KR20080053276A - 동기식 전기 모터, 특히 가전제품용 동기식 전기 모터를제어하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

시스템(ECS)은, 출력으로 직류 전압(V_B)을 공급하는 정류 회로(RC); 정류 회로(RC)에 연결되고, 선택적으로 일 방향 및 대향 방향으로 고정자 와인딩(W)에 전류를 통과시킬 수 있는 다수의 피제어 스위치(SW1-SW4)를 포함하는 구동 회로(DC); 회전자(R)의 각 위치를 나타내는 신호(H)를 공급할 수 있는 센서(PS); 및 모터(M)에 요구되는 회전 속도(ω_ref)를 나타내는 신호(RS)를 수신하도록 설계되고 위치 센서(PS)에 연결된 제어 회로(CC)를 포함한다. 제어 회로는, 회전자(R)의 패시지에서 미리 정해진 위치로 시간(t)의 함수인 카운팅 신호(N)를 생성하고, 카운팅 신호(N)가 모터(M)에 요구되는 회전 속도(ω_ref)에 상응하는 미리 결정된 기준값(N_ref)에 도달할 때 이 신호(N)를 리셋하고, 그 후, 모터(M)의 회전 속도(ω)가 상기 요구된 속도(ω_ref)보다 낮을 때, 및 이보다 높을 때, 각각, 선택적으로, 회전자의 위치 신호(H), 또는 카운팅 신호(N)를 기초로 구동 회로(DC)를 제어하도록 설계된다.

Description

동기식 전기 모터, 특히 가전제품용 동기식 전기 모터를 제어하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING A SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR, PARTICULARLY FOR HOUSEHOLD APPLIANCES}

본 발명은 동기식 전기 모터를 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이며, 이는 특히 가전제품에서, 예를 들어 식기 세척기의 수압 펌프(hydraulic pump)의 동작(actuation)을 위해 사용될 수 있다.

통상적으로 식기 세척기의 세정 펌프(washing pump)는 예를 들어 유럽 특허 EP 0 207 430-B1 및 유럽 특허 EP 0 287 984 B1에 개시된 형태인 동기식 전기 모터에 의해 동작한다. 식기 세척기용 이러한 형태의 수압 세정 펌프는, 동작 시에 통상적으로 주기적으로 변하는 수압 부하(load)를 갖는다. 결과적으로 펌프는 펄스형(pulse-type) 동작을 하며, 이는 소음의 발생 및 펌프에 대한 상당한 스트레스를 수반한다..

본 발명의 목적은 전술한 단점을 제거할 수 있게 하는 동기식 전기 모터 제어 방법 및 시스템을 제시하는 것이다

본 발명에 따른 이러한 목적 등은 제어 시스템에 의해 달성되며, 이의 주요 특징은 첨부된 청구항 제1항에서 정의되며, 청구항 제6항에 따른 제어 방법을 사용한다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들은, 첨부된 도면들을 참조로, 순전히 제한하지 않은 예시의 방식으로 제공된 다음의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 제어 시스템과 관련된 동기식 전기 모터의 대표도이다.

도 2는 도 1에 따른 제어 시스템의 보다 상세한 회로도이다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 제어 시스템에서 생성된 신호의 예시하는, x축에 기록된 시간에 따른 전개(develpoment)를 나타낸 도표이다.

도 5는 본 발명에 따른 제어 시스템과 관련된 전기 모터의 동작(functioning)의 특징을 나타낸 도표이다.

도 1에서, M은 전체에 걸쳐 전기 모터를 나타내며, 이는 전체에 걸쳐 ECS로 나타낸 전기 제어 시스템(electric control system)과 관련된다.

전기 모터(M)는, 실질적으로 'U' 자형인 라미네이션(lamination; 1) 세트를 포함하고 와인딩(winding; W)이 제공된 고정자(stator), 및 영구 자석으로 이루어진 회전자(rotor; R)를 포함한다.

