KR102396562B1 - 모터 구동 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

모터 구동 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 모터 구동 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 직류 전원을 저장하는 dc 단 커패시터, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, dc 단 커패시터에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터, 인버터에서 출력되어, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부 및 인버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 제어부는, 제1 구간에서, 삼각파에 기초하여 복수의 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하고, 제2 구간에서, 톱니파에 기초하여 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다. 이에 따라, 모터의 회전 속도 및 회전자의 위치를 정확히 검출하기 어려운 저속 구간에서는 삼각파를 이용한 개루프(open loop) 제어를 통해 모터의 회전 속도를 상승시킴으로써, 인버터 및 모터에 대한 전류 제어 성능을 개선할 수 있고, 모터의 회전 속도가 빠른 고속 구간에서는 회전자의 위치와 톱니파를 이용한 폐루프(closed loop) 제어를 통해 모터의 동작을 제어함으로써, 인버터 및 모터에 대한 속도 제어 성능을 개선할 수 있다. 그 외에 다양한 실시예들이 가능하다.

Description

모터 구동 장치 및 그 제어 방법{MOTOR DRIVING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은, 모터 구동 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 인버터 효율을 증대할 수 있는 모터 구동 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
모터 구동 장치는, 회전 운동을 하는 회전자와 코일이 감긴 고정자를 구비하는 모터를 구동하기 위한 장치이다. 모터 구동 장치는, 홀 센서와 같은 센서를 이용한 센서 방식의 모터 구동 장치와 센서가 없는 센서리스(sensorless) 방식의 모터 구동 장치로 구분될 수 있다.
종래기술 1(한국 공개특허공보 제10-2014-0082747호)와 같은 일반적인 센서 방식의 모터 구동 장치의 경우, 홀 효과 센서를 통해 모터의 회전 속도나 모터의 회전자의 위치를 쉽게 확인할 수 있다.
이에 반해, 종래기술 2(한국 등록특허공보 제10-1635551호)와 같은 센서리스 방식의 모터 구동 장치는, 홀 효과 센서를 통해 모터의 회전 속도나 회전자의 위치를 확인할 수 없기 때문에, 인버터와 모터 사이에 흐르는 전류에 기초하여 모터에 흐르는 상 전류를 검출하고, 상 전류에 기초한 연산을 통해 모터의 회전 속도나 모터의 회전자의 위치를 검출한다.
이와 같이, 센서리스 방식의 모터 구동 장치의 경우, 인버터와 모터 사이에 흐르는 전류에 기초한 다양한 연산을 통해 모터의 동작을 제어하기 때문에, 센서 방식의 모터 구동 장치에 비해, 제어부의 연산량이 많고, 모터 동작의 제어가 상대적으로 어려운 점이 있다.
그럼에도 불구하고, 제조 비용 저감 등을 이유로, 최근에는 센서리스 방식의 모터 구동 장치가 많이 사용되고 있으며, 센서리스 방식의 모터 구동 장치에서의 인버터 효율을 향상시키고, 보다 안정적인 모터 구동을 위해 다양한 연구가 수행되고 있다.
본 발명의 목적은, 서로 구분되는 제어 구간에서 상이한 반송파에 기초하여 인버터의 동작을 제어함으로써, 인버터 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 장치 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 서로 구분되는 제어 구간 사이에 과도 구간을 둠으로써, 보다 안정적으로 모터를 구동할 수 있는 모터 구동 장치 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 모터 동작의 제어를 위한 구간을 구분하여, 제1 구간에서는 삼각파의 반송파에 기초하여 모터의 동작을 제어하고, 제2 구간에서는 톱니파의 반송파에 기초하여 모터의 동작을 제어할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 직류 전원을 저장하는 dc 단 커패시터, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, dc 단 커패시터에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터, 인버터에서 출력되어, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부 및 인버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 제어부는, 제1 구간에서, 삼각파에 기초하여 복수의 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하고, 제2 구간에서, 톱니파에 기초하여 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법은, 제어부가, 제1 구간에서, 삼각파에 기초하여 인버터에 구비된 복수의 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하여, 모터의 동작을 제어하는 제1 제어 동작과, 제어부가, 제2 구간에서, 톱니파에 기초하여 스위칭 제어 신호를 출력하여, 모터의 동작을 제어하는 제2 제어 동작을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 모터의 회전 속도 및 회전자의 위치를 정확히 검출하기 어려운 저속 구간에서는, 전류 검출 효율이 좋은 삼각파를 이용한 개루프(open loop) 제어를 통해 모터의 동작을 제어함으로써, 인버터 및 모터에 대한 전류 제어 성능을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 모터의 회전 속도가 빠른 고속 구간에서는, 삼각파에 비해 회전자의 위치를 고려한 인버터의 스위칭 동작의 제어를 보다 정확하게 수행할 수 있는 톱니파를 이용한 폐루프(closed loop) 제어를 통해 모터의 동작을 제어함으로써, 인버터 및 모터에 대한 속도 제어 성능을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 저속 구간에서는 삼각파를 이용하여 인버터 및 모터에 흐르는 전류를 보다 정확하고 효율적으로 모니터링할 수 있고, 과전류의 유입으로 인한 회로 소자들의 손상을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 고속 구간에서는 톱니파에 기초하여 인버터의 동작을 제어하는 경우, 삼각파에 비해, 회전자의 위치를 고려한 인버터의 스위칭 동작의 제어를 보다 정확하게 수행할 수 있어, 인버터에서 모터로 출력되는 출력 전류의 파형의 왜곡을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, dc 단 저항 소자의 양 단 전압에 기초하여 인버터 및 모터의 동작을 제어할 수 있어, 센서 방식의 모터 구동 장치나, 복수의 저항 소자를 구비하는 센서리스 방식의 모터 구동 장치에 비해 가격 경쟁력을 높일 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치의 내부 블록도의 일 예이다.
도 2a는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치의 내부 회로도의 일 예이고, 도 2b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 인버터 제어부의 내부 블록도의 일 예이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치의 내부 회로도의 일 예이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치의 제어 방법에 대한 순서도를 도시한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치의 동작 설명과 관련하여, 인버터의 스위칭 동작에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 6 및 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 설명과 관련하여, 반송파에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 8a 내지 8c는, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 구비하는 홈 어플라이언스의 일 예인 청소기를 예시하는 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치를 구비하는 다양한 홈 어플라이언스를 예시하는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
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.
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.
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.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각 구성요소의 두께나 크기, 그래프는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치의 내부 블록도의 일 예이다.
도 1을 참조하면, 모터 구동 장치(200)는, 예를 들면, 전원 공급부(210), 모터 구동부(220), 모터(230), 입력부(240), 출력부(250), 및/또는 제어부(260)를 포함할 수 있다.
