식을 획득하는 단계는, 상기 환풍기가 제1 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 이용하여 상기 제1 지정 풍량에 대응하는 제1 관계식을 획득하는 단계, 및, 상기 환풍기가 제2 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 이용하여 상기 제2 지정 풍량에 대응하는 제2 관계식을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 모터의 속도 및 모터의 토크를 이용하여 환풍기의 풍량을 추정하고, 추정된 풍량을 이용한 정풍량 제어를 수행하기 때문에, 별도의 풍량 센서 없이도 정풍량 제어가 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 모터의 속도 및 모터의 토크를 이용하여 환풍기의 풍량을 추정함으로써, 현재의 풍량이 얼마인지를 직접적으로 파악할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 모터의 속도 및 모터의 토크를 이용하여 환풍기의 풍량을 추정함으로써, 정풍량 제어의 자유도를 높힐 수 있다. 예를 들어 추정된 풍량 및 지정 풍량을 이용한 비례 제어를 수행하는 경우 비례 제어의 계수를 조절하는 방식으로 수렴 속도를 조절하거나, 추정된 풍량 및 지정 풍량을 이용한 PD 제어 또는 PID 제어를 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한 도 3에서 설명한 바와 같이, 정압이 변경되는 동안 동일한 풍량을 유지하기 위한 모터의 속도와 토크의 변화 양상은 풍량에 따라 상이하다. 따라서 본 발명에 따르면, 풍량 별로 관계식을 수립하고, 설정된 지정 풍량에 대응하는 관계식을 이용하여 정풍량 제어를 수행하기 때문에, 더욱 정확한 제어가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 환풍기 제어 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 환풍기 제어 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 동일한 풍량을 유지하는 경우, 모터의 속도에 따른 모터의 전류 변화를 측정한 그래프이다.
도 4는 다양한 지정 풍량에서 정풍량 제어를 수행한 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 다양한 지정 풍량에서 정풍량 제어를 수행한 결과를 도시한 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.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 환풍기 제어 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 환풍기 제어 장치는, 전원 입력부(110), 컨버터(120), DC 링크 캐패시터(130), 인버터(140), 모터(150), 제1 센싱부(160), 제2 센싱부(165), 제어부(170) 및 저장부를 포함할 수 있다.
전원 입력부(110)는 전원 회로로 구성될 수 있으며, 외부로부터 AC 전원을 전달받아 환풍기에 공급할 수 있다.
컨버터(120)는 전원 입력부(110)에 연결되고, 전원 입력부(110)를 통하여 공급되는 입력 교류 전압을 정류함으로써 직류전압으로 변환할 수 있다.
컨버터(120)는 일반적으로 복수의 다이오드, 일반적으로 4개의 다이오드로 구성된 다이오드 브리지를 구비하여, 다이오드들에 의해 교류 전원의 교류 전압을 전파 정류하고, 직류 전압으로 변환할 수 있다.
한편 본 발명이 적용되는 컨버터(120)는, 다이오드만을 이용해서 정류만을 수행하는 패시브 방식이 아니라, 스위칭 소자, 인덕터/캐패시터 등의 에너지 저장 소자 또는 외부 전원을 이용하고 각종 제어를 통하여 DC 링크 캐패시터(130)가 목표 DC 링크 전압까지 충전되도록 전압 변환을 수행하는 컨버터일 수 있다.
이 경우 컨버터(120)는 제어부(170)에서 출력되는 컨버터 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하며, DC 링크 캐패시터(130)가 목표 전압까지 충전되도록 전압 변환을 수행하는 컨버터일 수 있다.
DC 링크 캐패시터(130)는 컨버터(120)의 후단에 병렬 연결되고, 컨버터(120)에서 정류된 전압을 근거로 DC 링크 전압을 충전하고, 충전된 DC 링크 전압을 인버터(140)에 인가할 수 있다.
