KR20170067151A - 모터 제어 시스템, 모터 제어 방법 및 진공 클리너 - Google Patents

모터 제어 시스템, 모터 제어 방법 및 진공 클리너 Download PDF

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KR20170067151A
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송 첸
시우 충 입
육 퉁 로
진 조우 첸
지안 순 조우
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존슨 일렉트릭 에스.에이.
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Abstract

모터 제어 시스템은 구동 제어부; 및 2개의 하프 브리지를 갖는 인버터를 포함한다. 모터에 대한 여기 전압이 반전되거나 또는 상기 모터가 프리휠링되는 경우, 상기 구동 제어부는 하나의 반도체 스위치를 턴 오프하고, 동일 하프 브리지에서의 지연 각도 동안 지연 후에 다른 반도체 스위치를 턴 온한다.

Description

모터 제어 시스템, 모터 제어 방법 및 진공 클리너{MOTOR CONTROL SYSTEM, CONTROL METHOD AND VACUUM CLEANER}
본 발명은 제어 시스템에 관한 것이며, 특히 효율을 개선할 수 있는 모터 제어 시스템, 모터 제어 방법 및 모터 제어 시스템을 포함하는 진공 클리너에 관한 것이다.
현재, 모터는 진공 클리너와 같은 각종 가전 제품에 동력원으로 적용되어 왔다. 일반적으로, 진공 클리너와 같은 가전 제품은 고속 회전으로 동작하는 모터에 의해 구동될 필요가 있다. 모터의 회전 속도가 증가함에 따라, 역기전력 또한 증가하며, 이는 모터에 대한 전력원의 활용 효율을 감소시킨다.
상술한 것으로, 본 발명에 따르면 효율을 개선할 수 있는 모터 제어 시스템, 모터 제어 방법 및 진공 클리너가 제공되어, 회전자가 고속으로 동작하는 경우의 모터에 대한 전력원의 활용 효율을 개선할 수 있다.
모터 제어 시스템으로서, 구동 제어부; 및 2개의 하프 브리지를 갖는 인버터를 포함하되; 모터에 대한 여기 전압이 반전되거나 또는 상기 모터가 프리휠링되는 경우, 상기 구동 제어부는 하나의 반도체 스위치를 턴 오프하고, 동일 하프 브리지에서의 지연 각도 동안 지연 후에 다른 반도체 스위치를 턴 온한다.
또한, 상기 모터 제어 시스템은 위치 센서를 포함하며, 상기 모터는 고정자 및 상기 고정자에 대해 회전 가능한 회전자를 포함하며; 상기 인버터는 전원과 상기 모터 사이에 결합되고, 상기 전원과 상기 모터 사이의 전력 공급 경로를 수립 또는 차단하며, 상기 위치 센서는 상기 모터의 회전자의 위치를 검출하여 검출 신호를 생성하고, 상기 검출 신호를 상기 구동 제어부로 송신하도록 구성되며; 상기 구동 제어부는 상기 전원과 상기 모터 사이의 전기 연결을 역기전력의 제로 크로싱에 진상 각도만큼 선행하여 턴 온하도록 구성되며; 또한 상기 모터는 전기 연결이 도통 각도 동안 턴 온된 이후에 프리휠링 각도 동안 프리휠링된다.
또한, 상기 인버터는 제1 반도체 스위치, 제2 반도체 스위치, 제3 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치를 포함하는 H- 브리지 회로이고; 상기 제1 반도체 스위치와 상기 제2 반도체 스위치는 제1 하프 브리지에서 직렬로 연결되고, 상기 제3 반도체 스위치와 상기 제4 반도체 스위치는 제2 하프 브리지에서 직렬로 연결된다.
또한, 상기 구동 제어부는 상기 제1 반도체 스위치, 상기 제2 반도체 스위치, 상기 제3 반도체 스위치 및 상기 제4 반도체 스위치에 연결되고, 상기 제1 반도체 스위치, 상기 제2 반도체 스위치, 상기 제3 반도체 스위치 및 상기 제4 반도체 스위치를 각각 제어하기 위하여 제1, 제2, 제3 및 제4 구동 신호를 출력하도록 구성되며, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 반도체 스위치는 하이 레벨에서 턴온되는 스위치들이다.
또한, 제1 하프 전기 사이클에서, 상기 구동 제어부는 상기 검출 신호의 에지를 진상 각도만큼 선행하여 제2 구동 신호를 로우 레벨로 점프하도록 제어하고, 제3 구동 신호를 로우 레벨에 유지되도록 제어하고, 제4 구동 신호를 하이 레벨에 유지되도록 제어하며; 또한 제2 구동 신호가 지연 각도 동안 로우 레벨로 점프한 이후에 제1 구동 신호를 하이 레벨로 점프하도록 제어한다.
또한, 상기 구동 제어부는 여기 전압이 도통 각도 동안 인가된 이후에 제1 구동 신호를 로우 레벨로 점프하도록, 제3 구동 신호가 로우 레벨에서 유지되도록, 상기 제4 구동 신호가 하이 레벨에서 유지되도록 제어하고; 상기 제1 구동 신호가 지연 각도 동안 로우 레벨로 점프한 이후에 상기 제2 구동 신호가 하이 레벨로 점프하도록 제어한다.
또한, 상기 검출 신호의 사전 에지 이후의 (180 ° -θadv)의 각도 지점에서, 상기 구동 제어부는 상기 제2 구동 신호를 로우 레벨로 점프하도록, 상기 제2 구동 신호가 지연 각도 동안 로우 레벨로 점프한 이후에 상기 제1 구동 신호를 하이 레벨로 점프하도록, 제3 구동 신호를 로우 레벨에 유지되도록, 제4 구동 신호를 하이 레벨에 유지되도록 제어하며, θadv는 진상 각도이다.
