KR20120079375A - 냉동기 압축기 구동용 모터 제어 장치, 이의 제어 방법, 및 이를 포함하는 냉동기 - Google Patents

냉동기 압축기 구동용 모터 제어 장치, 이의 제어 방법, 및 이를 포함하는 냉동기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 제어 방법을 이용하여 냉동기 압축기 구동용 모터를 센서리스 제어함으로써 비용을 절감할 수 있다. 또, 본 발명은 회전자의 회전 속도 및 회전자계를 센서를 사용하여 측정하지 않고, 직류 링크 전압과 모터 인가 전압 및 전류를 이용하여 냉동기 압축기 내에 구비된 모터의 회전자의 회전 속도 및 회전자계를 추정함으로써 기계적 취약점을 해결하고, 냉동 사이클에 필요한 속도 및 토크를 추종하도록 한다.

Description

냉동기 압축기 구동용 모터 제어 장치, 이의 제어 방법, 및 이를 포함하는 냉동기{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING COMPRESSION MOTOR, AND REFRIGERATING MACHINE HAVING THE SAME}
본 발명은 냉동기 압축기 내에 구비되는 모터를 센서리스 제어하는 모터 제어 장치 및 제어 방법과, 이를 포함한 냉동기에 관한 것이다.
냉동기는 밀폐된 용기 속의 온도를 그 주위의 온도보다 낮추는 장치로서, 예를 들어 증기 압축식 냉동기는, 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브로 구성된다. 모터로 압축기를 운전하여 기체상태인 냉매를 압축해서 응축기로 보내고, 이것을 냉동기 밖에 있는 물이나 공기 등으로 냉각해서 액화한다. 이 액체상태로 된 냉매가 팽창밸브에서 유량이 조정되면서 증발기로 분사되면 급팽창하여 기화하고, 증발기 주위로부터 열을 흡수하여 용기 속을 냉각한다. 기체로 된 냉매는 다시 압축기로 돌아와서 압축되어 액체상태가 된다. 이와 같이 반복되는 압축, 응축, 팽창, 기화의 4단계 변화를 냉동사이클이라고 한다.
상기 냉동기는 열 매체의 방열방식에 따라 수냉식과 공랭식으로 구분할 수 있다. 수냉식 냉동기는 냉각탑에서 열 매체를 비산시켜 방열하는 방식이고, 공랭식 냉동기는 열 매체가 흐르는 열교환기를 공기와 접촉시켜 방열하는 방식이다. 공랭식 냉동기는 전열관에 물을 뿌리지 않으므로 산수조나 집수조 등이 불필요하다. 이에 따라, 공랭식 냉동기는 산수에 의한 전열관의 부식이나 스케일이 발생하지 않아 수냉식 냉동기보다 보수가 간단하다. 또, 냉각수를 공급하는 펌프가 불필요하여 소비 전력을 절약할 수 있다. 한편, 공랭식 냉동기는 압축기의 출구에 냉매 전환 밸브를 설치하여 냉매의 순환방향을 제어하면서 하절기에는 냉수를 제공하고, 동절기에는 온수를 공급하는 히트 펌프 방식이 널리 사용된다. 상기 냉동기의 응용은 매우 광범위한데, 가정용 냉장고, 식품냉동용 냉동창고, 공기냉각장치(공기조화기), 칠러 등 다양한 분야에서 상기 냉동기가 사용된다.
