KR20110011460A - 드럼 세탁기의 부하 추정 방법 - Google Patents

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KR20110011460A
KR20110011460A KR1020090069123A KR20090069123A KR20110011460A KR 20110011460 A KR20110011460 A KR 20110011460A KR 1020090069123 A KR1020090069123 A KR 1020090069123A KR 20090069123 A KR20090069123 A KR 20090069123A KR 20110011460 A KR20110011460 A KR 20110011460A
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정인성
이정효
원충연
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전자부품연구원
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Abstract

본 발명은 드럼 세탁기의 부하 추정 방법에 관한 것으로, 세탁물의 변동이 반복적으로 발생하는 드럼 세탁기에서 세탁물의 양을 추정하여 드럼 세탁기를 효율적으로 구동시키기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 전동기의 구동에 따른 원심력에 의한 드럼에 투입된 세탁물의 관성모멘트가 일정해지는 회전속도를 산출한다. 전동기의 기계방정식을 이용하여 세탁물의 관성모멘트를 추정한다. 그리고 추정된 관성모멘트를 이용하여 세탁물의 양을 추정한다.
드럼, 세탁기, 관성모멘트, 부하, 속도

Description

드럼 세탁기의 부하 추정 방법{Method for estimating load in drum laundry}
본 발명은 드럼 세탁기의 부하 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 드럼 세탁기를 효율적으로 구동시키기 위해서 세탁물의 관성모멘트 추정을 통하여 세탁물의 양을 추정하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법에 관한 것이다.
세탁기의 효율적인 구동을 위해 세탁물의 양과 종류를 정확하게 아는 것이 중요하다. 비록 세탁물의 종류는 사용자에 의해 쉽게 입력이 가능하지만 세탁물의 양은 사용자가 입력하기 힘들다. 이 때문에 세탁물의 양을 추정하는 구간이 존재하며 추정된 세탁물의 양에 따라 세탁 행정 시간이 결정된다.
일반적으로, 세탁물의 양을 감지하는 방법으로는 먼저 세탁기에 급수가 이루어지면, 세탁물이 물을 흡수함으로써 초기에 급수되었던 수위가 감소하는 현상을 이용하는 방법이 있다. 이를 보상하기 위한 재 급수가 계속 이루어지는데, 재 급수가 이어지는 횟수를 파악하여 세탁물의 양을 판단한다. 이는 급수 시간이 오래 걸리고 세탁물의 종류에 따라 세탁물의 양을 감지하는데 있어 오차가 큰 단점이 있다.
다른 방법으로는, 모터의 회전 속도가 설정된 속도에 이르면 그때의 듀티값을 추출하여 세탁물의 양을 산출하는 방법이 있다. 전동기가 일정한 회전 속도에 도달할 때의 듀티값을 프로세서에 저장된 룩업 테이블에 적용하여 세탁물의 양을 추정하는 것을 특징으로 한다. 하지만 이 방법은 저장할 메모리 소자가 따로 필요한 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 부하(세탁물)의 변동이 반복적으로 발생하는 드럼 세탁기에서 세탁물의 양을 추정하여 드럼 세탁기를 효율적으로 구동시킬 수 있는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전동기의 구동에 따른 원심력에 의한 상기 드럼에 투입된 세탁물의 관성모멘트가 일정해지는 회전속도를 산출하는 산출 단계, 상기 전동기의 기계방정식을 이용하여 상기 세탁물의 관성모멘트를 추정하는 관성모멘트 추정 단계, 상기 추정된 관성모멘트를 이용하여 상기 세탁물의 양을 추정하는 세탁부하량 추정 단계를 포함하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법을 제공한다.
상기 산출 단계는 상기 드럼의 회전시 상기 세탁물에 작용하는 원심력이 상기 세탁물에 작용하는 중력보다 적어도 클 때의 값을 회전속도로 산출한다. 즉 상기 회전 속도는 ω≥
Figure 112009046379800-PAT00001
(ω:회전속도, g:중력가속도, r:드럼의 내경)으로 산출할 수 있다.