또한, 상기 구동 제어부는 검출 신호의 현재 에지 이후에 구동 각도(θdrv) 내에서 모터가 여기를 유지하도록 제어하고, 구동 각도(θdrv) 후에 상기 제1 구동 신호는 로우 레벨로 점프하도록 제어되고, 상기 제1 구동 신호가 지연 각도 동안 로우 레벨로 점프한 이후에 상기 제2 구동 신호는 하이 레벨로 점프하도록 제어되고, 상기 제3 구동 신호는 로우 레벨에 유지되도록 제어되고, 상기 제4 구동 신호는 하이 레벨에 유지되도록 제어되고, θdrv = θcon-θadv이며, θadv는 진상 각도이고, θcon은 도통 각도이다.
또한, 다음 하프 전기 사이클에서, 상기 구동 제어부는 상기 제3 구동 신호를 하이 레벨로 점프하도록, 상기 제4 구동 신호를 로우 레벨로 점프하도록, 상기 제1 구동 신호를 로우 레벨에 유지되도록, 상기 제2 구동 신호를 상기 검출 신호의 다음 에지에 선행하여 하이 레벨에 유지되도록 제어하며, 상기 도통 각도 동안 상기 여기 전압이 인가된 후, 상기 구동 제어부는 상기 제1 구동 신호를 로우 레벨에 유지되도록, 상기 제2 구동 신호를 하이 레벨에 유지되도록, 상기 제3 구동 신호를 로우 레벨로 점프하도록, 상기 제3 구동 신호가 지연 각도 동안 로우 레벨로 점프한 이후에 제4 구동 신호를 하이 레벨로 점프하도록 제어한다.
또한, 상기 진상 각도의 범위는 0° 내지 30°이다.
또한, 상기 지연 각도는 상기 진상 각도 및 상기 도통 각도 보다 적다.
모터 제어 방법으로서,
모터에 대한 여기 전압이 반전되거나 또는 상기 모터가 프리휠링되는 경우, 하나의 반도체 스위치를 턴 오프하는 단계; 및
동일 하프 브리지에서의 지연 각도 동안 지연 후에 다른 반도체 스위치를 턴 온하는 단계를 포함한다.
모터를 포함하는 진공 클리너로서, 상기 진공 클리너는 전술한 모터 제어 시스템을 더 포함한다.
본 발명은 도면 및 일부 실시예와 결부하여 이하에 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진공 클리너의 구조적 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 시스템의 기능적 모듈의 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 시스템의 특정 회로의 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구동 신호의 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구동 신호의 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 방법의 흐름도이다.
도 1을 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 진공 클리너(100)의 구조적 블럭도이다. 진공 클리너(100)는 모터 제어 시스템(1), 전원(2) 및 모터(3)를 포함한다. 모터 제어 시스템(1)은 모터(3)를 위한 전력을 제공하기 위하여 전원(2)을 제어하도록 구성된다. 모터 제어 시스템(1)은 역기전력의 제로 크로싱에 진상 각도만큼 선행하여 모터(3)를 여기하기 위한 여기 전압을 제공하기 위하여 전원(2)을 제어한다. 모터 제어 시스템(1)은 모터(3)가 기동된 이후에 가속 모드로부터 정속 동작 모드로 진행하는 동안 진상 각도를 점차 증가시킨다. 전원(2)은 24V 또는 12V의 전압을 출력하는 직류 전원이다. 가속 모드는 모터(3)의 회전자(32)(도 2에 도시됨)의 회전 속도가 점차 증가하는 단계를 칭하며, 정속 동작 모드는 모터(3)의 회전자(32)의 회전 속도가 소정 속도를 유지하는 단계를 칭한다.
모터 제어 시스템(1)은 도통 각도 내에서 모터를 여기하고, 모터 제어 시스템(1)은 모터(3)가 기동된 이후에 가속 모드로부터 정속 동작 모드로 진행하는 동안 도통 각도를 소정값으로 점차 감소시킨다. 도통 각도는 모터(3)가 통전되는 하프 전기 사이클에서의 여기의 시작으로부터 여기의 종료까지의 각도를 칭한다.
하프 전기 사이클에서, 모터 제어 시스템(1)은 도통 각도 이후 모터(3)를 프리휠링 하도록 제어한다. 그러므로, 하프 전기 사이클에서, 모터 제어 시스템(1)은 모터(3)를 순차적으로 여기하고 프리휠하도록 제어한다.
진상 각도는 각 여기의 시작에서 모터(3)에 가해지는 토크를 최대화하도록 설정되고 선택되어, 모터(3)의 효율을 개선한다.
도 2를 또한 참조로, 모터 제어 시스템(1)의 기능적 모듈의 도면을 도시한다. 모터 제어 시스템(1)은 인버터(10), 위치 센서(20) 및 구동 제어부(30)를 포함한다. 모터(3)는 고정자(31) 및 고정자(31)에 대해 회전 가능한 회전자(32)를 포함한다. 인버터(10)는 전원(2)과 모터(3) 사이에 결합되고, 전원(2)과 모터(3) 사이에 전원 공급 경로를 설정하거나 차단하도록 구성된다. 구동 제어부(30)는 위치 센서(20)와 인버터(10) 사이에 결합된다. 위치 센서(20)는 모터(3)의 회전자(32)의 위치를 검출하고, 역기전력의 제로 크로싱을 표시하는 신호를 포함하는 검출 신호를 생성하고, 또한 검출 신호를 구동 제어부(30)에 전송하도록 구성된다. 구동 제어부(30)는 역기전력의 제로 크로싱에 진상 각도 만큼 선행하여 전원(2)과 모터(3) 사이의 전기 연결을 턴 온하도록 인터버(10)를 제어하기 위하여 검출 신호에 따라 구동 신호를 출력한다. 따라서, 모터(3)는 선행하여 여기되고, 인버터(10)는 도통 각도 이후에 전원(2)과 모터(3) 사이의 전기 연결을 차단하도록 제어되어, 도통 각도 동안 여기가 수행된 이후에 모터(3)가 프리휠되도록 제어한다.
