KR20090053232A - 세탁기 모터, 세탁기 모터의 제어방법 및 세탁기의제어방법 - Google Patents

Abstract

세탁기 모터에서 약자속 운전이 안정적으로 수행되고, 약자속 운전과 정상운전이 최적으로 선택 가능하도록 하기 위하여, 터브에 고정되는 고정자, 및 상기 고정자에 대하여 회전하고 영구자석을 가지는 회전자가 포함되는 세탁기 모터를 구동하여 세탁기를 동작시키는 방법에 있어서, 상기 세탁기의 세탁행정 시에는 약자속운전을 수행하지 않도록 하여, 상기 세탁기 모터의 급격한 부하변동시에도 안정적으로 상기 세탁기 모터가 동작되도록 하고, 상기 세탁기의 탈수행정 시에는 약자속운전이 수행되도록 하여, 고속운전이 가능하도록 상기 세탁기 모터가 동작되도록 하는 세탁기의 제어방법이 개시된다.

모터

Description

세탁기 모터, 세탁기 모터의 제어방법 및 세탁기의 제어방법{Motor for washer, controlling method for a motor for a washer, and controlling method for a washer}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세탁기의 단면도.

도 2는 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어장치의 블록도.

도 3은 역토크의 개념을 설명하는 d-q축 회전좌표계의 도면.

도 4는 본 실시예에 따른 세탁기의 제어방법을 설명하는 흐름도.

도 5는 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어방법의 흐름도.

도 6은 회전자의 위치추정과정을 설명하는 도면.

본 발명은 세탁기 모터, 세탁기 모터의 제어방법 및 세탁기의 제어방법에 관한 것이다.

세탁기는 세탁포를 세척하는 장비로서, 세탁기가 동작되는 방식에 따라서 다양한 종류가 있다. 이 중에서도 드럼 세탁기는 측방향으로 누어있는 드럼에 세탁포가 수용되도록 하고, 그 드럼이 회전되도록 하기 위하여, 드럼의 후방에는 세탁기 모터가 장착되어 있다. 상기 세탁기 모터는 고속으로 운전이 가능하면서도 소음이 줄도록 하기 위하여 아우터 로터 타입의 BLDC 세탁기 모터가 이용되고 있다.

상기 세탁기 모터는 작은 용량 및 작은 크기의 모터임에도 고속회전이 가능하도록 하기 위하여, 회전속도가 일정한 수준 이상으로 높아지는 때에는, 약자속 운전이 수행되도록 하고 있다.

상기 약자속 운전은, 모터가 정격속도에 도달하고 나면 역기전력에 의해서 모터에 입력 가능한 전류량이 감소하여, 전류를 흘리더라도 더 이상 모터의 회전속도가 증가될 수 없는 문제가 발생하는 것을 해소하기 위한 운전모드로서, 강제로 영구자석의 자속을 약화시키는 운전 모드이다. 보다 상세하게는, 모터가 정격속도에 이르고 나면, 벡터제어방식에서 사용되는 상기 d-q축 좌표계에서 영구자석의 자속방향과 평행인 d축으로 입력되는 전류의 양을 증가시킴으로써, 자속을 약화시키도록 하는 모드인 것이다. 이와 같이되면 모터의 운전 효율은 다소 떨어지더라도 모터를 정격속도보다 고속으로 운전시킬 수 있는 장점을 얻을 수 있다.

또한, 세탁기에는 다양한 행정이 수행되는데, 예를 들어, 드럼의 내부에 세탁수와 세탁포가 수용된 상태에서 드럼이 회전되어 세탁이 수행되는 세탁행정, 드럼에 세탁이 완료된 세탁포와 세탁수가 수용된 상태에서 드럼이 회전되어 헹굼이 수행되는 헹굼행정, 및 세탁 및 헹굼행정이 완료된 세탁포가 드럼에 수용된 상태에서 드럼이 고속회전되어 탈수가 수행되는 탈수행정이 그것이다. 그런데, 이와 같은 세탁기의 현재 행정과 무관하게 상기 세탁기 모터는 드럼의 회전속도에 대한 관계만으로 상기 약자속 운전을 하여 왔다.

그러나, 세탁기의 행정에 따라서는 약자속 운전이 적합하지 아니함에도 불구하고, 드럼이 일정속도 이상에 다다르기만 하면 약자속 운전이 수행되는 경우에는, 세탁기의 소음 및 진동의 원인이 되고, 심한 경우에는 드럼이 탈조되는 현상까지 발생하였다. 또한, 센서의 오작동으로 인하여 드럼의 회전속도가 잘못 감지되는 등의 요인으로 인하여 강제로 약자속 운전이 수행되는 경우도 발생하는데, 이 경우에는 모터의 운전 효율 저하를 야기하고, 세탁기의 오동작을 야기하게 된다.

본 발명은 세탁기 모터가 약자속 운전이 안정적으로 수행되도록 하는 세탁기 모터, 세탁기 모터의 제어방법 및 세탁기의 제어방법을 제안한다. 그리고, 약자속 운전이 적합한 시기를 선정하여 적합한 시기에만 약자속 운전이 가능하도록 하고, 그렇지 아니한 경우에는 강제적으로 약자속 운전과 대비되는 개념으로서 정상 운전이 수행되도록 하여 시스템의 안정도가 향상되도록 하는 세탁기 모터, 세탁기 모터의 제어방법 및 세탁기의 제어방법을 제안한다.

또한, 세탁기의 소음 및 진동이 감소되고, 에너지 소비 효율이 개선되는 세탁기 모터, 세탁기 모터의 제어방법 및 세탁기의 제어방법을 제안한다.