상기 관성모멘트 추정 단계에서, 상기 전동기의 기계방정식은
Figure 112009046379800-PAT00002
이다(Te:전동기 발생토크, J:관성모멘트, B:마찰계수, ωr:전동 기속도, TL:부하토크).
상기 관성모멘트 추정 단계는 드럼을 제1 회전속도(ωr1)로 제1 일정 시간(t1) 회전시키는 모드Ⅰ 진행 단계, 상기 드럼을 상기 제1 일정 시간 이후에 제2 일정 시간(t2-t1)에 제2 회전속도(ωr1)가 되도록 일정가속도로 회전시키는 모드Ⅱ 진행 단계 및 상기 드럼을 상기 제2 일정 시간 이후에 상기 제2 회전속도로 회전시키는 모드Ⅲ 진행 단계를 포함한다.
상기 모드Ⅰ 진행 단계에서, 모드Ⅰ의 전동기 발생토크(Te)는
Figure 112009046379800-PAT00003
(P:구동기의 극수, φf:전동기의 자속, :실제 입력 전류)이다. 상기 전동기의 속도 변동이 거의 없고, 마찰계수를 0으로 가정하면,
Figure 112009046379800-PAT00004
이다.
상기 모드Ⅱ 진행 단계에서 상기 제2 회전속도는 상기 제1 회전속도의 2배일 수 있다.
상기 모드Ⅱ 진행 단계에서 모드Ⅱ의 전동기 발생토크(
Figure 112009046379800-PAT00005
)는 상기 모드Ⅰ의 전동기 발생토크의 2배일 수 있다.
상기 모드Ⅲ 진행 단계에서 모드Ⅲ의 전동기 발생토크는
Figure 112009046379800-PAT00006
이다.
상기 관성모멘트(J)는 마찰계수(B)가 0이라고 가정하면,
Figure 112009046379800-PAT00007
,
Figure 112009046379800-PAT00008
으로 표현할 수 있다(
Figure 112009046379800-PAT00009
:모드Ⅱ의 전동기 발생토크,
Figure 112009046379800-PAT00010
:모드Ⅱ의 평균부하토크, ωr1:모드Ⅰ에서의 전동기속도, ωr2: 모드Ⅱ에서의 전동기속도, t2-t1 : 모드Ⅱ의 시간).
상기 세탁부하량 추정 단계에서 상기 세탁물의 양은
Figure 112009046379800-PAT00011
,
Figure 112009046379800-PAT00012
및
Figure 112009046379800-PAT00013
으로 산출한다(r2:드럼의 내경, r3: 세탁물의 내경, h:드럼의 길이, ρ1:세탁물이 있는 곳에서의 밀도, K:전동기 상수, D:세탁물이 존재하는 부분의 비율, α:보정계수, Jlaundry:세탁물에 의한 관성모멘트).
그리고 본 발명은 또한, 전동기의 구동에 따른 원심력에 의한 상기 드럼에 투입된 세탁물의 관성모멘트가 일정해지는 회전속도를 산출하는 산출 단계, 상기 전동기의 기계방정식(
Figure 112009046379800-PAT00014
)을 이용하여 상기 세탁물의 관성모멘트를 추정하는 관성모멘트 추정 단계, 상기 추정된 관성모멘트를 이용하여 상기 세탁물의 양을 추정하는 세탁부하량 추정 단계를 포함한다. 이때 상기 회전속도는 ω≥
Figure 112009046379800-PAT00015
(ω:회전속도, g:중력가속도, r:드럼의 내경)으로 산출하고, 상기 세탁부하의 관성모멘트는
Figure 112009046379800-PAT00016
(
Figure 112009046379800-PAT00017
:모드Ⅱ의 전동기 발생토크,
Figure 112009046379800-PAT00018
:모 드Ⅱ의 평균부하토크, ωr1:모드Ⅰ에서의 전동기속도, ωr2: 모드Ⅱ에서의 전동기속도, t2-t1 : 모드Ⅱ의 시간)로 산출하고, 상기 세탁물의 양은
Figure 112009046379800-PAT00019
(r2:드럼의 내경, r3: 세탁물의 내경, h:드럼의 길이, ρ1:세탁물이 있는 곳에서의 밀도, K:전동기 상수)으로 산출한다.