모터(M)와 관련된 제어 시스템(ECS)은 회전자(R)와 관련된 전기 위치 센서(electric position sensor; PS)를 포함한다. 이 센서는 예를 들어 홀-효 과(Hall-effect) 센서이며, 이는 동작 시 통상적으로 구형파인 교변하는(alternating) 전기 위치 센서를 공급할 수 있으며, 이는 예를 들어 도 3 및 4에서 H로 지시된 파형에 따른 전개를 갖는다.

회전자가 미리 정해진 각 기준 위치에 도달할 때, 센서(PS)의 출력으로서 공급되는 신호(H)가 레벨 스위칭 - 예컨대 낮은 레벨에서 높은 레벨로 - 을 갖도록 하는 방식으로, 센서(PS)는 위치에 배치된다.

도 1을 참조하면, 제어 시스템(ECS)은 입력(2)을 갖는 예컨대 반파 이중 브릿지형(half-wave double-bridge type)인 정류 회로(rectifier circuit; RC)를 추가적으로 포함하며, 이는 출력으로 미리 정해진 직류 전압(V_B)을 공급하기 위해 50 또는 60Hz의 주 공급원(mains supply)와 같은 교류 전력 소스에 연결되도록 설계된다.

제어 시스템(ECS)은, 도 2에 도시된 것과 같이, 소위 'H' 브릿지형으로 유리하게 이루어진 구동 회로(driver circuit; DC)를 추가로 포함한다. 이러한 구동 회로는 고정자 와인딩(W)뿐만 아니라, 정류 회로(RC)의 출력과 연결되고, 예컨대 MOSFET 타입의 트랜지스터들과 같은, 다수의 피제어(controlled) 전자 스위치들(SW1-SW4)을 포함한다. 이러한 스위치(SW1-SW4)들의 배열과 제어는, 이들이 선택적으로 일 방향과 대향 방향으로 고정자 와인딩(W)에 전류를 통과(passage)시킬 수 있는 방식으로 이루어진다.

스위치들(SW1-SW4)은 도 1과 도 2의 전체에 걸쳐 CC로 표시된 제어 회로의 출력과 연결된 각각의 제어 입력들(i1~i4)을 갖는다.

도 2에서 예시의 방식으로 도시된 실시예에서, 제어 회로(CC)는 입력(I)을 가지며, 이는 모터(M)에 요구되는 회전 속도(ω_ref)를 나타내는 신호(RS)를 수신하도록 설계된다.

제어 회로(CC)는 제 1 프로세싱 회로(PC1)를 포함하며, 제 1 프로세싱 회로는 신호(RS)를 입력으로 수신하고, 신호(T1)를 출력으로 공급하고, 이의 주파수(주기)는 모터(M)에 요구되는 속도(ω_ref)에 비례(반비례) 한다.

제어 회로(CC)는 2개의 입력을 갖는 제2 프로세싱 회로(PC2)를 포함하며, 2개의 입력에 동작시 회전자 위치 신호(H), 및 모터(M)에 요구되는 회전 속도(ω_ref)를 나타내는 신호 (T1)가 인가된다.

제2 프로세싱 회로(PC2)는 도 2에서 각각 H'과 PWMS로 표시되는 2개의 신호를 출력으로 제공하도록 설계되며, 이들은 AND 타입의 논리 회로(LC)에 인가된다.

이후에 더욱 명백해지겠지만, 신호(H')는 직류(DC) 브릿지 구동 회로의 스위치들(SW1~SW4)을 제어하는데 사용되는 구형파 신호이다.

신호(PWMS)는 변조된 펄스 폭(modulated pulse width)(기간(duration))을 갖는 신호이며, 동작 시 고정자 와인딩(W)에 인가되는 전압의 절대 값을 제어하는데 사용된다.

논리 회로(LC)의 출력은 논리 인버터(LI)를 통해 스위치들(SW1, SW4)의 제어 입력(i1, i4)에 연결된다. 또한, 이 출력은 스위치들(SW2, SW3)의 제어 입력(i2, i3)에 직접 연결된다.

전술한 제어 시스템(ECS)은 실질적으로 다음과 같이 동작한다.

