KR20110090546A - 냉장고 및 냉장고의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 실시예는 냉장고에 관련된 것이다.
본 실시예에 따른 냉장고는, 냉매를 압축하는 압축 기구와, 상기 압축 기구를 동작시키며 고정자 및 상기 고정자에 대하여 회전되는 회전자가 구비되는 전동기를 포함하는 압축기; 다수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의하여 일정 주파수 및 일정 크기의 교류 형태의 출력 전원을 공급하여 상기 전동기를 구동시키는 인버터; 및 상기 전동기에 입력되는 상기 출력 전류에 기초하여, 상기 전동기의 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 추정 위치 정보를 추정하는 추정부와, 상기 회전자의 위치에 따른 전기각 또는 기계각의 위상이 출력 전류에 따른 선형 또는 비 선형화된 도표로 형성되는 상기 회전자의 설정 위치 정보가 저장되는 저장부를 포함하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 전동기가 기설정된 제1구동 주파수 구간의 구동 주파수로 구동되는 제1구동 단계 및 속도 지령 및 상기 전동기에 공급되는 출력 전류의 크기에 따른 제2구동 주파수 구간의 상기 구동 주파수로 구동되는 제2구동 단계로 구동되도록 하며, 상기 설정 위치 정보와 상기 추정 위치 정보의 차이가 기설정된 크기 이하인 경우, 상기 제1구동 단계에 의한 상기 전동기의 제어를 종료하고, 상기 제2구동 단계에 의한 상기 전동기의 제어를 개시하는 것을 특징한다.

Description

냉장고 및 냉장고의 제어방법{Refrigerator and controlling method thereof}
본 발명은 냉장고에 관한 것이다.
냉장고는 음식물을 냉장 또는 냉동 보관하기 위한 가전 기기이다.
일반적으로 냉장고는 냉매가 압축, 응축, 팽창, 증발하는 냉동사이클을 반복하면서 냉동실 또는 냉장실을 저온화시켜 음식물을 일정기간 동안 신선하게 보관할 수 있는 장치이다.
이와 같은 냉장고는 냉매를 고온고압의 기체냉매로 압축시키는 압축기와, 압축기를 통과한 냉매를 고온고압의 액체냉매로 응축시키는 응축기와, 응축기를 통과한 냉매를 저온저압의 액체냉매로 감압시키는 팽창밸브와, 팽창 밸브를 통과한 냉매를 저온저압의 기체냉매로 증발시키면서 냉동실 또는 냉장실 내부의 열을 흡수하여 냉동실 또는 냉장실 내부의 온도를 저온으로 유지시키는 증발기를 기본부품으로 하는 냉동사이클로 구성된다.
이때, 압축기는 냉매의 압축을 위하여, 압축력을 제공하기 위하여 회전력을 제공하는 전동기가 구비될 수 있으며, 상기 전동기에 입력되는 전류를 제어하기 위한 인버터를 더 포함될 수 있다.
상기 전동기에는 고정자 및 상기 고정자에 대하여 회전되는 회전자가 구비되며, 상기 전동기를 구동시키기 위한 상기 인버터가 구비되는 경우, 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 상대 위치를 검출하여, 상기 상대 위치에 대응되는 상의 상기 전류가 입력된다.
상기 상대 위치는 상기 회전자의 물리적인 위치를 검출하기 위한 홀 센서(hole sensor)에 의하여 검출되거나, 별도의 상기 센서 없이 상기 전동기에 입력되는 전류값에 기초 상기 회전자의 위치가 추정되어 검출될 수 있으며, 상기 검출된 위치 값 및 상기 모터에 대한 속도 지령에 기초하여, 상기 전동기를 제어하게 된다.
이때, 상기 회전자의 상기 상대 위치를 별도의 센서 없이 검출하는 구동을 센서리스(Sensorless) 구동이라 한다.
다만, 상기 센서리스 구동과정에서 상기 회전자의 추정 위치와 실제 위치 사이에는 일정 크기의 오차가 발생하게 되며, 상기 오차가 발생하게 된 상태에서, 상기 전동기에 상기 추정 위치에 기초한 상기 전류가 입력되는 경우, 상기 전동기의 회전 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 실시예의 목적은 전동기에 별도의 회전자 위치 검출 센서없이 구동되는 센서리스 구동 과정에서, 상기 회전자의 추정 위치와 실제 위치 사이의 오차가 최소화되도록 하는 냉장고 및 냉장고의 제어방법을 제안하는 것에 있다.
또한, 상기 회전자의 추정 위치와 실제 위치 사이의 오차가 최소화됨에 따라서, 상기 전동기의 구동 효율이 상승되는 냉장고를 제안하는 것에 있다.