본 발명에 따르면, 원심력에 의해 세탁물의 관성 모멘트가 일정해지는 속도를 산출하고, 그 후 전동기의 기계방정식을 이용하여 세탁물의 관성모멘트를 추정하고, 추정된 관성 모멘트를 이용하여 세탁물의 양을 추정할 수 있다.
그리고 그 추정한 양이 표2에 개시된 바와 같이 실제 세탁물의 양과 비교하여 오차가 1kg을 넘지 않기 때문에, 본 발명에 따른 드럼 세탁기의 부하 추정 방법으로 추정된 세탁물의 양을 통하여 드럼 세탁기를 효율적으로 구동시킬 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 드럼 세탁기의 부하 추정 방법에 대해서 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 드럼 세탁기의 부하 추정 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 S91단계에서 전동기의 구동에 따른 원심력에 의한 드럼에 투입된 세탁 물의 관성모멘트가 일정해지는 회전속도를 산출한다. 이어서 S93단계에서 전동기의 기계방정식을 이용하여 세탁물의 관성모멘트를 추정한다. 그리고 S95단계에서 추정된 관성모멘트를 이용하여 세탁물의 양(m)을 추정한다.
본 실시예에 따른 드럼 세탁기의 부하 추정에 사용된 전동기 제어장치(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 속도비교기(10), 속도제어기(20; speed controller), 전류비교기(30), 전류제어기(40), 인버터(50) 및 전동기(60)를 포함하여 구성된다.
속도비교기(10)는 입력되는 기준속도와 실제속도의 편차를 속도제어기(20)로 입력한다. 속도제어기(20)는 속도비교기(10)로부터 수신한 편차에 따라 전동기(60)의 속도를 보정하기 위한 보정전류를 전류비교기(30)로 입력한다.
전류비교기(30)는 입력되는 보정전류와 실제전류의 편차를 전류제어기(40)로 입력한다. 전류제어기(40)는 전류비교기(30)로부터 수신한 편차에 따라 전동기(60)의 속도를 보정하기 위한 인가전압을 인버터(50)로 입력한다.
인버터(50)는 인가전압에 따라 교류를 직류로 변환하여 전동기(60)로 입력된다. 이때 인버터(50)로는 3상 전압형 인버터가 사용될 수 있다. 전류제어기(40)의 출력인 인가전압은 PWM(Pulse Width Modulation) 기법에 의해서 제어되며, 그 중 SVPWM(Space Vector PWM) 기법에 의해 게이트 신호를 발생하여 인버터(50)를 통해 전동기(60)를 제어한다.
그리고 전동기(60)는 인가전압에 따라 드럼을 회전시킨다. 한편 속도제어기(20) 및 전류제어기(40)의 제어에 따라 인가되는 속도 및 전류와 실제 전동 기(60)의 구동에 사용되는 전류와 속도에는 차이가 있기 때문에, 전동기(60)는 실제속도를 속도비교기(20)로 입력하고, 실제전류를 전류비교기(40)로 피드백한다. 이때 전동기(60)로는 표면부착형 영구자석 동기 전동기(Surface mounted Permanent Magnet Synchronous Motor : SPMSM)가 사용될 수 있다.
구체적으로 본 실시예에 따른 드럼 세탁기의 부하 추정 방법에 대해서 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, S91단계에서 전동기(60)의 구동에 따른 원심력에 의한 드럼에 투입된 세탁물의 관성모멘트가 일정해지는 회전속도를 산출한다.
이때 S91단계에서 세탁물의 관성모멘트가 일정해지는 회전속도를 산출하는 이유에 대해서 설명하면 다음과 같다. 본 실시예에서는 세탁물의 양을 추정하기 위해 세탁물의 관성모멘트를 추정한다. 하지만 드럼 세탁기의 세탁물은 일정 속도 이하에서 낙하운동을 하기 때문에 세탁물의 관성모멘트가 변한다. 이러한 변화하는 관성모멘트를 이용하여 세탁물의 양을 추정할 시엔 또 다른 복잡한 처리과정이 필요하다는 단점이 있다.
따라서 본 실시예에서는 S91단계에서 원심력에 의해 세탁물의 관성모멘트가 일정해지는 속도를 산출하였다.