본 발명에 따른 세탁기 모터는, 다수의 권선된 코일이 원형으로 배치되는 고정자; 상기 코일과 일정거리 이격되는 영구자석을 가지는 회전자; 상기 회전자의 현재속도와 지령속도를 비교하여 상기 현재속도가 상기 지령속도에 추종하도록, 상기 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으 로 정의되는 d-q축 좌표 상의 전류성분 Id와 Iq를 조절하여, d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 각각 발생시키는 동작을 수행하고, 탈수행정 시에는 상기 현재속도가 상기 지령속도보다 작은 경우에는 d축 지령전류 Id*를 발생시키고, 세탁행정 시에는 상기 현재속도가 상기 지령속도보다 작은 경우에는 d축 지령전류 Id*를 영으로 하도록, 상기 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 발생시키는 속도 제어기; 상기 속도 제어기에서 출력되는 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*에 근거하여 d축 지령전압 Vd*과 q축 지령전압 Vq*을 각각 발생시키는 전류 제어기; 및 상기 전류 제어기에서 출력되는 상기 지령전압 Vd*와 Vq*에 근거하여 PWM 신호를 발생시켜 상기 코일로 인가시키는 인버터가 포함된다.

본 발명에 따른 세탁기 모터의 제어방법은, 터브에 고정되는 고정자, 및 상기 고정자에 대하여 회전하고 영구자석을 가지는 회전자가 포함되는 세탁기 모터를 제어하는 방법에 있어서, 상기 회전자의 실제속도가 측정되는 단계; 상기 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 좌표 상의 전류성분 Id와 Iq를 조절하여, 상기 회전자의 실제속도가 지령속도를 추종하도록, d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 각각 발생시키는 단계; 및 상기 지령전류에 근거하여 PWM 신호를 발생시켜서 모터를 회전시키는 단계가 포함되고, 상기 지령전류의 발생단계의 수행 시에, 세탁기 모터가 세탁행정으로 동작 중인 때에는 역토크의 발생을 방지하기 위하여 d축 지령전류 Id*를 영으로 하여 상기 지령전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명인 세탁기의 제어방법은, 터브에 고정되는 고정자, 및 상기 고정자에 대하여 회전하고 영구자석을 가지는 회전자가 포함되는 세탁기 모터를 구동하여 세탁기를 동작시키는 방법에 있어서, 상기 세탁기의 세탁행정 시에는 약자속운전을 수행하지 않도록 하여, 상기 세탁기 모터의 급격한 부하변동시에도 안정적으로 상기 세탁기 모터가 동작되도록 하고, 상기 세탁기의 탈수행정 시에는 약자속운전이 수행되도록 하여, 고속운전이 가능하도록 상기 세탁기 모터가 동작되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해서 세탁기 모터에서 약자속 운전이 안정적으로 수행되고, 약자속 운전과 정상운전이 최적으로 선택가능하게 된다. 이로써 세탁기의 소음 및 진동이 감소되고, 에너지 소비 효율이 개선되는 장점을 기대할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하의 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세탁기의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 드럼 세탁기는, 세탁기의 외관을 이루고 각 부품의 설치 및 지지대의 기능을 수행하는 캐비넷(1)과, 상기 캐비넷(1)의 내부에 설치되고 회전운동에 의해서 내부에 수용되는 세탁포의 세탁이 수행되도록 하는 드럼(7), 상기 드럼(7)의 외부에 설치되어 세탁수가 저장되는 터브(3)와, 상기 터브(3)의 배면에 고정되는 고정자(8)와, 상기 고정자(8)의 외주면에 놓여서 상기 고정자(8)와의 사 이에 발생되는 전자기력에 의해서 회전되는 회전자(4)와, 상기 회전자(4)의 중심축으로서 회전자(4)와 함께 회전되는 샤프트(6)가 제공된다.

또한, 상기 샤프트(6)의 회전운동을 지지하는 베어링(5)과, 터브(3)를 지지하기 위한 댐퍼(9) 및 스프링(13)이 더 마련된다.

여기서, 상기 고정자(8)와 상기 회전자(4)와 샤프트(6)를 일체로 칭하여 세탁기 모터라고 이름할 수 있을 것이다. 여기서, 상기 고정자에는 코일이 권선되는 다수의 치가 제공되고, 상기 회전자(4)에는 마그넷이 설치되어 있다. 상기 코일과 상기 마그넷과의 사이에서 발생되는 전자기력에 의해서 회전자가 회전된다. 그리고, 일반적으로 모터가 회전된다는 의미는 회전자와 고정자와의 사이에 발생되는 전자기력에 의해서 상기 회전자(4)가 회전된다는 의미로 이해될 수 있다.

상기되는 구성을 참조하여 드럼 세탁기의 작동을 시계열적으로 설명한다.

사용자가 도어(11)를 열고서 세탁포를 드럼(7) 내부로 투입한다. 이후에, 사용자는 조작 패널(12)을 조작하여 세탁포의 상태와 자신이 원하는 동작조건을 참조하여 세탁기를 운전한다. 세탁기의 동작이 개시되면 먼저 모터가 회전되어 모터에 의해서 감지되는 부하량에 의해서 세탁포의 포량이 감지된다. 그리고, 감지된 포량에 적합하도록 세탁행정이 수행된다.

상기 세탁행정이 개시되면 세탁수 유입구(2)를 통하여 세탁수가 유입되고 적정의 세탁수가 유입된 다음에는, 모터가 회전되어 드럼(7)을 회전시킨다. 상기 세탁행정에서는, 상기 드럼(7)의 회전방향은 정방향과 역방향이 교번하여 일어나는 것이 일반적인데, 이는 세탁포의 엉김을 방지하고 다른 세탁방식에 비하여 세탁력 이 약한 드럼 세탁 방식에서 세탁효율을 높이는 장점을 얻기 위한 일 목적을 가지고 있다.

