KR102308492B1 - Motor operating device and method for the same - Google Patents

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Abstract

개시된 발명의 일 측면에 따른 모터 구동장치는 전원장치로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부, 직류전압과 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부, 평활부로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부; 및 모터의 회전속도 및 토크부하에 따라 구동전류의 위상이 변하도록 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. A motor driving apparatus according to an aspect of the disclosed invention includes a rectifier for rectifying an AC voltage and an AC current supplied from a power supply into a DC voltage and a DC current, a smoothing unit for removing ripples included in the DC voltage and DC current, and a smoothing unit from the a power conversion unit that receives a DC current and converts it into an AC current to provide a driving current to the motor; And it may include a control unit for controlling the power converter to change the phase of the driving current according to the rotational speed and torque load of the motor.

Description

모터 구동장치 및 그 제어방법{MOTOR OPERATING DEVICE AND METHOD FOR THE SAME}Motor driving device and its control method

개시된 발명은 모터 구동장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. The disclosed invention relates to a motor driving apparatus and a method for controlling the same.

모터를 운전하기 위해서는 회전자에서 발생하는 영구자석의 자속과 전기적으로 직각 또는 임의의 각도를 갖도록 고정자의 자속을 제어해야 한다. 이를 위해서 회전자가 어느 의치에 있는가를 항상 검출하여 회전자의 위치에 따라 고정자의 자속 발생위치를 결정하도록 인버터의 스위칭 소자들의 스위칭 상태를 결정해야 한다. 이때, 회전자의 위치를 검출하기 위하여 레졸버(Resolver), 인코더(Absolute Encoder), 홀센서(Hall sensor) 등을 사용하거나, 모터에 인가되는 전압 또는 전류로부터 회전자의 위치를 검출하는 센서리스(sensorless) 방식을 사용하여, 위치 검출 회로를 통하여 검출되는 모터의 역기전력(Back ElectroMotive Force: Back-EMF)으로 회전자의 위치를 검출할 수 있다. In order to operate the motor, it is necessary to control the magnetic flux of the stator so that it is electrically perpendicular to the magnetic flux of the permanent magnet generated in the rotor or at an arbitrary angle. To this end, it is necessary to determine the switching state of the switching elements of the inverter so as to always detect which denture the rotor is in and determine the magnetic flux generation position of the stator according to the position of the rotor. At this time, a resolver, an encoder, a Hall sensor, etc. are used to detect the position of the rotor, or a sensorless that detects the position of the rotor from the voltage or current applied to the motor. By using a (sensorless) method, the position of the rotor may be detected by the Back ElectroMotive Force (Back-EMF) of the motor detected through the position detection circuit.

그러나, 모터의 회전속도가 증가하면 부하가 함께 증가하여, 모터에 인가되는 구동전류는 회전자의 위치에 따른 유발 전류에 동기화되지 못하고 지연이 발생한다. 또한, 릴럭턴스 토크와 같이 부가적인 토크가 존재하는 경우, 모터의 회전속도로 인한 부하 영향뿐만 아니라, 부가적인 토크로 인한 부하의 영향을 받고, 이로 인해 추가적인 전류 지연이 발생한다. However, when the rotational speed of the motor increases, the load increases together, so that the driving current applied to the motor is not synchronized with the induced current according to the position of the rotor and a delay occurs. In addition, when an additional torque such as reluctance torque exists, it is affected by the load due to the additional torque as well as the load effect due to the rotational speed of the motor, which causes an additional current delay.

개시된 발명의 일 측면은 모터에서 발생하는 부하를 고려하여 모터 구동을 제어하는 모터 구동장치 및 그 제어방법을 제공하고자 한다An aspect of the disclosed invention is to provide a motor driving apparatus and a control method for controlling the motor driving in consideration of the load generated by the motor.

개시된 발명의 일 측면에 따른 모터 구동장치는 전원장치로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부, 직류전압과 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부, 평활부로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부, 및 모터의 회전속도 및 토크부하에 따라 구동전류의 위상이 변하도록 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함한다. A motor driving apparatus according to an aspect of the disclosed invention includes a rectifier for rectifying an AC voltage and an AC current supplied from a power supply into a DC voltage and a DC current, a smoothing unit for removing ripples included in the DC voltage and DC current, and a smoothing unit from the It includes a power converter that receives the DC current and converts it into an alternating current to provide a driving current to the motor, and a controller that controls the power converter so that the phase of the driving current changes according to the rotational speed and torque load of the motor.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 토크부하 증가에 따른 구동전류의 리드각 변화값에 기초하여, 구동전류의 위상이 변하도록 제어할 수 있다. In addition, according to an embodiment, the controller may control the phase of the driving current to change based on a change value of a lead angle of the driving current according to an increase in the torque load.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 모터의 릴럭턴스 토크로 인한 토크부하에 따라 구동전류의 위상이 변하도록 제어할 수 있다. In addition, according to an embodiment, the controller may control the phase of the driving current to change according to a torque load due to the reluctance torque of the motor.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받고, 변화값을 모터의 토크부하와 곱셉 연산할 수 있다. In addition, according to the embodiment, the control unit may receive a change value of the lead angle according to the torque load, and multiply the change value by the torque load of the motor.

또한, 실시 형태에 따라 리드각 변화값은 모터의 종류에 따라 상이한 것일 수 있다. In addition, according to the embodiment, the lead angle change value may be different depending on the type of the motor.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 모터의 회전속도에 따른 부하 및 모터의 릴럭턴스 토크에 따른 토크부하에 기초하여 전력변환부를 제어할 수 있다.In addition, according to an embodiment, the control unit may control the power conversion unit based on a load according to the rotational speed of the motor and a torque load according to the reluctance torque of the motor.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 모터의 회전속도에 따라 지연되는 위상을 구동전류의 위상과 덧셈 연산할 수 있다.Also, according to an embodiment, the controller may add and calculate a phase delayed according to the rotation speed of the motor with a phase of the driving current.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 구동전류의 위상이 모터의 회전속도에 따라 지연되는 위상만큼 앞서도록 제어할 수 있다. In addition, according to an embodiment, the controller may control the phase of the driving current to advance by a phase delayed according to the rotation speed of the motor.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 리드각을 입력 받아 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 제 1 위상쉬프터, 및 모터의 토크부하 증가에 따른 리드각 변화값을 입력받아 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 제 2 위상쉬프터를 포함할 수 있다.In addition, according to the embodiment, the control unit receives the lead angle input and controls the first phase shifter to control the phase of the driving current to change, and to receive the lead angle change value according to the increase in the torque load of the motor to change the phase of the driving current and a second phase shifter.

또한, 실시 형태에 따라 제 2 위상쉬프터는 모터의 종류에 따라 상이한 리드각 변화값을 입력받을 수 있다. In addition, according to an embodiment, the second phase shifter may receive a different lead angle change value according to the type of the motor.

개시된 발명의 다른 측면에 따른 모터 구동장치는 전원장치로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부, 직류전압과 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부, 평활부로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부, 및 모터의 릴럭턴스 토크에 따라 구동전류의 위상이 변하도록 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함한다.A motor driving apparatus according to another aspect of the disclosed invention includes a rectifier for rectifying an AC voltage and an AC current supplied from a power supply into a DC voltage and a DC current, a smoothing unit for removing ripples included in the DC voltage and DC current, and a smoothing unit from the It includes a power converter that receives the DC current and converts it into an alternating current to provide a driving current to the motor, and a controller that controls the power converter to change the phase of the driving current according to the reluctance torque of the motor.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 모터의 릴럭턴스 토크로 인한 토크부하에 대응하는 리드각을 구동전류에 인가하도록 전력변환부를 제어할 수 있다.In addition, according to the embodiment, the control unit may control the power conversion unit to apply a lead angle corresponding to the torque load due to the reluctance torque of the motor to the driving current.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 모터의 릴럭턴스 토크에 따른 리드각의 변화값을 입력받고, 변화값을 모터의 토크부하와 곱셉 연산할 수 있다.In addition, according to an embodiment, the control unit may receive a change value of the lead angle according to the reluctance torque of the motor, and multiply the change value by the torque load of the motor.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 추가적으로 모터의 회전속도 증가에 따른 구동 전류의 지연 정도에 따라 구동전류의 위상이 변하도록 제어할 수 있다.In addition, according to an embodiment, the controller may additionally control the phase of the driving current to change according to the degree of delay of the driving current according to an increase in the rotational speed of the motor.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는, 모터의 회전속도에 따른 구동전류의 지연 정도, 및 릴럭턴스 토크로 인한 리드각 변화값에 기초하여 기준전류를 산출하는 위상제어부, 구동전류와 기준전류를 기초로 기준전압을 산출하는 전류제어부, 기준전압을 기초로 모터를 구동하기 위한 구동전압을 산출하고, 구동전압을 펄스 폭 변조하여 전력변환부를 제어하는 제어신호를 출력하는 출력신호 생성부를 포함할 수 있다.In addition, according to the embodiment, the control unit includes a phase control unit that calculates a reference current based on a delay degree of a driving current according to the rotational speed of the motor and a change value of a lead angle due to a reluctance torque, based on the driving current and the reference current It may include a current controller for calculating a reference voltage, an output signal generator for calculating a driving voltage for driving the motor based on the reference voltage, and outputting a control signal for controlling the power converter by pulse width modulation of the driving voltage.