세탁할 때에 세탁물은 회전날개에 의해 들어 올려진 후 일정 높이에서 낙하하는 힘에 의해 세탁이 된다. 이러한 드럼 세탁기의 동작 특성 때문에 세탁물의 관성은 계속적으로 변하게 된다. 도 3은 세탁기의 드럼이 회전할 때, 드럼 내부의 세 탁물이 받는 힘을 표현한 것이다. 드럼 세탁기가 회전하면 세탁물은 드럼의 원심력(Fw)에 의해 드럼 내벽에 붙어 올라가고 일정 높이에 다다르면 중력의 원심력 반대 방향의 힘(Fgw)에 의해 떨어진다.
이때 세탁물을 드럼의 바닥으로 떨어지게 하는 힘인 중력의 원심력 반대 방향 힘(Fgw)이 세탁물을 드럼의 내벽에 밀착시키는 힘인 원심력(Fw)보다 작다면 세탁물은 낙하하지 않는다.
세탁물에 중력의 원심력 반대 방향 힘(Fgw)이 최대로 작용할 때는 세탁물이 드럼의 천정에 위치할 때이다. 만약 이 때의 원심력이 중력보다 크다면 세탁물은 낙하하지 않고, 드럼의 표면에 밀착하여 회전하게 된다. 즉 수학식1 및 수학식2로부터, 드럼의 회전시 상기 세탁물에 작용하는 원심력(Fw)이 세탁물에 작용하는 중력(Fgw)보다 적어도 클 때의 값을 회전속도(ω)를 산출한다. 여기서 수학식2는 수학식1을 정리하면 얻을 수 있다.
Fw=mrω2≥Fgw=mg(ω:회전속도, g:중력가속도, r:드럼의 내경)
Figure 112009046379800-PAT00020
ω≥
본 실시예에서는 회전속도를 편심의 영향이 적고 세탁물이 드럼의 내벽에 붙어서 회전하는 100rpm으로 정하였다. 한편 본 실시예에서는 회전속도를 100rpm으로 예시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로 S93단계에 따른 전동기(60)의 기계방정식을 이용하여 세탁물의 관성모멘트를 추정하는 단계를 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
세탁물의 양을 추정하는 구간은 전체 세탁행정 중에서 가장 먼저 이루어지며 정확한 세탁물의 양을 감지를 위해 세탁기에 물을 주입하지 않는 상태에서 추정한다.
세탁물의 관성모멘트를 추정하기 위해서, 도 4에 도시된 바와 같이, 3개의 모드에서 관성모멘트를 추정한다. 세탁물의 관성모멘트는 수학식3에 따른 전동기의 기계방정식으로 유도되고, 속도변화에 따라 3개의 구간으로 구분한다.
Figure 112009046379800-PAT00021
(Te:전동기 발생토크, J:관성모멘트, B:마찰계수, ωr:전동기속도, TL:부하토크)
3개의 모드는 시계열적으로 순차적으로 진행되면, 모드Ⅱ, 모드Ⅱ 및 모드Ⅲ을 포함한다. 모드Ⅰ은 세탁물이 떨어지지 않는 속도로 회전시키는 구간이다. 모드Ⅱ는 관성모멘트에 의한 토크를 측정하기 위해 일정 가속도로 회전시키는 구간이다. 모드Ⅲ은 속도 변동에 의한 부하 토크 변화량을 측정하며 관성모멘트를 산출하는 구간이다.
도 5를 참조하면, 모드Ⅰ에서 전동기(60)의 제어장치(100)는 다음과 같이 구 동한다. 모드Ⅰ에서 드럼을 제1 회전속도(ωr1)로 제1 일정 시간(t1) 회전시킨다. 즉 세탁물이 낙하하지 않는 속도인 100rpm으로 전동기(60)를 회전시키기 위하여 기준속도(ωr1)는 100rpm으로 정한다. 이러한 기준속도로 전동기(60)를 제어하기 위해 속도센서에 의해 계산된 실제속도(ωreal)와의 편차를 PI제어기로 구성된 속도제어기(20)에 입력한다. 속도제어기(20)의 출력만큼 토크를 발생시켜 전동기(60)의 속도를 보정하기 위해서는 전동기(60)에 전류를 인가하여야 하며, 이는 인가전류(
Figure 112009046379800-PAT00022
)가 되고, 전동기(60)로 입력되는 실제전류(
Figure 112009046379800-PAT00023
)와 비교된 편차 PI제어기에 의해 인가해야할 전압의 크기가 된다. 전류제어기(40)의 출력인 인가전압은 인버터(50)를 통해 전동기(60)를 제어한다.
