KR20020029544A - 모터의 과전류 제어 장치 - Google Patents

Abstract

고속으로 회전하는 모터의 초기 기동시 과전류 흐름이 예상되는 소정 시간동안 과전류 검출부의 동작을 지연시키도록 한 모터의 과전류 제어 장치에 관한 것으로, 회전자 및 회전자 위치 검출부를 구비한 모터에 있어서, 상기 회전자 위치 검출부에서 검출된 회전자의 위치에 따라 상기 회전자를 회전시키기 위한 상여자 신호(A+,A-,B+,B-,C+,C-)를 출력하는 제어부와, 상기 제어부의 출력신호에 따라 상기 모터를 구동시키기 위한 모터 구동부와, 과전류 검출여부에 따라 상기 모터 구동부의 구동을 정지시키기 위한 신호를 출력하는 과전류 검출부와, 상기 제어부에서 출력되는 상여자 신호중 펄스폭변조신호가 포함되지 않는 상여자 신호(A+,B+,C+)를 입력받아 기설정된 시간동안 지연시킨 후 신호를 출력하는 지연부와, 상기 과전류 검출부의 출력 신호와 상기 지연부의 출력신호를 논리곱 연산하여 출력되는 신호를 상기 모터구동부에 인가하는 앤드 게이트(AND GATE)를 포함하여 구성된 것으로 모터의 초기 기동시 베어링의 마찰력에 의해 과전류가 발생되어도 모터의 과전류 검출부의 동작을 소정 시간 지연시켜 모터를 정상적으로 구동시킬 수 있으므로 모터 조작에 대한 사용자의 신뢰성을 높이는 효과가 있다.

Description

모터의 과전류 제어 장치{Apparatus for controlling over current of motor}

본 발명은 모터에 관한 것으로, 특히 압축기를 구동시키기 위한 모터의 과 전류 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로 모터를 구동하기 위한 인버터(inverter)회로에는 과전류 보호회로가 설치되어 모터 구동 중에 과부하가 걸리는 문제가 발생하면 인버터회로를 비롯한 모터 전체의 구동을 정지시켜 전체회로를 보호한다.

이와 같은 모터에 일반적으로 많이 사용되는 볼 베어링보다 마찰력이 큰 가스 베어링(gas bearing), 예를 들어 포일 베어링(Foil bearing)을 사용한 경우, 볼 베어링을 사용한 모터에 비해 모터 초기 기동시 순간적으로 마찰력에 의해 구동 전류가 더 많이 요구되고, 따라서 모터로 정격전류 이상의 과전류가 흐르게 된다.

이때 상기 과전류 보호회로는 상기 과전류 검출에 의해 동작하여 모터의 구동을 중지시킨다.

특히 고속으로 회전하는 터보 압축기 모터의 경우는 볼 베어링을 사용하는 모터에 비해 기동전류가 더욱 많이 흐르게 되어 상기와 같은 모터의 구동이 자주 정지하게 된다.

이하, 종래 기술에 따른 압축기를 구동시키기 위한 모터의 과전류 제어 장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 따른 모터의 과전류 제어 장치를 나타낸 블록도이다.

종래 기술에 따른 모터의 과전류 제어 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 검출된 회전자 위치에 따라 회전자(rotor)를 회전시키기 위한 상여자 신호를 출력하는 제어부(10), 상기 제어부(10)의 상여자 신호에 따라 상기 회전자를 회전시키기 위한 모터 구동부(20), 기설정된 설정 전압이상의 전류가 검출되면 'High' 신호를 상기 모터 구동부로 출력하여 상기 모터의 동작을 정지시키기 위한 과전류 검출부(30)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 모터의 과전류 제어 장치의 동작은 도 1에 도시된 바와 같이 제어부(10)는 회전자 위치 검출부(도시되지 않음)로부터 검출된 모터의 회전자 (rotor)위치를 입력받고, 상기 모터 회전자의 위치에 따라 회전자를 회전시키기 위한 상 여자 신호(A+,A-,B+,B-,C+,C-)를 모터 구동부로 출력한다.

그리고 상기 출력된 상 여자 신호에 따라 모터 구동부는 3상으로 구성된 고정자의 여자를 변동시켜 모터의 회전자를 회전시킨다.

이때, 모터의 회전자가 회전하여 모터가 기동하기 시작하면 전류가 발생하게 되는데 상기 과전류 검출부(30)는 상기 발생된 기동 전류에 의해 유기되는 전압을 상기 제 1 저항의 양단에서 검출하여 상기 기설정된 제 1 직류(DC) 전압(32)과 비교한다.