이와 같은 세탁행정의 수행 중에는 드럼의 회전운동이 가하여지는 부하가 급격하게 변동하게 된다. 다시 말하면, 세탁행정의 수행 중에는 드럼이 정방향과 역방향으로 회전방향이 바뀌게 되고, 이와 같은 드럼의 회전방향이 순간적으로 바뀌도록 하기 위해서는 드럼의 부하가 대폭적으로 변하게 된다. 특히, 드럼의 내부에 수용되는 세탁포의 양이 많은 경우에는 그와 같은 부하변동은 더욱 클 것이다. 또한, 드럼의 회전속도를 순간적으로-초 단위는 아니라 할 것이지만 세탁행정이 원활히 수행되도록 하기 위하여 빠른 시간 내에 드럼이 회전 또는 정지하여야 한다-바꾸는 중에 드럼의 내부에서 회전 및 낙하를 하였던 세탁포의 운동이 바뀌는 중에 부하의 변동은 더욱 크게 일어난다.

상기되는 바와 같은 부하변동이 발생하면, 드럼(7)의 위치는 정확하게 추정될 수 없게 된다. 더 상세하게 설명하면, 상기 고정자(8)에는 일반적으로 두 개의 홀 센서(14)가 설치되고, 상기 두 개의 홀 센서(14)를 이용하여 회전자의 위치를 전기각 360도 동안 4회의 온/오프 신호를 얻어낸다. 그리고, 홀 센서(14)가 온/오프되는 사이의 간격에서는 회전자(4)-회전자는 드럼과 같이 회전하는 것은 당연하다-의 위치를 추정하여 모터의 제어에 적용하게 된다. 만약, 홀 센서(14)를 다량으로 설치할 수 있기만 하다면 홀 센서를 다량으로 설치하여 정확한 회전자의 위치 정보를 파악할 수 있지만, 그와 같은 것은 고정자의 공간이 협소하고, 제어가 어렵기 때문에, 비현실적이다. 다만, 한 개 또는 세 개 또는 그 이상의 홀 센서를 설치 하는 것도 불가능한 것은 아니다.

이와 같이 회전자(4)의 위치를 추정하는 동안에 드럼(7)에 가하여지는 부하에 변동이 발생하게 되면, 드럼(7)의 회전속도가 급격하게 감소되거나 증가하게 되고, 이 때에는 결국 상기 드럼(7)의 위치는 정확하게 추정될 수 없게 된다.

상기 드럼(7)의 현재위치가 정확하게 추정되지 못하면, 고정자의 권선에 인가되는 전원의 제어가 정확하게 수행되지 못하게 된다. 특히, 백터제어방식을 이용한 약자속 운전의 경우에는, 능동적으로 d-q축 회전 좌표계 상에서 d축과 q축을 영구자석의 자속방향에 대하여 평행인 방향과 직각인 방향으로 정의하고, 상기 각 축의 방향으로 정확하게 전원이 인가되도록 한다. 그러므로, 전원의 인가방향이 정확하게 제어되는 방식을 취하고 있기 때문에, 이와 같은 전원제어의 문제는 더욱 현저하게 발생한다.

이와 같은 문제점을 감안하여 세탁행정의 경우에는 모터를 약자속 운전시키지 않는다.

상기 벡터제어방식을 간단하게 설명한다. 상기 백터제어방식은 권선에 전류가 인가되는 것을 제어하는 전원인가제어방식의 일종으로서, 회전자에 놓이는 영구자석의 자속방향과 평행한 d축과 상기 영구자석의 자석방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 좌표를 설정하여, 상기 d축 및 상기 q축으로 정확하게 전류를 인가하는 방식이다. 상기 벡터제어방식은 모터에 인가되는 전류를 보다 정확하게 제어할 수 있는 장점이 있어서 유리하고, 나아가서, 모터의 약자속 제어를 가능하게 하여 모터의 정격속도를 넘어서는 속도에까지 이를 수 있도록 하는 장점이 있다.

상기 약자속 운전을 간단하게 설명한다. 상기 약자속 운전은, 세탁기 모터가 정격속도에 도달하고 나면 역기전력에 의해서 모터에 입력 가능한 전류량이 감소하여, 전류를 흘리더라도 더 이상 모터의 회전속도가 증가될 수 없는 문제가 발생하는 것을 해소하는 운전으로서, 강제로 영구자석의 자속을 약화시키는 모드이다. 보다 상세하게는, 모터가 정격속도에 이르고 나면, 상기 벡터제어방식에서 사용되는 상기 d-q축 좌표계에서 영구자석의 자속방향과 평행인 d축으로 입력되는 전류의 양을 증가시킴으로써, 영구자석의 자속을 약화시키도록 하는 모드인 것이다. 이와 같이 되면 모터의 운전 효율은 다소 떨어지더라도 모터를 정격속도보다 고속으로 운전시킬 수 있는 장점을 얻을 수 있다. 그러나, 부하변동에 기인하는 회전자 위치 추정의 오류등으로 인하여 상기 d축과 q축으로 각각 입력되는 전류가 정확하게 제어되지 못하면, 오히려 더욱 부정확한 방향으로 전원이 인가될 수 있어서, 정밀한 제어가 요구되는 운전이라고 할 수 있다. 상기 약자속 운전이 적용 가능하게 되면, 모터가 정격속도보다 더 높은 회전속도로 드럼이 회전될 수 있게 됨으로써, 드럼 세탁기는 필요한 규격보다 작은 사양의 모터를 사용해도 되는 장점을 기대할 수 있게 된다.

다시, 드럼 세탁기의 작용을 계속해서 설명한다.

