KR20100058203A - 압축기의 제어방법 - Google Patents

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코지 하마오카
요시히코 타케다
박성인
서정호
이선구
유호현
윤성민
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Abstract

본 발명에 따른 압축기의 제어방법은 회전자와 연결되어 있는 회전축을 갖는 센서리스 모터와, 복수의 상여자 모드가 존재하는 상사점 및 하사점 사이에서 압축행정 및 흡입행정을 수행하는 피스톤과, 상기 회전축과 상기 피스톤을 연결하는 크랭크부를 갖는 압축기의 제어방법에 있어서, 상기 회전자를 상기 하사점에 인접한 초기위치에 위치하도록 상기 상여자 모드 간을 이동시켜 정렬하는 초기정렬단계와; 상기 회전자가 상기 피스톤의 압축행정 내 소정의 중간위치에 위치하도록 상기 회전자를 상기 초기위치로부터 정회전 방향으로 상기 상여자 모드 간을 이동시키는 중간정렬단계와; 상기 회전자가 상기 피스톤의 흡입행정 내 소정의 기동위치에 위치하도록 상기 회전자를 상기 중간위치로부터 상기 상사점을 향하여 역회전 방향으로 상기 상여자 모드 간을 이동시키는 기동정렬단계와; 상기 기동위치에 정렬된 상기 회전자의 회전을 상기 정회전 방향으로 가속시키는 단계를 포함한다. 이에 의하여, 압축기의 기동 실패율을 저감시킬 수 있게 된다.
압축기, 제어방법, 기동

Description

압축기의 제어방법{Control method of compressor}
본 발명은 압축기의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 센서리스 모터를 이용하는 압축기의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 압축기에 사용되고 있는 브러쉬리스 직류 모터(Brushless direct current motor; BLDC motor)는 DC 모터의 중요한 부품인 브러쉬와 정류자 대신 트랜지스터나 MOSFET를 이용한 전자회로에 의한 스위칭을 통해 구동되는 모터이다. 모터의 동작은 DC 전원으로부터 공급되는 전류를 모터의 3상 또는 4상 권선에 분배하는 것으로 이를 위해서는 회전자의 위치를 검출하고, 검출정보에 기초하여 모터의 3상 권선으로 공급되는 전류를 조절하기 위하여 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어한다. 이로써 모터의 회전 및 속도가 제어된다.
BLDC 모터를 속도 또는 회전자의 위치를 감지하는 센서 없이 구동시키기 위해서는 BLDC 모터에 공급되는 상 전류 또는 단자전압 등으로부터 간접적으로 검출해야 한다. 회전자 위치를 검출하는 가장 보편적인 방법은 역기전력 정보를 이용하는 것인데, 역기전력은 회전자의 속도에 비례하기 때문에 회전자가 정지하고 있거나 저속인 경우에는 이용할 수가 없다.
따라서, BLDC 모터의 초기 기동 시에는 모터의 권선에 소정 시간동안 전류를 공급하여 모터의 회전자를 특정위치로 정렬시키는 후 역기전력의 크기가 충분히 검출 가능한 값에 도달할 때까지 정지상태의 BLDC 모터를 동기 가속한다.