개시된 발명의 또 다른 측면에 따른 모터 직류전류를 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부를 포함하는 모터 구동장치의 제어방법은, 모터의 회전속도와 구동전류를 검출하고, 회전속도와 구동전류를 기초로 모터의 부하에 따라 상이한 위상을 갖는 기준전류를 생성하고, 생성된 기준전류에 기초하여 모터를 구동하는 것을 포함한다.A control method of a motor driving apparatus including a power converter for converting a motor DC current into an AC current to provide a driving current to the motor according to another aspect of the disclosed invention, detecting the rotational speed and the driving current of the motor, and the rotational speed and generating a reference current having a different phase according to a load of the motor based on the and driving current, and driving the motor based on the generated reference current.

또한, 실시 형태에 따라 기준전류를 생성하는 것은, 회전속도에 따른 구동전류의 위상 지연값을 구동전류의 위상에 더하고, 모터의 토크부하에 따른 구동전류의 리드각 변화값에 기초하여 기준전류를 생성하는 것을 포함할 수 있다.In addition, in generating the reference current according to the embodiment, the phase delay value of the driving current according to the rotation speed is added to the phase of the driving current, and the reference current is calculated based on the change value of the lead angle of the driving current according to the torque load of the motor. It may include creating

또한, 실시 형태에 따라 기준전류를 생성하는 것은, 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받고, 변화값을 모터의 토크부하와 곱셉 연산하여 기준전류를 생성할 수 있다.In addition, generating the reference current according to the embodiment may include receiving a change value of a lead angle according to a torque load and multiplying the change value with the torque load of the motor to generate the reference current.

또한, 실시 형태에 따라 기준전류를 생성하는 것은, 모터의 릴럭턴스 토크에 따라 상이한 위상을 갖는 기준전류를 생성할 수 있다.In addition, generating the reference current according to the embodiment may generate the reference current having a different phase according to the reluctance torque of the motor.

또한, 실시 형태에 따라 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받는 것은, 모터의 종류에 따라 상이한 리드각 변화값을 입력받는 것일 수 있다.In addition, the input of the change value of the lead angle according to the torque load according to the embodiment may include receiving the input of the change value of the lead angle that is different according to the type of the motor.

개시된 발명의 일 측면에 따르면, 모터의 회전속도 및 부하를 고려하여 효율적으로 모터를 제어하는 모터 구동장치를 제공할 수 있다. According to one aspect of the disclosed invention, it is possible to provide a motor driving device for efficiently controlling the motor in consideration of the rotational speed and load of the motor.

개시된 발명의 다른 일 측면에 따르면 회전자의 토크부하에 의해 변경된 전류 위상에 기반하여 모터를 제어하는 모터 구동장치 및 그 제어방법을 제공할 수 있다. According to another aspect of the disclosed invention, it is possible to provide a motor driving apparatus for controlling a motor based on a current phase changed by a torque load of a rotor, and a method for controlling the same.

도 1은 전원장치, 및 모터, 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터구동장치를 도시한 도면이다.
도 2는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 정류부를 도시한 도면이다.
도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부와 2레벨 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이다.
도 4는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부와 3레벨 다이오드 클램프드 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이다.
도 5는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부 및 3레벨 직접 스위칭 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이다.
도 6은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치의 제어부의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 일 실시예에 의한 위상제어부의 블록도이다.
도 9는 모터의 부하 특성에 대한 그래프이다.
도 10은 모터의 회전속도 증가에 따른 위상 지연 그래프이다.
도 11은 일 실시예에 의한 위상제어부의 제어 순서도이다.
도 12는 표면부착형 영구자석 동기 모터 및 매입형 영구자석 동기 모터의 외관에 대한 간략한 도면이다.
도 13은 매입형 영구자석 동기 모터의 자속경로에 대한 그래프이다.
도 14는 모터의 종류에 따른 리드각의 특성 그래프이다.
1 is a diagram illustrating a power supply device, a motor, and a motor driving device according to an embodiment of the disclosed invention.
2 is a view showing a rectifier according to an embodiment of the disclosed invention.
3 is a view showing a power conversion unit employing a smoothing unit and a two-level inverter according to an embodiment of the disclosed invention.
4 is a diagram illustrating a power conversion unit employing a smoothing unit and a 3-level diode clamped inverter according to an embodiment of the disclosed invention.
5 is a diagram illustrating a power conversion unit employing a smoothing unit and a 3-level direct switching inverter according to an embodiment of the disclosed invention.
6 is a diagram illustrating a configuration of a control unit of a motor driving apparatus according to an embodiment of the disclosed invention.
7 is a flowchart illustrating a method for controlling a motor driving apparatus according to an embodiment of the disclosed invention.
8 is a block diagram of a phase controller according to an exemplary embodiment.
9 is a graph of a load characteristic of a motor.
10 is a graph of the phase delay according to an increase in the rotational speed of the motor.
11 is a control flowchart of a phase controller according to an exemplary embodiment.
12 is a schematic view of the appearance of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor and an embedded permanent magnet synchronous motor.
13 is a graph of a magnetic flux path of an embedded permanent magnet synchronous motor.
14 is a characteristic graph of a lead angle according to a type of a motor.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람The embodiments described herein and the configurations shown in the drawings are the spirit of the disclosed invention.

직한 예에 불과할 뿐이며, 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형예가 있음을 밝혀 둔다. It is merely a direct example, and it should be noted that there are various modifications that can be substituted for the embodiments and drawings of the present specification.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 개시된 발명의 일 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, an embodiment of the disclosed invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 전원장치, 및 모터, 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터구동장치를 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a power supply device, a motor, and a motor driving device according to an embodiment of the disclosed invention.

도 1을 참조하면, 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치(1)는 전원(2)으로부터 전기 에너지를 공급받아 모터(3)에 구동 전류를 공급함으로써 모터(3)를 구동한다. Referring to FIG. 1 , the motor driving apparatus 1 according to an embodiment of the disclosed invention drives the motor 3 by receiving electric energy from a power source 2 and supplying a driving current to the motor 3 .

전원장치(2)는 가정용으로 이용되는 110V/220V의 상용 교류전원 또는 산업용으로 이용되는 고전압 교류전원일 수 있으며, 태양광 발전기 등을 통해 공급되는 직류전원을 채용할 수도 있다. The power supply device 2 may be 110V/220V commercial AC power used for home use or high voltage AC power used for industrial purposes, and DC power supplied through a solar generator or the like may be employed.

모터(3)는 세탁기, 냉장고, 또는 공기조화기 등 가전제품에 이용되는 모터뿐만 아니라, 산업용으로 이용되는 모터일 수 있다. The motor 3 may be a motor used for industrial purposes as well as a motor used for home appliances such as a washing machine, a refrigerator, or an air conditioner.

구동장치(1)는 전원장치(2)으로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부(10), 직류전압 및 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부(20), 평활부(20)로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터(3)에 구동전류를 제공하는 전력변환부(30), 모터(3)의 구동전류를 감지하는 전류감지부(50), 모터(3)에 포함된 회전자(미도시)의 위치를 감지하는 위치감지부(50), 및 구동장치(1)의 동작 전반을 제어하는 제어부(100), 제어부(100) 의 제어신호에 따라 전력변환부(30)를 제어하는 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부(60)를 포함한다. The driving device 1 includes a rectifier 10 that rectifies the AC voltage and AC current supplied from the power supply 2 into DC voltage and DC current, and a smoothing unit 20 that removes ripples included in the DC voltage and DC current. , a power conversion unit 30 that receives a direct current from the smoothing unit 20 and converts it into an alternating current to provide a driving current to the motor 3, a current sensing unit 50 for sensing the driving current of the motor 3 , a position sensing unit 50 for detecting the position of a rotor (not shown) included in the motor 3 , and a control unit 100 for controlling the overall operation of the driving device 1 , a control signal of the control unit 100 . and a switching signal generating unit 60 for generating a switching signal for controlling the power converting unit 30 in response.

도 2는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 정류부를 도시한 도면이다. 2 is a view showing a rectifier according to an embodiment of the disclosed invention.