상기되는 바와 같은 과정을 거쳐서 세탁포의 세탁이 종료되면, 세탁수 배수구(10)를 통하여 세탁수가 배수되고, 전체적인 세탁행정은 종료된다. 세탁행정 이후에는 헹굼행정이 개시된다. 여기서, 헹굼행정은 세탁행정과 유사한 행정으로서, 정방향 및 역방향으로 드럼이 교번하여 회전되도록 하여 세탁포가 세탁되도록 한 다.

상기 헹굼행정의 경우에도 드럼의 내부에 놓이는 세탁포의 부하변동이 크다는 점에서 상기 세탁행정에 대하여 설명된 바와 동일한 설명이 적용될 수 있다.

상기 헹굼행정의 뒤에는 세탁포의 물을 제거하는 탈수행정이 진행된다. 상기 탈수행정은 세탁포에서 물을 제거하는 행정으로서, 드럼이 고속으로 회전되어야 한다. 이를 위하여 탈수행정은 고속으로 드럼이 회전되어 세탁포에 적셔져 있던 물이 배출되도록 하는 행정으로서, 이 행정의 경우에는 드럼이 고속으로 회전되기만 하면 되므로, 부하의 변동은 그다지 크지 않아서, 약자속 제어에 무리가 없는 행정으로서, 약자속 제어에 의해서 드럼의 회전속도를 더 높일 수 있어서, 약자속 제어가 더 바람직하게 적용될 수 있다.

도 2는 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어장치의 블록도로서, 본 실시예의 세탁기 모터의 제어장치는, 물리적으로는 도 1에 제시되는 세탁기의 모터를 구동하는 장치로서 세탁기의 내부에 장착되는 기판에 설치되는 제어칩등이 포함되는 같은 다수의 부품으로서 정의될 수 있다.

도 2를 참조하면, 모터(M)에 입력되는 전원을 제어하는 모터 제어부(40)와, 상기 모터 제어부(40)로부터 출력되는 uvw 정지 좌표계의 신호를 입력받아서 PWM 신호를 발생시키는 PWM 연산기(51)와, 상기 PWM 신호를 입력받아서 상기 모터(M)로 입력되는 전원을 직접 제어하는 인버터(52)와, 상기 인터버에서 출력되는 현재전류로서 d축 현재전류 Id와 q축 현재전류 Iq를 검출하는 전류 감지부(53)가 제공된다.

상세하게, 상기 모터 제어부(40)에는, 상기 모터(M)의 회전속도와 회전위치 를 검출하는 속도/위치 검출기(42)와, 상기 속도/위치 검출기(42)에서 검출되는 회전자의 현재속도 ω와 지령속도 ω*를 비교하여 상기 현재속도 ω가 상기 지령속도 ω*에 추종하도록, 상기 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 회전 좌표계 상의 전류성분 Id와 Iq를 조절하여, d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 각각 발생시키는 속도 제어기(41)와, 상기 속도 제어기에서 출력되는 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*에 근거하고, 현재전류 Id와 Iq를 PID 제어하여 d축 지령전압 Vd*과 q축 지령전압 Vq*을 각각 발생시키는 전류 제어기(43)와, d-q축 회전 좌표계와 uvw 정지 좌표계가 서로 변환되도록 하는 좌표 변환부(44)가 포함된다.

여기서, 상기 속도/위치 검출기(42)에 의해서는, 상기 모터(M), 더 상세하게는 고정자(8)에 설치되는 홀 센서(도 1의 14참조)에 의해서 회전자의 위치 및 속도가 감지될 수 있다. 상기 홀 센서(14)는 전기각 90도 마다 회전자의 위치상태를 감지할 수 있도록 두 개가 설치되는 것이 가격적인 면에서 바람직하다. 그러나, 세 개 이상의 홀 센서가 설치되어 보다 정확하게 회전자의 위치를 감지할 수 있도록 하는 것을 배제하지는 않는다.

도 2에 제시되는 세탁기 모터의 제어장치를 참조하여 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어방법에 대하여 설명한다.

상기 모터가 정지상태에서 회전하기 시작하는 기동모드 시에는 먼저 회전자가 일정위치에 정렬될 수 있도록 강제정렬시키는데, 이때에는 상기 d-q축 정지 좌표계에서 영구자석과 평행한 방향인 d축-회전자를 정지시키는 방향이다-에 일정시 간 동안 펄스를 인가하여 모터가 영구자석과 대응되는 위치-이 위치는 영구자석과 권선과의 상호 관계에 의해서 미리 정하여진 것이다-에 정렬되도록 한다.

이후에는 상기 정하여진 위치-이 위치는 강제정렬된 위치로서 모터의 제어정보로서 이미 저장되어 있다-에서 모터가 기동할 수 있도록 모터에 전류를 인가한다. 한편, 강제정렬된 위치에서 전기각 90도를 회전하고 난 다음에는 어느 하나의 홀 센서(14)에 의해서 영구자석의 통과가 감지되고, 이후에 회전자가 전기각 90도를 더 회전하면 다른 하나의 홀 센서(14)에 의해서 영구자석의 통과가 감지된다. 이와 같이 회전자가 전기각 90도의 회전마다 소정의 감지신호가 발생될 수 있는 고정자의 위치에 홀 센서가 놓이는 것은 용이하게 이해될 것이다.

한편, 본 실시예에서는, 상기 기동모드에서 상기 속도/위치 검출기(42)는 홀 센서(14)의 감지신호에 의해서 상기 회전자(4)의 위치 및 속도를 연속적으로 추정하는 것을 일 특징으로 한다. 다시 말하면, 상기 홀 센서(14)는 두 개가 제공되어 있는데 이는 회전자(4)가 전기각으로 90도를 회전할 때마다 소정의 신호를 발생시키는 기능을 수행할 수 있다. 이와 같은 경우에는 전기각 90도의 사이 간격부에는 속도/위치 검출기(4)에 의해서 회전자의 속도 및 위치가 추정되는데, 이 경우에 추정되는 회전자의 속도와 회전자의 위치가 어떠한 불연속점이 없이 연속적으로 추정될 수 있다.