이어서 상기 과전류 검출부(30)의 비교기(33)는 상기 모터 초기 기동시 발생된 전류에 의해 상기 제 1 저항(31)에 유기되는 전압이 기설정된 제 1 직류(DC) 전압(32) 이상이면, 상기 과전류 검출부(30)는 과전류가 발생한 것으로 판단하여 출력전압(Voc)을 'High'로 출력하고, 상기 출력된 'High' 출력전압(Voc)은 상기 모터 구동부의 셧다운(Shut down,21)단자에 인가되며, 상기 'High' 출력전압(Voc)이 상기 모터 구동부(30)의 셧다운 단자(shut down,31)단자에 인가되면 모터 구동부(30)는 상기 모터의 구동을 중지시키게 된다.

이상 종래 기술에 따른 모터의 과전류 제어 장치는 마찰력이 큰 베어링(bearing)을 사용한 모터의 초기 기동시 발생되는 과전류에 의해 과전류 검출부가 동작하여 모터의 구동을 중지시키게 되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 고속으로 회전하는 모터의 초기 기동시 과전류가 발생되는 소정 예상 시간동안 과전류 검출부의 동작을 지연시키도록 한 모터의 과전류 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 모터의 과전류 제어 장치를 나타낸 블록도

도 2 는 본 발명에 따른 모터의 과전류 제어 장치를 나타낸 블록도

도 3 은 본 발명에 따른 모터의 과전류 제어 방법을 나타낸 플로우 챠트

＊도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＊

100 : 제어부 150 : 모터 구동부

210 : 과전류 검출부 220 : 지연부

230 : 앤드 게이트(And gate)

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터의 과전류 제어장치의 특징은, 회전자 및 회전자 위치 검출부를 구비한 모터에 있어서, 상기 회전자 위치 검출부에서 검출된 회전자의 위치에 따라 상기 회전자를 회전시키기 위한 상여자 신호(A+,A-,B+,B-,C+,C-)를 출력하는 제어부와, 상기 제어부의 출력신호에 따라 상기 모터를 구동시키기 위한 모터 구동부와, 과전류 검출여부에 따라 상기 모터 구동부의 구동을 정지시키기 위한 신호를 출력하는 과전류 검출부와, 상기 제어부에서 출력되는 상여자 신호중 펄스폭변조신호가 포함되지 않는 상여자 신호(A+,B+,C+)를 입력받아 기설정된 시간동안 지연시킨 후 신호를 출력하는 지연부와, 상기 과전류 검출부의 출력 신호와 상기 지연부의 출력신호를 논리곱 연산하여 출력되는 신호를 상기 모터구동부에 인가하는 앤드 게이트(AND GATE)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 모터의 과전류 제어 장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 모터의 과전류 제어 장치이다.

본 발명에 따른 모터의 과전류 제어 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기회전자 위치 검출부에서 검출된 회전자의 위치에 따라 상기 회전자를 회전시키기 위한 상여자 신호(A+,A-,B+,B-,C+,C-)를 출력하는 제어부(100)와, 상기 제어부(100)의 출력신호에 따라 상기 모터를 구동시키기 위한 모터 구동부(150)와, 과전류 검출여부에 따라 상기 모터 구동부(150)의 구동을 정지시키기 위한 신호를 출력하는 과전류 검출부(210)와, 상기 제어부에서 출력되는 상여자 신호중 펄스폭변조신호가 포함되지 않는 상여자 신호(A+,B+,C+)를 입력받아 기설정된 시간동안 지연시킨 후 신호를 출력하는 지연부(220)와, 상기 과전류 검출부의 출력 신호와 상기 지연부의 출력신호를 논리곱 연산하여 출력되는 신호를 상기 모터구동부에 인가하는 앤드 게이트(AND GATE)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 과전류 검출부(210)는 모터 기동시 공급되는 전류에 의해 유기되는 전압을 검출하기 위한 제 1 저항과, 상기 제 1저항에서 검출된 전압을 비반전(+) 단자로 입력받고, 기설정된 제 1직류(DC) 전압을 반전(-) 단자로 입력받아 그 비교결과를 출력하는 제 1비교기로 구성된다.