도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 정류부(10)는 전원장치As shown in Figures 2 (a) and 2 (b), the rectifying unit 10 is a power supply device

(2)로부터 공급되는 전원에 따라 그 구성이 달라질 수 있다. 예를 들어, 전원장치(2)로부터 공급되는 전원이 2상 교류전원인 경우 도 2(a)에 도시된 바와 같이 2쌍의 다이오드를 전류가 한 방향으로 도통되도록 배열된 다이오드 브리지를 채용할 수 있으며, 전원장치(2)로부터 공급되는 전원이 3상 교류전원인 경우 도 2(b)에 도 시된 바와 같이 3쌍의 다이오드를 전류가 한 방향으로 도통되도록 배열된 3상 다이오드 브리지를 채용할 수 있다. The configuration may vary depending on the power supplied from (2). For example, when the power supplied from the power supply device 2 is a two-phase AC power supply, a diode bridge arranged so that a current conducts in one direction through two pairs of diodes as shown in FIG. 2(a) may be employed. , when the power supplied from the power supply device 2 is a three-phase AC power supply, a three-phase diode bridge arranged so that a current conducts in one direction through three pairs of diodes as shown in FIG. 2(b) may be employed.

다만, 도 1에 도시된 전원장치(2)가 직류전원을 공급하는 경우에는 정류부(10)가 생략될 수 있으며, 정류부(10)는 역률을 개선하기 위한 PFC(Power Factor Correction) 회로를 더 포함할 수 있다. However, when the power supply 2 shown in FIG. 1 supplies DC power, the rectifying unit 10 may be omitted, and the rectifying unit 10 further includes a PFC (Power Factor Correction) circuit for improving the power factor. can do.

도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부와 2레벨 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이고, 도 4는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부와 3레벨 다이오드 클램프드 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이고, 도 5은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부 및 3레벨 직접 스위칭 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이다. 3 is a diagram showing a power conversion unit employing a smoothing unit and a 2-level inverter according to an embodiment of the disclosed invention, and FIG. 4 is a smoothing unit and a 3-level diode clamped inverter according to an embodiment of the disclosed invention. It is a view showing a power conversion unit, Figure 5 is a view showing a power conversion unit employing a smoothing unit and a 3-level direct switching inverter according to an embodiment of the disclosed invention.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 평활부(20)는 전력변환부(30)의 구성에 따라 그 구성이 변경되므로 평활부(20)와 전력변환부(30)를 함께 설명한다. 3 to 5, since the configuration of the smoothing unit 20 is changed according to the configuration of the power converting unit 30, the smoothing unit 20 and the power converting unit 30 will be described together.

도 3을 참조하면, 전력변환부(30)로써 2레벨 인버터를 채용한 경우 평활부(20)는 정류부(10)의 출력노드 사이에 배치된 콘덴서(C21)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 평활부(20)는 정류부(10)로부터 리플이 포함된 직류전압을 제공받고, 콘덴서(C21)를 통하여 리플을 제거하여, 상단 출력노드 Nh를 통하여 Vdc/2(V)를 출력하고 하단 출력노드 Nl를 통하여 -Vdc/2(V)를 출력한다. Referring to FIG. 3 , when a two-level inverter is employed as the power conversion unit 30 , the smoothing unit 20 may include a capacitor C21 disposed between the output nodes of the rectifying unit 10 . Specifically, the smoothing unit 20 receives the DC voltage including the ripple from the rectifying unit 10, removes the ripple through the capacitor C21, and outputs Vdc/2 (V) through the upper output node Nh, -Vdc/2(V) is output through the lower output node Nl.

또한, 2레벨 인버터는 평활부(20)의 출력노드 Nh과 Nl 사이에 직렬로 연결된 세 쌍의 스위치(S21과 S22, S23과 S24, S25와 S26)를 포함하며, 세 쌍의 스위치(S21과 S22, S23과 S24, S25와 S26)의 도통 또는 차단에 따라 2레벨 인버터는 출력노드 U, V 및 W를 통하여 Vdc/2(V) 또는 -Vdc/2(V)를 출력한다. In addition, the two-level inverter includes three pairs of switches (S21 and S22, S23 and S24, S25 and S26) connected in series between the output nodes Nh and Nl of the smoothing unit 20, and the three pairs of switches (S21 and S21) According to the conduction or interruption of S22, S23 and S24, and S25 and S26), the 2-level inverter outputs Vdc/2(V) or -Vdc/2(V) through the output nodes U, V and W.

도 4를 참조하면, 전력변환부(30)로써 3레벨 다이오드 클램프드 인버터를 채용한 경우 평활부(30)는 정류부(10)의 출력노드 사이에 직렬로 배치되고동일한 용량을 갖는 한 쌍의 콘덴서(C41, C42)를 포함한다. 구체적으로, 평활부(20)는 정류부(10)로부터 리플이 포함된 직류전압을 입력받고, 한 쌍의 콘덴서(C41, C42)를 통하여 리플을 제거하여 상단 출력노드 Nh를 통하여 Vdc/2(V)를 출력하고 중앙 출력노드 Nc를 통하여 0(V)를 출력하고 하단 출력노드 Nl를 통하여 -Vdc/2(V)를 출력한다. Referring to FIG. 4 , when a three-level diode clamped inverter is employed as the power conversion unit 30 , the smoothing unit 30 is disposed in series between the output nodes of the rectifying unit 10 and a pair of capacitors having the same capacity (C41, C42). Specifically, the smoothing unit 20 receives a DC voltage including a ripple from the rectifying unit 10, removes the ripple through a pair of capacitors C41 and C42, and Vdc/2 (V) through the upper output node Nh. ) and output 0(V) through the central output node Nc and -Vdc/2(V) through the lower output node Nl.

또한, 3레벨 다이오드 클램프드 인버터는 평활부(20)의 출력노드 Nh과 Nc, Nc와 Nl 사이에 각각 직렬로 연결된 한 쌍의 스위치 S41과 S42, S43과 S44, S45와 S46, S47과 S48, S49와 S50, S51과 S52를 포함하며, 상술한 한 쌍의 스위치가 연결되는 노드와 평활부(20)의 출력노드 Nc 사이에 마련된 6개의 다이오드 D42, D43, D46, D47, D50, 및 D51를 포함한다. 3레벨 다이오드 클래프드 인버터는 상술한 12개의 스위치의 개폐에 따라 출력노드 U, V, W를 통하여 Vdc/2(V), 0(V), 및 -Vdc/2(V)를 출력한다. In addition, the 3-level diode clamped inverter is a pair of switches S41 and S42, S43 and S44, S45 and S46, S47 and S48, respectively connected in series between the output nodes Nh and Nc, Nc and Nl of the smoothing unit 20, 6 diodes D42, D43, D46, D47, D50, and D51 provided between the node to which the above-described pair of switches are connected and the output node Nc of the smoothing unit 20, including S49 and S50, S51 and S52 include The 3-level diode clad inverter outputs Vdc/2(V), 0(V), and -Vdc/2(V) through the output nodes U, V, and W according to the opening and closing of the 12 switches described above.

도 5를 참조하면, 전력변환부(30)로써 3레벨 직접 스위칭 인버터를 채용한 경우 평활부(30)는 정류부(10)의 출력노드 사이에 직렬로 배치되고 동일한 용량을 갖는 한 쌍의 콘덴서(C1, C2)를 포함한다. 구체적으로, 평활부(20)는 정류부(10)로부터 리플이 포함된 직류전압이 입력받고, 한 쌍의 콘덴서(C1, C2)를 통하여 리플을 제거하여 출력노드 Nh를 통하여 Vdc/2(V)를 출력하고 출력노드 Nc를 통하여 0(V)를 출력하고 출력노드 Nl를 통하여 -Vdc/2(V)를 출력한다. 5, when a three-level direct switching inverter is employed as the power conversion unit 30, the smoothing unit 30 is disposed in series between the output nodes of the rectifying unit 10 and a pair of capacitors having the same capacity ( C1, C2). Specifically, the smoothing unit 20 receives a DC voltage including a ripple from the rectifying unit 10 and removes the ripple through a pair of capacitors C1 and C2 to Vdc/2 (V) through the output node Nh. and outputs 0(V) through the output node Nc and -Vdc/2(V) through the output node Nl.

