KR20090087242A - 모터, 이를 포함하는 세탁기 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터, 이를 포함하는 세탁기 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에서는, 벡터제어방식에서의 d축 및 q축방향의 전류가 전향보상되어 서로 연결된 상태에서 분리되어 제어된다. 따라서 본 발명에 의한 모터, 이를 포함하는 세탁기 및 그 제어방법에 의하면, 모터의 동작신뢰성이 증진되는 이점이 있다.
Figure P1020080012569
세탁기, 모터, 약자속제어, 전향보상

Description

모터, 이를 포함하는 세탁기 및 그 제어방법{Motor, washing machine comprising the motor and method of controlling the washing machine}
본 발명은 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세탁기에 사용되는 모터, 이를 포함하는 세탁기 및 그 제어방법에 관한 것이다.
모터는 고정자와 회전자의 전자기적 상호작용에 의한 상기 회전자의 회전력을 제공하는 것으로, 세탁기와 같은 가전기기에 사용된다. 이와 같은 세탁기는 세탁포는 세탁/건조하는 가전기기로써, 최근에는 드럼세탁기가 출시되고 있다. 상기 드럼세탁기는, 세탁수가 저장되는 터브의 내부에 그 내부에 세탁포가 수용되는 드럼이 회전가능하게 설치되고, 상기 드럼이 상기 모터에 의하여 회전함으로써, 상기 세탁포가 세탁/건조된다.
한편 상기 드럼세탁기에는 상기 모터로 아웃터로터 타입의 BLDC모터가 사용된다. 이와 같은 BLDC모터는 출력에 비하여 상대적으로 고속회전이 가능하도록 하기 위하여, 약자속운전에 의하여 구동된다.
일반적으로 상기 모터가 정격속도에 도달하면 역기전력에 의해서 상기 모터에 입력 가능한 전류량이 감소함으로써 전류가 인가되더라도 더 이상 모터의 회전 속도가 증가되지 않는다. 상기 약자속운전은, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상기 모터가 정격속도에 도달하면, 벡터제어방식에서 사용되는 d-q축 좌표계에서 영구자석의 자속방향과 평행인 d축으로 입력되는 전류의 양을 증가시킴으로써, 상기 영구자석의 자속을 약화시키는 운전모드이다. 이와 같은 약자속운전에 의하여 상기 모터가 구동되면, 상기 모터의 운전효율은 저하되지만, 상기 모터를 정격속도보다 고속으로 운전시킬 수 있게 되다.
한편 상기 약자속운전에서는 d축방향의 전류 Id와 q축방향의 전류 Iq의 전류식은 각각 아래의 수학식 1 및 2와 같다.
Figure 112008010320389-PAT00001
Figure 112008010320389-PAT00002
여기서 Rs는 고정자저항이고, Ld 및 Lq는 각각 d축 또는 q축방향의 인덕턴스이며, ωe는 전기각속도이고, Vd 및 Vq는 d축 또는 q축방향의 전압이며,λm은 쇄교자속이다.
상기 수학식 1 및 2를 참조하면, 상기 Id와 Iq는 서로 연결(couple)되어 있 고, 상기 Iq의 전류식에서 쇄교자속인 λm은 비선형성을 가지는 변수이다. 따라서 종래의 약자속제어에 의하면, 상기 Id 및 Iq의 비선형에 의하여, 상기 모터의 제어과정에서 과도상태가 초래되는 단점이 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 보다 효율적으로 정확하게 제어될 수 있도록 구성되는 모터, 이를 포함하는 세탁기 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의하면, 본 발명은 다수개의 권선된 코일을 포함하는 고정자; 상기 코일과 전자기적 상호작용을 발생시키는 다수개의 마그넷을 포함하는 회전자; 세탁행정시 상기 회전자의 현재속도를 감지하는 속도감지기; 상기 속도감지기에서 감지된 상기 회전자의 현재속도 및 지령속도를 비교하여, 상기 회전자의 현재속도가 지령속도를 따르도록 상기 마그넷의 자속방향에 평행한 d축과 상기 마그넷의 자속방향에 직교되는 q축으로 정의되는 d-q동기좌표상의 전류성분으로 좌표변환된 지령전류 Id*와 Iq*를 출력하는 속도제어기; 상기 속도제어기에서 출력된 Id*와 Iq*에 기초하여 계산된 최초지령전압 Ud*과 Uq*을 전향보상한 보상지령전압 Vd*와 Vq*을 출력하는 전류제어기; 상기 전류제어기에서 출력된 Vd*와 Vq*에 