KR20110024770A - 3상 전동기 구동 장치 - Google Patents

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KR20110024770A
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Abstract

3상 전동기 구동 장치는 DC 전압 및 DC 전류를 제공하는 전원부, 2개의 스위칭 소자들 및 적어도 하나의 릴레이(Relay)를 포함하는 제 1 구동부, 4개의 스위칭 소자들 및 적어도 하나의 릴레이를 포함하는 제 2 구동부, 동작 모드에 따라 릴레이들을 제어하여 제 1 구동부가 승강압형 컨버터 또는 인버터로 동작하도록 제어하고 제 2 구동부가 서로 다른 위상을 가진 복수의 전류들을 생성하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

3상 전동기 구동 장치 {THREE-PHASE MOTOR DRIVING APPARATUS}
개시된 기술은 3상 전동기 구동 장치에 관한 것이다.
전동기는 전자계 현상을 이용하여 전기 에너지를 회전 또는 직선 운동 에너지로 변환시켜주는 일종의 에너지 변환 장치로서, 사용 용도, 형식, 조건, 사용 목적 등에 따라 매우 다양하게 개발되어 사용되고 있다.
최근에는 전동기로 AC 모터의 낮은 효율에 비해 고효율, 고속, 긴 수명, 저소음, 속도 제어가 용이한 구조적 특성을 가지고 있는 BLDC 모터가 많이 사용되고 있으며, 전동기 구동을 위한 전동기 구동 드라이버로 PWM(pulse width modulation)에 기반한 속도 제어 알고리즘을 많이 사용하고 있다. 이 경우, DC 링크 전압이 일정한 값을 유지하게 되므로, 전동기의 속도에 따라 가변할 수 없게 되어, 전동기의 토크 리플이 커지게 되는 문제가 있다.
실시예들 중에서, 3상 전동기 구동 장치는 DC 전압 및 DC 전류를 제공하는 전원부, 2개의 스위칭 소자들 및 적어도 하나의 릴레이(Relay)를 포함하는 제 1 구동부, 4개의 스위칭 소자들 및 적어도 하나의 릴레이를 포함하는 제 2 구동부, 및 동작 모드에 따라 상기 릴레이들을 제어하여, 상기 제 1 구동부가 승강압형 컨버터 또는 인버터로 동작하도록 제어하고, 상기 제 2 구동부가 서로 다른 위상을 가진 복수의 전류들을 생성하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
실시예들 중에서, 3상 전동기 구동 장치는 DC 전압 및 DC 전류를 제공하는 전원부, 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류를 수신하며, 동작 모드에 따라 승강압형 컨버터로 동작하여 DC 링크 전압(DC link voltage)을 조절하거나, 인버터로 동작하여 제 1 위상을 가지는 전류를 생성하는 제 1 구동부, 인버터로 동작하며, 상기 동작 모드에 따라 상기 DC 링크 전압을 수신하여 서로 다른 위상을 가지는 3개의 전류들을 생성하거나, 상기 DC 전압을 수신하여 서로 다른 위상을 가지는 2개의 전류들을 생성하는 제 2 구동부 및 상기 동작 모드에 따라, 상기 제 1 구동부를 상기 승강압형 컨버터 또는 상기 인버터로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다 른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 3상 전동기 구동 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 3상 전동기 구동 장치(1000)는 전원부(110), 제 1 구동부(120), 제 2 구동부(130), 전동기(140), 센서(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
전원부(110)는 DC 전력을 공급하며, 1 구동부(120)로 DC 전압(DC voltage) 및 DC 전류(DC current)을 제공한다. 예를 들어, 전원부(110)는 배터리, DC-DC 컨버터, 정류기, DC 전원장치와 같은 DC 전압 및 DC 전류를 제공하는 장치일 수 있다.