전기 모터(M)가 시동되고, 위치 센서(PS)에 의해 공급된 신호(H)의 제 1 레벨 스위칭이 일어날 때까지, 회전자와 관련된 위치 센서(PS)에 의해 공급된 신호를 기초로, 프로세싱 회로(PC2)는 H와 동일한 신호(H')를 출력으로 공급한다. 즉, (LC회로, LI회로, 및 DC 브릿지 회로를 통해) 모터(M)의 고정자 W를 제어한다. 또한, 회로(PC2)는 신호(PWMS)를 출력으로 공급하며, 이는 고정자 와인딩(W)에 인가된 전압이 V_B과 dcmin의 곱(V_B x dcmin)과 실질적으로 동일하게 하는 방식으로 미리 정해진 값(dcmin)을 갖는 듀티 사이클을 가지며, 여기서 V_B는 정류 회로(RC)의 출력 전압이다.

이러한 상태는 회전자와 관련된 위치 센서(PS)의 신호(H)의 제 1 레벨 스위칭이 발생할 때까지 계속된다.

신호(H)의 제 1 스위칭이 일어나면(도 3의 t1 순간), 회로(PC2) 내의 카운터(C)(도 2)가 예를 들어 증가하는 카운팅을 시작하고, 카운팅된 값(N)이 모터(M)에 요구되는 속도(ω_ref)에 반비례하는 값(N_ref)에 도달할 때까지 시간에 선형적으로 변한다.

카운터(C)에 의해 도달된 카운팅 값(N)이 기준값(N_ref)과 같아질 때(도 3), 만약 신호(H)가 아직 상태(state) 또는 레벨(level)을 변경하지 않았다면, 카운 터(C)는 0으로 리셋된다(도 3의 t₂ 순간). 위치 신호(H)의 추가 스위칭이 발생하자마자, 카운터(C)에 의한 카운팅은 다시 시작된다(도 3의 t₃ 순간). 이러한 상태에서, DC 브릿지 구동 회로의 스위치들(SW1~SW4)의 스위칭은, 신호(PWMS)에 의해 결정된 듀티 사이클을 갖는, 신호(H), 즉 회전자의 각 위치 신호에 의해 단독으로 결정된다. 이러한 상태는 회전자 위치 신호(H)의 다음 스위칭 전에 카운터(C)의 신호(N)가 레벨(N_ref)에 도달할 때까지 계속된다.

시동 시 고정자 와인딩(W)에 인가된 전압은, 이미 언급하였듯이 V_B x Dcmin 이다. 모터(M)에는 비정상적인 상태가 발생하지 않는 한, 전체 동작 범위에 있어서 이 값보다 낮은 전압이 동작 시 결코 공급되지 않으며, 이는 이하에서 설명될 것이다.

동작 시, 시동할 때, 신호(H)의 제 1 레벨 스위칭 후(t₁ 순간), 회로(PC2)는 신호(H)의 제 1 스위칭과 다음 스위칭 사이에서 소요되는 시간(Tf)을 측정한다(Tf = t₃ - t₁). 따라서 모터의 고정자 와인딩(W)에 인가된 전압 값(V_w)은 다음과 같이 계산된다: V_W = max [ (V_B x dcmin); (V_B x dcmax - kTf) ] = VB . dclim 여기서, dcmax는 0.99와 같고, k는 미리 정해진 상수 값이고, dclim은 한계 전압(limit voltage)의 듀티 싸이클이다.

도 3 및 도 4에서, Tc는 회로(PC2)의 카운터(C)가 카운팅 값(0)에서 카운팅 값(N=N_ref)으로 가는 시간을 나타낸다.

T_f ≤ T_c 인 상태가 발생하자마자, 모터의 고정자 와인딩(W)에 대한 전압 스위칭은 위치 신호(H) 앞에서 더 이상 일어나지 않지만, 카운터의 출력에서 신호(N)가 N_ref에 도달하는 때에는 일어난다(도 4). 이러한 경우에, 카운터(C)의 신호(N)는 삼각파(triangular wave) 형태로 0에서 N_ref 사이를 진동하며, 회전자(R)의 위치 신호(H)와 비교했을 때 시간(td)만큼 지연된다.

