KR102480750B1

KR102480750B1 - 모터 구동 장치 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR102480750B1
Application number: KR1020150002753A
Authority: KR
Inventors: 신종현; 김선진; 김진한
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2022-12-27
Also published as: US20170373629A1; US10425033B2; KR20160085574A; WO2016111508A1; EP3229369B1; CN107112939A; CN107112939B; EP3229369A1; EP3229369A4

Abstract

모터 구동 장치 및 그 제어 방법에 대한 것으로 모터 구동 장치는 모터에 구동 전원을 공급하는 인버터, 인버터에 직류 전원을 공급하는 전원부, 인버터에 공급되는 직류 전압 및 인버터가 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 감지부 및 감지한 직류 전압 및 구동 전류와, 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 모터의 손실과, 인버터 및 전원부의 손실을 산출하고, 산출된 모터의 손실에 기초하여 구동 전류를 조절하도록 인버터를 제어하여 철손 및 동손을 보상하고, 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초하여 인버터에 공급되는 직류 전원을 조절하도록 전원부를 제어하여 인버터 및 전원부의 손실을 보상하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

모터 구동 장치 및 그 제어 방법{MOTOR DRIVING APPARATUS AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

모터 구동시 발생하는 손실을 보상하는 모터 구동 장치 및 모터 구동 장치의 제어 방법에 대한 것이다.

모터는 전기에너지로부터 회전력을 얻는 기계로서, 스테이터와 로터를 포함할 수 있다. 로터는 스테이터와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성되고, 자기장과 코일에 흐르는 전류 사이에서 작용하는 힘에 의해 회전할 수 있다.

이러한 모터는 전기 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는데 소비되는 전류손인 동손(cooper loss), 모터의 회전으로 인해 소비되는 자속손인 철손(iron loss) 및 전원부와, 인버터와 같은 전력 변환 장치에 의한 손실이 발생한다. 기존의 제어 방법으로는 단위 전류당 최대 토크 제어(Maximum Torque Per Ampere control, MPTA control)을 이용하나, 이는 동손만을 고려하는 보상법이다. 따라서, 최근 동손, 철손 및 전력 변환 장치의 손실에 대한 보상을 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

동손 및 철손을 보상하도록 구동 전류를 조절하고, 인버터 및 전원부의 손실을 보상하도록 직류 전압을 조절하는 모터 구동 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.

모터 구동 장치의 일 실시예는 모터에 구동 전원을 공급하는 인버터, 인버터에 공급되는 직류 전압 및 인버터가 상기 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 감지부 및 감지한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 모터의 손실을 산출하고, 산출된 모터의 손실에 기초하여 구동 전류를 조절하도록 인버터를 제어하여 철손 및 동손을 보상하는 제어부를 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 제어부는 감지한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 모터의 온도, 인덕턴스, 토크 및 회전 속도를 산출하고, 산출된 온도, 인덕턴스, 토크 및 회전 속도에 기초하여 구동 전류를 조절하도록 인버터를 제어하여 철손 및 동손을 보상할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 제어부는 인버터 지령 산출식에 기초하여 구동 전류를 조절하도록 인버터를 제어할 수도 있고, 인버터 지령 데이터 테이블에 기초하여 구동 전류를 조절하도록 인버터를 제어할 수도 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 감지부는 상기 모터의 회전 변위도 감지하고, 제어부는 감지한 회전 변위에 기초하여 회전 속도를 산출할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 제어부는 모터의 온도를 산출하기 위해 상저항을 산출하고, 산출된 상저항에 기초하여 온도를 산출할 수도 있고, 역기전력 상수를 산출하고, 산출된 역기전력 상수에 기초하여 온도를 산출할 수도 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 감지부는 모터의 온도도 감지하고, 제어부는 온도를 산출하지 않고, 인버터 제어에 감지한 온도를 이용할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 제어부는 인덕턴스를 산출하지 않고, 미리 저장된 파라미터를 이용할 수도 있다.

모터 구동 장치의 다른 실시예는 인버터에 직류 전원을 공급하는 전원부, 인버터에 공급되는 직류 전압 및 인버터가 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 감지부 및 감지한 구동 전류와, 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 모터의 손실과, 인버터 및 전원부의 손실을 산출하고, 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초하여 인버터에 공급되는 직류 전원을 조절하도록 전원부를 제어하여 인버터 및 전원부의 손실을 보상하는 제어부를 포함할 수 있다.

또한, 다른 실시예에 따라서 제어부는 감지한 구동 전류에 기초하여 모터의 토크 및 회전 속도를 산출하고, 산출된 모터의 토크, 회전 속도 및 인버터와 전원부의 손실에 기초하여 직류 전원을 조절하도록 전원부를 제어하여 인버터 및 전원부의 손실을 보상할 수 있다.

또한, 다른 실시예에 따라서 제어부는 전원부 지령 산출식에 기초하여 직류 전압을 조절하도록 전원부를 제어할 수도 있고, 전원부 지령 데이터 테이블에 기초하여 직류 전압을 조절하도록 전원부를 제어할 수도 있다.

또한, 다른 실시예에 따라서 감지부는 모터의 회전 변위도 감지하고, 제어부는 감지한 회전 변위에 기초하여 회전 속도를 산출할 수 있다.

모터 구동 장치의 또 다른 실시예는 모터에 구동 전원을 공급하는 인버터, 인버터에 직류 전원을 공급하는 전원부, 인버터에 공급되는 직류 전압 및 인버터가 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 감지부 및 감지한 직류 전압 및 구동 전류와, 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 모터의 손실과, 인버터 및 전원부의 손실을 산출하고, 산출된 모터의 손실에 기초하여 구동 전류를 조절하도록 인버터를 제어하여 철손 및 동손을 보상하고, 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초하여 인버터에 공급되는 직류 전원을 조절하도록 전원부를 제어하여 인버터 및 전원부의 손실을 보상하는 제어부를 포함할 수 있다.

모터 구동 장치의 제어 방법의 일 실시예는 인버터에 공급되는 직류 전압 및 인버터가 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 단계, 감지한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 모터의 손실을 산출하는 단계 및 산출된 모터의 손실에 기초하여 구동 전류를 조절하여 철손 및 동손을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.

모터 구동 장치의 제어 방법의 다른 실시예는 인버터에 공급되는 직류 전압 및 인버터가 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 단계, 감지한 구동 전류와, 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 모터의 손실과, 인버터 및 전원부의 손실을 산출하는 단계 및 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초하여 인버터에 공급되는 직류 전압을 조절하여 인버터 및 전원부의 손실을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.

모터 구동 장치의 제어 방법의 또 다른 실시예는 인버터에 공급되는 직류 전압 및 인버터가 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 단계, 감지한 직류 전압 및 구동 전류와, 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 모터의 손실과, 인버터 및 전원부의 손실을 산출하는 단계, 산출된 모터의 손실에 기초하여 구동 전류를 조절하여 철손 및 동손을 보상하는 단계 및 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초하여 인버터에 공급되는 직류 전원을 조절하여 인버터 및 전원부의 손실을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.

상술한 모터 구동 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 동손 및 철손을 보상하도록 구동 전류를 조절하고, 인버터 및 전원부의 손실을 보상하도록 직류 전압을 조절하여 모터 구동에서 발생하는 손실을 줄일 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전원부 및 감지부의 상세한 블록도이다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이다.
도 4는 제 1 실시예에 따른 인버터의 상세한 블록도이다.
도 5는 제 1 실시예에 따른 제어부의 상세한 블록도의 일 예이다.
도 6은 제 1 실시예에 따른 제어부의 상세한 블록도의 다른 예이다.
도 7은 모터 구동 장치의 동손, 철손, 인버터 손실 및 총 손실을 도시한 그래프이다.
도 8은 온도에 따른 모터의 상저항의 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 온도에 따른 모터의 역기전력 상수의 변화를 도시한 그래프이다.
도 10은 MTPA에 따른 d축 전류 및 q축 전류와, 제 1 실시예에 따른 d축 전류 및 q축 전류를 도시한 그래프이다.
도 11는 제 2 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이다.
도 12는 제 2 실시예에 따른 제어부의 상세한 블록도이다.
도 13은 모터의 회전 속도에 따른 상이한 직류 전압에서의 효율을 도시한 그래프이다.
도 14는 모터의 부하에 따른 상이한 직류 전압에서의 손실
을 도시한 그래프이다.
도 15는 제 3 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이다.
도 16은 제 3 실시예에 따른 제어부의 상세한 블록도의 일 예이다.
도 17은 제 3 실시예에 따른 제어부의 상세한 블록도의 다른 예이다.
도 18은 제 4 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이다.
도 19는 제 4 실시예에 따른 제어부의 상세한 블록도이다.
도 20은 제 5 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이다.
도 21은 제 5 실시예에 따른 제어부의 상세한 블록도이다.
도 22는 제 6 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이다.
도 23은 제 6 실시예에 따른 제어부의 상세한 블록도이다.
도 24는 제 7 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이다.
도 25는 제 7 실시예에 따른 제어부의 상세한 블록도이다.
도 26은 제 8 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이다.
도 27은 제 8 실시예에 따른 제어부의 상세한 블록도이다.
도 28은 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 손실을 보상하는 방법에 대한 플로우 차트이다.
도 29는 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 손실을 보상하는 방법에 대한 플로우 차트이다.
도 30은 또 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 손실을 보상하는 방법에 대한 플로우 차트이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예를 통하여 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 다만, 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

이하에서 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 이하에서 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 통상의 기술자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.

아울러, 이하에서 선택적으로 기재된 양상이나 선택적으로 기재된 실시예의 구성들은 비록 도면에서 단일의 통합된 구성으로 도시되었다 하더라도 달리 기재가 없는 한, 통상의 기술자에게 기술적으로 모순인 것이 명백하지 않다면 상호간에 자유롭게 조합될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 모터 구동 장치 및 모터 구동 장치의 제어방법의 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 모터 구동 장치의 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 1은 모터 구동 장치의 구성을 도시하고 있다.

모터 구동 장치(1)는 도 1와 같이 구동부(200), 전원부(300), 감지부(600), 저장부(500), 유저 인터페이스(400) 및 제어부(700)를 포함할 수 있다.

구동부(200)는 제어부(700)의 제어 신호를 수신 받아 모터(100)의 구동력을 발생시키기 위한 장치이다. 또한, 구동부(200)는 인버터(250) 및 모터(100)를 포함할 수 있다.

인버터(250)는 제어부(700)의 제어 신호에 기초하여 모터(100)에 변환된 전원을 공급하는 장치이다. 인버터(250)에 대한 구체적인 설명은 이하의 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.

모터(100)는 인버터(250) 및 전원부(300)에서 제공하는 전원을 기계적인 에너지로 변환하여 회전력을 발생시키는 장치로서, 모터(100)는 모터 하우징, 스테이터(120), 샤프트 및 로터(110)를 포함할 수 있다.