제 1 구동부(120)는 릴레이(Relay)와 복수의 스위칭 소자들을 포함한다. 제 1 구동부(120)는 전원부(110)로부터 DC 전압 및 DC 전류를 수신한다. 제 1 구동부(120)는 제어부(160)로부터 릴레이 제어 신호를 수신하여, 동작 모드에 따라 승강압형 컨버터 또는 인버터로 동작한다. 예를 들어, 제 1 구동부(120)는 가변 동작 모드에서 2개의 스위칭 소자들을 포함하는 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost Converter)로 동작하여 전동기(140)의 역기전력에 비례하는 DC 링크 전압(DC link voltage)을 생성한다. 제 1 구동부(120)는 고정 동작 모드에서 2개의 스위칭 소자들을 포함하는 인버터(Inverter)로 동작하여 제 1 위상을 가지는 전류를 생성한다. 여기에서, 고정 동작 모드는 전동기(140)가 일정한 속도를 유지하거나, 전동기(140)의 속도가 미리 설정된 범위 내에서 변하는 경우에 상응하고, 가변 동작 모드는 전동기(140)의 속도의 가변 범위가 미리 설정된 범위를 벗어나는 경우에 상응할 수 있다.
제 2 구동부(130)는 릴레이(Relay)와 복수의 스위칭 소자들을 포함하며, 인버터로 동작한다. 제 2 구동부(130)는 제어부(160)로부터 릴레이 제어 신호를 수신하여, 동작 모드에 따라 서로 다른 위상을 가진 2개의 전류들을 생성하거나 서로 다른 위상을 가진 3개의 전류들을 생성한다. 제 2 구동부(120)는 가변 동작 모드에서 제 1 구동부(110)로부터 DC 링크 전압을 수신하여, 스위칭 소자들의 온/오프 동작에 따라 각각 서로 다른 위상을 가지는 3 개의 전류들을 전동기(140)에 제공한다. 제 2 구동부(130)는 고정 동작 모드에서 전원부(110)로부터 DC 전압 및 DC 전류를 수신하여, 스위칭 소자들의 온/오프 동작에 따라 제 2 위상과 제 3 위상을 가지는 2개의 전류들을 전동기(140)에 제공한다. 이 경우, 제 1 구동부(120)에 의한 제 1 위상 전류와, 제 2 구동부(120)에 의한 제 2 위상 전류 및 제 3 위상 전류로 구성된 서로 다른 위상을 가진 3개의 전류들이 전동기(140)에 제공된다.
전동기(motor)(140)는 고정자(stator)와 회전자(rotator)를 포함한다. 전동기(140)의 고정자가 각각 서로 다른 위상을 가지는 3개의 전류들을 수신하면, 전동기(140)의 회전자가 회전한다.
센서(150)는 전동기(140)의 회전자의 회전 속도를 측정하여 제어부(160)에 전달한다.
제어부(160)는 동작 모드에 따른 릴레이 제어 신호를 생성하여 제 1 구동부(120)에 전달함으로써, 제 1 구동부(120)가 동작 모드에 따라 승강압형 컨버터 또는 인버터로 동작하도록 제어한다. 또한, 제어부(160)는 동작 모드에 따른 릴레이 제어 신호를 생성하여 제 2 구동부(130)에 전달하여, 제 2 구동부(130)가 동작 모드에 따라 2개의 전류들을 생성하거나, 3개의 전류들을 생성할 수 있도록 제어한다.
제어부(160)는 전동기(140)를 구성하는 회전자의 회전 속도 및 전동기(140)에 공급되는 전류들의 값에 기초하여, PWM 신호들(pulse-width modulation signals)을 생성한다. 제어부(160)는 PWM 신호들을 제 1 구동부(110) 및 제 2 구동기(120)에 인가하여, 제 1 구동부(110) 및 제 2 구동부(120)에 포함된 스위칭 소자들의 온/오프를 제어함으로써 전동기(140)에 서로 다른 위상을 가지는 3개의 전류들이 공급될 수 있도록 한다.