본 실시예의 일 측면에 따른 냉장고는, 냉매를 압축하는 압축 기구와, 상기 압축 기구를 동작시키며 고정자 및 상기 고정자에 대하여 회전되는 회전자가 구비되는 전동기를 포함하는 압축기; 다수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의하여 일정 주파수 및 일정 크기의 교류 형태의 출력 전원을 공급하여 상기 전동기를 구동시키는 인버터; 및 상기 전동기에 입력되는 상기 출력 전류에 기초하여, 상기 전동기의 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 추정 위치 정보를 추정하는 추정부와, 상기 회전자의 위치에 따른 전기각 또는 기계각의 위상이 출력 전류에 따른 선형 또는 비 선형화된 도표로 형성되는 상기 회전자의 설정 위치 정보가 저장되는 저장부를 포함하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 전동기가 기설정된 제1구동 주파수 구간의 구동 주파수로 구동되는 제1구동 단계 및 속도 지령 및 상기 전동기에 공급되는 출력 전류의 크기에 따른 제2구동 주파수 구간의 상기 구동 주파수로 구동되는 제2구동 단계로 구동되도록 하며, 상기 설정 위치 정보와 상기 추정 위치 정보의 차이가 기설정된 크기 이하인 경우, 상기 제1구동 단계에 의한 상기 전동기의 제어를 종료하고, 상기 제2구동 단계에 의한 상기 전동기의 제어를 개시하는 것을 특징한다.
본 실시예의 일 측면에 따른 냉장고의 제어방법은 전동기가 기설정된 제1구동 주파수 구간의 구동 주파수로 구동되는 제1구동 단계; 상기 전동기가 속도 지령 및 상기 전동기에 공급되는 출력 전류의 크기에 기초하는 제2구동 주파수 구간의 상기 구동 주파수로 구동되는 제2구동 단계; 제어부가, 상기 전동기에 입력되는 상기 출력 전류에 기초한 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 추정 위치 정보 및 상기 회전자의 위치가 상기 출력 전류에 따른 선형 또는 비 선형화된 테이블로 형성되어 저장된 상기 회전자의 설정 위치 정보를 비교하여, 상기 전동기의 상기 제1구동 단계에서 상기 제2구동 단계로의 전환 시점을 판단하는 단계; 및 상기 전동기의 구동 단계가 상기 제1구동 단계에서 상기 제2구동 단계로 전환되는 단계를 포함한다.
제안되는 실시예에 의하면, 압축기의 압축 동작을 수행하는 전동기의 상기 회전자 및 상기 고정자의 정렬 위치가 회전 효율이 최대로 되는 지점에 정렬되어, 회전 동작됨에 따라서, 전동기의 회전 구동 효율이 극대화될 수 있는 장점이 있다.
또한, 전동기의 상기 회전자가 저속으로 회전되는 제1구동 단계 및 상기 제1구동 단계에 의하여 상기 회전자의 구동이 원활하게 수행된 다음 수행되는 제2구동 단계에 의하여 회전 구동됨에 따라서, 전동기의 회전 효율이 극대화된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉장고 구성을 보여주는 사시도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉동 싸이클의 구성을 보여주는 도면.
도 4는 본 실시예에 따른 냉장고의 전동기의 구동 구성을 보여주는 도면.
도 5은 도 4의 제어부의 구성을 보여주는 도면.
도 6는 본 실시예에 따른 전동기의 구동 단계를 보여주는 도면.
도 7은 본 실시예에 따른 냉장고의 전동기의 구동 방법을 보여주는 플로우 차트.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉장고 구성을 보여주는 사시도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉동 싸이클의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉장고(1)에는, 냉장실(20) 및 냉동실(30)을 형성하는 본체(10)가 포함된다. 상기 냉장실(20)은 상기 냉동실(30)의 상측에 제공되며, 냉장실(20)과 냉동실(30)은 구획벽(17)에 의하여 구획된다.
상기 냉장고(1)에는, 냉장실(20) 및 냉동실(30)을 각각 선택적으로 차폐하는 냉장실 도어(11,12) 및 냉동실 도어(15)가 더 포함된다. 냉장실 도어(11,12)는 본체(10)에 회동 가능하게 결합되며, 냉동실 도어(15)는 냉동실(30)의 전방으로 인출 가능하게 제공된다.
본체(10)의 후방 하부에는, 냉동 사이클을 구성하는 다수의 구성들이 수용되는 기계실(35)이 형성된다.
기계실(35)에는, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기(60)와, 압축기(60)에서 토출된 냉매를 응축시키는 응축기(70) 및 응축 팬(72)과, 응축기(70)를 통과한 냉매를 저온 저압의 냉매로 감압시키는 팽창 장치(80)가 포함된다.
그리고, 기계실(35)의 상측에는, 팽창 장치(80)를 통과한 냉매를 증발시켜 냉기가 생성되도록 하는 증발기(90)가 제공된다. 증발기(90)는 상기 냉동실(30)의 후측 공간에 배치된다.
한편, 압축기(60)는 냉매(R)를 기설정된 압력으로 압축시키는 압축 기구(미도시) 및 상기 압축 기구를 구동시키기 위한 전동기(110)(도 4참조)를 포함한다.
본 실시예에 따른 상기 압축 기구는 일례로 피스톤과 같은 왕복운동 기구일 수 있다.