모터 하우징은 모터(100)의 외관을 형성하고, 스테이터(120)의 고정 돌기와 결합하여 스테이터(120)가 회전되지 않도록 고정력을 제공한다.

스테이터(120)는 스테이터 코어, 티스 및 코일을 포함할 수 있다.

스테이터 코어는 스테이터(120)의 골격을 이루어 스테이터(120)의 형상을 유지시키고, 하나의 티스가 전원에 의해 자화되면 하나의 티스에 인접한 다른 티스가 전원에 의해 자화된 극성과 상이한 극성으로 유도 자화될 수 있도록 자계가 형성되는 통로를 제공할 수 있다.

또한, 스테이터 코어는 실린더의 형태를 가지도록 형성될 수 있고, 프레스 가공된 철판을 적층하여 형성할 수 있다. 또한, 스테이터 코어의 내측에는 원주 방향으로 복수 개의 티스가 위치할 수 있고, 스테이터 코어의 외측에는 복수 개의 고정 돌기가 위치할 수 있다. 이외에도, 스테이터(120)의 형상을 유지하고 티스 및 고정 돌기가 위치할 수 있도록 하기 위한 다양한 형상이 스테이터 코어의 형상의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

티스는 스테이터 코어에 의해 나눠진 스테이터 코어의 내부에 복수 개가 위치하여 스테이터 코어 내부의 공간을 원주 방향을 따라 복수 개의 슬롯으로 분할할 수 있다. 또한, 티스는 코일이 위치할 공간을 제공할 수 있고, 코일에 공급되는 전원으로 인해 형성되는 자계에 의해 N극 및 S극 중 하나로 자화될 수 있다.

또한, 티스는 Y의 형상을 가질 수 있고, 티스의 외각 면 중에서 로터(110)에 인접한 면은 로터(110) 내 자속 집중 코어와의 인력 및 척력이 효율적으로 발생하기 위해서 완곡면을 가질 수 있다. 이외에도, 코일이 위치할 공간을 제공하고 자속 집중 코어와의 인력 및 척력을 효율적으로 발생시키기 위한 다양한 구조가 티스의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

코일은 스테이터(120)의 티스 상에 위치한 인슐레이터에 위치하여 인가된 전원으로 인해 자계를 형성시킬 수 있다. 이로 인해, 코일은 해당 코일이 위치한 티스를 자화시킬 수 있다.

또한, 코일에 공급되는 전원은 3상의 형태일 수 있고, 단상의 형태일 수도 있다.

이외에도 로터(110)의 회전을 제어하고, 로터(110)와 스테이터(120)의 자계끼리 인력과 척력이 효율적으로 작용하기 위한 다양한 코일의 조합이 코일 조합의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

또한, 코일을 감는 방법은 집중권 방식과 분포권 방식으로 감길 수 있다. 집중권 방식은 스테이터(120)에서 1극 1상의 슬롯수가 1개가 되도록 코일을 감는 방식이고, 분포권 방식은 슬롯이 붙은 전기 기기에 있어서 코일을 2개 이상의 슬롯으로 나누어 감는 방식이다. 이외에도 티스를 효율적으로 자화시키기 위한 다양한 방법이 코일을 감는 방법의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

마지막으로, 코일에 사용되는 소재는 구리, 알루미늄 또는 구리와 알루미늄의 복합 재질일 수 있다. 이외에도 티스를 효율적으로 자화시키기 위한 다양한 소재가 코일의 소재의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

샤프트는 로터(110)와 함께 회전할 수 있도록 로터(110)의 샤프트 삽입 홀과 연결될 수 있다.

로터(110)는 영구 자석에 의한 자계와 스테이터(120)의 티스에 형성되는 자계 사이에 인력 및 척력이 작용하여 모터(100)의 회전력을 획득하는 장치로서, 스테이터(120) 내부에 위치할 수 있다. 이러한, 로터(110)는 로터 코어 및 영구 자석을 포함할 수 있다.

로터(110)는 영구 자석에 의해 형성되는 자계의 통로 및 자속을 집중시키고, 비산을 방지하는 로터 코어 및 자계를 형성하는 영구 자석을 포함할 수 있다.

그리고, 로터 코어는 메인 코어, 방사형 코어, 자속 집중 코어, 내측 결합부, 내측 자속 누설 방지부 및 외측 결합부를 포함할 수 있다.

메인 코어는 로터(110)의 회전 시 로터(110)에 작용하는 응력(stress)으로부터 로터(110)의 형상이 유지되도록 로터(110)의 골격을 이룰 수 있다. 또한, 메인 코어는 영구 자석에 의해 형성되는 자계의 경로를 제공하여 자속이 메인 코어를 따라 흐르도록 기능할 수도 있다.

방사형 코어는 메인 코어에 로터(110)의 원주방향에 수직되게 외부로 방사되는 형태로 결합될 수 있다. 방사형 코어는 방사형 코어에 인접한 한 쌍의 영구 자석으로 인해 형성되는 자계에 자속이 흐를 수 있도록 통로를 제공할 수 있다.

자속 집중 코어는 자속 집중 코어 양 측에 위치하는 영구 자석에 의한 자계가 자속 집중 코어에 형성되어 자속을 집중시키도록 유도한다.

내측 결합부는 로터(110)의 회전시 로터(110)의 중심에서 외측으로 발생하는 원심력으로 인한 자속 집중 코어의 비산을 저감한다. 구체적으로, 내측 결합부는 자속 집중 코어의 내측과 메인 코어의 외측 사이에 위치하고, 자속 집중 코어의 내측과 메인 코어의 외측에 결합된다. 따라서, 내측 결합부는 원심력으로 인해 외측으로 자속 집중 코어가 이동하여 발생하는 변위를 줄여, 자속 집중 코어의 비산을 저감할 수 있다.

외측 결합부는 로터(110)의 회전시 로터(110)의 중심에서 외측으로 발생하는 원심력으로 인한 자속 집중 코어, 방사형 코어 및 영구 자석의 비산을 저감한다. 구체적으로, 외측 결합부는 방사형 코어와 자속 집중 코어 사이에 위치하여 방사형 코어와 자속 집중 코어에 결합된다. 따라서, 외측 결합부는 원심력으로 인해 외측으로 자속 집중 코어, 방사형 코어 및 영구 자석이 이동하여 발생되는 변위를 줄여, 자속 집중 코어, 방사형 코어및 영구 자석의 비산을 저감할 수 있다.

위에서 언급한 메인 코어, 방사형 코어, 자속 집중 코어, 내측 결합부및 외측 결합부의 소재는 자속이 흐르는 경로를 제공 및 전기 전도성을 가지기 위해 연자성체(Soft Magnetic Material) 및 금속이 이용될 수 있다. 이외에도 전자기적으로 전도성을 가지고 외부의 응력으로부터 형상의 변형이 일어나지 않는 다양한 소재가 메인 코어, 방사형 코어, 자속 집중 코어, 내측 결합부 및 외측 결합부의 소재의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

영구 자석은 방사형 코어와, 자속 집중 코어 양측에 마련되어 로터 코어에 자계를 형성시킬 수 있다, 또한, 영구 자석은 페라이트(Ferrite) 소재로 구성될 수 있다. 페라이트(Ferrite)는 체심입방결정의 철에 합금원소 또는 불순물이 녹아서 된 고용체를 의미하지만, 통상적으로 자성을 띠거나 자기장에 작용하는 세라믹스를 의미할 수 있다. 이외에도 영구 자석의 자계와 스테이터(120)의 권선에 인가되는 전원으로 인해 형성되는 자계 사이에 척력 및 인력이 작용하기 위한 다양한 소재가 영구 자석의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 모터(100)는 내전형(IPM) 스포크형 타입의 모터에 기초하여 설명하였으나, 이러한 설명으로 모터(100)가 내전형 스포크형 타입에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 모터(100)는 표면 부착형 모터일 수도 있고, V타입 모터일 수도 있다. 또한, 모터(100)는 영구 자석형 모터일 수도 있고, 유도형 모터일 수도 있다. 또한, 모터(100)는 로터(110)가 돌극형일 수도 있고, 로터(110)가 스테이터(120) 내주측이 아닌 외주측에 위치할 수도 있다.

전원부(300)는 Grid 전원부(310) 및 DC Link 전원부(360)를 포함할 수 있다.

Grid 전원부(310)는 DC Link 전원부(360) 등으로 교류 전원을 제공하는 전원 장치이다. Grid 전원부(310)는 외부에서 전원을 제공받아 DC Link 전원부(360)로 전달하거나, 베터리와 같이 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 DC Link 전원부(360)로 전달할 수 있다.

DC Link 전원부(360)는 Grid 전원부(310)로부터 제공받은 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 인버터(250) 구동에 필요한 전기 에너지를 제공한다.

감지부(600)는 코일에 공급되는 구동 전류를 감지하는 전류 감지부(610), 인버터(250)에 전달되는 직류 전압를 감지하는 전압 감지부(620), 로터(110)의 회전 변위를 감지하는 각도 감지부(630) 및 모터(100)의 온도를 감지하는 온도 감지부(640)를 포함할 수 있다.

전류 감지부(610)는 모터(100)의 3개의 입력단자에 흐르는 구동 전류값을 검출할 수 있고, 전압 감지부(620)는 인버터(250)의 입력 단자에 공급되는 직류 전압을 감지할 수 있다. 전류 감지부(610) 및 전압 감지부(620)에 대한 구체적인 설명은 이하의 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.

각도 감지부(630)는 스테이터(120)의 일측에 구비되어, 로터(110)의 회전 변위를 감지할 수 있다. 또한, 각도 감지부(630)는 각도 감지부(630)가 감지한 로터(110)의 회전 각도를 제어부(700)에 제공할 수도 있다.

구체적으로, 각도 감지부(630)는 N형 반도체가 사용되며, 홀 효과(Hall Effect)를 통해 자기장을 전압으로 표현할 수 있다. 따라서, 각도 감지부(630)는 로터(110)의 회전에 의한 자기장의 변화를 감지함으로써 로터(110)의 회전 변위와 관련된 각도, 주파수, 구동 시간 등을 출력할 수 있다.

로터(110)의 회전 변위를 감지하기 위한 수단으로는 이상에서 설명한 홀 센서(Hall Sensor)뿐만 아니라, 레졸버(Resolver), 포텐셔미터(Potentiometer), 절대위치 인코더(Absolute Encoder), 증분형 인코더(Incremental Encoder) 등의 각도 센서가 이용될 수도 있다.

