KR102509725B1 - 모터 구동 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부품 성능의 산포에 의한 제품별 흡입력의 차이를 보정할 수 있는 모터 구동 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 목표 소비전력에 대한 모터의 지령 속도와 모터의 현재 속도를 비교하고, 현재 속도가 지령 속도보다 작은 경우 목표 소비전력을 상향 조정함으로써, 모터가 오차 범위 내의 흡입력으로 동작하도록 제어한다.

Description

모터 구동 장치{Motor drive apparatus}
본 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부품 성능의 산포에 의한 제품별 흡입력의 차이를 보정할 수 있는 모터 구동 장치에 관한 것이다.
소형 정밀제어 모터는 크게 AC 모터, DC 모터, 브러시리스(Brushless) DC 모터 및 릴럭턴스(Reluctance) 모터로 구분된다.
이러한 소형 정밀제어 모터는 AV 기기용, 컴퓨터용, 가전 및 주택설비용, 산업용 등 많은 곳에서 사용되고 있다. 특히 가전 분야는 소형모터의 최대 시장을 형성해 가고 있는 분야이다. 가전제품은 점차 고급화 되어 가고 있으며 그에 따라 구동되는 모터의 소형화, 저소음화, 저소비전력화 등이 요구된다.
여기에서, 국내 공개 특허(KR 10-2016-0098886 A1)를 참조하면, 종래의 모터에 대한 구동 장치가 도시되어 있는바, 이를 참조하여, 종래의 모터 구동 장치를 살펴보도록 한다.
도 1은 종래의 모터 구동 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 모터　구동 장치(10)는　모터(11),　인버터(12) 및 제어유닛(13)을 포함할 수 있다.
모터(11)는 3상 코일(미도시)이 권선된 스테이터(stator) 및 스테이터 내에 배치되며 3상 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 로터(rotor)를 포함할 수 있다.
모터(11)는 유도　모터(induction motor), BLDC　모터(blushless DC motor), 릴럭턴스　모터(reluctance motor)를 포함할 수 있다. 이 중, BLDC 모터는 브러쉬와 정류자가 없는 모터로서, 기계적인 마찰손실이나 불꽃, 노이즈가 원칙적으로는 발생하지 않으며 속도 제어나 토크 제어가 뛰어나다. 또한, 속도 제어에 의한 손실이 없고, 소형모터로서는 효율이 높아 가전분야의 제품에 많이 사용되고 있다.
인버터(12)는 3상 스위치 소자들(미도시)을 포함한다. 3상 스위치 소자들은 제어유닛(13)으로부터 수신한 동작 제어 신호(이하, 'PWM(Pulse Width Modulation) 신호'라 칭함, PWMS)를 기초로 온오프 동작을 수행한다. 이를 통해, 3상 스위치 소자들은 입력된 DC 전압(Vdc)을 3상 AC 전압(Vua, Vvb, Vwc)으로 변환하여 3상 코일로 공급할 수 있다.
제어유닛(13)은 입력받은 목표 지령값 및 로터의 전기각 위치를 기반으로 3상 스위치소자들 각각의 온 동작에 대한 온 시간구간 및 오프동작에 대한 오프 시간구간을 결정하는 PWM 신호(PWMS)를 출력할 수 있다. 이때, 목표 지령값은 목표 소비전력에 대한 지령을 포함한다.
이러한 모터 구동 장치는 구동을 위한 복수의 부품을 포함한다. 다만, 각각의 부품들은 제조과정에서 성능에 대한 일정한 산포를 가질 수 있다. 즉, 동일한 종류의 부품일지라도 각각의 성능은 서로 상이할 수 있다. 이에 따라, 동일한 구성요소를 포함하는 모터 구동 장치들은 부품의 산포에 따라 성능에 차이가 발생할 수 있다.