이와 같이 회전자의 속도 및 위치가 연속적으로 추정되도록 하는 것은, 본 실시예에서 기동모드 시에도 백터제어방식이 적용되기 때문에 가능한 일이다. 상세하게 설명하면, 상기 백터제어방식은 d-q축 회전좌표계를 이용하여 모터(M)에 전원 을 인가하는데, 추정되는 위치 및 속도-실제로는 회전자의 위치가 더 큰 영향을 미치게 될 것이다-에 불연속점이 발생하게 되면, 해당되는 지점-다시 말해서 불연속하게 감지되는 홀 센서의 감지위치-위치에서는 상기 영구자석과 평행한 방향의 d-q 회전 좌표계의 d축과 상기 영구자석과 직각인 q축으로 가하여지는 전류에 급작스런 변화가 발생되고, 이 경우에는 소음이 발생하고, 극단적인 경우에는 회전자에 역방향 토크가 발생되거나, 회전자가 정지해 버리는 일이 발생된다. 물론 고속으로 회전될 때에도 역토크가 발생되는 경우가 있으나, 이 경우에는 회전자의 관성이 크기 때문에 역토크로 인한 영향이 실제로 크지 않을 것이다.

상기 역토크의 개념을 도 3에 제시되는 가상적인 d-q축 회전좌표계를 이용하여 설명한다.

도 3을 참조하면, 수평축과 수직축은 상기 속도/위치 검출기(42)에 의해서 추정되는 영구자석의 위치에서 자속방향에 대하여 평행 방향과 수직방향을 정의하는 것으로서, 수평축은 d-q 회전 좌표계의 d축의 전류방향 d estimate을 의미하고, 수직축은 d-q 회전 좌표계의 q축의 전류방향 q estimate을 의미한다. 이와 같은 추정되는 위치와 달리, 실제 영구자석의 위치에 대해서는 d-q 회전 좌표계의 d축의 전류방향 d real과, d-q 회전 좌표계의 q축의 전류방향 q real로 나타날 수 있다. 이와 같은 속도/위치 검출기(42)에 의해서 추정된 값과 실제 회전자의 위치에 의한 값은 서로 달라질 수 있는데, 이와 같은 현상이 발생되는 대표적인 경우로는, 부하의 변동이 커서 순간적으로 회전자의 속도가 달라지거나 모터의 기동모드에서 속도의 변화가 큰 때가 예시가능하다.

이러한 경우에 도 3의 "A" 영역으로 전류가 인가된다면, 추정되는 회전자의 위치를 기준으로 하여 약자속 제어를 하기 위하여 전류를 인가한 방향임에도 불구하고, 실제로는 모터가 역방향으로 회전되도록 전류를 인가하는 것이 된다. 이 경우에 실제로 모터에 인가되는 전류는 모터가 역회전하는 방향, 즉, 역토크를 발생시키는 방향으로 인가되는 것이다. 좀 더 상세하게 설명하면, 상기 "A"영역으로 전류가 인가되면, 추정된 영구자석의 위치를 기준으로 할 때에는 약자속 제어와 함께 모터를 가속시키는 방향 +q estimate으로 전류를 인가한 것이 된다. 그러나, 실제 영구자석의 위치를 기준으로 할 때에는 모터를 감속시키는 방향 -q real방향으로 전류를 인가한 것이 된다. 결국, 추정되는 회전자의 위치가 실제 회전자의 위치보다 앞서는 경우에는 역토크가 발생되는 영역이 생기게 되고, 이 때에는 심각한 제어의 불안요인을 작용하여 소음, 진동, 및 탈조현상을 유발하게 되는 것이다. 물론, 이미 설명된 바와 같이 이와 같은 상황은, 세탁기의 동작 시에 부하의 변동이 많은 세탁행정 및 헹굼행정이 해당될 수 있다. 탈수행정의 경우에는 세탁포가 드럼과 함께 회전되는 상태로서 추정위치는 실제위치와 거의 일치하기 때문에, 역토크가 발생되는 경우는 거의 없게 된다. 또한, 속도의 변화가 큰 모터의 기동모드에서 일어날 수 있다.

이와 같은 문제점을 감안하여 본 실시예에서는, 세탁행정 및 헹굼행정 시에는 약자속 제어를 수행하지 않고, 탈수 행정시에만 약자속 운전을 수행한다. 그리고, 세탁기 모터의 기동모드에서 회전자의 위치 ω및 속도 θ를 연속적으로 추정하고 그 연속적인 추정치를 세탁기 모터의 제어에 이용하게 된다. 여기서, 연속적이 라는 것의 의미는 어느 하나의 시간대에서 두 개 이상의 값을 가지지 않고, 하나의 값을 가지는 것을 의미한다. 더 바람직하게는, 사인함수의 연속적인 곡선으로 제안되도록 할 수도 있다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 속도/위치 검출기(42)에 의해서 연속적으로 추정되어 검출된 회전자의 현재속도 ω는 속도 제어기(41)에 입력되어, 회전자의 지령속도 ω*과 함께 PID 제어된다. 그리고, 상기 속도 제어기(41)는 d-q 회전 좌표계의 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 출력한다.

만약, 약자속 운전이 수행되는 경우라면, 이는 적어도 d축 지령전류 Id*가 영이 아닌 상태로 유지되는 것으로서, 영구자석의 자속을 약화시키는 d축 방향으로 전류가 인가되도록 한다.

출력된 지령전류 Id*와 Iq*는 전류 제어기(43)로 입력되고, 상기 전류 감지부(53)에서 감지되고 상기 좌표 변환부(44)에서 변환된, d-q 회전 좌표계로 정의되는 인버터(52)의 현재전류 Id와 Iq와 비교되어 PID 제어가 수행된다. 상기 전류 제어기(43)에서는 d-q 회전 좌표계 상의 지령전압 Vd*와 Vq*를 출력한다.