구체적으로, 레졸버(Resolver)는 회전 변압기의 일종으로 모터(100) 축에 연결되어 로터(110)의 위치에 비례한 교류 전압을 출력하는 아날로그 방식의 각도 센서이고, 포텐셔미터(Potentiometer)는 각도에 따라 가변저항의 값을 달리하여 회전하는 각도에 정비례하는 전기적 입력을 산출하는 각도 센서이다. 그리고, 절대위치 인코더(Absolute Encoder)는 기준되는 위치를 설정하지 않고 광학 펄스파를 이용해 어느 정도의 회전으로 해당위치에 있는지 검출하는 각도 센서이고, 증분형 인코더(Incremental Encoder)는 기준되는 위치를 설정하여 측정된 각도의 증감을 통해 각도를 산출하는 것으로, 광학 펄스파를 이용해 어느 정도의 회전으로 해당위치에 있는지 검출하는 각도 센서이다.

이외에도 각도와 주파수를 측정하는 다양한 종류의 센서가 각도 감지부(630)의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

또한, 각도 감지부(630)는 하나가 마련될 수도 있지만, 2개 또는 3개 이상이 마련될 수도 있다. 마련되는 각도 감지부(630)의 개수는 제작되는 모터 구동 장치(1)의 단가, 감지할 회전 변위의 오차 범위 등을 고려하여 결정될 수 있다.

온도 감지부(640)는 모터(100)의 온도를 감지한다. 구체적으로, 온도 감지부(640)는 모터(100)에 공급되는 구동 전류가 증가 또는 모터(100)의 회전 속도 및 부하의 증가로 인해 상승하는 모터(100)의 온도를 감지할 수 있다.

온도 감지부(640)에 대한 구체적인 설명은 이하의 도 24 및 도 25를 참조하여 설명하도록 한다.

저장부(500)는 감지부(600)에서 감지한 모터(100)의 회전 변위 및 인버터(250)에 전달되는 전압 지령에 대한 데이터, 제어부(700)의 제어 데이터, 입력부(410)의 입력 데이터, 통신부의 통신 데이터 등을 저장하는 장치이다.

또한, 저장부(500)는 인버터 지령 데이터(510), 전원부 지령 데이터(560) 및 미리 저장된 파라미터(590)를 저장할 수 있다.

인버터 지령 데이터(510)는 모터 손실인 동손 및 철손을 보상하기 위한 데이터로서, 모터(100)의 온도(또는 상저항), 인덕턴스, 토크 및 회전 속도에 대응한 보상값 또는 지령을 생성하는데 필요한 데이터이다. 인버터 지령 데이터(510)는 인버터 지령 산출식(511) 및 인버터 지령 데이터 테이블(512)을 포함할 수 있다.

인버터 지령 산출식(511)은 모터(100)의 온도(또는 상저항), 인덕턴스, 토크 및 회전 속도를 입력 변수로 하여 지령을 산출하는 수식으로서, 산출된 수식은 인버터(250)가 생성하는 구동 전류를 조절한다. 이러한, 인버터 지령 산출식(511)은 모터(100)의 손실을 고려한 수식으로서 전류손인 동손 및 자속손인 철손을 고려한 수식으로 이뤄질 수 있다.

인버터 지령 데이터 테이블(512)은 복수 개의 불연속적인 변수인 모터(100)의 온도(또는 상저항), 인덕턴스, 토크 및 회전 속도 각각에 대응되는 복수 개의 지령이 정리된 데이터로서, 룩업테이블(look-up-table) 형태로 정리되어 있다. 이러한, 인버터 지령 데이터 테이블(512)은 실험적으로 산출된 값으로서, 모터 구동 장치(1)의 제조시 또는 설계시 실험에 의해 모터 손실이 최소가 되는 값을 실험적으로 산출 및 정리하여 저장한 값일 수 있다.

전원부 지령 데이터(560)는 전원부(300) 및 인버터(250)와 같은 전력 변환부에 의한 손실을 보상하기 위한 데이터로서, 모터(100)의 토크, 회전 속도 및 전력 변환부의 손실에 대응한 보상값 또는 지령을 생성하는데 필요한 데이터이다. 전원부 지령 데이터(560)는 전원부 지령 산출식(561) 및 전원부 지령 데이터 테이블(562)을 포함할 수 있다.

여기서, 전력 변환부는 전원부(300) 및 인버터(250)와 같이 모터(100)에 구동 전원을 공급하기 위해서 입력된 전원을 상이한 전원으로 변환하는 구성을 의미한다.

전원부 지령 산출식(561)은 모터(100)의 토크, 회전 속도 및 전력 변환부의 손실을 입력 변수로 하여 지령을 산출하는 수식으로서, 산출된 수식은 전원부(300)가 생성하는 직류 전압을 조절한다. 이러한 전원부 지령 산출식(561)은 모터의 손실 및 전력 변환부의 손실을 고려한 수식으로서 전력 변환부의 손실인 스위칭 손실 및 도통 손실을 고려한 수식으로 이뤄질 수 있다.

전원부 지령 데이터 테이블(562)은 복수 개의 불연속적인 변수인 모터(100)의 토크, 회전 속도 및 전력 변환부의 손실 각각에 대응되는 복수개의 지령이 정리된 데이터로서, 룩업테이블 형태로 정리되어 있다. 이러한, 전원부 지령 데이터 테이블(562)은 실험적으로 산출된 값으로서, 모터 구동 장치(1)의 제조시 또는 설계시 실험에 의해 전력 변환부의 손실이 최소가 되는 값을 실험적으로 산출 및 정리하여 저장한 값일 수 있다.

미리 저장된 파라미터(590)는 구동 전류 또는 직류 전압을 생성 또는 조절하는데 필요한 변수의 집합이다. 구체적으로, 미리 저장된 파라미터(590)는 구동 전류 또는 직류 전압을 생성 또는 조절하는데 필요한 변수 중 변화가 없거나 변화가 적은 변수 또는 변화가 있는 변수들을 모터 구동 장치(1) 제조시 또는 설계시 테이블화하여 저장한 값이다. 예를 들어, 미리 저장된 파라미터(590)는 d축 인덕턴스, q축 인덕턴스, 역기전력 상수, 모터(100) 관성, 모터(100)의 극수, 인버터(250) 고유의 데이터 시트 및 전원부(300) 고유의 데이터 시트에 대한 데이터일 수 있다.

저장부(500)는 롬(ROM), 고속 랜덤 액세스 저장부 (RAM), 자기 디스크 저장 장치, 플래시 저장부 장치와 같은 불휘발성 저장부 또는 다른 불휘발성 반도체 저장부 장치를 포함할 수 있다.

예를 들어, 저장부(500)는 반도체 메모리 장치로서 SD(Secure Digital) 메모리 카드, SDHC(Secure Digital High Capacity) 메모리 카드, mini SD 메모리 카드, mini SDHC 메모리 카드, TF(Trans Flach) 메모리 카드, micro SD 메모리 카드, micro SDHC 메모리 카드, 메모리 스틱, CF(Compact Flach), MMC(Multi-Media Card), MMC micro, XD(eXtreme Digital) 카드 등이 이용될 수 있다.

또한, 저장부(500)는 네트워크를 통하여 액세스되는 네트워크 부착형(attached) 저장 장치를 포함할 수도 있다.

유저 인터페이스(400)는 사용자가 모터 구동 장치(1)의 명령을 입력하거나, 모터 구동 장치(1)의 동작을 인지하는 구성으로서, 유저 인터페이스(400)는 입력부(410) 및 표시부(420)를 포함할 수 있다.

입력부(410)는 모터 구동 장치(1)의 동작을 선택하기 위한 다수의 조작 버튼의 조합이다. 입력부(410)는 조작 버튼을 푸시 버튼 형태로 누르는 형태일 수도 있고, 슬라이드 스위치와 같이 사용자가 원하는 모터 구동 장치(1)의 동작을 조작할 수도 있으며, 터치 형식으로 사용자가 원하는 동작을 입력할 수도 있다. 이외에도 사용자가 원하는 모터 구동 장치(1)의 동작을 입력하기 위한 다양한 종류의 입력 장치가 입력부(410)의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

표시부(420)는 제어부(700)에서 제어하는 모터 구동 장치(1)의 제어 상황, 감지부(600)에서 감지한 모터 구동 장치(1)의 동작 상황 등을 사용자에게 시각, 청각 및 촉감 등으로 표시할 수 있다.

제어부(700)는 모터 구동 장치(1)의 동작을 전체적으로 제어하는 메인 제어부(710) 및 구동부(200)의 동작을 제어하는 구동 제어부(760)를 포함할 수 있다.

또한, 제어부(700)는 중앙 처리 장치로 기능하고, 중앙 처리 장치의 종류는 마이크로 프로세서일 수 있으며, 마이크로 프로세서는 적어도 하나의 실리콘 칩에 산술 논리 연산기, 레지스터, 프로그램 카운터, 명령 디코더나 제어 회로 등이 마련되어 있는 처리 장치이다.

또한, 마이크로 프로세서는 이미지 또는 비디오의 그래픽 처리를 위한 그래픽 프로세서(Graphic Processing Unit, GPU)를 포함할 수 있다. 마이크로 프로세서는 코어(core)와 GPU를 포함하는 SoC(System On Chip) 형태로 구현될 수 있다. 마이크로 프로세서는 싱글 코어, 듀얼 코어, 트리플 코어, 쿼드 코어 및 그 배수의 코어를 포함할 수 있다.

또한, 제어부(700)는 마이크로 프로세서와 전기적으로 연결되는 별개의 회로 기판에 GPU, RAM 또는 ROM을 포함하는 그래픽 프로세싱 보드(graphic processing board)를 포함할 수 있다.

제어부(700)에 대한 설명은 이하의 도 3 내지 도 27에서 구체적으로 설명하도록 한다.

도 2는 전원부 및 감지부를 상세하게 도시하고 있다.

상술한 바와 같이, 모터 구동 장치(1)는 전원부(300), 감지부(600)를 포함할 수 있다.

전원부(300)는 외부의 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다. 구체적으로, 전원부(300)는 외부의 전기 에너지를 모터 구동 장치(1) 내부로 교류 형태의 전원으로 공급하는 Grid 전원부(310) 및 공급된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 DC Link 전원부(360)를 포함할 수 있다.

DC Link 전원부(360)는 정류 회로(RC), 역률 보상 회로(PFC) 및 평활 회로(SC)를 포함할 수 있다.

정류 회로(RC)는 Grid 전원부(310)에서 공급하는 교류 전원을 직류 형태의 전원으로 변환할 수 있다. 정류 회로(RC)는 풀 브릿지 형태의 4개의 다이오드가 배치된 형태일 수도 있고, 하프 브릿지 형태의 2개의 다이오드 및 2개의 커패시터가 배치된 형태일 수도 있다. 이외에도, 교류 형태의 전원을 직류 형태의 전원으로 변환시킬 수 있는 다양한 형태의 회로 구성이 정류 회로(RC)의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

역률 보상 회로(PFC)는 직류 형태로 변환된 전원의 크기를 조절할 수 있다. 구체적으로, 역률 보상 회로(PFC)는 제어부(700)에 결정한 보상값 또는 직류 전원 지령을 입력 받아 전력 변환부의 손실을 줄이기 위해 직류 전원의 크기를 조절할 수 있다.