도 2에 도시된 것처럼, 모터 제어 시스템(1)은 스위치 구동 모듈(40)을 더 포함한다. 스위치 구동 모듈(40)은 구동 제어부(30)와 인버터(10) 사이에서 연결되고, 인버터(10)를 구동하기 위하여 구동 제어부(30)에 의해 출력된 구동 신호를 부스트하도록 구성된다.
구동 제어부(30)는, 위치 센서(20)의 검출 신호를 기초로 생성된 구동 신호를 기초로, 인버터(10)가 역기전력의 제로 크로싱에 진상 각도만큼 선행하여 전원(2)과 모터(3) 사이에서의 제1 전원 경로를 설정하여 모터(3)가 제1 방향의 여기 전류로 선행하여 여기되며; 또한 역기전력의 다음 제로 크로싱에 진상 각도만큼 선행하여 전원(2)과 모터(3) 사이에서의 제2 전원 경로를 설정하여 모터(3)가 제2 방향의 여기 전류로 선행하여 여기된다. 이러한 방식으로, 인버터(10)는 전원(2)과 모터(3) 사이에서 제1 전원 경로와 제2 전원 경로를 교대로 설정하여, 여기 전류의 방향을 교대로 변화시켜서, 전원(2)에 의해 제공되는 직류가 교류로 반전되어 모터(3)가 동작을 유지하도록 구동한다.
모터(3)로부터 지속되는 하프 전기 사이클은 여기 전류를 수신하여 여기 전류가 방향을 변경하도록 한다. 각 하프 전기 사이클에서, 모터(3)는 순서대로 여기되고 프리휠된다.
도 3을 참조로, 모터 제어 시스템(1)의 특정 회로의 도면이다. 전원(2)은 직류 전원이며, 양의 단자(21)와 음의 단자(22)를 포함한다. 모터(3)는 제1 전극 단자(33) 및 제2 전극 단자(34)를 더 포함한다. 고정자(31)는 코일 권선이며, 고정자(31)의 2개의 단자는 각각 제1 전극 단자(33) 및 제2 전극 단자(34)에 전기적으로 연결된다. 인버터(10)는 전원(2)의 양의 단자(21), 전원(2)의 음의 단자(22), 제1 전극 단자(33)와 제2 전극 단자(34) 사이에 전기적으로 연결되며, 전원(2)의 양의 단자(21) 및 음의 단자(22)로부터 제1 전극 단자(33) 및 제2 전극 단자(34)까지의 제1 전원 경로 또는 제2 전원 경로를 설정하도록 구성된다.
제1 전원 경로에서, 전원(2)의 양의 단자(21) 및 음의 단자(22)는 각각 제1 전극 단자(33)와 제2 전극 단자(34)에 연결된다. 제2 전원 경로에서, 전원(2)의 양의 단자(21) 및 음의 단자(22)는 각각 제2 전극 단자(34) 및 제1 전극 단자(33)에 연결된다.
실시예에서, 회전자(32)는 영구 자석이고, 고정자(31)에 대해 회전 가능하다. 위치 센서(20)는 모터(3) 부근에 배치되고, 회전자(32)의 위치를 검출함에 의해 역기전력의 제로 크로싱을 통과하는 것을 포함하는 검출 신호를 생성한다. 구체적으로, 위치 센서(20)가 자극 N 또는 자극 S를 검출하는 경우, 생성된 검출 신호의 레벨이 변화하고, 에지가 형성되며, 여기서 에지는 모터(3)에서의 역기전력이 이 순간에 제로 크로싱을 통과함을 나타낸다.
도 3에 도시된 것처럼, 실시예에서, 인버터(10)는 H 브리지 회로이며, 제1 반도체 스위치(Q1), 제2 반도체 스위치(Q2), 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)를 포함한다. 제1 반도체 스위치(Q1) 및 제2 반도체 스위치(Q2)는 전원(2)의 양의 단자(21)와 음의 단자(22) 사이에서 순서대로 직렬로 연결된다. 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)는 또한 전원(2)의 양의 단자(21)와 음의 단자(22) 사이에서 순서대로 직렬로 연결된다. 모터(3)의 제1 전극 단자(33) 및 제2 전극 단자(34)가 각각 제1 반도체 스위치(Q1) 및 제2 반도체 스위치(Q2)의 연결 노드(N1) 및 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)의 연결 노드(N2)에 연결된다.
구동 제어부(30)는 제1 반도체 스위치(Q1), 제2 반도체 스위치(Q2), 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)에 연결된다. 구동 제어부(30)는 제1 반도체 스위치(Q1), 제2 반도체 스위치(Q2), 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)를 각각 제어하기 위해 4개의 구동 신호(S1 내지 S4)를 출력하도록 구성된다. 본 실시예에서, 제1 반도체 스위치(Q1), 제2 반도체 스위치(Q2), 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)는 하이 레벨에서 턴 온하는 스위치이다. 본 실시예에서, 제1 반도체 스위치(Q1), 제2 반도체 스위치(Q2), 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)는 NMOSFET이고; 또는 일부는 NMOSFET이고 다른 것은 IGBT 또는 NPNBJT이다.