다만, 종래의 모터 구동 장치는 동작 시, 이러한 부품 성능의 산포를 고려하지 않고 동일한 지령값을 이용함에 따라, 복수의 모터 구동 장치 각각의 성능에 차이가 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 복수의 모터 구동 장치에서 부품 성능의 산포에 따른 흡입력의 오차 범위를 감소시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 목표 소비전력에 대한 모터의 지령 속도와 모터의 현재 속도를 비교하고, 현재 속도가 지령 속도보다 작은 경우 목표 소비전력을 상향 조정함으로써, 모터가 일정한 흡입력으로 동작할 수 있도록 제어한다.
본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 부품의 산포로 인해 흡입력이 감소되는 경우 목표 소비전력을 보상함으로써, 모터 구동 장치의 흡입력을 오차 범위 내로 유지시킬 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 모터 구동 장치는 부품 성능의 산포에 영향을 적게 받게 되어, 동작 신뢰성 및 안정성을 향상시킬 수 있고, 고속 동작에 필요한 높은 출력을 확보할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 모터 구동 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 블록도이다.　
도 3은 도 2의 제어유닛의 구성요소를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 2의 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.　
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법의 일 예를 설명하기 위한 순서도이다.　
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 개선된 동작 성능을 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하에서는, 도 2 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 모터 구동 장치를 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 블록도이다.　
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 모터(110), 인버터(120) 및 제어유닛(130)을 포함할 수 있다.
모터(110)는 3상 코일(미도시)이 권선된 스테이터(stator) 및 스테이터 내에 배치되며 3상 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 로터(rotor)를 포함할 수 있다. 인버터(120)로부터 3상 교류 전압(Vua, Vvb, Vwc)이 3상 코일로 공급되면, 모터(110)에서는 3상 코일에서 발생된 자계에 따라 로터에 포함된 영구자석이 회전한다. 다만, 본 발명이 3상 코일에 의해 동작하는 3상 모터에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 단상 코일을 이용하는 단상 모터를 더 포함할 수 있다. 이하에서는, 3상 모터를 기준으로 본 발명의 특징을 설명하도록 한다.
모터(110)는 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 모터(110)는 표면 부착형 영구자석 동기 모터(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기 모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 모터(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다.
인버터(120)는 3상 스위치 소자들(미도시)를 포함할 수 있다. 3상 스위치 소자들은 제어유닛(130)에서 공급된 동작 제어 신호(이하, 'PWM(Pulse Width Modulation) 신호'라 칭함, 이하, PWM 신호)가 입력되면, 스위치 온 또는 스위치 오프로 동작한다. 이를 통해, 인버터(120)는 입력된 직류 전압(Vdc)을 3상 교류 전압(Vua, Vvb, Vwc)로 변환하여 3상 코일로 공급할 수 있다. 3상 스위치 소자들에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
제어유닛(130)는 목표 지령값 입력시, 목표 지령값 및 로터의 전기각 위치를 기초로 3상 스위치소자들 각각의 온 동작에 대한 온 시간구간 및 오프동작에 대한 오프 시간구간을 결정하는 PWM 신호(PWMS)를 출력할 수 있다. 제어유닛(130)에 대한 자세한 설명은 도 2를 참조하여 후술하도록 한다.
모터 구동 장치는 입력 전류 검출부(A), 직류단 검출부(B), 직류단 커패시터(C), 전동기 전류 검출부(E), 입력 전압 검출부(F), 및 인덕터(L1, L2) 등을 더 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 앞의 추가적인 구성요소 중 일부는 생략되어 실시될 수 있다.
입력 전류 검출부(A)는 상용 교류 전원(101)으로부터 입력되는 입력 전류(ig)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(A)로, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(ig)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 전력 제어를 위해 제어유닛(130)에 입력될 수 있다.
입력 전압 검출부(F)는 상용 교류 전원(101)으로부터 입력되는 입력 전압(vg)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전압 검출부(F)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 입력 전압(vg)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 전력 제어를 위해 제어유닛(130)에 입력될 수 있다.
인덕터(L1, L2)는 상용 교류 전원(101)과 정류부(105) 사이에 배치되어, 노이즈 제거 등의 동작을 수행할 수 있다.
