KR20020070096A

KR20020070096A - 동기 모터의 기동 제어 방법, 제어 장치 및 각각 상기제어 장치를 구비한 공기 조화기, 냉장고, 세탁기 및 진공청소기

Info

Publication number: KR20020070096A
Application number: KR1020020003551A
Authority: KR
Inventors: 가와바따유끼오; 엔도쯔네히로; 이시이마꼬도; 다까꾸라유하찌; 이노우에도루
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2002-09-05
Also published as: KR100447559B1; TW546910B; MY126919A; CN1374751A; CN1200506C; JP3832257B2; US20020117989A1; JP2002252996A; US6642681B2

Abstract

본 발명은, 모터의 기동에 앞서 회전자 위치를 고정한 후에, 기동시의 모터의 출력 토크가 증가하는 전원 패턴에서 전류 변환을 행하고 인버터 출력 전압을 제어함으로써, 구동 모드가 센서 없는 구동으로 빠르게 전환되어 모터가 기동되고 제어되도록 하는 동기 모터의 기동 방법에 관한 것이다.

Description

동기 모터의 기동 제어 방법, 제어 장치 및 각각 상기 제어 장치를 구비한 공기 조화기, 냉장고, 세탁기 및 진공 청소기{STARTING CONTROL METHOD OF AND CONTROL APPARATUS FOR SYNCHRONOUS MOTOR, AND AIR CONDITIONER, REFRIGERATOR, WASHING MACHINE AND VACUUM CLEANER EACH PROVIDED WITH THE CONTROL APPARATUS}

본 발명은 동기 모터의 회전 속도를 원하는 속도로 제어하는 제어기, 상기제어기를 사용하여 내부의 압축기와 송풍기를 구동하는 동기 모터를 제어함으로써 실내 공기를 조화하는 공기 조화기, 상기 제어기를 사용하여 내부의 압축기와 송풍기를 구동하는 동기 모터를 제어함으로써 냉장하는 냉장고, 상기 제어기를 사용하여 맥동 장치(pulsator) 또는 탈수조(spin-dry tub)를 구동하는 동기 모터를 제어함으로써 세탁하는 세탁기, 및 상기 제어기를 사용하여 송풍기를 구동하는 동기 모터를 제어함으로써 청소를 하는 진공 청소기에 관한 것이다.

영구 자석 회전자와 고정자 코일을 구비한 브러시 없는 직류 모터는 유지에 있어서의 용이함 때문에 공기 조화기, 냉장고, 세탁기 등에 이용되고 있다. 브러시 없는 직류 모터의 구동 제어에 있어서는, 회전자의 자극 위치와 활성화가 요구되는 고정자 코일의 위치 간에 밀접한 관계가 요구된다. 공기 조화기나 다른 전기기기의 압축기 구동용 모터에서는, 회전자의 자극 위치 검출에, 홀 소자(Hall element)와 같은 회전자 위치 검출 센서를 사용하지 않고 회전자 자극의 상호 작용에 의해 고정자 코일로 유도되는 역기전력을 이용하여 회전자의 자극 위치를 검출하는 센서 없는 위치 검출 방식이 사용되고 있다.

그러나, 상기 역기전력은 회전자의 회전에 의해 고정자 코일로 유도되기 때문에, 모터가 정지된 상태일 때에는 회전자의 자극 위치를 상기 방법으로 검출할 수 없다. 따라서, 종래의 기술에서는 모터의 기동시에 소정의 두 위상을 갖는 고정자 코일을 활성화시킴으로써 의해 회전자의 위치를 우선 확정하고, 전류 변환이 시작된 후에 전류 변환의 시간 간격을 단계적으로 감소시키는 동기 운전을 행하여 역기전력에 의한 센서 없는 위치 검출을 가능하게 하는, 즉 센서 없는 위치 검출에의해 구동 모드로 스위칭되는, 소위 저주파 기동 방법이 이용되고 있다. 이 때의 전류 변환 시간 간격과 인가 전압은 제어부에서 미리 설정한 값과 타이밍에 의해 정해진다.

일본 특개평07-107777호에는, 모터가 기동하는 동안 인가되는 전압을 변화시켜, 활성화되지 않은 위상의 전기량이 변화하는 전압을 이용하여 전류 변환 시간 간격을 강제적으로 부여하는 타이밍에서 고정자 코일의 모든 위상에 전류 변환 신호를 전송하는, 즉 회전자 위치와는 무관하게 전류를 변환하는 종래의 기술이 개시되어 있다.

기동시의 부하 토크가 항상 일정하다면, 미리 설정한 전압과 타이밍에서 모터의 기동이 가능하더라도, 압축기 또는 세탁기에 쓰이는 모터에서는 기동시의 부하 토크가 불명확한 경우가 많다. 따라서, 기동시의 전류 변환 시간 간격이 너무 짧고 기동시의 인가 전압이 너무 낮은 경우에는, 부하 토크가 충분히 작더라도 모터의 기동이 가능하지만, 부하 토크가 너무 크다면 모터의 출력 토크가 부족하여 모터의 기동이 불가능한 경우가 있게 된다.

이와 반대로, 기동시의 전류 변환 시간 간격이 충분히 길고 인가 전압이 충분히 높다면, 부하 토크가 너무 크더라도 모터의 기동이 가능하지만, 부하 토크가 너무 작은 경우에는 모터 전류가 상당히 증가하게 되고, 게다가 와전류가 쉽게 발생하게 되며, 최악의 경우에는 인버터 모듈과 모터에 손상을 주게 된다. 다시 말해서, 종래 기술에서의 저주파 기동방법에서는 동기 운전 중에 회전자 위치와는 무관하게 전류 변환이 발생하기 때문에, 부하 토크가 불명확한 경우에는 적절한 기동이 어렵게 된다.