기초하여 상기 코일에 전압을 인가하는 인버터; 를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 본 발명은 캐비닛; 상기 캐비닛의 내부에 구비되는 터브; 상기 터브의 내부에 회전가능하게 설치되고, 그 내부에 세탁포가 수용되는 드럼; 및 상기 드럼의 회전을 위한 구동력을 제공하는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 모터; 를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명은 (a) 세탁기의 제어부가, 세탁기의 동작을 개시하는 조작신호를 입력받는 단계; (b) 회전자가, 상기 제어부가 입력받은 조작신호에 따라서 초기기동하는 단계; (c) 속도감지기가, 상기 회전자의 회전속도를 감지하는 단계; (d) 속도제어기가, 상기 속도감지기에서 감지된 상기 회전자의 현재속도 및 지령속도를 비교하여, 상기 회전자의 현재속도가 지령속도를 따르도록 상기 회전자의 마그넷의 자속방향에 평행한 d축과 상기 마그넷의 자속방향에 직교되는 q축으로 정의되는 d-q동기좌표상의 전류성분으로 좌표변환된 지령전류 Id*와 Iq*를 출력하는 단계; (e) 전류제어기가, 상기 속도제어기에서 출력된 Id*와 Iq*에 기초하여 계산된 최초지령전압 Ud*과 Uq*을 전향보상한 보상지령전압 Vd*와 Vq*을 출력하는 단계; 및 (f) 인버터가, 상기 전류제어기에서 출력된 Vd*와 Vq*에 기초하여 고정자의 코일에 전압을 인가하는 단계; 를 포함한다.
본 발명에 의한 모터, 이를 포함하는 세탁기 및 그 제어방법에 의하면, 모터의 동작신뢰성이 증진되는 이점이 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 모터, 이를 포함하는 세탁기 및 그 제어방법의 실시예를 첨부된 도면을 참좌ㅎ여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 세탁기의 실시예를 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 드럼 세탁기의 외관을 캐비닛(1)이 형성한다. 상기 캐비 닛(1)은 대략 전면 일부가 개방되는 육면체형상으로 형성될 수 있다.
상기 캐비닛(1)의 내부에는 터브(3)가 구비된다. 상기 터브(3)의 내부에는 세탁수가 저장된다. 상기 터브(3)는 대략 전면이 개구되는 원통형상으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 터브(3)에는 세탁수의 유입을 위한 세탁수유입구(4) 및 세탁수의 배출을 위한 세탁수배출구(5)가 각각 구비된다.
또한 상기 터브(3)의 내부에는 드럼(7)이 설치된다. 상기 드럼(7)은 상기 터브(3)의 내부에 회전가능하게 설치된다. 상기 드럼(7)의 내부에는 세탁포가 수용된다. 그리고 상기 드럼(7)의 회전에 의하여 상기 드럼(7)과 세탁포 또는 세탁포 상호간의 마찰에 의하여 세탁포의 세탁이 이루어진다. 상기 드럼(7)도 상기 터브(3)에 대응하여 전면이 개구되는 원통형상으로 형성될 수 있다.
상기 캐비닛(1), 터브(3) 및 드럼(7)의 개구된 전면을 도어(9)가 선택적으로 개폐한다. 상기 도어(9)는 상기 캐비닛(1)의 일측에 그 일단을 중심으로 회동가능하게 설치될 수 있다.
상기 캐비닛(1)과 터브(3) 사이에는 상기 드럼(7)의 회전과정에서 발생되는 진동을 흡수하기 위하여 댐퍼(11)와 스프링(13)이 구비된다. 상기 댐퍼(11)는 상기 캐비닛(1)의 저면과 상기 터브(3)의 저면 사이에 위치되고, 상기 스프링(13)은 상기 캐비닛(1)의 상면과 상기 터브(3)의 상면 사이에 위치된다.
그리고 상기 터브(3)의 후면에는 모터(20)가 구비된다. 상기 모터(20)는 상기 드럼(7)의 회전을 위한 구동력을 제공하는 역할을 한다. 상기 모터(20)는 고정자(21) 및 회전자(23)를 포함한다. 보다 상세하게는, 상기 고정자(21)에는 권선된 다수개의 코일이 구비된다. 그리고 상기 회전자(23)에는 상기 코일과의 전자기적 상호작용을 발생시키는 다수개의 마그넷이 구비된다. 또한 상기 회전자(23)에는 실질적으로 상기 드럼(7)에 회전력을 제공하기 위한 회전축(25)이 구비된다. 즉 상기 코일과 마그넷의 전자기적 상호작용에 의하여 상기 회전자(23)가 회전하고, 상기 회전자(23)의 회전력은 상기 회전축(25)을 통하여 상기 드럼(7)에 전달된다.