정류부(105)는 인덕터(L1, L2)를 거친 상용 교류 전원(101)을 정류하여 출력한다. 예를 들어, 정류부(105)는, 4개의 다이오드가 연결된 풀 브릿지 다이오드를 구비할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형되어 적용될 수 있다.
커패시터(C)는 입력되는 전원을 저장한다. 도면에서는, 직류단 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
직류단 검출부(B)는 커패시터(C)의 양단의 직류단 전압(Vdc) 및 직류단 전류(Idc)를 검출할 수 있다. 이를 위해, 직류단 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 직류단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, PWM 신호(PWMS)의 생성을 위해 제어유닛(130)에 입력될 수 있다. 또한, 인버터(120)에 제공되는 직류단 전압(Vdc) 및 직류단 전류(Idc)는 인버터(120)의 현재 소비전력을 계산하는데 이용될 수 있다.
전동기 전류 검출부(E)는, 인버터(120)와 3상 모터(110) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 3상 모터(110)에 흐르는 전류를 검출한다. 전동기 전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia, ib, ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 3상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
전동기 전류 검출부(E)는 인버터(120)와 3상 모터(110) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
이에, 제어유닛(130)는, 입력 전류 검출부(A)에서 검출되는 입력 전류(ig)와 입력 전압 검출부(F)에서 검출되는 입력 전압(vg), 직류단 검출부(B)에서 검출되는 직류단 전압(Vdc) 및 직류단 전류(Idc), 전동기 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 이용하여 인버터(120)의 동작 제어를 수행할 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어유닛(130)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 PWM 신호(PWMS)가 생성된다. 이하에서는 검출된 출력전류(io)가 3상의 출력 전류(ia,ib,ic)인 것으로 하여 기술한다.
도 3은 도 2의 제어유닛의 구성요소를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제어유닛(130)은 소비전력 계측부(210), 소비전력 보상부(215), 소비전력 제어부(220), 3상/2상 축변환부(232), 위치 추정부(234), 속도 연산부(236), 지령치 생성부(240), 2상/3상 축변환부(250) 및 신호 생성부(이하, 'PWM 생성부'라 칭함, 260)를 포함할 수 있다.
여기에서, 소비전력 계측부(210), 소비전력 보상부(215) 및 소비전력 제어부(220)는 제어유닛(130) 내에서 최상위 제어기에 해당한다.
소비전력 계측부(210)는 인버터(120)에 인가되는 직류단 전압(Vdc)과 직류단 전류(Idc)를 입력받고, 인버터(120)의 현재 소비전력(Pr)을 계산한다. 계산된 현재 소비전력(Pr)은 소비전력 제어부(220)에 제공된다.
소비전력 보상부(215)는 속도 연산부(236)에서 연산된 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00001
)와 소비전력 제어부(220)에서 연산된 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00002
)를 입력받고, 소비전력의 보상값(이하, 보상 소비전력(Pc))을 출력한다.
구체적으로, 소비전력 보상부(215)는 입력받은 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00003
)와 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00004
)의 크기를 비교한다. 이어서, 소비전력 보상부(215)는 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00005
)가 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00006
)보다 작은 경우, 보상 소비전력(Pc)의 크기를 증가시킬 수 있다. 이때, 보상 소비전력(Pc)의 초기 설정값은 '0'일 수 있다. 다만, 보상 소비전력(Pc)의 초기 설정값은 사용자에 의해 변경될 수 있다.
반면, 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00007
)가 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00008
)보다 큰 경우, 소비전력 보상부(215)는 보상 소비전력(Pc)의 크기를 유지시키거나 감소시킬 수 있다.
소비전력 제어부(220)는 사용자로부터 입력된 목표 소비전력(Pref)과, 소비전력 계측부(210)로부터 수신한 현재 소비전력(Pr)과, 소비전력 보상부(215)로부터 수신한 보상 소비전력(Pc)를 입력받는다. 이어서, 소비전력 제어부(220)는 목표 소비전력(Pref), 현재 소비전력(Pr) 및 보상 소비전력(Pc)을 기초로 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00009
)를 산출한다. 소비전력 제어부(220)에서 산출된 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00010
)는 지령치 생성부(240)로 전달된다.