또한, 도 4는 검출 신호(H1), 구동 신호(S1 내지 S4) 및 여기 전류(C1)의 타이밍도이다. 위치 센서(20)는 회전자(32)의 위치를 검출하고 위치에 따라 파형이 변화하는 검출 신호를 생성한다. 회전자(32)의 자극(N) 또는 자극(S)이 위치 센서(20)에 대응하는 위치로 회전하면, 검출 신호(H1)의 레벨이 변화하여 에지가 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 구동 제어부(30)는 제1 하프 전기 사이클(Thalf)에서, 검출 신호(H1)의 에지(E1)가 진상 각도(θadv)만큼 선행하여 하이 레벨로 점프하도록 구동 신호(S1)를 제어하고, 검출 신호(H1)의 진상 각도(θadv)만큼 선행하여 로우 레벨로 점프하도록 구동 신호(S2)를 제어하고, 로우 레벨에서 유지되도록 구동 신호(S3)를 제어하고, 하이 레벨에서 유지되도록 구동 신호(S4)를 제어한다. 이와 같이, 검출 신호(H1)의 에지를 진상 각도(θadv)만큼 선행하는 타이밍에서, 제1 반도체 스위치(Q1)가 구동 신호(S1)에 의해 제어되어 턴 온이 되고, 제2 반도체 스위치(Q2)가 구동 신호(S2)에 의해 제어되어 턴 오프가 되고, 제3 반도체 스위치(Q3)가 구동 신호(S3)에 의해 제어되어 턴 오프되고, 제4 반도체 스위치(Q4)가 구동 신호(S4)에 의해 제어되어 턴 온된다. 그 결과, 인버터(10)는 모터(3)의 고정자(31)와 전원(2) 사이의 제1 공급 경로를 설정하고, 여기 전압은 모터(3)의 고정자(31)에 인가된다.
또한, 구동 제어부(30)는 여기 전압이 도통 각도(θcon)에 대해 인가된 후 구동 신호(S1)를 로우 레벨로 점프하도록, 구동 신호(S2)를 하이 레벨로 점프하도록, 구동 신호(S3)를 로우 레벨에서 유지되도록, 및 구동 신호(S4)를 하이 레벨에서 유지되도록 제어한다. 이 경우, 제1 반도체 스위치(Q1) 및 제3 반도체 스위치(Q3)는 턴 오프되고, 제2 반도체 스위치(Q2) 및 제4 반도체 스위치(Q4)는 턴 온되고, 모터(3)의 고정자(31)와 전원(2) 사이의 연결은 차단된다. 모터(3)의 고정자(31)는 턴 온되는 제2 반도체 스위치(Q2) 및 제4 반도체 스위치(Q4)를 이용하여 프리휠링 각도(θfre) 내에서 프리휠링될 프리휠링 회로를 형성한다.
구동 제어부(30)는 검출 신호(H1)의 사전 에지(즉, 에지(E1) 이전의 에지)에 기초하여 현재 에지(E1) 이전의 진상 각도(θadv)의 위치를 결정한다. 명백하게, 하프 전기 사이클에서, (180 °- θadv)은 이전 에지와 진상 각도(θadv)(선행하여 여기를 시작하는 타이밍) 사이의 각도이다. 구동 제어부(30)는 검출 신호(H1)의 에지(E1)에 선행하여 진상 각도(θadv)의 지점에서 구동 신호(S1)를 하이 레벨로 점프시키고, 검출 신호(H1)의 에지(E1)에 선행하여 진상 각도(θadv)의 지점에서 구동 신호(S2)를 로우 레벨로 점프시키고, 구동 신호(S3)를 로우 레벨에서 유지시키고, 구동 신호(S4)는 하이 레벨에서 유지시키도록 제어한다. 즉, 구동 신호(S1)는 검출 신호(H1)의 에지(E1) 이전의 사전 에지 이후의 지점(180 °- θadv)에서 구동 제어부(30)는 구동 신호(S1)를 하이 레벨로 점프시키고, 구동 신호(S2)를 로우 레벨로 점프시키고, 구동 신호(S3)를 로우 레벨에서 유지시키고, 구동 신호(S4)를 하이 레벨에서 유지시키도록 제어한다.
본 실시예에서, 도통 각도(θcon) 및 진상 각도(θadv)은 모두 속도와 관련되며 룩업 테이블(look-up table)로부터 얻어질 수 있다. 예를 들어, 속도 대 도통 각도(θcon) 및 진상 각도(θadv)의 관계가 룩업 테이블에 기록된다. 대응하는 도통 각도(θcon) 및 대응하는 진상 각도(θadv)는 현재 속도를 기초로 룩업 테이블에서 발견될 수 있다. 도통 각도 θcon = θadv + θdrv에 기초하여, θdrv = θcon-θadv가 얻어질 수 있으며, 여기서, θdrv는 검출 신호의 에지(E1) 이후에 여기가 지속되는 구동 각도이다. 따라서, 구동 제어부(30)는 도통 각도(θcon)에 대해 여기 전압을 인가한 후, 구동 신호(S1)를 로우 레벨로 점프시키고, 구동 신호(S2)를 하이 레벨로 점프시키고, 구동 신호(S3)를 로우 레벨에서 유지하고, 구동 신호(S4)를 하이 레벨에서 유지되도록 제어한다. 즉, 검출 신호(H1)의 에지(E1) 후에 모터(3)가 구동 각(θdrv) 내에서 계속 여기되고, 구동 신호(S1)가 구동(θdrv) 후에 로우 레벨로 점프하도록 제어되고, 구동 신호(S2)를 하이 레벨로 점프하도록 제어되고, 구동 신호(S3)가 로우 레벨에서 유지되도록 제어되고, 구동 신호(S4)가 하이 레벨에서 유지되도록 제어된다.