도 2는 도 1의 제 1 구동부 및 제 2 구동부의 일 예를 나타내는 회로도이다.
먼저 도 2를 참조하여, 3상 전동기 구동 장치(1000)의 가변 동작 모드에서의 동작을 설명하기로 한다.
제어부(260)는 가변 동작 모드에서 Ry1, Ry2, Ry3, Ry4를 생성하여, 제 1 릴레이(Relay 1) 및 제 2 릴레이(Relay 2)를 개방시켜 제 1 구동부(210)가 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)로 동작하도록 제어하고, 제 3 릴레이(Relay 3)를 개방시키고 제 4 릴레이(Relay 4)를 단락시켜 제 2 구동부(230)가 4개의 스위칭 소자들(S3, S4, S5, S6)을 가지는 스위칭 인버터로 동작하도록 제어한다.
제어부(260)는 센서(250)로부터 전동기(240)를 구성하는 회전자(rotator)의 측정된 속도(measured speed)를 수신하고, 제 1 구동부(220)로부터 DC 링크 전 압(VDCL)을 수신한다. 제어부(260)는 측정된 속도를 이용하여 전동기(240)의 역기전력을 계산하고, DC 링크 전압(VDCL)이 역기전력보다 큰 값을 유지하면서 변할 수 있도록 스위칭 신호들(switching signals)을 생성하여 제 1 구동부(220)에 인가한다.
제 1 구동부(220)는 전원부(210)로부터 DC 전압 및 DC 전류를 수신하고, 가변 동작 모드에서 제어부(260)의 제어에 따라 벅-부스트 컨버터로 동작한다. 제 1 구동부(220)는 전원부(210)로부터 수신된 DC 전압이 DC 링크 전압(VDCL)보다 낮으면, 부스트 모드(boost mode)로 동작하여, DC 링크 전압(VDCL)을 높인다. 부스트 모드에서, 스위치 S1은 항상 온(ON) 상태를 유지하고, 스위치 S2가 스위칭 신호(switching signal)에 따라 펄스 폭 변조를 수행한다. 제 1 구동부(220)는 전원부(210)로부터 수신된 DC 전압이 DC 링크 전압(VDCL)보다 높으면, 벅 모드(buck mode)로 동작하여, DC 링크 전압(VDCL)을 낮춘다. 벅 모드에서, 스위치 S2는 오프(off)되고, 스위치 S1은 스위칭 신호(switching signal)에 따라 펄스 폭 변조(pulse-width modulation)를 수행한다. 이를 통해, 제 1 구동부(220)는 DC 링크 전압(VDCL)을 전동기(240)에서 발생되는 역기전력에 비례하여 제어할 수 있으며, 전동기(240)의 토크 리플을 줄일 수 있다.
제 2 구동부(230)는 가변 동작 모드에서 4 개의 스위칭 소자들(S3, S4, S5, S6)을 포함하는 스위칭 인버터로 동작한다. 제 2 구동부(230)는 제 1 구동부(220)로부터 DC 링크 전압(VDCL)을 수신하고, 제어부(260)로부터 PWM 신호들(pulse-width modulation signals)를 수신한다. 제 2 구동부(230)의 4개의 스위칭 소자들(S3, S4, S5, S6)은 PWM 신호들에 따라 온/오프 동작을 반복하여, 서로 다른 위상을 가지는 3개의 전류들(Ia, Ib, Ic)를 생성한다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 3상 전동기 구동 장치(1000)의 고정 동작 모드에서의 동작을 설명하기로 한다.
제어부(260)는 고정 동작 모드에서 제어 신호 Ry1, Ry2, Ry3, Ry4를 생성하여, 제 1 릴레이(Relay 1), 제 2 릴레이(Relay 2) 및 제 3 릴레이(Relay 3)를 단락시키고, 제 4 릴레이(Relay 4)를 개방시켜서, 제 1 구동부(220)와 제 2 구동부(230)가 6 개의 스위칭 소자들(S1, S2, S3, S4, S5, S6)을 가지는 스위칭 인버터로 동작할 수 있도록 제어한다.