전원 공급부(210)는, 예를 들면, 모터 구동 장치(200)에 전원을 공급할 수 있다.
전원 공급부(210)는, 예를 들면, 상용 교류 전원으로부터 입력된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 모터 구동 장치(200)의 전원으로 공급할 수 있다. 예를 들면, 전원 공급부(210)는, 컨버터(미도시)를 구비할 수 있고, 컨버터를 통해 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다.
전원 공급부(210)는, 예를 들면, 직류 전원을 저장하는 배터리(215)를 구비할 수 있다. 예를 들면, 전원 공급부(210)는, 배터리(215)에 저장된 직류 전원을 모터 구동 장치(200)의 전원으로 공급할 수 있다.
전원 공급부(210)는, 예를 들면, 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리(215)에 저장할 수 있다.
전원 공급부(210)는, dc 단 커패시터(미도시)를 더 구비할 수 있고, 컨버터를 통해 변환된 직류 전원 및/또는 배터리(215)로부터 공급되는 직류 전원을 dc 단 커패시터에 저장할 수 있다.
모터 구동부(220)는, 예를 들면, 모터(230)를 구동할 수 있다. 예를 들면, 모터 구동부(220)는, 전원 공급부(210)로부터 공급되는 전원에 기초하여 모터(230)를 구동할 수 있다.
모터 구동부(220)는, 예를 들면, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작을 통해, 직류 전원을 소정 주파수의 교류 전원으로 변환 및 출력하는 인버터(미도시)를 포함할 수 있고, 인버터로부터 출력되는 교류 전원을 모터(230)에 공급할 수 있다.
모터 구동부(220)는, 예를 들면, 모터 구동 장치(200)의 각 구성에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부(미도시) 및/또는 각 구성에 인가되는 전압을 검출하는 전압 검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
전류 검출부는, 예를 들면, 전류 검출을 위해, 전류센서, 변류기(current transformer; CT), 션트(shunt) 저항 등을 포함할 수 있고, 검출된 전류는 제어부(260)에 입력될 수 있다.
전압 검출부는, 예를 들면, 전압 검출을 위해, 저항 소자, 연산 증폭기(operational amplifier; op-amp) 등을 포함할 수 있고, 검출된 전압은 제어부(260)에 입력될 수 있다.
모터(230)는, 예를 들면, 모터 구동부(220)로부터 공급되는 전원에 따라 구동할 수 있다.
모터(230)는, 예를 들면, 모터 구동부(220)로부터 공급되는 소정 주파수의 교류 전원에 따라 구동될 수 있다. 예를 들면, 모터(230)의 동작은, 모터 구동부(220)로부터 공급되는 전원의 크기 및/또는 주파수에 따라 변경될 수 있다.
모터(230)는, 예를 들면, 표면 부착형 영구자석 모터(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기 모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 동기형 릴럭턴스 모터(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.
입력부(240)는, 예를 들면, 사용자 입력을 수신할 수 있는 입력 장치(예: 키, 터치 패널 등)을 구비할 수 있다. 예를 들면, 입력부(240)는, 홈 어플라이언스(100)의 전원의 온/오프를 위한 전원 키, 모터 구동 장치(200)의 동작 모드의 설정을 위한 동작 키 등을 포함할 수 있다.
입력부(240)는, 예를 들면, 입력장치를 통해, 사용자 입력을 수신할 수 있고, 수신된 사용자 입력에 대응하는 명령을 제어부(260)에 전송할 수 있다. 예를 들면, 제어부(260)는, 입력부(240)를 통해 입력된 사용자 입력에 기초하여, 모터 구동 장치(200)의 동작 모드를 결정할 수 있다.
출력부(250)는, 예를 들면, 디스플레이(미도시), 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED) 등의 표시 장치를 구비할 수 있다. 예를 들면, 출력부(250)는, 모터 구동 장치(200)의 전원의 온/오프 상태, 동작 모드에 따른 운전 상태, 에러 발생과 관련된 메시지 등을 표시할 수 있다.
출력부(250)는, 예를 들면, 스피커, 버저 등의 오디오 장치를 구비할 수도 있다. 예를 들면, 출력부(250)는, 모터 구동 장치(200)의 전원의 온/오프 상태에 따른 효과음, 동작 모드의 변경에 따른 효과음, 에러 발생에 대한 경고음 등을 출력할 수 있다.
제어부(260)는, 예를 들면, 모터 구동 장치(200)에 구비된 각 구성과 연결될 수 있다. 제어부(260)는, 예를 들면, 모터 구동 장치(200)에 각 구성과 상호 간에 신호를 송수신할 수 있고, 각 구성의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
제어부(260)는, 예를 들면, 컨버터의 동작을 제어하는 컨버터 제어부(미도시) 및/또는 인버터의 동작을 제어하는 인버터 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 컨버터 제어부 및 인버터 제어부는, 동일한 구성에 포함되거나 서로 분리된 구성에 각각 포함될 수 있다
제어부(260)는, 예를 들면, 모터 구동부(220)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(260)는, 모터 구동부(220)에 포함된 인버터의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다. 여기서, 스위칭 제어 신호는, 예를 들면, 소정 듀티 비(duty cycle)와 주파수를 가지는 펄스폭 변조 방식(pulse width modulation; PWM)의 제어 신호일 수 있다.
제어부(260)는, 예를 들면, 모터(230)에 흐르는 교류 전원의 주파수가 변경되도록, 모터 구동부(220)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(260)는, 모터 구동부(220)로부터 출력되는 교류 전원의 주파수가 변경되도록 제어하여, 모터(230)의 회전 속도를 변경할 수 있다.
제어부(260)는, 예를 들면, 모터(230)에 흐르는 교류 전원의 전류 크기가 변경되도록, 모터 구동부(220)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(260)는, 모터 구동부(220)로부터 출력되는 교류 전원의 전류 크기가 변경되도록 제어하여, 모터(230)의 토크를 변경할 수 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 모터 구동 장치(200)는, 모터(230) 내부 또는 외부에 모터(230)의 회전자 위치를 감지하기 위한 홀 센서와 같은 구성을 구비하지 않는, 센서리스 방식에 의해 모터(230)의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(260)는, 예를 들면, 모터(230)에 흐르는 전류를 산출할 수 있다. 예를 들면, 제어부(260)는, 전류 검출부를 통해, 모터(230)에 흐르는 전류를 산출할 수 있다.
제어부(260)는, 예를 들면, 모터(230)에 흐르는 상 전류를 산출할 수 있다. 이때, 모터(230)가 삼상 모터인 경우, 모터(230)에 흐르는 삼상 전류를 산출할 수 있다.
