KR20130123719A - 브러시리스 모터의 구동 장치, 구동 방법, 및 이를 포함한 공기 조화기 - Google Patents

브러시리스 모터의 구동 장치, 구동 방법, 및 이를 포함한 공기 조화기 Download PDF

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Abstract

브러시리스 모터의 구동 장치 및 구동 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예들은, 회전자의 자극을 판단하지 아니하여 기동 시간을 줄이고, 전류-주파수 방식으로 기동함으로써 기동 로직을 간단히 구현할 수 있고, 부하에 따른 튜닝 시간을 줄임으로써 안정적으로 초기 기동을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은, 센서리스 브러시리스 모터를 기동함에 있어서 회전자의 정렬을 위한 신호를 주입하지 아니함으로써 기동 시에 발생하는 고주파 소음을 줄일 수 있다. 본 발명의 실시 예들은, 센서리스 브러시리스 모터의 기동 후 고속 센서리스 운전으로 순간적으로 절환함으로써 모터 구동 전류가 연속적으로 모터에 인가되도록 한다.

Description

브러시리스 모터의 구동 장치, 구동 방법, 및 이를 포함한 공기 조화기{APPARATUS AND METHOD FOR DRIVING BRUSHLESS MOTOR, AND AIR CONDITIONER HAVING THE SAME}
본 발명은 브러시리스 모터의 구동 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 센서리스 브러시리스 모터를 용이하게 기동하고 고속 센서리스 제어 단계로 절환할 수 있는 브러시리스 모터의 구동 장치 및 구동 방법에 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. 냉동기의 응용은 매우 광범위하다. 예를 들어, 가정용 냉장고, 식품냉동용 냉동창고, 공기 조화기, 칠러 등 다양한 분야에서 상기 냉동기가 사용된다.
공기 조화기는 실내기, 실외기, 제어장치, 및 연결관 등 구성의 종류와 개수에 따라 구분되는데, 하나의 실내기와 실외기로 구성된 RAC(Rotary Air Conditioner), 하나의 실외기와 하나 이상의 실내기와 덕트(duct)로 구성된 유니터리 공기 조화기(Unitary Air Conditioner), 하나 이상의 실외기와 하나 이상의 실내기와 중앙제어장치로 구성된 멀티 에어컨(Multi Air Conditioner) 등이 그것이다. 또, 공기 조화기는 실내기와 실외기가 각각 분리된 분리형 공기조화기와, 실내기와 실외기를 하나의 장치로 삽입 된 일체형 공기조화기와, 벽에 장착되도록 구성된 벽걸이형 공기조화기 및 액자형 공기조화기와, 거실에 세울 수 있도록 구성된 슬림형 공기조화기와, 하나의 실내기를 구동시킬 수 있는 용량으로 구성되어 가정집과 같이 좁은 장소에서 이용되도록 구성된 싱글형 공기조화기로 더 구분될 수 있다.
냉매를 압축하는 압축기는, 크게, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary Compressor)와, 선회 스크롤(Orbiting Scroll)과 고정 스크롤(Fixed Scroll) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 신회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll Compressor)로 구분된다.
일반적으로 공기 조화기의 압축기를 구동하기 위해 전동기(이하 '모터')를 사용하고, 그 모터를 구동하기 위해서 트라이악(TRIAC)이나 인버터(Inverter)를 주로 사용한다. 특히, 인버터를 이용한 압축기 제어 장치는, 압축기 부하에 따라 지령 값으로 펄스 폭 변조 (Pulse Width Modulation; PWM) 신호를 압축기 모터에 인가하여 압축기를 제어한다.
압축기 모터로는 유도 모터(Induction Motor), 브러시리스 직류 모터(Brush-Less DC motor, 이하 '브러시리스 모터') 등을 사용한다. 브러시리스 모터는 공기 조화기, 냉장고 등 가전제품뿐만 아니라, 플로피디스크드라이버 같은 정보처리기기에 이르기까지 폭넓은 분야에서 사용된다. 브러시리스 모터는 일반적으로 그 회전속도, 회전자의 위치 등을 검출하기 위해 별도의 센서(예, 홀 센서)를 구비하는데, 이러한 센서가 설치되지 않은 브러시리스 모터를 센서리스 브러시리스 모터라 한다.
일반적으로 브러시리스 모터의 구동은, 크게 초기위치 설정 구간과, 개 루프 구간 및 폐 루프 구간으로 구분된다. 초기위치 설정구간은 회전자가 정지 상태에서 회전하기 시작하여 미리 설정된 위치로 회전자를 이동시키는 구간이다. 개 루프 구간은 회전자의 초기위치가 설정된 후 역기전력이 감지되지 않는 저속구간이다. 또, 폐 루프 구간은 역기전력의 감지가 가능하여 회전자의 정상적인 제어가 실시되는 구간이다.