일반적으로 상기 냉동기의 압축기를 구동하기 위해 유도 모터를 사용하는데, 종래 기술에 따른 유도 모터를 제어하는 장치는 모터의 회전자의 속도 및 회전자계를 측정하여 필요로 하는 압축기 부하에 맞도록 모터의 속도 및 토크를 제어하였다. 즉, 상기 모터 제어 장치는 회전 속도 및 필요 전압의 비에 따라서 인버터 출력 전압인 PWM(펄스 폭 변조; Pulse Width Modulation) 전압을 유도 모터에 인가하여 유도 모터를 구동하였다. 또, 상기 모터 제어 장치는 회전 속도와 전압을 매칭하기 위하여 룩업 테이블을 사용하여 제어하였다. 이러한 특징은 미국 등록 특허 번호 US 7,545,115 B2에 개시되어 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 모터 제어 장치는, 회전자의 속도를 측정하기 위한 속도 센서가 필요하고, 또한 회전자의 속도를 측정하기 위한 레졸버 등이 필요한 문제점이 있다. 또, 대용량의 냉동기 압축기의 경우에는 압축기의 압력이 증대되어 센서를 부착하기 어렵고, 센서 부착에 의해 가격이 상승하고, 기계적으로 취약한 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 회전자의 속도 및 회전자계를 측정하는 센서를 사용하지 아니하고, 직류 링크 전압과 모터 인가 전압 및 전류를 이용하여 냉동기 압축기 구동용 모터를 제어하는 제어 장치 및 제어 방법을 제공함에 일 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉동기는, 본체 내에 구비되어 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기와, 상기 압축기 내에 구비되거나 연결되어 상기 압축기를 구동하는 모터와, 상기 모터를 제어하는 모터 제어 장치를 포함하여 구성된다.
상기 모터 제어 장치는, 상기 냉동기 내에 구비되어 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기를 구동하는 모터를 제어하는 장치에 있어서, 상용 교류 전원을 입력받아 직류 전압으로 변환으로 컨버터와, 상기 직류 전압을 평활화하는 직류 링크 커패시터와, 제어 신호를 근거로 상기 평활화된 직류 전압을 모터 구동 전압으로 변환하고, 상기 모터에 상기 모터 구동 전압을 인가하는 인버터와, 상기 인버터와 상기 모터의 사이에 구비되어 상기 모터에 인가되는 모터 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛과, 상기 모터 구동 전류를 입력받아 상기 모터의 회전자 속도와 상기 모터의 자속각을 연산하고, 상기 회전자 속도와 상기 자속각 및 속도 지령을 근거로 상기 제어 신호를 생성하여 상기 인버터에 출력하는 제어 유닛을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 모터 제어 장치에 있어서, 상기 제어 유닛은, 상기 모터 구동 전류를 입력받아 상기 회전자 속도와 상기 자속각을 연산하는 연산부와, 상기 속도 지령과 상기 회전자 속도를 입력받아 전류 지령을 산출하여 출력하는 속도 제어부와, 상기 전류 지령과 상기 모터 구동 전류 및 상기 자속각을 입력받아 상기 전압 지령을 산출하여 출력하는 전류 제어부와, 상기 전압 지령을 근거로 상기 제어 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 제어부를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 연산부는, 상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 회전자의 위치를 추정하고, 상기 추정된 회전자의 위치로부터 상기 회전자 속도를 추정 연산하는 속도 추정 모듈을 포함할 수 있다. 또, 상기 연산부는, 상기 전류 지령을 이용하여 슬립 각속도를 연산하고, 상기 모터 구동 전류를 이용하여 상기 모터의 회전자 속도를 연산하여 상기 슬립 각속도와 상기 회전자 속도를 합산하고 적분하여 상기 자속각을 생성하는 자속 추정 모듈을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 제어 방법은, 냉동기 내에 구비되어 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기를 구동하는 모터를 제어하는 장치의 모터 제어 방법에 있어서, 상기 모터에 인가되는 모터 구동 전류를 검출하는 단계와, 상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 모터의 회전자 속도를 연산하는 단계와, 속도 지령을 입력받는 단계와, 상기 속도 지령과 상기 회전자 속도를 근거로 전류 지령을 산출하는 단계와, 상기 전류 지령과 상기 모터 구동 전류를 근거로 전압 지령을 산출하는 단계와, 상기 전압 지령을 근거로 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 제어 신호를 근거로 상기 모터를 구동하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 모터 제어 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 회전자 속도를 연산하는 단계는, 상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 회전자의 위치를 추정하는 과정과, 상기 추정된 회전자의 위치로부터 상기 회전자 속도를 추정 연산하는 과정을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 모터 제어 장치의 제어 방법은, 상기 회전자 속도를 근거로 자속각을 연산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자속각을 연산하는 단계는, 상기 전류 지령을 이용하여 슬립 각속도를 연산하는 과정과, 상기 슬립 각속도와 상기 회전자 속도를 합산하고 적분하여 상기 자속각을 생성하는 과정으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 제어 방법을 이용하여 냉동기 압축기 구동용 모터를 센서리스 제어함으로써 비용을 절감할 수 있다.
