KR20140102536A

KR20140102536A - 3상 모터의 제어 장치 및 이를 포함한 왕복동식 압축기

Info

Publication number: KR20140102536A
Application number: KR1020130016003A
Authority: KR
Inventors: 허성용
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-08-22
Also published as: KR101997556B1

Abstract

3상 모터의 제어 장치 및 이를 포함한 왕복동식 압축기가 개시된다. 본 발명의 실시 예들은 3상 모터, 특히 브러시리스 모터의 구동 조건, 예를 들어 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 통전 방식을 달리하여 3상 모터를 효율적으로 구동할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 하나의 하드웨어 및 소프트웨어를 구성하고, 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 정현파 통전 방식을 구형파 통전 방식으로 전환하거나 그 반대로 전환하여 3상 모터의 구동을 제어함으로써 구동에 따른 각 통전 방식들의 장점을 활용하여 3상 모터를 효율적으로 구동할 수 있다.

Description

3상 모터의 제어 장치 및 이를 포함한 왕복동식 압축기{APPARATUS FOR CONTROLLING THREE-PHASE MOTOR AND RECIPROCATING COMPRESSOR HAVING THE SAME}

본 발명은 3상 모터를 제어하는 장치, 특히 브러시리스 모터를 제어하는 장치와 이를 포함한 제품에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치로서 냉동 시스템, 예를 들어 냉장고나 공기조화기 등,의 일부분으로 사용된다.

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. 왕복동식 압축기는 내부 피스톤을 실린더의 내부에서 선형으로 왕복 운동시킴으로써 냉매 가스를 흡입, 압축 및 토출한다. 상기 왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 크게 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분된다.

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.

이러한 모터를 구동함에 있어서 다양한 통전 방식이 있다. 그 중 하나는 정현파 통전 방식이고, 다른 하나는 구형파 통전 방식이다. 일반적으로 모터 제어 장치는 통전 방식들 중 하나의 통전 방식으로 설계된 하드웨어 및 소프트웨어를 구성하여 모터를 제어한다. 이러한 두 통전 방식들은 구동 조건에 따라 상대적으로 장단점이 있다. 따라서 일정 조건에서 각 통전 방식은 비효율적이 될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 3상 모터의 구동 조건에 따라 통전 방식을 달리하여 3상 모터를 구동하는 데에 일 목적이 있다.

본 발명의 실시 예들은 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 정현파 통전 방식을 구형파 통전 방식으로 전환하거나 그 반대로 전환하여 3상 모터의 구동을 제어하는 3상 모터의 제어 장치 및 이를 포함한 왕복동식 압축기을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

일 실시 예에 따른 3상 모터의 제어 장치는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 컨버터; 3상 모터의 전단에 구비되고, 인버터 제어 신호를 근거로 상기 직류 전원을 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터에 인가하는 인버터; 상기 컨버터와 상기 인버터의 사이에 구비되는 직류 링크 커패시터; 및 상기 인버터 제어 신호를 생성하여 출력하는 제어 유닛;을 포함하여 구성되고, 상기 제어 유닛은,적어도 정현파 통전 방식 및 구형파 통전 방식을 포함하고, 상기 3상 모터에 대한 속도 지령를 근거로 상기 정현파 통전 방식 또는 상기 구형파 통전 방식을 선택하여 상기 인버터 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 3상 모터의 제어 장치는, 상기 인버터로부터 상기 3상 모터에 흐르는 구동 전류를 검출하는 구동 전류 검출 유닛; 및 상기 인버터로부터 상기 3상 모터에 인가되는 구동 전압을 검출하는 구동 전압 검출 유닛;을 더 포함하여 구성된다.

실시 예에 있어서, 상기 제어 유닛은, 상기 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 상기 정현파 통전 방식을 상기 구형파 통전 방식으로 전환하거나, 또는 상기 구형파 통전 방식을 상기 정현파 통전 방식으로 전환하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 따른 왕복동식 압축기는, 밀폐용기의 내부에 구비되고, 구동 전원을 입력받아 회전하는 3상 모터; 상기 3상 모터의 상측에 설치되고, 상기 3상 모터의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부; 및 입력 교류 전원을 상기 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터의 구동을 제어하는 3상 모터의 제어 장치를 포함하여 구성된다.