한편, 브러시리스 모터의 구동 장치는, 일반적으로 브러시리스 모터를 기동하기 위해서 초기에 (U, V, W) 3상 중 U상에 일정 시간 동안 일정 크기의 전류를 인가하고, 브러시리스 모터의 회전자를 U상에 정렬시킨 후 센스리스 제어를 수행하였다. 즉, 브러시리스 모터의 회전자가 U상에 정렬한 상태에서 회전자의 위치를 0으로 가정하고, 이 위치를 기준위치로 하고 회전자의 위치를 통하여 모터의 속도를 제어하였다.
상기와 같은 방식으로 브러시리스 모터를 구동하는 경우, 초기 정렬시에 높은 부하 상태이거나 모터 회전자의 위치가 기준 위치에 정렬되지 않고, 기준위치 근처에 있을 경우에는 정렬이 완벽하게 되지 않는다. 회전자의 불완전한 초기 정렬 상태에서 모터가 구동되면, 모터 회전자의 초기 위치 오차 때문에 모터 기동이 실패할 수 있다. 또, 상기와 같이 브러시리스 모터를 기동하는 경우에, 브러시리스 모터에 고주파가 주입될 여지가 있고, 압축기의 부하 또는 속도에 따라 기동 알고리즘을 튜닝하는 데에 어려움이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 센서리스 브러시리스 모터를 기동함에 있어서 기동 성능을 향상시키고 기동 시간을 줄일 수 있는 브러시리스 모터의 구동 장치 및 구동 방법, 및 이를 포함한 공기 조화기를 제공하는 데에 일 목적이 있다.
본 발명의 실시 예들은 센서리스 브러시리스 모터를 기동함에 있어서 기동 로직을 간단히 하고, 부하에 따른 튜닝 시간을 줄이며, 고주파 소음을 저감할 수 있는 브러시리스 모터의 구동 장치 및 구동 방법, 및 이를 포함한 공기 조화기를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시 예들은 센서리스 브러시리스 모터의 기동 후 고속 센서리스 운전으로 순간적으로 절환되도록 하여 모터 구동 전류가 연속적으로 모터에 인가될 수 있도록 한 브러시리스 모터의 구동 장치 및 구동 방법, 및 이를 포함한 공기 조화기를 제공하는 데에 또 다른 목적이 있다.
일 실시 예에 따른 브러시리스 모터의 구동 장치는, 브러시리스 모터의 전단에 구비되어 상기 브러시리스 모터에 모터 구동 전압을 인가하는 인버터와, 기동 로직에 따라 상기 브러시리스 모터를 기동하는 기동 모드와, 센서리스 알고리즘을 이용하여 상기 브러시리스 모터를 운전하는 운전 모드를 구비하고, 절환 조건이 성립하면 상기 기동 모드의 수행을 정지하고 상기 운전 모드를 수행하는 제어 유닛을 포함하여 구성되고, 상기 제어 유닛은, 상기 기동 모드의 지령 전류의 크기를 일정 크기로 유지하고 지령 속도를 시간의 제곱에 비례하도록 증가시켜 상기 기동 모드를 수행한다.
상기 브러시리스 모터의 구동 장치는, 상기 브러시리스 모터의 구동에 따른 역기전력을 검출하는 역기전력 검출 유닛을 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 제어 유닛은, 상기 역기전력을 이용하여 상기 브러시리스 모터 내에 구비된 회전자의 추정 속도를 연산하는 속도 연산부를 포함한다.
일 실시 예에 따른 공기 조화기는, 압축기를 구비하고, 냉매를 배분하는 하나 이상의 실외기와, 상기 실외기와 냉매 배관을 통해 연결되고 공기 조화를 수행하는 복수의 실내기들과, 상기 압축기 내에 구비되는 브러시리스 모터와, 상기 브러시리스 모터를 구동하는 브러시리스 모터의 구동 장치를 포함하여 구동된다.
일 실시 예에 따른 브러시리스 모터의 구동 방법은, 기동 로직에 따라 브러시리스 모터를 기동하는 기동 모드와, 센서리스 알고리즘을 이용하여 상기 브러시리스 모터를 운전하는 운전 모드를 구비하는 브러시리스 모터의 구동 방법에 있어서, 상기 기동 모드를 수행하는 단계와, 절환 조건이 성립하면 상기 기동 모드를 상기 운전 모드로 절환하는 단계와, 상기 운전 모드를 수행하는 단계를 포함하여 구성되고, 상기 기동 모드를 수행하는 단계는, 지령 전류의 크기를 일정 크기로 유지하고 지령 속도를 시간의 제곱에 비례하도록 증가시킨다.