평활 회로(SC)는 역률 보상 회로(PFC)에서 보상한 직류 전원의 노이즈를 제거할 수 있다. 구체적으로, 평활 회로(SC)는 저역 통과 필터(LPF)로 구성되어 고주파의 노이즈를 제거할 수 있다. 예를 들어, 평활 회로(SC)는 2개의 노드에 커패시터가 병렬로 연결된 형태일 수도 있고, 커패시터에 버퍼가 병렬로 연결된 형태일 수도 있다. 이외에도, 직류 전원의 노이즈를 제거하기 위한 다양한 형태의 회로 구성이 평활 회로(SC)의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

감지부(600)는 모터 구동 장치(1)의 상태를 감지할 수 있고, 감지부(600)는 전류 감지부(610) 및 전압 감지부(620)를 포함할 수 있다.

전류 감지부(610)는 모터(100)의 3개의 입력단자에 흐르는 구동 전류값을 검출할 수 있다. 즉, 전류 감지부(610)는 모터(100)의 3개의 입력 단자 각각에 구비되고, a상의 구동 전류를 감지하는 제 1 전류 감지부(611), b상의 구동 전류를 감지하는 제 2 전류 감지부(612) 및 c상의 구동 전류를 감지하는 제 3 전류 감지부(613)를 포함할 수 있다. 이와 같은 전류 감지부(610)는 모터(100)의 입력단자에 직렬로 연결된 션트 저항(shunt resistor, R1)의 전압 강하를 검출할 수도 있고, 전류 센서를 이용하여 전류를 검출할 수도 있다. 또한, 전류 감지부(610)는 인버터(250)의 출력 단자의 전류 신호에 포함되어 있는 잡음 성분을 제거하기 위하여 저역 통과 필터(LPF) 및 잡음 성분이 제거된 아날로그 전류 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(A/D)를 포함할 수 있다. 이외에도, 전류 감지부(610)는 a상, b상 및 c상 중 적어도 하나의 상의 전류를 감지하는 수단을 포함할 수도 있다.

전압 감지부(620)는 인버터(250)의 입력 단자의 전원 신호인 직류 전압을 감지할 수 있다. 구체적으로, 전압 감지부(620)는 인버터(250)의 전원 신호단과 접지단 사이에 연결되어 있는 저항(R2)의 양 단에 병렬로 연결되어 직류 전원을 감지할 수 있다. 또한, 전압 감지부(620)는 인버터(250)의 입력 단자의 전압 신호에 포함되어 있는 잡음 성분을 제거하기 위하여 저역 통과 필터(LPF) 및 잡음 성분이 제거된 아날로그 전압 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(A/D)를 포함할 수 있다.

이상에서는 모터 구동 장치의 모터 구동을 위한 구성들을 설명하였다. 이상에서는 모터의 손실 및 전력 변환부의 손실을 보상하기 위한 구성들의 실시예들에 대해서 설명하도록 한다.

우선, 도 4 내지 도 10을 참조하여 모터의 손실을 보상하기 위해서 각도 감지부 및 온도 감지부 없이 구동 전류를 조절하는 모터 구동 장치의 제 1 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 3은 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이고, 도 4는 인버터의 상세한 블록도이다.

구동부(200)는 회전력을 생성하는 모터(100) 및 모터(100)에 구동 전류를 공급하는 인버터(Invertor, 250)를 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 인버터(250)는 3개의 상단 스위칭 회로(Q11~Q13)과 3개의 하단 스위칭 회로(Q21~Q23)를 포함할 수 있다.

상단 스위칭 회로(Q11~Q13)와 하단 스위칭 회로(Q21~Q23)는 고전압 접합형 트랜지스터(High Voltage Bipolar Junction Transistor), 고전압 전계 효과 트랜지스터(High Voltage Field Effect Transistor), 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 고전압 스위치와 환류 다이오드(Free Wheeling Diode)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 3개의 상단 스위칭 회로(Q11~Q13)는 직류 전원단(Vcc)에 서로 병렬로 연결되고, 3개의 하단 스위칭 회로(Q21~Q23)는 접지단(GND)에 서로 병렬로 연결된다. 또한, 3개의 상단 스위칭 회로(Q11~Q13)와 3개의 하단 스위칭 회로(Q21~Q23)는 일대일로 직렬 연결되고, 3개의 상단 스위칭 회로(Q11~Q13)와 3개의 하단 스위칭 회로(Q21~Q23)가 각각 연결되는 3개의 노드는 모터(100)의 3개의 입력단자(a, b, c)와 각각 연결된다.

인버터(250)는 상단 스위칭 회로(Q21~Q23) 중 어느 하나와 하단 스위칭 회로(Q21~Q23) 중 어느 하나를 미리 정해진 순서에 따라 턴온시킴으로써 모터(100)에 구동 전류를 공급할 수 있다.

도 5는 제어부(700)의 상세한 블록도의 일례이고, 도 6은 제어부(700)의 상세한 블록도의 다른 예이다. 또한, 도 7은 모터 구동 장치(1)의 동손, 철손, 인버터(250) 손실 및 총 손실을 도시한 그래프이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 모터(100)가 구동되는 경우 모터(100)는 전류 손실인 동손, 자속 손실인 철손 및 인버터(250) 손실이 발생할 수 있다. 모터(100) 구동에 있어 모터(100)가 약자속 제어 이전에 기준 부하 또는 기준 속도 이하로 운전하고 있을 때, 제어부(700)는 통상적으로 MTPA 제어로 모터(100)를 제어한다. 그러나, MTPA 제어는 모터(100)의 동손만을 고려하여 동손만을 보상하는 제어 방법으로서, 모터(100)의 회전에 의한 자속 손실인 철손을 고려하지 않아, 철손이 보상되지 않는다. 따라서, 모터 구동 장치(1)는 철손 및 인버터(250) 손실을 보상하기 위해 다른 제어를 할 수 있다.

이 경우, 전류 손실인 동손은 수학식 1로 표현될 수 있고, 자속 손실인 철손은 수학식 2의 히스테리시스 손실, 수학식 3의 와전류 손실 및 수학식 4의 이상 와전류 손실의 합으로 표현될 수 있다.

수학식 1은 동손에 대한 수식이다. 수학식 1의 변수 중에서 동손은

, 상저항은

, 구동 전류는Is로 표현될 수 있다.

수학식 2는 히스테리시스 손실에 대한 수식이다. 수학식 2의 변수 중에서 히스테리시스 손실은

, 히스테리시스 상수는

, 자속 밀도는 B, 모터의 회전 속도는 ω로 표현될 수 있다.

수학식 3은 와전류 손실에 대한 수식이다. 수학식 3의 변수 중에서 와전류 손실은

, 와전류 상수는

로 표현될 수 있다.

수학식 4는 이상 와전류 손실에 대한 수식이다. 수학식 4의 변수 중에서 이상 와전류 손실은

, 이상 와전류 상수는

로 표현될 수 있다.

여기서, 철손은 수학식 2의 히스테리시스 손실, 수학식 3의 와전류 손실 및 수학식 4의 이상 와전류 손실을 더한 값일 수 있다. 또한, 히스테리시스 상수, 와전류 상수 및 이상 와전류 상수는 저장부(500)에 미리 저장된 파라미터(590)에 저장된 값일 수 있다.

구체적으로, 도 7과 같이 회전 속도가 6600[rpm], 부하인 토크가 0.5[nm]일 때, 동손(CL)은 q축 전류가 공급되는 경우 d축 전류가 증가함에 따라 증가하지만, 철손(IL) 및 인버터 손실(VL)은 d축 전류가 증가함에 따라 감소하게 된다. 동손(CL), 철손(IL) 및 인버터 손실(VL)을 종합적으로 검토하면, 총 손실(LTL)은 d축 전류가 감소 및 증가함에 따라 감소 또는 증가하지 않고 d축 전류가 -9[A]일 때 최소 손실 76[W]가 소비된다. 따라서, 모터(100)가 6600[rpm]으로 회전하고 0.5[Nm]의 부하가 작용하는 경우, 동손(CL), 철손(IL) 및 인버터 손실(VL)을 종합한 총 손실(LTL)이 최소가 되기 위해서는 d축 전류가 -9[A]로 조절하여야 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(700)는 메인 제어부(710) 및 구동 제어부(760)를 포함할 수 있다.

메인 제어부(710)는 사용자의 동작 명령에 따라 저장부(500)에서 인버터 지령 데이터(510)를 불러와 속도 지령(w*)을 산출하고, 구동 제어부(760)에 속도 지령(w*) 등을 전달할 수 있다.

또한, 메인 제어부(710)는 전류 감지부(610)가 감지한 구동 전류와 전압 감지부(620)가 감지한 직류 전원에 기초하여 최소 손실이 되도록 구동 전류를 조절한다. 구체적으로, 메인 제어부(710)는 상저항 추정기(721), 온도 추정기(722), 인덕턴스 추정기(723) 및 인버터 지령 산출기(726)를 포함할 수 있다.

상저항 추정기(721)는 전류 감지부(610)가 감지한 구동 전류 및 속도 연산기(761)가 산출한 모터(100)의 회전 속도 및 인덕턴스에 기초하여 모터(100)의 상저항을 추정할 수 있다. 이를 수학식 5를 통해 검토할 수 있다.

수학식 5는 상저항을 산출하는 수식이다. 수학식 5의 변수 중에서 상저항을 산출하는 함수는

, d축 전류는

, q축 전류는

, d축 인덕턴스는

, q축 인덕턴스는

로 표현될 수 있다.

상저항 추정기(721)에서 수학식 5를 통해 상저항을 추정하면, 추정한 상저항을 통해 현재 모터(100)의 온도를 추정할 수 있다.

도 8은 온도에 따른 모터의 상저항의 변화를 도시한 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상저항은 온도가 증가함에 따라 선형적으로 증가한다. 예를 들어, 모터(100)의 온도가 0[℃]인 경우 상저항은 0.11[Ω]이지만, 모터(100)의 온도가 120[℃]인 경우 상저항은 0.17[Ω]일 수 있다. 따라서, 이를 수학식 6으로 표현할 수 있다.

수학식 6은 모터의 온도를 산출하는 수식이다. 수학식 6의 변수 중에서 모터의 온도는 Temp, 상저항을 산출하는 함수는

로 표현될 수 있다.

즉, 온도 추정기(722)는 수학식 6을 통해 모터(100)의 온도를 추정할 수 있다. 또한, 온도 추정기(722)는 수학식 6을 통해 추정한 모터(100)의 온도를 인버터 지령 산출기(726)에 전달할 수 있다.

또한, 온도 추정기(722)가 온도를 추정하기 위해서는 상술한 상저항을 통해 산출하는 방법 이외에도 도 6 및 도 9와 같이 역기전력 상수를 통해 산출하는 방법이 있을 수도 있다.