본 발명의 실시 예들은 3상 모터, 특히 브러시리스 모터의 구동 조건, 예를 들어 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 통전 방식을 달리하여 3상 모터를 효율적으로 구동할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 하나의 하드웨어 및 소프트웨어를 구성하고, 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 정현파 통전 방식을 구형파 통전 방식으로 전환하거나 그 반대로 전환하여 3상 모터의 구동을 제어함으로써 구동에 따른 각 통전 방식들의 장점을 활용하여 3상 모터를 효율적으로 구동할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3상 모터의 제어 장치의 구성을 보인 블록도;
도 2는 도 1에서의 정현파 통전 방식 제어부의 구성을 보인 블록도;
도 3은 도 1에서의 구형파 통전 방식 제어부의 구성을 보인 블록도;
도 4는 정현파 통전 방식으로 모터 구동 시의 측정값들을 보인 그래프;
도 5는 구형파 통전 방식으로 모터 구동 시의 측정값들을 보인 그래프;
도 6은 정현파 통전 방식으로 모터 구동 시의 측정값들과 전기각의 변화의 관계를 보인 그래프;
도 7은 구형파 통전 방식으로 모터 구동 시의 측정값들과 전기각의 변화의 관계를 보인 그래프;
도 8 및 도 9는 정현파 통전 방식과 구형파 통전 방식을 매칭하기 위한 도들;
도 10은 본 발명에 따른 통전 방식의 전환을 설명하기 위한 그래프;
도 11 및 도 12는 정현파 통전 방식의 하나인 SVPWM과 구형파 통전 방식의 하나인 120도 통전 방식 사이의 전환에 따른 측정값들의 변화를 보인 그래프들;
도 13 및 도 14는 정현파 통전 방식의 하나인 DPWM과 구형파 통전 방식의 하나인 120도 통전 방식 사이의 전환에 따른 측정값들의 변화를 보인 그래프들;
도 15는 본 발명에 따른 통전 방식의 전환을 설명하기 위한 흐름도;
도 16은 응용 장치의 일 예로서, 본 발명에 따른 3상 모터 및 이의 제어 장치를 구비한 압축기를 보인 도; 및
도 17은 응용 장치의 다른 예로서, 도 16에서의 압축기를 구비한 냉장고를 보인 도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 3상 모터의 제어 장치는, 입력 교류 전원(10)을 직류 전원으로 정류하는 컨버터(20)와, 3상 모터(100)의 전단에 구비되고, 인버터 제어 신호를 근거로 상기 직류 전원을 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터(100)에 인가하는 인버터(40)와, 상기 컨버터(20)와 상기 인버터(40)의 사이에 구비되는 직류 링크 커패시터(30)와, 상기 인버터 제어 신호를 생성하여 출력하는 제어 유닛(50)을 포함하여 구성된다. 여기서, 3상 모터(100)로는 다양한 형태의 모터가 사용될 수 있으나, 일반적으로 브러시리스 모터(Blushless DC motor; BLDC motor)가 많이 사용된다. 따라서, 이하에서는 브러시리스 모터를 기본 전제로 설명할 수 있으나, 다른 3상 모터에도 발명의 범위를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 동일하게 적용될 수 있다.

컨버터(20)는 입력 교류 전원(10)에 연결되고, 입력 교류 전원(10)으로부터의 교류를 직류로 정류한다. 컨버터(20)는 일반적으로 복수의 다이오드, 일반적으로 4개의 다이오드로 구성된 다이오드 브리지,를 구비하여, 다이오드들에 의해 교류 전원의 교류 전압을 전파 정류하고, 직류 전압으로 변환한다.

직류 링크 커패시터(30)는 컨버터(20)의 출력 단에 병렬 연결되고, 커패시터의 양단에 생기는 직류 전압, 즉 직류 링크 전압을 인버터(40)의 입력단으로 인가한다. 직류 링크 커패시터(30)는 인버터(40) 내의 스위칭 소자들이 스위칭하는 동안, 스위칭 주파수에 대응하여 발생하는 리플 전압(전압 변동)을 평활화한다. 또, 직류 링크 커패시터(30)는, 컨버터(20)에 따라 정류하는 전압, 즉 전원 전압에 따라 변동하는 전압을 평활화할 수 있다.

인버터(40)는 일 단이 직류 링크 커패시터(30)에 병렬 접속되고, 타 단이 3상 모터(100)에 접속되어, 인버터 제어 신호에 따라 직류 링크 커패시터(30)의 출력을 스위칭하여 모터 구동 전압, 일반적으로 삼상 교류로 변환하여 3상 모터(100)에 공급한다.