본 발명은 회전자의 회전 속도 및 회전자계를 센서를 사용하여 측정하지 않고, 직류 링크 전압과 모터 인가 전압 및 전류를 이용하여 회전자의 회전 속도 및 회전자계를 추정함으로써 기계적 취약점을 해결하고, 냉동 사이클에 필요한 속도 및 토크를 추종하도록 함으로써 냉동 부하에 빠르고 오류 없는 속도 및 토크를 제공한다.
도 1 은 본 발명에 따른 모터 제어 장치를 포함한 냉동기 압축기의 구성을 개략적으로 보인 블록도;
도 2는 도 1에서의 모터 제어 장치의 세부 구성을 보인 블록도;
도 3은 도 1에서의 모터 제어 장치의 다른 예에 따른 세부 구성을 보인 블록도;
도 4는 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 제어 방법을 보인 흐름도;
도 5는 본 발명에 따른 냉동기의 일 형태로 공랭식 냉동기의 구성을 개략적으로 보인 도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 냉동기 압축기 구동용 모터 제어 장치 및 제어 방법, 이를 포함한 냉동기를 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 제어 방법을 포함하는 냉동기의 일 형태로 공랭식 냉동기를 보인 도이다. 도 1 및 도 5를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 냉동기는, 본체 내에 구비되어 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기(12)와, 상기 압축기 내에 구비되거나 연결되어 상기 압축기를 구동하는 모터(500)와, 상기 모터를 제어하는 모터 제어 장치를 포함하여 구성된다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 냉동기는, 케이스(11)의 내부에 압축기(12)와 제1 열교환기(13) 그리고 팽창 밸브(14)와 제2 열교환기(15)로 된 냉동사이클이 설치되고, 상기 케이스(11)의 상면 또는 측면에는 외부의 공기를 흡입하여 제1 열교환기(13)와 열교환되도록 하기 위한 복수 개의 흡기팬(16)이 설치되며, 상기 제2 열교환기(15)에는 실내기(20)들로 냉수 또는 온수를 공급하기 위한 매질순환관(30)이 연결된다. 그리고 상기 압축기(12)의 출구에는 그 압축기(12)에서 압축되는 냉매를 운전조건에 따라 제1 열교환기 방향 또는 제2 열교환기 방향으로 전환하기 위한 냉매전환밸브(17)가 설치된다. 상기 냉매전환밸브(17)는 통상 4방밸브로 이루어진다. 상기와 같은 냉각장치(10)는 하절기에는 냉방기로 운전을 하는 반면 동절기에 난방기로 전환하여 운전을 하게 된다. 예를 들어, 하절기에는 압축기(12)에서 고온,고압으로 압축된 냉매를 냉매전환밸브가 제1 열교환기(13)로 안내하여 그 제1 열교환기(13)에서 공기와 열교환되어 방열하고 팽창 밸브(14)에서 저온, 저압으로 만든 후 제2 열교환기(15)에서 물과 열교환되어 그 열교환된 물을 냉방 열원으로 사용하는 실내기(20)들에 공급한다. 한편, 동절기에는 상기 냉매전환밸브(17)가 냉매를 제2 열교환기 방향으로 안내하여 고온,고압의 냉매가 제2 열교환기(15)에서 물과 열교환되어 그 열교환된 물을 난방 열원으로 사용하는 실내기(20)들에 공급한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 상기 냉동기 내에 구비되어 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기를 구동하는 모터를 제어한다. 상기 모터 제어 장치는, 상용 교류 전원(100)을 입력받아 직류 전압으로 변환으로 컨버터(200)와, 상기 직류 전압을 평활화하는 직류 링크 커패시터(300)와, 제어 신호를 근거로 상기 평활화된 직류 전압을 모터 구동 전압으로 변환하고, 상기 모터(500)에 상기 모터 구동 전압을 인가하는 인버터(400)와, 상기 인버터(400)와 상기 모터(500)의 사이에 구비되어 상기 모터(500)에 인가되는 모터 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛(600)과, 상기 모터 구동 전류를 입력받아 상기 모터의 회전자 속도와 상기 모터의 자속각을 연산하고, 상기 회전자 속도와 상기 자속각 및 속도 지령을 근거로 상기 제어 신호(이하에서 '제2 제어 신호')를 생성하여 상기 인버터에 출력하는 제어 유닛(700)을 포함하여 구성된다. 여기서, 상용 교류 전원(100)은 단상 또는 3상일 수 있는데, 일반적으로 본 발명과 같이 냉동기 압축기용 모터로 유도 전동기를 사용하는 경우에 380V 3상 전원을 사용한다.