그리고, 전동기(110)는 상기 고정자와 회전자를 구비하며, 각상의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상의 교류 전원 또는 직류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다. 전동기(110)의 종류로는 BLDC(blushless DC) 전동기, synRM(Synchronous Reluctance Motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
한편, 본 실시예에 따른 상기 냉장고는 전동기(110)를 구동시키기 위한 전동기 구동장치(100)를 포함한다. 이하에서는 전동기 구동장치(100)의 구성을 상세하게 설명한다.
도 4는 본 실시예에 따른 냉장고의 전동기의 구동 구성을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 도 2의 전동기 구동장치(100)는, 컨버터(140), 인버터(130), 제어부(120), 입력전류 검출부(n1), 및 출력전류 검출부(n2~n4)를 포함한다. 또한, 도 4의 전동기 구동장치(100)는 리액터(L), 평활 커패시터(C), dc 단 전압 검출부(B) 등을 더 포함할 수도 있다.
리액터(L)는, 일례로 130V-60Hz의 교류 전원이 입력되는 전원부(150)와 컨버터(140) 사이에 배치되어, 역률 보정 또는 승압동작을 수행한다. 또한, 리액터(L)는 컨버터(140)의 고속 스위칭에 의한 고조파 전류를 제한하는 기능을 수행할 수도 있다.
입력전류 검출부(n1)는 전원부(150)으로부터 입력되는 입력전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
검출되는 입력전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 입력전압(vs)의 추정 및 컨버터 스위칭 제어신호(S1)의 생성을 위해, 제어부(120)에 입력될 수 있다.
컨버터(140)는 리액터(L)를 거친 전원부(150)를 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 도면에서는 전원부(150)를 단상 교류 전원으로 도시하고 있으나, 3상 교류 전원일 수도 있다.
전원부(150)의 종류에 따라 컨버터(140)의 내부 구조도 달라진다. 예를 들어, 단상 교류 전원인 경우, 2개의 스위칭 소자 및 4개의 다이오드가 연결된 하프 브릿지형의 컨버터가 사용될 수 있으며, 3상 교류 전원의 경우, 6개의 스위칭 소자 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다.
컨버터(140)는 스위칭 소자를 구비하여, 스위칭 동작에 의해, 승압 동작, 역률 개선 및 직류전원 변환을 수행한다. 한편, 컨버터(140)는 다이오드 등으로 이루어져 별도의 스위칭 동작 없이 정류 동작을 수행할 수도 있다.
평활 커패시터(C)는 컨버터(140)의 출력단에 접속된다. 컨버터(140)로부터 출력되는 변환된 직류 전원을 평활하게 된다.
이하에서는 컨버터(140)의 출력단을 dc 단 또는 dc 링크단이라고 한다. dc 단에서 평활된 직류 전압은 인버터(130)에 인가된다.
dc 단 전압 검출부(n5)는 평활 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(n5)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 입력전압(vs)의 추정 및 컨버터 스위칭 제어신호(S2)의 생성을 위해, 제어부(120)에 입력될 수 있다.
인버터(130)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원을 소정 주파수의 3상 교류 전원으로 변환하여, 전동기(110)에 출력한다.
이때, 전동기(110)는 3상의 교류 전원이 입력되는 3개의 코일이 Y-결선된 3상 전동기로 구비될 수 있다.
인버터(130)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍으로 연결되어 구성된다. 그리고, 총 세 쌍의 상함 및 하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
그리고, 인버터(130)에 구비되는 다수의 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)들은 제어부(120)로부터의 인버터 스위칭 제어 신호(S1)에 기초하여, 온/오프 동작을 수행하여, 소정의 주파수를 갖는 3상의 전원을 전동기(110)에 출력한다.
이때, 제1 내지 제3상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 제1 내지 제3하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c) 사이에는 각각 전동기(110)의 제1 내지 제3상의 코일(L)에 연결되는 제1 내지 제3연결 노드(n6)가 구비되며, 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)들의 스위칭 온/오프 동작에 의하여 상기 3상의 전원이 전동기(110)에 입력되도록 한다.
그리고, 제어부(120)는 인버터(130)에 대하여 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)들의 온/오프 동작을 제어하기 위한 인버터 스위칭 제어 신호(S1)를 출력한다.
이때, 제어부(120)는 전동기(110)의 구동 상태에 따라서, 다수의 구동 단계에 따른 다수의 인버터 스위칭 제어 신호(S1)를 출력한다.
한편, 제1 내지 제3하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)의 타측에는 각각 제1 내지 3 션트 저항(R1,R2,R3)가 구비된다.
전동기(110)의 구동 단계는 전동기(110) 내부의 상기 회전자를 정렬시키기 위한 초기 정렬 단계와, 상기 초기 정렬 단계가 수행된 다음, 상기 회전자를 회전 구동시키기 위한 제1구동 단계와, 상기 제1구동 단계가 수행된 다음, 어느 일정한 속도 지령 및 전동기(110)에 출력되는 상기 3상의 전원에 따른 출력 전류(io)의 주파수 및 위상각을 피드백 받아, 상기 피드백 받은 정보에 따른 인버터 스위칭 제어 신호(S1)를 출력하는 제2구동 단계를 포함한다.