도통 각도(θcon)와 프리휠링 각(θfre)의 합은 하프 전기 사이클, 즉 θcon + θfre = 180 °이다. 따라서, 프리휠링 각도(θfre)은 θfre = 180 ° -θcon에 기초하여 얻어질 수 있다.
이러한 방식으로, 구동 제어부(30)는 위치 센서(20)에 의해 생성된 검출 신호에 기초하여 구동 신호(S1 내지 S4)를 생성하고, 모터(30)는 진상 각도(θadv)만큼 검출 신호의 에지에 선행하여 여기되고, 도통 각도(θcon) 동안의 여기 이후에 프리휠링 된다.
구동 제어부(30)는 프리휠링이 프리휠링 각도(θfre)에 대해 수행 된 후, 즉 다음의 하프 전기 사이클로 진입하기 위해 여기 전압의 방향을 전환한 후 공급 경로를 전환하고, 전술한 공정과 유사한 공정이 수행된다. 구체적으로는, 구동 제어부(30)는 구동 신호(S3)를 검출 신호(H1)의 다음 에지(E2)에 진상 각도(θadv)만큼 선행하여 하이 레벨로 점프하도록 제어하고, 구동 신호(S4)를 로우 레벨로 점프하도록 제어하고, 구동 신호(S1)를 로우 레벨에 유지되도록 제어하고, 구동 신호(S2)를 하이 레벨에 유지되도록 제어한다. 이 경우, 구동 신호(S3) 및 구동 신호(S2)에 의해 각각 제어되는 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제2 반도체 스위치(Q2)가 턴 온되고, 구동 신호(S1 및 S4)에 의해 각각 제어되는 제1 반도체 스위치(Q1) 및 제4 반도체 스위치(Q4)를 오프로 하고, 모터(3)에 인가되는 여기 전압을 반전시켜 모터(3)의 회전자(32)를 동일 방향으로 계속해서 구동시킨다. 마찬가지로, 구동 제어부(30)는, 도통 각도(θcon)에 대해 역 여기 전압을 인가 한 후, 구동 신호(S1)를 로우 레벨에 유지하고, 구동 신호(S2)를 하이 레벨에 유지하고, 구동 신호(S3)를 로우 레벨로 점프하고, 구동 신호(S4)를 하이 레벨로 점프하도록 제어한다. 이 경우, 제1 반도체 스위치(Q1) 및 제3 반도체 스위치(Q3)는 턴 오프되고, 제2 반도체 스위치(Q2) 및 제4 반도체 스위치(Q4)는 턴 온되고, 모터(3)의 고정자(31)는 프리휠링 회로를 형성하여 제2 반도체 스위치(Q2) 및 제4 반도체 스위치(Q4)를 이용하여 프리휠링 각도(θfre) 내에서 프리휠링을 수행한다.
이전 하프 전기 사이클와 유사하게, 검출 신호(H1)의 다음 에지(E2)에 진상 각도(θadv)만큼 선행하여, 구동 신호(S3)는 하이 레벨로 점프하고, 구동 신호(S4)는 로우 레벨로 점프하도록 제어되고, 구동 신호(S1)를 로우 레벨에 유지되도록 제어되고, 구동 신호(S2)는 하이 레벨에 유지되도록 제어된다. 즉, 현재 에지(E1) 이후의 점(180 ° -θadv)에서 구동 신호(S3)가 하이 레벨로 점프하도록 제어되고, 구동 신호(S4)가 로우 레벨로 점프하도록 제어되고, 구동 신호(S1)가 로우 레벨을 유지하도록 제어되고, 구동 신호(S2)는 하이 레벨을 유지하도록 제어된다. 마찬가지로, 도통 각도(θcon)에 대해 역 여기 전압을 인가한 후, 구동 제어부(30)는 구동 신호(S1)를 로우 레벨에 유지하고, 구동 신호(S2)를 하이 레벨에 유지하고, 구동 신호(S3)를 로우 레벨로 점프하고, 구동 신호(S4)를 하이 레벨로 점프하도록 제어한다. 이것은 검출 신호(H1)의 다음 에지(E2) 이후의 구동 각도(θdrv) 내에서 계속해서 유지되고, 생성된 구동 신호(S1)가 로우 레벨에 유지되도록 제어하고, 구동 신호(S2)가 하이 레벨에 유지되도록 제어하고, 구동 신호 구동 신호(S4)는 구동 각(θdrv) 후에 하이 레벨로 점프한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 잔류 전류의 영향으로 인버터(10)가 구동 신호(S1 내지 S4)에 응답하여 공급 경로를 스위칭 한 후에, 모터(3)의 고정자(31)를 통해 흐르는 전류(C1)의 방향은 잠시 지연 후에 변화할 것이다.
위치 센서(20)는 홀 센서이고, 생성된 검출 신호(H1)는 홀 신호이다. 자극(N) 또는 자극(S)이 근방에 있을 때, 홀 신호에서 에지의 변화가 발생하여 에지가 형성된다.