또한 종래 기술의 경우에는, 동기 운전 중에 회전자 위치와는 무관하게 전류 변환이 발생하기 때문에, 기동시의 부하 변화가 두드러지게 크다면, 회전자 위치와 부하 변동 주기 간의 관계에 의해 모터가 기동하지 못하게 되는 경우가 있다. 더욱이, 동기 운전 중에는 회전자의 위치와는 무관하게 전류 변환이 일어나기 때문에, 모터의 출력 토크가 두드러지게 변화하여 모터가 수납되어 있는 프레임에 상당한 진동을 야기할 수 있다. 종래 기술에서는, 동기 운전 중에 회전자 위치와 무관하게 전류 변환이 일어나기 때문에, 모터의 특성이 충분히 발휘되지 못하고, 모터의 속도를 빠르게 증가시킬 필요가 있는 제품에 적용하기 어려운 점이 있다.

본 발명의 목적은 기동시의 부하 토크가 불명확한 경우에도, 동기 모터가 확실하고 빠르게 기동할 수 있도록 하는 동기 모터 기동 방법과 제어 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 회전자의 특정 위치에 따라 빠르게 전류가 변환되도록 하는 동기 모터 기동 방법과 제어 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기동시의 부하 토크가 변화하더라도 동기 모터가 적절하게 기동할 수 있도록 하는 동기 모터 기동 방법과 제어 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기동시의 동기 모터의 출력 토크의 변화를 최소화하여, 모터가 수납되어 있는 프레임의 진동을 억제할 수 있는 동기 모터 기동 방법과 제어 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기동시에 동기 모터의 회전 속도를 빠르게 증가시킬 수 있는 동기 모터 기동 방법과 제어 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 모터의 회전시에 생성된 역기전력에 의한 모터 전류의 감소를 최소화하여 기동시의 출력 토크 부족을 방지하는 동기 모터 기동 방법과 제어 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기동시의 부하 토크에 따라 모터 전류를 억제하고 출력 회로의 부하를 감소시켜서, 높은 효율로 모터를 기동시킬 수 있도록 하는 동기 모터 기동 방법과 제어 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 제어된 동기 모터로부터 동력을 공급받는 전기 기기, 특히 공기 조화기, 냉장고, 세탁기 및 진공 청소기를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 브러시 없는 직류 모터 제어 장치의 일실시예를 나타낸 블록도.

도 2는 본 발명의 일실시예에서 사용된 브러시 없는 직류 모터의 회전자 각도에 대한 자속의 각도 미분값과 120°전원 모드의 일례를 나타낸 설명도.

도 3은 본 발명의 일실시예에서 120°전원 온(power on) 구동 중의 브러시 없는 직류 모터의 회전자 각도와 전원 모드를 나타낸 설명도.

도 4는 본 발명에 의한 전원 패턴과 인버터의 출력 전압 변화의 일례를 나타낸 설명도.

도 5는 본 발명의 일실시예에서 사용한 브러시 없는 직류 모터의 전원 모드와 회전자 고정 위치를 나타낸 설명도.

도 6은 본 발명에 의한 전원 패턴과 인버터 출력 전압 변화의 다른 일례를 나타낸 설명도.

도 7은 전원 모드, 기준 전압 및 단자 전압간의 관계를 나타낸 설명도.

도 8은 본 발명에 의한 도 1의 브러시 없는 직류 모터 제어 장치에서 선택부에 의한 동작 순서의 흐름도.

도 9는 본 발명에 관한 브러시 없는 직류 모터에 의해 생성된 기동시의 단자 전압 파형과 직류 전류 파형의 일례를 나타낸 설명도.

도 10은 본 발명에 관한 브러시 없는 직류 모터에 의해 생성된 기동시의 단자 전압 파형과 직류 전류 파형의 다른 일례를 나타낸 설명도.

도 11은 본 발명에 관한 브러시 없는 직류 모터에 의해 생성된 기동시의 단자 전압 파형과 직류 전류 파형의 또 다른 일례를 나타낸 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 직류 전원

2: 인버터 회로

3:동기 모터

4: 제어 회로

T1: 제1 전원 기간

T2: 제2 전원 기간

T3: 제3 전원 기간

본 발명에 의한 동기 모터의 기동은, 세 개의 연속되는 기동 전원 패턴으로서 제1, 제2 및 제3 전원 패턴을 구비하고, 그 후에 각 전원 패턴의 전원 기간 T1, T2, T3에 있어서 T1 > T3 ≥T2 ≥0의 관계를 유지하여, 동기 모터의 기동시에 모터의 출력 토크가 증가되도록 하는 전원 패턴에서의 전류를 변환하는 것이다.

본 발명에 의한 동기 모터의 제어 장치는 모터의 단자 전압과 기준 전압을 비교하여 회전자 위치 검출 신호를 생성하는 위치 검출 회로를 구비하고, 상기 제3 전원 기간 T3에서의 회전자 위치 정보를 검출한다.

본 발명에 의한 동기 모터의 제어 장치는 상기 제2 전류 변환 또는 상기 제3전류 변환으로부터 상기 제3 전원 기간 T3에서의 회전자 위치 검출까지의 시간을 측정하는 타이머, 및 상기 위치 검출로부터 다음 전류 변환까지의 시간을 측정하는 타이머를 구비하고 있다.