상기 초기 정렬 단계에서는 전동기(110)의 회전 동작이 개시되는 시점에서, 상기 회전자의 초기 위치를 정렬하기 위하여, 제어부(120)는 인버터(130)로부터 전동기(110)의 Y결선된 3상 회로에 일정 크기의 직류 전압을 인가하여, 상기 회전자가 전동기(110) 내부에서 특정 위치에 위치될 수 있도록 한다.
그 다음, 상기 초기 정렬 단계가 수행된 다음, 기설정된 주파수로 상기 회전자를 회전 구동시키는 상기 제1구동 단계가 수행되며, 상기 회전자가 기설정된 이상의 속도로 회전 구동되면, 제어부(1200)는 전동기(110)를 상기 제2구동 단계로 구동하게 된다.
이하에서는 상기 제2구동 단계의 동작 구성을 상세하게 설명한다.
먼저, 각각의 상에 연결되는 출력전류 검출부(n2,n3,n4)는, 인버터(130)와 3상 전동기(110) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 전동기(110)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(n2,n3,n4)는 각 상의 출력전류를 모두 검출할 수 있으며, 또는 3상 평형을 이용하여 한 상 또는 두 상의 출력전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(n2,n3,n4)는 인버터(130)와 전동기(110) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 션트 저항은 인버터(130)의 3개의 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)에 일단이 각각 접속될 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어부(120)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여, 입력전류를 추정하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 검출된 출력전류(io)는, 인버터 스위칭 제어신호(S1)의 생성에 사용될 수도 있다.
제어부(120)는, 출력 전류 검출부(n2,n3,n4)에서 검출된 출력전류(io)에 기초하여 전동기(110)의 위치, 즉 전동기(110)의 회전자의 위치를 추정할 수 있으며, 또한, 전동기(110)의 회전 속도를 산출할 수 있다. 또한, 이와 같이 추정된 위치 및 회전 속도를 기반으로 하여, 속도 지령에 따라 전동기(110)가 구동되도록 여러 제어 동작을 수행하여, 펄스폭이 가변되는 인버터 스위칭 제어 신호(S1)를 생성하여 출력한다.
이와 같이, 별도의 전동기 위치 검출 소자 등을 사용하지 않고, 출력 전류를 검출하고, 출력 전류에 따라 전동기(110)의 위치 및 속도를 추정하고, 추정된 속도가 속도 지령에 추종하도록 피드백 제어를 하는 것을 센서리스 알고리즘(sensor algorithm)에 의한 제어라 하며, 상기 센서리스 알고리즘 제어에 의한 전동기(110)의 구동 단계를 본 실시예에 따른 상기 제2구동 단계라 한다.
이러한 센서리스 알고리즘에 의한 제어 동작, 즉 상기 제2구동 단계에 의한 구동은, 전동기(110)의 초기 기동시에는 수행되지 않다가, 전동기(110)의 회전 속도가 소정치 이상되는 경우부터 수행되는 것이 가능하다.
즉, 상기 제1구동 단계로 전동기(110)가 구동된 다음, 전동기(110)의 회전 속도가 일정 크기 이상이 되는 경우에, 상기 제2구동 단계가 수행될 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 인버터(130)의 스위칭 동작을 제어한다. 이를 위해, 제어부(120)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받아, 인버터 스위칭 제어신호(S1)를 생성하여 이를 인버터(130)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(S1)는 PWM(pulse width modulation)용 스위칭 제어신호일 수 있다.
제어부(120) 내의 인버터 스위칭 제어신호(S1)의 출력에 대한 상세 동작은 도 3을 참조하여 후술한다.
한편, 제어부(120)는, 컨버터(140)의 스위칭 동작도 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(120)는, dc 단 전압 검출부(B)에서 검출되는 dc 단 전압(Vdc)을 입력받아, 컨버터 스위칭 제어신호(S2)를 생성하여 이를 컨버터(140)에 출력할 수 있다. 컨버터 스위칭 제어신호(S2)는 PWM용 스위칭 제어신호일 수 있다.
한편, 제어부(120)는, 컨버터(140)의 스위칭 동작도 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(120)는, dc 단 전압 검출부(B)에서 검출되는 dc 단 전압(Vdc)을 입력받아, 컨버터 스위칭 제어신호(S2)를 생성하여 이를 컨버터(140)에 출력할 수 있다. 컨버터 스위칭 제어신호(S2)는 PWM용 스위칭 제어신호일 수 있다.
이하에서는 제어부(120)의 구성을 상세하게 설명한다.
도 5은 도 4의 제어부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제어부(120)는, 추정부(121), 전류 지령 생성부(122), 전압 지령 생성부(124), 토크 보상부(123), 스위칭 제어신호 출력부(125) 및 비교부(126)를 포함한다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 3상의 출력전류(io)를 d축, q축 전류로 변환하거나 d축, q축 전류를 3상의 전류로 변환하는 축 변환부를 더 포함할 수도 있다.