제 1 구동부(220)는 고정 동작 모드에서 제어부(260)의 제어에 따라 2개의 스위칭 소자들(S1, S2)을 가지는 스위칭 인버터로 동작한다. 제 1 구동부(220)는 전원부(210)로부터 DC 전압 및 DC 전류를 수신하고, 제어부(260)로부터 PWM 신호들(pulse-width modulation signals)을 수신한다. 제 1 구동부(220)의 2개의 스위칭 소자들(S1, S2)들은 PWM 신호들에 따라 온/오프 동작을 반복하여, 제 1 페이즈 전류(Ic)를 생성한다.
제 2 구동부(230)는 고정 동작 모드에서 4 개의 스위칭 소자들(S3, S4, S5, S6)을 가지는 스위칭 인버터로 동작한다. 제 2 구동부(230)는 전원부(210)로부터 DC 전압 및 DC 전류를 수신하고, 제어부(260)로부터 PWM 신호들을 수신한다. 제 2 구동부(230)의 4개의 스위칭 소자들(S3, S4, S5, S6)은 PWM 신호들에 따라 온/오프 동작을 반복하여, 제 2 페이즈 전류(Ia) 및 제 3 페이즈 전류(Ib)를 생성한다.
제어부(260)는 전동기(240)를 구성하는 회전자(rotator)의 회전 속도 및 전류(Ia, Ib, Ic)에 기초하여, 제 1 구동부(220) 및 제 2 구동부(230)를 구성하는 스위칭 소자들(S1, S2, S3, S4, S5, S6)의 온/오프를 제어한다. 구체적으로, 제어부(260)는 요구된 속력(commanded speed)과 전동기(240)의 회전자(rotator)의 측정된 속력(measured speed) 간의 차이인 오차(error)를 계산하고, PI 컨트롤러(Proportional-Integral Controller)를 사용하여 오차에 상응하는 전류 기준값(current reference value)을 생성한다. 제어부(260)는 기준 전류 값과 제 2, 제 3 페이즈 전류 값(Ia, Ib)간의 차이를 기초로, PWM 신호들을 생성한다. 제어부(260)는 PWM 신호들을 제 1 구동부(220)와 제 2 구동부(230)에 인가하여, 6개의 스위칭 소자들(S1, S2, S3, S4, S5, S6)의 온/오프를 제어한다.
전동기(motor)(240)는 고정자(stator)와 회전자(rotator)를 포함한다. 전동기(240)의 고정자가 제 1 내지 제 3 페이즈 전류(Ia, Ib, Ic)를 수신하면, 전동기의 회전자가 회전한다.
센서(250)는 전동기(240)의 회전자의 회전 속도를 검출하여 제어부(260)에 전달한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
일 실시예에 따른 3상 전동기 구동 장치는 속도의 가변 범위가 적거나 일정한 속도에서 운용되는 응용 분야에서는 6개의 스위치를 포함하는 인버터 동작하고, 속도의 가변 범위가 큰 응용 분야에서는 2개의 스위치를 포함하는 승강압형 컨버터와 4개의 스위치를 포함하는 인버터로 동작하여 토크 리플을 줄일 수 있는 효과가 있다.
일 실시예에 따른 3상 전동기 구동 장치는 6개의 스위치들을 사용하여, 직류 링크 전압 가변형 및 고정형, 전동기의 4 스위치 구동형 및 6 스위치 구동형을 모두 구성할 수 있으므로, 3상 전동기의 범용 인버터의 기능을 크게 증가시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 3상 전동기 구동 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 제 1 구동부 및 제 2 구동부의 일 예를 나타내는 회로도이다.