본 실시예에서, 진상 각도(θadv)는 0 ° 내지 30 °의 범위에서 변한다. 즉, 모터(3)가 가속 모드에서 정속 동작 모드로 전환하는 과정에서, 진상 각도(θadv)은 0 °에서 30 °로 점차 증가한다. 도통 각도(θcon)은 180 ° ~108 °의 범위에서 변할 수 있다. 즉, 모터(3)가 기동되고, 가속 모드 및 정속 동작 모드로 진입하는 과정에서 도통 각도는 180 °에서부터 108 °까지 점차적으로 감소한다. 즉, 모터(3)가 기동되고, 가속 모드 및 정속 동작 모드로 진입하는 동안, 하프 전기 사이클 전체로부터 108 ° 이내로 여기가 수행된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 스위치 구동 모듈(40)은 4개의 스위치 드라이버(41)를 포함한다. 4개의 스위치 드라이버(41)는 구동 제어부(30)와 제1 반도체 스위치(Q1) 사이, 구동 제어부(30)와 제2 반도체 스위치(Q2) 사이, 구동 제어부(30)와 제3 반도체 스위치(Q3) 사이 및 구동 제어부(30)와 제4 반도체 스위치(Q4) 사이에 연결된다. 4개의 스위치 구동부(41)는 구동 제어부(30)가 출력하는 4개의 구동 신호(S1 ~ S4)를 각각 수신하여 각각 구동 신호에 대해 부스트하도록 구성된다. 4개의 스위치 드라이버(41)는 부스트된 신호를 제1 반도체 스위치(Q1), 제2 반도체 스위치(Q2), 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)로 전달하여, 반도체 스위치(Q1), 제2 반도체 스위치(Q2), 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)를 턴 온 또는 턴 오프시킨다.
인버터(10) 내의 반도체 스위치에 구동 신호를 인가하는 것과 예를 들면 실제적으로 턴 온 또는 턴 오프되는 반도체 스위치의 실제 응답 사이에는 응답 시간(response time)이 있다. 모터(3)의 회전자(32)의 속도가 매우 낮은 경우, 응답 시간은 무시될 수 있다. 모터(3)의 회전자(32)의 속도가 매우 높고, 예를 들어 10W rpm(분당 회전 수)에 도달하는 경우, 응답 속도가 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 모터(3)의 회전자의 속도가 증가함에 따라 진상 각도를 점차 증가시킴으로써, 회전자(32)는 반도체 스위치가 실제로 모터에 반응할 때 토크가 최대가 되는 소정의 위치에 항상 도달할 수 있으며, 이는 모터(3)의 효율을 향상시킬 수 있다. 도통 각도를 서서히 작게함으로써, 속도 증가에 의해 초래되는 역기전력의 증가로 인해 여기 전압을 인가하기 어려운 경우에 프리휠링 각도 내에서 프리휠링을 행할 수 있어서, 역기전력의 영향을 어느 정도 제거할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 검출(H1), 구동 신호(S1 내지 S4) 및 여기 전류(C1)의 타이밍도이다. 상술한 바와 같이, 인버터(10) 내의 반도체 스위치에 구동 신호를 인가하는 것과 반도체 스위치의 실제응답, 예를 들어, 실제로 턴 온 또는 턴 오프, 사이의 응답 시간이 있다. 제1 공급 경로 및 제2 공급 경로를 스위칭하여 여기 전압을 반전시키거나 모터(3)상에서 프리휠링을 수행하도록 인버터(10)를 제어함에 있어서, 좌측 하프 브리지 또는 우측 하프 브리지의 2개의 반도체 스위치가 각각 동시에 턴 온되고 턴 오프된다. 인버터(10)의 좌측 하프 브리지 내의 제1 반도체 스위치(Q1) 및 제2 반도체 스위치(Q2)가 동시에 턴 온 및 턴 오프되도록 제어되거나, 또는 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)가 동시에 턴 온 및 턴 오프되도록 제어되는 경우, 제1 반도체 스위치(Q1)와 제2 반도체 스위치(Q2) 둘다 동시에 턴 온되거나, 제3 반도체 스위치(Q3)와 제4 반도체 스위치(Q4) 둘다 동시에 턴 온되는 상황이 응답 시간으로 인해 발생할 수 있다. 이 경우, 모터(3)의 회전자(32)의 회전에 영향을 미치고 반도체 스위치를 손상시킬 수도 있는 좌측 하프 브리지 또는 우측 하프 브리지에서의 단락이 발생할 수 있다.
따라서, 상기와 같은 상황을 피하기 위해, 본 실시예에서는 동일한 하프 브리지 내의 2개의 반도체 스위치가 동시에 턴 온 및 턴 오프될 필요가 있는 경우, 구동 제어부(30)는 턴 오프될 필요가 있는 반도체 스위치를 턴 오프하고, 그 후 지연 각도 동안 지연시킨 후에 턴 오프 할 필요가 있는 동일한 하프 브리지 내의 반도체 스위치를 턴 온시킨다. 본 실시예에서, 동일한 하프 브리지 내의 2개의 반도체 스위치가 각각 거의 동시에 턴 온 및 턴 오프될 필요가 있는 순간은 모터(3)에 대해 제공된 여기 전압을 반전시키는 순간(즉, 여기 전압이 반전되는 순간으로서, 프리휠링 각도가 존재하는 경우에 여기 전압을 제공하기 시작하는 순간) 또는 모터(3)에 프리휠링을 수행하는 순간(즉, 프리휠링이 수행되는 순간)이다. 지연 각도는 예를 들면, 0.1 °로 매우 작다. 따라서 동일한 하프 브리지에서 2개의 반도체 스위치가 거의 동시에 켜지거나 꺼지는 것으로 간주할 수 있다. 턴 온될 반도체 스위치의 턴-온 순간이 턴-오프될 반도체 스위치의 턴-오프 순간보다 후행하거나/지연되기 때문에, 동일한 하프 브리지 내의 2개의 반도체 스위치가 동시에 턴 온되는 상황을 피할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예에서, 설명을 위해 하나의 전기 사이클이 예로서 취해진다. 진상 각도(θadv)만큼 여기가 선행하여 수행되는 경우, 하프 전기 사이클에서, 구동 제어부(30)는 검출 신호(H1)의 에지(E1)에 진상 각도(θadv)만큼 선행하여 구동 신호(S2)를 로우 레벨로 점프하도록 제어하고; 다음으로 지연 각도(θdey)만큼 지연한 후에 구동 신호(S1)를 하이 레벨로 점프하도록 제어하고, 구동 신호(S3)를 로우 레벨에 유지되도록 제어하고 또한 구동 신호(S4)를 하이 레벨에 유지되도록 제어한다. 그 결과, 검출 신호(H1)의 에지(E1)에 선행하는 진상 각도(θadv)의 순간에, 구동 신호(S2)에 의해 제어되는 제2 반도체 스위치(Q2)가 턴 오프되고, 구동 신호(S3)에 의해 제어되는 제3 반도체 스위치(Q3)가 턴 오프되고, 구동 신호(S4)에 의해 제어되는 제4 반도체 스위치(Q4)가 턴 온되고, 지연 신호(θdey)만큼 지연된 후에 구동 신호(S1)에 의해 제어되는 제1 반도체 스위치(Q1)가 턴 온된다. 따라서, 제1 반도체 스위치(Q1)는 턴 온이 지연되어, 좌측 하프 브리지의 제1 반도체 스위치(Q1)와 제2 반도체 스위치(Q2)가 동시에 턴 온되는 상황을 피하게 된다.