인버터(140)는 DC 링크 전압을 변환하여 모터(150)에 구동전압을 공급할 수 있다.
구체적으로 인버터(140)는 모터(150)의 전단에 구비되고, 인버터 제어 신호를 근거로 DC 링크 캐패시터(130)의 출력을 스위칭하여 DC 링크 전압을 구동 전압으로 변환할 수 있다.
이 경우 모터(150)는 구동 전압을 전달받아 회전함에 따라 팬을 구동할 수 있다. 한편 팬은 공기 통로에 배치되고, 모터(150)의 회전에 의해 구동됨으로써 공기 통로를 통하여 공기를 송풍할 수 있다.
한편 제1 센싱부(160)는 모터의 속도를 결정하기 위한 제1 데이터를 획득할 수 있다.
예를 들어 제1 센싱부(160)는 속도 센서일 수 있으며, 이 경우 제1 센싱부(160)는 모터의 속도를 감지하고 감지 결과를 제어부(170)에 전송할 수 있다.
이 경우 제어부(170)는 수신된 제1 데이터(감지 결과)를 이용하여 모터의 속도를 획득할 수 있다.
한편 제2 센싱부(165)는 모터의 토크를 결정하기 위한 제2 데이터를 획득할 수 있다.
예를 들어 제2 센싱부(165)는 션트 저항을 포함할 수 있으며, 이 경우 제2 센싱부(165)는 모터의 전류를 감지하고 감지 결과를 제어부(170)를 전송할 수 있다.
이 경우 제어부(170)는 수신된 제2 데이터(감지 결과)를 이용하여 모터의 전류의 크기를 결정할 수 있다.
이 경우 제어부(170)는 모터의 전류의 크기를 토크로 변환하여, 모터의 토크를 획득할 수 있다.
한편 제어부(170)은, 인버터(140) 내의 스위칭 소자에 인버터 제어신호를 출력하고, 컨버터(120) 내의 스위치에 컨버터 제어신호를 출력할 수 있다.
또한 제어부(170)는 환풍기 제어 장치(100)및 환풍기의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 환풍기 제어 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
환풍기에는 지정 풍량이 설정될 수 있다(S205).
여기서 지정 풍량이란, 환풍기가 정풍량 제어를 통하여 유지해야 하는 풍량의 목표 값일 수 있다.
지정 풍량은 제품의 제작 단계에서, 제작자에 의해 디폴트로 설정될 수 있다.
다만 이에 한정되지 않으며 설정 가능한 복수의 지정 풍량이 존재하고, 복수의 지정 풍량 중 특정 지정 풍량이 사용자의 선택에 의해 설정될 수 있다.
예를 들어 환풍기 제어 장치(100)는 입력부를 포함할 수 있다. 그리고 제어부(170)는 입력부를 통하여 복수의 지정 풍량 중 특정 지정 풍량을 선택하는 입력을 수신할 수 있다. 이 경우 제어부(170)는 사용자에 의해 선택된 지정 풍량을 환풍기의 지정 풍량으로 설정할 수 있다.
한편 제어부(170)는 모터의 속도를 결정할 수 있다(S210).
구체적으로 제어부(170)는 제1 센싱부(160)로부터 제1 데이터(감지 결과)를 수신하고, 수신된 제1 데이터(감지 결과)를 이용하여 모터의 속도를 결정할 수 있다.
또한 제어부(170)는 모터의 토크를 결정할 수 있다.
구체적으로 제어부(170)는 제2 센싱부(165)로부터 제2 데이터(감지 결과)를 수신하고, 수신된 제2 데이터(감지 결과)를 이용하여 모터의 전류의 크기를 결정할 수 있다(S220). 또한 제어부(170)는 모터의 전류의 크기를 변환하여 모터의 토크를 결정할 수 있다(S225).
한편 제어부(170)는 제1 데이터에 기초하여 획득된 모터의 속도 및 제2 데이터에 기초하여 획득된 모터의 토크를 이용하여 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다(S230).