여기에서, 소비전력 제어부(220)는 비교기(221)와 PID 제어기(223)을 포함한다.
구체적으로, 비교기(221)는 목표 소비전력(Pref)과 보상 소비전력(Pc) 사이의 차이를 계산한 뒤, 보상 소비전력(Pc)을 반영한 값을 산출한다. 비교기(221)에서 산출된 값은 PID 제어기(223)에 입력된다. 다만, 본 발명의 다른 실시예에서 비교기(221)는 생략되어 실시될 수 있다. 이 경우 PID 제어기(223)는 목표 소비전력(Pref), 현재 소비전력(Pr) 및 보상 소비전력(Pc)를 입력 받아 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00011
)를 산출한다.
PID 제어기(223)는 비교기(221)에서 산출된 값을 기초로 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00012
)를 계산한다. PID 제어기(223)는 기본적으로 피드백 제어기의 형태를 가지고 있으며, 비례-적분-미분 제어기의 형태를 가진다. PID 제어기(223)는 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 목표 소비전력(Pref), 현재 소비전력(Pr) 및 보상 소비전력(Pc)의 값을 기초로 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00013
)를 계산할 수 있다.
만약, 소비전력 보상부(215)에서 출력된 보상 소비전력(Pc)이 양(+)의 값을 갖는 경우, 소비전력 제어부(220)에서 출력되는 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00014
)는 증가될 수 있다. 이는 실질적으로 소비전력 제어부(220)에 전달되는 목표 소비전력(Pref)의 값을 증가시키는 효과를 가질 수 있다. 이에 따라, 모터(110)의 출력은 향상되며, 모터 구동 장치의 흡입력은 증가될 수 있다.
반대로, 소비전력 보상부(215)에서 출력된 보상 소비전력(Pc)이 그대로 유지되거나 음(-)의 값을 갖는 경우, 소비전력 제어부(220)에서 출력되는 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00015
)는 그대로 유지되거나 감소될 수 있다. 이는 실질적으로 소비전력 제어부(220)에 전달되는 목표 소비전력(Pref)의 값을 그대로 유지하거나 감소시키는 효과를 가질 수 있다. 이에 따라, 모터(110)의 출력은 그대로 유지되거나 다소 감소될 수 있다.
즉, 본 발명의 제어유닛(130)은 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00016
)를 기초로 목표 소비전력(Pref)을 보상하는 피드백 보상 회로를 구비함으로써, 모터 구동 장치에 포함된 부품의 성능에 대한 산포로 인해 흡입력이 감소되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제어유닛(130)은 부품의 성능에 대한 산포로 인해 흡입력이 감소되는 경우 목표 소비전력(Pref)을 증가시킴으로써, 모터 구동 장치의 흡입력을 오차 범위 내로 유지시킬 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 모터 구동 장치는 부품 성능의 산포에 대한 영향을 최소화하여, 동작 신뢰성 및 안정성을 향상시킬 수 있고, 고속 동작에 필요한 높은 출력을 확보할 수 있다.
한편, 3상/2상 축변환부(232)는 모터(110)에서 출력된 3상 전류(ia, ib, ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)로 변환한다. 이어서, 3상/2상 축변환부(232)는 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id, iq)로 변환할 수 있다.
위치 추정부(234)는 3상 전류(ia, ib, ic) 및 3상 전압(Va, Vb, Vc) 중 적어도 하나를 검출하여, 모터(110)에 포함된 로터의 위치(H)를 추정할 수 있다.
속도 연산부(236)는 위치 추정부(234)에서 추정한 위치(H) 및 3상 전류(Ia, Ib, Ic) 또는 3상 전압(Va, Vb, Vc) 중 적어도 하나에 기초하여, 로터의 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00017
)를 연산할 수 있다. 즉, 속도 연산부(236)는 위치(H)를 시간으로 나누어 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00018
)를 연산할 수 있다.
