KR20060118197A - 모터제어장치 및 모터제어시스템 - Google Patents

모터제어장치 및 모터제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터제어장치 및 모터제어시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 모터제어시스템은 교류전원을 정류 및 평활하여 출력하는 정류/평활부와; 상기 정류/평활부에 의해 정류 및 평활된 전원을 입력받아 상기 각 모터의 구동에 필요한 교류전원으로 변환하는 복수의 인버터부와; 상기 각 인버터부로부터 출력되는 교류전원을 제어하기 위한 상호 상이한 위상을 갖는 복수의 PWM신호를 출력하는 모터제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 다수의 모터를 구동하는데 있어 발생하는 잡음을 최소화시킬 수 있다.

Description

모터제어장치 및 모터제어시스템{MOTOR CONTROL APPARATUS AND MOTOR CONTROL SYSTEM}
도 1은 종래의 모터제어장치의 제어블럭도이고,
도 2는 종래의 모터제어시스템에 있어서, 스타트신호, 삼각파, 사인신호 및 PWM 신호의 관계를 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 모터제어시스템의 제어블럭도이고,
도 4는 도 3의 모터제어시스템의 제어블럭도이고,
도 5는 도 3의 모터제어시스템에 있어서, 스타트신호, 삼각파, 사인신호 및 PWM 신호의 관계를 도시한 도면이고,
도 6은 종래의 모터제어시스템에 있어서, 주파수의 하모닉에 따른 파워 스펙트럴 덴서티(Power Spectral Density)를 도시한 도면이고,
도 7은 본 발명에 따른 모터제어시스템에 있어서, 주파수의 하모닉에 따른 파워 스펙트럴 덴서티(Power Spectral Density)를 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : AC 전원공급부 20 : 정류/평활부
30a,30b,30c : 인버터부 40 : 모터제어장치
41 : 상위제어부 42 : 딜레이부
43a,43b,43c : PWM 생성부 50a,50b,50c : 모터
본 발명은 모터제어장치 및 모터제어시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 모터를 구동하는데 있어 잡음을 감소시킨 모터제어장치 및 모터제어시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 모터의 구동에 필요한 교류전원을 인가하는 인버터의 제어에 있어, 펄스폭변조(PWM : Pulse Width Modulation) 방식이 널리 이용된다.
도 1은 3개의 모터를 구동시키기 위한 3개의 인버터로 구성된 모터제어장치의 구성을 도시한 도면이다.
각 PWM 생성부(130a,130b,130c)는 스타트신호(Start), 클럭신호(Clock) 및 사인신호(SIG1,SIG2,SIG3)를 입력받아, 이들 신호에 기초하여 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)를 생성하여 출력한다. 여기서, 스타트신호(Start)는 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)의 발생 시점의 기초가 되며, 클럭신호(Clock)는 PWM 생성부(130a,130b,130c)가 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)를 생성하기 위해 자체 생성하는 삼각파(C1,C2,C3)의 생성에 사용된다.
도 2는 종래의 모터제어시스템에 있어서, 스타트신호(Start), 삼각파(C1,C2,C3), 사인신호(SIG1,SIG2,SIG3) 및 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)의 관계를 도시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, PWM 생성부(130a,130b,130c)는 클럭신호 (Clock)를 기초하여 스타트신호(Start)를 기점으로 하는 삼각파(C1,C2,C3)를 생성한다. 그리고, 삼각파(C1,C2,C3)와 사인신호(SIG1,SIG2,SIG3) 간의 교차점에 따라 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)를 생성한다.
그런데, 이러한 종래의 모터제어시스템에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 모터가 동일한 조건으로 제어시, 예컨대, 정지제어시 모터의 입력전원(R,S,T) 중 R 상에 인가되는 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)가 동일한 위상을 갖게 되어 잡음이 커지는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 다수의 모터를 구동하는데 있어 발생하는 잡음을 최소화시킨 모터제어장치 및 모터제어시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 복수의 모터를 제어하기 위한 모터제어시스템에 있어서, 교류전원을 정류 및 평활하여 출력하는 정류/평활부와; 상기 정류/평활부에 의해 정류 및 평활된 전원을 입력받아 상기 각 모터의 구동에 필요한 교류전원으로 변환하는 복수의 인버터부와; 상기 각 인버터부로부터 출력되는 교류전원을 제어하기 위한 상호 상이한 위상을 갖는 복수의 PWM신호를 출력하는 모터제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터제어시스템에 의해 달성된다.