본 발명의 실시 예들은 종래 기술에 따른 센서리스 브러시리스 모터의 기동 시의 문제점을 해결할 수 있다. 또, 본 발명의 실시 예들은, 회전자의 자극을 판단하지 아니하여 기동 시간을 줄이고, 전류-주파수 방식으로 기동함으로써 기동 로직을 간단히 구현할 수 있고, 부하에 따른 튜닝 시간을 줄임으로써 안정적으로 초기 기동을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은, 센서리스 브러시리스 모터를 기동함에 있어서 회전자의 정렬(Align)을 위한 신호를 주입하지 아니함으로써 기동 시에 발생하는 고주파 소음을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시 예들은, 센서리스 브러시리스 모터의 기동 후 고속 센서리스 운전으로 순간적으로 절환되도록 함으로써 모터 구동 전류가 연속적으로 모터에 인가되도록 한다.
본 발명의 실시 예들은, 압축기 및 센서리스 브러시리스 모터의 안정성을 제고하고, 압축기가 구비된 냉동기, 예를 들어 공기 조화기의 운전 효율 및 안정을 제고한다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 브러시리스 모터의 구동 장치 및 방법이 적용되는 시스템 에어컨(멀티 공기 조화기)의 구성을 개략적으로 보인 도;
도 2는 도 1의 공기 조화기에 있어서, 실외기와 실내기의 세부 구성을 보인 도;
도 3은 일 실시 예에 따른 브러시리스 모터의 구동 장치를 개략적으로 보인 블록도;
도 4는 도 3의 구동 장치에 있어서, 브러시리스 모터를 센서리스 제어하는 동작을 설명하기 위한 블록도;
도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 브러시리스 모터의 기동 및 모드 절환 동작을 설명하기 위한 그래프;
도 6은 도 5에서의 모드 절환 동작에 따른 모터 구동 전류의 변화를 설명하기 위한 그래프;
도 7은 본 발명의 실시 예들에 따라 브러시리스 모터를 기동하기 위한 지령 속도의 변화를 보인 그래프;
도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 모드 절환 시, 지령 전류의 변화를 설명하기 위한 도; 및
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 브러시리스 모터의 구동 방법을 보인 흐름도들이다.
도 1을 참조하면, 공기 조화기는, 압축기를 구비하고, 냉매를 배분하는 하나 이상의 실외기(20)와, 상기 실외기와 냉매 배관을 통해 연결되고 공기 조화를 수행하는 복수의 실내기들(10, 10a, 10b, 10c)을 포함하여 구성된다. 상기 공기 조화기는, 상기 압축기 내에 구비되는 브러시리스 모터(400)와, 상기 브러시리스 모터를 구동하는 브러시리스 모터의 구동 장치를 더 포함한다. 여기서, 브러시리스 모터(Blushless Motor; BLDC, 이하, '브러시리스 모터')는 위치를 감지하는 센서, 예를 들어 홀 센서를 구비하지 아니하는 센서리스(Sensorless) 브러시리스 모터이다.
도 2를 참조하여 공기 조화기의 운전 동작을 간단히 설명한다.
도 2를 참조하면, 실내기(10)는 냉매와 실내 공기를 열 교환하는 실내 열교환기(11)와, 상기 실외기로부터 공급된 상기 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(미도시)와, 실내 팬(미도시)을 포함하여 구성된다.
도 2를 참조하면, 실외기(20)는 상기 냉매를 압축하는 압축기(22)와, 상기 냉매를 실외 공기와 열 교환하는 실외 열교환기(21)와, 상기 냉매가 상기 실외 열교환기(21) 또는 상기 실내 열교환기(11)로 토출되도록 연결하는 사방밸브(23)와, 액체 상태의 냉매를 여과하여 기체 상태의 냉매를 상기 압축기에 공급하는 어큐뮬레이터(24)와, 실외 팬(미도시)을 포함하여 구성된다. 압축기(22)는 정속 압축기(22a)와 인버터 압축기(22b)로 구분되어 포함될 수 있다. 또, 실외기(20)는, 인버터 압축기(22b)와 사방 밸브(23) 사이에 배치되어 유동되는 냉매 중 오일을 분리시키는 오일분리장치를 포함할 수 있다.
사방 밸브(23)는 냉매의 유동 흐름을 전환시켜 정속 압축기(22a) 및 인버터 압축기(22b)에서 토출된 냉매를 실외 열 교환기(21) 또는 실내 열 교환기(11)에 공급하도록 냉방 또는 난방 사이클이 구동되도록 한다.
어큐뮬레이터(24)는 사방 밸브(23)에서 토출된 냉매를 공급받아 정속 압축기(22a) 또는 인버터 압축기(22b)에 기체 상태의 냉매만을 공급한다.
정속 압축기(22a)는 일정한 양의 냉매를 압축하여 토출하고, 인버터 압축기(22b)는 소정의 범위 내에서 냉매의 압축량을 조절하여 토출하는 것이 가능하다. 특히, 정속 압축기(22a) 및 인버터 압축기(22b)는 제어 장치에 의해 어느 하나 또는 모두 구동되는 것이 가능하고, 정속 압축기(22a) 및 인버터 압축기(22b) 중 어느 하나만 구동될 경우 다른 하나의 압축기로 냉매가 유입되는 것을 방지하기 위해 정속 압축기 및 인버터 압축기의 토출측 냉매배관에는 각각 체크 밸브가 설치될 수 있다. 그리고, 어큐뮬레이터(24)와, 정속 압축기(22a) 및 인버터 압축기(22b)는 연결관을 통해 연결된다.