이때, 모드Ⅰ에서의 전동기 발생토크(Te)는 수학식4와 같다. t1에서의 토크는 세탁물을 100rpm으로 회전시키기 위해 전동기(60)가 세탁기를 돌리는 힘과 같다. 즉 모드Ⅰ이 지속되는 동안 발생되는 토크는 수학식4와 같다.
Figure 112009046379800-PAT00024
(P:구동기의 극수, φf:전동기의 자속, :실제 입력 전류)
속도제어기(20)와 전류제어기(40)가 원활히 동작하여 전동기(60)의 속도 변동이 거의 없다면 수학식3에서 관성모멘트에 의한 토크 성분은 무시할 수 있으며, 마찰계수에 의한 토크는 전동기(60)에서 발생되는 토크에 비해 매우 작으므로, 부하토크는 전동기(60)의 발생토크와 거의 일치한다. 따라서 이를 수학식5와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009046379800-PAT00025
한편 모드Ⅰ에서 측정된 부하토크는 모드Ⅲ에서 관성모멘트를 추정하는데 사용된다.
도 6을 참조하면, 모드Ⅱ에서 전동기(60)의 제어장치(100)는 다음과 같이 구동한다. 모드Ⅱ에서 드럼을 제1 일정 시간(t1) 이후에 제2 일정 시간(t2-t1)에 제2 회전속도(ωr1)가 되도록 일정가속도로 회전시킨다. 즉 모드Ⅱ는 증가된 토크 지령을 인가하여 속도를 변화시키는 구간이다. 모드Ⅰ에서 전동기(60)가 발생하는 토크의 2배의 토크 지령을 일정시간 동안 인가하면 그에 따라 전동기(60)의 회전속도가 상승하게 된다. 즉
Figure 112009046379800-PAT00026
이며 이러한 토크를 발생시키기 위해서 모드Ⅱ의
Figure 112009046379800-PAT00027
값은 모드Ⅰ의
Figure 112009046379800-PAT00028
의 값의 두 배가 된다. 여기서 KT는 전동기 상수이며
Figure 112009046379800-PAT00029
이다.
Figure 112009046379800-PAT00030
는 모드Ⅲ에서 관성모멘트를 추정하는데 사용된다.
도 7을 참조하면, 모드Ⅲ에서 전동기(60)의 제어장치(100)는 다음과 같이 구동된다. 모드Ⅲ에서 드럼을 제2 일정 시간 이후에 제2 회전속도로 회전시킨다. 즉 모드Ⅲ은 모드Ⅰ과 마찬가지로 전동기(60)의 속도 변동에 의한 토크를 무시하면 부하토크는 수학식6과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009046379800-PAT00031
모드Ⅰ에서의 부하토크와 모드Ⅲ에서의 부하토크를 이용하여 속도에 따라 증가하는 부하토크 모드Ⅱ에서의 평균부하토크(
Figure 112009046379800-PAT00032
)를 구하면 수학식7과 같다.
Figure 112009046379800-PAT00033
수학식8은 모드 별로 구한 각각의 변수들을 전동기(60)의 기계방정식인 수학식3에 대입한 식이다.
Figure 112009046379800-PAT00034
여기서
Figure 112009046379800-PAT00035
는 Mode2에서 저장된
Figure 112009046379800-PAT00036
에 수학식9와 같은 수식으로 얻어진 것이다.