도 1에서, 제1 제어 신호는 컨버터 내의 스위칭 소자를 구동하는 제어 신호이고, 제2 제어 신호는 인버터 내의 스위칭 소자를 구동하는 제어 신호이다. 상기 컨버터(2000)는 상기 제1 제어 신호에 따라 구동되는 스위칭 소자, 예를 들어 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 'IGBT')를 구비하고, 필요에 따라 리액터를 더 구비하여 상용 전원의 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 이때, 변환된 직류 전압은 실제로 맥류의 형태를 가진다.
상기 직류 링크 커패시터(DC Link Capacitor, 300)는, 상기 컨버터(200)와 상기 인버터(400)의 사이에 연결되어 상기 컨버터(200)의 출력 직류 전압을 평활화하고, 저장한다.
상기 인버터(400)는 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 상기 제어 유닛(250)으로부터 발생된 제2 제어 신호, 예를 들어 PWM(Pulse Width Modulation) 구동 신호를 이용하여 모터에 전압 지령에 따른 모터 구동 전압 및 전류를 인가한다.
상기 모터 제어 장치는 상기 직류 링크 커패시터(300)에 연결되어 상기 직류 링크 커패시터로부터 출력되는 전류(iDC)를 검출하는 직류 링크 전류 검출 유닛이나, 그 전압(VDC)을 검출하는 직류 링크 전압 검출 유닛을 더 포함할 수 있다. 또, 상기 모터 제어 장치는, 상용 교류 전원(100)과 상기 컨버터(200)의 사이에 배치되어 교류 전원을 평활화하거나, 역률을 개선하거나, 고주파 성분을 제거하는 리액터(110) 또는 상기 리액터를 포함하는 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 전류 검출 유닛(600)은, 상기 인버터(400)와 상기 모터(500)의 사이에 연결되어 연속적으로 상기 모터 구동 전류를 검출하는 전류 트랜스듀서(Current Transducer)이다. 상기 전류 트랜스듀서는 상기 모터 구동 전류를 검출하여 이를 전압 신호로 변환하여 상기 제어 유닛(700)에 출력한다. 또한, 상기 전류 트랜스듀서는 펄스 폭 변조의 전 구간에서 상기 모터 구동 전류를 검출한다. 예를 들어, 3상 유도 모터의 경우에 상기 전류 검출 유닛(600)은 도 1과 같이 3상으로 인가되는 전류(iu, iv, iw) 전부를 검출하거나, 도 2 또는 도 3과 같이 3상으로 인가되는 전류 중 2상(iu, iv)을 검출한 다음 iw를 연산하여 상기 제어 유닛(700)에 출력하고, 상기 제어 유닛(700)은 센서리스 알고리즘을 이용하여 모터의 속도와 회전자의 위치를 추정 연산한다. 상기 제어 유닛(700)은 인터럽트 신호를 발생하여 상기 검출된 모터구동전류에 따른 전압 신호를 샘플링한다. 물론 상기 전류 검출 유닛으로 인버터 내의 스위칭 소자에 직렬 연결된 션트 저항을 사용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제어 유닛(700)은, 상기 모터 구동 전류를 입력받아 상기 회전자 속도와 상기 자속각을 연산하는 연산부(710)와, 상기 속도 지령과 상기 회전자 속도를 입력받아 전류 지령을 산출하여 출력하는 속도 제어부(720)와, 상기 전류 지령과 상기 모터 구동 전류 및 상기 자속각을 입력받아 상기 전압 지령을 산출하여 출력하는 전류 제어부(730)와, 상기 전압 지령을 근거로 제2 제어 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 제어부(740)를 포함하여 구성된다.