여기서, 상기 모터제어장치는, 스타트신호, 클럭신호 및 사인신호를 출력하는 상위제어부와; 상기 스타트신호에 따라 상기 PWM 신호의 출력 시점을 결정하고, 상기 클럭신호 및 상기 사인신호에 기초하여 상기 PWM 신호를 생성하는 복수의 PWM 생성부와; 상기 각 PWM 생성부로부터 출력되는 상기 PWM 신호가 상호 상이한 위상을 갖도록 상기 복수의 PWM 생성부 중 어느 하나에 입력되는 상기 스타트신호를 시간 지연시키는 딜레이부를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 PWM 생성부는 상기 클럭신호에 기초하여 상기 스타트신호를 기점으로 하는 삼각파를 생성하고, 상기 삼각파와 상기 사인신호에 따라 상기 PWM 신호를 생성할 수 있다.
그리고, 상기 딜레이부에 의해 지연되는 상기 스타트신호 간의 시간차는 상기 삼각파의 한 주기 범의 내인 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 실시 형태에 따라, 복수의 모터를 제어하기 위한 복수의 PWM 신호를 생성하는 모터제어장치에 있어서, 스타트신호, 클럭신호 및 사인신호를 출력하는 상위제어부와; 상기 스타트신호에 따라 상기 PWM 신호의 출력 시점을 결정하고, 상기 클럭신호 및 상기 사인신호에 기초하여 상기 PWM 신호를 생성하는 복수의 PWM 생성부와; 상기 각 PWM 생성부로부터 출력되는 상기 복수의 PWM 신호가 상호 상이한 위상을 갖도록 상기 복수의 PWM 생성부 중 어느 하나에 입력되는 상기 스타트신호를 시간 지연시키는 딜레이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터제어장치에 의해서도 달성될 수 있다.
여기서, 상기 PWM 생성부는 상기 클럭신호에 기초하여 상기 스타트신호를 기점으로 하는 삼각파를 생성하고, 상기 삼각파와 상기 사인신호에 따라 상기 PWM 신호를 생성할 수 있다.
그리고, 상기 딜레이부에 의해 지연되는 상기 스타트신호 간의 시간차는 상 기 삼각파의 한 주기 범의 내인 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 모터제어시스템(1)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 교류전원을 공급하는 AC 전원공급부(10)와, 정류/평활부(20), 복수의 인버터부(30a,30b,30c), 모터제어장치(40)를 포함한다.
정류/평활부(20)는 AC 전원공급부(10)로부터 공급되는 교류전원을 정류 및 평활한다. 정류/평활부(20)는 AC 전원공급부(10)로부터의 교류전원을 정류하는 다이오드 정류부(21)와, 다이오드 정류부(21)에 의해 정류된 전원을 평활하는 커패시터 등의 평활부(22)를 포함할 수 있다.
각 인버터부(30a,30b,30c)는 정류/평활부(20)에 의해 정류 및 평활된 전원을 입력받아 각 모터(50a,50b,50c)의 구동에 필요한 교류전원으로 변환하여 공급한다. 여기서, 각 인버터부(30a,30b,30c)는 모터제어장치(40)로부터의 후술할 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)를 입력받고, 입력된 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)에 따라 온오프되는 다수의 스위칭소자의 스위칭 동작에 의해 정류/평활부(20)에 의해 정류 및 평활된 전원을 교류전원을 변환하여 모터(50a,50b,50c)로 출력한다.
모터제어장치(40)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상위제어부(41)와, 복수의 PWM 생성부(43a,43b,43c)와, 딜레이부(52)를 포함한다.
상위제어부(41)는 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)에 인가되는 스타트신호(Start), 클럭신호(Clock) 및 사인신호(SIG1,SIG2,SIG3)를 출력한다. 여기서, 상위제어부(41)는 PWM 생성부(43a,43b,43c) 및 딜레이부(52)를 제외한 모터 (50a,50b,50c)의 제어를 위한 다수의 전기/전자부품으로 구성된다. 예를 들어, 상위제어부(41)는 클럭신호(Clock)를 생성하는 클럭 제너레이터(Clock Generator), 스타트신호(Start)를 출력하며 각 모터(50a,50b,50c)의 제어를 위한 상위지령을 출력하는 메인 프로세서를 포함할 수 있다.
여기서, 클럭 제너레이터는 모터제어장치(40) 전체 시스템의 주 클럭을 생성할 수 있고, PWM 생성부(43a,43b,43c)로 입력되는 클럭신호(Clock)는 상기 주 클럭을 이용할 수 있다. 또한, 클럭 제너레이터는 PWM 생성부(43a,43b,43c)로 입력되는 클럭신호(Clock)를 생성하는 별로의 회로 구성을 가질 수 있음은 물론이다.