구체적으로 제어부(170)는 획득된 모터의 속도, 획득된 모터의 토크, 그리고 모터의 속도 및 토크와 풍량 사이의 관계를 나타내는 관계식을 이용하여 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
이와 관련해서는 도 3을 참고하여 설명한다.
도 3은 동일한 풍량을 유지하는 경우, 모터의 속도에 따른 모터의 전류 변화를 측정한 그래프이다.
여기서 제1 곡선(310)는 풍량이 70CMH로 유지되는 경우, 모터의 속도와 전류의 관계를 나타낸 곡선이다. 구체적으로 통풍구의 개방 정도를 감소시키면서(정압을 증가시키면서) 풍량을 70CMH로 일정하게 유지시키기 위하여 모터의 속도를 증가시킨 경우, 해당하는 정압에서 풍량을 70CMH로 유지시키는 모터의 속도 및 전류값이 제1 곡선(310)에 나타나 있다.
또한 제2 곡선(320)는 풍량이 90CMH로 유지되는 경우, 모터의 속도와 전류의 관계를 나타낸 곡선이다. 구체적으로 통풍구의 개방 정도를 감소시키면서(정압을 증가시키면서) 풍량을 90CMH로 일정하게 유지시키기 위하여 모터의 속도를 증가시킨 경우, 해당하는 정압에서 풍량을 90CMH로 유지시키는 모터의 속도 및 전류값이 제2 곡선(320)에 나타나 있다.
또한 제3 곡선(330)는 풍량이 100CMH로 유지되는 경우, 모터의 속도와 전류의 관계를 나타낸 곡선이다. 구체적으로 통풍구의 개방 정도를 감소시키면서(정압을 증가시키면서) 풍량을 100CMH로 일정하게 유지시키기 위하여 모터의 속도를 증가시킨 경우, 해당하는 정압에서 풍량을 100CMH로 유지시키는 모터의 속도 및 전류값이 제3 곡선(330)에 나타나 있다.
제1 곡선 내지 제3 곡선을 참조하면, 풍량에 따라서 모터의 속도와 전류(토크)의 관계가 상이하게 나타남을 알 수 있다. 그리고 이것은, 모터의 속도(팬의 회전 속도)와 토크가 풍량에 관계됨을 보여준다.
따라서 모터의 속도(팬의 회전 속도)와 토크가 풍량에 관계됨을 이용하여, 모터의 속도 및 토크와 풍량 사이의 관계를 아래 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112020003599439-pat00002
(Q: 환풍기의 풍량, S: 모터의 속도, T: 모터의 토크)
한편 지정 풍량에 대응하는 관계식은, 정압이 변경되는 동안 환풍기가 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들에 기초하여 산출될 수 있다.
아래의 표는, 정압의 변화에도 불구하고, 환풍기가 동일한 풍량(지정 풍량)을 유지하도록 하는 모터의 속도 및 전류를 측정한 것이다.
풍량
[CMH]		 0 Pa(정압) 25 Pa (정압) 50 Pa (정압) 75 Pa (정압)
Rpm(속도) Adc(전류) Rpm(속도) Adc(전류) Rpm(속도) Adc(전류) Rpm(속도) Adc(전류)
means means means means means means means means
80 650 60 930 131 1140 197 1330 278
90 720 82 970 152 1190 231 1360 309
100 800 112 1030 187 1230 272 1400 356
110 880 149 1100 237 1280 322 1440 412
풍량
[CMH]		 100 Pa(정압) 150 Pa(정압) 200 Pa(정압) 250 Pa(정압)
Rpm(속도) Adc(전류) Rpm(속도) Adc(전류) Rpm(속도) Adc(전류) Rpm(속도) Adc(전류)
means means means means means means means means
80 1500 354 1800 538 2050 706 2290 917
90 1520 388 1810 575 2070 779 2300 994
100 1550 440 1830 629 2085 850 2300 1062
110 1590 503 1850 689
그리고 최적화 이론에 의거하여, 수학식 1의 계수를 최적화 이론에 의거하여 추정할 수 있다. 그리고 최소 자승법에 의하여 풍량 별로 추정된 파라미터(계수)는 아래와 같다.