오일분리장치는 체크 밸브와 인버터 압축기(22b) 사이에 설치되는 오일분리기(22e)와, 오일분리기(22e)와 인버터 압축기(22b)의 사이에 설치되어 오일분리기(22e)에서 분리된 오일을 바이패스시키는 모세관(22f) 및 솔레노이드밸브(22g)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 모세관(22f)은 오일분리기 측에 설치되고, 솔레노이드밸브는 인버터 압축기(22b)의 입력 측에 설치된다. 솔레노이드밸브는 제어 장치에 의해 제어되어 소정 주기로 개폐됨으로써 오일분리기(22e)에서 분리된 오일이 인버터 압축기(22b)의 입력 측으로 유입되도록 한다. 일반적으로 정속 압축기(22a)의 용량은 인버터 압축기(22b)의 용량보다 크고, 인버터 압축기(22b)는 냉방 및 난방 운전 시, 실내 부하 용량에 기초하여 초기에 구동된다.
도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 브러시리스 모터의 구동 장치는, 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터(200)와, 인버터 제어 신호에 따라 직류 전원을 모터 구동 전압으로 변환하는 인버터(300)와, 상기 인버터에 인버터 제어 신호를 발생하는 제어 유닛(500)을 포함하여 구성된다. 여기서, 컨버터(200)는 상용 교류 전원(100)을 정류하는 정류부(210)와 정류된 전원을 평활화하는 직류 링크 커패시터(220)로 구성된다. 정류부(210)는 풀-브리지 다이오드(Full-Bridge Diodes)로 구성될 수 있다. 인버터(300)는, 브러시리스 모터(400)의 전단에 구비되어 상기 브러시리스 모터에 모터 구동 전압을 인가한다.
제어 유닛(500)은, 기동 로직에 따라 상기 브러시리스 모터를 기동하는 기동 모드와, 센서리스 알고리즘을 이용하여 상기 브러시리스 모터를 운전하는 운전 모드를 구비한다. 또, 제어 유닛(500)은, 절환 조건이 성립하면 상기 기동 모드의 수행을 정지하고 상기 운전 모드를 수행한다. 즉, 제어 유닛(500)은, 절환 조건에 따라 모드를 절환한다. 여기서, 절환 조건은, 후술하는 바와 같이, 목표 속도, 회전자의 정상 회전 여부 등이다.
도 5를 참조하면, 제어 유닛(500)은, 상기 기동 모드의 지령 전류의 크기를 일정 크기로 유지한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 기동 모드 시에 d축 전류가 일정하게 유지됨을 볼 수 있다. 또, 제어 유닛(500)은, 도 5 또는 도 7에 도시한 바와 같이, 지령 속도를 시간의 제곱에 비례하도록 증가시켜 상기 기동 모드를 수행한다. 도 7을 참조하면, 제어 유닛(500)은 전류를 고정시킨 상황에서 고정자의 주파수를 램프함수로 가속시킨다. 지령 속도의 주파수(f*)와 시간과의 관계는 하기의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서, kf는 양의 상수 값으로 1의 값을 가질 수 있다.
이때, 상기 주파수를 이용하여 지령 각(reference angle, θcrt)을 하기의 수학식 2와 같이 계산할 수 있다. 즉, 회전자의 위치는 지령 속도의 주파수를 적분함으로써 계산할 수 있다.
Figure pat00002
제어 유닛(500)은, 지령 속도가 일정 목표 속도에 도달하면 기동 모드에서 운전 모드로 절환한다. 예를 들어, 제어 유닛(500)은 목표 속도(도 7에서 fmax), 즉 주파수를 15Hz로 설정한다. 제어 유닛(500)은, 지령 속도의 주파수를 시간의 제곱에 비례하도록 증가시켜 15Hz가 되면 기동 모드를 종료하고 운전 모드를 시작한다.
이때, 기동 모드에서 운전 모드로의 절환 후, 지령 전류의 크기는 초기에 설정된 일정 크기를 그대로 유지된다. 도 8을 참조하면, 기동 모드에서의 d축 전류, q축 전류와, 운전 모드에서의 d축 전류, q축 전류는 각각 서로 다르나, 그 크기는 Imag로 동일하게 유지된다. 즉, 순간적으로 절환을 하더라도 기준 좌표에 차이가 있을 뿐, 실제 인가되는 전류 벡터는 바뀌지 아니한다.