본 발명에 의한 동기 모터의 기동은 상기 제2 또는 상기 제3 전류 변환으로부터 상기 제3 전원 기간 T3에서의 상기 회전자 위치 검출까지의 시간 측정, 및 이 측정 시간에 기초하여 다음 전류 변환까지의 시간을 결정하는 것에 의해 수행된다.

본 발명에 의한 동기 모터의 제어 장치는 상기 제3 전원 기간 T3에서 인버터 출력 전압을 단계적으로 증가시키는 기능을 구비하고 있다.

본 발명에 의한 동기 모터의 기동은 모터의 속도가 요구되는 소정의 속도 이상이 될 때까지 상기 제3 전원 기간 T3에서의 인버터 출력 전압을 증가시키는 것에 의해 수행된다.

본 발명에 의한 동기 모터의 기동 중에, 미리 인버터의 출력 전압을 설정함으로써 기동시의 부하 토크의 특정 크기에 따른 모터 전류의 조정이 수행된다.

본 발명에 의한 동기 모터의 기동 중에, 모터의 각 가속도로부터 모터의 회전속도와 회전자의 위치를 추정하여, 각 전원 기간 내에 있어서의 인버터 출력 전압을 조절한다.

이하, 본 발명의 브러시 없는 직류 모터 제어 장치 및 당해 제어 장치에 의해 구동되는 브러시 없는 직류 모터를 사용한 전기 기기의 실시 형태를 도 1 내지 도 11을 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 브러시 없는 직류 모터 제어 장치의 일실시예를 도시한 블록도이다. 이 브러시 없는 직류 모터 제어 장치는 직류 전원(1)의 전압을 임의의 펄스 폭의 교류 전압으로 변환하여 상기 동기 모터(3)의 고정자 코일에 교류 전압을 공급함으로써 동기 모터(3)를 회전시키는 인버터 회로(2), 속도명령신호에 따라서 동기 모터(3)를 제어하는 제어 회로(원 칩 마이크로컴퓨터 또는 하이브리드 IC)(4), 상기 제어 회로(4)에 따라서 상기 인버터 회로(2)를 구동시키는 구동기(5) 및, 동기 모터(3)의 고정자 코일의 각 위상의 단자 전압, 즉 역기전력과 기준 전압 생성 회로(6)에 의해 생성된 기준 전압을 비교하여 얻은 정보를 이용하여 동기 모터(3)의 회전자의 자극 위치를 검출하는 회전자 정보 검출부(7)를 구비하고 있다.

본 실시예에서는, 기준 전압 생성 회로(6)에 의해 직류 전원 전압의 1/2에 해당되는 전압이 기준 전압으로서 생성되며, 그 후 기준 전압과 모터의 단자 전압을 비교하여 회전자 정보 검출부(7)에 의해 회전자의 위치가 검출된다. 본 실시예에서 기준 전압은 직류전압의 1/2에 해당되지만, 예컨대 모터 단자 전압으로부터 생성되는 가상의 중성점 전압이 기준 전압이 될 수도 있다.

제어 회로(4)는 동기 모터(3)를 정지 상태에서 기동시키는 기동부(8), 기동부(8)의 출력 신호(8a)와 회전자 정보 검출부(7)의 회전자 정보 출력 신호로부터 전원 위상을 결정하는 전원 위상 설정부(9), 전원 위상 신호(9a)와 선택부(11)의 출력 신호(11a)로부터 구동 신호(10a)를 생성하는 구동 신호 생성부(10), 전원위상 설정부(9)로부터 주어진 현재의 모터 속도 신호(9b)에 의하여 기동부(8)로부터 전달된 인버터 출력 전압 정보(8b) 또는 속도 제어부(12)로부터 전달된 인버터 출력 전압 정보(12a) 중 하나를 선택하는 선택부(11), 및 할당된 속도 명령 신호와현재의 모터 속도 신호(9b)로부터 인버터 출력 전압 정보(12a)를 생성하는 속도 제어부(12)를 구비하고 있다.

기동부(8)는 기동 명령에 따라서 활성화되는 고정자 코일의 위상에 관한 신호(8a)를 전원 위상 설정부(9)에 전달하는 것 외에, 선택부(11)에 인버터 출력 전압 정보(8b)를 전달한다.

전원 위상 설정부(9)는 활성화되는 고정자 코일의 위상에 관한 상기 신호(8a)로부터 얻는 전원 위상 정보와, 회전자 정보 검출부(7)로부터 얻는 회전자 정보 신호(7a)로부터 전원 위상 신호(9a)를 전달함과 동시에 현재의 모터 속도 신호(9b)를 전달한다.

구동 신호 생성부(10)는 전원 위상 신호(9a)와 인버터 출력 전압 정보(11a)로부터 구동 신호(10a)를 생성하여 이를 전달한다.

선택부(11)는 전원 위상 설정부(9)로부터 현재의 모터 속도 신호(9b)를 수신한 후에, 기동부(8)로부터의 인버터 출력 전압 정보(8b) 또는 속도 제어부(12)로부터의 인버터 출력 전압 정보(12a) 중 어느 것을 전달할 것인지 판단하고 선택한다.

본 실시예에서의 구동방법은 120°전원 온 구동이다.