회로(PC2)는 지연 시간(Td)이 미리 설정된 최소 값(Tdmin)보다 작은지를 확인하도록 설계된다. 최소값보다 작은 경우, 일반적인 단계(N)에서 모터(M)의 고정자 와인딩(W)에 인가된 전압은 변하지 않는다. 반면, 만약 Td가 미리 설정된 최소 값(Tdmin)보다 큰 경우에는, 와인딩(W) 상의 전압은 Td를 Tdmin보다 작게 하기 위해 ΔV_s 만큼 감소된다. 따라서, 이 경우 와인딩(W)에 인가될 전압은 하기와 같다: V_w = V_w - V_s 여기서 V_s = ΣΔV_s 이고, V_Sn = b_{Sn -1} + ΔV_s 이다.

지연(Td)이 부호를 바꾼다면, 즉 위치 신호(H)가 카운터(C)의 신호(N)과 비교하여 지연된다면(도 3, 왼쪽 부분), 전압(V_S)은 Td가 Tdmin으로 (자신의 부호로) 돌아가는 횟수만큼 ΔV_s씩 감소된다. 만약 이것이 발생하지 않으면, V_S는 V_S = 0이 달성될 때까지 ΔV_S만큼 감소되며, 고정자 와인딩(W)에 인가된 전압은 V_W와 동일하다.

전술한 설명을 요약해보면, 전자 제어 회로(ECS, Electric Control Circuit)는, 모터(M)가 시동될 때, 회전자의 위치 신호(H)에 기초하여 DC 브릿지 회로를 제 어하고, 정류 회로(RC)의 출력 전압(V_B)과 비교할 때 미리 정해진 양(dcmin)만큼 감소된 값을 갖는 전압을 고정자 와인딩(W)에 인가하도록 설계된다.

그 후에, 회전자(R)의 제 1 페시지(passage)로부터 미리 결정된 각 위치로 시동할 때, 제어 회로(CC)는 시간(t)의 선형 함수에 따라 변하는 카운팅 신호(N)를 생성하고, 카운팅 신호(N)가 모터(M)에 요구되는 회전 속도(ω_ref)에 상응하는 미리 결정된 기준값(N_ref)에 도달할 때 카운팅 신호(N)를 리셋한다.

따라서 제어 회로(CC)는, 회전 속도(ω)가 요구된 속도(ω_ref)보다 각각 큰지 또는 작은지에 따라, 회전자의 위치 신호(H)에 기초하거나, 또는 상기 카운터의 카운팅 신호(N)에 기초하여 DC 브릿지 구동 회로를 제어한다.

마지막으로, 제어 회로(CC)는 고정자 와인딩(W)에 전압을 인가하기 위해서 브릿지 구동 회로를 제어하도록 설계되며, 전압의 절대값은 회전자(R)의 회전 속도(ω)가 증가함에 따라서 미리 결정된 함수에 따라 미리 결정된 값까지 증가한다.

전술한 관점에서, 본 발명에 따른 제어 시스템은 전기 모터(M)를 종래 브러쉬리스(brushless) 모터처럼 동작시키지만, 소위 돌입 전류(inrush current)를 감소시키고 시동시 가속 소음을 감소시키기 위해 모터에 제한된 전압을 인가한다.

도 5는 본 발명에 따른 시스템에 의해 제어되는 동기식 모터의 동작 특성을 도시한다. 도 5의 그래프에서, X축은 모터(M)의 회전 속도(ω)를 나타내고, Y축은 회전 속도(ω)에 의해 전개된 토크(T)를 나타낸다. 이 그래프에서, 곡선(C1)은 동기식 모터를 대표하는 특성 토크/속도를 나타낸다. 일점쇄선으로 그려진 곡선(C2) 은 모터 부하의 동작 상태를 나타낸다.

곡선 일부(A1)는 모터의 시동 단계를 도시하며, 여기서 모터는 종래 브러쉬리스 모터처럼 시작하지만 제한된 전압을 갖는다. 곡선 일부(A2)는 동기식 모터가 요구된 속도까지(ω_ref) 영구 자석을 구비한 종래 브러쉬리스 모터처럼 동작하는 단계를 나타낸다.