한편 상기 모터(20)에는 홀센서(27)가 설치된다. 상기 홀센서(27)는 상기 회전자(23)의 위치를 감지하기 위한 것이다. 통상적으로, 상기 홀센서(27)는 상기 고정자(21)에 2개가 설치된다. 상기 홀센서(27)는 상기 회전자(23)의 회전에 의하여 온/오프신호를 발생시킨다. 예를 들면, 상기 회전자(23)가 360°회전하면, 상기 홀센서(27)가 4회의 온/오프 신호를 발생시키게 된다. 그리고 이와 같이 상기 홀센서(27)에서 발생되는 온/오프신호에 의하여 상기 회전자(23)의 위치를 추정하여 상기 모터(20)를 제어하게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 세탁기의 동작을 설명한다.
먼저 사용자가 상기 도어(9)를 열고, 상기 드럼(7)의 내부로 세탁포를 투입한다. 그리고 사용자가 컨트롤패널(미도시)를 조작하여 세탁기의 세탁행정을 선택한다. 상기 세탁행정이 개시되면, 상기 모터(20)가 회전되고, 상기 모터(20)에 의해서 감지되는 부하량에 의해서 세탁포의 포량이 감지된다. 그리고 감지된 포량에 적합하도록 상기 세탁기의 행정이 수행된다.
보다 상세하게는 상기 세탁행정이 개시되면, 상기 세탁수유입구(4)를 통하여 상기 터브(3)의 내부로 세탁수가 유입되어 저장된다. 그리고 상기 터브(3)의 내부 에 적정한 양의 세탁수가 유입되어 저장되면, 상기 모터(20)가 회전하여 상기 드럼(7)이 회전된다. 이때 상기 드럼(7)은 정방향과 역방향으로 교호되게 회전함으로써, 세탁포의 엉김이 방지되고, 세탁효율이 증가된다.
기설정된 시간이 경과하여 세탁포의 세탁이 완료된 것으로 판단되면, 상기 세탁수배출구(5)를 통하여 상기 터브(3)의 내부에 저장된 세탁수가 배수된다. 따라서 상기 세탁행정이 종료되고, 헹굼행정이 개시된다. 상기 헹굼행정은, 상술한 세탁행정과 유사한 행정으로서, 정방향 및 역방향으로 상기 드럼(7)이 교호되게 회전하여 세탁포가 헹구어진다.
그리고 상기 헹굼행정이 완료되면, 세탁포의 물을 제거하는 탈수행정이 진행된다. 상기 탈수행정에서는, 상기 드럼(7)이 고속으로 회전하여 세탁포에서 물이 제거된다. 그리고 기설정된 시간이 경과되면, 상기 탈수행정이 종료되어 상기 세탁기에 의한 세탁포의 세탁이 완료된다.
한편 상기 모터(20)는 고속회전이 가능하도록 하기 위하여, 벡터제어방식을 사용한 약자속운전에 의하여 구동된다. 상기 백터제어방식은 상기 코일 전류가 인가되는 것을 제어하는 전원인가제어방식의 일종이다. 보다 상세하게는 상기 마그넷의 자속방향과 평행한 d축과 상기 마그넷의 자석방향에 직각인 q축으로 정의되는 d-q축 좌표를 설정하여, 상기 d축 및 상기 q축으로 정확하게 전류를 인가한다. 그리고 상기 약자속운전을 설명하면, 상기 약자속운전은, 상기 마그넷의 자속을 약화시킴으로써, 상기 모터(20)의 지령속도가 정격속도보다 빠른 경우에는, 상기 d-q축 좌표계에서 상기 마그넷의 자속방향과 평행인 d축으로 입력되는 전류의 양을 증가 시켜 출력함으로써, 상기 회전자(23)의 현재속도가 상기 지령속도를 따르도록 한다.
다음으로 본 발명의 실시예에서 모터제어를 위한 제어장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 모터의 제어를 위한 제어장치를 보인 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 모터(20)를 제어하기 위한 제어장치는, 모터제어부(30), PWM연산기(40), 인버터(50) 및 전류감지부(60)를 포함한다.