제어 유닛(50)은, 적어도 정현파 통전 방식 및 구형파 통전 방식을 포함한다. 또, 제어 유닛(50)은 3상 모터(100)에 대한 속도 지령을 근거로 정현파 통전 방식 또는 구형파 통전 방식을 선택하여 인버터 제어 신호를 생성한다. 정현파 통전 방식은 공간 벡터 펄스 폭 변조 방식(Space Vector Pulse Width Modulation; SVPWM), 불연속 펄스 폭 변조 방식(Discrete PWM; DPWM) 등을 포함한다. 또, 구형파 통전 방식은 이른바 120도 통전 방식이라 불린다.

도 1을 다시 참조하면, 3상 모터의 제어 장치는, 상기 인버터(40)로부터 상기 3상 모터(100)에 흐르는 구동 전류를 검출하는 구동 전류 검출 유닛(60)을 더 포함하여 구성된다. 제어 유닛(50)은 검출 전류와 지령 전류를 비교하여 인버터를 제어하는 인버터 제어 신호를 생성한다. 구동 전류 검출 유닛(60)은, 인버터(40)와 3상 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(50)에 출력한다. 제어 유닛(50)은 인터럽트 신호를 발생하여 모터 구동 전류에 따른 전압 신호를 샘플링한다. 물론, 도 1에 도시한 바와 같이, 구동 전류 검출 유닛(60)은 인버터(40) 내의 스위칭 소자에 직렬 연결된 션트 저항일 수 있다. 도 1에서는 3상에 대하여 모두 구동 전류를 검출하도록 연결(3p)되어 있으나, 하나의 상에 대하여만 구동 전류를 검출하도록 연결(1p)될 수도 있다.

모터 구동 전류를 검출하여 3상 모터를 제어하는 경우에, 일반적으로 제어 유닛(50)은 상기 정현파 통전 방식을 이용한다. 정현파 통전 방식의 경우, 제어 장치는, 모터 구동 전류를 이용하여 센서리스 알고리즘, 예를 들어 전압 방정식, 자속 방정식, 확장된 역기전력 방정식,을 이용하여 전기각의 위치를 센싱한다. 정현파 통전 방식의 하나인 SVPWM 방식을 예로 들면, 3상의 6각 벡터도를 이용한다. 이 경우, 1상에서 다른 2상 또는 2상에서 다른 1상으로 전류가 흐르고, 3상의 펄스 폭 변조의 듀티의 변화가 서로 다르다. 일정한 출력 조건에 대하여 전기각에 따른 펄스 폭 변조 듀티가 변화된다. 진상 각 제어가 90도까지 가능해 고속에서의 제어 자유도가 높다.

도 2를 참조하면, 제어 유닛(50)은, 정현파 통진 방식으로 인버터(40)를 제어하는 정현파 통전 방식 제어부를 포함할 수 있다. 정현파 통전 방식 제어부는, 상기 속도 지령과 회전자 속도를 입력받고 속도 오차를 줄이는 전류 지령을 산출하여 출력하는 속도 제어부(511)와, 상기 전류 지령과 상기 구동 전류를 입력받고 전류 오차를 줄이는 전압 지령을 산출하여 출력하는 전류 제어부(513)와, 상기 전압 지령을 근거로 상기 인버터 제어 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 제어부(515)를 포함할 수 있다. 또, 정현파 통전 방식 제어부는, 3상을 d-q축의 2상으로 변환하는 축 변환부(517)를 더 포함할 수 있다. 또, 정현파 통전 방식 제어부는, 회전자 속도를 연산하여 속도 제어부(511)에 출력하는 속도 연산부(519)를 더 포함할 수 있다. 도 4는 정현파 통전 방식의 하나인 SVPWM으로 3상 모터를 구동하는 경우의 신호 측정값들을 보인 그래프이다. 도시한 바와 같이, 구동 전류를 검출하여 인버터 제어 신호를 생성하여 인버터를 통해 3상 모터의 U, V, W상의 게이트에 신호를 출력한다. 이때, 상 전류의 그래프가 정현파의 형태를 가진다.

속도 제어부(511)는, 사용자가 원하는 속도 지령(ω^* _m)과, 회전자 속도를 비교하는 비교기와, 속도 비례 적분 제어기(Proportional Integral Controller; PI)를 구비한다. 속도 제어부(511)는, 속도 지령과 회전자 속도를 입력받아 속도 오차를 비례 적분하여 q축 전류 지령(i^* _q)을 생성하고, 이를 전류 제어부(513)에 출력한다.