또, 기동 모드와 운전 모드에서의 회전자 위치의 위상차를 초기 전류각으로 설정함으로써 모터 구동 전류가 연속적으로 절환된다. 도 6을 참조하면, 기동 모드에서의 모터 구동 전류와 절환 후의 운전 모드에서의 모터 구동 전류가 연속적으로 절환되는 것을 볼 수 있다. 제어 유닛(500)은, 기동 모드에서 지령 속도의 주파수에 의해 계산된 회전자의 위치(θcrt)와, 센서리스 알고리즘(예를 들어 역기전력을 이용하여 연산한 추정 위치)에서 연산한 회전자의 위치 사이의 위상 오차를 보상해 줌으로써 모터 구동 전류가 연속적으로 절환될 수 있도록 한다.
도 3을 다시 참조하면, 상기 브러시리스 모터의 구동 장치는, 상기 브러시리스 모터의 구동에 따른 역기전력을 검출하는 역기전력 검출 유닛(700)을 더 포함하여 구성된다. 각 상의 역기전력 정보는 도통하지 않는 상의 전압을 측정하여 얻을 수 있다. 즉, 역기전력 검출 유닛(700)은, 간단한 전압 검출 회로로 구성될 수 있다.
제어 유닛(500)은, 상기 역기전력을 이용하여 상기 브러시리스 모터 내에 구비된 회전자의 추정 속도를 연산하는 속도 연산부(590)를 포함한다. 예를 들어, 속도 연산부(590)는 역기전력이 영을 통과하는 지점(zero crossing point)을 검출하여 위치 정보를 연산한다. 일반적으로 스위칭을 하지 않는 상의 역기전력은 항상 영을 통과하게 된다. 제어 유닛(500)은 역기전력이 영이 되는 지점으로부터 일정 전기각(예, 30도)을 지난 지점에 따라 인버터(300)내에 구비된 스위칭 소자들(S1 내지 S6)을 스위칭한다.
제어 유닛(500)은 지령 속도가 목표 속도보다 느린 일정 기준 속도(도 7의 fmin)보다 빨라지면 회전자의 정상 회전을 판단한다. 이때, 제어 유닛(500)은, 상기 지령 속도 및 추정 속도를 비교하여 상기 회전자의 정상 회전을 판단한다.
예를 들어, 제어 유닛(500)은, 지령 속도의 주파수가 10 Hz보다 빨라져서 10~13Hz에 이르면, 역기전력을 이용하여 회전자의 속도를 추정한 다음, 지령 속도와 추정 속도를 비교한다. 제어 유닛(500)은, 하기 수학식 3을 이용하여 회전자의 회전을 판단할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, ω1은 기동 모드 시의 지령 속도이고, ω2는 상기 기준 속도 이후의 센서리스 알고리즘에 의해 연산된 추정 속도이다.
제어 유닛(500)은, 상기 회전자가 정상 회전하지 아니하면, 상기 브러시리스 모터의 구동을 정지하고 상기 전류 지령의 크기를 증가시킨다. 즉, 수학식 3에서 좌항의 계산 값이 우항의 const.보다 크면 정상이 아닌 것으로 판단하고, 브러시리스 모터가 설치된 압축기의 운전을 정지한다. 이 경우는 압축기의 부하가 커서 초기에 설정한 지령 전류의 일정 크기가 작은 경우가 된다. 이때, 제어 유닛(500)은 기동 모드에서의 지령 전류의 크기를 증가시켜 다시 기동 로직을 실행한다. 또, 제어 유닛(500)은, 기동 실패 회수를 카운트하여 일정 기준 회수(예, 3회) 이상이 되면, 기동 실패로 판단한다. 반면, 회전자가 정상 회전한 것으로 판단하면, 제어 유닛(500)은 지령 속도가 목표 속도에 도달한 후에 기동 모드에서 운전 모드로 절환한다.
도 3을 다시 참조하면, 상기 브러시리스 모터의 구동 장치는, 상기 브러시리스 모터에 인가되는 모터 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛(600)을 더 포함하여 구성된다. 제어 유닛(500)은 검출 전류와 지령 전류를 비교하여 인버터를 제어하는 인버터 제어 신호를 생성한다. 전류 검출 유닛(600)은, 인버터(300)와 브러시리스 모터의 사이에 연결되어 연속적으로 모터 구동 전류를 검출하는 전류 트랜스듀서(Current Transducer)이다. 전류 트랜스듀서는 모터 구동 전류를 검출하여 이를 전압 신호로 변환하여 제어 유닛(500)에 출력한다. 제어 유닛(500)은 인터럽트 신호를 발생하여 모터 구동 전류에 따른 전압 신호를 샘플링한다. 물론 상기 전류 검출 유닛으로 인버터 내의 스위칭 소자에 직렬 연결된 션트 저항을 사용할 수 있다. 또, 상기 브러시리스 모터의 구동 장치는, 컨버터(200)의 후단에 구비되어 인버터(300)에 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다.
도 4를 참조하여, 브러시리스 모터의 구동 장치의 센서리스 알고리즘에 대해 간단히 설명한다. 브러시모터의 구동 장치는, 일반적으로 (d, q) 좌표계를 사용하고, d축을 자속축으로 하여 제어한다. 이때, 구동 장치는, 자속각(θe)으로 d-q축을 회전하면서 모터를 제어하게 된다.