또한, 3레벨 직접 스위칭 인버터는 평활부(20)의 출력노드 Nh와 출력노드 U, V, 및 W 사이에 마련되는 세 개의 스위치S1, S5, 및 S9, 평활부(20)의 출력노드 Nc와 출력단자 U, V, W 사이에 직렬 배치되는 한 쌍의 스위치 S2와 S3, S6과 S7, S10과 S11, 및 평활부(20)의 출력노드 Nl와 출력단자 U, V, W 사이에 마련되는 세 개의 스위치 S4, S8, 및 S12를 포함한다. 또한, 각각의 스위치는 하나의 트랜지스터와 하나의 다이오드가 병렬로 배치된다. In addition, the 3-level direct switching inverter includes three switches S1, S5, and S9 provided between the output node Nh of the smoothing unit 20 and the output nodes U, V, and W, and the output node Nc of the smoothing unit 20 and A pair of switches S2 and S3, S6 and S7, S10 and S11 arranged in series between the output terminals U, V, and W, and the output node Nl of the smoothing unit 20 and the output terminals U, V, W provided between It includes three switches S4, S8, and S12. In addition, in each switch, one transistor and one diode are arranged in parallel.

출력노드 U에 관하여 구체적으로 설명하면 출력노드 U와 노드 Nh 사이에는 스위치 S1이 배치되고 출력노드 U와 노드 Nc 사이에는 스위치 S2 및 스위치S3가 직렬로 배치되고 출력노드 U와 노드 Nl 사이에는 스위치 S4가 배치된다. Specifically with respect to the output node U, the switch S1 is disposed between the output node U and the node Nh, the switch S2 and the switch S3 are disposed between the output node U and the node Nc in series, and the switch S4 is disposed between the output node U and the node Nl. is placed

또한, 스위치 S1이 도통되면 출력노드 U를 통하여 Vdc/2(V)의 전압이 출력되고, 스위치 S2 및 S3가 도통되면 출력노드 U를 통하여 0(V)의 전압이 출력되고, 스위치S4가 도통되면 출력노드 U를 통하여 -Vdc/2(V)의 전압이 출력된다. 또한, 출력노드V 및 출력노드 W에 대하여도 동일한 구조를 갖는다. In addition, when the switch S1 conducts, a voltage of Vdc/2 (V) is output through the output node U, and when the switches S2 and S3 become conductive, a voltage of 0 (V) is output through the output node U, and the switch S4 conducts Then, a voltage of -Vdc/2(V) is output through the output node U. Also, the output node V and the output node W have the same structure.

이하에서는 전력변환부(30)가 3레벨 직접 스위칭 인버터를 채용한 것으로 가정하여 설명한다. Hereinafter, it is assumed that the power conversion unit 30 employs a 3-level direct switching inverter.

다시 도 1을 참조하면, 전류감지부(40)는 전력변환부(30)로부터 모터(3)로 공급되는 3상 구동전류(Iabc)를 감지한다. 전류감지부(40)는 전력변환부(30)로부터 모터(3)로 구동전류를 공급하기 위한 도선 상에 션트 저항(shunt resistor)(미도시)을 직렬로 연결하고, 션트 저항(미도시) 양단에 인가되는 전압을 검출함으로써 모터(3)의 구동전류를 감지할 수 있다. Referring back to FIG. 1 , the current sensing unit 40 senses the three-phase driving current Iabc supplied from the power conversion unit 30 to the motor 3 . The current sensing unit 40 connects a shunt resistor (not shown) in series on a wire for supplying a driving current from the power conversion unit 30 to the motor 3 , and a shunt resistor (not shown) The driving current of the motor 3 can be sensed by detecting the voltage applied to both ends.

위치감지부(50)는 모터(3)의 회전자(미도시)의 위치를 감지한다. 위치감지부(50)는 레졸버(Resolver), 홀센서(hall sensor) 또는 엔코더(encoder)를 채용할 수 있다. 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치(1)는 전류감지부(40)와 위치감지부(50)를 별도의 구성으로 하였으나, 이에 한정되지는 않으며 전류감지부(40)에 의하여 감지된 전류(예를 들어, 역기전력)를 기초로 모터(3)의 회전자의 위치를 추정하는 경우 위치감지부(50)를 생략할 수 있다. The position sensing unit 50 detects a position of a rotor (not shown) of the motor 3 . The position sensing unit 50 may employ a resolver, a hall sensor, or an encoder. Although the motor driving apparatus 1 according to an embodiment of the disclosed invention has the current sensing unit 40 and the position sensing unit 50 as separate components, the present invention is not limited thereto. When estimating the position of the rotor of the motor 3 based on the current (eg, counter electromotive force), the position sensing unit 50 may be omitted.

스위칭신호 생성부(60)는 제어부(100)의 제어신호에 따라 전력변환부(30)의 각각 스위치를 개폐하기 위한 스위칭 신호를 생성한다. 제어부(100)로부터 출력되는 제어신호의 전압과 전력변환부(30)의 스위치를 개폐하기 위한 전압은 차이가 있다. 예를 들어, 전원장치(1)가 220V 교류전원을 공급하는 경우 평활부(20)로부터 전력변환부(30)로 310V의 직류전원이 공급되므로 전력변환부(30)의 스위치를 개폐하기 위한 신호는 적어도 수십V의 전압이 요구되는 반면 제어부(100)는 통상 3. 3V 내지 5V의 제어신호를 출력하므로 제어부(100)의 제어신호에 따라 전력변환부(60)의 스위치를 개폐하기 위한 스위칭신호 생성부(60)가 요구된다. The switching signal generation unit 60 generates a switching signal for opening and closing each switch of the power conversion unit 30 according to the control signal of the control unit 100 . There is a difference between the voltage of the control signal output from the control unit 100 and the voltage for opening and closing the switch of the power conversion unit 30 . For example, when the power supply device 1 supplies 220V AC power, since 310V DC power is supplied from the smoothing unit 20 to the power conversion unit 30 , a signal for opening and closing the switch of the power conversion unit 30 . A switching signal for opening and closing the switch of the power conversion unit 60 according to the control signal of the control unit 100 because a voltage of at least several tens of V is required, whereas the control unit 100 normally outputs a control signal of 3.3V to 5V. A generator 60 is required.

이하에서는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치(1)의 제어부(100)의 구성을 도시한 도 6을 참조하여 제어부(100)는 설명한다. Hereinafter, the control unit 100 will be described with reference to FIG. 6 showing the configuration of the control unit 100 of the motor driving apparatus 1 according to an embodiment of the disclosed invention.

도 6을 참조하면, 제어부(100)는 속도연산부(110), 제1좌표변환부(120), 위상제어부(130), 전류제어부(140), 제2좌표변환부(150), 옵셋 연산부(160), 출력전압 생성부(170), 및 펄스 폭 변조부(180)를 포함한다. Referring to FIG. 6 , the control unit 100 includes a speed calculation unit 110 , a first coordinate conversion unit 120 , a phase control unit 130 , a current control unit 140 , a second coordinate conversion unit 150 , an offset calculation unit ( 160 ), an output voltage generator 170 , and a pulse width modulator 180 .

속도연산부(110)는 상술한 위치감지부(50)가 감지한 모터(3)의 회전자(미도시)의 위치를 기초로 회전자(미도시)의 회전속도(ωrm)를 산출한다. 구체적으로 속도연산부(110)는 회전자(미도시)의 위치를 시간에 대하여 미분함으로써 회전자(미도시)의 회전속도(ωrm)를 산출할 수 있다. The speed calculating unit 110 calculates the rotational speed ωrm of the rotor (not shown) based on the position of the rotor (not shown) of the motor 3 sensed by the above-described position detecting unit 50 . Specifically, the speed calculator 110 may calculate the rotational speed ωrm of the rotor (not shown) by differentiating the position of the rotor (not shown) with respect to time.

제1좌표변화부(120)는 위치감지부(50)에 의하여 감지된 회전자(미도시)의 위치를 기초로 전류감지부(40)에 의하여 감지된 3상 구동전류(Ia, Ib, Ic) (이하에서는 Ia, Ib, Ic를 일체로 Iabc라 한다. )를 직교좌표계 상의 dq축 구동전류(Id, Iq)(이하에서는 Id, Iq를 일체로 Idq라 한다. )로 변환한다. The first coordinate change unit 120 includes three-phase driving currents Ia, Ib, Ic sensed by the current sensing unit 40 based on the position of the rotor (not shown) sensed by the position sensing unit 50 . ) (Hereinafter, Ia, Ib, and Ic are collectively referred to as Iabc. ) is converted into dq-axis driving currents (Id, Iq) in the Cartesian coordinate system (hereinafter, Id and Iq are collectively referred to as Idq).