전류 제어부(513)는, 속도 제어부(511)에서 생성된 q축 전류 지령과 d축 전류 지령(i^* _d)을 입력받아 전압 지령을 생성하여 출력한다. 전류 제어부(513)는 q축 전류 지령을 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(V^* _q)을 펄스 폭 변조 제어부(515)에 출력한다. 즉, 전류 제어부(513)는 q축 전류 지령과 모터 구동 전류를 축 변환부(517)를 통해 축 변환한 q축 검출 전류(i_q)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(V^* _q)을 펄스 폭 변조 제어부(515)에 출력한다. 한편, 전류 제어부(513)는 d축 전류 지령을 다른 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(V^* _d)을 펄스 폭 변조 제어부(515)에 출력한다. 즉, 전류 제어부(513)는 d축 전류 지령과 모터 구동 전류를 축 변환한 d축 검출 전류(i_d)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(V^* _d)을 펄스 폭 변조 제어부(515)에 출력한다. 여기서, 상기 전압과 전류들은 동기 좌표계 상에서의 값들이다.

펄스 폭 변조 제어부(515)는, 먼저 상기 동기 좌표계의 전압 지령을 정지 좌표계(α,β)의 전압 지령으로 축 변환한다. 즉, 펄스 폭 변조 제어부(515)는 (V^* _d, V^* _q)를 (V^* _α, V^* _β)로 변환한다. 또한, 펄스 폭 변조 제어부(515)는 정지 좌표계의 전압 지령을 구동하고자 하는 모터 형태에 맞게 변환하여 출력한다. 즉, 펄스 폭 변조 제어부(515)는 정지 좌표계의 전압 지령을 3상의 전압 지령 (V^* _u, V^* _v, V^* _w)으로 변환하여 인버터(40)에 출력한다.

도 1을 다시 참조하면, 3상 모터의 제어 장치는, 상기 인버터(40)로부터 상기 3상 모터(100)에 인가되는 구동 전압을 검출하는 구동 전압 검출 유닛(70)을 더 포함하여 구성된다. 여기서도 3상의 구동 전압을 모두 검출하는 것으로 도시하였으나, 1상의 구동 전압만 검출할 수 있다. 모터 구동 전압을 검출하여 3상 모터를 제어하는 경우에, 일반적으로 제어 유닛(50)은 상기 구형파 통전 방식을 이용한다. 구형파 통전 방식의 경우, 제어 장치는, 상 전압 검출로 도통되지 아니하는 구간에서 나타나는 역기전력의 제로 크로싱 지점을 검출한다. 구형파 통전 방식은 단순 PWM 온 듀티 제어를 수행한다. 즉, 구형파 통전 방식은 1상에서 1상으로 전류가 흐르고, PWM 스위칭은 한 상에서만 이루어지며, 일정 출력 조건에서 전기각에 따른 PWM 듀티 변화가 일정하다. 구형파 통전 방식은 전기각 위치를 역기전력으로 직접 검출하므로 동기 구동(운전)에 유리하다.

도 3을 참조하면, 제어 유닛(50)은, 상기 구형파 통전 방식으로 상기 인버터를 제어하는 구형파 통전 방식 제어부를 포함할 수 있다. 구형파 통전 방식 제어부는, 상기 속도 지령과 회전자 속도를 입력받고 속도 오차를 줄이는 상기 인버터 제어 신호에 대한 듀티를 산출하는 듀티 제어부(521)와, 상기 구동 전압을 근거로 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출부(523)를 포함하여 구성된다. 또, 구형파 통전 방식 제어부는, 회전자 속도를 연산하여 듀티 제어부(521)에 출력하는 속도 연산부(525)를 더 포함할 수 있다. 구형파 통전 방식 제어부는 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 구동 전류의 주파수를 설정하여 듀티를 제어하는 인버터 제어 신호를 인버터(40)에 출력한다. 도 5는 구형파 통전 방식의 하나인 120도 통전 방식으로 3상 모터를 구동하는 경우의 신호 측정값들을 보인 그래프이다. 도 4와 달리, 상 전류의 파형이 구형파의 형태를 가진다. 또, U상의 게이트에 게이트 신호가 인가되지 아니하는 경우가 있다. 제어 장치는 구동 전압을 검출하여 인버터 제어 신호를 생성하여 인버터를 통해 3상 모터의 U, V, W상의 게이트에 신호를 출력한다.