상기 약술한 각 시스템 구성 요소들의 동작에 대해 이하에서 자세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 실시예에서 사용되고 있는 브러시 없는 직류 모터의 유도 전압과 회전자 각도의 관계와, 일반적인 120°전원 온에서 구동하는 경우의 전원 모드를 나타내고 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 120° 전원 온 구동에서는 각각의 전기각에 대해 6개 중 1개의 전원 모드가 선택된다. 각각의 전원 모드에 대한 회전자 각도는 도 3에 도시되어 있다.

도 4는 기동부(8)로부터의 전원 위상 신호(8a)와 인버터 출력 전압 정보(8b)의 일례를 나타내고 있다. 이하, 전원 위상 신호(8a)에 의한 전원 패턴과 인버터 출력 전압을 도 4를 이용하여 순서대로 설명하기로 한다.

본 실시예의 전원 패턴에서는, 제1 전원 기간 T1동안 두 위상을 활성화시켜서 회전자의 위치를 거의 고정한 후에, 제2 전원 기간 T2를 거쳐 제3 전원기간 T3동안 전류가 변환되며, 세 전원 기간 사이의 시간의 길이에 있어서는 T1 > T3 ≥T2 ≥0의 관계가 유지된다. 여기서 전원 기간 T3이후의 각각의 전원 기간 폭을 나타내는 점선은 회전자 정보 신호(7a)에 의해 결정된다. 또한 본 실시예에서 전원 기간 T1은 2위상 전원 기간이지만, 전원 기간 T1에서 3상 전원 온을 행하여 회전자 위치를 임의의 위치에 거의 고정하고, 회전자의 특정 위치에 따라 전류를 변환시킬 수도 있다.

도 5는 전원 위상에 대한 선택 없이, 2위상 전원 온을 계속 하였을 때의 각 전원 모드에 있어서 거의 고정된 회전자의 위치를 나타내는 표이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 전원 기간 T1에서 상부 암(upper arm)의 U위상(이하 "U+"라 한다)과 하부 암(lower arm)의 V위상(이하 "V-"라 한다)이 전원 기간 T1동안 활성화될 때, 도 5에서 회전자의 고정 위치는 5/6π가 되는 것을 볼 수 있다. 이 회전자 위치에서 큰 모터 출력 토크를 얻을 수 있는 전원 모드는 도 3에 도시한 바와 같이, U+와 W-(하부 암의 W위상)의 조합 또는 V+(상부 암의 V위상)와 W-의 조합이다. 이 때 U+, W-모드에서의 회전자의 위치는 대응하는 전원 기간의 종단에 해당되기 때문에, 이 모드를 생략하여 T=0으로 설정하고 직접 V+, W-모드에서 전원을 직접 공급하는 것도 가능하다. 그러나 이 경우에, 지속적인 모터 전류를 얻을 수 없기 때문에 본 실시예에서는, 도 4에 도시한 바와 같이 U+, W-모드에서 T2의 기간동안만 전원이 공급되도록 하여, V+, W-모드에서 T3의 전원 기간동안 전류가 변환되도록 하는 전원 패턴을 사용한다.

종래 기술의 전원 패턴에서는, T1의 기간동안 회전자 위치의 고정 후에 연속된 전원 모드에서 전류 변환이 발생함과 동시에, T1 > T2 > T3가 되도록 전류 변환 시간 간격을 단계적으로 줄여나간다. 그러나, 본 실시예의 전원 패턴은 도 4에 도시한 바와 같이 T2의 짧은 기간 동안에만 전원이 공급된 후에 T3의 전원 모드에서 전류 변환이 발생하도록 하는 점에서 상기 전원 패턴과는 차이가 있다. 또한 본 실시예에서는 도 4의 전원 패턴에서 T2=0이어도 무방하다.

상기 전원 패턴에서 전류 변환을 함으로써, 회전자의 위치를 결정한 후에 즉각적인 전류 변환으로부터 모터 특성을 유효하게 활용하여 기동시의 모터 출력 토크를 증가시킬 수 있고 모터의 속도를 빠르게 증가시킬 수 있으며, 결과적으로 역기전력을 이용하여 회전자 정보를 초기에 검출할 수 있다. 회전자 정보 검출 후에, 그 정보를 기초로 하여 적절한 전원 모드가 선택된다.

본 실시예에서, 도 4의 T3의 기간 이후의 전원 기간 폭은 반드시 회전자 정보 신호(7a)를 따라갈 필요는 없다. 대신에, 노이즈와 같은 외란을 고려하여, 예컨대 T3 > T4 > T5를 확보하기 위해서, 회전자의 위치와는 무관하게 전원을 공급하여도 좋다.

도 4에 도시한 바와 같이, 인버터 출력 전압은 제1 전원 기간 T1동안 회전자의 위치를 고정하기 위해 필요로 하는 값이며, 제3 전원 기간 T3내와 그 이후에 서서히 증가한다. 이와 같이 본 실시예에서, 인버터 출력 전압은 하나의 전원 기간내에서 변화한다. 본 실시예에서, 제1 전원 기간 T1에서의 전압은 일정하더라도, 회전자의 위치가 고정된다면 전압은 변화해도 무방하다. 또한 본 실시예에서, 인버터 출력 전압이 제3 전원 기간 T3내와 그 이후에 서서히 증가하는데, 이 전압은 제2 전원 기간 T2내와 그 이후에 서서히 증가해도 무방하다.