상기 전류 제어기(43)에서 출력된 지령전압은 좌표 변환부(44)를 거쳐서 uvw 정지 좌표계 상의 지령전압으로 변경되어 PWM 연산기(51)로 입력된다. 상기 PWM 연산기(51)에서는 지령전압에 대응하는 PWM 신호를 발생시켜서 인버터(52)로 입력하고, 상기 인버터(52)에 제공되는 여섯개의 트랜지스터는 전원을 온/오프 시켜서 모터(M)를 구동시키게 된다.

도 4는 본 실시예에 따른 세탁기의 제어방법을 설명하는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 탈수행정이 수행될 때에는 현재속도를 측정하고(S1), 현재 세탁기의 진행행정을 확인한다(S2). 현재 세탁기의 행정을 확인하여 탈수행정이 아닌 경우에는 정상운전방식으로 구동을 하고(S5), 탈수행정인 경우에는 지령속도와 정격속도를 비교하여(S3), 지령속도가 더 높은 경우에는 약자속 운전을 수행한다(S4). 상기 지령속도와 정격속도의 비교단계(S3)에서 지령속도가 더 낮은 경우에는 정상운전방식으로 구동한다(S5). 다시 말하면, 세탁기의 행정별로 세탁기 모터의 운전방식이 서로 달라지도록 하는 것이다.

여기서, 상기 정격속도는, 더 이상의 전류를 모터로 흘리더라도 유용하게 사용되지 못해서 모터가 가속되지 못하는 속도로서, 모터의 사양이나 세탁기의 사양에 따라서 달라질 수 있는 것이지만, 바람직하게 600rpm으로 설정될 수 있다.

상기되는 과정에 의해서 약자속 운전모드 또는 정상운전모드가 정하여지면, 각각의 구동단계(S4)(S5)에서는, 측정된 현재속도와 지령속도를 비교하여 상기 속도 제어기(41)에서는 적합한 지령전류 Id*와 Iq*를 발생시킨다(S6). 여기서, 만약, 약자속 운전이 수행되는 경우라면 Id*는 영이 아닌 값을 가지는 것을 용이하게 이해 될 수 있을 것이다.

상기 지령전류가 발생된 다음에는 전류 제어기(43)로 입력되어, 상기 전류 감지부(53)에서 감지되고 상기 좌표 변환부(44)에서 변환된, d-q 회전 좌표계로 정의되는 인버터(52)의 현재전류 Id와 Iq와 비교되어 PID 제어가 수행된 다음에, d-q 회전 좌표계 상의 지령전압 Vd*와 Vq*를 출력한다(S7).

상기 전류 제어기(43)에서 출력된 지령전압 Vd*와 Vq*는 좌표 변환부(44)를 거쳐서 uvw 정지 좌표계 상의 지령전압으로 변경되어 PWM 연산기(51)로 입력되고, 상기 PWM 연산기(51)에서는 지령전압에 대응하는 PWM 신호를 발생시켜서 인버터(52)로 입력하고(S8), 상기 인버터(52)에 제공되는 여섯개의 트랜지스터는 전원을 온/오프 시키는 동작을 수행하여(S9), 결국 모터(M)를 구동하게 된다(S10).

이후에는 상기되는 각 동작이 연속해서 수행되도록 리턴된다(S11).

위에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 세탁기의 행정별로 약자속 운전이 수행되도록 함으로써, 세탁기에서 발생되는 소음 및 진동의 영향을 줄일 수 있는 장점이 있고, 나아가서 시스템이 안정적으로 동작될 수 있도록 한다. 또한, 세탁행정의 수행 시에는, 회전자의 회전속도 및 위치의 오감지에 의해서 모터의 회전속도가 잘못 감지되는 경우에도, 약자속 운전이 수행되지 않도록 함으로써, 세탁기의 정상적인 동작에 대한 신뢰성이 한층 더 높아지는 장점을 기대할 수 있다.

이하에서는 모터의 기동모드에서 백터제어방식이 적용되어 세탁기 모터가 더욱 안정적으로 동작되도록 하는 근거에 대하여 설명한다.

도 5는 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어방법의 흐름도로서, 도 5를 참조하여 위에서 설명된 바가 있는 본 실시예에 따른 세탁기 모터의 제어방법을 시계열적으로 살펴보도록 한다.

도 5를 참조하면, 먼저 모터가 정지상태에서 회전을 시작하는 기동모드인지의 여부를 판단한다(S21). 상기 기동모드인 지의 판단단계에서 기동모드인 것으로 판단된 때에는 회전자를 강제로 정렬하는 단계가 수행되고(S22), 기동모드가 아닌 경우에는 회전자의 속도/위치를 검출하는 단계가 수행된다(S23).

상기 회전자의 정렬단계(S22)는, 대략 5초 정도 복수개의 서로 이격되는 펄스가 d-q 회전 좌표계 상의 d축과 평행한 방향으로 인가되는 것에 의해서 수행된다. 그렇게 되면, 상기 회전자는 영구자석과의 관계에서 특정 위치에 정렬될 수 있다. 상기 회전자가 정렬되고 난 다음에도 회전자의 속도/위치를 검출단계(S23)가 수행된다.

상기 회전자의 속도/위치 검출단계(S23)는, 상기 홀 센서(14)를 이용하여 전기각 90도 마다 발생되는 홀 센서의 신호를 이용하여 현재 회전자의 위치 및 속도를 연속적으로 추정하는 방식이 적용된다.