도 9는 온도에 따른 모터의 역기전력 상수의 변화를 도시한 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 모터(100)의 온도는 역기전력 상수가 증가할수록 선형적으로 감소할 수 있다. 예를 들어, 모터(100)의 온도가 0[℃]인 경우 역기전력 상수는 0.18[v/rad/s]이지만, 모터(100)의 온도가 120[℃]인 경우 역기전력 상수는 0.12[V/rad/s]일 수 있다.

따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 메인 제어부(710)는 역기전력 상수 추정기(724)를 포함하고, 역기전력 상수 추정기(724)는 전류 감지부(610)가 감지한 구동 전류 및 속도 연산기(761)가 산출한 회전 속도에 기초하여 역기전력 상수를 추정하여 이를 온도 추정기(722)에 전달할 수 있다.

온도 추정기(722)는 추정된 역기전력 상수에 기초하여 도 9와 같은 관계를 통해 현재 모터(100)의 온도를 추정하여 인버터 지령 산출기(726)에 전달할 수 있다.

인덕턴스 추정기(723)는 전류 감지부(610)가 감지한 구동 전류 및 전압 감지부(620)가 감지한 직류 전원에 기초하여 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 산출할 수 있다. 예를 들어, 인덕턴스 추정기(723)는 모터(100)에 시험 전원을 공급하여 전압 방정식을 통해 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 산출할 수 있다. 또한, 인덕턴스 추정기(723)는 저장부(500)에 저장된 미리 저장된 파라미터(590)를 불러와 전류 감지부(610)가 감지한 구동 전류 및 전압 감지부(620)가 감지한 직류 전원에 대응되는 데이터를 검색하여 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 산출할 수 있다. 이외에도 다양한 방법이 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 추정하는 방법의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

인버터 지령 산출기(726)는 온도 추정기(722)를 통해 추정한 모터(100)의 온도와, 인덕턴스 추정기(723)를 통해 추정한 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스와, 속도 연산기(761)를 통해 산출한 모터(100)의 회전 속도와, 속도 제어기(763)를 통해 토크 제어시 산출한 모터(100)의 부하에 해당하는 토크에 기초하여 동손 및 철손을 보상하기 위해 구동 전류를 조절하는 인버터 지령 또는 속도 지령을 결정할 수 있다. 또한, 인버터 지령 산출기(726)는 인버터 지령 또는 속도 지령을 결정하기 위해서 저장부(500)에 저장된 인버터 지령 데이터(510)를 이용할 수 있다. 구체적으로, 인버터 지령 산출기(726)는 연속적인 지령 산출법인 인버터 지령 산출식(511)을 이용하여 인버터 지령 또는 속도 지령을 결정할 수도 있고, 불연속적인 지령 산출법인 인버터 지령 데이터 테이블(512)을 이용하여 인버터 지령 또는 속도 지령을 결정할 수도 있다.

연속적인 지령 산출법인 인버터 지령 산출식(511)을 이용하여 인버터 지령 또는 속도 지령을 산출하는 수식은 수학식 7을 참조하여 설명하도록 한다.

수학식 7은 구동 전류를 조절하는 속도 지령을 산출하는 수식이다. 수학식 7의 변수 중에서 속도 지령은 w*, 속도 지령을 산출하는 함수는

로 표현될 수 있다.

인버터 지령 산출기(726)는 수학식 7를 이용해 모터(100)의 온도와, d축 인덕턴스와, q축 인덕턴스와, 토크와, 회전 속도를 입력으로 하여 출력인 속도 지령을 산출하여 메인 제어부(710)에 전달할 수 있다.

여기서, 인버터 지령 산출기(726)가 속도 지령을 산출해 산출한 속도 지령을 메인 제어부(710)로 전달하여 구동 전류를 조절하는 것을 예시로 설명하였으나, 인버터 지령 산출기(726)는 인버터 지령 또는 전류 지령을 산출하여 인버터(250) 또는 메인 제어부(710)로 전달하여 구동 전류를 조절할 수도 있다.

구동 제어부(760)는 인버터 지령 산출기(726)가 결정하여 전달한 속도 지령에 기초하여 구동 전류를 조절하도록 인버터(250)에 제어 신호를 전달할 수 있다.

구체적으로, 구동 제어부(760)는 속도 지령을 회전 속도와 비교하여 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령(Idq*)를 산출하고, 산출된 dq축 전류 지령(Idq*)과 dq축 전류(Idq)와 비교하여 dq축 전압 지령을 산출하여 인버터(250)에 제어 신호를 전달한다.

또한, 구동 제어부(760)는 속도 연산기(761), 속도 제어기(763), 제 1 좌표계 변환기(762), 전류 제어기(764), 제 2 좌표계 변환기(765) 및 펄스폭 변조기(766)를 포함할 수 있다.

속도 연산기(761)는 펄스폭 변조기(766)가 인버터(250)에 명령하는 스위칭 주파수 및 전류 감지부(610)가 감지한 구동 전류에 기초해 모터(100)의 회전 속도(w)를 산출하여, 속도 제어기(763) 및 메인 제어부(710)에 제공할 수 있다.

속도 제어기(763)는 메인 제어부(710)가 출력하는 속도 지령(w*)과 속도 연산기(761)가 출력하는 모터(100)의 회전 속도(w)를 비교하여 dq축 전류 지령(Idq*)을 산출하여 전류 제어기(764)에 제공할 수 있다.

제 1 좌표계 변환기(762)는 전류 감지부(610)가 출력하는 모터(100)의 구동 전류(Iabc)를 dq축 전류(Idq)로 변환하여 전류 제어기(764)에 제공할 수 있다.

전류 제어기(764)는 속도 제어기(763)가 출력하는 dq축 전류 지령(Idq*)과 제 1 좌표계 변환기(762)가 출력하는 dq축 전류(Idq)를 비교하여 dq축 전압 지령(Vdq*)을 산출하여 제 2 좌표계 변환기(765)에 제공할 수 있다.

제 2 좌표계 변환기(765)는 전류 제어기(764)가 출력하는 dq축 전압 지령(Vdq*)을 구동 전압 지령(Vabc*)으로 변환하여 펄스폭 변조기(766)에 제공할 수 있다.

펄스폭 변조기(766)는 제 2 좌표계 변환기(765)가 출력하는 구동 전압 지령(Vabc*)를 기초로 인버터(250)에 포함된 상단 스위칭 회로(Q11~Q13)와 하단 스위칭 회로(Q21~Q23)를 제어하기 위한 펄스 폭 변조 신호를 출력할 수 있다.

도 10은 MTPA에 따른 d축 전류 및 q축 전류와, 제 1 실시예에 따른 d축 전류 및 q축 전류를 도시한 그래프이다.

즉, 도 10은 모터(100)의 손실을 고려하여 단위 전류당 최대의 토크가 발생하는 지점을 결정하는 그래프로서, 등토크선(ET)에서 전류손인 동손이 최소가 되는 지점이 단위 전류당 최대의 토크가 발생하는 선이다.

상술한 바와 같이, 동손만을 고려하여 구동 전류를 보상하는 MTPA 제어와 동손 및 철손을 고려하여 구동 전류를 보상하는 방법은 구동 전류에 차이가 있을 수 있다.

구체적으로, 도 10과 같이 동손만을 고려한 MTPA 제어에 따른 dq축 전류 곡선(MTPA)은 동손 및 철손을 고려한 LMC(Loss Minimization Control) 제어에 따른 dq축 전류 곡선(LMC)의 좌측에 있다. 즉, 동일한 토크에 대해서 구동 전류의 크기는 d축 전류 및 q축 전류가 동손만을 보상하는 것과 동손 및 철손 모두를 보상하는 것에는 차이가 있음을 알 수 있다.

또한, 제 1 실시예에서는 d축 인덕턴스, q축 인덕턴스 및 역기전력 상수를 추정하는 것을 설명하였으나, 저장부(500)에 저장된 미리 저장된 파라미터(590)를 불러와 추정없이 이용할 수도 있다.

이하, 도 11 내지 도 14를 참조하여 전력 변환부의 손실을 보상하기 위해서 각도 감지부 없이 직류 전압을 조절하는 모터 구동 장치의 제 2 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 11는 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이고, 도 12는 제어부의 상세한 블록도이다. 또한, 도 13은 모터의 회전 속도에 따른 상이한 직류 전압에서의 효율을 도시한 그래프이고, 도 14는 모터의 부하에 따른 상이한 직류 전압에서의 손실을 도시한 그래프이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 인버터(250)에 공급되는 직류 전원의 크기 및 모터(100)의 회전 속도에 따라서 모터(100)의 효율은 상이해질 수 있다.

구체적으로, 직류 전원이 310[V]인 경우 모터(100)의 기동시부터 회전 속도가 증가할수록 모터(100)의 효율(η1)은 증가한다. 그러나, 모터(100)의 회전 속도가 3600[rpm] 근방에서 모터(100)의 효율(η1)은 최대점을 지나 감소하기 시작한다.

그리고, 직류 전원이 380[V]인 경우 모터(100)의 기동시부터 회전 속도가 증가할수록 모터(100)의 효율(η2)은 증가한다. 그러나, 모터(100)의 회전 속도가 4500[rpm] 근방에서 모터(100)의 효율(η2)은 최대점을 지나 감소하기 시작한다.

여기서, 직류 전원이 310[V]인 경우와 직류 전원이 380[V]인 경우를 비교하면, 모터(100)의 회전 속도가 0[rpm]에서 4500[rpm]까지는 직류 전원이 310[V]인 경우(η1)가 직류 전원이 380[V]인 경우(η2)에 비해서 모터(100)의 효율이 크다. 그러나, 모터(100)의 회전 속도가 4500[rpm] 이상이 되면, 직류 전원이 380[V]인 경우(η2)가 직류 전원이 310[V]인 경우(η1)에 비해서 모터(100)의 효율이 크다.

또한, 도 13과 같이 모터(100)만을 고려한 경우뿐만 아니라, 도 14와 같이 모터(100)와 인버터(250)를 고려한 경우에도 인버터(250)에 공급되는 직류 전원의 크기 및 모터(100)의 부하에 따라서 소비 전력은 상이해질 수 있다.

구체적으로, 직류 전원이 310[V]인 경우 모터(100)의 기동시부터 부하가 증가할수록 모터(100) 및 인버터(250)의 손실은 서서히 증가하고, 부하가 55[%] 이상인 지점부터 급격하게 증가한다(P2).

그리고, 직류 전원이 380[V]인 경우 모터(100)의 기동시부터 부하가 증가할수록 모터(100) 및 인버터(250)의 손실은 증가하다가, 부하가 50[%]와 65[%]사이에서 모터(100) 및 인버터(250)의 손실은 감소한다. 그리고, 부하가 65[%] 이상인 지점부터 모터(100) 및 인버터(250)의 손실은 다시 증가한다(P1).