회전자 위치 고정 후에, 전류가 변환되고 모터가 회전하기 시작하면, 역기전력이 발생한다. 역기전력의 크기는 모터 속도와 회전자 위치에 따라 변화하기 때문에, 인버터 출력 전압을 일정하게 하여 모터를 기동시키면 역기전력이 증가하면서 모터의 전류는 감소하게 되고, 이에 따른 모터의 출력 토크도 감소한다. 본 실시예에서는, 모터 속도에 따른 모터 전류의 감소를 방지하기 위해, 제2 전원 기간 T2내와 그 이후에 인버터 출력 전압이 서서히 증가한다.

제1 전원 기간 T1에서 제2 전원 기간 T2까지의 전류 변환에 의해 모터의 회전이 시작되면, 역기전력 상수, 모터의 토크 상수, 및 제1 전원 기간 T1에서 제2 전원 기간 T2까지의 전류 변환동안 생성되는 모터 전류를 기초로 하여, 최대의 소망하는 기동시 부하 토크에서 거의 일정한 모터 출력 토크를 얻을 수 있도록, 인버터 출력 전압이 증가한다. 이로써 거의 일정한 모터 출력 토크가 얻어진다. 이하에서 상세히 설명한다.

기계적인 과도 현상을 포함하는 모터의 동작은 아래의 운동방정식(1)을 사용하여 표현될 수 있다.

τm - τL = J (dωm/dt) ····· (1)

여기서 τm은 출력 토크, τL은 부하 토크, J는 총 관성 모멘트, ωm은 회전 속도를 나타낸다.

상기 제1 전원 기간 T1에서 제2 전원 기간 T2까지의 상기 전류 변환 동안 생성된 모터 전류는 전원 기간 T2동안 전류가 변환되기 직전에 발생한 모터 전류와 거의 같기 때문에, 제1 전원 기간 T1에서 제2 전원 기간 T2까지의 전류 변환 동안 생성된 출력 토크는 모터의 출력 상수와 전류값에 의해 계산될 수 있다. 따라서, 제1 전원 기간 T1에서 제2 전원 기간 T2까지의 전류 변환 동안 각 가속도(dωm/dt)가 계산될 수 있다. 또한, 각 가속도(dωm/dt)가 일정하다면, 특정 시간에서의 모터의 속도와 회전자의 위치를 구할 수 있다.

본 실시예에서는, τL을 최대의 소망하는 기동시 부하 토크로 하여 제1 전원 기간 T1에서 제2 전원 기간 T2까지의 전류 변환 동안 각 가속도(dωm/dt)를 계산한 후에, 특정 시간에서의 모터 속도와 회전자 각도로부터 각 위상에서 생성된 역기전력을 계산하고, 120°전원 온에 있어서 두 위상간에 생성된 역기전력에 상당하는 전압을 전원 기간 T1의 종단에 해당하는 인버터 출력 전압에 더하였다. 그 결과, 도 4에 도시한 바와 같은 인버터 출력 전압이 설정되었다. 즉, 도 4에 도시한 본 실시예의 인버터 출력 전압은 모터 전류와 모터 출력 토크를 거의 일정하게 유지하면서, 최대의 소망하는 부하 토크에서 모터가 기동할 수 있도록 설정된다.

도 6은 전원 패턴과 인버터 출력 전압에 관한 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서는, 전원 기간 T1이 즉시 V+, W- 모드로 옮겨가기 때문에 도 4에서의 T2에 해당하는 전원 기간(U+, W- 모드)이 0으로 설정된다. 보다 엄밀히 말하면, 상기 전원 기간은 모터 전류와 모터 출력 토크를 거의 일정하게 유지하면서, 최대의 소망하는 부하 토크에서 기동할 수 있도록 설정된다.

다음에는, 전원 위상 설정부(9)의 동작에 대해 설명한다. 모터가 기동할 때, 전원 위상 설정부(9)는 기동부(8)로부터의 전원 위상 정보(8a)에 따라, 도 3에서의 전원 기간 T1의 전원 모드를 실현하기 위한 전원 위상 신호(9a)를 전달한다. 그 후에, 위와 마찬가지로 전원 기간 T2와 T3의 전원 모드를 실현하기 위한 전원 위상 신호(9a)가 전달된다. 이 때, 회전자의 위치는 전원 기간 T3의 전원 모드 동안 회전자 정보 검출부(7)에 의해 얻어진 회전자 정보 신호(7a)에 의해 검출되며, 1/6π에 상당하는 지연시간 경과 후에, 전원 기간 T4의 전원 모드 동안 전류 변환을 위한 전원 위상 신호(9a)가 전달된다. 그 후에, 상기한 바와 유사하게 전류 변환을 반복하기 위한 전원 위상 신호(9a)가 회전자 정보 검출부(7)에 의해 얻어진 회전자 정보 신호(7a)를 따라서 순서대로 전달된다. 또한, 회전자 정보 검출부(7)의 출력 신호(7a) 또는 전원 위상 신호(9a)가 변화하는 시간으로부터 현재의 모터 속도가 계산된다.

도 7에 본 실시예의 회전자 정보 검출부에 의한 회전자 위치 검출과 전원 모드의 관계가 모식적으로 나타나 있다. 본 실시예에서 회전자 정보 검출부(9)에 의해 검출된 회전자 위치는 도 7에 도시한 바와 같이 단자 전압과 기준 전압의 비교에 기초를 두고 있으며, 검출된 회전자 위치는 다음 전원 모드가 발생하는 동안의 전류 변환의 바로 1/6π 전의 타이밍에 해당한다. 따라서, 도 7의 타이밍에서 전원 모드의 선택을 하기 위해서는, 1/6π에 상당하는 지연시간을 설정할 필요가 있게 된다. 본 실시예에서는, 전원 기간 T3동안 회전자 검출을 완료하고 전원 기간 T4로 변화하기 시작하기까지의 지연 시간을 다음과 같이 설정하였다.