각 PWM 생성부(43a,43b,43c)는 상위제어부(41)로부터의 스타트신호(Start)에 따라 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)의 출력 시점을 결정한다. 그리고, 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)는 상위제어부(41)로부터의 클럭신호(Clock) 및 사인신호(SIG1,SIG2,SIG3)에 기초하여 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)를 생성한다. 여기서, 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)는 클럭신호(Clock)에 기초하여 스타트신호(Start)를 기점으로 하는 삼각파를 생성한다. 그리고, PWM 생성부(43a,43b,43c)는 삼각파 및 사인신호(SIG1,SIG2,SIG3)에 따라 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)를 생성한다. 이하에서는, 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)를 제1 PWM 생성부(43a), 제2 PWM 생성부(43b) 및 제3 PWM 생성부(43c)라고 임의로 정의하여 설명한다.
딜레이부(52)는 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)로 입력되는 PWM 신호(M1R,M2R,M3R) 중 적어도 어느 하나의 스타트신호(Start)를 시간 지연(t1,t2)시킨다. 도 4를 참조하여 설명하면, 딜레이부(52)는 상위제어부(41)로부터 출력되어 제2 PWM 생성부(43b)로 입력되는 스타트신호(Start)를 시간 지연(t1)시키는 제1 딜레이(42a)와, 상위제어부(41)로부터 출력되어 제3 PWM 생성부(43c)로 입력되는 스타트신호(Start)를 시간 지연(t2)시키는 제2 딜레이(42b)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 딜레이(42a) 및 제2 딜레이(42b)에 의해 지연되는 시간(t1,t2)은 상호 상이하다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)에서 생성되는 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)의 파형을 설명한다.
먼저, 제1 PWM 생성부(43a)로 입력되는 스타트신호(Start)는 시간 지연없이 입력되고, 제2 PWM 생성부(43b) 및 제3 PWM 생성부(43c)로 입력되는 스타트신호(Start)는 각각 제1 딜레이(42a) 및 제2 딜레이(42b)에 의해 시간 지연(t1,t2)된다.
여기서, 도 5에 도시된 바와 같이, 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)에서 스타트신호(Start)를 기점으로 생성되는 삼각파의 생성 시점 간의 차는 삼각파의 1 주기와 일치하지 않는 것이 바람직하다. 이에 따라, 스타트신호(Start)의 시간 지연(t1,t2)에 의해서도 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)의 생성에 기초가 되는 삼각파들이 상호 동일한 위상을 갖지 않게 된다.
또한, 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)에서 스타트신호(Start)를 기점으로 생성되는 삼각파의 생성 시점 간의 차는 삼각파의 1 주기보다 작은 것이 바람직하다. 즉, 제1 PWM 생성부(43a)로부터 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)가 최초 출력된 시점으로부터 해당 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)의 한 주기 내에 제2 PWM 생성부(43b) 및 제3 PWM 생성부(43c)가 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)를 출력하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)로부터 출력되는 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)의 시간 지연(t1,t2)으로 인한 영향을 최소화시킬 수 있다.
다시, 도 5를 참조하면, 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)는 지연된 스타트신호(Start)에 기초하여 상호 상이한 위상을 갖는 삼각파를 생성한다. 그리고, 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)는 각 삼각파 및 입력되는 사인신호(SIG1,SIG2,SIG3)에 기초하여 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)를 생성한다. 여기서, 스타트신호(Start)의 시간 지연(t1,t2)으로 인해 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)에서 생성된 삼각파 간의 위상차는, 도 5에 도시된 바와 같이, PWM 신호(M1R,M2R,M3R)들 간의 위상차로 나타나게 된다.
이하에서는, 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)로부터 출력되는 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)가 상호 상이한 위상을 가지므로 인해 얻는 잡음 감쇄의 효과에 대해 상세히 설명한다.
일반적인 신호는 퓨리에 변환(Fourier transform)에 의해 [식 1]과 같은 기본파의 하모닉스로 표현할 수 있다.
[식 1]
Figure 112005025491189-PAT00001
여기서, 각 PWM 생성부(43a,43b,43c)에서 발생한 PWM 신호(M1R,M2R,M3R) 또한 상기 [식 1]과 같이 표현될 수 있다.
그리고, 각 모터(50a,50b,50c)에서 발생하는 잡음을 각각 X1,X2,X3라고 하 면, 임의의 시점에서의 잡음의 영향은 슈퍼포지션(Superposition)의 법칙에 의해 각 모터(50a,50b,50c)에서 발생한 잡음의 합이 된다. 여기서, 감쇄는 잡음이 최대로 전달된다고 가정하면 무시할 수 있고, 시간 지연(t1,t2)은 신호의 전달 속도에 비추어 미비한바 무시할 수 있다.