또한, 상기 지연부(220)는 상기 제어부(100)에서 출력되는 신호에서 PWM(펄스폭변조신호)가 포함되지 않은 상여자 신호(A+,B+,C+)를 입력받아 논리곱 연산하는 오어 게이트와, 상기 오어 게이트에서 논리곱 연산되어 출력되는 신호를 기설정된 시정수에 상응하는 충전 시간만큼 지연시키기 위해 병렬로 연결된 제 2저항 및 캐패시터와, 상기 제 2저항 및 캐패시터에서 출력되는 전압을 비반전(+) 단자로 입력받고, 기설정된 제 2직류(DC)전압을 반전(-) 단자로 입력받아 그 비교결과를 출력하는 제 2비교기로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 모터의 과전류 제어 장치의 동작을 첨부한 도 2를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제어부(100)는 회전자 위치 검출부(도시되지 않음)로부터 검출된 회전자(rotor)의 위치를 입력받고, 상기 검출된 회전자의 위치를 참조하여 상기 회전자를 회전시키기 위한 구동 신호 즉, 3상 여자 신호(A+,A-,B+,B-,C+,C-)를 상기 모터 구동부(150)에 출력한다.

그리고 상기 모터 구동부(150)는 상기 출력된 상 여자 신호에 따라 고정자의 여자를 변동시켜 회전자를 회전시킨다.

이때, 상기 회전자가 회전하여 모터가 기동되기 시작하면 모터에 전류가 흐르게 되는데, 특히 예를 들어 고속으로 회전하는 모터에 상대적으로 마찰력이 큰 베어링을 사용한 경우 초기 기동시 많은 양의 전류를 요구하게 되고, 즉 모터의 직류(DC) 정격 전류 이상의 전류가 요구하게 되어 모터는 직류(DC) 정격 전류 이상의 과전류가 흐르게 된다.

한편, 상기 과전류 검출부(210)는 상기 모터의 초기 기동시 흐르는 기동 전류에 의해 유기되는 전압을 제 1 저항(211) 양단에서 검출하고, 상기 제 1 비교기는 상기 검출된 전압을 상기 기설정된 제 1 직류 (DC)전압과 비교하여 기설정된 설정전압(212) 즉, 제 1 직류(DC) 전압 이상인 경우에는 출력 전압(Voc)을 'High'로 출력하게 된다.

따라서 상기 모터에 직류(DC) 정격 전류 이상의 과전류가 흐르게 되면, 상기 제 1 비교부는 상기와 같이 출력전압(Voc)을 'High'로 출력하게 된다.

즉 과전류 검출부는 과전류의 발생여부를 판단하는 역할을 하게 된다.

상기 기설정된 제 1직류(DC) 전압(212)은 상기 과전류로 판단되는 소정의 전압으로 최대 허용 전류가 상기 모터 정격전류의 약 2배인 모터내의 전력용 반도체 소자(도시되지 않음)가 허용하는 최대 전류에 의해 상기 제 1 전압 검출부(211)에서 검출되는 전압보다는 작은 전압으로 설정되고, 상기 압축기 모터의 DC 정격전류에 의해 상기 제 1 저항(211) 양단에서 검출되는 전압보다는 소정 수 큰 전압으로 설정된다.

한편, 상기 지연부(220)는 상기 모터 구동부(150)로 입력되는 상여자 신호중 PWM(펄스폭 변조 신호)가 포함되지 않는 상여자 신호(A+,B+,C+)의 출력여부를 상기 논리합 연산을 하는 오어 게이트(or gate,222)를 통해 검출하여 상기 PWM 신호가 포함되지 상 여자 신호(A+,B+,C+)중 한 신호라도 검출되면 상기 모터가 기동되기 시작한 것으로 판단한다.

이어서 상기 지연부(220)는 상기 오어 게이트(222)에서 검출된 모터 구동 신호, 즉 상기 펄스폭 변조(PWM)신호가 포함되지 않은 상여자 신호 전압을 기설정된 시정수에 해당하는 시간만큼 지연시키고, 즉 상기 상여자 신호는 상기 커패시터를 지나면서 충전되므로 소정 시간 지연되어 출력된다.

상기 제 2 저항 및 커패시터의 조합에 의해 산출된 시정수 즉 예를 들면 여기서는 제 2저항(223)×커패시터(224)의 값이 시정수로 설정되며, 상기 시정수는 볼베어링을 대체하여 채용된 가스 베어링의 마찰력을 극복하는데 충분하다고 고려되는 시간으로 대략 1 ms 의 시간이하로 설정된다.

한편, 상기 제 2 저항(223)과 상기 커패시터(224)를 통과하면서 소정 시간이 지연되면 그때의 전압을 상기 제 2 저항 양단에서 검출하고, 상기 지연부(220)의 기설정된 제 2 직류(DC) 전압(221)과 비교하여 소정 시간 지연되었는지 여부를 판단하고, 소정 시간 지연된 것으로 판단되면 출력 전압을 'High' 신호로 출력하게 된다.