상기 모터 제어 장치는 수학적으로 모델링하여 모터를 제어하는데, (d, q) 좌표계를 사용하고, d축을 자속축으로 하여 제어한다. 이때, 상기 모터 제어 장치는 자속각(θe)으로 d-q축을 회전하면서 모터를 제어하게 된다.
상기 연산부(710)는, 상기 전류 검출 유닛(600)으로부터 검출된 모터구동전류를 입력받고, 센서리스 알고리즘을 이용하여 모터의 속도(ω)와 모터 내에 구비된 회전자의 위치를 연산하여 추정한다.
상기 속도 제어부(720)는, 사용자가 원하는 속도 지령(ω*)과, 상기 연산부(710)에서 추정 연산된 속도를 비교하는 비교기(미도시)와, 제1 비례 적분 제어기(Proportional Integral Controller; PI)(미도시)를 구비한다. 상기 속도 제어부(720)는, 상기 속도 지령과 상기 연산 속도를 입력받아 상기 속도 지령과 상기 연산 속도의 차, 즉 속도 오차를 비례 적분하여 q축 전류 지령(i* q)을 생성하고, 이를 전류 제어부(730)에 출력한다.
상기 모터 제어 장치는 상기 속도 지령을 입력받는 것이 아니라 토크 지령과 자속 지령에 따른 전류 지령을 직접 입력받아 모터를 제어할 수 있다.
상기 전류 제어부(730)는, 상기 속도 제어부(720)에서 생성된 q축 전류 지령과 d축 전류 지령(i* d)을 입력받아 전압 지령을 생성하여 출력한다. 상기 전류 제어부(730)는 q축 전류 지령을 제2 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(V* q)을 상기 펄스 폭 변조 제어부(740)에 출력한다. 즉, 상기 전류 제어부(730)는 상기 q축 전류 지령과 상기 전류 검출 유닛(600)을 통해 검출된 모터 구동 전류를 축 변환한 상기 q축 검출 전류(iq)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 제2 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(V* q)을 상기 펄스 폭 변조 제어부(740)에 출력한다. 한편, 상기 전류 제어부(730)는 d축 전류 지령을 제3 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(V* d)을 상기 펄스 폭 변조 제어부(740)에 출력한다. 즉, 상기 전류 제어부(730)는 상기 d축 전류 지령과 상기 전류 검출 유닛(600)을 통해 검출된 모터 구동 전류를 축 변환한 상기 d축 검출 전류(id)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 제3 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(V* d)을 상기 펄스 폭 변조 제어부(740)에 출력한다. 여기서, 상기 전압과 전류들은 동기 좌표계 상에서의 값들이다.
상기 펄스 폭 변조 제어부(740)는, 먼저 상기 동기 좌표계의 전압 지령을 정지 좌표계(α,β)의 전압 지령으로 축 변환한다. 즉, 상기 펄스 폭 변조 제어부(740)는 (V* d, V* q)를 (V* α, V* β)로 변환한다. 또한, 상기 펄스 폭 변조 제어부(740)는 상기 정지좌표계의 전압 지령을 구동하고자 하는 모터 형태에 맞게 변환하여 출력한다. 예를 들어 3상 유도 모터의 경우에, 상기 펄스 폭 변조 제어부(740)는 상기 정지 좌표계의 전압 지령을 3상의 전압 지령 (V* a, V* b, V* c)으로 변환하여 상기 인버터(400)에 출력한다.