여기서, 직류 전원이 310[V]인 경우와 직류 전원이 380[V]인 경우를 비교하면, 모터(100)의 부하가 0[%]에서 57[%]까지는 직류 전원이 310[V]인 경우(P2)가 직류 전원이 380[V]인 경우(P1)에 비해서 모터(100) 및 인버터(250)의 손실이 작다. 그러나, 모터(100)의 부하가 57[%] 이상이 되면, 직류 전원이 380[V]인 경우(P1)가 직류 전원이 310[V]인 경우(P2)에 비해서 모터(100) 및 인버터(250)의 손실이 작다.

따라서, 도 13 및 도 14에 나타난 직류 전압의 크기에 따라 모터(100)의 효율 및 모터 구동 장치(1)의 소비 전력이 차이가 나는 현상에 기초해 직류 전원을 조절하여 모터 구동 장치(1)의 손실을 보상할 수 있다.

도 11 및 도 14에 도시된 바와 같이, 구동 제어부(760)는 모터(100)의 회전 속도 및 토크와, 전력 변환부의 손실에 기초하여 직류 전압 지령을 산출하고, 산출한 직류 전압 지령을 전원부(300)로 전달해 직류 전원을 조절하도록 전원부(300)를 제어할 수 있다.

여기서, 전력 변환부의 손실은 스위칭 손실 및 도통 손실을 포함할 수 있다. 스위칭 손실은 수학식 8로 표현될 수 있고, 도통 손실은 수학식 9로 표현될 수 있다.

수학식 8은 스위칭 손실을 산출하는 수식이다. 수학식 8의 변수 중에서

및

는 변화가 적거나 변화가 없는 변수로서

및

는 저장부의 미리 저장된 파라미터(590)에 해당 정보가 저장되어 있을 수 있다.

수학식 9는 도통 손실을 산출하는 수식이다. 수학식 9의 변수 중에서

,

및

는 변화가 적거나 변화가 없는 변수로서

,

및

구동 제어부(760)는 수학식 8의 스위칭 손실 및 수학식 9의 도통 손실을 보상하도록 직류 전원을 조절하는 직류 전압 지령을 산출할 수 있다.

구체적으로, 구동 제어부(760)는 전력 변환부 손실 추정기(731) 및 전원부 지령 산출기(736)를 포함할 수 있다.

전력 변환부 손실 추정기(731)는 전류 감지부(610)에서 감지한 구동 전류, 펄스폭 변조기(766)에서 명령하는 스위칭 주파수 및 저장부(500)에 저장된 미리 저장된 파라미터(590) 중 전력 변환부의 데이터 시트에 기초하여 전력 변환부의 손실을 추정할 수 있다.

또한, 전력 변환부 손실 추정기(731)는 룩업테이블 형태로 저장된 데이터를 이용하여 불연속적인 산출을 할 수도 있고, 함수의 형태로 연속적인 산출을 할 수도 있다. 연속적인 산출은 수학식 10을 참조하여 설명하도록 한다.

수학식 10은 전력 변환부의 손실을 산출하는 수식이다. 수학식 10의 변수 중에서 전력 변환부의 손실은

, 전력 변환부 손실은 산출하는 함수는

, 전력 변환부의 데이터 시트는

, 전력 변환부의 스위칭 주파수는

로 표현될 수 있다.

수학식 10과 같이, 전력 변환부 손실 추정기(731)는 해당 전력 변환부의 데이터 시트, 구동 전류 및 스위칭 주파수에 기초하여 전력 변환부의 손실을 추정하고, 추정된 전력 변환부의 손실을 전원부 지령 산출기(736)에 전달할 수 있다.

전원부 지령 산출기(736)는 전력 변환부 손실 추정기(731)에서 추정한 전력 변환부 손실, 속도 연산기(761)에서 산출한 모터(100)의 회전 속도 및 속도 제어기(763)를 통해 토크 제어를 통해 산출한 모터(100)의 토크에 기초하여 전력 변환부 손실을 보상하기 위해 직류 전압을 조절하는 직류 전압 지령을 결정할 수 있다. 또한, 전원부 지령 산출기(736)는 직류 전압 지령을 결정하기 위해서 저장부(500)에 저장된 전원부 지령 데이터(560)를 이용할 수 있다. 구체적으로, 전원부 지령 산출기(736)는 연속적인 지령 산출법인 전원부 지령 산출식(561)을 이용하여 직류 전압 지령을 결정할 수도 있고, 불연속적인 지령 산출법인 전원부 지령 데이터 테이블(562)을 이용하여 직류 전압 지령을 결정할 수도 있다.

연속적인 지령 산출법인 전원부 지령 산출식(561)을 이용하여 전원부 지령을 산출하는 수식은 수학식 11을 참조하여 설명하도록 한다.

수학식 11은 직류 전원 지령을 산출하는 수식이다. 수학식 11의 변수 중에서 직류 전압 지령은

, 직류 전압 지령을 산출하는 함수는

로 표현될 수 있다.

전원부 지령 산출기(736)는 수학식 11을 이용해 모터(100)의 토크 및 회전 속도와, 전력 변환부의 손실을 입력으로 하여 출력인 직류 전압 지령을 산출하여 전원부(300)에 전달할 수 있다.

전원부(300)는 전원부 지령 산출기(736)로부터 수신한 직류 전압 지령에 기초하여 직류 전압을 조절하여 전력 변환부의 손실을 보상할 수 있다.

예를 들어, 모터 구동 장치(1)는 회전 속도가 미리 설정된 속도 미만이고 토크가 미리 설정된 토크 미만이면, 직류 전원을 310[V]로 조절하고, 회전 속도가 미리 설정된 속도 이상이고 토크가 미리 설정된 토크 이상이면, 직류 전원을 380[V]로 조절하여 전력 변환부의 손실을 보상할 수 있다.

또한, 모터 구동 장치(1)는 전력 변환부의 구성인 인버터(250)의 손실 및 전원부(300)의 손실을 모두 고려하여 보상할 수도 있으나, 인버터(250)의 손실만을 고려하여 인버터(250)의 손실을 보상하거나, 전원부(300)의 손실만을 고려하여 전원부(300)의 손실을 보상할 수도 있다.

이상에서는 모터의 동손 및 철손을 보상하기 위해 인버터의 구동 전류를 조절하는 제 1 실시예 및 전력 변환부의 손실을 보상하기 위해 전원부의 직류 전압을 조절하는 제 2 실시예에 대해서 설명하였다.

이하에서는, 도 15 및 도 17을 참조하여 모터의 동손 및 철손과, 전력 변환부의 손실을 보상하기 위해 구동 전류 및 직류 전압을 조절하는 제 3 실시예에 대해 설명하도록 한다.

도 15는 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이다. 또한, 도 16은 제어부의 상세한 블록도의 일 예이고, 도 17은 제어부의 상세한 블록도의 다른 예이다.

전류 감지부(610)는 모터(100)에 공급되는 구동 전류를 감지하고, 전압 감지부(620)는 인버터(250)에 공급되는 직류 전압을 감지하여 메인 제어부(710)와 구동 제어부(760)로 전달할 수 있다.

메인 제어부(710)는 전류 감지부(610) 및 전압 감지부(620)가 감지한 구동 전류 및 직류 전압을 수신하여 모터(100)의 온도 및 인덕턴스와, 전원 변환부의 손실을 추정할 수 있다.

구체적으로, 상저항 추정기(721)는 구동 전류, 회전 속도 및 인덕턴스에 기초하여 상저항을 추정하고, 온도 추정기(722)는 추정된 상저항에 기초하여 모터(100)의 온도를 추정할 수 있다. 또한, 상저항으로 온도를 추정하지 않고, 역기전력 상수 추정기(724)를 통해 구동 전류 및 회전 속도에 기초하여 역기전력 상수를 추정하고, 온도 추정기(722)는 추정된 역기전력 상수에 기초하여 모터(100)의 온도를 추정할 수 있다.

인덕턴스 추정기(723)는 감지한 구동 전류 및 직류 전압에 기초하여 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 산출할 수 있다. 예를 들어, 인덕턴스 추정기(723)는 모터(100)에 시험 전원을 공급하여 전압 방정식을 통해 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 산출할 수 있다. 또한, 인덕턴스 추정기(723)는 저장부(500)에 저장된 미리 저장된 파라미터(590)를 불러와 전류 감지부(610)가 감지한 구동 전류 및 전압 감지부(620)가 감지한 직류 전원에 대응되는 데이터를 검색하여 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 산출할 수 있다. 이외에도 다양한 방법이 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 추정하는 방법의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

전원 변환부 손실 추정기(731)는 감지한 구동 전류, 펄스폭 변조기(766)에서 결정한 스위칭 주파수 및 저장부(500)에 저장된 미리 저장된 파라미터(590) 중 전력 변환부의 데이터 시트에 기초하여 전력 변환부의 손실을 추정할 수 있다.

인버터 지령 산출기(726)는 온도 추정기(722), 인덕턴스 추정기(723)에서 추정한 모터(100)의 온도, d축 인덕턴스 및 q축 인턱턴스와, 속도 연산기(761)에서 산출한 모터(100)의 회전 속도와, 속도 제어기(763)에서 토크 제어시 산출한 모터(100)의 토크에 기초하여 인버터 지령 또는 속도 지령을 산출하고, 산출된 지령을 속도 제어기(763) 또는 인버터(250)에 전달할 수 있다. 또한, 전원부 지령 산출기(736)는 전원 변환부 손실 추정기(731)에서 추정한 전력 변환부 손실과, 속도 연산기(761)에서 산출한 모터(100)의 회전 속도와, 속도 제어기(763)에서 토크 제어시 산출한 모터(100)의 토크에 기초하여 직류 전압 지령을 산출하고, 산출한 직류 전압 지령을 전원부(300)에 전달할 수 있다.

인버터(250)는 인버터 지령 산출기(726)를 통해 전달된 또는 메인 제어부(710)를 통해 전달된 제어 신호에 기초하여 구동 전류를 조절해 모터(100)의 동손 및 철손을 보상할 수 있다. 또한, 전원부(300)는 전원부 지령 산출기(736)를 통해 전달된 제어 신호인 직류 전압 지령에 기초하여 직류 전압을 조절해 인버터(250) 및 전원부(300)와 같은 전력 변환부의 손실을 보상할 수 있다.

이하, 각도 감지부 없이 센서리스로 속도를 산출한 제 1 실시예와 달리 각도 감지부를 통해 모터의 회전 변위를 감지하여 회전 속도를 산출하는 제 4 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 18은 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이고, 도 19는 제어부의 상세한 블록도이다.

전류 감지부(610)는 모터(100)에 공급되는 구동 전류를 감지하고, 전압 감지부(620)는 인버터(250)에 공급되는 직류 전압을 감지하고, 각도 감지부(630)는 모터(100)의 회전 변위를 감지하여 메인 제어부(710)와 구동 제어부(760)로 전달할 수 있다.