회전자의 위치가 모터의 사각지대, 즉 상사점이나 하사점에 위치하고 있는 경우, 초기 기동을 위한 회전자의 정렬시 전류의 방향이 상사점 및 하사점과 직각이 되므로 많은 양의 전류가 요구된다. 이러한 경우, 압축기의 초기 기동을 위한 정렬시 기동 실패의 가능성이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 압축기 내의 압력 및 회전자의 위치에 관계없이 용이하게 회전자를 정렬시켜 기동 실패율을 저감시킬 수 있는 압축기의 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제는, 본 발명에 따라, 회전자와 연결되어 있는 회전축을 갖는 센서리스 모터와, 복수의 상여자 모드가 존재하는 상사점 및 하사점 사이에서 압축행정 및 흡입행정을 수행하는 피스톤과, 상기 회전축과 상기 피스톤을 연결하는 크랭크부를 갖는 압축기의 제어방법에 있어서, 상기 회전자를 상기 하사점에 인접한 초기위치에 위치하도록 상기 상여자 모드 간을 이동시켜 정렬하는 초기정렬단계와; 상기 회전자가 상기 피스톤의 압축행정 내 소정의 중간위치에 위치하도록 상기 회전자를 상기 초기위치로부터 정회전 방향으로 상기 상여자 모드 간을 이동시키는 중간정렬단계와; 상기 회전자가 상기 피스톤의 흡입행정 내 소정의 기동위치에 위치하도록 상기 회전자를 상기 중간위치로부터 상기 상사점을 향하여 역회전 방향으로 상기 상여자 모드 간을 이동시키는 기동정렬단계와; 상기 기동위치에 정렬된 상기 회전자의 회전을 상기 정회전 방향으로 가속시키는 단계를 포함하는 것에 의하여 달성된다.
상기 초기위치는 상기 압축행정에서 상기 하사점에 가장 인접한 상여자 모드인 것이 바람직하다.
상기 중간위치는 상기 압축행정에서 상기 상사점과 상기 하사점의 중간의 상여자 모드인 것이 바람직하다.
상기 기동위치는 상기 흡입행정에서 상기 상사점에 가장 인접한 상여자 모드인 것이 바람직하다.
상기 중간정렬단계는 상기 초기위치를 중심으로 상기 회전자를 복수회 왕복 이동한 후, 상기 중간위치로 이동시킬 수도 있다.
본 발명에 따르면, 압축기 내의 압력 및 회전자의 위치에 관계없이 용이하게 회전자를 정렬시켜 기동 실패율을 저감시킬 수 있는 압축기의 제어방법을 제공할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
먼저, 압축기의 개략적인 구성 및 작동에 관하여 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기는 센서리스 모터(100) 및 센서리스 모터(100)와 커넥팅바(140)로 연결되어 있는 피스톤(200)을 포함한다. 또한, 압축기는 센서리스 모터(100)에 3상의 전류를 공급하는 인버터 및 센서리스 모터(100)의 전체적인 동작을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
센서리스 모터(100)는 고정자(미도시)에 대하여 회전하는 회전자(110), 회전자(110)에 연결되어 있는 회전축(120), 회전축(120)과 피스톤(200)을 연결하는 크랭크부(130)로 구성되어 있다.
본 실시예에 따른 모터(100)는 브러쉬리스 직류모터(brushless DC motor)로 공지되어 있는 방법에 의하여 동작된다. 직류전원이 인버터의 스위칭부를 통해 센서리스 모터(100)에 공급되어 회전자(110)가 회전하면 센서리스 모터(100)의 3상 권선에는 역기전력이 발생된다. 이 때, 제어부는 3상 권선의 역기전력에 대한 정보로부터 회전자(110)의 위치 정보로 회전자(110)의 위치를 파악하여 소정의 상여자 모드에 전류를 인가한다. 제어부는 소정의 상여자 모드에 전류를 인가하면서 PWM 제어신호를 발생하게 되고, 이러한 PWM 제어신호는 인버터로 출력되어 모터로 공급되는 전류를 조절한다.
인버터 스위칭부는 온/오프 동작을 수행하는 복수의 트랜지스터를 포함한다. 트랜지스터의 온/오프 동작을 통해 인버터는 센서리스 모터(100)의 3상 권선 중에서 항상 2상의 권선에 전류가 공급되도록 하며, 2상의 권선에 인가되는 전류를 통 해 센서리스 모터(100)의 회전속도를 제어한다. 즉, 직류형 모터의 일종인 본 실시예에 따른 센서리스 모터(100)는 회전자(110)의 위치를 검출하고, 검출된 회전자(110)의 위치에 의해서 3상 권선 중에서 2상의 권선으로 전류가 공급되도록 제어하면서 구동된다.