본 실시예에서는, 전원 기간 T1동안 회전자의 위치가 고정된 후에, 전류가 변환되고 전원 기간 T3동안 검출된 회전자 위치가 결정되기 때문에, 고정된 회전자 위치로부터 검출한 회전자 위치까지의 변위량도 결정된다. 따라서, 각 가속도는 상기 변위량과 T2 전원 모드의 시작으로부터 전원 기간 T3내에서 회전자 위치를 검출하기까지의 시간으로부터 계산되고, 다음 전류 변환까지의 변위량(여기서는 1/6π)에 상당하는 시간은 상기 각 가속도를 이용하여 계산되며, 계산된 시간은 회전자 위치 검출로부터 다음 전류 변환까지의 지연 시간으로 설정된다. 본 실시예에서는 도 7에 도시한 바와 같은 전원 모드의 타이밍을 위해 1/6π에 해당하는 지연시간을 설정하였으나, 다음 전류 변환까지의 변위량(즉, 지연시간)은 모터의 특성에 따라 설정하는 것이 바람직하다.

도 8은 선택부(11)의 흐름도이다. 선택부(11)에서는, 기동시의 현재 모터 속도(9b)가 미리 설정한 값에 도달할 때까지, 기동부(8)로부터의 인버터 출력 전압 정보(8b)가 출력 신호(11a)로서 전달되고, 요구되는 모터 속도가 설정값이나 그 이상에 도달하면 출력 신호(11a)는 현재의 모터 속도(9b)가 지정된 속도에 일치하도록 조정된 속도 제어부(12)로부터의 인버터 출력 전압 정보(12a)로 바뀌게 될 것이며, 인버터 출력 전압 정보는 선택부(11)로부터 전달될 것이다. 다시 말해서, 기동시의 현재 모터 속도(9b)가 미리 설정한 값에 도달할 때까지는 기동부(8)로부터의 인버터 출력 전압 정보(8b)가 출력 신호(11a)로써 전달되며, 전원 기간내에 인버터 출력 전압이 증가되어 모터의 회전 속도가 빠르게 증가한다. 그 후에, 회전자의 기동시의 운동 에너지가 빠르게 증가하고, 기동시의 부하 변화 및 부하 토크의 급격한 변화에 대한 항복 강도(yield strength)가 향상된다.

도 9는 본 실시예의 기동시의 동작 신호 파형도이다. 최대의 소망하는 기동시 부하 토크 조건하에서 도 4의 전원 패턴을 사용하여 기동한 경우의 결과가 도 9에 도시되어 있다. 도 9에서, 각 파형은 위에서부터 순서대로, 모터의 V위상 단자 전압과 직류 전류를 나타낸다.

도 9에서 도시한 바와 같이, 모터는 전류의 감소 없이도 전원 기간 T3에서 기동될 수 있다. 또한, 도 10은 본 실시예의 다른 기동시의 동작 신호 파형도이며, 이 도면은 전원 패턴과 인버터 출력 전압의 설정을 도 9와 같게 적용하고 부하 토크는 최대의 소망하는 기동시 부하 토크보다 작은 경우이다. 모터가 도 9에서와 같은 전원 패턴과 인버터 출력 전압을 사용하여 최대의 소망하는 기동시 부하 토크보다 작은 부하 토크에서 기동하게 될 때, 도 9의 경우보다 모터 속도가 증가하기 때문에, 역기전력은 증가하고 모터 전류는 감소한다. 그러나, 상기 도 9의 경우보다 모터 속도가 증가한다는 사실은 모터가 기동 가능하다는 것을 의미한다. 이 사실은, 본 발명에서 사용된 모터 기동 방법에 의해, 최대의 소망하는 기동시 부하 토크 이하인 경우에는 확실하게 기동이 가능할 뿐만 아니라, 모터 전류가 기동시의부하 토크의 특정 크기에 의해 제어 가능하다는 것을 의미한다. 이 때, 회전자 위치 정보를 이용하여 회전자 위치에 따른 전류 변환이 일어나기 때문에, 모터의 출력 토크의 변화도 최소화될 수 있으며, 모터 출력 토크의 변화로 인한 모터 수납부의 진동 또한 감소시킬 수 있다.

도 11은 본 실시예의 또 다른 기동시의 동작 신호 파형도이며, 이 도면은 도 9와 같은 전원 패턴과 인버터 출력 전압에서 부하 토크를 최대의 소망하는 기동시 부하 토크의 1.5배로 설정하여 적용한 경우이다. 모터가 도 9에서와 같은 전원 패턴과 인버터 출력 전압을 사용하여 최대의 소망하는 기동시 부하 토크보다 작은 부하 토크에서 기동하게 될 때, 모터 속도가 도 9의 경우보다 작아지기 때문에, 역기전력은 감소하고 모터 전류는 증가한다. 모터 전류의 증가는 모터 출력 토크를 증가시키고, 모터의 기동을 가능하게 한다.