구동 제어부(760)의 속도 연산기(761)는 각도 감지부(630)에서 감지한 모터(100)의 회전 변위 및 펄스폭 변조기(766)에서 결정한 스위칭 주파수에 기초하여 모터(100)의 회전 속도를 산출하고, 산출된 회전 속도를 속도 제어기(763) 및 메인 제어부(710)에 전달할 수 있다.

메인 제어부(710)는 전류 감지부(610) 및 전압 감지부(620)가 감지한 구동 전류 및 직류 전압을 수신하여 모터(100)의 온도 및 인덕턴스를 추정할 수 있다.

구체적으로, 상저항 추정기(721)는 구동 전류, 회전 속도 및 인덕턴스에 기초하여 상저항을 추정하고, 온도 추정기(722)는 추정된 상저항에 기초하여 모터(100)의 온도를 추정할 수 있다.

인버터 지령 산출기(726)는 온도 추정기(722), 인덕턴스 추정기(723)에서 추정한 모터(100)의 온도, d축 인덕턴스 및 q축 인턱턴스와, 속도 연산기(761)에서 산출한 모터(100)의 회전 속도와, 속도 제어기(763)에서 토크 제어시 산출한 모터(100)의 토크에 기초하여 인버터 지령 또는 속도 지령을 산출하고, 산출된 지령을 속도 제어기(763) 또는 인버터(250)에 전달할 수 있다.

인버터(250)는 인버터 지령 산출기(726)를 통해 전달된 또는 메인 제어부(710)를 통해 전달된 제어 신호에 기초하여 구동 전류를 조절해 모터(100)의 동손 및 철손을 보상할 수 있다.

이하, 각도 감지부 없이 센서리스로 속도를 산출한 제 2 실시예와 달리 각도 감지부를 통해 모터의 회전 변위를 감지하여 회전 속도를 산출하는 제 5 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 20은 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이고, 도 21은 제어부의 상세한 블록도이다.

메인 제어부(710)는 전류 감지부(610) 및 전압 감지부(620)가 감지한 구동 전류 및 직류 전압을 수신하여 전원 변환부의 손실을 추정할 수 있다.

구체적으로, 전원 변환부 손실 추정기(731)는 감지한 구동 전류, 펄스폭 변조기(766)에서 결정한 스위칭 주파수 및 저장부(500)에 저장된 미리 저장된 파라미터(590) 중 전력 변환부의 데이터 시트에 기초하여 전력 변환부의 손실을 추정할 수 있다.

전원부 지령 산출기(736)는 전원 변환부 손실 추정기(731)에서 추정한 전력 변환부 손실과, 속도 연산기(761)에서 산출한 모터(100)의 회전 속도와, 속도 제어기(763)에서 토크 제어시 산출한 모터(100)의 토크에 기초하여 직류 전압 지령을 산출하고, 산출한 직류 전압 지령을 전원부(300)에 전달할 수 있다.

전원부(300)는 전원부 지령 산출기(736)를 통해 전달된 제어 신호인 직류 전압 지령에 기초하여 직류 전압을 조절해 인버터(250) 및 전원부(300)와 같은 전력 변환부의 손실을 보상할 수 있다.

이하, 각도 감지부 없이 센서리스로 속도를 산출한 제 3 실시예와 달리 각도 감지부를 통해 모터의 회전 변위를 감지하여 회전 속도를 산출하는 제 6 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 22는 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이고, 도 23은 제어부의 상세한 블록도이다.

구체적으로, 상저항 추정기(721)는 구동 전류, 회전 속도 및 인덕턴스에 기초하여 상저항을 추정하고, 온도 추정기(722)는 추정된 상저항에 기초하여 모터(100)의 온도를 추정할 수 있다. 또한, 상저항으로 온도를 추정하지 않고, 역기전력 상수 추정기(724)를 통해 구동 전류, 회전 속도 및 인덕턴스에 기초하여 역기전력 상수를 추정하고, 온도 추정기(722)는 추정된 역기전력 상수에 기초하여 모터(100)의 온도를 추정할 수 있다.

이하, 추정된 상저항 또는 역기전력 상수에 기초하여 온도를 추정한 제 1 실시예와 달리 모터의 온도를 온도 감지부를 통해 직접 감지하는 제 7 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 24는 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이고, 도 25는 제어부의 상세한 블록도이다.

온도 감지부(640)는 모터(100)의 온도를 감지하여 메인 제어부(710)로 전달할 수 있다. 온도 감지부(640)는 제 1 실시예 또는 제 4 실시예의 상저항 추정부, 역기전력 상수 추정부 및 온도 추정부를 대신해 모터(100)의 온도를 직접 감지하여 인버터 지령 산출부에 전달하고, 인버터 지령 산출부는 이를 인버터 지령 또는 속도 지령 산출에 이용할 수 있다.

또한, 온도 감지부(640)는 전기 저항 변화를 감지하여 모터(100)의 온도를 감지할 수도 있고, 열기전력을 감지하여 모터(100)의 온도를 감지할 수도 있고, 실리콘 다이오드 또는 트랜지스터의 온도 특성에 기초하여 모터(100)의 온도를 감지할 수도 있고, 초전 현상을 이용하여 모터(100)의 온도를 감지할 수 있다.

구체적으로, 전기 저항 변화를 감지하여 모터(100)의 온도를 측정하는 방법에는 측온 저항체(Resistance Temperature Detector, RTD)를 이용하여 모터(100)의 온도를 감지하는 방법이 이용될 수 있다. 또한, 반도체의 저항이 온도에 따라 변하는 특성을 통해 온도를 감지하는 서미스터를 이용할 수도 있는데, 이러한 서미스터에는 NTC(Negative Temperature Coefficient), PTC(Positive Temperature Coefficient) 및 CTR(Critical Temperature Resistor)가 이용될 수 있다.

또한, 온도 감지부(640)는 열기전력을 이용하여 모터(100)의 온도를 감지하는 경우, 재질이 상이한 2개의 금속 선을 통해 모터(100)의 온도를 감지하는 열전대 형식이 이용될 수 있다.

이외에도 모터(100)의 온도를 측정하기 위한 다양한 온도 센서가 온도 감지부(640)의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

메인 제어부(710)는 전류 감지부(610) 및 전압 감지부(620)가 감지한 구동 전류 및 직류 전압을 수신하여 인덕턴스를 추정할 수 있다.

구체적으로, 인덕턴스 추정기(723)는 감지한 구동 전류 및 직류 전압에 기초하여 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 산출할 수 있다. 예를 들어, 인덕턴스 추정기(723)는 모터(100)에 시험 전원을 공급하여 전압 방정식을 통해 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 산출할 수 있다. 또한, 인덕턴스 추정기(723)는 저장부(500)에 저장된 미리 저장된 파라미터(590)를 불러와 전류 감지부(610)가 감지한 구동 전류 및 전압 감지부(620)가 감지한 직류 전원에 대응되는 데이터를 검색하여 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 산출할 수 있다. 이외에도 다양한 방법이 d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스를 추정하는 방법의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

인버터 지령 산출기(726)는 온도 감지부(640)에서 감지한 모터(100)의 온도, 인덕턴스 추정기(723)에서 추정한 d축 인덕턴스 및 q축 인턱턴스와, 속도 연산기(761)에서 산출한 모터(100)의 회전 속도와, 속도 제어기(763)에서 토크 제어시 산출한 모터(100)의 토크에 기초하여 인버터 지령 또는 속도 지령을 산출하고, 산출된 지령을 속도 제어기(763) 또는 인버터(250)에 전달할 수 있다. 인버터(250)는 인버터 지령 산출기(726)를 통해 전달된 또는 메인 제어부(710)를 통해 전달된 제어 신호에 기초하여 구동 전류를 조절해 모터(100)의 동손 및 철손을 보상할 수 있다.

이하, 추정된 상저항 또는 역기전력 상수에 기초하여 온도를 추정한 제 3 실시예와 달리 모터의 온도를 온도 감지부를 통해 직접 감지하는 제 8 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 26은 모터 구동 장치의 구동부, 감지부, 저장부 및 제어부에 대한 블록도이고, 도 27은 제어부의 상세한 블록도이다.

메인 제어부(710)는 전류 감지부(610) 및 전압 감지부(620)가 감지한 구동 전류 및 직류 전압을 수신하여 모터(100)의 인덕턴스와, 전원 변환부의 손실을 추정할 수 있다.

인버터 지령 산출기(726)는 온도 감지부(640)에서 감지한 모터(100)의 온도, 인덕턴스 추정기(723)에서 추정한 모터(100)의 d축 인덕턴스 및 q축 인턱턴스와, 속도 연산기(761)에서 산출한 모터(100)의 회전 속도와, 속도 제어기(763)에서 토크 제어시 산출한 모터(100)의 토크에 기초하여 인버터 지령 또는 속도 지령을 산출하고, 산출된 지령을 속도 제어기(763) 또는 인버터(250)에 전달할 수 있다. 또한, 전원부 지령 산출기(736)는 전원 변환부 손실 추정기(731)에서 추정한 전력 변환부 손실과, 속도 연산기(761)에서 산출한 모터(100)의 회전 속도와, 속도 제어기(763)에서 토크 제어시 산출한 모터(100)의 토크에 기초하여 직류 전압 지령을 산출하고, 산출한 직류 전압 지령을 전원부(300)에 전달할 수 있다.

이상에서는, 모터 구동 장치의 구성에 대해서 설명하였다. 이하, 도 28 내지 도 30을 참조하여 모터 구동 장치에서 손실을 보상하는 방법에 대해서 설명하도록 한다.

도 28은 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 손실을 보상하는 방법에 대한 플로우 차트이다.

우선, 전압 감지부는 전원부에서 인버터로 공급되는 직류 전압을 감지(S 110)하고, 전류 감지부는 인버터에서 모터로 공급되는 구동 전류를 감지(S 120)하여 구동 제어부 및 메인 제어부로 전달한다.

메인 제어부는 전압 감지부 및 전류 감지부에서 전달한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 모터의 손실을 산출(S 130)한다. 또한, 메인 제어부는 산출된 모터의 손실에 기초하여 인버터 지령 또는 속도 지령을 인버터 또는 구동 제어부에 전달하고, 인버터 또는 구동 제어부는 구동 전류를 조절하여 모터의 철손 및 동손을 보상(S 140)한다.

도 29는 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 손실을 보상하는 방법에 대한 플로우 차트이다.

우선, 전압 감지부는 전원부에서 인버터로 공급되는 직류 전압을 감지(S 210)하고, 전류 감지부는 인버터에서 모터로 공급되는 구동 전류를 감지(S 220)하여 구동 제어부 및 메인 제어부로 전달한다.