속도 제어부(510)는, 사용자가 원하는 속도 지령(ω*)과, 회전자 속도를 비교하는 비교기와, 속도 비례 적분 제어기(Proportional Integral Controller; PI)를 구비한다. 속도 제어부(510)는, 속도 지령과 회전자 속도를 입력받아 속도 오차를 비례 적분하여 q축 전류 지령(i* q)을 생성하고, 이를 전류 제어부(530)에 출력한다. 속도 제어부(510)는, 속도 지령(ωm *)과 회전자 속도(ωm)를 이용하여 전류 지령을 산출한다. 이때, 속도 연산부(590)는, 회전자 위치로부터 회전자 속도(
Figure pat00004
)를 연산할 수 있다.
브러시리스 모터의 구동 장치는, 상기 속도 지령을 입력받는 것이 아니라 토크 지령과 자속 지령에 따른 전류 지령을 직접 입력받아 모터를 제어할 수 있다.
전류 제어부(530)는, 속도 제어부(510)에서 생성된 q축 전류 지령과 d축 전류 지령(i* d)을 입력받아 전압 지령을 생성하여 출력한다. 전류 제어부(530)는 q축 전류 지령을 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(V* q)을 펄스 폭 변조 제어부(550)에 출력한다. 즉, 전류 제어부(530)는 q축 전류 지령과 전류 검출 유닛을 통해 검출된 모터 구동 전류를 축 변환부(570)를 통해 축 변환한 q축 검출 전류(iq)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(V* q)을 펄스 폭 변조 제어부(550)에 출력한다. 한편, 전류 제어부(530)는 d축 전류 지령을 다른 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(V* d)을 펄스 폭 변조 제어부(550)에 출력한다. 즉, 전류 제어부(530)는 d축 전류 지령과 모터 구동 전류를 축 변환한 d축 검출 전류(id)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(V* d)을 펄스 폭 변조 제어부(550)에 출력한다. 여기서, 상기 전압과 전류들은 동기 좌표계 상에서의 값들이다.
펄스 폭 변조 제어부(550)는, 먼저 상기 동기 좌표계의 전압 지령을 정지 좌표계(α,β)의 전압 지령으로 축 변환한다. 즉, 펄스 폭 변조 제어부(550)는 (V* d, V* q)를 (V* α, V* β)로 변환한다. 또한, 펄스 폭 변조 제어부(550)는 정지 좌표계의 전압 지령을 구동하고자 하는 모터 형태에 맞게 변환하여 출력한다. 즉, 펄스 폭 변조 제어부(550)는 정지 좌표계의 전압 지령을 3상의 전압 지령 (V* a, V* b, V* c)으로 변환하여 인버터(300)에 출력한다.
도 9를 참조하면, 일 실시 예에 따른 브러시리스 모터의 구동 방법은, 기동 로직에 따라 브러시리스 모터를 기동하는 기동 모드와, 센서리스 알고리즘을 이용하여 상기 브러시리스 모터를 운전하는 운전 모드를 구비하는 브러시리스 모터의 구동 방법에 있어서, 상기 기동 모드를 수행하는 단계(S100)와, 절환 조건이 성립하면 상기 기동 모드를 상기 운전 모드로 절환하는 단계(S200, S300)와, 상기 운전 모드를 수행하는 단계(S400)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 기동 모드를 수행하는 단계(S100)는, 예를 들어 도 10에 도시한 바와 같이, 지령 전류의 크기를 일정 크기로 유지하고 지령 속도를 시간의 제곱에 비례하도록 증가시킨다. 이하 장치의 구성은 도 3 내지 도 8을 참조한다.
도 5를 참조하면, 상기 모터 구동 장치는 상기 기동 모드의 지령 전류의 크기를 일정 크기로 유지한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 기동 모드 시에 d축 전류가 일정하게 유지됨을 볼 수 있다. 또, 상기 모터 구동 장치는, 도 5 또는 도 7에 도시한 바와 같이, 지령 속도를 시간의 제곱에 비례하도록 증가시켜 상기 기동 모드를 수행한다. 도 7을 참조하면, 상기 모터 구동 장치는, 전류를 고정시킨 상황에서 고정자의 주파수를 램프함수로 가속시킨다.
상기 절환하는 단계(S300)는, 상기 지령 속도가 일정 목표 속도에 도달하면 상기 기동 모드에서 상기 운전 모드로 절환한다. 예를 들어, 모터 구동 장치는, 목표 속도(도 7에서 fmax), 즉 주파수를 15Hz로 설정한다. 모터 구동 장치는, 지령 속도의 주파수를 시간의 제곱에 비례하도록 증가시켜 15Hz가 되면(S200) 기동 모드를 종료하고 운전 모드를 시작한다(S300).