상기 모터 제어 장치는, 상기 펄스 폭 변조 제어부(740)를 통해 상기 전류 제어부(730)로부터 출력된 동기좌표계 전압 지령 (V* d, V* q)을 정지 좌표계 전압 지령 (V* α, V* β)으로 변환하고, 모터의 형태에 맞는 전압 지령을 갖도록 변환한다. 예를 들어, 3상의 전압 지령 (V* a, V* b, V* c)으로 변환하는 경우, 상기 제어 유닛(700)은 각 상에 대해서 펄스 폭 변조를 위한 반송파와, 각 상에 대한 기준 전압 값을 비교하고, 그 비교 결과를 근거로 펄스 폭 변조가 된 제2 제어 신호를 상기 인버터에 출력한다. 상기 기준 전압 값은, 상기 제어 유닛 내의 비교 레지스터(Compare Registor)에 저장된다. 상기 인버터가 MOSFET, IGBT 등과 같은 스위칭 소자로 되어 있는 경우에, 상기 제2 제어 신호는 게이트 입력 신호(Gating signal)가 된다.
도 3을 참조하면, 상기 연산부(710)는, 상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 회전자의 위치를 추정하고, 상기 추정된 회전자의 위치로부터 상기 회전자 속도를 추정 연산하는 속도 추정 모듈을 포함한다. 또, 상기 연산부(710)는, 상기 전류 지령을 이용하여 슬립 각속도를 연산하고, 상기 모터 구동 전류를 이용하여 상기 모터의 회전자 속도를 연산하여 상기 슬립 각속도와 상기 회전자 속도를 합산하고 적분하여 상기 자속각을 생성하는 자속 추정 모듈을 더 포함한다.
상기 속도 추정 모듈은 상기 모터 구동 전류, 또는 이와 함께 직류 링크 전압 등의 물리량을 근거로 센서리스 알고리즘, 예를 들어 역기전력 등 모델링 방식, 모터의 이상 반응을 이용하는 방식,을 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 추정, 연산한다. 상기 센서리스 알고리즘에 대한 구체적인 설명은 생략하고, 자속 추정 모듈을 이용하여 자속각을 연산하고, 이를 이용하여 제어 신호를 생성하는 동작을 설명한다.
상기 모터 제어 장치는 회전자 권선에 유기된 기전력으로 회전자 도체에 전류가 흐르도록 하고, 회전자 전류와 고정자 회전자계와의 상호 작용으로 토크를 발생시켜 모터 회전자를 회전시킨다. 이때, 회전자의 최종적인 속도를 n이라 하면, 상기 회전자 속도는 항상 회전자계(Rotating Magnetic Field)의 속도(이하, '동기 속도') ns보다 느리다. 여기서, 회전자 속도와 동기 속도와의 차이를 나타내는 지표가 슬립(Slip)이다. 상기 연산부(710)는 동기 좌표계에서 하기 관계식과 같이 d축 전류 지령(i* d)와 q축 전류 지령(i* q)의 비를 통해 슬립 각속도를 연산할 수 있다.
Figure pat00001
즉, 상기 슬립 각속도는 고정자 전류를 d축 전류 지령(자속 성분 전류)i* d와 q축 전류 지령(토크 성분 전류) i* q를 분배하는 기준이 된다. 여기서, Tr은 회전자 시정수이다.
상기 동기 각속도(ω* e)는 슬립 각속도(ω* sl)와 회전자 속도(ωr)의 합이다. 따라서, 속도 추정 모듈은 하기 수학식으로부터 회전자 속도(ωr)를 연산할 수 있다.
Figure pat00002
또, 상기 자속 추정 모듈은 동기 각속도(ω* e)를 적분하여 상기 자속각(θe)을 연산한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 제어 방법은, 냉동기 내에 구비되어 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기를 구동하는 모터를 제어하는 장치의 모터 제어 방법에 있어서, 상기 모터에 인가되는 모터 구동 전류를 검출하는 단계(S100)와, 상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 모터의 회전자 속도를 연산하는 단계(S200)와, 속도 지령을 입력받는 단계(S300)와, 상기 속도 지령과 상기 회전자 속도를 근거로 전류 지령을 산출하는 단계(S400)와, 상기 전류 지령과 상기 모터 구동 전류를 근거로 전압 지령을 산출하는 단계(S500)와, 상기 전압 지령을 근거로 제어 신호(이하에서 '제2 제어 신호')를 생성하는 단계(S600)와, 상기 제어 신호를 근거로 상기 모터를 구동하는 단계(S700)를 포함하여 구성된다. 이하 장치의 구성은 도 1 내지 도 3을 참조한다. 여기서, 제1 제어 신호는 컨버터 내의 스위칭 소자를 구동하는 제어 신호이다.