상기에서는 구동 전류를 이용하여 정현파 통전 방식으로 인버터를 제어하거나, 또는 구동 전압을 이용하여 구형파 통전 방식으로 인버터를 제어하는 경우에 대해서만 설명하였으나, 반대의 경우, 즉 구동 전류와, 구형파 통전 방식을 이용할 수 있고, 구동 전압과 정현파 통전 방식을 이용할 수도 있다. 또, 구동 전류 검출 유닛이나 구동 전압 검출 유닛을 별개로 구비할 수도 있으나, 본 발명에서는 두 검출 유닛을 모두 구비하는 것이 좋다.

이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시 예들에 따른 통전 방식의 전환 동작을 설명한다.

제어 유닛(50)은, 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 정현파 통전 방식을 구형파 통전 방식으로 전환하거나, 또는 구형파 통전 방식을 정현파 통전 방식으로 전환한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 측정된 상 전류와 역기전력의 위상은 서로 동일하다. 도 6은 정현파 통전 방식의 하나인 SVPWM 방식으로 모터 구동되는 경우에서의 전기각과의 관계를 도시한 그래프이고, 도 7은 구형파 통전 방식의 경우이다. 전기각이 0에서 360도 변하는 동안 상 전류도 영 전류 시점을 지나게 된다.

도 8에 도시한 바와 같이, 120도 통전 방식에서 6개의 통전 스텝(step)들은 전기각이 일정 범위의 값들을 갖도록 단계적으로 구분된다. 각 스텝은 전기각 60도의 크기를 가진다. 도 8을 참조하면, 120도 통전 방식에서, 0 내지 5 스텝들은 각각 q축 기준의 전기각 210~270, 270~330, 330~30, 30~90, 90~150, 150~210도를 가진다. 또, SVPWM 방식의 6 섹터들은 120도 통전 방식의 6 스텝들에 대응될 수 있다. SVPWM 방식의 5, 0, 1, 2, 3, 4의 6 섹터(sector)들은 각각 120도 통전 방식의 0 내지 5 스텝들에 대응될 수 있다. 도 9는 d-q 축 좌표계와 3-상 좌표계(abc=uvw), 및 6 스텝들과 6 섹터들의 관계를 도시한 그래프이다.

도 10을 참조하면, 제어 유닛(50)은, 전기각의 변화에 따라 설정된 상기 구형파 통전 방식의 6 스텝과, 상기 정현파 통전 방식의 6 섹터를 서로 대응시키고, 통전 방식의 전환 시점은, 상기 6 스텝 중 하나의 스텝이 시작하는 시점일 수 있다. 또, 상기 통전 방식의 전환 시점은, q축 기준으로 상기 전기각이 270도인 시점일 수 있다. 이때, SVPWM 방식의 경우에 0 섹터가 시작하는 지점이고, 120도 통전 방식의 경우에 1 스텝이 시작하는 시점이다.

상기 전환 시점에서, 정현파 통전 방식인 SVPWM에서 구형파 통전 방식인 120도 통전 방식으로 전환하는 경우에는, PWM 주기를 제어하는 정현파 통전 방식 제어부는 디스에이블(disable)되고, 구형파 통전 방식 제어부는 이네이블(enable)된다. 이때, sector에 해당하는 스텝을 설정하고, 출력 전압을 설정하며, PWM을 톱니파로 변경한다. 이러한 조건으로 스텝 통전을 시작하고, 구동 속도에 따라 한 스텝의 시간폭을 설정하며, 해당 시간폭 이후에 차기 통전이 이루어지도록 하고, 차기 통전 중 예상되는 위치 신호에 대한 조건을 설정한다.

반대로, 상기 전환 시점에서 120 통전 방식에서 SVPWM으로 전환하는 경우에는, 스텝 전환 시점에서 전기각을 설정하고, 설정된 전기각을 이용하여 위치 신호를 검출한다. 또, 출력 전압을 산출하고, 위치 신호 검출 값에 의해 속도를 설정하며, PWM을 삼각파로 변경한다. PWM 주기를 제어하는 정현파 통전 방식 제어부는 이네이블(enable)되고, 구형파 통전 방식 제어부는 디스에이블(disable)된다.