회전자(110)에 연결되어 있는 회전축(120)은 크랭크부(120)에 연결되어 있으며, 크랭크부(120)는 커넥팅바(130)에 의해 피스톤(200)과 연결되어 있다. 회전자(110)가 회전 운동을 하면 회전축(120)에 연결되어 있는 크랭크바(130)에 의하여 회전자(110)의 회전운동이 피스톤(200)의 왕복운동으로 전환된다.
피스톤(200)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상사점(⑫) 및 하사점(⑥)을 왕복운동하며 압축행정(A) 및 흡입행정(B)을 수행한다. 상사점(⑫)은 피스톤(200)이 가장 높은 위치에 도달하여 압축행정(A)이 끝나고 흡입행정(B)이 시작되는 지점이고, 하사점(⑥)은 흡입행정(B)을 마치고 압축행정(A)이 시작되는 지점이다. 즉, 피스톤(200)은 하사점(⑥)으로부터 상사점(⑫)까지 이동하면서 압축행정(A)을 수행하며, 상사점(⑫)으로부터 하사점(⑥)까지 이동하면서 흡입행정(B)을 수행한다. 피스톤(100)의 상사점(⑫) 부분에는 냉매와 같은 피압축 매체가 연결되어 있어 피스톤(200)의 운동을 통해 압축 및 흡입이 반복된다.
도2는 회전자(110)의 위치 이동을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 것이다. 센서리스 모터(100)의 3상 권선에는 2상의 전류가 공급되며, 하나의 행정 구간동안 모두 6개의 상여자 모드가 존재한다. 즉, 3상 전류의 조합(23) 중 3상 전류가 모두 공급되거나 모두 공급되지 않는 두 경우를 제외한 6가지의 경우에 대응되는 전류 공급의 조합이 가능하다. 다시 말하면, 각 상여자 모드는 행정구간 내에서 회전자(110)의 위치를 결정하고, 상여자 모드 별로 전류를 조절함으로써 회전자(110)의 위치를 제어할 수 있다.
회전자(110)가 하사점(⑥)으로부터 상사점(⑫)으로 회전하는 압축행정(A) 동안 ⑦에서부터 ⑫까지의 총 6개의 상여자 모드(⑦, ⑧, ⑨, ⑩, ⑪, ⑫)가 존재하며, 상사점(⑫)으로부터 하사점(⑥)으로 회전하는 흡입행정(B)동안 ①에서 ⑥까지의 총 6개의 상여자 모드(①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥)가 존재한다.
실험에 의하면, 기동 전 센서리스 모터(100)의 회전자(110)는 관성에 의해 압축기가 운전 중에 정지되면 압축행정(A)이 시작되는 하사점(⑥) 근처, 즉 ⑤와 ⑨사이에 존재하는 것이 일반적이다.
이하에서는, 이러한 구성을 갖는 압축기의 제어방법에 대하여 설명한다.
본 실시예에 따른 압축기의 제어방법은 회전자(110)를 하사점(⑥)에 인접한 초기위치(⑦)에 위치하도록 상여자 모드 간을 이동시켜 정렬하는 초기정렬단계(S1)와, 회전자(110)가 피스톤(200)의 압축행정(A) 내 소정의 중간위치(⑨)에 위치하도록 회전자(110)를 초기위치(⑦)로부터 정회전 방향으로 상여자 모드 간을 이동시키는 중간정렬단계(S2)와, 회전자(110)가 피스톤의 흡입행정(B) 내 소정의 기동위치(②)에 위치하도록 회전자(110)를 중간위치(⑨)로부터 상사점(⑫)을 향하여 역회전 방향으로 상여자 모드 간을 이동시키는 기동정렬단계(S3)와, 기동위치(②)에 정렬된 회전자(110)의 회전을 정회전 방향으로 가속시키는 단계(S4)를 포함한다.