상기 모터제어부(30)는 모터(20)에 입력되는 전원을 제어한다. 보다 상세하게는, 상기 모터제어부(30)는, 속도/위치검출기(31), 속도제어기(33), 전류제어기(35) 및 좌표변환부(37)를 포함한다. 상기 속도/위치검출기(31)는 상기 모터(20)의 회전속도와 회전위치, 즉 회전자(23)(도 1참조)의 회전속도와 회전위치를 검출한다. 이때 상기 속도/위치검출기(31)는 실질적으로 홀센서(27)(도 1참조)에 의하여 감지된 상기 회전자(23)의 위치에 의하여 상기 회전자(23)의 회전속도 및 위치를 검출할 수 있다. 그리고 상기 속도제어기(33)는 상기 속도/위치검출기(31)에서 검출되는 상기 회전자(23)의 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 회전좌표계 상의 전류성분 Id와 Iq를 조절하여 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 각각 발생시킨다. 또한 상기 전류제어기(35)는 상기 속도제어기(33)에서 출력되는 상기 지령 전류 Id*와 지령전류 Iq*에 근거하고, 현재전류 Id와 Iq를 PID 제어하여 d축 지령전압 Vd*과 q축 지령전압 Vq*을 각각 발생시킨다. 그리고 상기 좌표변환부(37)는 d-q축 회전좌표계와 uvw 정지좌표계를 서로 변환시킨다.
상기 PWM연산기(40)는 상기 모터제어부(30)로부터 출력되는 uvw 정지좌표계의 신호를 입력받아서 PWM신호를 발생시킨다. 그리고 상기 인버터(50)는 상기 PWM연산기(40)로부터 상기 PWM신호를 입력받아서 상기 모터(20)로 입력되는 전원을 직접 제어한다. 또한 상기 전류감지부(60)는 상기 인버터(50)에서 출력되는 현재전류로서 d축 현재전류 Id와 q축 현재전류 Iq를 감지한다.
이와 같은 제어장치에 의한 모터의 제어를 설명하면, 먼저 상기 속도/위치검출기(31)가 상기 회전자(23)의 현재속도 ω를 연속적으로 추정하여 검출한다. 그리고 상기 속도/위치검출기(31)에 의하여 검출된 상기 회전자(23)의 현재속도 ω는 상기 속도제어기(33)에 입력된다. 그리고 상기 속도제어기(33)는 상기 회전자(23)의 현재속도와 회전자의 지령속도 ω*를 PID 제어하여 d-q 회전 좌표계의 d축 지령전류 Id*와 q축 지령전류 Iq*를 출력한다.
이때 상기 속도제어기(33)는 약자속운전여부에 따라서 지령전류 Id*와 Iq*를 출력값을 조절한다. 본 실시예에서는, 상기 회전자(23)의 지령속도가 정격속도를 초과하거나 상기 지령전압 Vd*와 Vq*가 기준값을 초과하는 경우에 상기 약자속제어가 수행된다. 더욱 상세하게는, 약자속운전의 경우에는 상기 속도제어기(33)는 q축방향의 지령전류 Iq*값이 감소되도록 d축방향의 지령전류 Id*의 값이 부(-)방향으로 증가되도록 출력한다. 따라서 상기 속도제어기(33)에서 부(-)방향으로 증가 되도록 출력된 d축방향의 지령전류 Iq*에 의하여 마그넷의 자속이 약화되는 약자속운전이 수행된다. 그리고 상기 속도제어기(33)는 정상운전의 경우에는 지령전류 Iq*만 출력한다.
한편 상기 속도제어기(33)에서 출력된 지령전류 Id*와 Iq*는 상기 전류제어기(35)로 입력된다. 상기 전류제어기(35)는 지령전류 Id*와 Iq*와 상기 전류감지부(60)에서 감지된 상기 인버터(50)의 현재전류 Id와 Iq와 비교하여 PID 제어를 수행하여 d-q 회전좌표계 상의 지령전압 Vd*와 Vq*를 출력한다.
그리고 상기 전류제어기(35)에서 출력된 지령전압 Vd*와 Vq*는 상기 좌표변환부(37)에서 uvw 정지좌표계 상의 지령전압으로 변경되어 상기 PWM연산기(40)로 입력된다. 상기 PWM연산기(40)는 입력된 지령전압 Vd*와 Vq*에 대응하는 PWM신호를 발생시켜서 상기 인버터(50)로 입력한다. 그리고 상기 인버터(50)는 입력받은 상기 PWM신호에 따라서 6개의 스위칭소자를 온/오프시켜서 상기 모터(20)를 구동시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이 구성되는 모터, 이를 포함하는 세탁기 및 그 제어방법에 의하면, 벡터제어방식에서의 d축 및 q축방향의 전류가 전향보상되어 서로 연결된 상태에서 분리되어 제어된다. 따라서 모터의 제어의 신뢰성이 증진되는 효과를 기대할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 세탁기의 실시예를 보인 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에서 모터의 제어를 위한 제어장치를 보인 블럭도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 세탁기의 제어방법을 보인 제어흐름도.