제어부(260)는, 예를 들면, 모터(230)의 회전 속도를 산출할 수 있다. 예를 들면, 제어부(260)는, 모터(230)에 흐르는 상 전류에 기초하여, 모터(230)의 회전 속도를 산출할 수 있다.
제어부(260)는, 예를 들면, 모터(230)의 회전자의 위치를 산출할 수 있다. 예를 들면, 제어부(260)는, 모터(230)에 흐르는 상 전류에 기초하여, 모터(230)의 회전자의 위치를 산출할 수 있다.
도 2a는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치의 내부 회로도의 일 예이고, 도 2b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 인버터 제어부의 내부 블록도의 일 예이다.
도 2a를 참조하면, 모터 구동 장치(200)는, 예를 들면, 컨버터(410), dc 단 커패시터(C), 인버터(420), 모터(230), 및/또는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
모터 구동 장치(200)는, 예를 들면, 입력 전류 검출부(A), dc 단 전압 검출부(B), 및/또는 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
컨버터(410)는, 예를 들면, 입력 교류 전원(405)을 직류 전원으로 정류하여 출력할 수 있다. 이때, 입력 교류 전원은, 예를 들면, 단상 교류 전원 또는 3상 교류 전원일 수 있다.
컨버터(410)는, 예를 들면, 브릿지 다이오드를 구비할 수 있다. 예를 들면, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 다이오드 소자 및 하암 다이오드 소자가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍 또는 세 쌍의 상, 하암 다이오드 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.
한편, 컨버터(410)는, 예를 들면, 2개의 스위칭 소자 및 4개의 다이오드가 연결된 하프 브릿지형의 컨버터가 사용될 수도 있고, 삼상 교류 전원의 경우, 6개의 스위칭 소자 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다.
dc 단 커패시터(C)는, 예를 들면, 컨버터(410)의 출력단에 접속될 수 있다.
dc 단 커패시터(C)는, 컨버터(410)로부터 공급되는 직류 전원을 평활하여 저장할 수 있다. 도면에서는, dc 단 커패시터(C)로 하나의 소자를 시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 복수개의 소자가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
인버터(420)는, 예를 들면, dc 단 커패시터(C)의 양 단인 dc 단에 접속하며, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터(230)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 예를 들면, 복수의 스위칭 소자(Sa, S'a, Sb, S'b, Sc, S'c)를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 모터(230)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 예를 들면, 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 연결될 수 있다. 각 스위칭 소자(Sa, S'a, Sb, S'b, Sc, S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
인버터(420)의 스위칭 소자들(Sa, S'a, Sb, S'b, Sc, S'c)은, 예를 들면, 인버터 제어부(430)로부터 출력되는 스위칭 제어 신호(Sic)에 기초하여, 온/오프 동작을 수행할 수 있다.
입력전류 검출부(A)는, 예를 들면, 입력 교류 전원(405)로부터의 입력전류(is)를 검출할 수 있다. 입력전류 검출부(A)는, 예를 들면, 컨버터(410)의 전단에 접속될 수 있다. 검출된 입력전류(is)는, 예를 들면, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는, 예를 들면, 직류 전원이 공급되는 dc 단의 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 검출된 dc 단 전압(Vdc)은, 예를 들면, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
출력 전류 검출부(E)는, 예를 들면, 모터(230)에 흐르는 출력 전류(io)를 검출할 수 있다. 출력 전류 검출부(E)는, 예를 들면, 모터(230)에 흐르는 전류를 검출하기 위해, 인버터(420)와 모터(230) 사이에 배치될 수 있다.
출력 전류 검출부(E)는, 예를 들면, 3개의 저항 소자를 통해, 모터(230)에 흐르는 각 상의 출력 전류(io)인 상 전류(phase current)를 검출할 수 있다. 검출된 출력 전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력 전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성될 수 있다.
한편, 출력 전류 검출부(E)는, 예를 들면, 2개의 저항 소자를 구비할 수도 있다. 이때, 나머지 한 상의 상 전류는, 3상 평형을 이용하여, 연산될 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 스위칭 제어 신호(Sic)를 인버터(420)에 출력할 수 있다. 제어 신호(Sic)의 출력과 관련하여 도 2b를 참조하여 설명하도록 한다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치(200)의 인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 축변환부(310), 속도 연산부(320), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 반송파 출력부(355) 및/또는 스위칭 제어 신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
축변환부(310)는, 예를 들면, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia, ib, ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)로 변환할 수 있다.
한편, 축변환부(310)는, 예를 들면, 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)를 회전 좌표계의 2상 전류(id, iq)로 변환할 수 있다.
속도 연산부(320)는, 축변환부(310)에서 축변환된 회전좌표계의 2상 전류(id, iq)에 기초하여, 모터(250)의 회전자 위치(
Figure 112019067694837-pat00001
)를 추정할 수 있다.
속도 연산부(320)는, 예를 들면, 회전자 위치(
Figure 112019067694837-pat00002
)에 기초하여, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00003
)를 추정할 수 있다.
속도 연산부(320)는, 예를 들면, 연산된 위치(
Figure 112019067694837-pat00004
)와 연산된 속도(
Figure 112019067694837-pat00005
)를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 예를 들면, 연산 속도(
Figure 112019067694837-pat00006
)와 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure 112019067694837-pat00007
)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 도시하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성할 수도 있다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 예를 들면, 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, 예를 들면, 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 생성할 수 있다.
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, 예를 들면, 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, d 축 전압 지령치(v* d)의 값은, 예를 들면, d 축 전류 지령치(i* d)의 값이 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(340)는, 예를 들면, d 축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)는, 예를 들면, 축변환부(350)에 입력될 수 있다.
축변환부(350)는, 예를 들면, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure 112019067694837-pat00008
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)를 입력받아, 축변환을 수행할 수 있다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure 112019067694837-pat00009
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행할 수 있다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(350)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)를 출력할 수 있다.
반송파 출력부(355)는, 예를 들면, 다양한 반송파(carrier signal)를 생성하여 출력할 수 있다. 예를 들면, 반송파 출력부(355)는, 스위칭 제어 신호 출력부(360)에 반송파(Sc)를 출력할 수 있다. 여기서, 반송파는, 예를 들면, 스위칭 제어 신호(Sic)의 생성을 위한 일종의 참조 신호로서, 소정 주파수를 가지고, 주기마다 같은 파형이 반복되는 신호를 의미할 수 있다.반송파 출력부(355)는, 예를 들면, 삼각파(triangle carrier) 및/또는 톱니파(sawtooth carrier)를 출력할 수 있다.