추정부(121)는 검출된 출력전류(io)에 기초하여 전기각 또는 기계각의 위상에 따른 상기 회전자의 위치 정보(v)를 추정한다. 예를 들어, 전동기(110)의 기계 방정식 및 전기 방정식을 서로 비교하여, 그에 따라 상기 회전자의 위치 정보(v) 및 전동기(110)의 회전 속도를 추정할 수 있다. 즉, 상기 회전자의 위치 정보(v)를 추정함으로써, 위치 정보(v)의 위치 변화에 따라서 전동기(110)의 회전 속도를 추정할 수 있게 된다.
이때, 추정부(121)에 의하여 추정되는 전동기의 회전 속도 및 위치 정보(v)를 추정 위치 정보(v2)라고 한다.
이러한 상기 회전자의 위치를 이용하여 전동기(110)의 전기각, 또는 기계각을 추정할 수 있다. 통상 기계각과 전기각의 관계는, 기계각의 주기가 전기각에 비해 전동기(110)의 극수/2 배의 관계를 가진다.
Figure pat00001
여기서, θMe는 기계각을 나타내며, θe는 전기각을 나타낸다. 예를 들어, 전동기(110)의 극수가 6극인 경우, θMe = 3θe 의 관계를 가지며, 전동기(110)의 극수가 4극인 경우, θMe = 2θe 의 관계를 가진다.
즉, 전동기(110)의 극수가 6극인 경우, 기계각(θMe) 360˚ 내에서, 120˚ 주기의 전기각(θe)이 3개가 대응되게 되며, 전동기(110)의 극수가 4극인 경우, 기계각(θMe) 360˚ 내에서, 180˚ 주기의 전기각(θe)이 2개가 대응되게 된다.
전류 지령 생성부(122)는 상기 제1구동 단계, 즉 상기 센서리스 제어 단계의 전 제어단계에서는, 추정 회전 속도(v2)를 제외한 속도 지령치(v*)에 기초하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성한다. 그리고, 상기 제2구동 단계, 즉 센서리스 제어 단계에서, 추정 회전 속도(v2)와 속도 지령치(v*)에 기초하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성한다.
상기 제2구동 단계에서는, 예를 들어, 전류 지령 생성부(122)는, 추정 위치 정보(v)에 따른 상기 추정 속도와 속도 지령치(v*)의 차이에 기초하여, PI 제어를 수행하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 전류 지령 생성부(122)는 PI 제어기(미도시)를 구비할 수 있다. 또한, 전류 지령치(i* d,i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
전압 지령 생성부(124)는 상기 제1구동 단계, 즉 상기 센서리스 제어 단계의 전 제어단계에서는, 연산된 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 그리고, 상기 제2구동 단계, 즉 센서리스 제어 단계에서, 검출된 출력전류(io)와 연산된 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다.
상기 제2구동 단계에서는, 예를 들어, 전압 지령 생성부(124)는, 검출된 출력전류(io)와 연산된 전류 지령치(i* d,i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어를 수행하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 전압 지령 생성부(124)는 PI 제어기(미도시)를 구비할 수 있다. 또한, 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
토크 보상부(123)는, 추정부(110)에서 추정되는 기계각(θM) 중 일정 속도 지령(v*)에 또는 속도 지령(v*)과 소정 범위 내의 기준 속도에 대응하는 제1 및 제2 기계각(θMe1,θMe2)을 순차적으로 검출하고, 검출된 제1 및 제2 기계각(θMe1,θMe2)에 기초하여 최대 속도 기계각(θM)을 산출하며, 복수의 부하 토크 패턴 중 최대 속도 기계각(θM)에 따라 속도 리플이 최소가 되는 최적의 부하 패턴 테이블을 선정한다.
그리고, 토크 보상부(123)는, 부하 토크로 인한 일정 속도 운전시의 속도 리플을 보상하도록, 산출된 최대 속도 기계각(θM)에 따라 보상 전류 지령치(i* c)를 생성하여 출력함으로써, 상기 속도 리플을 보상할 수 있다.
한편, 비교부(126)에는 속도 지령치(v*)에 대응하여, 저장부(127)에 테이블(Table)화되어 저장된 상기 회전자의 설정 위치 정보(v1)와, 추정부(121)에서 추정된 추정 위치 정보(v2)가 입력되어 비교된다.
즉, 설정 위치 정보(v1)는 상기 제1구동 단계에 따라서 전동기(110)가 구동되는 경우, 상기 회전자의 위치에 따른 전기각 또는 기계각의 위상을 나타내는 것으로서, 일례로 상기 출력 전류(io)에 따른 선형 또는 비 선형화된 도표로, 상기 저장부에 저장될 수 있다.
그리고, 비교부(126)는 설정 위치 정보(v1)와 추정 위치 정보(v2)를 비교함으로써, 상기 제1구동 단계에서 상기 제2구동 단계로의 전환 여부를 결정한다.
이하에서는 전동기(110)의 구동 단계를 상세하게 설명한다.
도 6은 본 실시예에 따른 전동기의 구동 단계를 보여주는 도면이다.