위상제어부(130)는 속도연산부(110)에 의하여 산출된 회전자(미도시) 회전속도(ωrm)를 기초로 dq축 기준전류(Id*, Iq*)(이하에서는 Id*, Iq*를 일체로 Idq*라 한다. )를 산출한다. 구체적으로, 위상제어부(130)는 회전속도(ωrm)에 의한 모터(3)의 전류 지연을 최소화하기 위한 dq축 기준전류(Idq*)를 출력한다. 기준전류(idq*)는 모터의 부하 특성에 따라 차이가 있으며, 기준전류(idq*)를 산출하는 방법은 아래에서 자세히 설명한다. The phase control unit 130 integrates the dq-axis reference currents Id*, Iq* (hereinafter Id*, Iq*) based on the rotor (not shown) rotational speed ωrm calculated by the speed calculating unit 110 . is called Idq*. ) is calculated. Specifically, the phase control unit 130 outputs the dq-axis reference current Idq* for minimizing the current delay of the motor 3 due to the rotational speed ωrm. The reference current (idq*) is different depending on the load characteristics of the motor, and the method of calculating the reference current (idq*) will be described in detail below.

전류제어부(140)는 위상제어부(130)에 의하여 산출된 dq축 기준전류(Idq*)와 제1좌표변환부(130)에 의하여 산출된 dq축 구동전류(Idq)를 기초로 dq축기준전압(Vd*, Vq*)(이하에서는 Vd*, Vq*를 일체로 Vdq*라 한다. )을 산출한다. 구체적으로, 전류제어부(140)는 dq축 기준전류(Idq*)와 dq축 구동전류(Idq)의 차이를 최소화하기 위한 dq축 기준전압(Vdq*)를 출력한다. The current control unit 140 is a dq-axis reference voltage based on the dq-axis reference current (Idq*) calculated by the phase control unit 130 and the dq-axis driving current (Idq) calculated by the first coordinate conversion unit 130 . (Vd*, Vq*) (hereinafter, Vd* and Vq* are collectively referred to as Vdq*) is calculated. Specifically, the current controller 140 outputs a dq-axis reference voltage Vdq* for minimizing the difference between the dq-axis reference current Idq* and the dq-axis driving current Idq.

제2좌표변환부(150)는 위치감지부(50)에 의하여 감지된 회전자(미도시)의 위치를 기초로 전류제어부(140)에 의하여 산출된 dq축 기준전압(Vdq*)를 3상기준전압(Vas*, Vbs*, Vcs*)(이하에서는 Vas*, Vbs*, Vcs*를 일체로 Vabcs*라 한다. )로 변환한다. The second coordinate conversion unit 150 converts the dq-axis reference voltage Vdq* calculated by the current control unit 140 based on the position of the rotor (not shown) sensed by the position detection unit 50 into three phases. Converts to reference voltages (Vas*, Vbs*, Vcs*) (hereinafter, Vas*, Vbs*, and Vcs* are collectively referred to as Vabcs*).

옵셋 연산부(160)는 위상제어부(130)에 의하여 산출된 dq축 기준전류(Idq*) 및 전류제어부(140)에 의하여 산출된 dq축 기준전압(Vdq*)를 기초로 옵셋 전압(Vsn)을 출력한다. The offset calculating unit 160 calculates the offset voltage Vsn based on the dq-axis reference current Idq* calculated by the phase control unit 130 and the dq-axis reference voltage Vdq* calculated by the current control unit 140 . print out

출력전압 생성부(170)은 제2좌표변환부(150)에 의하여 산출된 3상 기준전압(Vabcs*)과 옵셋 연산부(160)에 의하여 산출된 옵셋 전압(Vsn)을 합하여 3상 구동전압(Van*, Vbn*, Vcn*)(이하에서는 Van*, Vbn*, Vcn*를 일체로 Vabcn이라 한다. )를 생성한다. The output voltage generating unit 170 adds the three-phase reference voltage Vabcs* calculated by the second coordinate conversion unit 150 and the offset voltage Vsn calculated by the offset calculating unit 160 to the three-phase driving voltage ( Van*, Vbn*, Vcn*) (Hereinafter, Van*, Vbn*, and Vcn* are collectively referred to as Vabcn).

또한, 출력전압 생성부(170)는 3상 구동전압(Vabcn)을 펄스 폭 변조하여 전력변환부(30)의 각 스위치를 개폐하기 위한 제어신호를 생성하고, 스위칭신호 생성부(60)로 출력한다. In addition, the output voltage generator 170 pulse width modulates the three-phase driving voltage Vabcn to generate a control signal for opening and closing each switch of the power converter 30 , and output it to the switching signal generator 60 . do.

도 7은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치의 제어방법을 도시한 순서도이다. 7 is a flowchart illustrating a method of controlling a motor driving apparatus according to an embodiment of the disclosed invention.

도 7을 참조하면, 모터 구동장치(1)는 모터(3)의 3상 구동전류Referring to FIG. 7 , the motor driving device 1 includes a three-phase driving current of the motor 3 .

(iabc) 및 회전자의 위치를 감지한다(210). (iabc) and detects the position of the rotor (210).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 회전자의 위치를 기초로 3상 구동전류(iabc)를 dq축 구동전류(idq)로 변환한다(215). Next, the motor driving device 1 converts the three-phase driving current iabc into the dq-axis driving current idq based on the position of the rotor ( 215 ).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 감지된 모터의 회전자의 위치를 기초로 회전자의 회전속도(ωrm)를 산출한다(220). Next, the motor driving device 1 calculates the rotational speed ωrm of the rotor based on the sensed position of the rotor of the motor ( 220 ).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 모터의 회전속도(ωrm) 및 모터의 토크부하를 기초로 dq축 기준전류(Idq*)를 산출한다(230). 기준전류(idq*)는 모터의 부하 특성에 따라 차이가 있으며, 기준전류(idq*)를 산출하는 방법은 아래에서 자세히 설명한다. Next, the motor driving apparatus 1 calculates the dq-axis reference current Idq* based on the rotational speed ωrm of the motor and the torque load of the motor (230). The reference current (idq*) is different depending on the load characteristics of the motor, and the method of calculating the reference current (idq*) will be described in detail below.

다음으로, 모터 구동장치(1)는 dq축 기준전류(Idq*)와 dq축 구동전류(Idq)의 차이를 기초로 dq축 기준전압(Vdq*)를 산출한다(240). Next, the motor driving device 1 calculates the dq-axis reference voltage Vdq* based on the difference between the dq-axis reference current Idq* and the dq-axis driving current Idq (240).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 회전자의 위치를 기초로 dq축 기준전압(Vdq*)를 3상 기준전압(Vabcs*)으로 변환한다(245). Next, the motor driving device 1 converts the dq-axis reference voltage (Vdq*) into a three-phase reference voltage (Vabcs*) based on the position of the rotor ( 245 ).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 dq축 기준전류(Idq*)와 dq축 기준전압(Vdq*)를 기초로 옵셋 전압(Vsn)을 산출한다(250). Next, the motor driving device 1 calculates the offset voltage Vsn based on the dq-axis reference current Idq* and the dq-axis reference voltage Vdq* (250).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 3상 기준전압(Vabcs*)과 옵셋 전압(Vsn)을 합하여 3상 구동전압(Vabcn)를 산출한다(260). Next, the motor driving device 1 calculates the three-phase driving voltage Vabcn by adding the three-phase reference voltage Vabcs* and the offset voltage Vsn ( 260 ).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 3상 구동전압(Vabcn)을 펄스 폭 변조하여 전력변환부(30)를 제어하기 위한 제어신호를 생성한다(270). Next, the motor driving apparatus 1 generates a control signal for controlling the power converter 30 by pulse width modulation of the three-phase driving voltage Vabcn ( 270 ).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 제어신호에 따라 전력변환부(30)를 제어하여 모터(3)를 구동하기 위한 3상 구동전류(Iabc)를 생성한다(280). Next, the motor driving device 1 generates a three-phase driving current Iabc for driving the motor 3 by controlling the power conversion unit 30 according to the control signal ( 280 ).

이하에서는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치(1)가 위상제어부(130)를 통해 기준전류(idq*)를 산출하는 방법에 대하여 설명한다. Hereinafter, a method of calculating the reference current idq* by the motor driving apparatus 1 through the phase control unit 130 according to an embodiment of the disclosed invention will be described.

도 8은 일 실시예에 의한 위상제어부(130)의 블록도이다. 8 is a block diagram of the phase control unit 130 according to an embodiment.

도 8에 따르면, 위상제어부(130)는 구동전류(idq)의 위상을 변환시키는 제 1 위상쉬프터(130-1), 및 제 2 위상쉬프터(130-2)를 포함한다. Referring to FIG. 8 , the phase control unit 130 includes a first phase shifter 130 - 1 and a second phase shifter 130 - 2 that change the phase of the driving current idq.

제 1 위상쉬프터(130-1)는 모터의 회전속도(wrm) 및 리드각(Lead Angle)을 기초로 구동전류(idq)의 위상을 변환시킨다. The first phase shifter 130-1 converts the phase of the driving current idq based on the rotation speed wrm and the lead angle of the motor.