상기 회전자 속도를 연산하는 단계(S200)는, 상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 회전자의 위치를 추정하는 과정과, 상기 추정된 회전자의 위치로부터 상기 회전자 속도를 추정 연산하는 과정을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 모터 제어 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 회전자 속도를 연산하는 단계(S200)는, 상기 회전자 속도를 근거로 자속각을 연산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 자속각을 연산하는 단계는, 상기 전류 지령을 이용하여 슬립 각속도를 연산하는 과정과, 상기 슬립 각속도와 상기 회전자 속도를 합산하고 적분하여 상기 자속각을 생성하는 과정을 포함하여 구성된다.
상기 모터 제어 장치는 전류 검출 유닛을 이용하여 모터 구동 전류를 검출하고, 직류 링크 전류 검출 유닛을 통해 직류 링크 전류를 검출하고(S100), 센서리스 알고리즘을 이용하여 모터의 회전자의 위치와 속도를 추정 연산한다(S200). 또, 상기 모터 제어 장치는 상기 모터 구동 전류와 회전자 속도를 이용하여 자속을 추정한다. 여기서, 상기 모터 제어 장치는 수학적으로 모델링하여 모터를 제어하는데, (d, q) 좌표계를 사용하고, d축을 자속축으로 하여 제어한다. 이때, 상기 모터 제어 장치는 자속각(θe)으로 d-q축을 회전하면서 모터를 제어하게 된다. 상기 모터 제어 장치는, 속도 지령이나, 토크 지령을 입력받고(S300), 사용자가 원하는 속도 지령과, 추정 연산된 속도를 비교하고, 속도 오차를 비례 적분하여 q축 전류 지령을 산출한다(S400). 또, 상기 모터 제어 장치는 q축 전류 지령과 d축 전류 지령을 입력받아 전압 지령을 산출한다(S500). 즉, 상기 모터 제어 장치는 상기 q축 전류 지령과 상기 전류 검출 유닛을 통해 검출된 모터 구동 전류를 축 변환한 q축 검출 전류를 비교하고, 전류 오차를 비례 적분하고 필터링하여 q축 전압 지령을 산출한다(S500). 또, 상기 모터 제어 장치는 d축 전류 지령과 d축 검출 전류를 비교하고, 전류 오차를 비례 적분하고 필터링하여 d축 전압 지령을 산출한다(S500). 상기 모터 제어 장치는 상기 동기 좌표계의 전압 지령을 정지 좌표계의 전압 지령으로 축 변환하고, 상기 정지좌표계의 전압 지령을 구동하고자 하는 모터 형태에 맞게 변환하여, 예를 들어 3상의 전압 지령 (V* a, V* b, V* c)으로 변환하여 이에 따른 제2 제어 신호를 생성한다(S600). 상기 인버터는 상기 제2 제어 신호에 따라 모터 구동 전압(Vu, Vv, Vw)을 모터에 인가하여 모터를 구동한다(S700). 상기 모터가 계속 운전되는 동안 모터 구동 전류, 모터 구동 전압, 직류 링크 전압 및 직류 링크 전류 등을 검출하는 동작이 반복적으로 수행되고, 이러한 값들은 제어 알고리즘 상으로 피드백된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 제어 방법은 회전자의 회전 속도 및 회전자계를 센서를 사용하여 측정하지 않고, 직류 링크 전압과 모터 인가 전압 및 전류를 이용하여 냉동기 압축기 내에 구비된 모터의 회전자의 회전 속도 및 회전자계를 추정함으로써 기계적 취약점을 해결하고, 냉동 사이클에 필요한 속도 및 토크를 추종하도록 한다.