예를 들어, 상기 회전자의 위치를 추정하는 방법으로는 세탁포량, 세탁기의 사양, 및 선택된 운전을 감안하여, 기동모드에서는 북수개의 사인함수가 저장되는 테이블을 다수개 미리 설정하고, 상기 테이블 중에서 선택되는 사인함수를 홀 센서 감지 신호에 따라서 변경하는 방식이 적용될 수 있다. 다만 이 경우에도 홀 센서의 감지 신호가 발생된 시점에서 회전자의 위치 및 속도는 단일의 값으로서 전후가 서로 연속적이다. 또 다른 경우로서, 시간을 인자로 하는 사인함수로서, 그 함수의 인자로 작용하는 적어도 하나 이상의 계수-여기서 계수는 홀 센서의 온/오프 신호에 의해서 달라질 수 있다-를 변경하면서 연속적으로 회전자의 위치를 추정할 수도 있을 것이다.

상기되는 바와 같이 회전자의 위치가 연속적으로 추정되는 방법을 도면을 바꾸어서 설명한다.

도 6은 회전자의 위치추정과정을 설명하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 홀 센서(14)(Hall A, Hall B)는 시간이 경과됨에 따라서 전기각 90도마다 적어도 하나의 홀 센서의 온/오프 신호가 변경된다. 상기 홀 센서의 온/오프 신호의 변화와 함께 상기 회전자의 실제위치 θr-real는 360도를 선형적으로 증가하면서 회전한다.

상기 회전자의 실제위치 θr-real를 상기 홀 센서(14)의 온/오프 신호의 변화를 이용하여 추정하기 위한 방법을 설명한다.

먼저, 홀 센서의 온/오프 신호가 변경되는 지점마다 회전자의 실제위치로서 회전자의 추정위치를 새로이 세트하는 방법(T-method)의 경우에 추정되는 회전자 추정위치 θr-Tmethod는 전기각으로 한 주기인 360도의 내에 세 개의 불연속점이 생기는 것을 볼 수 있다. 이 방법은 종래에 적용된 방법으로서, 불연속점이 한 주기마다 생기게 되므로, 모터의 기동모드에서 백터제어방식이 적용되어 모터가 구동되지 못하는 문제가 발생된다.

이와 같은 문제점을 개선하기 위하여, 본 실시예에서는 홀 센서의 온/오프 신호를 하나의 인자로 하면서 360도의 주기 중에 연속적인 추정값을 가지도록 상기 속도/위치 검출기(42)가 동작된다. 상기 속도/위치 검출기(42)가 연속적으로 속도/위치를 추정하는 방법의 예를 이미 설명된 바를 참조할 수 있다. 이 경우에 추정되는 회전자 추정위치 θr-observer는 도면에 제시되는 바와 같이 불연속점이 없는 연속적인 사인함수로 제시된다. 그리고, 전기각 360도를 한 주기로 하는 것으로서, 반복적으로 속도/위치 추정이 수행된다.

한편, 모터의 지령속도 ωr*는 강제정렬시간(T1) 동안은 회전자의 회전운동 이 일어나지 않고 회전자가 고정자에 대하여 정렬되기만 한다. 그 이후에 모터의 기동모드(T2)에서는 초기에 회전자가 정지된 상태에서 서서히 회전자의 회전속도가 증가한다. 그 이후에 모터의 정상모드(T3)에서는 모터가 정상속도로 회전되는 알 수 있다. 본 실시예에서는 상기 모터의 기동모드(T2)에서도 백터제어방식이 사용되도록 하기 위하여, 상기 기동모드(T2)에서 회전자의 위치가 연속적으로 추정되는 것을 용이하게 살펴볼 수 있다.

다시 도 5를 참조하여 설명을 계속한다.

상기 회전자의 속도/위치 검출단계(S23)에서 회전자의 속도/위치를 추정하는 방식에 의해서 회전자의 속도/위치가 검출된 다음에는, 그 정보를 활용하여 백터제어방식에 의해서 회전자가 회전된다(S24).

이후에는 회전자를 정지시키는 신호가 발생되었는지의 여부를 판단하여(S25), 정지되는 경우에는 회전자를 정지시키고, 계속해서 모터를 회전시키고자 하는 경우에는 회전자의 속도/위치 검출단계(S23)로 다시금 이행한다.

본 발명의 사상에는 상기되는 바람직한 실시예는 물론이고, 제시되지는 아니하였지만 그 사상의 범위 내에 포함되는 다양한 다른 실시예를 더 포함할 수 있는데, 이하에서는 그와 같은 다른 실시예를 더 제시한다.

먼저, 상기 속도/위치 검출기는 모터에 설치되는 홀 센서에 의해 감지되는 온/오프 신호에 의해서 회전자의 속도 및 위치를 추정하여 검출하는 것으로 설명이 되어 있다. 그러나 이에 제한되지 아니하고, 회전자의 속도 및 위치는 인버터의 출력전압을 이용해서도 얻어질 수 있다. 이 또한 본 발명 사상에 포함된다고 할 것이 다.

또한, 상술되는 바람직한 실시예에서는 상기 회전자의 속도/위치 검출단계(S3)에서 회전자의 속도/위치를 추정하는 방식은, 모터의 기동모드와 모터의 정상모드에서 서로 동일하여, 동일한 방식에 의해서 한 쌍의 홀 센서에 의해서 추정되는 것으로 설명이 되어 있다. 그러나 이에 제한되지 아니하고, 상기 모터의 기동모드에서는 연속적인 값으로 회전자의 위치 및 속도가 추정되도록 하는 것이 요구되지만, 상기 모터의 정상모드에서는 홀 센서의 온/오프 신호가 발생되는 위치에서 새로이 회전자의 위치가 현재 회전자의 위치로 세트되는 종래의 방식이 적용되더라도 마찬가지의 결과를 얻을 수 있을 것이다. 이는 상기 모터의 정상모드에서는 불연속점이라도 회전자의 회전관성에 의해서 회전자의 부드러운 회전운동에 어려움이 없기 때문이다.