구체적으로 제 1 위상쉬프터(130-1)는 지연되는 위상을 고려하여, 구동 전류의 위상을 변환시키기 위한 리드각(lead angle)을 구동전류의 위상에 덧셈 연산하고, 그 결과를 제 1 기준 전류로서 출력하는 덧셈 연산기로서 구현될 수 있다. Specifically, the first phase shifter 130-1 adds a lead angle for changing the phase of the driving current to the phase of the driving current in consideration of the delayed phase, and calculates the result by adding the result to the first reference current It can be implemented as an addition operator outputting as .

리드각은 구동전류의 위상을 변환시키기 위한 제 1 위상쉬프터의 입력 값이고, 별도의 저장부(미도시)에 의해 미리 저장된 값일 수 있고, 입력부(미도시)를 통해 사용자 또는 제조자에 의해 입력받는 값일 수 있다. 또한, 별도의 리드각 산출부(미도시)에 의해 산출된 값일 수 있다. 이와 관련하여 후술한다. The read angle is an input value of the first phase shifter for changing the phase of the driving current, may be a value stored in advance by a separate storage unit (not shown), and received by a user or a manufacturer through an input unit (not shown) can be a value. Also, it may be a value calculated by a separate lead angle calculator (not shown). In this regard, it will be described later.

도 9는 모터의 부하 특성에 대한 그래프이고, 도 10은 모터의 회전속도 증가에 따른 위상 지연 그래프이다. 9 is a graph of the load characteristics of the motor, and FIG. 10 is a graph of phase delay according to an increase in the rotational speed of the motor.

도 9를 참조하면, 모터의 부하 특성에 의해, 무부하 상태에서 모터의 회전속도가 점진적으로 증가하는 경우 모터에 부하(L)가 발생하고, 부하는 모터의 회전속도에 비례한다. 이때, 모터에 발생하는 부하(L)는 회전속도에 대하여 비례하는 인덕턴스(L[H])일 수 있다. Referring to FIG. 9 , due to the load characteristics of the motor, when the rotation speed of the motor is gradually increased in a no-load state, a load L is generated in the motor, and the load is proportional to the rotation speed of the motor. In this case, the load L generated in the motor may be an inductance L[H] proportional to the rotation speed.

또한, 도 10a를 참조하면, 무부하의 상태에서는 모터의 유발전류(예를 들어, 역기전력)와 구동전류(idq) 간 위상차가 발생하지 않으나, 도 10b를 참조하면, 부하가 증가하는 경우, 모터의 유발전류(예를 들어, 역기전력)과 구동전류(idq) 간의 위상차가 발생한다. In addition, referring to FIG. 10A , a phase difference between the induced current (eg, counter electromotive force) and the driving current idq of the motor does not occur in the no-load state. However, referring to FIG. 10B , when the load increases, the motor A phase difference occurs between the induced current (eg, counter electromotive force) and the driving current idq.

이와 같이 부하(L)가 증가한 경우, 모터에 인가되는 구동전류(idq)의 위상 지연이 증가하는데, 부하가 인덕턴스(L[H])인 경우 모터에 발생한 인덕턴스로 인하여 모터에 인가되는 구동전류(idq)가 회전자에 동기화되지 못하고 위상 지연이 발생한다. As such, when the load L increases, the phase delay of the driving current idq applied to the motor increases. When the load is an inductance L[H], the driving current ( idq) is not synchronized to the rotor and a phase delay occurs.

따라서, 회전자(미도시)의 회전속도(wrm)에 따라 구동전류의 위상을 미리 앞서게 하는 리드각을 구동 전류에 인가할 필요가 있고, 제 1 위상쉬프터는 도 10c와 같이 속도연산부(110)가 산출한 모터의 회전속도(wrm)에 대응하는 리드각(a)을 구동전류의 위상에 덧셈 연산하고, 그 결과를 제 1 기준 전류로서 출력한다. Therefore, it is necessary to apply a lead angle that advances the phase of the driving current in advance according to the rotational speed wrm of the rotor (not shown) to the driving current, and the first phase shifter is the speed calculating unit 110 as shown in FIG. 10C . The lead angle a corresponding to the rotation speed wrm of the motor calculated by is added to the phase of the driving current, and the result is output as the first reference current.

다시 도 8을 참조하면, 제 2 위상쉬프터는 모터의 종류에 따라 상이한 모터의 부하 특성을 고려하여 제 1 위상쉬프터로부터 출력된 제 1 기준 전류의 위상을 변화시키고 그 결과를 제 2 기준 전류로서 출력하는 곱셈 연산기로서 구현될 수 있다. 제 1 위상쉬프터 및 제 2 위상쉬프터의 제어방법과 관련된 설명은 도 11를 참조하여 후술한다. Referring back to FIG. 8 , the second phase shifter changes the phase of the first reference current output from the first phase shifter in consideration of load characteristics of different motors depending on the type of the motor, and outputs the result as the second reference current. It can be implemented as a multiplication operator. A description related to a method of controlling the first phase shifter and the second phase shifter will be described later with reference to FIG. 11 .

도 11은 일 실시예에 의한 위상제어부의 제어 순서도이다. 11 is a control flowchart of a phase controller according to an exemplary embodiment.

도 11에 따르면, 제 1 위상쉬프터는 구동전류(idq)의 위상이 리드각만큼 앞서도록 제어한다(310). 즉 제 1 위상쉬프터는 구동전류(idq)의 위상 및 리드각을 더하여 제 1 기준 전류를 출력한다. Referring to FIG. 11 , the first phase shifter controls the phase of the driving current idq to advance by the read angle ( 310 ). That is, the first phase shifter outputs the first reference current by adding the phase and the read angle of the driving current idq.

다시 도 9 및 도 10b를 참조하면, 무부하의 상태에서 모터의 회전속도가 증가하는 경우, 모터에는 회전속도 증가로 인한 부하(예를 들어, 인덕턴스)가 발생하고, 부하의 증가로 인한 구동전류의 지연이 발생한다. Referring back to FIGS. 9 and 10B , when the rotation speed of the motor increases in a no-load state, a load (eg, inductance) is generated in the motor due to the increase in the rotation speed, and the driving current due to the increase in the load is generated. delay occurs.

즉, 모터의 회전속도(wrm)에 비례하여 구동전류의 지연되는 위상이 증가한다. That is, the delayed phase of the driving current increases in proportion to the rotation speed wrm of the motor.

도 10c를 참조하면, 일 실시예에 따른 제 1 위상쉬프터는 모터의 회전속도(wrm) 증가로 유발된 인덕턴스에 기초하여 리드각(a)을 산출할 수 있고, 리드각(a)을 구동전류(idq)의 위상에 더할 수 있다. 한편, 리드각(a)은 외부 별도의 리드각 산출부(미도시)에 의해 산출된 것일 수 있고, 인덕턴스에 비례하는 소정의 값일 수 있다. Referring to FIG. 10C , the first phase shifter according to an exemplary embodiment may calculate a lead angle a based on an inductance induced by an increase in the rotation speed wrm of the motor, and convert the lead angle a to a driving current. It can be added to the phase of (idq). Meanwhile, the lead angle a may be calculated by an external separate lead angle calculator (not shown), and may be a predetermined value proportional to the inductance.

한편, 모터의 종류에 따라 위상이 지연되는 원인이 상이할 수 있고, 예를 들어, 회전속도 증가에 의한 전류 지연 외에 릴럭턴스(reluctance) 토크로 인한 전류 지연 또한 발생할 수 있다. Meanwhile, the cause of the phase delay may be different depending on the type of the motor, and for example, a current delay due to a reluctance torque may also occur in addition to the current delay due to an increase in the rotational speed.

모터는 일반적으로 널리 사용되는 유도모터와 에너지 절약을 목적으로 도입이 증가하고 있는 동기모터가 있는데, 동기모터는 영구자석을 붙이는 방법에 따라, 회전자표면에 영구자석을 붙인 표면부착형 영구자석 동기 모터(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)와 회전자 안에 영구자석을 내장시킨 매입형 영구자석 동기 모터Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 두 종류가 있다. There are generally widely used induction motors and synchronous motors that are increasingly being introduced for the purpose of saving energy. There are two types: a Surface Permanent Magnet Synchronous Motor (SPMSM) and an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) with a permanent magnet embedded in the rotor.

영구자석을 회전자 내부에 삽입한 매입형 영구자석 동기 모터는 구조적인 특징으로 인해 마그네틱 토크(Magnetic Torque) 및 릴럭턴스 토크(Reluctace Torque)가 존재한다. The embedded permanent magnet synchronous motor in which the permanent magnet is inserted into the rotor has magnetic torque and reluctance torque due to its structural characteristics.