Claims (12)

  1. DC 전압 및 DC 전류를 제공하는 전원부;
    2개의 스위칭 소자들 및 적어도 하나의 릴레이(Relay)를 포함하는 제 1 구동부;
    4개의 스위칭 소자들 및 적어도 하나의 릴레이를 포함하는 제 2 구동부; 및
    동작 모드에 따라 상기 릴레이들을 제어하여, 상기 제 1 구동부가 승강압형 컨버터 또는 인버터로 동작하도록 제어하고, 상기 제 2 구동부가 서로 다른 위상을 가진 복수의 전류들을 생성하도록 제어하는 제어부를 포함하는 3상 전동기 구동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    가변 동작 모드에서, 상기 제 1 구동부에 포함된 상기 릴레이를 제어하여 상기 제 1 구동부를 승강압형 컨버터로 동작하도록 제어함으로써, 상기 제 2 구동부로 입력되는 DC 링크 전압(DC link voltage)을 전동기에서 발생되는 역기전력에 따라 조절하는 것을 특징으로 하는 3상 전동기 구동 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    고정 동작 모드에서, 상기 제 1 구동부에 포함된 상기 릴레이를 제어하여 상기 제 1 구동부를 인버터로 동작하도록 제어함으로써, 상기 제 1 구동부가 전동기 에 공급되는 전류를 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 3상 전동기 구동 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 제 2 구동부에 포함된 상기 릴레이를 제어하여, 동작 모드에 따라 2개의 서로 다른 위상을 가진 전류들 또는 3개의 서로 다른 위상을 가진 전류들을 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 3상 전동기 구동 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 승강압형 컨버터는
    벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)인 것을 특징으로 하는 3상 전동기 구동 장치.
  6. DC 전압 및 DC 전류를 제공하는 전원부;
    상기 DC 전압 및 상기 DC 전류를 수신하며, 동작 모드에 따라 승강압형 컨버터로 동작하여 DC 링크 전압(DC link voltage)을 조절하거나, 인버터로 동작하여 제 1 위상을 가지는 전류를 생성하는 제 1 구동부;
    인버터로 동작하며, 상기 동작 모드에 따라 상기 DC 링크 전압을 수신하여 서로 다른 위상을 가지는 3개의 전류들을 생성하거나, 상기 DC 전압을 수신하여 서로 다른 위상을 가지는 2개의 전류들을 생성하는 제 2 구동부; 및
    상기 동작 모드에 따라, 상기 제 1 구동부를 상기 승강압형 컨버터 또는 상기 인버터로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함하는 3상 전동기 구동 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 구동부는 2개의 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 제 2 구동부는 4개의 스위칭 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 전동기 구동 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부의 제어에 따라, 상기 제 1 구동부가 승강압형 컨버터 또는 인버터 중 어느 하나로 동작할 수 있도록 스위칭하는 릴레이(Relay)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 전동기 구동 장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 구동부는
    가변 동작 모드에서 승강압형 컨버터로 동작하여, 전동기에서 발생되는 역기전력이 낮은 경우에는 상기 DC 링크 전압을 낮추고, 상기 전동기에서 발생되는 역기전력이 높은 경우에는 상기 DC 링크 전압을 높이는 것을 특징으로 하는 3상 전동기 구동 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 구동부는
    가변 동작 모드에서 상기 승강압형 컨버터에 의해 조절된 상기 DC 링크 전압을 수신하고, 서로 다른 위상을 가지는 상기 3개의 전류들을 생성하는 것을 특징으로 하는 3상 전동기 구동 장치.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 구동부는
    고정 동작 모드에서 인버터로 동작하며, 상기 DC 전압을 수신하여 상기 제 1 위상을 가지는 전류를 생성하고,
    상기 제 2 구동부는
    고정 동작 모드에서 상기 DC 전압을 수신하여, 서로 다른 위상을 가지는 상기 2개의 전류들을 생성하는 것을 특징으로 하는 3상 전동기 구동 장치.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 승강압형 컨버터는
    벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)인 것을 특징으로 하는 3상 전동기 구동 장치.
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