또한, 속도 연산부(236)는 위치(H)에 기초하여 연산된 전기각 위치(
Figure 112018021101839-pat00019
)와 연산된 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00020
)를 출력할 수 있다.
지령치 생성부(240)는 전류 지령 생성부(242) 및 전압 지령 생성부(244)를 포함할 수 있다.
전류 지령 생성부(242)는 연산된 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00021
)와 소비전력 제어부(220)에서 제공된 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00022
)에 기초하여, 속도 지령치(ω* r)를 연산한다.
이후, 전류 지령 생성부(242)는 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다.
예를 들어, 전류 지령 생성부(242)는, 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00023
)와 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00024
)의 차이인 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, PI 제어기(243)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 전류 지령 생성부(242)는 q축 전류 지령치(i* q)의 생성시, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성할 수 있다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
또한, 전류 지령 생성부(242)는, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
전압 지령 생성부(244)는, 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id, iq)와, 전류 지령 생성부(242) 등에서의 전류 지령치(i* d, i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)를 생성한다.
예를 들어, 전압 지령 생성부(244)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(245)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다.
또한, 전압 지령 생성부(244)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(246)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다.
한편, d축 전압 지령치(v* d)의 값은, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(244)는, d 축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)는, 2상/3상 축변환부(250)에 입력된다.
2상/3상 축변환부(250)는, 속도 연산부(236)에서 연산된 위치(
Figure 112018021101839-pat00025
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 2상/3상 축변환부(250)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(236)에서 연산된 전기각 위치(
Figure 112018021101839-pat00026
)가 사용될 수 있다.
그리고, 2상/3상 축변환부(250)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 2상/3상 축변환부(250)는, 3상 출력 전압 지령치(v* a, v* b, v* c)를 출력하게 된다.
PWM 생성부(260)는 3상 출력 전압 지령치(v* a, v* b, v* c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 인버터용 PWM 신호(PWMS)를 생성하여 출력한다.
PWM 신호(PWMS)는 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(120) 내의 3상 스위칭 소자들의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 따라, 인버터(120) 내의 3상 스위칭 소자들은 스위칭 동작을 수행한다.
여기서, PWM 생성부(260)는 상술한 전기각 위치(
Figure 112018021101839-pat00027
) 및 3상 전압(Va, Vb, Vc)를 기반으로 PWM 신호(PWMS)의 온 시간구간 및 오프 시간구간을 가변시켜, 3상 스위치소자들의 스위치 동작을 제어할 수 있다.
도 4는 도 2의 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(120)는 3상 스위치소자들을 포함할 수 있으며, 제어유닛(130)으로부터 공급된 PWM 신호(PWMS)에 의해 스위치 온 및 오프 동작하여 입력된 직류 전압(Vdc)을 소정 주파수 또는 듀티를 갖는 3상 교류 전압(Vua, Vvb, Vwc)으로 변환하여 모터(110)로 출력할 수 있다.
3상 스위치소자들은 서로 직렬 연결되는 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc) 및 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'b)가 서로 한 쌍이 되며, 총 세쌍의 제1 내지 제3 상암 스위치 및 제1 내지 제3 하암 스위치((Sa&S'a, Sb&S'b, Sc&S'c)가 서로 병렬 연결될 수 있다.
즉, 제1 상, 하암 스위치(Sa, S'a)는 모터(110)의 3상 코일(La, Lb, Lc) 중 제1 상 코일(La)로 3상 교류 전압(Vua, Vvb, Vwc) 중 제1 상 교류 전압(Vua)를 공급한다.
또한, 제2 상, 하암 스위치(Sb, S'b)는 제2 상 코일(Lb)로 제2 상 교류 전압(Vvb)을 공급하며, 제3 상, 하암 스위치(Sc, S'c)는 제3 상 코일(Lc)로 제3 상 교류 전압(Vwc)를 공급할 수 있다.