도 12a는 표면부착형 영구자석 동기 모터이고, 도 12b는 매입형 영구자석 동기모터의 외관에 대한 간략한 도면이다. 12A is a surface-mounted permanent magnet synchronous motor, and FIG. 12B is a simplified view of the exterior of the embedded permanent magnet synchronous motor.

표면부착형 영구자석 동기 모터는 표면에 부착한 영구자석 투자율이 진공투자율과 거의 같기 때문에 영구자석이 존재하는 부분의 자기저항이 공극(Air Gap)과 동일하다. 따라서 표면부탁형 영구자석 동기 모터는 릴럭턴스 토크가 존재하지 않고 마그네틱 토크만 발생한다. Since the surface-attached permanent magnet synchronous motor has the same magnetic permeability as the vacuum permeability of the permanent magnet attached to the surface, the magnetic resistance of the part where the permanent magnet is present is the same as the air gap. Therefore, in the surface-mounted permanent magnet synchronous motor, there is no reluctance torque and only magnetic torque is generated.

반면, 도 13을 참조하면, 회전자 철심 속에 영구자석을 매입한 도 12b의 매입형 영구자석 동기 모터는, 전기자 권선이 만드는 d축 방향의 자속 경로에서는 자기적으로 공극과 등가인 영구자석이 놓여 있어 자기저항이 크고 q축 방향의 자속 경로에서는 자속이 철심만 관통하므로 자기저항이 작다. On the other hand, referring to FIG. 13 , in the embedded permanent magnet synchronous motor of FIG. 12B in which the permanent magnet is embedded in the iron core of the rotor, a permanent magnet magnetically equivalent to the air gap is placed in the magnetic flux path in the d-axis direction made by the armature winding. Therefore, the magnetic resistance is large, and in the magnetic flux path in the q-axis direction, the magnetic flux penetrates only the iron core, so the magnetic resistance is small.

이러한 자기저항의 차이는 매입형 영구자석 동기 모터에서 마그네틱 토크 이외에 릴럭턴스 토크를 발생시키는 요인이 된다. This difference in magnetoresistance is a factor that generates reluctance torque in addition to magnetic torque in the embedded permanent magnet synchronous motor.

따라서, 매입형 영구자석 동기 모터는 영구자석으로부터 기인하는 마그네틱 토크 외에 회전자 위치에 따른 자기저항 차이로부터 발생하는 릴럭턴스 토크가 더해지므로 최대 출력 토크를 발생시킬 수 있다. Accordingly, the embedded permanent magnet synchronous motor can generate maximum output torque because the reluctance torque generated from the magnetoresistance difference according to the rotor position is added to the magnetic torque resulting from the permanent magnet.

매입형 영구자석 동기 모터의 토크는 수학식 1로서 표현될 수 있다. The torque of the embedded permanent magnet synchronous motor can be expressed as Equation (1).

Figure 112014057395200-pat00001
Figure 112014057395200-pat00001

여기서 Pn은 극짝수,

Figure 112014057395200-pat00002
는 영구자석에 의한 전기자쇄교자속 실효치,
Figure 112014057395200-pat00003
, ie는 상전류 실효치,
Figure 112014057395200-pat00004
, β는 전류 위상각, Ld는 d축 인덕턴스, Lq는 q축 인덕턴스, Tm은 마그네틱 토크, Tr은 릴럭턴스 토크를 의미한다. where Pn is an even number,
Figure 112014057395200-pat00002
is the effective value of the magnetic flux linkage by the permanent magnet,
Figure 112014057395200-pat00003
, ie is the rms phase current,
Figure 112014057395200-pat00004
, β is the current phase angle, Ld is the d-axis inductance, Lq is the q-axis inductance, Tm is the magnetic torque, and Tr is the reluctance torque.

수학식 1을 참조하면, 마그네틱 토크는 전류에 영구자석에 의한 전기자 쇄교자속량에 비례하고, 릴럭턴스 토크는 d축 및 q축의 인덕턴스 차에 비례하고, 구동전류(Ia)의 제곱에 비례한다. Referring to Equation 1, the magnetic torque is proportional to the amount of armature flux linkage by the permanent magnet to the current, the reluctance torque is proportional to the inductance difference between the d-axis and the q-axis, and is proportional to the square of the driving current Ia.

즉, 매입형 영구자석 동기 모터의 발생토크는 마그네틱 토크 성분과 릴럭턴스 토크가 더해져서 발생하고, 릴럭턴스 토크로 인하여 매입형 영구자석 동기 모터는 전류가 증가하고, 이로인한 추가적인 리드각을 인가할 필요가 있다. That is, the generated torque of the embedded permanent magnet synchronous motor is generated by adding the magnetic torque component and the reluctance torque. There is a need.

도 14는 모터의 종류에 따른 리드각의 특성 그래프이다. 14 is a characteristic graph of a lead angle according to a type of a motor.

도 14a는 표면부착형 영구자석 동기 모터로서, 마그네틱 토크 성분에 의한 리드각만 고려하여 구동전류(idq)가 인가될 수 있으나, 도 13b의 매입형 영구자석 동기 모터는 릴럭턴스 토크가 존재하기 때문에 이에 의한 리드각 변화도 고려하여 구동전류(idq)를 인가하여야 한다. 14A is a surface mounted permanent magnet synchronous motor, and a driving current idq may be applied in consideration of only a lead angle by a magnetic torque component. However, the embedded permanent magnet synchronous motor of FIG. 13B has a reluctance torque. The driving current idq must be applied in consideration of the change in the read angle caused by this.

따라서, 일 실시예에 따른 제 2 위상쉬프터는 모터의 토크부하 증가에 따른 리드각 변화값에 기초하여, 구동전류(idq)의 위상을 변화시킬 수 있다(320). Accordingly, the second phase shifter according to an exemplary embodiment may change the phase of the driving current idq based on a change value of a lead angle according to an increase in torque load of the motor ( 320 ).

구체적으로 제 2 위상쉬프터는 모터 종류에 따라 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 기울기로서 입력받고, 기울기를 현재 토크부하와 곱셉 연산하여 구동전류(idq)의 리드각을 산출하고, 구동전류(idq)의 위상을 변화시킨 제 2 기준전류(idq*)를 산출할 수 있다. Specifically, the second phase shifter receives the change value of the lead angle according to the torque load according to the motor type as the slope, multiplies the slope with the current torque load to calculate the lead angle of the driving current idq, and the driving current ( The second reference current idq* in which the phase of idq) is changed may be calculated.

한편, 모터의 토크부하 증가에 따른 리드각 변화값은 구동전류(idq)의 위상을 변화시키기 위한 제 2 위상쉬프터의 입력 값이고, 미리 저장부(미도시)에 저장된 것일 수 있고, 사용자 또는 제조자로부터 입력부(미도시)를 통해 입력 받은 것일 수 있다. 또한, 별도의 리드각 산출부(미도시)에서 산출된 값일 수 있다. On the other hand, the lead angle change value according to the increase in the torque load of the motor is an input value of the second phase shifter for changing the phase of the driving current idq, and may be previously stored in a storage unit (not shown), and may be a user or a manufacturer. It may have been input from the input unit (not shown). Also, it may be a value calculated by a separate lead angle calculator (not shown).

리드각 산출부(미도시)는 예를 들어 위상차 검출 토크센서로 구현될 수 있고, 위상차 검출 토크센서는 토크부하에 의하여 생기는 리드각(위상차)을 검출하는 것으로서, 자기식과 광학식의 검출방법이 있고 반드시 이에 한정되지는 아니한다. The lead angle calculator (not shown) may be implemented as, for example, a phase difference detection torque sensor, and the phase difference detection torque sensor detects a lead angle (phase difference) caused by a torque load, and there are magnetic and optical detection methods. It is not necessarily limited thereto.

이와 같은 모터 구동장치 및 그 제어방법의 실시예에 따라 모터의 회전속도 및 부하를 고려하여 효율적으로 모터를 제어할 수 있고, 회전자의 토크부하에 의해 변경된 전류 위상에 기반하여 모터를 제어할 수 있다.According to this embodiment of the motor driving apparatus and its control method, it is possible to efficiently control the motor in consideration of the rotational speed and load of the motor, and to control the motor based on the current phase changed by the torque load of the rotor. have.

이상에서는 개시된 발명의 일 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 개시된 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 요지를 벗어남 없이 개시된 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능함을 물론이고 이러한 변형실시들은 개시된 발명으로부터 개별적으로 이해될 수 없다. In the above, one embodiment of the disclosed invention has been illustrated and described, but the disclosed invention is not limited to the specific embodiments described above, and those of ordinary skill in the art to which the disclosed invention belongs without departing from the gist of the claims Various modifications are possible, of course, and these modifications cannot be individually understood from the disclosed invention.