도 6에서는 전동기(110)에 인가되는 3개의 상중 어느 하나의 상에 대한 전류 변화값을 보여준다.
본 실시예에 따른 전동기(110)에 공급되는 상기 공급 전류는 일례로 각 상에 공급되는 전류는 180°의 기간 동안 정현파의 형태로 공급되며, 어느 한 상에 공급되는 전류와 다른 상에 공급되는 전류의 공급 기간은 적어도 일부가 중첩되는 180°통전 방식으로 제어된다.
그리고, 전동기(110)에 공급되는 전원은 PWM(Power width modulation)에 의하여 제어될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 전동기(110)의 구동 단계는 초기 정렬 단계(R1)와, 제1구동 단계(R21)와, 제2구동 단계(R22)를 포함한다.
보다 상세히, 초기 정렬 단계(R1)에서는 기설정된 각도로 상태로 구비되는 상기 회전자를 상기 고정자에 대하여 상기 고정자의 자속과 상기 회전자의 자속이 상호간에 교차, 바람직하게는 직교되는 초기 정렬 상태로 회전시킨다.
이때, 초기 정렬 단계(R1)에서 전동기(110)에 대한 전류 공급은 일례로 1A의 크기의 직류 전류로 기설정된 시간동안 수행되며, 초기 정렬 단계(R1)가 진행되는 시간은 제어부(120)에 기설정되어 저장될 수 있다.
그 다음, 초기 정렬 단계(R1)가 완료되면, 일정 크기의 제1구동 주파수 구간 에 대응되는 구동 주파수로 전동기(11)에 전류를 공급하는 제1구동 단계(R21)가 수행된다.
보다 상세히, 제1구동 단계(R21)는 상기 제1구동 주파수 구간 내에서 전동기(11)에 공급되는 전류를 제어하는 초기 구동 단계(R211) 및 초기 구동 단계(R211)의 수행 과정 중 제1구동 단계(R21)에서 제2구동 단계(R22)로의 전환 시점을 판단하는 전환 시점 판단 단계(R212)를 포함한다.
이때, 초기 구동 단계(R211)가 수행되는 과정에서, 상기 구동 주파수는 상기 제1구동 주파수 구간 내에서 시간에 따라서 점진적으로 증가된다. 즉, 제어부(120)는 전동기(110)의 상기 회전자가 저속 회전 상태에서 그 속도가 점진적으로 증가되도록, 전동기(110)를 제어한다.
그리고, 제어부(120)의 비교부(126)는 초기 구동 단계(211)가 수행되는 과정에서, 저장부(127)에 저장된 설정 위치 정보(v1) 및 추정부(121)에서 추정 위치 정보(v2)를 상호간에 비교하여, 제1구동 단계(R21)에서 제2구동 단계(R22)로의 전환 시점을 판단하는 전환 시점 판단 단계(R212)를 수행한다.
이때, 설정 위치 정보(v1)와 추정 위치 정보(v2)에 따른 회전자의 위상각 차이가 일정 범위 내로 형성되는 경우, 제어부(120)는 제1구동 단계(R21)에서 제2구동 단계(R22)로 전동기(110)의 구동 단계가 진행되도록 한다.
본 실시예에 따른 냉장고(1)의 전동기 구동 장치(100)에서는 설정 위치 정보(v1) 및 추정 위치 정보(v2)의 차이가 0 % 이상, 5 % 이하로 비교되는 경우에 제어부(120)는 제1구동 단계(R21)를 종료하고 제2구동 단계(R22)에 따라서 전동기(110)의 구동이 진행되도록 한다.
비교부(126)에서 설정 위치 정보(v1) 및 추정 위치 정보(v2)를 비교하여, 제어부(120)가 제1구동 단계(R21)의 종료 및 제2구동 단계(R22)의 진행을 수행하면, 전동기(110)는 제어부(120)에 의하여 제2구동 단계(R22), 즉 속도 지령치(v*) 및 출력 전류(io)의 피드백 값에 의하여, 전동기(110)의 상기 회전자의 위치를 추정하여, 전동기(110)의 회전 속도 및 전동기(110)에 대한 출력 전류(io) 값을 즉 제2구동 주파수 구간 내에 포함되는 상기 구동 주파수로 제어하는 센서리스 구동을 수행한다.
이때, 제2구동 단계(R22)의 상기 제2구동 주파수 구간에서의 상기 구동 주파수의 크기는 제1구동 단계(R21)의 상기 제1구동 주파수 구간에서의 상기 구동 주파수의 크기보다 크게 형성된다.
전동기(110)에 대한 전원의 공급이 PWM 방식으로 수행되는 경우, 주파수의 크기에 따라서, 전동기(110)에 공급되는 일률의 양도 커지기 때문에, 제1구동 단계(R21)에서의 전동기(110)의 상기 회전 속도는 제2구동 단계(R22)에서의 전동기(110)의 상기 회전 속도에 비하여 작게 설정되어, 상대적으로 저속 구동된다.