상기 기설정된 제 2 직류(DC) 전압(221)은 상기 오어 게이트(222)를 통과하는 폭변조 신호가 포함 되지 않는 3개의 상여자 신호중 하나의 신호만이 통과하므로 한 신호의 상여자 신호 전압에 상기 저항과 커패시터를 통과하면서 충전되는 시간을 소정 적용하여 전압을 설정하게 된다.

상기 시정수는 시스템이나 어떤 물체가 목표 위치까지 도달하는 시간을 말하며, 어떤 시스템에 입력을 주었을때 실시간으로 반응을 하는 것이 아니고 목표점까지는 어느 정도의 시간이 걸리게 되는데 대략 목표점의 63.2 %에 도달하는 시간이다.

그리고 상기 논리합 연산을 하는 앤드 게이트(And gate,230)는 상기 과전류 검출부(210)의 'High' 출력전압(Voc)과 지연부의 'High'출력전압(Vc)이 동시에 출력되는지 여부에 따라 상기 'High' 전압이 동시에 출력되면 상기 모터 구동부(150)의 셧다운 단자(shut down)에 'High' 출력전압을 인가하여 상기 모터 구동부(150)는 모터의 구동을 중지시키게 된다.

즉, 상기 지연부(220)에서 모터 초기 기동시 발생되는 과전류 허용 시간을 소정 지연시킨 후 출력전압(Vc)을 'High'로 출력하였을 때 동시에 상기 과전류 검출부(210)에서 출력전압(Voc)이 'High'로 출력되면 모터의 초기 기동에 의한 과전류가 아닌 모터 구동시 발생되는 일반적인 과전류로 판단하여 모터의 구동을 정지시킨다.

상기와 같이 지연부(220)에서 과전류가 허용되는 시간을 소정 지연시키는 시간을 구현하기 위한 시정수를 산출하는 방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 일반적으로 3상을 갖는 모터의 고정자 권선의 기동 순간의 짧은 시간동안 역기전력을 '0'으로 보면, 전압 방정식은 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

여기서 R'은 3상을 갖는 모터에서 고정자의 상간 저항이고, L'은 상간 인덕턴스(inductance)이며, Vdc는 직류(DC) 링크(Link)전압이다.

그리고 모터 고정자 권선의 전압 방정식인 수학식 1을 미분 방정식의 해를 구하는 방법으로 시간에 따라 변하는 전류에 관한 식으로 변환하면 수학식 2와 같이 표현된다.

이때 τlr = L/R 같다.

한편, 모터 내부의 전력용 반도체 소자가 기동 순간의 짧은 시간 동안 통과시킬 수 있는 펄스 전류(Ipulse)는 일반적으로 상온에서의 모터 정격전류(Id)의 대략 2배정도 되며, 이 정도의 전류가 고정자 권선에 흐르는 필요한 시간(tpulse)을 산출하기 위해 상기 수학식 2의 시간 변수 t에 상기 고정자 권선에 흐르는 필요한 시간(tpulse)를 대입하고, 그 때 산출되는 전류를 Ipulse로 설정하면 i(tpulse) = Ipulse로 표현되며, 상세히는 수학식 3으로 표현된다.

- 1 )

상기 수학식 3은 상기 수학식 2의 시간 t를 반도체 소자가 허용하는 정격전류가 고정자 권선에 전류가 흐르는데 필요한 시간 tpulse로 대치하고, 또한 상기 수학식 2의 우변에 상기 tpulse가 대입되어 산출된 값을 Ipulse로 설정하면, 상기 수학식 2를 상기 전류가 고정자 권선에 흐르는데 필요한 시간을 산출하기 위한 식을 도출하면 수학식 3과 같이 표현된다.

이때, 상기 Ipulse의 값은 정격전류의 약 2배 정도의 전류를 허용하는 상기 전력용 반도체 소자가 허용하는 전류보다는 적고 정격전류보다는 큰 전압으로 설정된다.

이와 같이 수학식 3이 산출되었으면, 상기 각 변수에 해당하는 값을 입력하여 원하는 시정수를 구현하기 위한 소자들의 값을 정할 수 있다.

먼저, 상기와 같은 도 2에 도시된 바와 같이, 수학식 3에 표현된 변수들, 즉 3상을 갖는 모터에서 고정자의 상간 저항인 R', 상간 인덕턴스(inductance)인 L', 상간 직류(DC) 링크(Link) 전압 Vdc, 설정된 과전류 예상값 Ipulse를대입한다(S10).