여기서, 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc) 및 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'b) 각각은 로터의 일 회전당, 입력된 PWM 신호(PWMS)에 따라 한번 온 및 오프로 동작하여, 3상 코일(La, Lb, Lc) 각각으로 3상 교류 전압(Vua, Vvb, Vwc)을 공급함으로써, 모터(110)의 동작을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.　
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법에 있어서, 제어유닛(130)은 모터(110)의 현재 소비전력(Pr)과 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00028
)를 계산한다(S110). 여기에서, 현재 소비전력은 소비전력 계측부(210)에서 인버터(120)에 인가되는 전압과 전류를 기초로 연산될 수 있다. 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00029
)는 속도 연산부(236)에서 위치 추정부(234)에서 추정한 로터의 위치(H) 및 3상 전류(Ia, Ib, Ic) 또는 3상 전압(Va, Vb, Vc) 중 적어도 하나에 기초하여 연산될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 전술하였으므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
이어서, 제어유닛(130)은 연산된 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00030
)와 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00031
)을 비교한다(S120). 구체적으로, 소비전력 보상부(215)는 속도 연산부(236)에서 연산된 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00032
)와 소비전력 제어부(220)에서 연산된 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00033
)을 입력받고, 이를 기초로 보상 소비전력(Pc)을 출력한다.
이어서, 제어유닛(130)은 목표 소비전력(Pref)에 대한 보상값을 산출한다(S130). 구체적으로, 소비전력 보상부(215)는 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00034
)가 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00035
) 보다 작은 경우, 보상 소비전력(Pc)의 크기를 증가시킬 수 있다.
반면, 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00036
)가 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00037
)보다 큰 경우, 소비전력 보상부(215)는 보상 소비전력(Pc)의 크기를 유지시키거나 감소시킬 수 있다.
이때, 보상 소비전력(Pc)의 초기 설정값은 '0'일 수 있다. 다만, 보상 소비전력(Pc)의 초기 설정값은 사용자에 의해 변경될 수 있다.
이어서, 제어유닛(130)은 보상 소비전력(Pc)를 기초로 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00038
)에 보상값을 반영한다(S140). 앞에서 설명한 바와 같이, 소비전력 보상부(215)에서 출력된 보상 소비전력(Pc)이 양(+)의 값을 갖는 경우, 소비전력 제어부(220)에서 출력되는 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00039
)의 크기는 증가될 수 있다. 이는 실질적으로 소비전력 제어부(220)에 전달되는 목표 소비전력(Pref)의 값을 증가시키는 효과를 나타낼 수 있다. 이에 따라, 모터(110)의 출력은 향상되며, 모터 구동 장치의 흡입력은 증가될 수 있다.
반대로, 소비전력 보상부(215)에서 출력된 보상 소비전력(Pc)이 그대로 유지되거나 음(-)의 값을 갖는 경우, 소비전력 제어부(220)에서 출력되는 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00040
)는 그대로 유지되거나 감소될 수 있다. 따라서, 모터(110)의 출력도 그대로 유지되거나 감소될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법의 일 예를 설명하기 위한 순서도이다.　
도 6을 참조하면, 모터 구동 장치의 동작 방법의 일 예에 따르면, 제어유닛(130)은 모터(110)의 현재 소비전력(Pr)과 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00041
)를 계산한다(S210).
이어서, 제어유닛(130)은 연산된 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00042
)가 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00043
)보다 작은지 여부를 판단한다(S220). 구체적으로, 소비전력 보상부(215)는 속도 연산부(236)에서 연산된 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00044
)와 소비전력 제어부(220)에서 연산된 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00045
)을 입력받고, 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00046
)와 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00047
)를 기초로 보상 소비전력(Pc)을 출력한다.
이어서, 제어유닛(130)은 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00048
)가 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00049
) 보다 작은 경우, 목표 소비전력(Pref)을 증가시킨다(S230). 여기에서, 소비전력 보상부(215)는 보상 소비전력(Pc)의 크기를 증가시킴으로써 실질적으로 목표 소비전력(Pref)을 증가시키는 효과를 가질 수 있다.