도 11 내지 도 14는 본 발명에 따른 3상 모터의 제어 장치에 의해 통전 방식들이 안정적으로 전환되는 동작을 보인 그래프들이다. 도 11 및 도 12는 정현파 통전 방식의 하나로서 3상 변조 방식인 SVPWM과 120도 통전 방식 사이의 전환을 보인 그래프들이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 상기 전환 시점에서 SVPWM으로 모터를 구동하는 중 120도 통전 방식으로 안정적으로 전환되고, 도 12에 도시한 바와 같이 반대로 통전 방식이 안정적으로 전환된다. 도 13 및 도 14는 역시 정현파 통전 방식의 하나이나 2상 변조 방식인 DPWM과 120도 통전 방식 사이의 전환을 보인 그래프들이다. 2상 변조 방식의 경우에서도 120도 통전 방식과 전환이 안정적으로 잘 이루어짐을 볼 수 있다.

3상 모터의 제어 장치는 통전 방식에 따른 효율 특성이 주파수 지령(또는 구동 주파수(=운전 주파수)), 속도 지령(구동 속도(=운전 속도))에 따라 다르므로, 시스템 매칭을 통해 통전 방식에 따른 효율 특성을 확인한다. 그런 다음, 주파수 지령 또는 속도 지령에 따라 구동 간 통전 방식을 전환함으로써 모터를 정지하지 아니하고 연속적으로 제어할 수 있다. 이때, 3상 모터의 제어 장치는, 현재 구동 주파수에서의 구동이 안정 상태(steady state)인 경우에만 통전 방식을 전환하도록 구성될 수 있다. 전환 시점은 센서리스 제어의 특성을 고려하여 현 구동 주파수에서 모터 구동이 안정된 상태에서 실시한다.

도 15를 참조하여 본 발명에 따른 3상 모터의 제어 방법을 다시 설명한다. 먼저, 3상 모터를 구동한다(S10). 이때, 제어 장치는 임의의 통전 방식, 정현파 통전 방식으로 3상 모터를 구동할 수 있으나, 저속에서 상대적으로 효율이 좋은 구형파 통전 방식으로 기동하는 것이 좋다. 제어 장치는, 설정된 통전 방식(모드)이 정현파 통전 방식이면(S20), 정현파 통전 방식으로 인버터 제어 신호를 생성하여 모터를 구동하고(S30), 아니면 구형파 통전 방식으로 모터를 구동한다(S50). 그런 다음, 모드 전환 조건이 발생하면(S41, S61), 제어 장치는 전환 시점에 통전 방식을 전환한다. 이때, 3상 모터의 제어 장치는, 현재 구동 주파수에서의 구동이 안정 상태(steady state)인 경우에만 통전 방식을 전환하도록 구성될 수 있다(S43, S63). 전환 시점은 센서리스 제어의 특성을 고려하여 현 구동 주파수에서의 모터 구동이 안정된 상태에서 실시한다. 여기서, 모드 전환 조건은 시스템의 사양에 따라 달리 설정될 수 있는데, 전술한 바와 같이 속도 지령(구동 속도), 주파수 지령(구동 주파수)에 따라 달리 설정될 수 있다.

도 16 및 도 17은 본 발명의 실시 예들에 따른 3상 모터의 제어 장치를 구비한 응용 장치, 즉 전자 제품의 일 예로 왕복동식 압축기와 이를 포함한 냉장고를 예로 들어 설명한다. 물론, 3상 모터의 제어 장치는 다른 제품들에도 응용될 수 있다.

도 16을 참조하면, 일 실시 예에 따른 왕복동식 압축기는, 밀폐용기의 내부에 구비되고, 구동 전원을 입력받아 회전하는 3상 모터(100)와, 상기 3상 모터(100)의 상측에 설치되고, 상기 3상 모터의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부와, 입력 교류 전원을 상기 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터의 구동을 제어하는 3상 모터의 제어 장치를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 3상 모터의 제어 장치는, 전술한 바와 같이, 입력 교류 전원(10)을 직류 전원으로 정류하는 컨버터(20)와, 3상 모터(100)의 전단에 구비되고, 인버터 제어 신호를 근거로 상기 직류 전원을 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터(100)에 인가하는 인버터(40)와, 상기 컨버터(20)와 상기 인버터(40)의 사이에 구비되는 직류 링크 커패시터(30)와, 상기 인버터 제어 신호를 생성하여 출력하는 제어 유닛(50)을 포함하여 구성된다.

도 16은 일 실시 예에 따른 왕복동식 압축기를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 왕복동식 압축기는 밀폐용기(0)의 내부에 설치되어 정,역회전을 하는 3상 모터(100)와, 상기 3상 모터(100)의 상측에 설치되어 그 3상 모터(100)의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부(200)로 구성된다.