여기서, 삼각파는, 예를 들면, 삼각형의 파형이 주기적으로 반복되는 반송파를 의미할 수 있고, 본 발명에서는 주기적으로 반복되는 삼각형의 두 변에 해당하는 상향 빗변과 하향 빗변의 기울기 크기가 서로 같은 반송파를 의미할 수 있다. 한편, 톱니파는, 예를 들면, 주기적으로 파형이 일정하게 증가하다가 급격하게 감소하는 반송파를 의미할 수 있고, 본 발명에서는 주기적으로 반복되는 삼각형의 두 변에 해당하는 상향 빗변과 하향 빗변의 기울기 크기가 서로 다른 반송파를 의미할 수 있다.
반송파 출력부(355)는, 예를 들면, 인버터(420)의 동작 제어와 관련된 제어 구간에 따라 반송파를 출력할 수 있다. 여기서, 인버터(420)의 동작 제어와 관련된 제어 구간은, 예를 들면, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00010
)가 소정 기준 속도 미만인 저속 구간, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00011
)가 소정 기준 속도 이상인 고속 구간, 및 저속 구간과 고속 구간 사이의 구간인 과도 구간으로 구분될 수 있다.
여기서, 제어 구간의 구분과 관련된 기준 속도는, 센서리스 방식에 따른 모터(230)의 회전자 위치(
Figure 112019067694837-pat00012
) 추정의 오차에 따라 결정될 수 있다. 센서리스 방식에 따라 모터(230)의 회전자 위치(
Figure 112019067694837-pat00013
)를 추정하는 경우, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00014
)가 소정 속도 미만인 구간에서는 오차가 증가하고, 소정 속도 이상인 구간에서는 오차가 증가하지 않는 경향이 있으며, 오차 증가와 관련된 소정 속도는 모터(230)의 종류, 역기전력과 같은 특성 등에 따라 달라질 수 있다.
따라서, 제어 구간의 구분과 관련된 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00015
)에 대한 기준 속도는, 모터 구동 장치(200)에 의해 구동하는 모터(230)에 따라 상이할 수 있다. 예를 들면, 특정 모터의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00016
)가 0 내지 100 rpm(revolutions per minute)인 구간에서 회전자 위치(
Figure 112019067694837-pat00017
) 추정의 오차가 증가하고, 100 rpm 이상 구간에서 오차가 증가하지 않는 경우, 특정 모터의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00018
)에 대한 소정 기준 속도는 100 rpm일 수 있고, 0 내지 100 rpm 구간은 저속 구간, 100 rpm 이상 구간은 고속 구간으로 구분될 수 있다..
예를 들면, 반송파 출력부(355)는, 저속 구간에서 삼각파를 출력할 수 있고, 고속 구간에서 톱니파를 출력할 수 있다.
예를 들면, 반송파 출력부(355)는, 저속 구간과 고속 구간 사이의 과도 구간에서 제1 주기의 톱니파를 출력할 수 있고, 고속 구간에서 제2 주기의 톱니파를 출력할 수 있다.
전압 지령 생성부(340)는, 예를 들면, 반송파 출력부(355)로부터 출력되는 반송파(Sc)에 기초하여 d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)를 가변할 수 있다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 예를 들면, 반송파 출력부(355)에서 출력되는 반송파(Sc) 및 3상 출력 전압 지령치(v*a, v*b, v*c)에 기초하여 펄스폭 변조 방식에 따른 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.
예를 들면, 스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 반송파 출력부(355)에서 출력되는 반송파(Sc)와 3상 출력 전압 지령치(v*a, v*b, v*c)를 비교하여 듀티를 생성할 수 있고, 생성된 듀티에 기초하여 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.
스위칭 제어 신호(Sic)는, 예를 들면, 게이트 구동부(미도시)에서 인버터 스위칭 신호(Si)로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 예를 들면, 인버터 스위칭 신호(Si)에 의해서 인버터(420)에 구비된 각 스위칭 소자들(Sa, S'a, Sb, S'b, Sc, S'c)이 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 인버터(420)에 대한 제어 구간을 결정할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00019
)에 기초하여, 인버터(420)에 대한 제어 구간을 결정할 수 있다.
예를 들면, 인버터 제어부(430)는, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00020
)가 소정 기준 속도 미만인 구간을 저속 구간으로 결정할 수 있고, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00021
)가 소정 기준 속도 이상인 구간을 고속 구간으로 결정할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 저속 구간과 고속 구간 사이의 과도 구간을 결정할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 저속 구간에서, 삼각파에 기초하여 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다. 예를 들면, 인버터 제어부(430)는, 저속 구간에서, 속도 지령치(ω* r) 및 삼각파에 기초하여, 모터(230)의 회전 속도가 지속적으로 증가하도록, 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 저속 구간에서, 인버터(420)의 스위칭 동작을 개루프(open loop) 제어할 수 있다. 여기서, 개루프 제어는, 예를 들면, 제어 시스템의 출력에 대한 피드백(feedback)이 없어, 출력이 제어 입력에 영향을 주지 않는 제어 방식을 의미할 수 있다.
예를 들면, 인버터 제어부(430)는, 저속 구간에서, 출력 전류(io)에 대한 피드백 없이, 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 모터(230)의 회전 속도가 지속적으로 증가하도록, 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 고속 구간에서, 톱니파에 기초하여 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다. 예를 들면, 인버터 제어부(430)는, 고속 구간에서, 속도 지령치(ω* r) 및 톱니파에 기초하여, 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 고속 구간에서, 인버터(420)의 스위칭 동작을 폐루프(closed loop) 제어할 수 있다. 여기서 폐루프 제어는, 예를 들면, 제어 시스템의 출력 중 적어도 일부를 피드백 하여 기준 신호와 비교함으로써, 출력을 조정하는 제어 방식을 의미할 수 있다.
예를 들면, 인버터 제어부(430)는, 고속 구간에서, 출력 전류(io)에 대한 피드백 및 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.
이때, 출력 전류(io)에 대한 피드백은, 예를 들면, 회전자의 위치(
Figure 112019067694837-pat00022
), 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00023
) 등을 포함할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00024
)와 소정 기준 속도를 비교할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00025
)가 소정 기준 이상인 경우, 인버터(420)에 대한 제어 구간에 대하여, 저속 구간에서 고속 구간으로의 전환을 결정할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 저속 구간에서 고속 구간으로의 전환이 결정된 경우, 저속 구간과 고속 구간 사이의 과도 구간을 결정할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 삼각파의 주기 및 회전자의 회전 주기에 기초하여, 과도 구간을 결정할 수 있다.
예를 들면, 인버터 제어부(430)는, 삼각파의 주기의 시작 시점과, 회전자의 회전 주기의 시작 시점 간의 시간 차이를 연산할 수 있고, 연산된 시간 차이로부터 삼각파 출력의 잔여 시간을 연산할 수 있다.