이어서, 제어유닛(130)은 보상 소비전력(Pc)를 기초로 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00050
)의 크기를 증가시킨다(S240). 앞에서 설명한 바와 같이, 소비전력 보상부(215)에서 출력된 보상 소비전력(Pc)이 양(+)의 값을 갖는 경우, 소비전력 제어부(220)에서 출력되는 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00051
)는 증가될 수 있다.
이어서, 제어유닛(130)은 증가된 지령 속도(
Figure 112018021101839-pat00052
)를 기준으로 모터(110)를 제어한다(S250). 이에 따라, 모터(110)의 출력은 향상되며, 모터 구동 장치의 흡입력은 증가된다.
즉, 본 발명의 모터 구동 장치의 동작 방법은 모터(110)의 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00053
)를 기초로 제어유닛(130)에서 입력 받은 목표 소비전력(Pref)을 보상하는 피드백 보상 회로를 구비함으로써, 모터 구동 장치에 포함된 부품의 성능에 대한 산포로 인해 흡입력이 감소되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 개선된 동작 성능을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, <A> 는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 성능을 나타내고, <B> 는 종래의 모터 구동 장치의 동작 성능을 나타낸다. 여기에서, X축은 모터 구동 장치의 샘플 번호를 나타내고, Y축은 모터 구동 장치의 출력(즉, 흡입력)을 나타낸다.
<B> 범주를 우선 참조하면, 종래의 모터 구동 장치의 경우, 모터 구동 장치의 흡입력에 대한 최대값과 최소값의 차이는 약 10W 의 오차범위를 갖는 것으로 나타난다.
반면, <A> 범주를 참조하면, 본 발명의 모터 구동 장치의 경우, 현재 속도(
Figure 112018021101839-pat00054
)를 기초로 목표 소비전력(Pref)을 보상하는 피드백 보상 회로를 포함함에 따라, 흡입력의 최대값과 최소값의 차이는 최대 2.5W 정도의 오차범위를 갖는 것으로 나타난다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는 부품의 성능에 대한 산포로 인해 흡입력이 감소되는 경우, 목표 소비전력(Pref)을 증가시키는 구성요소(또는, 동작 알고리즘)을 포함함으로써, 모터 구동 장치의 흡입력의 오차 범위를 감소시킬 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는 부품 성능의 산포에 대한 영향을 최소화하여, 동작 신뢰성 및 안정성을 향상시킬 수 있고, 고속 동작에 필요한 높은 출력을 확보할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
101: 상용 교류 전원 105: 정류부
110: 모터 120: 인버터
130: 제어유닛

Claims (10)

  1. 모터를 구동시키는 인버터; 및
    상기 인버터에 포함된 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어유닛을 포함하고,
    상기 제어유닛은,
    상기 인버터에 제공되는 직류단 전압 및 직류단 전류를 기초로 상기 모터의 현재 소비전력(Pr)을 계산하며,
    입력되는 목표 소비전력(Pref)과 상기 모터의 상기 현재 소비전력(Pr)을 기초로 상기 인버터의 제어에 이용되는 지령 속도를 계산하고,
    상기 지령 속도와 상기 모터의 현재 속도를 비교하여, 비교 결과를 기초로 상기 목표 소비전력(Pref)의 크기를 보상하기 위한 보상 소비전력(Pc)을 계산하며,
    상기 보상 소비전력(Pc)을 상기 목표 소비전력(Pref)에 보상하여 상기 목표 소비전력을 조정하고,
    상기 조정된 목표 소비전력과 상기 현재 소비전력(Pr)의 차이를 기초로 상기 지령 속도를 제어하는
    모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 인버터에 인가되는 전압 및 전류를 입력받아 상기 현재 소비전력(Pr)을 계산하는 소비전력 계측부와,
    상기 지령 속도와 상기 현재 속도를 비교하여 보상 소비전력(Pc)을 계산하는 소비전력 보상부와,
    상기 목표 소비전력(Pref), 상기 현재 소비전력(Pr), 및 상기 보상 소비전력(Pc)를 기초로 상기 지령 속도를 산출하는 소비전력 제어부를 포함하는
    모터 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소비전력 보상부는,
    상기 현재 속도가 상기 지령 속도보다 작은 경우, 상기 보상 소비전력(Pc)의 크기를 증가시키는
    모터 구동 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 소비전력 보상부는,
    상기 현재 속도가 상기 지령 속도보다 큰 경우, 상기 보상 소비전력(Pc)의 크기를 유지 또는 감소시키는
    모터 구동 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 소비전력 제어부는,
    상기 목표 소비전력(Pref) 및 상기 보상 소비전력(Pc)의 합과, 상기 현재 소비전력(Pr) 사이의 차이를 계산하는 비교기와,
    상기 비교기에서 출력된 값을 기초로 상기 지령 속도를 산출하는 PID 제어기를 포함하는
    모터 구동 장치.