즉, 상기 회전자의 구동 동작이 개시되는 과정에서, 상기 회전자의 자체 무게에 따른 관성에 의하여, 초기 구동 동작시 속도 리플이 발생되는 것을 방지하기 위하여, 전동기(110)를 상기 제1구동 단계, 즉 저속으로 구동시키다가, 상기 회전자가 안정적으로 회전되는 경우 상기 제2구동 단계, 즉 상기 속도 지령치에 의한 구동 속도로 전동기(110)를 구동시키게 된다.
이하에서는 본 실시예에 따른 냉장고 전동기(110)의 제어 방법을 상세하게 설명한다.
도 7은 본 실시예에 따른 냉장고의 전동기의 제어 방법을 보여주는 플로우 차트이다.
도 7을 참조하면, 먼저, 전동기(110)에 대한 구동 개시 신호가 입력되는지 여부를 판단하여 입력되는 경우(S100)에, 제어부(120)는 전동기(110)의 상기 회전자가 초기 상태로 정렬되도록 초기 정렬 단계(R1)를 수행한다(S200).
그 다음, 제어부(120)는 기설정된 상기 제1구동 주파수 구간의 상기 구동 주파수로 전동기(110)를 제1구동 단계(R21)로 동작시킨다(S300).
이때, 상기 제1구동 주파수에서의 상기 구동 주파수는 상기에서 설명한 바와 마찬가지로, 시간에 따라서 점진적으로 증가할 수 있다.
그리고, 제1구동 단계(R21)가 진행되는 동안에, 추정부(121)는 전동기(110)에 공급되는 출력 전류(io)를 바탕으로, 상기 회전자의 추정 위치 정보(v2)를 추정한다(S400).
그 다음, 비교부(126)는 저장부(127)에 저장된 설정 위치 정보(v1) 및 추정부로부터 얻어지는 추정 위치 정보(v2)를 비교하여, 설정 위치 정보(v1) 및 추정 위치 정보(v2)에 따른 상기 회전자의 위상각 차이가 5 % 이내로 형성되는지 여부를 판단한다(S500).
이때, 추정 위치 정보(v2)에 따른 상기 회전자의 위상각 차이가 5 % 이내로 형성되는 경우, 제어부(120)는 전동기(110)가 속도 지령치(v*) 및 출력 전류(io)의 피드백 값에 의하여, 전동기(110)의 상기 회전자의 위치를 추정하여, 전동기(110)의 회전 속도 및 전동기(110)에 대한 출력 전류(io) 값을 제어하는 센서리스 구동, 즉 제2구동 단계로 구동되도록 전동기(110)를 제어한다(S600).
그 다음, 전동기 구동 종료 신호가 입력되는지 여부를 판단하여(S700), 상기 전동기 구동 종료 신호가 입력되는 경우에 제어를 종료하며, 상기 전동기 구동 종료 신호가 입력되지 않는 경우, 상기 제2구동 단계를 수행하는 단계(S600)를 수행한다.
그리고, 상기 전동기 구동 개시 신호가 입력되지 않는 경우(S100), 제어를 종료한다.
그리고, 상기 설정 위치 정보(v1) 및 추정 위치 정보(v2)에 따른 상기 회전자의 위상각 차이가 5 % 이내로 형성되는지 여부를 판단하는 단계(S500)에서, 상기 설정 위치 정보(v1) 및 추정 위치 정보(v2)에 따른 상기 회전자의 위상각 차이가 5 % 를 초과하는 경우, 제어부(120)가 기설정된 상기 제1구동 주파수 구간의 상기 구동 주파수로 전동기(110)를 제1구동 단계(R21)로 동작시키는 단계(S300)를 수행한다.
제안되는 실시예에 의하면, 압축기(10)의 압축 동작을 수행하는 전동기(110)의 상기 회전자 및 상기 고정자의 정렬 위치가 회전 효율이 최대로 되는 지점에 정렬되어, 회전 동작됨에 따라서, 전동기(110)의 회전 효율이 극대화될 수 있는 장점이 있다.
또한, 전동기(110)의 상기 회전자가 저속으로 회전되는 제1구동 단계 및 상기 제1구동 단계에 의하여 상기 회전자의 구동이 원활하게 수행된 다음 수행되는 제2구동 단계에 의하여 회전 구동됨에 따라서, 전동기(110)의 회전 효율이 극대화된다.