메인 제어부는 전류 감지부에서 전달한 구동 전류와, 저장부에 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 모터, 인버터 및 전원부의 손실을 산출(S 230)한다. 또한, 메인 제어부는 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초해 직류 전압 지령을 산출하여 전원부로 전달해 직류 전압을 조절하도록 전원부를 제어하여 인버터 및 전원부의 손실을 보상(S 240)한다.

도 30은 또 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 손실을 보상하는 방법에 대한 플로우 차트이다.

우선, 전압 감지부는 전원부에서 인버터로 공급되는 직류 전압을 감지(S 310)하고, 전류 감지부는 인버터에서 모터로 공급되는 구동 전류를 감지(S 320)하여 구동 제어부 및 메인 제어부로 전달한다.

메인 제어부는 전압 감지부 및 전류 감지부에서 전달한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 모터의 손실 산출한다. 또한, 메인 제어부는 전류 감지부에서 전달한 구동 전류와, 저장부에 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 인버터 및 전원부의 손실을 산출(S 330)한다.

그리고, 메인 제어부는 산출된 모터의 손실에 기초하여 인버터 지령 또는 속도 지령을 인버터 또는 구동 제어부에 전달하고, 인버터 또는 구동 제어부는 구동 전류를 조절하여 모터의 철손 및 동손을 보상(S 340)한다. 또한, 메인 제어부는 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초해 직류 전압 지령을 산출하여 전원부로 전달해 직류 전압을 조절하도록 전원부를 제어하여 인버터 및 전원부의 손실을 보상(S 350)한다.

상기의 설명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 상기에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 모터 구동 장치
100 : 모터
110 : 로터
120 : 스테이터
200 : 구동부
250 : 인버터
300 : 전원부
310 : Grid 전원부
360 : DC Link 전원부
400 : 유저 인터페이스
500 : 저장부
510 : 인버터 지령 데이터
511 : 인버터 지령 산출식
512 : 인버터 지령 데이터 테이블
560 : 전원부 지령 데이터
561 : 전원부 지령 산출식
562 : 전원부 지령 데이터 테이블
590 : 미리 저장된 파라미터
600 : 감지부
610 : 전류 감지부
620 : 전압 감지부
630 : 각도 감지부
640 : 온도 감지부
700 : 제어부
710 : 메인 제어부
721 : 상저항 추정기
722 : 온도 추정기
723 : 인덕턴스 추정기
724 : 역기전력 상수 추정기
726 : 인버터 지령 산출기
731 : 전력 변환부 손실 추정기
736 : 전원부 지령 산출기
760 : 구동 제어부
761 : 속도 연산기
762 : 제 1 좌표계 변환기
763 : 속도 제어기
764 : 전류 제어기
765 : 제 2 좌표계 변환기
766 : 펄스폭 변조기

Claims

모터에 구동 전원을 공급하는 인버터;
상기 인버터에 공급되는 직류 전압 및 상기 인버터가 상기 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 감지부; 및
상기 감지한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 모터의 손실을 산출하고, 상기 산출된 모터의 손실에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하도록 상기 인버터를 제어하여 철손 및 동손을 보상하는 제어부;
를 포함하고,
상기 제어부는 상기 감지한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 상기 모터의 온도, 인덕턴스, 토크 및 회전 속도를 산출하고, 상기 산출된 온도, 인덕턴스, 토크 및 회전 속도에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하도록 상기 인버터를 제어하여 철손 및 동손을 보상하는 모터 구동 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어부는 인버터 지령 산출식에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하도록 상기 인버터를 제어하는 모터 구동 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 인버터 지령 데이터 테이블에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하도록 상기 인버터를 제어하는 모터 구동 장치.
제1항에 있어서,
상기 감지부는 상기 모터의 회전 변위를 감지하고,
상기 제어부는 상기 감지한 회전 변위에 기초하여 상기 회전 속도를 산출하는 모터 구동 장치.
◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 모터의 온도를 산출하기 위해 상저항을 산출하고, 상기 산출된 상저항에 기초하여 상기 온도를 산출하는 모터 구동 장치.
◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 모터의 온도를 산출하기 위해 역기전력 상수를 산출하고, 상기 산출된 역기전력 상수에 기초하여 상기 온도를 산출하는 모터 구동 장치.
◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제1항에 있어서,
상기 감지부는 상기 모터의 온도를 감지하고,
상기 제어부는 온도를 산출하지 않고, 상기 인버터 제어에 상기 감지한 온도를 이용하는 모터 구동 장치.
◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 인덕턴스를 산출하지 않고, 미리 저장된 파라미터를 이용하는 모터 구동 장치.
인버터에 직류 전원을 공급하는 전원부;
상기 인버터에 공급되는 직류 전압 및 상기 인버터가 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 감지부; 및
상기 감지한 구동 전류와, 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 상기 모터의 손실과, 상기 인버터 및 상기 전원부의 손실을 산출하고, 상기 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초하여 상기 인버터에 공급되는 직류 전원을 조절하도록 상기 전원부를 제어하여 상기 인버터 및 전원부의 손실을 보상하는 제어부;
를 포함하고,
상기 제어부는 상기 감지한 구동 전류에 기초하여 상기 모터의 토크 및 회전 속도를 산출하고, 상기 산출된 모터의 토크, 회전 속도 및 인버터와 전원부의 손실에 기초하여 상기 직류 전원을 조절하도록 상기 전원부를 제어하여 상기 인버터 및 전원부의 손실을 보상하는 모터 구동 장치.
삭제
제10항에 있어서,
상기 제어부는 전원부 지령 산출식에 기초하여 상기 직류 전압을 조절하도록 상기 전원부를 제어하는 모터 구동 장치.
제10항에 있어서,
상기 제어부는 전원부 지령 데이터 테이블에 기초하여 상기 직류 전압을 조절하도록 상기 전원부를 제어하는 모터 구동 장치.
제10항에 있어서,
상기 감지부는 상기 모터의 회전 변위를 감지하고,
상기 제어부는 상기 감지한 회전 변위에 기초하여 상기 모터의 회전 속도를 산출하는 모터 구동 장치.
모터에 구동 전원을 공급하는 인버터;
상기 인버터에 직류 전원을 공급하는 전원부;
상기 인버터에 공급되는 직류 전압 및 상기 인버터가 상기 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 감지부; 및
상기 감지한 직류 전압 및 구동 전류와, 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 상기 모터의 손실과, 상기 인버터 및 상기 전원부의 손실을 산출하고, 상기 산출된 모터의 손실에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하도록 상기 인버터를 제어하여 철손 및 동손을 보상하고, 상기 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초하여 상기 인버터에 공급되는 직류 전원을 조절하도록 상기 전원부를 제어하여 상기 인버터 및 상기 전원부의 손실을 보상하는 제어부;
를 포함하고,
상기 제어부는 상기 감지한 구동 전류에 기초하여 상기 모터의 토크 및 회전 속도를 산출하고, 상기 산출된 모터의 토크, 회전 속도 및 인버터와 전원부의 손실에 기초하여 상기 직류 전원을 조절하도록 상기 전원부를 제어하여 상기 인버터 및 전원부의 손실을 보상하는 모터 구동 장치.
인버터에 공급되는 직류 전압 및 상기 인버터가 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 단계;
상기 감지한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 상기 모터의 손실을 산출하는 단계;
상기 산출된 모터의 손실에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하여 철손 및 동손을 보상하는 단계; 및
상기 감지한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 상기 모터의 온도, 인덕턴스, 토크 및 회전 속도를 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 철손 및 동손의 보상은 상기 산출된 온도, 인덕턴스, 토크 및 회전 속도에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
삭제
제16항에 있어서,
상기 철손 및 동손의 보상은 인버터 지령 산출식에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
제16항에 있어서,
상기 철손 및 동손의 보상은 인버터 지령 데이터 테이블에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
제16항에 있어서,
상기 모터의 회전 변위를 감지하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 모터의 회전 속도의 산출은 상기 감지한 회전 변위에 기초하여 산출하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
◈청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제16항에 있어서,
상기 모터의 온도 산출은 상저항을 산출하고, 상기 산출된 상저항에 기초하여 상기 온도를 산출하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
◈청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제16항에 있어서,
상기 모터의 온도 산출은 역기전력 상수를 산출하고, 상기 산출된 역기전력 상수에 기초하여 상기 온도를 산출하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
◈청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제16항에 있어서,
상기 모터의 온도를 감지하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 모터의 온도를 산출하지 않고, 상기 감지한 모터의 온도를 이용하여 상기 구동 전류를 조절하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
◈청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제16항에 있어서,
상기 인덕턴스는 상기 감지한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 산출하지 않고, 미리 저장된 파라미터를 이용하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
인버터에 공급되는 직류 전압 및 상기 인버터가 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 단계;
상기 감지한 구동 전류와, 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 상기 모터의 손실과, 상기 인버터 및 상기 전원부의 손실을 산출하는 단계;
상기 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초하여 상기 인버터에 공급되는 직류 전원을 조절하여 상기 인버터 및 전원부의 손실을 보상하는 단계; 및
상기 감지한 구동 전류에 기초하여 상기 모터의 토크 및 회전 속도를 산출하는 단계;
를 포함하고,
상기 인버터 및 전원부의 손실의 보상은 상기 산출된 모터의 토크 및 회전 속도와, 상기 인버터 및 상기 전원부의 손실에 기초하여 상기 직류 전원을 조절하여 상기 인버터 및 상기 전원부의 손실을 보상하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
삭제
제25항에 있어서,
상기 손실 보상은 전원부 지령 산출식에 기초하여 상기 직류 전원을 조절하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
제25항에 있어서,
상기 손실 보상은 전원부 지령 데이터 테이블에 기초하여 상기 직류 전원을 조절하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
제25항에 있어서,
상기 모터의 회전 변위를 감지하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 모터의 회전 속도의 산출은 상기 감지한 회전 변위에 기초하여 산출하는 모터 구동 장치의 제어 방법.
인버터에 공급되는 직류 전압 및 상기 인버터가 모터에 공급하는 구동 전류를 감지하는 단계;
상기 감지한 직류 전압 및 구동 전류와, 미리 저장된 인버터 및 전원부의 정보에 기초하여 상기 모터의 손실과, 상기 인버터 및 상기 전원부의 손실을 산출하는 단계;
상기 산출된 모터의 손실에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하여 철손 및 동손을 보상하는 단계;
상기 산출된 모터, 인버터 및 전원부의 손실에 기초하여 상기 인버터에 공급되는 직류 전원을 조절하여 상기 인버터 및 상기 전원부의 손실을 보상하는 단계; 및
상기 감지한 직류 전압 및 구동 전류에 기초하여 상기 모터의 온도, 인덕턴스, 토크 및 회전 속도를 산출하는 단계;
를 포함하고,
상기 철손 및 동손의 보상은 상기 산출된 온도, 인덕턴스, 토크 및 회전 속도에 기초하여 상기 구동 전류를 조절하는 모터 구동 장치의 제어 방법.