K1 K2 K3 K4 K5
80 CMH 0.237 -0.4683 -0.0006 -0.0002 0.0006
90 CMH 0.2608 -1.0705 -0.0005 -0.0001 0.0007
100 CMH 0.2734 -0.7906 -0.0004 -0.0001 0.0006
110 CMH 0.3369 -0.6273 -0.0008 -0.0003 0.0009
즉 수학식 1의 계수는, 정압이 변경되는 동안 환풍기가 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들에 기초하여 산출될 수 있다.
예를 들어 제1 지정 풍량(80 CMH)에서, 수학식 1의 계수는, 정압이 0 pa, 25 pa, 50 pa, 75 pa, 100 pa, 150 pa, 200 pa, 250 pa으로 변경되는 동안 환풍기가 제1 지정 풍량(80 CMH)을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 상기 속도들에 각각 대응하는 토크들에 의해 결정될 수 있다.
그리고 제1 지정 풍량(80 CMH)에 대응하는 계수(k1, k2, k3, k4, k5)는 각각 0.237, -0.4683, -0.0006, -0.0002, 0.0006로써, 제1 지정 풍량(80 CMH)에 대응하는 제1 관계식은 수학식 1에 제1 지정 풍량(80 CMH)에 대응하는 계수를 반영한 것일 수 있다.
또한 제2 지정 풍량(90 CMH)에 대응하는 계수(k1, k2, k3, k4, k5)는 각각 0.2608, -1.0705, -0.0005, -0.0001, 0.0007)로써, 제2 지정 풍량(90 CMH)에 대응하는 관계식은 수학식 1에 제2 지정 풍량(90 CMH)에 대응하는 계수를 반영한 것일 수 있다.
이와 같은 방식으로 산출되는, 지정 풍량에 대응하는 관계식은 다음과 같다.
Figure 112020003599439-pat00003
(k1, k2, k3, k4, k5: 지정 풍량에 대응하는 계수, Q: 환풍기의 풍량, S: 모터의 속도, T: 모터의 토크)
그리고 복수의 지정 풍량에 각각 대응하는 복수의 관계식이 산출될 수 있다.
예를 들어 복수의 관계식은 제1 지정 풍량에 대응하는 제1 관계식 및 제2 지정 풍량에 대응하는 제2 관계식을 포함할 수 있다. 여기서 제1 관계식은 정압이 변경되는 동안 환풍기가 제1 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들에 기초하여 산출되고, 제2 관계식은 정압이 변경되는 동안 환풍기가 제2 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들에 기초하여 산출될 수 있다.
한편 수학식 2는 상수(k0)를 더 포함할 수 있다. 이 경우 지정 풍량에 대응하는 계수는, k0, k1, k2, k3, k4, k5를 포함할 수 있다.
한편 복수의 지정 풍량에 각각 대응하는 복수의 관계식은 저장부에 저장될 수 있다.
한편 제어부(170)는 제1 데이터에 기초하여 획득된 모터의 속도 및 제2 데이터에 기초하여 획득된 모터의 토크를 이용하여 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
구체적으로 제어부는, 획득된 모터의 속도 및 획득된 모터의 토크를 관계식에 대입하여 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
이 경우 제어부는, 환풍기에 설정된 지정 풍량에 대응하는 관계식을 이용하여 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
구체적으로 환풍기에 복수의 지정 풍량 중 어느 하나를 설정할 수 있는 경우, 제어부는 복수의 지정 풍량 중 환풍기에 설정된 지정 풍량에 대응하는 관계식을 이용하여 환풍기의 풍량을 결정한다.