1 : 냉장고
10 : 본체
60 : 압축기
100 : 전동기 구동 장치
110 : 전동기
120 : 제어부
130 : 인버터
140 : 컨버터
R1 : 초기 정렬 단계
R21 : 제1구동 단계
R211 : 초기 구동 단계
R212 : 전환 시점 판단 단계
R22 : 제2구동 단계

Claims (15)

  1. 응축기, 증발기, 압축기 및 팽창 밸브를 갖는 냉장고에 있어서,
    냉매를 압축하는 압축 기구와, 상기 압축 기구를 동작시키며 고정자 및 상기 고정자에 대하여 회전되는 회전자가 구비되는 전동기를 포함하는 압축기;
    다수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의하여 일정 주파수 및 일정 크기의 교류 형태의 출력 전원을 공급하여 상기 전동기를 구동시키는 인버터; 및
    상기 전동기에 입력되는 상기 출력 전류에 기초하여, 상기 전동기의 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 추정 위치 정보를 추정하는 추정부와, 상기 회전자의 위치에 따른 전기각 또는 기계각의 위상이 출력 전류에 따른 선형 또는 비 선형화된 도표로 형성되는 상기 회전자의 설정 위치 정보가 저장되는 저장부를 포함하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 전동기가 기설정된 제1구동 주파수 구간의 구동 주파수로 구동되는 제1구동 단계 및 속도 지령 및 상기 전동기에 공급되는 출력 전류의 크기에 따른 제2구동 주파수 구간의 상기 구동 주파수로 구동되는 제2구동 단계로 구동되도록 하며, 상기 설정 위치 정보와 상기 추정 위치 정보의 차이가 기설정된 크기 이하인 경우, 상기 제1구동 단계에 의한 상기 전동기의 제어를 종료하고, 상기 제2구동 단계에 의한 상기 전동기의 제어를 개시하는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 설정 위치 정보와 상기 추정 위치 정보의 차이가 0 % 이상 5 % 이하인 경우, 상기 제어부가 상기 제1구동 단계에 의한 상기 전동기의 제어를 종료하고, 상기 제2구동 단계에 의한 상기 전동기의 제어를 개시하는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 추정 위치 정보 및 상기 속도 지령에 기초하여 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치 및 상기 출력 전류에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 전압 지령치에 기초하여 상기 인버터 스위칭 제어신호를 생성하여 상기 인버터에 출력하는 스위칭 제어신호 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전동기의 상기 제1구동 단계가 개시되기 전에, 상기 회전자와 상기 고정자를 정렬시키는 초기 정렬 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 초기 정렬 단계에서 상기 전동기로 공급되는 상기 출력 전류는 일정 크기의 직류 전류로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2구동 주파수 구간의 상기 구동 주파수는 상기 제1구동 주파수 구간의 상기 구동 주파수보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2구동 주파수 구간의 상기 구동 주파수는 시간에 대하여 점진적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1구동 단계는,
    상기 제1구동 주파수 구간 내에서 상기 구동 주파수가 점진적으로 증가되는 초기 구동 단계; 및
    상기 구동 주파수가 기설정된 주파수에 도달되는 경우, 상기 제1구동 단계의 종료 및 상기 제2구동 단계의 개시 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기에는 적어도 3개 이상의 상으로 형성되는 상기 출력 전류가 입력되며, 어느 하나의 상의 출력 전류는 다른 하나의 상의 출력 전류와 적어도 일부 영역에서 중첩되는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  10. 냉매를 압축하는 압축 기구와, 상기 압축 기구를 동작시키며 고정자 및 상기 고정자에 대하여 회전되는 회전자가 구비되는 전동기를 포함하는 압축기를 포함하는 냉장고에 있어서,
    상기 전동기가 기설정된 제1구동 주파수 구간의 구동 주파수로 구동되는 제1구동 단계;
    상기 전동기가 속도 지령 및 상기 전동기에 공급되는 출력 전류의 크기에 기초하는 제2구동 주파수 구간의 상기 구동 주파수로 구동되는 제2구동 단계;
    제어부가, 상기 전동기에 입력되는 상기 출력 전류에 기초한 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 추정 위치 정보 및 상기 회전자의 위치가 상기 출력 전류에 따른 선형 또는 비 선형화된 테이블로 형성되어 저장된 상기 회전자의 설정 위치 정보를 비교하여, 상기 전동기의 상기 제1구동 단계에서 상기 제2구동 단계로의 전환 시점을 판단하는 단계; 및
    상기 전동기의 구동 단계가 상기 제1구동 단계에서 상기 제2구동 단계로 전환되는 단계를 포함하는 냉장고의 제어방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전동기의 상기 제1구동 단계에서 상기 제2구동 단계로의 전환 시점을 판단하는 단계는, 상기 설정 위치 정보와 상기 추정 위치 정보의 차이가 기설정된 크기 이하인 경우에 상기 제1구동 단계에서 상기 제2구동 단계로의 전환 시점인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 전동기의 상기 회전자가 초기 상태로 정렬되도록, 상기 전동기에 대하여 일정 크기의 직류 전류를 공급하는 초기 정렬 단계를 더 포함하는 냉장고의 제어방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 초기 정렬 단계는 상기 제1구동 단계가 수행되기 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 전동기에는 적어도 3개 이상의 상으로 형성되는 상기 출력 전류가 입력되며, 어느 하나의 상의 출력 전류는 다른 하나의 상의 출력 전류와 적어도 일부 영역에서 중첩되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2구동 단계는,
    상기 제어부의 추정부가 상기 출력 전류 및 상기 속도 지령에 기초하여 상기 전동기의 상기 회전자의 위치를 추정하는 단계; 및
    상기 제어부가 추정된 상기 회전자의 위치 및 상기 속도 지령에 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 단계;를 포함하는 냉장고의 제어방법.
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