본 실시예에서, 구동 제어부(30)는 도통 각도(θcon)에 대해 여기 전압을 인가한 후, 생성된 구동 신호(S1)를 로우 레벨로 점프시키고, 구동 신호(S3)를 로우 레벨에 유지시키고, 구동 신호(S4)를 하이 레벨에 유지시키고, 또한 지연(θdey)만큼 지연시킨 후에 구동 신호(S2)를 하이 레벨로 점프하도록 제어한다. 이와 같이, 상태를 바꿀 필요가 있는 제1 반도체 스위치(Q1) 및 제2 반도체 스위치(Q2)에 대해, 제2 반도체 스위치(Q2)가 턴 온 되기 전에 제1 반도체 스위치(Q1)가 턴 오프되는 것이 보장될 수 있어서, 2개의 반도체 스위치가 동시에 턴 온 되는 것을 방지한다.
도 5에서 볼 수 있듯이, 다음 하프 전기 사이클(Thalf)에서, 프로세스는 위와 동일하다. 상태를 변화시킬 필요가 있는 제3 반도체 스위치(Q3) 및 제4 반도체 스위치(Q4)에 대해, 반도체 스위치들 중 하나는 턴 오프되고, 다른 하나는 턴 온 되도록 지연된다. 예를 들어, 검출 신호(H1)의 다음 에지(E2)에 선행하여 진상 각도(θadv)지점에서, 구동 제어부(30)는 구동 신호(S4)를 로우 레벨로 점프하도록 제어하고, 구동 신호(S1)를 로우 레벨에 유지되도록 제어하고, 구동 신호(S2)를 하이 레벨에 유지되도록 제어하고, 지연 신호(θdey)만큼 지연시킨 후에 구동 신호(S3)를 하이 레벨로 점프하도록 제어한다. 따라서, 우측 하프 브리지의 제4 반도체 스위치(Q4)는 턴 오프되고, 제3 반도체 스위치(Q3)는 턴 온되도록 지연되며; 제1 반도체 스위치(Q1)는 오프 상태에 유지되고, 제2 반도체 스위치(Q2)는 온 상태에 유지된다. 이 경우, 인버터(10)는 제2 공급 경로를 설정하여 모터(3)에 인가된 여기 전압을 반전시켜 모터(3)의 회전자(32)를 계속해서 회전하도록 구동시킨다. 우측 하프 브리지의 제3 반도체 스위치(Q3)가 턴 온 되기 전에 우측 하프 브리지의 제4 반도체 스위치(Q4)가 턴 오프되기 때문에, 우측 하프 브리지의 반도체 스위치들이 동시에 턴 온되는 상황은 방지된다.
본 명세서의 도면에 도시된 구성 요소들간의 위치 관계는 제품 내의 요소들의 위치 배열을 나타내는 것이 아니라 단순히 전기적 및 논리적 위치 관계에 불과하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 방법의 흐름도이다. 이 방법은 단계(501 및 503)를 포함한다.
단계 501에서, 모터에 대한 여기 전압이 반전되거나 또는 모터가 프리휠링되는 경우, 구동 제어부는 하나의 반도체 스위치를 먼저 턴 오프한다.
단계 503에서, 구동 제어부는 동일한 하프 브리지에서의 지연 각도 동안의 지연 이후에 다른 반도체 스위치를 턴 온한다.
전술한 실시예는 본 발명의 일부 바람직한 실시예일 뿐이며, 본 발명을 어떤 형태로든 한정하려는 것은 아니다. 또한, 본 개시의 기술 사상 내에서 당업자에 의해 변경이 이루어질 수 있다. 물론, 본 개시의 기술 사상에 기초하여 이루어진 이러한 변경은 본 개시 내용에 의해 청구된 보호 범위 내에 있는 것이다.