예를 들어, 환풍기에 제1 지정 풍량(80 CMH)이 설정되었다고 가정한다. 여기서 환풍기에 제1 지정 풍량(80 CMH)이 설정되었다는 것은 환풍기가 제1 지정 풍량(80 CMH)을 유지하는 정풍량 제어를 수행해야 하는 것을 의미할 수 있다. 이 경우 제어부(170)는 획득된 모터의 속도 및 획득된 모터의 토크를 제1 지정 풍량(80 CMH)에 대응하는 관계식에 대입하여, 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
다른 예를 들어, 환풍기에 제2 지정 풍량(90 CMH)이 설정되었다고 가정한다. 여기서 환풍기에 제2 지정 풍량(90 CMH)이 설정되었다는 것은 환풍기가 제2 지정 풍량(90 CMH)을 유지하는 정풍량 제어를 수행해야 하는 것을 의미할 수 있다. 이 경우 제어부(170)는 획득된 모터의 속도 및 획득된 모터의 토크를 제2 지정 풍량(90 CMH)에 대응하는 관계식에 대입하여, 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
한편 환풍기 제어 장치(100)는 입력부를 포함할 수 있다. 그리고 제어부(170)는 입력부를 통하여 복수의 지정 풍량 중 특정 지정 풍량을 선택하는 입력을 수신할 수 있다.
이 경우 제어부(170)는 사용자에 의해 선택된 지정 풍량을 환풍기의 지정 풍량으로 설정할 수 있다. 그리고 제어부(170)는 제1 데이터에 기초하여 획득된 모터의 속도, 제2 데이터에 기초하여 획득된 모터의 토크 및 설정된 지정 풍량에 대응하는 관계식을 이용하여 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
예를 들어 입력부를 통하여 제1 지정 풍량을 선택하는 입력이 수신되면, 제어부(170)는 제1 지정 풍량에 대응하는 제1 관계식을 이용하여 환풍기의 풍량을 결정할 수 있다.
한편 환풍기 제어장치는 디스플레이부 또는 스피커를 포함할 수 있다. 이 경우 제어부(170)는 디스플레이부 또는 스피커를 통하여 결정된 풍량을 출력할 수 있다.
한편 제어부는, 결정된 풍량 및 지정된 풍량에 기초하여 환풍기가 지정 풍량을 유지하도록 모터 인가 전압을 조절하고, 조절된 인가 전압에 따라 모터를 제어할 수 있다(S240, S250).
구체적으로 모터의 지령 전압은 PWM 신호로 변환되어 모터에 인가될 수 있다.
그리고 제어부는, 결정된 풍량 및 지정 풍량의 차이에 기초하여, 결정된 풍량과 지정 풍량의 차가 작아지도록 모터의 인가 전압을 조절할 수 있다.
여기서 모터의 인가 전압은 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112020003599439-pat00004
(Vm: 모터의 인가 전압, Q: 결정된 풍량, Qr: 설정된 지정 풍량, Kv: 상수)
한편 Vm은 모터의 인가 전압의 변화량을 의미할 수 있다. 그리고 결정된 풍량과 지정 풍량 사이의 차가 0인 경우는 모터의 인가 전압을 변경할 필요가 없는 상태를 의미할 수 있으며, 결정된 풍량과 지정 풍량 사이의 차가 0이 아닌 경우에는 모터의 인가 전압을 변경하여 모터의 속도와 전류를 변경해야 하는 상태를 의미할 수 있다.
한편 모터의 인가 전압이 결정되면, 제어부(170)는 결정된 인가 전압이 모터에 공급되도록 인버터(140)를 제어할 수 있다. 이에 따라 모터의 속도 및 모터의 토크(전류)가 조절될 수 있으며, 제어부(170)는 데이터의 획득, 풍량의 결정 및 인가 전압의 조절을 반복함으로써, 정풍량 제어를 수행할 수 있다.