본 발명에 따르면, 세탁기 모터에서 약자속 운전이 안정적으로 수행되고, 약자속 운전과 정상운전이 최적으로 선택가능하게 된다. 이로써 세탁기의 소음 및 진동이 감소되고, 에너지 소비 효율이 개선되는 장점을 기대할 수 있다. 또한, 벡터제어방식이 모터의 기동모드에서도 활용가능하게 됨으로써, 모터에 인가되는 전원이 더욱 적절하게 제어가능하여 세탁기 모터의 기동모드에서 소음/진동이 더욱 줄어드는 장점을 기대할 수 있다.

Claims (16)

1. 다수의 권선된 코일이 원형으로 배치되는 고정자;

   상기 코일과 일정거리 이격되는 영구자석을 가지는 회전자;

   상기 회전자의 현재속도와 지령속도를 비교하여 상기 현재속도가 상기 지령속도에 추종하도록, 상기 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 좌표 상의 전류성분 Id와 Iq를 조절하여, d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 각각 발생시키는 동작을 수행하고,

   탈수행정 시에는 상기 현재속도가 상기 지령속도보다 작은 경우에는 d축 지령전류 Id*를 발생시키고,

   세탁행정 시에는 상기 현재속도가 상기 지령속도보다 작은 경우에는 d축 지령전류 Id*를 영으로 하도록, 상기 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 발생시키는 속도 제어기;

   상기 속도 제어기에서 출력되는 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*에 근거하여 d축 지령전압 Vd*과 q축 지령전압 Vq*을 각각 발생시키는 전류 제어기; 및

   상기 전류 제어기에서 출력되는 상기 지령전압 Vd*와 Vq*에 근거하여 PWM 신호를 발생시켜 상기 코일로 인가시키는 인버터가 포함되는 세탁기 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 속도 제어기는,

   상기 탈수행정 및 상기 세탁행정 시에, 상기 현재속도가 상기 지령속도보다 높은 경우에는, 상기 현재속도가 상기 지령속도에 추종하도록 q축 지령전류 Iq*는 발생시키고, d축 지령전류 Iq*는 영으로 하는 세탁기 모터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전자의 실제속도를 검출하는 두 개의 홀센서가 상기 고정자에 구비되는 세탁기 모터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 d축 지령전류 Id*는 상기 회전자가 소정의 회전속도에 달하기 이전에는 영으로 되는 세탁기 모터.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 소정의 회전속도는 600rpm인 세탁기 모터.
6. 제 1 항에 있어서,

   세탁행정시에는 상기 실제속도와 상기 지령속도의 차이와 무관하게 d축 지령전류 Id*는 영으로 하는 세탁기 모터.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 속도 제어기에서, 상기 d축 지령전류 Id*와 상기 q축 지령전류 Iq*를 각각 발생시키는 것은, 모터의 초기기동시부터 수행되는 세탁기 모터.
8. 터브에 고정되는 고정자, 및 상기 고정자에 대하여 회전하고 영구자석을 가지는 회전자가 포함되는 세탁기 모터를 제어하는 방법에 있어서,

   상기 회전자의 실제속도가 측정되는 단계;

   상기 영구자석의 자속방향에 평행한 d축과 상기 영구자석의 자속방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 좌표 상의 전류성분 Id와 Iq를 조절하여, 상기 회전자의 실제속도가 지령속도를 추종하도록, d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 각각 발생시키는 단계; 및

   상기 지령전류에 근거하여 PWM 신호를 발생시켜서 모터를 회전시키는 단계가 포함되고,

   상기 지령전류의 발생단계의 수행 시에, 세탁기 모터가 세탁행정으로 동작 중인 때에는 역토크의 발생을 방지하기 위하여 d축 지령전류 Id*를 영으로 하여 상기 지령전류를 발생시키는 세탁기 모터의 제어방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 고정자에는 홀센서가 설치되고, 상기 홀 센서에 의해서 상기 회전자의 위치 및 속도가 감지되는 세탁기 모터의 제어방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 홀 센서는 두 개인 세탁기 모터의 제어방법.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 지령전류의 발생단계의 수행 시에, 현재 세탁기 모터가 탈수행정으로 동작 중인 때에는 d축 지령전류를 Id*를 발생시켜서, 상기 실제속도가 상기 지령속도에 추종하도록 하는 세탁기 모터의 제어방법.
12. 제 8 항에 있어서,

    상기 지령속도가 상기 실제속도보다 낮은 때에는, 상기 지령전류 Iq*를 영으로 하는 세탁기 모터의 제어방법.
13. 제 8 항에 있어서,

    상기 d축 지령전류 Id*와 상기 q축 지령전류 Iq*를 각각 발생시키는 것은, 모터의 기동모드시 부터 수행되는 세탁기 모터.
14. 터브에 고정되는 고정자, 및 상기 고정자에 대하여 회전하고 영구자석을 가지는 회전자가 포함되는 세탁기 모터를 구동하여 세탁기를 동작시키는 방법에 있어서,

    상기 세탁기의 세탁행정 시에는 약자속운전을 수행하지 않도록 하여, 상기 세탁기 모터의 급격한 부하변동시에도 안정적으로 상기 세탁기 모터가 동작되도록 하고,

    상기 세탁기의 탈수행정 시에는 약자속운전이 수행되도록 하여, 고속운전이 가능하도록 상기 세탁기 모터가 동작되도록 하는 세탁기의 제어방법.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 고정자에는 홀 센서가 설치되어, 상기 회전자의 회전위치 또는 회전속도가 감지되는 세탁기의 제어방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 홀센서는 두개가 설치되는 세탁기의 제어방법.

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