Claims (10)

  1. 모터 제어 시스템으로서,
    구동 제어부; 및
    2개의 하프 브리지를 갖는 인버터를 포함하되,
    모터에 대한 여기 전압이 반전되거나 또는 상기 모터가 프리휠링되는 경우, 상기 구동 제어부는 하나의 반도체 스위치를 턴 오프하고, 동일 하프 브리지에서의 지연 각도 동안 지연 후에 다른 반도체 스위치를 턴 온하는, 모터 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 모터 제어 시스템은 위치 센서를 포함하며, 상기 모터는 고정자 및 상기 고정자에 대해 회전 가능한 회전자를 포함하며; 상기 인버터는 전원과 상기 모터 사이에 결합되고, 상기 전원과 상기 모터 사이의 전력 공급 경로를 수립 또는 차단하며, 상기 위치 센서는 상기 모터의 회전자의 위치를 검출하여 검출 신호를 생성하고, 상기 검출 신호를 상기 구동 제어부로 송신하도록 구성되며; 상기 구동 제어부는 상기 전원과 상기 모터 사이의 전기 연결을 역기전력의 제로 크로싱에 진상 각도만큼 선행하여 턴 온하도록 구성되며; 또한 상기 모터는 전기 연결이 도통 각도 동안 턴 온된 이후에 프리휠링 각도 동안 프리휠링되는, 모터 제어 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 인버터는 제1 반도체 스위치, 제2 반도체 스위치, 제3 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치를 포함하는 H- 브리지 회로이고; 상기 제1 반도체 스위치와 상기 제2 반도체 스위치는 제1 하프 브리지에서 직렬로 연결되고, 상기 제3 반도체 스위치와 상기 제4 반도체 스위치는 제2 하프 브리지에서 직렬로 연결되며, 상기 구동 제어부는 상기 제1 반도체 스위치, 상기 제2 반도체 스위치, 상기 제3 반도체 스위치 및 상기 제4 반도체 스위치에 연결되고, 상기 제1 반도체 스위치, 상기 제2 반도체 스위치, 상기 제3 반도체 스위치 및 상기 제4 반도체 스위치를 각각 제어하기 위하여 제1, 제2, 제3 및 제4 구동 신호를 출력하도록 구성되며, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 반도체 스위치는 하이 레벨에서 턴온되는 스위치들인, 모터 제어 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 제1 하프 전기 사이클에서, 상기 구동 제어부는 상기 검출 신호의 에지를 진상 각도만큼 선행하여 제2 구동 신호를 로우 레벨로 점프하도록 제어하고, 제3 구동 신호를 로우 레벨에 유지되도록 제어하고, 제4 구동 신호를 하이 레벨에 유지되도록 제어하며; 또한 제2 구동 신호가 지연 각도 동안 로우 레벨로 점프한 이후에 제1 구동 신호를 하이 레벨로 점프하도록 제어하는, 모터 제어 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 구동 제어부는 여기 전압이 도통 각도 동안 인가된 이후에 제1 구동 신호를 로우 레벨로 점프하도록, 제3 구동 신호가 로우 레벨에서 유지되도록, 상기 제4 구동 신호가 하이 레벨에서 유지되도록 제어하고; 상기 제1 구동 신호가 지연 각도 동안 로우 레벨로 점프한 이후에 상기 제2 구동 신호가 하이 레벨로 점프하도록 제어하며; 상기 검출 신호의 사전 에지 이후의 (180 ° -θadv)의 각도 지점에서, 상기 구동 제어부는 상기 제2 구동 신호를 로우 레벨로 점프하도록, 상기 제2 구동 신호가 지연 각도 동안 로우 레벨로 점프한 이후에 상기 제1 구동 신호를 하이 레벨로 점프하도록, 제3 구동 신호를 로우 레벨에 유지되도록, 제4 구동 신호를 하이 레벨에 유지되도록 제어하며, θadv는 진상 각도인, 모터 제어 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 구동 제어부는 검출 신호의 현재 에지 이후에 구동 각도(θdrv) 내에서 모터가 여기를 유지하도록 제어하고, 구동 각도(θdrv) 후에 상기 제1 구동 신호는 로우 레벨로 점프하도록 제어되고, 상기 제1 구동 신호가 지연 각도 동안 로우 레벨로 점프한 이후에 상기 제2 구동 신호는 하이 레벨로 점프하도록 제어되고, 상기 제3 구동 신호는 로우 레벨에 유지되도록 제어되고, 상기 제4 구동 신호는 하이 레벨에 유지되도록 제어되고, θdrv = θcon-θadv이며, θadv는 진상 각도이고, θcon은 도통 각도인, 모터 제어 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서, 다음 하프 전기 사이클에서, 상기 구동 제어부는 상기 제3 구동 신호를 하이 레벨로 점프하도록, 상기 제4 구동 신호를 로우 레벨로 점프하도록, 상기 제1 구동 신호를 로우 레벨에 유지되도록, 상기 제2 구동 신호를 상기 검출 신호의 다음 에지에 선행하여 하이 레벨에 유지되도록 제어하며, 상기 도통 각도 동안 상기 여기 전압이 인가된 후, 상기 구동 제어부는 상기 제1 구동 신호를 로우 레벨에 유지되도록, 상기 제2 구동 신호를 하이 레벨에 유지되도록, 상기 제3 구동 신호를 로우 레벨로 점프하도록, 상기 제3 구동 신호가 지연 각도 동안 로우 레벨로 점프한 이후에 제4 구동 신호를 하이 레벨로 점프하도록 제어하는, 모터 제어 시스템.
  8. 청구항 2에 있어서, 상기 지연 각도는 상기 진상 각도 및 상기 도통 각도 보다 적은, 모터 제어 시스템.
  9. 모터 제어 방법으로서,
    모터에 대한 여기 전압이 반전되거나 또는 상기 모터가 프리휠링되는 경우, 하나의 반도체 스위치를 턴 오프하는 단계; 및
    동일 하프 브리지에서의 지연 각도 동안 지연 후에 다른 반도체 스위치를 턴 온하는 단계를 포함하는, 모터 제어 방법.
  10. 모터를 포함하는 진공 클리너로서, 상기 진공 클리너는 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 모터 제어 시스템을 더 포함하는, 진공 클리너.
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