Figure 112009046379800-PAT00037
한편, 전동기 속도의 미분 성분
Figure 112009046379800-PAT00038
는 모드Ⅱ의 속도 변화,
Figure 112009046379800-PAT00039
를 Mode2의 시간
Figure 112009046379800-PAT00040
로 나눈 것이며, 이는 모드Ⅱ에 의해 변동된 속도와 모드Ⅱ의 동작 시간을 의미한다. 관성모멘트는 전동기(60)의 속도가 변동할 때 토크를 발생시키므로 이러한 원리를 이용하여 수식을 전개하면 수학식10 및 수학식11으로 표현할 수 있다.
여기서 마찰계수(B)의 값을 0으로 가정하면, 수학식7은 수학식9로 변환이 가능하며, 이를 세탁부하의 관성모멘트(J)에 관한 수식으로 정리하면 수학식10과 같다.
Figure 112009046379800-PAT00041
Figure 112009046379800-PAT00042
한편 모드Ⅰ에서 모드Ⅲ까지 관성모멘트 추정 단계에 대한 실험 파형은 도 8 과 같다. 이때 도 8은 드럼에 세탁물 7kg을 넣고 실험하여 측정한 파형도이다.
그리고 S95단계에서 추정된 관성모멘트를 이용하여 세탁물의 양(m)을 추정하는 단계를 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
물체의 관성모멘트는 물체의 형태, 즉 회전축에 대한 질량의 분포에 따라 결정된다. 질량이 축과 멀리 떨어져 있을수록 관성모멘트는 커진다. 전동기(60)를 100rpm정도로 빠르게 회전을 시키면 세탁물은 드럼의 외곽에 완전 밀착하게 되고, 관성모멘트는 일정한 값이 된다. 이것을 도식화하여 도 9와 같이 표현할 수 있다. 물론 드럼 내에서는 세탁물의 형태는 도 9와는 차이가 있겠지만, 세탁물의 양을 쉽게 추정할 수 있도록 간략화하였다.
세탁물에 의한 관성모멘트(Jlaundry)는 세탁부하의 관성모멘트(J)와 드럼의 관성모멘트(Jdrum)의 차로 나타낼 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 수학식12와 같다.
Figure 112009046379800-PAT00043
일반적으로 공간상에 질량이 연속적으로 분포하고 있다고 가정하면, 관성모멘트는 수학식13 및 수학식14로 표현된다.
Figure 112009046379800-PAT00044
Figure 112009046379800-PAT00045
수학식14의 dm은 극좌표계(
Figure 112009046379800-PAT00046
)로 표현이 가능하며, 수학식15와 수식으로 변환된다.
Figure 112009046379800-PAT00047
수학식15를 수학식14에 대입하면, 두께를 가지고 있는 속이 빈 원통의 모양의 관성모멘트를 구할 수 있다. 이 때 추정되는 관성모멘트는 수학식16으로 표현된다.
Figure 112009046379800-PAT00048
가정된 세탁물의 부피는 세탁물이 존재하는 공간과 비어있는 공간으로 나눌 수 있다. 빈 공간은 세탁조의 반지름 r2와 r3사이의 전체 질량 밀도(m)로서 표현되며, 이는 수학식17과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009046379800-PAT00049
(D: 세탁물이 존재하는 부분의 비율, ρ1:세탁물이 있는 곳의 밀도, ρ2:세탁물이 없는 곳의 밀도)
수학식16을 σ에 관해 정리하면 수학식18과 같다.
Figure 112009046379800-PAT00050
수학식18을 수학식17에 대입하여 ρ2에 관해 정리하면 수학식19와 같다.
Figure 112009046379800-PAT00051
수학식19의 ρ2는 세탁물이 없는 곳의 밀도이므로 ρ2는 0에 근사할 수 있다.
이를 통해 수학식18을 전체면적에서 세탁물이 존재하는 부분의 비율(D)에 관해 정리를 하면, 수학식20과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009046379800-PAT00052
수학식20에서 얻은 D를 수학식21에 대입하면, 전체 세탁물의 질량밀도(σ)를 얻을 수 있다.