한편 제어부(170)는 결정된 풍량이 지정 풍량으로 수렴하는 속도를 변경할 수 있다.
구체적으로 수학식 3을 참고하면, 모터의 인가 전압은 결정된 풍량(Q)과 설정된 지정 풍량(Qr)의 차에 대한 상수(Kv)의 곱으로 결정된다. 그리고 제어부(170)는 상수(Kv)를 변경함으로써 결정된 풍량이 지정 풍량으로 수렴하는 속도를 변경할 수 있다.
예를 들어 상수(Kv)를 증가시키는 경우 결정된 풍량이 지정 풍량으로 수렴하는 속도는 증가할 수 있으며, 상수(Kv)를 감소시키는 경우 결정된 풍량이 지정 풍량으로 수렴하는 속도는 감소할 수 있다.
한편 제어부(170)는, 환풍기에 대하여, 결정된 풍량 및 지정 풍량의 오차를 이용한 PD 제어 또는 PID 제어를 수행할 수 있다.
구체적으로 PD 제어는 비례 제어와 미분 제어를 조합한 것일 수 있으며, PID 제어는 비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어를 조합한 것일 수 있다.
그리고 PD 제어 또는 PID 제어는, 제어하고자 하는 대상의 현재값을 획득하고, 획득한 현재값을 설정값와 비교하여 오차(error)를 계산하고, 오차값을 이용하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조로 되어 있다.
즉 제어부(170)는 환풍기의 현재 풍량(Q)을 획득하고, 획득한 현재 풍량(Q)을 지정 풍량(Qr)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 오차값을 이용하여 정풍량 제어에 필요한 인가 전압을 계산할 수 있다.
도 4는 다양한 지정 풍량에서 정풍량 제어를 수행한 결과를 도시한 도면이다.
제1 그래프(410)는 80CMH의 지정 풍량에서 정압을 변경시키는 경우 풍량을 측정한 것으로, 정압이 증가함에 따라 모터 파워(모터의 속도와 모터의 토크의 곱)도 증가함으로써 모터의 풍량이 80CMH 인근에서 유지되는 것을 보여준다.
같은 방식으로 제2 그래프(420)는 90CMH의 지정 풍량에서 모터의 풍량이 90CMH 인근에서 유지되는 것을, 제3 그래프(430)는 100CMH의 지정 풍량에서 모터의 풍량이 100CMH 인근에서 유지되는 것을, 제4 그래프(440)는 110CMH의 지정 풍량에서 모터의 풍량이 110CMH 인근에서 유지되는 것을, 보여준다.
도 5는 환풍기에서 지정 풍량을 변경하면서 정풍량 제어를 수행한 결과를 도시한 도면이다.
여기서 제1 그래프(510)는 지정 풍량을 의미하며, 제2 그래프(520)는 측정된 풍량을 의미할 수 있다.
환풍기에 제1 지정 풍량(예를 들어 80CMH)이 설정된 경우, 제어부(170)는 측정된 모터의 속도, 측정된 모터의 토크 및 제1 지정 풍량에 대응하는 제1 관계식을 이용하여 환풍기의 풍량을 결정하고, 결정된 풍량 및 제1 지정 풍량의 차를 이용하여 환풍기가 제1 지정 풍량을 유지하도록 모터의 인가 전압을 조절할 수 있다. 이러한 과정은 1회 이상 수행될 수 있으며, 이에 따라 1초 내지 8초 구간에서 측정된 풍량이 제1 지정 풍량의 인근에서 유지되는 것을 알 수 있다.
또한 환풍기에 설정된 지정 풍량이 제1 지정 풍량(예를 들어 80CMH)으로부터 제2 지정 풍량(예를 들어 90CMH)으로 변경되는 경우, 제어부(170)는 측정된 모터의 속도, 측정된 모터의 토크 및 제2 지정 풍량에 대응하는 제2 관계식을 이용하여 환풍기의 풍량을 결정하고, 결정된 풍량 및 제2 지정 풍량의 차를 이용하여 환풍기가 제2 지정 풍량을 유지하도록 모터의 인가 전압을 조절할 수 있다. 이러한 과정은 1회 이상 수행될 수 있으며, 이에 따라 이에 따라 10초 내지 17초 구간에서 측정된 풍량이 제2 지정 풍량의 인근에서 유지되는 것을 알 수 있다.