1: 모터 구동장치
2: 전원
3: 모터
10: 정류부
20: 평활부
30: 전력 변환부
40: 전류 감지부
50: 위치 감지부
60: 스위칭 신호 생성부
100: 제어부
1: Motor drive
2: Power
3: Motor
10: rectification unit
20: smooth part
30: power conversion unit
40: current sensing unit
50: position detection unit
60: switching signal generator
100: control unit

Claims (20)

전원장치로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부;
상기 직류전압과 상기 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부;
상기 평활부로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부; 및
상기 모터의 회전속도 및 토크부하에 따라 상기 구동전류의 위상이 변하도록 상기 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받고, 상기 변화값을 상기 모터의 토크부하와 곱셉 연산하는 모터 구동장치.
a rectifier for rectifying the AC voltage and AC current supplied from the power supply into DC voltage and DC current;
a smoothing unit for removing ripples included in the DC voltage and the DC current;
a power conversion unit receiving a direct current from the smoothing unit and converting it into an alternating current to provide a driving current to the motor; and
A control unit for controlling the power conversion unit to change the phase of the driving current according to the rotational speed and torque load of the motor,
The control unit receives a change value of the lead angle according to the torque load, and multiplies the change value by the torque load of the motor.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 토크부하 증가에 따른 상기 구동전류의 리드각 변화값에 기초하여, 상기 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 모터 구동장치.
The method of claim 1,
The controller is configured to control the phase of the driving current to change based on a change value of a lead angle of the driving current according to the increase in the torque load.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 모터의 릴럭턴스 토크로 인한 토크부하에 따라 상기 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 모터 구동장치.
The method of claim 1,
The controller is a motor driving device for controlling the phase of the driving current to change according to a torque load due to the reluctance torque of the motor.
삭제delete 제1항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 리드각 변화값은 모터의 종류에 따라 상이한 것인 모터 구동장치.
3. The method of claim 1 or 2,
The lead angle change value is different depending on the type of motor.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 모터의 회전속도에 따른 부하 및 상기 모터의 릴럭턴스 토크에 따른 토크부하에 기초하여 상기 전력변환부를 제어하는 모터 구동장치.
The method of claim 1,
The control unit is a motor driving device for controlling the power conversion unit based on a load according to the rotational speed of the motor and a torque load according to the reluctance torque of the motor.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 모터의 회전속도에 따라 지연되는 위상을 상기 구동전류의 위상과 덧셈 연산하는 모터 구동장치.
The method of claim 1,
The controller is a motor driving device for calculating the phase delayed according to the rotational speed of the motor by adding the phase of the driving current.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 구동전류의 위상이 상기 모터의 회전속도에 따라 지연되는 위상만큼 앞서도록 제어하는 모터 구동장치.
The method of claim 1,
The controller is a motor driving device for controlling the phase of the driving current to advance by a phase delayed according to the rotation speed of the motor.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 리드각을 입력 받아 상기 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 제 1 위상쉬프터, 및 모터의 토크부하 증가에 따른 리드각 변화값을 입력받아 상기 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 제 2 위상쉬프터를 포함하는 모터 구동장치.
The method of claim 1,
The control unit receives a lead angle and controls a first phase shifter to change the phase of the driving current, and a second phase shifter for controlling the phase of the driving current to change by receiving a lead angle change value according to an increase in torque load of the motor. A motor driving device including a phase shifter.
제 9 항에 있어서,
상기 제 2 위상쉬프터는 모터의 종류에 따라 상이한 리드각 변화값을 입력받는 모터 구동장치.
10. The method of claim 9,
The second phase shifter is a motor driving device that receives a different lead angle change value according to the type of the motor.
전원장치로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부;
상기 직류전압과 상기 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부;
상기 평활부로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부; 및
상기 모터의 릴럭턴스 토크에 따라 상기 구동전류의 위상이 변하도록 상기 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 상기 모터의 릴럭턴스 토크에 따른 리드각의 변화값을 입력받고, 상기 변화값을 모터의 토크부하와 곱셉 연산하는 모터 구동장치.
a rectifier for rectifying the AC voltage and AC current supplied from the power supply into DC voltage and DC current;
a smoothing unit for removing ripples included in the DC voltage and the DC current;
a power conversion unit receiving a direct current from the smoothing unit and converting it into an alternating current to provide a driving current to the motor; and
a control unit for controlling the power conversion unit to change the phase of the driving current according to the reluctance torque of the motor;
The control unit receives a change value of the lead angle according to the reluctance torque of the motor, and multiplies the change value by the torque load of the motor.
제 11 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 모터의 릴럭턴스 토크로 인한 토크부하에 대응하는 리드각을 상기 구동전류에 인가하도록 상기 전력변환부를 제어하는 모터 구동장치.
12. The method of claim 11,
The control unit controls the power conversion unit to apply a lead angle corresponding to a torque load due to the reluctance torque of the motor to the driving current.
삭제delete 제 11 항에 있어서,
상기 제어부는 추가적으로 상기 모터의 회전속도 증가에 따른 상기 구동 전류의 지연 정도에 따라 상기 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 모터 구동장치.
12. The method of claim 11,
The controller additionally controls a phase of the driving current to change according to a delay degree of the driving current according to an increase in the rotation speed of the motor.
제 11 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 모터의 회전속도에 따른 상기 구동전류의 지연 정도, 및 상기 릴럭턴스 토크로 인한 리드각 변화값에 기초하여 기준전류를 산출하는 위상제어부;
상기 구동전류와 상기 기준전류를 기초로 기준전압을 산출하는 전류제어부;
상기 기준전압을 기초로 상기 모터를 구동하기 위한 구동전압을 산출하고, 상기 구동전압을 펄스 폭 변조하여 상기 전력변환부를 제어하는 제어신호를 출력하는 출력신호 생성부를 포함하는 모터 구동장치.
12. The method of claim 11,
The control unit is
a phase control unit configured to calculate a reference current based on a delay degree of the driving current according to the rotation speed of the motor and a change value of a lead angle due to the reluctance torque;
a current control unit for calculating a reference voltage based on the driving current and the reference current;
and an output signal generator for calculating a driving voltage for driving the motor based on the reference voltage, and outputting a control signal for controlling the power converter by pulse width modulation of the driving voltage.
직류전류를 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부를 포함하는 모터 구동장치의 제어방법에 있어서,
상기 모터의 회전속도와 상기 구동전류를 검출하고;
상기 회전속도와 상기 구동전류를 기초로 상기 모터의 부하에 따라 상이한 위상을 갖는 기준전류를 생성하고;
상기 생성된 기준전류에 기초하여 상기 모터를 구동하는 것을 포함하고,
상기 기준전류를 생성하는 것은,
상기 모터의 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받고;
상기 변화값을 상기 모터의 토크부하와 곱셉 연산하여 기준전류를 생성하는 것인 모터 구동장치의 제어방법.
In the control method of a motor driving device comprising a power converter for converting a DC current into an AC current to provide a driving current to the motor,
detecting the rotation speed of the motor and the driving current;
generating a reference current having a different phase according to a load of the motor based on the rotation speed and the driving current;
Comprising driving the motor based on the generated reference current,
To generate the reference current,
receiving a change value of the lead angle according to the torque load of the motor;
A control method of a motor driving apparatus to generate a reference current by multiplying the change value with the torque load of the motor.
제 16 항에 있어서,
상기 기준전류를 생성하는 것은,
상기 회전속도에 따른 상기 구동전류의 위상 지연값을 상기 구동전류의 위상에 더하고;
상기 모터의 토크부하에 따른 상기 구동전류의 리드각 변화값에 기초하여 기준전류를 생성하는 것을 포함하는 모터 구동장치의 제어방법.
17. The method of claim 16,
To generate the reference current,
adding a phase delay value of the driving current according to the rotation speed to the phase of the driving current;
and generating a reference current based on a lead angle change value of the driving current according to the torque load of the motor.
삭제delete 제 16 항에 있어서,
상기 기준전류를 생성하는 것은,
상기 모터의 릴럭턴스 토크에 따라 상이한 위상을 갖는 기준전류를 생성하는 것인 모터 구동장치의 제어방법.
17. The method of claim 16,
To generate the reference current,
A method of controlling a motor driving apparatus to generate a reference current having different phases according to the reluctance torque of the motor.
제 16항에 있어서,
상기 부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받는 것은, 모터의 종류에 따라 상이한 리드각 변화값을 입력받는 것인 모터 구동장치의 제어방법.
17. The method of claim 16,
The receiving of the change value of the lead angle according to the load is a control method of a motor driving apparatus that receives a different lead angle change value according to the type of the motor.
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