이때, 인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 회전자의 회전 주기에서 삼각파 출력의 잔여 시간을 뺀 시간 중 적어도 일부를 과도 구간으로 결정할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 과도 구간에서, 고속 구간에서의 톱니파와 상이한 톱니파에 기초하여, 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다. 예를 들면, 인버터 제어부(430)는, 과도 구간에서는 제1 주기의 톱니파에 기초하여 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있고, 고속 구간에서는 제2 주기의 톱니파에 기초하여 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.
이때, 과도 구간에서의 톱니파의 주기인 제1 주기는, 예를 들면, 과도 구간에서의 톱니파의 주기인 제2 주기 보다 짧을 수 있다.
한편, 회전자의 회전 주기는, 예를 들면, 고속 구간에서의 제2 주기의 배수일 수 있다. 예를 들면, 고속 구간에서 회전자가 1회전하는 동안, 인버터 제어부(430)는 6회 반복되는 제2 주기의 톱니파에 기초하여 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이때, 회전자의 회전 주기는 제2 주기의 여섯 배에 해당할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 모터(230)에 흐르는 출력 전류(io)에 기초하여, 인버터(420) 및 모터(230)에 과전류가 흐르는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들면, 인버터 제어부(430)는, 저속 구간에서, 삼각파의 주기에 대응하여 인버터(420) 및 모터(230)에 과전류가 흐르는지 여부를 판단할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치의 내부 회로도의 일 예이다. 도 2a 및 2b에서 설명한 내용과 중복되는 내용에 대해서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
도 3을 참조하면, 모터 구동 장치(200)는, 1개의 저항 소자를 통해 모터(230)에 흐르는 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(E)를 포함할 수 있다.
출력 전류 검출부(E)는, 예를 들면, dc 단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치되는 dc 단 저항 소자(Rdc)를 구비할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, 출력 전류 검출부(E)를 통해 검출된 dc 단 저항 소자(Rdc)에 흐르는 전류(io)에 기초하여, 모터(230)에 흐르는 상 전류(phase current)를 산출할 수 있다. 예를 들면, 인버터 제어부(430)는, dc 단 저항 소자(Rdc)에 흐르는 전류(io)에 기초하여, 모터(230)에 흐르는 각 상에 흐르는 삼상 전류를 산출할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 예를 들면, dc 단 저항 소자(Rdc)에 흐르는 전류(io)에 기초하여 산출된 삼상 출력 전류(ia, ib, ic)에 기초하여, 회전자 위치(
Figure 112019067694837-pat00026
), 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00027
) 등을 산출할 수 있다.
또한, 인버터 제어부(430)는, 예를 들면, dc 단 저항 소자(Rdc)에 흐르는 전류(io)에 기초하여 산출된 회전자 위치(
Figure 112019067694837-pat00028
), 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00029
) 등에 기초하여 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 1개의 dc 단 저항 소자(Rdc)를 이용하여 모터(230)에 흐르는 각 상의 상 전류, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00030
), 회전자의 위치(
Figure 112019067694837-pat00031
) 등을 산출하여 모터(230)의 동작을 제어하므로, 일반적인 센서 방식의 모터 구동 장치나, 복수의 저항 소자를 구비하는 센서리스 방식의 모터 구동 장치에 비해 제조 비용 및 부피가 감소하는 등 많은 장점이 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치의 동작 설명과 관련하여, 인버터의 스위칭 동작에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 4를 참조하면, 모터 구동 장치(200)는, S401 동작에서, 삼각파에 기초하여 모터(230)의 동작을 제어할 수 있다.
모터 구동 장치(200)는, 예를 들면, 저속 구간에서 삼각파에 기초하여, 모터(230)의 회전 속도가 지속적으로 증가하도록, 스위칭 제어 신호(Sic)를 인버터(420)에 출력할 수 있다.
모터 구동 장치(200)는, 예를 들면, 저속 구간에서, 인버터(420)의 스위칭 동작을 개루프(open loop) 제어할 수 있다.
한편, 모터 구동 장치(200)는, 예를 들면, 저속 구간에서, 모터(230)에 흐르는 전류에 기초하여 회전자의 위치(
Figure 112019067694837-pat00032
), 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00033
) 등을 산출할 수 있다.
모터 구동 장치(200)는, S402 동작에서, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00034
)가 소정 기준 속도 이상인지 여부를 판단할 수 있다.
모터 구동 장치(200)는, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00035
)가 소정 기준 속도 미만인 경우, S401 동작으로 분기하여, 삼각파에 기초하여 모터(230)의 동작을 제어할 수 있다.
한편, 모터 구동 장치(200)는, S403 동작에서, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00036
)가 소정 기준 속도 이상인 경우, 인버터(420)에 대한 제어 구간에 대하여, 저속 구간에서 고속 구간으로의 전환을 결정할 수 있고, 고속 구간에서 회전자의 위치 및 톱니파에 기초하여 모터(230)의 동작을 제어할 수 있다.
모터 구동 장치(200)는, 예를 들면, 고속 구간에서, 인버터(420)의 스위칭 동작을 폐루프(closed loop) 제어할 수 있다.
한편, 모터 구동 장치(200)는, 예를 들면, 저속 구간에서 고속 구간으로의 전환이 결정된 경우, 저속 구간과 고속 구간 사이의 과도 구간을 결정할 수 있다.
모터 구동 장치(200)는, 예를 들면, 과도 구간에서, 고속 구간에서의 톱니파와 상이한 톱니파에 기초하여, 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.
이때, 과도 구간에서의 톱니파의 주기인 제1 주기는, 예를 들면, 고속 구간에서의 톱니파의 주기인 제2 주기 보다 짧을 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치의 동작 설명과 관련하여, 인버터의 스위칭 동작에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 5의 (a)는 반송파(Sc)를 예시하고, (b)는 인버터(420)에 구비된 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)의 스위칭 동작을 예시하고, (c)는 회전자의 회전 주기를 예시한다. 한편, 도 7의 (c)의 HA, HB, 및 HC는, 회전자 위치(
Figure 112019067694837-pat00037
)에 대응하여 산출된 회전자의 회전 주기를 의미할 수 있다.
도 5를 참조하면, 저속 구간(Sec1)에서는, 삼각파에 기초하여 스위칭 제어 신호(Sic)가 출력되고, 이에 대응하여 인버터(420)에 구비된 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)가 각각 스위칭 동작을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
이때, 인버터(420)에 구비된 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)의 스위칭 동작은, 회전자의 회전 주기와 무관하게 수행되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 고속 구간(Sec2)에서는, 톱니파에 기초하여 스위칭 제어 신호(Sic)가 출력되고, 이에 대응하여 인버터(420)에 구비된 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)가 각각 스위칭 동작을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
이때, 톱니파의 주기는 회전자의 회전 주기에 대응되며, 인버터(420)에 구비된 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)의 스위칭 동작 역시 회전자의 회전 주기에 대응하여 수행되는 것을 확인할 수 있다.