또한 환풍기에 설정된 지정 풍량이 제2 지정 풍량(예를 들어 90CMH)으로부터 제3 지정 풍량(예를 들어 100CMH)으로 변경되는 경우, 제어부(170)는 측정된 모터의 속도, 측정된 모터의 토크 및 제3 지정 풍량에 대응하는 제3 관계식을 이용하여 환풍기의 풍량을 결정하고, 결정된 풍량 및 제3 지정 풍량의 차를 이용하여 환풍기가 제3 지정 풍량을 유지하도록 모터의 인가 전압을 조절할 수 있다. 이러한 과정은 1회 이상 수행될 수 있으며, 이에 따라 이에 따라 18초 내지 20초 구간에서 측정된 풍량이 제3 지정 풍량의 인근에서 유지되는 것을 알 수 있다.
또한 환풍기에 설정된 지정 풍량이 제3 지정 풍량(예를 들어 100CMH)으로부터 제4 지정 풍량(예를 들어 110CMH)으로 변경되는 경우, 제어부(170)는 측정된 모터의 속도, 측정된 모터의 토크 및 제4 지정 풍량에 대응하는 제4 관계식을 이용하여 환풍기의 풍량을 결정하고, 결정된 풍량 및 제4 지정 풍량의 차를 이용하여 환풍기가 제4 지정 풍량을 유지하도록 모터의 인가 전압을 조절할 수 있다. 이러한 과정은 1회 이상 수행될 수 있으며, 이에 따라 이에 따라 21초 이후의 구간에서 측정된 풍량이 제4 지정 풍량의 인근에서 유지되는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 모터의 속도 및 모터의 토크를 이용하여 환풍기의 풍량을 추정하고, 추정된 풍량을 이용한 정풍량 제어를 수행하기 때문에, 별도의 풍량 센서 없이도 정풍량 제어가 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 모터의 속도 및 모터의 토크를 이용하여 환풍기의 풍량을 추정함으로써, 현재의 풍량이 얼마인지를 직접적으로 파악할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 모터의 속도 및 모터의 토크를 이용하여 환풍기의 풍량을 추정함으로써, 정풍량 제어의 자유도를 높힐 수 있다. 예를 들어 추정된 풍량 및 지정 풍량을 이용한 비례 제어를 수행하는 경우 비례 제어의 계수를 조절하는 방식으로 수렴 속도를 조절하거나, 추정된 풍량 및 지정 풍량을 이용한 PD 제어 또는 PID 제어를 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한 도 3에서 설명한 바와 같이, 정압이 변경되는 동안 동일한 풍량을 유지하기 위한 모터의 속도와 토크의 변화 양상은 풍량에 따라 상이하다. 따라서 본 발명에 따르면, 풍량 별로 관계식을 수립하고, 설정된 지정 풍량에 대응하는 관계식을 이용하여 정풍량 제어를 수행하기 때문에, 더욱 정확한 제어가 가능한 장점이 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(480)를 포함할 수도 있다. 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.