본 발명의 모터 기동 방법에서, 모터의 최대의 소망하는 기동시 부하 토크와 실제 부하 토크가 일치할 때, 회전자의 위치를 결정하는 동안 모터 전류는 거의 유지되면서 모터가 기동한다. 부하 토크가 작을 때, 실제 각 가속도는 추정치보다 커지기 때문에, 실제 역기전력 또한 추정치보다 커지게 되며, 결과적으로 모터는 모터 전류를 제어하면서 기동할 수 있게 된다. 이 때, 역기전력이 커지기 때문에, 이는 회전자 정보 검출을 안정화시킨다. 더욱이, 기동시의 부하 토크가 최대의 소망하는 기동시 부하 토크보다 클 때, 실제 각 가속도는 추정치보다 작기 때문에, 역기전력은 감소하고, 이는 모터 전류를 증가시키며, 그 결과 모터 출력 토크가 또한 증가하게 되어, 인버터 모듈의 허용 전류 범위가 한도를 넘지 않는다면, 모터기동시의 출력 토크 범위를 확대시킬 수 있게 된다.

따라서, 본 실시예에 따르면 역기전력의 증가와 관련하여, 토크의 부족을 피하는 것이 가능하고, 필요한 모터 출력 토크를 얻을 수 있으며, 부하 토크의 특정 크기에 따른 모터 전류의 크기를 결정할 수 있다. 그 결과, 확실하면서도 고효율의 모터의 기동이 실현 가능해 진다. 본 실시예에서는 120°전원 온 구동을 사용하고 있으나, 이 방법이 전원 위상의 선택에 의해 구동이 실행되는 모터 제어 방법이라면, 광각(wide-angle) 전원 온 구동 방법(전원 기간 폭이 120°보다 큰 구동 방법)을 사용하여 또한 유사한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 동기 모터 제어 장치는 공기 조화기의 냉매를 압축하는 압축기를 구동하는 동기 모터의 제어 장치, 공기 조화기의 내부 장치의 공기 송풍기를 구동하는 동기 모터의 제어 장치, 및 공기 조화기의 외부 장치의 공기 송풍기를 구동하는 동기 모터의 제어 장치로 사용된다.

특히, 본 발명의 동기 모터 기동 방법을 사용한 동기 모터 제어 장치는 공기 조화기의 압축기를 위한 구동원(driving source)인 동기 모터에 적용되며, 모터의 기동 자체가 확실하고 모터 전류가 부하 토크에 의해 제어되기 때문에 모터가 매우 효율적으로 기동 가능하다. 기동시의 모터 출력 토크로 인해 모터의 맥동이 감소될 수 있기 때문에, 기동시의 진동이 거의 없는 매우 효율적인 공기 조화기의 실현이 가능하다.

게다가, 열 펌프 타입(heat pump type)의 공기 조화기는 압축기의 특정 회전 속도에 의해 출력이 변화하기 때문에, 본 발명의 모터 기동 방법을 사용한 제어 장치가 압축기용 구동원인 동기 모터의 제어 장치로 적용될 때, 기동시부터 회전자의 위치에 따른 제어가 가능하고, 모터의 특성을 충분히 활용하여 모터의 회전 속도가 빠르게 증가될 수 있으며, 따라서, 고성능의 공기 조화기의 실현이 가능하다.

이와 유사하게, 본 발명의 동기 모터 기동 방법을 사용하는 모터 제어 장치가 냉장고의 냉매를 압축하는 압축기 또는 냉장고의 구동원인 동기 모터의 제어 장치로 이용될 때, 모터의 기동 자체가 확실하고 모터 전류가 부하 토크에 의해 제어되기 때문에, 동기 모터가 매우 효율적으로 기동 가능하다. 기동시의 모터 출력 토크로 인해 모터의 맥동이 감소될 수 있기 때문에, 기동시의 진동이 거의 없는 냉장고의 실현이 가능하다. 게다가, 모터의 기동 속도가 빠르게 증가하는 고성능의 냉장고의 실현이 가능하다.

또한, 본 발명의 동기 모터 기동 방법을 사용하는 모터 제어 장치가 세탁기의 세탁조(washing tub) 내부에 설치된 회전날(stirring blades)의 구동원인 동기 모터의 제어 장치 또는 탈수조(dewatering tub)의 구동원인 동기 모터의 제어 장치로 이용될 때, 고부하에서 기동하는 모터는 센서 없는 구동의 경우에도 확실하며, 모터 전류가 부하 토크에 의해 제어되기 때문에, 모터가 매우 효율적으로 기동 가능하다. 이러한 이유로 인하여, 센서가 장비된 모터에 의해 구동되는 세탁기에서도 센서 없는 구동이 가능하다. 게다가, 탈수할 때 모터의 기동 속도가 빠르게 증가하는 고효율의 세탁기의 실현이 가능하다.

또한, 본 발명의 동기 모터 기동 방법을 사용하는 동기 모터 제어 장치가 전기 진공 청소기의 흡입 송풍기의 구동원인 동기 모터의 제어 장치로 이용될 때, 모터의 기동 자체가 확실하고, 모터의 구동이 모터의 기동으로부터 센서 없는 구동으로 신속하게 스위칭될 수 있기 때문에, 모터의 기동 속도가 빠르게 증가하는 전기 진공 청소기의 실현이 가능하다.

본 발명의 동기 모터 기동 방법을 이용하는 제어 장치가 구동원으로 적용될 때, 고효율, 최소한의 진동 및 빠르게 기동하는 전기 기기의 실현이 가능하다.