도 5의 경우, 회전자의 회전 주기가 톱니파의 주기의 6배에 해당하며, 회전자가 1회전하는 동안 인버터(420)에 구비된 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)가 각각 3회씩 턴-온 동작을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
도 6 및 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 설명과 관련하여, 과도 구간 및 반송파에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 6및 7의 (a)는 반송파(Sc)를 예시하고, (b)는 3상 중 어느 하나와 관련된 회전자의 회전 주기를 예시한다.
도 6을 참조하면, 저속 구간(Sec1)에서는 삼각파에 기초하여 모터(230)의 동작이 제어되며, 삼각파의 주기는 회전자의 회전 주기와 무관한 것을 확인할 수 있다.
한편, 고속 구간(Sec2)에서는 톱니파에 기초하여 모터(230)의 동작이 제어되며, 고속 구간(Sec2)에서의 톱니파의 주기(T2)는 회전자의 회전 주기(2Tr)에 대응되는 것을 확인할 수 있다. 도 6의 (a)의 경우, 고속 구간(Sec2)에서 회전자가 1회전하는 동안 톱니파는 6회 반복되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 저속 구간(Sec1)과 고속 구간(Sec2) 사이의 과도 구간(Sec3)은, 삼각파의 주기 및 회전자의 회전 주기에 기초하여 결정될 수 있다.
예를 들면, 모터(230)의 회전 속도(
Figure 112019067694837-pat00038
)가 소정 기준 속도 이상인 경우, 인버터(420)의 동작 제어와 관련된 제어 구간에 대하여, 저속 구간에서 고속 구간으로의 전환이 결정될 수 있다.
한편, 제어 구간의 전환이 결정된 시점(t0) 이후 회전자의 회전 주기가 시작되는 경우, 삼각파 주기의 과거 시작 시점들 중, 회전자의 회전 주기의 시작 시점(t2)과 가장 가까운 시점(t1)이 결정될 수 있고, 회전 주기의 시작 시점(t2)과 삼각파 주기의 시작 시점(t1, t2) 간의 시간 차이(t2-t1)가 산출될 수 있다.
또한, 삼각파의 주파수 및 주기가 기 설정되어 있으므로, 산출된 시간 차이(t2-t1)로부터 삼각파 출력의 잔여 시간(t3-t2)이 연산될 수 있다.
이때, 산출된 시간 차이(t2-t1)가 삼각파 주기의 반주기 미만인 경우, 삼각파는 해당 삼각파 주기의 절반에 해당하는 시점까지 출력될 수 있고, 산출된 시간 차이(t2-t1)가 삼각파 주기의 반주기 이상인 경우, 삼각파는 해당 삼각파 주기가 종료되는 시점까지 출력될 수 있다.
또한, 회전자의 회전 주기의 반주기(Tr)에서 삼각파 출력의 잔여 시간(t3-t2)을 뺀 시간 중, 고속 구간(Sec2)에서의 톱니파의 주기(T2)의 배수를 제외한 나머지 시간(T1)이 과도 구간(Sec3)으로 결정될 수 있다.
한편, 과도 구간(Sec3)에서의 톱니파의 주기(T1)는, 과도 구간(Sec3)의 시간에 대응될 수 있다.
도 7을 참조하면, 저속 구간(Sec1)에서 고속 구간(Sec2)으로 전환되는 과도 구간에서, 제1 주기(T1)의 톱니파가 2회 반복되고, 이후 제2 주기(T2)의 톱니파가 반복되는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 모터(230)의 회전 속도 및 회전자의 위치를 정확히 검출하기 어려운 저속 구간(Sec1)에서는 삼각파를 이용한 개루프(open loop) 제어를 통해 모터(230)의 회전 속도를 상승시킴으로써, 인버터(420) 및 모터(230)에 대한 전류 제어 성능을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 모터(230)의 회전 속도가 빠른 고속 구간(Sec2)에서는 회전자의 위치와 톱니파를 이용한 폐루프(closed loop) 제어를 통해 모터(230)의 동작을 제어함으로써, 인버터(420) 및 모터(230)에 대한 속도 제어 성능을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 저속 구간(Sec1)에서는 전류 검출 효율이 좋은 삼각파에 기초하여 인버터(420)의 동작을 제어함으로써, 인버터(420) 및 모터(230)에 흐르는 전류를 보다 정확하고 효율적으로 모니터링할 수 있고, 과전류의 유입으로 인한 회로 소자들의 손상을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 고속 구간(Sec2)에서는 톱니파에 기초하여 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어함으로써, 삼각파에 비해 회전자의 위치를 고려한 인버터(420)의 스위칭 동작의 제어를 보다 정확하게 수행할 수 있어, 인버터(420)에서 모터(230)로 출력되는 출력 전류(io)의 파형의 왜곡을 줄일 수 있다.
도 8a 내지 8c는, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 구비하는 홈 어플라이언스의 일 예인 청소기를 예시하는 도면이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 홈 어플라이언스의 일 예인 청소기의 측면 입면도이고, 도 8b는 도 8a에서 노즐 모듈을 탈거시킨 청소기의 사시도이며, 도 8c은 도 8b의 청소기의 측면도이다.
도 8a 내지 도 8c을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 홈 어플라이언스(100)의 일 예인 청소기(100a)는, 예를 들면, 흡입된 공기가 외부로 배출되도록 안내하는 유로(P)를 형성하는 메인 바디(10), 메인 바디(10)의 후측에 결합된 핸들(30), 메인 바디(10)의 흡입부(9)에 탈착 가능하게 연결되는 노즐 모듈(70), 전원을 공급하는 배터리(Bt)(예: 도 1의 배터리(215)), 배터리(Bt)가 수용되는 배터리 하우징(40), 및/또는 유로(P) 상에 배치되어 유로 내의 공기를 이동시키는 팬 모듈(50)을 구비할 수 있다.
노즐 모듈(70)은, 예를 들면, 외부의 공기를 흡입하도록 구비된 노즐부(71)와, 노즐부(71)에서 길게 연장되는 연장관(73)을 포함할 수 있다.
연장관(73)은, 예를 들면, 노즐부(71)와 흡입부(9)를 연결할 수 있다. 연장관(73)은, 예를 들면, 노즐부(71)에서 흡입된 공기가 흡입 유로(P) 내로 유입되도록 안내할 수 있다. 연장관(73)의 일측 단부는, 예를 들면, 메인 바디(10)의 흡입부(9)에 탈착 가능하게 결합될 수 있다. 사용자는 노즐부(71)를 바닥에 놓은 상태에서 핸들(30)을 잡고 노즐부(71)를 이동시키면서 청소할 수 있다.