여기서, 각 모터(50a,50b,50c)에서의 잡음 X1, X2 및 X3을 합하는 경우, 각 모터(50a,50b,50c)의 PWM 신호(M1R,M2R,M3R)의 기초가 되는 기본파인 삼각파가 동일하므로 [식 1]의 사인(sine) 및 코사인(cosine) 항목의 계수 AN 및 BN이 증가하게 된다. 즉, 각 모터(50a,50b,50c)의 수 만큼 잡음이 증가하게 되는데, 본 발명에서처럼 X2 및 X3이 각각 X1과 상이한 위상을 갖는 경우에는 X2 및 X3은 다음의 [식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[식 2]
Figure 112005025491189-PAT00002
여기서, [식 2]에서의 위상(phase) 지연이 있는 식을 상호 더하면, 사인 및 코사인 항목의 계수가 위상 지연이 없는 것에 비해 감소하게 되는데, 위상 지연이 주파수의 반파장이 되면 그 계수가 0이 된다.
여기서, 전술한 바와 같이 일반적인 신호는 기본파의 하모닉스로 표현되어 기본파의 배수가 되는 고주파를 갖게 되는데, 전술한 바와 같이 각 PWM 신호(M1R,M2R,M3R) 간의 위상차는 하모닉스의 고주파로 갈수록 하모닉스 주파수의 반파장에 가까워진다. 따라서, 고주파로 갈수록 잡음이 줄어들게 된다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 모터제어장치(40)가 적용되기 전의 주파수의 하모닉스에 따른 파워 스펙트럴 덴서티(Power Spectral Density)와, 본 발명에 따른 모터제어장치(40)가 적용되기 전의 주파수의 하모닉스에 따른 파워 스펙트럴 덴서티(Power Spectral Density)를 도시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모터제어장치(40)가 적용되기 전의 주파수의 하모닉스에 따른 파워 스펙트럴 덴서티(Power Spectral Density)가 큰 것을 알 수 있다. 반면에, 본 발명에 따른 모터제어장치(40)가 적용된 경우, 200KHz에서는 대략 3.5 정도로 크게 보이나, 이후의 주파수 하모닉스에서는 파워 스펙트럴 덴서티(Power Spectral Density)가 현저히 감소되었음을 알 수 있다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그리고 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다수의 모터를 구동하는데 있어 발생하는 잡음을 최소화시킨 모터제어장치 및 모터제어시스템이 제공된다.

Claims (7)

  1. 복수의 모터를 제어하기 위한 모터제어시스템에 있어서,
    교류전원을 정류 및 평활하여 출력하는 정류/평활부와;
    상기 정류/평활부에 의해 정류 및 평활된 전원을 입력받아 상기 각 모터의 구동에 필요한 교류전원으로 변환하는 복수의 인버터부와;
    상기 각 인버터부로부터 출력되는 교류전원을 제어하기 위한 상호 상이한 위상을 갖는 복수의 PWM신호를 출력하는 모터제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터제어시스템.
  2. 제3항에 있어서,
    상기 모터제어장치는,
    스타트신호, 클럭신호 및 사인신호를 출력하는 상위제어부와;
    상기 스타트신호에 따라 상기 PWM 신호의 출력 시점을 결정하고, 상기 클럭신호 및 상기 사인신호에 기초하여 상기 PWM 신호를 생성하는 복수의 PWM 생성부와;
    상기 각 PWM 생성부로부터 출력되는 상기 PWM 신호가 상호 상이한 위상을 갖도록 상기 복수의 PWM 생성부 중 어느 하나에 입력되는 상기 스타트신호를 시간 지연시키는 딜레이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터제어시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 PWM 생성부는 상기 클럭신호에 기초하여 상기 스타트신호를 기점으로 하는 삼각파를 생성하고, 상기 삼각파와 상기 사인신호에 따라 상기 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터제어시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 딜레이부에 의해 지연되는 상기 스타트신호 간의 시간차는 상기 삼각파의 한 주기 범의 내인 것을 특징으로 하는 모터제어시스템.
  5. 복수의 모터를 제어하기 위한 복수의 PWM 신호를 생성하는 모터제어장치에 있어서,
    스타트신호, 클럭신호 및 사인신호를 출력하는 상위제어부와;
    상기 스타트신호에 따라 상기 PWM 신호의 출력 시점을 결정하고, 상기 클럭신호 및 상기 사인신호에 기초하여 상기 PWM 신호를 생성하는 복수의 PWM 생성부와;
    상기 각 PWM 생성부로부터 출력되는 상기 복수의 PWM 신호가 상호 상이한 위상을 갖도록 상기 복수의 PWM 생성부 중 어느 하나에 입력되는 상기 스타트신호를 시간 지연시키는 딜레이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 PWM 생성부는 상기 클럭신호에 기초하여 상기 스타트신호를 기점으로 하는 삼각파를 생성하고, 상기 삼각파와 상기 사인신호에 따라 상기 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 딜레이부에 의해 지연되는 상기 스타트신호 간의 시간차는 상기 삼각파의 한 주기 범의 내인 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
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