한편, 추정된 세탁물의 질량(m)은 부피(ν)와 전체 질량밀도(σ)의 곱으로 수학식21과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009046379800-PAT00053
도 9(b)는 가정된 세탁물의 부피를 펼친 그림이다. 수학식21을 이용하여 도 9(b)와 같은 부피의 질량을 수학식22로 표현할 수 있다. 하지만 실제 세탁물은 세탁조에 인가된 형태가 도 9(a)와 다르므로 이에 대해 상수(K)를 곱하여 보정하여 준다. 이때 K는, 수학식23으로 표현된 바와 같이, 세탁기의 드럼 내부에 세탁물의 존재하는 비율(D)과 세탁물의 종류에 따른 보정계수(α)에 의해 결정된다. K값은 마이크로프로세서의 연산량을 줄이기 위해, 추정된 관성모멘트에 따라 표1과 같이 정해진 값을 적용한다.
Figure 112009046379800-PAT00054
Figure 112009046379800-PAT00055
Jlaundry[kg·㎡] K
0.39＜Jlaundry＜0.43 8.3
0.43＜Jlaundry＜0.47 6.2
0.47＜Jlaundry＜0.55 5.3
0.55＜Jlaundry 5.1
세탁물
[kg]		 추정 관성 모멘트 (J[kg·㎡]) 추정 질량
[kg]		 추정 오차
[kg]
0 0.3703594 0 0
2 0.4112072 2.014654 -0.01465
3 0.452055 3.027805 -0.0278
4 0.497642 3.957523 0.042477
5 0.531252 5.058801 -0.0588
6 0.569821 6.108839 -0.10884
7 0.5987015 6.914216 0.085784
8 0.6336543 8.709131 -0.70913
9 0.668429 9.053274 -0.05327
10 0.699812 9.999476 0.000524
11 0.7320805 10.95838 0.04162
표2는 인가한 세탁물의 양에 다른 추정된 관성모멘트와 추정된 세탁물의 양을 나타낸다. 세탁물의 양이 증가함에 다라 추정되는 관성모멘트와 질량이 증가함을 알 수 있다. 그리고 추정 질량과 실제 세탁물의 양 사이의 오차는 1kg을 넘지 않는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 드럼 세탁기의 부하 추정 방법에 따른 흐름도이다.
도 2의 도 1의 드럼 세탁기의 부하 추정에 사용된 드럼 세탁기용 전동기 제어장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1의 세탁물의 관성 모멘트를 일정하게 하기 위한 전동기의 회전 속도를 산출하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 세탁물의 관성모멘트 추정 단계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 도 4의 모드Ⅰ에 따른 드럼 세탁기용 전동기의 제어 블록도이다.
도 6은 도 4의 모드Ⅱ에 따른 드럼 세탁기용 전동기의 제어 블록도이다.
도 7은 도 4의 모드Ⅲ에 따른 드럼 세탁기용 전동기의 제어 블록도이다.
도 8은 도 1의 관성모멘트 추정 단계에 대한 실험 파형도이다.
도 9는 도 1의 세탁물의 세탁부하량 추정 단계를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
10 : 속도비교기 20 : 속도제어기
30 : 전류비교기 40 : 전류제어기
50 : 인버터 60 : 전동기(PMSM)
100 : 전동기 제어장치

Claims (12)

  1. 전동기의 구동에 따른 원심력에 의한 상기 드럼에 투입된 세탁물의 관성모멘트가 일정해지는 회전속도를 산출하는 산출 단계;
    상기 전동기의 기계방정식을 이용하여 상기 세탁물의 관성모멘트를 추정하는 관성모멘트 추정 단계;
    상기 추정된 관성모멘트를 이용하여 상기 세탁물의 양(m)을 추정하는 세탁부하량 추정 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산출 단계는,
    상기 드럼의 회전시 상기 세탁물에 작용하는 원심력이 상기 세탁물에 작용하는 중력보다 적어도 클 때의 값을 회전속도로 산출하는 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 산출 단계에서,
    상기 회전 속도는 아래의 수학식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 세탁물 부착 추정 방법.
    ω≥
    Figure 112009046379800-PAT00056
    (ω:회전속도, g:중력가속도, r:드럼의 내경)
  4. 제3항에 있어서, 상기 관성모멘트 추정 단계에서,
    상기 전동기의 기계방정식은 아래의 수학식1인 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법.