100: 환풍기 제어 장치

Claims (12)

  1. 환풍기 제어 장치에 있어서,
    팬을 구동하는 모터;
    상기 모터의 속도를 결정하기 위한 제1 데이터를 획득하는 제1 센싱부;
    상기 모터의 토크를 결정하기 위한 제2 데이터를 획득하는 제2 센싱부; 및
    상기 제1 데이터에 기초하여 획득된 모터의 속도 및 상기 제2 데이터에 기초하여 획득된 모터의 토크를 이용하여 상기 환풍기의 풍량을 결정하고, 상기 결정된 풍량 및 지정 풍량에 기초하여 상기 환풍기가 상기 지정 풍량을 유지하도록 상기 모터의 인가 전압을 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 획득된 모터의 속도, 상기 획득된 모터의 토크, 그리고 모터의 속도 및 토크와 풍량 사이의 관계를 나타내는 관계식을 이용하여 상기 환풍기의 풍량을 결정하고,
    상기 환풍기의 풍량은, 하기의 관계식 1에 따라 결정되는,
    환풍기 제어 장치:
    [관계식 1]
    Figure 112021046246919-pat00011

    여기서, k1, k2, k3, k4, k5는 상기 지정 풍량에 대응하는 계수, Q는 상기 환풍기의 풍량, T는 상기 모터의 토크, S는 상기 모터의 속도이다.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 관계식은,
    정압이 변경되는 동안 상기 환풍기가 상기 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들에 기초하여 산출되는
    환풍기 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    복수의 지정 풍량에 각각 대응하는 복수의 관계식을 저장하는 저장부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 지정 풍량 중 상기 환풍기에 설정된 상기 지정 풍량에 대응하는 관계식을 이용하여, 상기 환풍기의 풍량을 결정하는
    환풍기 제어 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 관계식은,
    제1 지정 풍량에 대응하는 제1 관계식 및 제2 지정 풍량에 대응하는 제2 관계식을 포함하고,
    상기 제1 관계식은,
    정압이 변경되는 동안 상기 환풍기가 상기 제1 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들에 기초하여 산출되고,
    상기 제2 관계식은,
    정압이 변경되는 동안 상기 환풍기가 상기 제2 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들에 기초하여 산출되는
    환풍기 제어 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    입력부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 입력부를 통하여 상기 제1 지정 풍량을 선택하는 입력이 수신되면, 상기 제1 지정 풍량에 대응하는 상기 제1 관계식을 이용하여 상기 환풍기의 풍량을 결정하는
    환풍기 제어 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 결정된 풍량 및 상기 지정 풍량의 차가 작아지도록, 상기 모터의 인가 전압을 조절하는
    환풍기 제어 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 결정된 풍량이 상기 지정 풍량으로 수렴하는 속도를 변경하는
    환풍기 제어 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 환풍기에 대하여, 상기 결정된 풍량 및 상기 지정 풍량의 오차를 이용한 PD 제어 또는 PID 제어를 수행하는
    환풍기 제어 장치.
  11. 정압이 변경되는 동안 환풍기가 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 획득하는 단계;
    상기 모터의 속도들 및 토크들을 이용하여 상기 지정 풍량에 대응하는 관계식을 획득하는 단계;
    상기 환풍기에 상기 지정 풍량이 설정되는 경우, 상기 환풍기의 모터의 속도, 모터의 토크 및 상기 지정 풍량에 대응하는 관계식을 이용하여 상기 환풍기의 풍량을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 풍량 및 상기 지정 풍량에 기초하여 상기 환풍기가 상기 지정 풍량을 유지하도록 모터의 인가 전압을 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 정압이 변경되는 동안 환풍기가 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 획득하는 단계는,
    상기 정압이 변경되는 동안 상기 환풍기가 제1 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 획득하는 단계; 및
    상기 정압이 변경되는 동안 상기 환풍기가 제2 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 모터의 속도들 및 토크들을 이용하여 상기 지정 풍량에 대응하는 관계식을 획득하는 단계는,
    상기 환풍기가 제1 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 이용하여 상기 제1 지정 풍량에 대응하는 제1 관계식을 획득하는 단계; 및
    상기 환풍기가 제2 지정 풍량을 유지하도록 하는 모터의 속도들 및 토크들을 이용하여 상기 제2 지정 풍량에 대응하는 제2 관계식을 획득하는 단계;를 포함하는
    정풍량 제어 방법.
  12. 삭제
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