본 발명에 의하면, 기동시의 모터의 부하 토크가 불명확한 경우라도, 확실하고 빠른 모터의 기동이 가능하다. 또한, 모터의 기동시의 특정 부하 토크에 의하여 모터 전류의 제어가 가능하기 때문에 고효율의 모터 기동이 가능하다. 게다가, 모터의 회전중에 생성된 역기전력으로 인한 모터 전류의 감소를 최소화함으로써, 기동시의 출력 토크의 부족을 피할 수 있다. 더욱이, 회전자 위치에 따른 전류 변환이 모터의 기동 후에 즉시 시작될 수 있으며, 따라서 모터 자체는 최소한의 진동으로 기동할 수 있다. 또한, 회전자 위치에 의한 전류 변환이 모터의 기동 후에 즉시 시작될 수 있기 때문에, 모터의 특성을 활용함으로써 빠른 모터의 기동이 실현 가능하다. 본 발명의 모터 기동 방법을 사용하는 모터 제어 장치를 구동원으로 적용함으로써 고품질의 공기 조화기, 냉장고, 세탁기, 진공 청소기 및 기타 전기 기기의 실현이 가능하다.

Claims

직류 전원과, 직류 전압에 기초하여 복수 위상의 고정자 코일에 전력을 공급하기 위한 전력 출력 수단을 구비하고, 전원 위상을 변화시켜 동기 모터를 구동하도록 설계된 인버터를 사용한 동기 모터 기동 방법에 있어서,

세 개의 연속되는 기동 전원 패턴으로서 제1 전원 패턴, 제2 전원 패턴, 제3 전원 패턴을 구비하고, 각각 상기 제1 전원 패턴에 상응하는 전원 기간을 T1, 상기 제2 전원 패턴에 상응하는 전원 기간을 T2, 상기 제3 전원 패턴에 상응하는 전원 기간을 T3라고 할 때, 이들 기간이 T1 > T3 ≥T2 ≥0의 관계로 유지되는 것을 특징으로 하는 동기 모터 기동 방법.
제1항에 있어서,

상기 인버터가 모터 단자 전압과 기준 전압을 비교하여, 회전자 위치 검출 신호를 생성하기 위한 위치 검출 회로를 구비하고,

상기 제1 전원 기간 T1 동안, 인버터가 특정 위상의 고정자 코일에 전력을 공급하여, 상기 모터의 회전자 위치를 결정하고,

상기 제3 전원 기간 동안 또는 그 이후에, 인버터가 상기 위치 검출 회로로부터 전달된 회전자 위치 검출 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 동기 모터 기동 방법.
제2항에 있어서,

상기 제2 전원 기간 T2 또는 상기 제3 전원 기간 T3로의 전류 변환의 개시로부터 상기 제3 전원 기간 T3에서 상기 회전자 위치를 검출할 때까지의 시간을 측정하고,

다음 전류 변환까지의 지연 시간은 상기 측정된 시간으로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 동기 모터 기동 방법.
제3항에 있어서,

상기 제1 전원 기간 T1에서의 인버터 출력 전압은 일정하고,

상기 제2 전원 기간 T2 및 제2 전원 기간 T2 이후의 각 전원 기간에서 인버터 출력 전압이 변화하는 것을 특징으로 하는 동기 모터 기동 방법.
제4항에 있어서,

요구되는 모터 속도를 초과할 때까지, 상기 제2 전원 기간 이후의 각 전원 기간에서 인버터 출력 전압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 동기 모터 기동 방법.
제4항에 있어서,

요구되는 부하 토크가 초과될 경우에는 모터로 흘러 들어가는 전류를 증가시키고, 요구되는 부하 토크가 초과되지 않는 경우에 모터로 흘러 들어가는 전류를감소시키도록, 상기 인버터 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 동기 모터 기동 방법.
제4항에 있어서,

모터의 회전 속도와 회전자 위치가 상기 모터의 각 가속도로부터 추정되고, 각 전원 기간에서 인버터 출력 전압이 제어되는 것을 특징으로 하는 동기 모터 기동 방법.
직류 전원과, 직류 전압에 기초하여 복수 위상의 고정자 코일에 전력을 공급하기 위한 전력 출력 수단을 구비하고, 전원 위상을 변화시켜 동기 모터를 구동하도록 설계된 인버터를 구비한 동기 모터 제어 장치에 있어서,

상기 인버터가 인버터 회로, 제어 회로, 상기 인버터 회로를 구동하기 위한 구동기 및 회전자 정보 검출부를 구비하고,

상기 제어 회로가 기동부, 전원 위상 설정부, 선택부, 속도 제어부 및 구동 신호 생성부를 포함하고,

상기 기동부로부터 상기 전원 위상 설정부로 전달된 전원 위상 신호는 상기 동기 모터를 위한 세 개의 연속되는 기동 전원 패턴으로서 제1 전원 패턴, 제2 전원 패턴 및 제3 전원 패턴을 포함하고,

각각 상기 제1 전원 패턴에 상응하는 전원 기간을 T1, 상기 제2 전원 패턴에 상응하는 전원 기간을 T2, 상기 제3 전원 패턴에 상응하는 전원 기간을 T3라고 할때, 이들 기간이 T1 > T3 ≥T2 ≥0의 관계로 유지되는 것을 특징으로 하는 동기 모터 제어 장치.
제8항에 기재된 제어 장치에 의하여 동작이 제어되는 동기 모터에 의하여 구동되는 압축기 또는 송풍기를 사용하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
제8항에 기재된 제어 장치에 의하여 동작이 제어되는 동기 모터에 의하여 구동되는 압축기를 사용하는 것을 특징으로 하는 냉장고.
제8항에 기재된 제어 장치에 의하여 동작이 제어되는 동기 모터에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 세탁기.
제8항에 기재된 제어 장치에 의하여 동작이 제어되는 동기 모터에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 진공 청소기.