모터(M)가 요구되는 속도(ω_ref)에 도달하면, 모터(M)는, 속도를 측정하기 위한 외부 링(ring)에 대한 필요 없이, 매우 안정된 속도로, 진실로 동기식 모터처럼 동작하는 방식으로 제어된다. 이러한 상태는 도 5의 곡선 일부(A3)에 의해 나타난다.

모터에 동작적으로 인가되는 전압은, 작용하는 소음 및 진동을 감소시키기 위해, 부하 요건(load requirement)에 따라, 감소될 수 있다.

본 발명의 원리를 바꾸지 않고서도, 첨부된 청구범위에서 정해지는 본 발명의 범위에서 벗어남 없이, 실시예 및 상세한 설명은 순전히 제한하지 않는 예시의 방식으로 설명되고 도시된 것들과 비교하여 폭 넓게 변할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (10)

1. 적어도 하나의 와인딩(W)을 구비한 고정자(S) 및 영구 자석들을 구비한 회전자(R)를 포함하는 동기식 전기 모터(M)를 위한 제어 시스템(ECS)으로서,

   상기 시스템(ECS)은,

   미리 결정된 직류 전압(V_B)을 출력으로써 공급하기 위해서, 교류(alternating current) 전력 소스에 연결되도록 설계된 입력(2)을 갖는 정류 회로(RC);

   상기 정류 회로(RC)의 출력과 상기 고정자 와인딩(W)에 연결되고, 다수의 피제어 스위치(SW1-SW4)를 포함하는 구동 회로(DC) - 상기 스위치는 선택적으로 일 방향 및 대향 방향으로 상기 고정자 와인딩(W)에 전류를 통과시키도록 배열됨 - ;

   상기 회전자(R)의 각 위치를 나타내는 교변하는(alternating) 위치 신호(H)를 공급하기 위한 위치 센서 수단(PS); 및

   상기 모터(M)에 요구되는 회전 속도(ω_ref)를 나타내는 신호(RS)를 수신하도록 설계된 제 1 입력, 및 상기 위치 센서 수단(PS)에 연결된 제 2 입력을 갖는 제어 회로(CC)를 포함하며,

   상기 제어 회로는,

   - 상기 모터(M)가 시동될 때, 상기 회전자의 상기 위치 신호(H)를 기 초로, 상기 정류 회로(RC)의 상기 출력 전압(V_B)과 비교하여 미리 결정된 양(dcmin)만큼 감소된 절대 값을 갖는 전압을 상기 고정자 와인딩(W)에 인가하도록, 상기 구동 회로(DC)를 제어하고,

   - 그 후, 상기 회전자(R)의 미리 결정된 각 위치로의 이동을 시작하면서, 선형 시간 함수(t)에 따라 변하는 카운팅 신호(N)를 생성하고, 상기 카운팅 신호(N)가 상기 모터(M)에 요구되는 회전 속도(ω_ref)에 상응하는 미리 결정된 기준값(N_ref)에 도달할 때 상기 카운팅 신호(N)를 리셋하며,

   - 그 후, 상기 모터(M)의 회전 속도(ω)가 상기 요구된 속도(ω_ref)보다 낮을 때, 및 이보다 높을 때, 각각, 상기 회전자의 상기 위치 신호(H), 또는 상기 카운팅 신호(N)에 선택적으로 기초하여, 상기 구동 회로(DC)를 제어하고,

   - 그 후, 상기 고정자 와인딩(W)에 전압 - 상기 전압의 절대값은 상기 회전자(R)의 회전 속도(ω)가 증가할 때 미리 정해진 함수에 따라 미리 정해진 값까지 증가함 - 을 인가하기 위한 방식으로 상기 구동 회로(DC)를 제어

   하도록 설계된, 동기식 전기 모터(M)를 위한 제어 시스템(ECS).
2. 제1항에 있어서,

   상기 제어 회로(CC)는 변조된 펄스 폭을 갖는 정현파(square wave) 제어 신호(PWMS)를 이용하여 상기 고정자 와인딩(W)에 인가된 상기 전압을 제어하도록 설계된, 동기식 전기 모터(M)를 위한 제어 시스템(ECS).
3. 제2항에 있어서,