메인 바디(10)는, 예를 들면, 배기구(8a)를 형성하는 배출 커버(12), 분리된 먼지를 저장하기 위한 먼지 수집부(13), 및/또는 내부에 팬 모듈(50)을 수용하는 팬 모듈 하우징(14)을 포함할 수 있다.
배출 커버(12)는, 예를 들면, 메인 바디(10)의 상측 표면을 형성할 수 있고, 팬 모듈 하우징(14)의 상측부를 덮어줄 수 있다.
먼지 수집부(13)는, 예를 들면, 원통 형상으로 형성될 수 있다. 먼지 수집부(13)는, 예를 들면, 팬 모듈 하우징(14)의 하측에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 먼지 수집부(13)의 내부에 먼지의 저장 공간이 형성될 수 있다.
팬 모듈 하우징(14)은, 예를 들면, 먼지 수집부(13)에서 상측으로 연장되어 형성될 수 있다. 팬 모듈 하우징(14)은, 예를 들면, 원통형으로 형성될 수 있다. 팬 모듈 하우징(14)의 후측에 핸들(30)의 연장부(31)가 배치될 수 있다.
팬 모듈 하우징(14) 내에, 팬 모듈(50)이 배치될 수 있다.
팬 모듈(50)은, 예를 들면, 임펠러(51)를 회전시키는 흡입 모터(230)를 포함할 수 있다. 흡입 모터(230)는, 예를 들면, 먼지 분리부(20)의 상방에 위치할 수 있다.
임펠러(51)는, 예를 들면, 흡입 모터(230)의 하측에 배치될 수 있다. 임펠러(51)는, 예를 들면, 흡입 모터(230)와 결합하여, 흡입 모터(230)의 회전력에 의해 회전할 수 있다.
한편, 임펠러(51)는, 예를 들면, 유로(P) 내의 공기가 배기구(8a)를 통해 배출되도록, 회전에 의해 공기를 가압할 수 있다.
한편, 청소기(100a)는, 예를 들면, 흡입 모터(230)의 제어를 위한 모터 구동 장치(200)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 모터 구동 장치(200)의 모터 구동부(220)는, 흡입 모터(230)와 먼지 수집부(13)의 사이에 배치될 수 있다. 한편, 모터 구동부(220)는, 예를 들면, PCB 회로 기판 상에 배치되는 회로 소자를 구비할 수 있다.
핸들(30)은, 예를 들면, 상하 방향으로 연장되며 추가 연장부(32)를 포함할 수 있다. 추가 연장부(32)는, 예를 들면, 메인 바디(10)와 전후 방향으로 이격될 수 있다. 사용자는 추가 연장부(32)를 쥐고 청소기(100a)를 이용할 수 있다. 추가 연장부(32)의 상단은, 예를 들면, 연장부(31)의 후단에 연결될 수 있다. 추가 연장부(32)의 하단은, 예를 들면, 배터리 하우징(40)에 연결된다.
추가 연장부(32)에는, 예를 들면, 사용자가 추가 연장부(32)를 잡은 상태에서 손이 추가 연장부(32)의 길이 방향(상하 방향)으로 이동되는 것을 방지하기 위한 이동 제한부(32a)가 구비될 수 있다. 이동 제한부(32a)는, 예를 들면, 추가 연장부(32)에서 전방을 향하여 돌출될 수 있다.
이동 제한부(32a)는, 예를 들면, 연장부(31)와 상하로 이격되어 배치될 수 있다. 사용자는 추가 연장부(32)를 쥔 상태에서, 사용자의 쥔 손의 일부 손가락은 이동 제한부(32a)의 상방에 위치되고, 나머지 손가락은 이동 제한부(32a)의 하방에 위치될 수 있다.
핸들(30)은, 예를 들면, 상측과 후방의 사이 방향을 바라보는 경사면(33)을 포함할 수 있다. 경사면(33)은, 예를 들면, 연장부(31)의 후면을 위치할 수 있다. 입력부(3)는, 예를 들면, 경사면(33)에 배치될 수 있다.
배터리(Bt)는, 예를 들면, 팬 모듈(50)로 전원을 공급할 수 있다. 배터리(Bt)는, 예를 들면, 소음 제어 모듈로 전원을 공급할 수 있다. 배터리(Bt)는, 예를 들면, 배터리 하우징(40)의 내부에 분리 가능하게 배치될 수 있다.
배터리 하우징(40)은, 예를 들면, 메인 바디(10)의 후측에 결합될 수 있다. 배터리 하우징(40)은, 예를 들면, 핸들(30)의 하측에 배치될 수 있다. 배터리(Bt)는, 예를 들면, 배터리 하우징(40)의 내부에 수용될 수 있다. 배터리 하우징(40)에는, 예를 들면, 배터리(Bt)에서 발생하는 열을 외부로 배출시키기 위한 방열홀이 형성될 수 있다.
한편, 배기구(8a)는, 예를 들면, 특정 방향(예를 들어, 상측 방향)을 바라보게 배치될 수 있다. 복수 개의 배기구(8a)는, 예를 들면, 복수의 배기 가이드(12a)에 의해, 원주 방향으로 서로 분할될 수 있다. 복수 개의 배기구(8a)는, 예를 들면, 원주 방향을 따라 서로 일정 간격 이격되어 배열될 수 있다.
도 9은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모터 구동 장치를 구비하는 다양한 홈 어플라이언스를 예시하는 도면이다.