  6. 3상 코일이 권선된 스테이터 및 상기 스테이터 내에 배치되며 상기 3상 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 로터를 포함하는 모터;
    상기 3상 코일로 3상 교류 전압이 공급 또는 차단되도록 온-오프 동작하는 3상 스위치소자들을 포함하는 인버터; 및
    상기 인버터에 포함된 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어유닛을 포함하고,
    상기 제어유닛은,
    상기 인버터에 제공되는 직류단 전압 및 직류단 전류를 기초로 상기 모터의 현재 소비전력(Pr)을 계산하며,
    입력되는 목표 소비전력(Pref)과 상기 모터의 현재 소비전력(Pr)을 기초로 상기 인버터의 제어에 이용되는 지령 속도를 계산하고, 상기 지령 속도와 상기 로터의 현재 속도를 비교하여, 비교 결과를 기초로 상기 목표 소비전력(Pref)의 크기를 보상하기 위한 보상 소비전력(Pc)을 계산하며,
    상기 보상 소비전력(Pc)을 상기 목표 소비전력(Pref)에 보상하여 상기 목표 소비전력을 조정하고,
    상기 조정된 목표 소비전력과 상기 현재 소비전력(Pr)을 기초로 상기 지령 속도를 제어하는
    모터 구동 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 인버터에 인가되는 전압 및 전류를 입력받아 상기 현재 소비전력(Pr)을 계산하는 소비전력 계측부와,
    상기 지령 속도와 상기 현재 속도를 비교하여 보상 소비전력(Pc)을 계산하는 소비전력 보상부와,
    상기 목표 소비전력(Pref), 상기 현재 소비전력(Pr), 및 상기 보상 소비전력(Pc)를 기초로 상기 지령 속도를 계산하는 소비전력 제어부를 포함하는
    모터 구동 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 소비전력 보상부는,
    상기 현재 속도가 상기 지령 속도보다 작은 경우, 상기 보상 소비전력(Pc)의 크기를 증가시키는
    모터 구동 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 소비전력 제어부는,
    상기 목표 소비전력(Pref) 및 상기 보상 소비전력(Pc)의 합과, 상기 현재 소비전력(Pr) 사이의 차이를 계산하는 비교기와,
    상기 비교기에서 출력된 값을 기초로 상기 지령 속도를 산출하는 PID 제어기를 포함하는
    모터 구동 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 3상 코일로부터 전류 또는 전압을 검출하여, 상기 로터의 전기각 위치를 추정하는 위치 추정부와,
    상기 로터의 전기각 위치 및 상기 검출된 전류를 기초로, 상기 로터의 상기 현재 속도를 연산하는 속도 연산부와,
    상기 현재 속도 및 상기 지령 속도를 기초로 전류 지령치를 생성하고, 상기 전류 지령치 및 상기 검출된 전류를 기초로 전압 지령치를 생성하는 지령치 생성부와,
    상기 전압 지령치 및 상기 전기각 위치를 기초로 상기 인버터의 스위치소자들의 동작을 제어하는 PWM 신호(PWMS)를 출력하는 PWM 생성부를 포함하는
    모터 구동 장치.
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