    Figure 112009046379800-PAT00057
    (Te:전동기 발생토크, J:관성모멘트, B:마찰계수, ωr:전동기속도, TL:부하토크)
  5. 제4항에 있어서, 상기 관성모멘트 추정 단계는,
    드럼을 제1 회전속도(ωr1)로 제1 일정 시간(t1) 회전시키는 모드Ⅰ 진행 단계;
    상기 드럼을 상기 제1 일정 시간 이후에 제2 일정 시간(t2-t1)에 제2 회전속도(ωr1)가 되도록 일정가속도로 회전시키는 모드Ⅱ 진행 단계;
    상기 드럼을 상기 제2 일정 시간 이후에 상기 제2 회전속도로 회전시키는 모드Ⅲ 진행 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 모드Ⅰ 진행 단계에서,
    모드Ⅰ의 전동기 발생토크(Te)는,
    Figure 112009046379800-PAT00058
    (P:구동기의 극수, φf:전동기의 자속, :실제 입력 전류)이며,
    상기 전동기의 속도 변동이 거의 없고, 마찰계수를 0으로 가정하면,
    Figure 112009046379800-PAT00059
    인 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 모드Ⅱ 진행 단계에서,
    상기 제2 회전속도는 상기 제1 회전속도의 2배인 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 모드Ⅱ 진행 단계에서,
    모드Ⅱ의 전동기 발생토크(
    Figure 112009046379800-PAT00060
    )는 상기 모드Ⅰ의 전동기 발생토크의 2배인 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 모드Ⅲ 진행 단계에서,
    모드Ⅲ의 전동기 발생토크는
    Figure 112009046379800-PAT00061
    인 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 세탁물 부하 추정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 관성모멘트(J)는 마찰계수(B)가 0이라고 가정하면, 아래의 수학식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법.
    Figure 112009046379800-PAT00062
    (
    Figure 112009046379800-PAT00064
    :모드Ⅱ의 전동기 발생토크,
    Figure 112009046379800-PAT00065
    :모드Ⅱ의 평균부하토크, ωr1:모드Ⅰ에서의 전동기속도, ωr2: 모드Ⅱ에서의 전동기속도, t2-t1 : 모드Ⅱ의 시간)
  11. 제10항에 있어서, 상기 세탁부하량 추정 단계에서,
    상기 세탁물의 양은 아래의 수학식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법.
    Figure 112009046379800-PAT00066
    Figure 112009046379800-PAT00067
    Figure 112009046379800-PAT00068
    (r2:드럼의 내경, r3: 세탁물의 내경, h:드럼의 길이, ρ1:세탁물이 있는 곳 에서의 밀도, K:전동기 상수, D:세탁물이 존재하는 부분의 비율, α:보정계수, Jlaundry:세탁물에 의한 관성모멘트)
  12. 전동기의 구동에 따른 원심력에 의한 상기 드럼에 투입된 세탁물의 관성모멘트가 일정해지는 회전속도를 산출하는 산출 단계;
    상기 전동기의 기계방정식(
    Figure 112009046379800-PAT00069
    )을 이용하여 상기 세탁물의 관성모멘트를 추정하는 관성모멘트 추정 단계;
    상기 추정된 관성모멘트를 이용하여 상기 세탁물의 양을 추정하는 세탁부하량 추정 단계;를 포함하며,
    상기 회전속도는 ω≥
    Figure 112009046379800-PAT00070
    (ω:회전속도, g:중력가속도, r:드럼의 내경)으로 산출하고,
    상기 세탁부하의 관성모멘트는
    Figure 112009046379800-PAT00071
    (
    Figure 112009046379800-PAT00072
    :모드Ⅱ의 전동기 발생토크,
    Figure 112009046379800-PAT00073
    :모드Ⅱ의 평균부하토크, ωr1:모드Ⅰ에서의 전동기속도, ωr2: 모드Ⅱ에서의 전동기속도, t2-t1 : 모드Ⅱ의 시간)로 산출하고,
    상기 세탁물의 양은
    Figure 112009046379800-PAT00074
    (r2:드럼의 내경, r3: 세탁물의 내경, h:드럼의 길이, ρ1:세탁물이 있는 곳에서의 밀도, K:전동기 상수)으로 산출하는 것을 특징으로 하는 드럼 세탁기의 부하 추정 방법.
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