100: 상용 교류 전원 200: 컨버터
300: 직류 링크 커패시터 400: 인버터
500: 모터 600: 전류 검출 유닛
700: 제어 유닛 710: 연산부
10: 냉동기 12: 압축기

Claims (9)

  1. 냉동기 내에 구비되어 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기를 구동하는 모터를 제어하는 장치에 있어서,
    상용 교류 전원을 입력받아 직류 전압으로 변환으로 컨버터;
    상기 직류 전압을 평활화하는 직류 링크 커패시터;
    제어 신호를 근거로 상기 평활화된 직류 전압을 모터 구동 전압으로 변환하고, 상기 모터에 상기 모터 구동 전압을 인가하는 인버터;
    상기 인버터와 상기 모터의 사이에 구비되어 상기 모터에 인가되는 모터 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛; 및
    상기 모터 구동 전류를 입력받아 상기 모터의 회전자 속도와 상기 모터의 자속각을 연산하고, 상기 회전자 속도와 상기 자속각 및 속도 지령을 근거로 상기 제어 신호를 생성하여 상기 인버터에 출력하는 제어 유닛;을 포함하는 모터 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 모터 구동 전류를 입력받아 상기 회전자 속도와 상기 자속각을 연산하는 연산부;
    상기 속도 지령과 상기 회전자 속도를 입력받아 전류 지령을 산출하여 출력하는 속도 제어부;
    상기 전류 지령과 상기 모터 구동 전류 및 상기 자속각을 입력받아 상기 전압 지령을 산출하여 출력하는 전류 제어부; 및
    상기 전압 지령을 근거로 상기 제어 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 제어부;를 포함하는 모터 제어 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 연산부는,
    상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 회전자의 위치를 추정하고, 상기 추정된 회전자의 위치로부터 상기 회전자 속도를 추정 연산하는 속도 추정 모듈;을 포함하는 모터 제어 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 연산부는,
    상기 전류 지령을 이용하여 슬립 각속도를 연산하고, 상기 모터 구동 전류를 이용하여 상기 모터의 회전자 속도를 연산하여 상기 슬립 각속도와 상기 회전자 속도를 합산하고 적분하여 상기 자속각을 생성하는 자속 추정 모듈;을 더 포함하는 모터 제어 장치.
  5. 본체 내에 구비되어 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기;
    상기 압축기 내에 구비되거나 연결되어 상기 압축기를 구동하는 모터; 및
    제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서의 모터 제어 장치;를 포함하는 냉동기.
  6. 냉동기 내에 구비되어 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기를 구동하는 모터를 제어하는 장치의 모터 제어 방법에 있어서,
    상기 모터에 인가되는 모터 구동 전류를 검출하는 단계;
    상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 모터의 회전자 속도를 연산하는 단계;
    속도 지령을 입력받는 단계;
    상기 속도 지령과 상기 회전자 속도를 근거로 전류 지령을 산출하는 단계;
    상기 전류 지령과 상기 모터 구동 전류를 근거로 전압 지령을 산출하는 단계;
    상기 전압 지령을 근거로 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제어 신호를 근거로 상기 모터를 구동하는 단계;를 포함하는 모터 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 회전자 속도를 연산하는 단계는,
    상기 모터 구동 전류를 근거로 상기 회전자의 위치를 추정하는 과정; 및
    상기 추정된 회전자의 위치로부터 상기 회전자 속도를 추정 연산하는 과정;을 포함하는 모터 제어 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 회전자 속도를 근거로 자속각을 연산하는 단계;를 더 포함하는 모터 제어 방법.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 자속각을 연산하는 단계는,
    상기 전류 지령을 이용하여 슬립 각속도를 연산하는 과정; 및
    상기 슬립 각속도와 상기 회전자 속도를 합산하고 적분하여 상기 자속각을 생성하는 과정;을 포함하는 모터 제어 방법.
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CN107923685A (zh) * 2015-08-21 2018-04-17 Bsh家用电器有限公司 具有制冷剂回路的家用制冷器具及操作具有制冷剂回路的家用制冷器具的方法

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