3상 모터(100)는 정회전과 역회전이 가능한 정속 모터이나 인버터 모터가 적용될 수도 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 3상 모터(100)로는 브러시리스 직류 모터인 것이 좋다. 그리고 상기 3상 모터(100)는 상기 밀폐용기(0)의 내부에 실린더블록으로 지지되어 탄력 설치되는 고정자(110)와, 상기 고정자(110)의 안쪽에 회전 가능하게 설치되는 회전자(120)로 이루어진다.

상기 압축부(200)는 압축공간을 이루도록 실린더(211)가 구비되어 상기 밀폐용기(0)에 탄력 지지되는 실린더블록과, 상기 실린더블록에 삽입되어 저널방향과 스러스트방향으로 지지되고 상기 3상 모터(100)의 회전자(120)에 결합되어 회전력을 전달하는 크랭크축(220)과, 상기 크랭크축(220)에 회전 가능하게 결합되어 회전운동을 직선운동으로 전환하는 커넥팅로드(230)와, 상기 커넥팅로드(230)에 회전 가능하게 결합되어 상기 실린더(211)에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 피스톤(240)과, 상기 실린더블록의 선단에 결합되어 흡입밸브와 토출밸브가 구비되는 밸브조립체(250)와, 상기 밸브조립체(250)의 흡입측에 결합되는 흡입머플러(260)와, 상기 밸브조립체(250)의 토출측을 수용하도록 결합되는 토출커버(270)와, 상기 토출커버(270)에 연통되어 토출되는 냉매의 토출소음을 감쇄시키는 토출머플러(280)로 이루어진다. 도면 중 미설명 부호인 2는 오일피더이다.

3상 모터(100)의 고정자(110)에 전원이 인가되면, 그 고정자(110)와 회전자(120)의 상호작용력에 의해 상기 회전자(120)가 크랭크축(220)과 함께 회전을 하고, 상기 크랭크축(220)의 캠부(223)에 결합된 상기 커넥팅로드(230)가 선회운동을 한다. 상기 커넥팅로드(230)에 결합된 상기 피스톤(240)이 실린더(211)에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하여 상기 토출커버(270)로 토출하고, 이 토출커버(270)로 토출되는 냉매는 토출머플러(280)를 거쳐 냉동사이클로 배출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이와 동시에, 상기 크랭크축(220)이 회전을 하면서 그 크랭크축(220)의 하단에 설치된 오일피더(2)가 상기 밀폐용기(0)의 저유부에 저장된 오일을 펌핑하고, 이 오일의 일부는 상기 크랭크축(220)의 오일유로를 통해 흡상되어 각 베어링면에 공급되는 한편 일부는 상기 크랭크축(220)의 상단에서 비산되어 3상 모터(100)를 냉각하게 된다.

상기 크랭크축(220)은 상기 회전자(120)에 결합되고 상기 실린더블록의 축수구멍(212)에 삽입되어 상기 실린더블록에 저널방향으로 지지되는 축부(221)와, 상기 축부(221)의 상단에 부채꼴 또는 편심진 원형 플랜지형상으로 편심지게 형성되어 상기 실린더블록의 스러스트베어링면에 얹혀질 볼베어링(300)에 의해 스러스트방향으로 지지되는 편심질량부(222)와, 상기 편심질량부(222)의 상면에서 상기 축부(221)에 대해 편심지게 형성되고 상기 커넥팅로드(230)가 회전 가능하게 삽입되는 캠부(223)로 이루어진다. 도면 중 미설명 부호인 225는 오일유로이다.

도 17을 참조하면, 냉장고(700)는 그 내부에 냉장고의 구동 전반을 제어하는 메인기판(710)에 구비되고, 왕복동식 압축기(C)가 연결된다. 상기 압축기 제어 장치 및 3상 모터의 구동 장치는 메인기판(710)에 구비될 수 있다. 냉장고(700)는 왕복동식 압축기의 구동에 의해 동작한다. 냉장고의 내부에 공급되는 냉기는 냉매의 열교환 작용에 의해서 생성되고, 압축-응축-팽창-증발의 사이클(Cycle)을 반복적으로 수행하면서 지속적으로 냉장고의 내부로 공급된다. 공급된 냉매는 대류에 의해서 냉장고 내부에 고르게 전달되어 냉장고 내부의 음식물을 원하는 온도로 저장할 수 있게 된다.