이어서 상기 수학식 3에 변수들인 R', L', Vdc, Ipulse의 값의 대입됨에 따라 상기 반도체 소자가 허용하는 정격전류가 고정자 권선에 전류가 흐르는데 필요한 시간 tpulse를 산출한다(S20).

그리고 상기 수학식 3에서 산출된 고정자 권선에 전류가 흐르는데 필요한 시간 tpulse가 1 msec 이상인지를 판단한다(S30).

상기 판단결과(S30), 고정자 권선에 전류가 흐르는데 필요한 시간 tpulse가 1 msec 미만이면, 상기 설정된 과전류 예상값 Ipulse를 0.95배 하여 Ipulse의 전류값을 소정 감소시키고(S40), 상기 단계들을 재 수행한다(S10∼S30).

tpulse=RC=τrc

한편 상기 판단결과(S30), 고정자 권선에 전류가 흐르는데 필요한 시간 tpulse가 1 msec 이상이면 상기 수학식 3에서 산출된 tpulse는 수학식 4 tpulse=RC=τrc 값을 이용하여 R을 선택하고 C를 계산하게 된다.

상기 R, C는 도 2에 도시된 지연부(220)의 제 2저항(R) 및 캐패시터(224)를 나타낸다.

따라서, 상기 지연부의 저항(223) 또는 커패시터(224)의 값은 둘 중 하나를 임의로 설정하면 상기 수학식 4에 의해 나머지 값도 결정된다.

상기 tpulse는 대부분의 경우 1 ms 이하로 얻어지게 되는데 만약 1 ms를 넘을 경우 Ipluse의 크기를 조금 줄이고 상기 계산을 반복하여 해결할 수 있으며, 경우에 따라서는 Ipulse를 줄이는 만큼 tpulse의 시간을 조금 크게 하는 방법도 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 모터의 과전류 검출 장치는 모터의 초기 기동시 베어링의 마찰력에 의해 과전류가 발생되어도 모터의 과전류 검출부의 동작을 소정 시간 지연시켜 모터를 정상적으로 구동시킬 수 있으므로 모터 조작에 대한 사용자의 신뢰성을 높이는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 회전자 및 회전자 위치 검출부를 구비한 모터에 있어서,

   상기 회전자 위치 검출부에서 검출된 회전자의 위치에 따라 상기 회전자를 회전시키기 위한 상여자 신호(A+,A-,B+,B-,C+,C-)를 출력하는 제어부;

   상기 제어부의 출력신호에 따라 상기 모터를 구동시키기 위한 모터 구동부;

   과전류 검출여부에 따라 상기 모터 구동부의 구동을 정지시키기 위한 신호를 출력하는 과전류 검출부;

   상기 제어부에서 출력되는 상여자 신호중 펄스폭변조신호가 포함되지 않는 상여자 신호(A+,B+,C+)를 입력받아 기설정된 시간동안 지연시킨 후 신호를 출력하는 지연부;

   상기 과전류 검출부의 출력 신호와 상기 지연부의 출력신호를 논리곱 연산하여 출력되는 신호를 상기 모터구동부에 인가하는 앤드 게이트(AND GATE)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 모터의 과전류 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 과전류 검출부는

   모터 기동시 공급되는 전류에 의해 유기되는 전압을 검출하기 위한 제 1 저항과,

   상기 제 1저항에서 검출된 전압을 비반전(+) 단자로 입력받고, 기설정된 제1직류(DC) 전압을 반전(-) 단자로 입력받아 그 비교결과를 출력하는 제 1비교기로 구성됨을 특징으로 하는 모터의 과전류 제어 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 지연부는

   상기 제어부에서 출력되는 신호에서 PWM(펄스폭변조신호)가 포함되지 않은 상여자 신호(A+,B+,C+)를 입력받아 논리곱 연산하는 오어 게이트와,

   상기 오어 게이트에서 논리곱 연산되어 출력되는 신호를 기설정된 시정수에 상응하는 충전 시간만큼 지연시키기 위해 병렬로 연결된 제 2저항(R) 및 캐패시터(C)와,

   상기 제 2저항 및 캐패시터에서 출력되는 전압을 비반전(+) 단자로 입력받고, 기설정된 제 2직류(DC)전압을 반전(-) 단자로 입력받아 그 비교결과를 출력하는 제 2비교기로 구성됨을 특징으로 하는 모터의 과전류 제어 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 시정수는 상기 지연부의 제 2 저항(R)과 캐패시터(C)의 곱임을 특징으로 하는 모터의 과전류 제어 장치.