   상기 제어 회로(CC)는 상기 제어 신호(PWMS)와 상기 회전자의 위치 신호(H) 또는 상기 카운팅 신호(N)를 AND 모드로 결합할 수 있는 논리형(logic type) 회로 수단(LC)을 포함하는, 동기식 전기 모터(M)를 위한 제어 시스템(ECS).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 구동 회로는 'H' 형태인 브릿지 회로인, 동기식 전기 모터(M)를 위한 제어 시스템(ECS).
5. 제4항에 있어서,

   상기 'H' 형태인 브릿지 회로는 다수의 MOSFET 타입의 트랜지스터(SW1-SW4)를 포함하는, 동기식 전기 모터(M)를 위한 제어 시스템(ECS).
6. 적어도 하나의 와인딩(W)을 구비한 고정자(S) 및 영구 자석들을 구비한 회전자(R)를 포함하는 동기식 전기 모터(M)를 제어하기 위한 방법으로서,

   미리 결정된 직류 공급 전압(V_B)을 제공하는 단계;

   상기 고정자 와인딩(W)에 연결되고 다수의 피제어 스위치(SW1-SW4)를 포함하는 구동 회로(DC)에 상기 직류 전압(V_B)을 인가하는 단계 - 상기 다수의 피제어 스 위치는 선택적으로 일 방향 및 대향 방향으로 상기 고정자 와인딩(W)에 전류를 통과시키도록 적응됨 - ;

   상기 회전자(R)의 각 위치를 나타내는 교변하는(alternating) 전기 위치 신호(H)를 생성하는 단계;

   상기 회전자의 상기 위치 신호(H)를 기초로, 상기 직류 전압(V_B)과 비교하여 미리 결정된 범위로 감소된 절대 값을 갖는 전압을 상기 고정자 와인딩(W)에 인가하도록, 상기 구동 회로(DC)를 제어하는 단계;

   그 후, 상기 회전자(R)의 미리 결정된 각 위치로의 이동을 기초로, 선형 시간 함수(t)에 따라 변하는 카운팅 신호(N)를 생성하고, 상기 카운팅 신호(N)가 상기 모터(M)에 요구되는 회전 속도(ω_ref)에 상응하는 미리 결정된 기준값(N_ref)에 도달할 때 상기 카운팅 신호(N)를 리셋하는 단계;

   그 후, 상기 모터(M)의 회전 속도(ω)가 상기 요구된 속도(ω_ref)보다 낮을 때, 및 이보다 높을 때, 각각, 상기 회전자의 상기 위치 신호(H), 또는 상기 카운팅 신호(N)에 선택적으로 기초하여, 상기 구동 회로(DC)를 제어하는 단계; 및

   그 후, 상기 고정자 와인딩(W)에 전압 - 상기 전압의 절대값은 상기 회전자(R)의 회전 속도(ω)가 증가할 때 미리 정해진 함수에 따라 미리 정해진 값까지 증가함 - 을 인가하기 위한 방식으로 상기 구동 회로(DC)를 제어하는 단계

   를 포함하는, 동기식 전기 모터(M)를 제어하는 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 고정자 와인딩(W)에 인가된 상기 전압은 변조된 펄스 폭을 갖는 정현파(square wave) 신호(PWMS)를 이용하여 제어되는, 동기식 전기 모터(M)를 제어하는 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제어 신호(PWMS)는 상기 회전자의 위치 신호(H) 또는 상기 카운팅 신호(N)와 논리 모드(logic mode)에서 결합되는, 동기식 전기 모터(M)를 제어하는 방법.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   H-브릿지 구동 회로가 사용되는, 동기식 전기 모터(M)를 제어하는 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 사용된 H-브릿지 구동 회로는 다수의 MOSFET 타입의 트랜지스터(SW1-SW4)를 포함하는, 동기식 전기 모터(M)를 제어하는 방법.

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