이때, 기동 모드에서 운전 모드로의 절환 후, 지령 전류의 크기는 초기에 설정된 일정 크기를 그대로 유지된다. 도 8을 참조하면, 기동 모드에서의 d축 전류, q축 전류와, 운전 모드에서의 d축 전류, q축 전류는 각각 서로 다르나, 그 크기는 Imag로 동일하게 유지된다. 즉, 순간적으로 절환을 하더라도 기준 좌표에 차이가 있을 뿐, 실제 인가되는 전류 벡터는 바뀌지 아니한다.
또, 기동 모드와 운전 모드에서의 회전자 위치의 위상차를 초기 전류각으로 설정함으로써 모터 구동 전류가 연속적으로 절환된다. 도 6을 참조하면, 기동 모드에서의 모터 구동 전류와 절환 후의 운전 모드에서의 모터 구동 전류가 연속적으로 절환되는 것을 볼 수 있다. 상기 브러시리스 모터의 구동 장치는, 기동 모드에서 지령 속도의 주파수에 의해 계산된 회전자의 위치(θcrt)와, 센서리스 알고리즘(예를 들어 역기전력을 이용하여 연산한 추정 위치)에서 연산한 회전자의 위치 사이의 위상 오차를 보상해 줌으로써 모터 구동 전류가 연속적으로 절환될 수 있도록 한다.
도 10은, 도 9의 구체적인 실시 예로서, 도 10을 참조하면, 상기 브러시리스 모터의 구동 방법은, 상기 지령 속도가 상기 목표 속도(fmax)보다 느린 일정 기준 속도(fmin) 값보다 크면, 상기 브러시리스 모터 내에 구비된 회전자의 정상 회전을 판단하는 단계(S230)를 더 포함할 수 있다.
상기 브러시리스 모터의 구동 방법은, 상기 브러시리스 모터의 구동에 따른 역기전력을 검출하는 단계(미도시)와, 상기 역기전력을 이용하여 상기 브러시리스 모터 내에 구비된 회전자의 추정 속도를 연산하는 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 정상 회전을 판단하는 단계(S230)는, 상기 지령 속도와 상기 추정 속도를 비교하여 상기 정상 회전을 판단한다.
모터 구동 장치는, 지령 속도가 목표 속도보다 느린 일정 기준 속도(도 7의 fmin)보다 빨라지면(S210의 예) 회전자의 정상 회전을 판단한다(S230). 예를 들어, 모터 구동 장치는, 지령 속도의 주파수가 10 Hz보다 빨라져서 10~13Hz에 이르면, 역기전력을 이용하여 회전자의 속도를 추정한 다음, 지령 속도와 추정 속도를 비교한다.
상기 운전 모드를 수행하는 단계(S400)는, 상기 역기전력의 영 통과 지점을 검출하는 과정과, 상기 회전자의 위치 정보를 연산하는 과정과, 상기 위치 정보를 근거로 상기 브러시리스 모터에 모터 구동 전압을 인가하는 과정을 포함하여 구성된다. 상기 모터 구동 장치는 역기전력이 영을 통과하는 지점(zero crossing point)을 검출하여 위치 정보를 연산한다. 일반적으로 스위칭을 하지 않는 상의 역기전력은 항상 영을 통과하게 된다. 모터 구동 장치는, 역기전력이 영이 되는 지점으로부터 일정 전기각(예, 30도)을 지난 지점에 따라 인버터 내에 구비된 스위칭 소자들(S1 내지 S6)을 스위칭한다.
상기 브러시리스 모터의 구동 방법은, 상기 정상 회전을 판단하는 단계의 판단 결과, 상기 회전자가 정상 회전하지 아니하면, 상기 브러시리스 모터의 구동을 정지하고 상기 전류 지령의 크기를 증가시키는 단계(S130)를 더 포함하여 구성된다. 즉, 상기 모터 구동 장치는, 수학식 3에서 좌항의 계산 값이 우항의 const.보다 크면 정상이 아닌 것으로 판단하고, 브러시리스 모터가 설치된 압축기의 운전을 정지한다(S510). 이 경우는 압축기의 부하가 커서 초기에 설정한 지령 전류의 일정 크기가 작은 경우가 된다. 이때, 상기 모터 구동 장치는, 기동 모드에서의 지령 전류의 크기를 증가시켜 다시 기동 로직을 실행한다(S130).
또, 상기 모터 구동 장치는, 기동 실패 회수를 카운트하여(S530) 일정 기준 회수(예, 3회) 이상이 되면(S550), 기동 실패로 판단하고(S570) 기동 실패에 대한 메시지를 사용자 등에 알린다.
반면, 회전자가 정상 회전한 것으로 판단하면, 브러시리스 모터의 구동 장치는, 지령 속도가 목표 속도에 도달한 후에 기동 모드에서 운전 모드로 절환한다(S300).