초기정렬단계(S1)는 회전자(110)를 최종적으로 기동정렬시킬 위치로 이동시 키는데 필요한 전류 또는 상여자 모드의 변환에 대한 제어를 위하여 기준을 제공한다. 즉, ⑤에서 ⑨ 사이에 위치하는 회전자(110)를 초기위치(⑦)에 정렬한다.
중간정렬단계(S2)에서는 초기위치(⑦)의 회전자(110)를 중간위치(⑨)로 이동시킨다. 여기서, 초기위치(⑦)로부터 중간위치(⑨)까지 한 번에 회전자(110)를 이동시킨다면 전류의 제어가 용이하지 않고 회전자(110)를 정확히 중간위치(⑨)에 정렬할 수 없을 가능성이 존재한다. 따라서, 본 실시예에서는 순차적인 상여자 단계를 통해 회전자(110)를 중간위치(⑨)까지 이동시킨다. 각 상여자 단계를 통하여 회전자(110)가 이동하는 각도는 상사점(⑫)으로부터 하사점(⑥)까지를 6등분한 것에 대응되므로, 하나의 상여자 모드 간의 이동을 통하여 회전자(110)를 하나의 행정구간의 6분의 1씩 이동시킨다.
기동정렬단계(S3)는 중간위치의 회전자(110)를 기동위치(②)로 이동시킨다. 종래의 경우, 소정 패턴에 의한 회전자(110)의 강제 정렬 후 회전자(110) 위치에 대한 정확한 정보 없이 가속단계(S4)로 진입되기 때문에 센서리스 모터(100)에 인가되어 있는 잔여 압력 상태 또는 부하 정도에 따라 기동 실패의 위험부담이 있었다.
즉, 과전류가 흘러 회전자(110)의 효율이 감소하는 감자현상이 발생할 수도 있으며, 특히 압축행정 구간에 회전자(110)가 위치하고 있을 때 과전류의 공급이 이루어지지 않아 기동에 실패하고 모터의 회전에 따른 소음이 발생하기도 한다.
본 발명은 이러한 문제점을 개선하고 보다 용이하게 압축기를 기동시키기 위하여 압축기의 기동정렬단계(S3) 시 회전자(110)를 흡입행정(B) 구간 내 소정 기동 위치(②)에 정렬한다. 압축행정(A)이 아닌 흡입행정(B) 구간 내 회전자(110)를 배치함으로써 보다 적은 전류로 가속단계(S4)를 진행시킬 수 있다. 회전자(110)를 흡입행정(B) 구간에 배열하는 것은 센서리스 모터(100)에 잔여 압이 존재하는 경우 훨씬 효과적이다.
압축행정(A) 구간에 도달하였을 때 관성에 의한 최대한의 추진력을 발생시키기 위하여 가능한 흡입행정(B) 구간을 많이 거치는 것이 바람직하다. 상사점(⑫)에 회전자(110)를 정렬하는 경우 관성에 의하여 압축행정(A) 구간으로 회전자(110)가 이동할 가능성이 있으므로 기동위치(②)는 상사점(⑫)에 근접한 지점에 설정한다. 본 실시예에 따른 기동위치(②)는 흡입행정(B)이 이루어지는 상사점(⑫)에 가장 인접한 상여자 모드인 ②의 위치가 기동위치(②)가 된다. 기동정렬단계(S3)에서도 중간정렬단계(S2)와 마찬가지로 순차적인 상여자 단계를 통해 회전자(110)를 중간위치(⑨)로부터 기동위치(②)까지 이동시킨다.
기동정렬단계(S3)를 거쳐 회전자(110)가 기동위치(②)에 위치하는 경우, 회전자(110)의 회전을 가속시키는 단계(S4)가 수행된다. 가속단계(S4)는 회전자(110)로부터 발생한 역기전력을 안정적으로 검출할 수 있는 속도에 이르기까지 회전자(110)를 가속시키는 단계이다.
이후, 가속에 의하여 역기전력의 검출이 가능해 지면, 검출한 역기전력을 이용하여 회전자(110)의 위치정보를 이용하여 센서리스 모터(110)를 구동시키는 단계로 진행한다. 즉, 압축기의 기동이 종료하고, 본격적으로 구동이 이루어지게 된다(S5).