도 9을 참조하면, 도 9의 (a)는 압축기 모터(미도시)가 모터 구동 장치(200)에 의해 구동될 수 있는 냉장고(100b)를 예시하며, 도 9의 (b)는, 세탁조를 회전시키기 위한 모터(미도시)가 모터 구동 장치(200)에 의해 구동될 수 있는 세탁물 처리기기(세탁기 또는 건조기)(100c)를 예시하며, 도 9의 (c)는, 압축기 모터(미도시)가 모터 구동 장치(300)에 의해 구동될 수 있는 공기조화기(100d)를 예시한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 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.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나, 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 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 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
200: 모터 구동 장치
210: 전원 공급부
215: 배터리
220: 모터 구동부
230: 모터
240: 입력부
250: 출력부
260: 제어부

Claims (20)

  1. 직류 전원을 저장하는 dc 단 커패시터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하고, 상기 dc 단 커패시터에 저장된 상기 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터;
    상기 인버터에서 출력되어, 상기 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부; 및
    상기 인버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 모터의 회전 속도가 소정 기준 속도 미만인 제1 구간에서, 삼각파에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하고,
    상기 모터의 회전 속도가 상기 소정 기준 속도 이상인 제2 구간에서, 톱니파에 기초하여 상기 스위칭 제어 신호를 출력하고,
    상기 삼각파의 주기 및 회전자의 회전 주기에 기초하여, 상기 제1 구간과 상기 제2 구간 사이의 제3 구간을 산출하고,
    상기 제3 구간에서, 제1 주기의 톱니파에 기초하여 상기 스위칭 제어 신호를 출력하고,
    상기 제2 구간에서, 제2 주기의 톱니파에 기초하여 상기 스위칭 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 출력 전류에 기초하여, 상기 모터에 흐르는 상 전류를 검출하고,
    상기 검출된 상 전류에 기초하여, 상기 회전자의 위치 및 상기 모터의 회전 속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 구간에서, 상기 삼각파에 기초하여, 상기 모터의 회전 속도가 지속적으로 상승되도록 상기 스위칭 제어 신호를 출력하고,
    상기 제2 구간에서, 상기 회전자의 위치 및 상기 톱니파에 기초하여, 상기 스위칭 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 삼각파의 주기의 시작 시점과, 상기 회전자의 회전 주기의 시작 시점 간의 시간 차이를 연산하고,
    상기 연산된 시간 차이로부터 상기 삼각파의 출력의 잔여 시간을 연산하고,
    상기 회전자의 회전 주기의 절반에서 상기 연산된 잔여 시간을 뺀 시간을 상기 제3 구간으로 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 주기는, 상기 제2 주기 보다 짧고,
    상기 회전자의 회전 주기는, 상기 제2 주기의 배수에 대응되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 출력 전류 검출부는,
    상기 dc 단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되는 dc 단 저항 소자를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 출력 전류에 대응하는 상기 dc 단 저항 소자에 흐르는 전류에 기초하여, 상기 상 전류를 검출하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 구간에서 상기 삼각파를 출력하고, 상기 제2 구간에서 상기 톱니파를 출력하는 반송파(carrier signal) 출력부;
    상기 상 전류에 기초하여, 상기 회전자의 위치 및 상기 회전자의 회전 속도를 연산하는 속도 연산부;
    속도 지령치에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치에 기초하여, 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 삼각파 및 상기 톱니파 중 어느 하나와, 상기 전압 지령치에 기초하여, 상기 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류 지령 생성부는,
    상기 제1 구간에서, 상기 속도 지령치에 기초하여, 상기 전류 지령치를 생성하고,
    상기 제2 구간에서, 상기 속도 지령치 및 상기 회전자의 회전 속도에 기초하여, 상기 전류 지령치를 생성하는 것을 특징으로 하고,
    상기 전압 지령 생성부는,
    상기 제1 구간에서, 상기 전류 지령치에 기초하여 상기 전압 지령치를 생성하고,
    상기 제2 구간에서, 상기 상 전류 및 상기 전류 지령치에 기초하여, 상기 전압 지령치를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  11. 모터 구동 장치의 제어 방법에 있어서,
    제어부가, 모터의 회전 속도가 소정 기준 속도 미만인 제1 구간에서, 삼각파에 기초하여 인버터에 구비된 복수의 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하여, 상기 모터의 동작을 제어하는 제1 제어 동작;
    상기 제어부가, 상기 모터의 회전 속도가 상기 소정 기준 속도 이상인 제2 구간에서, 톱니파에 기초하여 상기 스위칭 제어 신호를 출력하여, 상기 모터의 동작을 제어하는 제2 제어 동작;
    상기 제어부가, 상기 삼각파의 주기 및 회전자의 회전 주기에 기초하여, 상기 제1 구간과 상기 제2 구간 사이의 제3 구간을 산출하는 동작; 및
    상기 제어부가, 상기 제3 구간에서, 제1 주기의 톱니파에 기초하여 상기 스위칭 제어 신호를 출력하여, 상기 모터의 동작을 제어하는 제3 제어 동작을 포함하고,
    상기 제2 제어 동작은,
    상기 제어부가, 상기 제2 구간에서, 제2 주기의 톱니파에 기초하여 상기 스위칭 제어 신호를 출력하여, 상기 모터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 인버터에서 출력되어 상기 모터에 흐르는 출력 전류에 기초하여, 상기 모터에 흐르는 상 전류를 검출하는 동작; 및
    상기 제어부가, 상기 검출된 상 전류에 기초하여, 상기 회전자의 위치 및 상기 모터의 회전 속도를 산출하는 동작을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 제어 동작은,
    상기 제어부가, 상기 제1 구간에서, 상기 삼각파에 기초하여, 상기 모터의 회전 속도가 지속적으로 상승되도록 제어하고,
    상기 제2 제어 동작은,
    상기 제어부가, 상기 제2 구간에서, 상기 회전자의 위치 및 상기 톱니파에 기초하여, 상기 모터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제3 구간을 산출하는 동작은,
    상기 제어부가, 상기 삼각파의 주기의 시작 시점과, 상기 회전자의 회전 주기의 시작 시점 간의 시간 차이를 연산하는 동작;
    상기 제어부가, 상기 연산된 시간 차이로부터 상기 삼각파의 출력의 잔여 시간을 연산하는 동작; 및
    상기 제어부가, 상기 회전자의 회전 주기의 절반에서 상기 연산된 잔여 시간을 뺀 시간을 상기 제3 구간으로 결정하는 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 주기는, 상기 제2 주기 보다 짧고,
    상기 회전자의 회전 주기는, 상기 제2 주기의 배수에 대응되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 상 전류를 검출하는 동작은,
    상기 제어부가, dc 단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되는 dc 단 저항 소자에 흐르는 전류에 기초하여, 상기 상 전류를 검출하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 구간에서 상기 삼각파를 출력하고, 상기 제2 구간에서 상기 톱니파를 출력하는 반송파(carrier signal) 출력부;
    상기 상 전류에 기초하여, 상기 회전자의 위치 및 상기 회전자의 회전 속도를 연산하는 속도 연산부;
    속도 지령치에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치에 기초하여, 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 삼각파 및 상기 톱니파 중 어느 하나와, 상기 전압 지령치에 기초하여, 상기 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 제어 동작은,
    상기 전류 지령 생성부가, 상기 제1 구간에서, 상기 속도 지령치에 기초하여, 상기 전류 지령치를 생성하는 동작; 및
    상기 전압 지령 생성부가, 상기 제1 구간에서, 상기 전류 지령치에 기초하여 상기 전압 지령치를 생성하는 동작을 더 포함하고,
    상기 제2 제어 동작은,
    상기 전류 지령 생성부가, 상기 제2 구간에서, 상기 속도 지령치 및 상기 회전자의 회전 속도에 기초하여, 상기 전류 지령치를 생성하는 동작; 및
    상기 제2 구간에서, 상기 상 전류 및 상기 전류 지령치에 기초하여, 상기 전압 지령치를 생성하는 동작을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
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