본 발명의 실시 예들에 따른 3상 모터의 제어 장치는, 3상 모터, 특히 브러시리스 모터의 구동 조건, 예를 들어 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 통전 방식을 달리하여 3상 모터를 효율적으로 구동할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 하나의 하드웨어 및 소프트웨어를 구성하고, 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 정현파 통전 방식을 구형파 통전 방식으로 전환하거나 그 반대로 전환하여 3상 모터의 구동을 제어함으로써 구동에 따른 각 통전 방식들의 장점을 활용하여 3상 모터를 효율적으로 구동할 수 있다.

10: 입력 교류 전원 20: 컨버터
30: 직류 링크 커패시터 40: 인버터
50: 제어 유닛 100: 3상 모터, 브러시리스 모터
60: 모터 전류 검출 유닛 70: 모터 전압 검출 유닛

Claims

입력 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 컨버터;
3상 모터의 전단에 구비되고, 인버터 제어 신호를 근거로 상기 직류 전원을 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터에 인가하는 인버터;
상기 컨버터와 상기 인버터의 사이에 구비되는 직류 링크 커패시터; 및
상기 인버터 제어 신호를 생성하여 출력하는 제어 유닛;을 포함하고,
상기 제어 유닛은,
적어도 정현파 통전 방식 및 구형파 통전 방식을 포함하고,
상기 3상 모터에 대한 속도 지령을 근거로 상기 정현파 통전 방식 또는 상기 구형파 통전 방식을 선택하여 상기 인버터 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 제어 장치.
제1 항에 있어서,
상기 인버터로부터 상기 3상 모터에 흐르는 구동 전류를 검출하는 구동 전류 검출 유닛; 및
상기 인버터로부터 상기 3상 모터에 인가되는 구동 전압을 검출하는 구동 전압 검출 유닛;을 더 포함하는 3상 모터의 제어 장치.
제2 항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
상기 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 상기 정현파 통전 방식을 상기 구형파 통전 방식으로 전환하거나, 또는 상기 구형파 통전 방식을 상기 정현파 통전 방식으로 전환하는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 제어 장치.
제3 항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
현재 구동 주파수에서의 구동이 안정 상태(steady state)인 경우에만 통전 방식을 전환하는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 제어 장치.
제3 항에 있어서,
상기 정현파 통전 방식은, 공간 벡터 펄스 폭 변조(SVPWM) 방식이거나, 또는 불연속 펄스 폭 변조(DPWM) 방식이고,
상기 구형파 통전 방식은, 120도 통전 방식인 것을 특징으로 하는 3상 모터의 제어 장치.
제5 항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
전기각의 변화에 따라 설정된 상기 구형파 통전 방식의 6 스텝과, 상기 정현파 통전 방식의 6 섹터를 서로 대응시키고,
통전 방식의 전환 시점은, 상기 6 스텝 중 하나의 스텝이 시작하는 시점인 것을 특징으로 하는 3상 모터의 제어 장치.
제6 항에 있어서,
상기 통전 방식의 전환 시점은, q축 기준으로 상기 전기각이 270도인 시점인 것을 특징으로 하는 3상 모터의 제어 장치.
제6 항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
상기 정현파 통진 방식으로 상기 인버터를 제어하는 정현파 통전 방식 제어부를 포함하고,
상기 정현파 통전 방식 제어부는,
상기 속도 지령과 회전자 속도를 입력받고 속도 오차를 줄이는 전류 지령을 산출하여 출력하는 속도 제어부;
상기 전류 지령과 상기 구동 전류를 입력받고 전류 오차를 줄이는 전압 지령을 산출하여 출력하는 전류 제어부; 및
상기 전압 지령을 근거로 상기 인버터 제어 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 제어 장치.
제6 항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
상기 구형파 통전 방식으로 상기 인버터를 제어하는 구형파 통전 방식 제어부를 포함하고,
상기 구형파 통전 방식 제어부는,
상기 속도 지령과 회전자 속도를 입력받고 속도 오차를 줄이는 상기 인버터 제어 신호에 대한 듀티를 산출하는 듀티 제어부; 및
상기 구동 전압을 근거로 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 모터의 제어 장치.
밀폐용기의 내부에 구비되고, 구동 전원을 입력받아 회전하는 3상 모터;
상기 3상 모터의 상측에 설치되고, 상기 3상 모터의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부; 및
입력 교류 전원을 상기 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터의 구동을 제어하는 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서의 상기 3상 모터의 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.