본 실시예에서는 중간정렬단계(S2)에서 회전자(110)를 초기위치(⑦)에서 중간위치(⑨)로 일방향으로 이동시키는 것을 설명하고 도시하였으나, 회전자(110)를 초기위치(⑦)를 중심으로 복수회 왕복 이동시킨 후 중간위치(⑨)로 이동시킬 수도 있다. 즉, 회전자(110)를 기동이 용이하도록 워밍업 시키는 개념인 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 회전자(110)를 하사점(⑥)에 인접한 초기위치(⑦)로 초기정렬단계(S1)와, 회전자(110)를 피스톤(200)의 압축행정(A) 내 중간위치(⑨)로 이동시켜 워밍업하는 중간정렬단계(S2)와, 회전자(110)를 피스톤(200)의 흡입행정(B) 내의 기동위치(②)로 기동정렬단계(S3)와, 기동위치(②)에 정렬된 회전자(110)의 회전을 가속시키는 단계(S4)를 포함함으로써, 압축기의 흡입압력과 토출압력 간의 압력차가 많거나 회전자(110)의 위치가 사각지대인 경우라도 회전자(110)를 용이하게 정렬시켜 기동 실패율을 저감시킬 수 있게 된다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기의 개략도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기의 제어방법을 설명하기 위한 회전자 이동을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기의 회전자 위치에 따른 전류값을 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축기의 제어흐름도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 : 센서리스 모터 110 : 회전자
120 : 회전축 130 : 크랭크부
140 : 커넥팅바 200 : 피스톤
A : 압축행정 B : 흡입행정

Claims (5)

  1. 회전자와 연결되어 있는 회전축을 갖는 센서리스 모터와, 복수의 상여자 모드가 존재하는 상사점 및 하사점 사이에서 압축행정 및 흡입행정을 수행하는 피스톤과, 상기 회전축과 상기 피스톤을 연결하는 크랭크부를 갖는 압축기의 제어방법에 있어서,
    상기 회전자를 상기 하사점에 인접한 초기위치에 위치하도록 상기 상여자 모드 간을 이동시켜 정렬하는 초기정렬단계와;
    상기 회전자가 상기 피스톤의 압축행정 내 소정의 중간위치에 위치하도록 상기 회전자를 상기 초기위치로부터 정회전 방향으로 상기 상여자 모드 간을 이동시키는 중간정렬단계와;
    상기 회전자가 상기 피스톤의 흡입행정 내 소정의 기동위치에 위치하도록 상기 회전자를 상기 중간위치로부터 상기 상사점을 향하여 역회전 방향으로 상기 상여자 모드 간을 이동시키는 기동정렬단계와;
    상기 기동위치에 정렬된 상기 회전자의 회전을 상기 정회전 방향으로 가속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초기위치는 상기 압축행정에서 상기 하사점에 가장 인접한 상여자 모드인 것을 특징으로 하는 압축기의 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중간위치는 상기 압축행정에서 상기 상사점과 상기 하사점의 중간의 상여자 모드인 것을 특징으로 하는 압축기의 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기동위치는 상기 흡입행정에서 상기 상사점에 가장 인접한 상여자 모드인 것을 특징으로 하는 압축기의 제어방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간정렬단계는 상기 초기위치를 중심으로 상기 회전자를 복수회 왕복 이동한 후 상기 중간위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 압축기의 제어방법.
KR1020080116937A 2008-11-24 2008-11-24 압축기의 제어방법 KR20100058203A (ko)

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KR101247567B1 (ko) * 2011-12-26 2013-03-25 전자부품연구원 가변 자속형 모터의 제어 방법 및 제어 시스템
WO2022109700A1 (en) 2020-11-25 2022-06-02 Embraco Indústria De Compressores E Soluções Em Refrigeração Ltda. Piston positioning processes of a reciprocating compressor

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