Claims (8)

  1. 다수개의 권선된 코일을 포함하는 고정자;
    상기 코일과 전자기적 상호작용을 발생시키는 다수개의 마그넷을 포함하는 회전자;
    세탁행정시 상기 회전자의 현재속도를 감지하는 속도감지기;
    상기 속도감지기에서 감지된 상기 회전자의 현재속도 및 지령속도를 비교하여, 상기 회전자의 현재속도가 지령속도를 따르도록 상기 마그넷의 자속방향에 평행한 d축과 상기 마그넷의 자속방향에 직교되는 q축으로 정의되는 d-q동기좌표상의 전류성분으로 좌표변환된 지령전류 Id*와 Iq*를 출력하는 속도제어기;
    상기 속도제어기에서 출력된 Id*와 Iq*에 기초하여 계산된 최초지령전압 Ud*과 Uq*을 전향보상한 보상지령전압 Vd*와 Vq*을 출력하는 전류제어기;
    상기 전류제어기에서 출력된 Vd*와 Vq*에 기초하여 상기 코일에 전압을 인가하는 인버터; 를 포함하는 세탁기용 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류제어기는 최초지령전압 Ud*에 상기 회전자의 현재속도에 따른 현재전류 Iq와 q축 인덕턴스 Lq 및 상기 회전자의 현재속도 ωr을 곱한 값을 더하여 전항보상하여 보상지령전압 Vd*를 출력하는 세탁기용 모터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류제어기는 최초지령전압 Uq*에 상기 회전자의 현재속도에 따른 현재전류 Id와 d축 인덕턴스 Ld 및 상기 회전자의 현재속도 ωr을 곱한 값 및 상기 회전자의 현재속도 ωr과 역기전력 상수 Ke를 곱한 값을 감하여 전항보상하여 보상지령전압 Vu*를 출력하는 세탁기용 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 속도감지기는 상기 고정자에 구비되는 적어도 2개의 홀센서인 세탁기용 모터.
  5. 캐비닛;
    상기 캐비닛의 내부에 구비되는 터브;
    상기 터브의 내부에 회전가능하게 설치되고, 그 내부에 세탁포가 수용되는 드럼; 및
    상기 드럼의 회전을 위한 구동력을 제공하는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 모터; 를 포함하는 세탁기.
  6. (a) 세탁기의 제어부가, 세탁기의 동작을 개시하는 조작신호를 입력받는 단계;
    (b) 회전자가, 상기 제어부가 입력받은 조작신호에 따라서 초기기동하는 단 계;
    (c) 속도감지기가, 상기 회전자의 회전속도를 감지하는 단계;
    (d) 속도제어기가, 상기 속도감지기에서 감지된 상기 회전자의 현재속도 및 지령속도를 비교하여, 상기 회전자의 현재속도가 지령속도를 따르도록 상기 회전자의 마그넷의 자속방향에 평행한 d축과 상기 마그넷의 자속방향에 직교되는 q축으로 정의되는 d-q동기좌표상의 전류성분으로 좌표변환된 지령전류 Id*와 Iq*를 출력하는 단계;
    (e) 전류제어기가, 상기 속도제어기에서 출력된 Id*와 Iq*에 기초하여 계산된 최초지령전압 Ud*과 Uq*을 전향보상한 보상지령전압 Vd*와 Vq*을 출력하는 단계; 및
    (f) 인버터가, 상기 전류제어기에서 출력된 Vd*와 Vq*에 기초하여 고정자의 코일에 전압을 인가하는 단계; 를 포함하는 세탁기 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 전류제어기는 최초지령전압 Ud*에 상기 회전자의 현재속도에 따른 현재전류 Iq와 q축 인덕턴스 Lq 및 상기 회전자의 현재속도 ωr을 곱한 값을 더하여 전항보상하여 보상지령전압 Vd*를 출력하는 세탁기 제어방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 전류제어기는 최초지령전압 Uq*에 상기 회전자의 현재속도에 따른 현재전류 Id와 d축 인덕턴스 Ld 및 상기 회전자의 현재속도 ωr을 곱한 값 및 상기 회전자의 현재속도 ωr과 역기전력 상수 Ke를 곱한 값을 감하여 전항보상하여 보상지령전압 Vu*를 출력하는 세탁기 제어방법.
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