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 브러시리스 모터의 구동 장치 및 구동 방법은, 회전자의 자극을 판단하지 아니하여 기동 시간을 줄이고, 전류-주파수 방식으로 기동함으로써 기동 로직을 간단히 구현할 수 있고, 부하에 따른 튜닝 시간을 줄임으로써 안정적으로 초기 기동을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은, 센서리스 브러시리스 모터를 기동함에 있어서 회전자의 정렬을 위한 신호를 주입하지 아니함으로써 기동 시에 발생하는 고주파 소음을 줄일 수 있다. 본 발명의 실시 예들은, 센서리스 브러시리스 모터의 기동 후 고속 센서리스 운전으로 순간적으로 절환함으로써 모터 구동 전류가 연속적으로 모터에 인가되도록 한다.
10, 10a, 10b, 10c: 실내기 20: 실외기
30: 냉매 배관 40: 통신선
100: 상용 전원 200: 컨버터
210: 정류부 220: 직류 링크 커패시터
300: 인버터 S1~S6: 스위칭 소자
400: 브러시리스 모터 500: 제어 유닛
600: 전류 검출 유닛 700: 역기전력 검출 유닛

Claims (15)

  1. 브러시리스 모터의 전단에 구비되어 상기 브러시리스 모터에 모터 구동 전압을 인가하는 인버터; 및
    기동 로직에 따라 상기 브러시리스 모터를 기동하는 기동 모드와, 센서리스 알고리즘을 이용하여 상기 브러시리스 모터를 운전하는 운전 모드를 구비하고, 절환 조건이 성립하면 상기 기동 모드의 수행을 정지하고 상기 운전 모드를 수행하는 제어 유닛;을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 기동 모드의 지령 전류의 크기를 일정 크기로 유지하고 지령 속도를 시간의 제곱에 비례하도록 증가시켜 상기 기동 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 지령 속도가 일정 목표 속도에 도달하면 상기 기동 모드에서 상기 운전 모드로 절환하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 기동 모드에서 상기 운전 모드로의 절환 후, 상기 지령 전류의 크기를 상기 일정 크기로 유지하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 브러시리스 모터의 구동에 따른 역기전력을 검출하는 역기전력 검출 유닛;을 더 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 역기전력을 이용하여 상기 브러시리스 모터 내에 구비된 회전자의 추정 속도를 연산하는 속도 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 지령 속도 및 추정 속도를 근거로 상기 회전자의 정상 회전을 판단하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 회전자가 정상 회전하지 아니하면, 상기 브러시리스 모터의 구동을 정지하고 상기 전류 지령의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 브러시리스 모터에 인가되는 모터 구동 전류를 검출하는 전류 검출 유닛;을 더 포함하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  8. 압축기를 구비하고, 냉매를 배분하는 하나 이상의 실외기; 및
    상기 실외기와 냉매 배관을 통해 연결되고 공기 조화를 수행하는 복수의 실내기들;을 포함하는 공기 조화기에 있어서,
    상기 공기 조화기는,
    상기 압축기 내에 구비되는 브러시리스 모터; 및
    상기 브러시리스 모터를 구동하는 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서의 브러시리스 모터의 구동 장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
  9. 기동 로직에 따라 브러시리스 모터를 기동하는 기동 모드와, 센서리스 알고리즘을 이용하여 상기 브러시리스 모터를 운전하는 운전 모드를 구비하는 브러시리스 모터의 구동 방법에 있어서,
    상기 기동 모드를 수행하는 단계;
    절환 조건이 성립하면 상기 기동 모드를 상기 운전 모드로 절환하는 단계; 및
    상기 운전 모드를 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 기동 모드를 수행하는 단계는,
    지령 전류의 크기를 일정 크기로 유지하고 지령 속도를 시간의 제곱에 비례하도록 증가시키는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 절환하는 단계는,
    상기 지령 속도가 일정 목표 속도에 도달하면 상기 기동 모드에서 상기 운전 모드로 절환하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  11. 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 지령 속도가 상기 목표 속도보다 느린 일정 기준 속도 값보다 크면, 상기 브러시리스 모터 내에 구비된 회전자의 정상 회전을 판단하는 단계;를 더 포함하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 브러시리스 모터의 구동에 따른 역기전력을 검출하는 단계; 및
    상기 역기전력을 이용하여 상기 브러시리스 모터 내에 구비된 회전자의 추정 속도를 연산하는 단계;를 더 포함하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 정상 회전을 판단하는 단계는,
    상기 지령 속도와 상기 추정 속도를 비교하여 상기 정상 회전을 판단하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 운전 모드를 수행하는 단계는,
    상기 역기전력의 영 통과 지점을 검출하는 과정;
    상기 회전자의 위치 정보를 연산하는 과정; 및
    상기 위치 정보를 근거로 상기 브러시리스 모터에 모터 구동 전압을 인가하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 정상 회전을 판단하는 단계의 판단 결과, 상기 회전자가 정상 회전하지 아니하면, 상기 브러시리스 모터의 구동을 정지하고 상기 전류 지령의 크기를 증가시키는 단계;를 더 포함하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
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