KR20180034649A

KR20180034649A - 세탁기

Info

Publication number: KR20180034649A
Application number: KR1020187006158A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 호시노
Original assignee: 아쿠아 컴퍼니 리미티드; 칭다오 하이어 워싱 머신 캄파니 리미티드
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2018-04-04
Also published as: WO2017020852A1; JP2017029529A; JP6654373B2; EP3333297A1; EP3333297A4; CN107849778A; US20180223467A1; CN107849778B; EP3333297B1

Abstract

본 발명은 센서가 없이도 모터가 정전될 경우, 회전 센서를 사용하여 부하를 감지하는 종래의 구조와 동등한 성능의 부하량 측정을 진행할 수 있는 세탁기에 관한 것이다. 세탁기에 있어서, 영구자석 동기 모터를 제어하는 제어유닛(C)은, 제어량으로 제공되는 모터 회전 속도 명령값(ω^* _m)과 모터 회전 속도 추산값(ω_m)의 편차에 따라 토크 명령을 생성하는 토크 명령 생성부(2); 구동 시의 모터 전류(I_q, I_d)와 토크 명령값(T^*)에 대응되는 전류 명령값(I_q ^*, I_d ^*)의 편차를 모터 전압 명령값(V_q ^*, V_d ^*)으로 전환하여 모터(M)를 구동하는 모터 구동 제어부(3); 및 모터 전류(I_q, I_d) 및 모터 전압 명령값(V_q ^*, V_d ^*)에 관련되는 모터 전압(V_q, V_d)을 사용하여 모터 회전 속도(ω_m)를 추산하는 속도 추산기(4); 를 구비하며, 상기 세탁기에는 부하 측정부(7)가 설치되고, 부하 측정부는 토크 명령 생성부(2)의 명령이 정지된 상태에서, 속도 추산기(4)가 추산한 모터 회전 속도 추산값(ω^* _m)에 따라 세탁물의 양을 측정하여 부하량으로 한다.

Description

세탁기

본 발명은 센서가 없이도 용이하고 정밀도가 높게 부하를 측정할 수 있는 세탁기에 관한 것이다.

종래 세탁기의 천의 부하량 감지는 아래와 같은 현상을 이용하였다: 세탁조에 급수를 진행하지 않은 상태에서, 세탁물을 교반하는 펄세이터를 구동하는 모터의 출력축은 구동이 정지(모터가 정전됨)된 후에도, 관성력에 의해 단시간 회전한다. 모터를 통해 펄세이터를 수요되는 시간만큼 구동하고, 모터가 정전되는 시각부터 모터의 출력축이 정지하기까지의 기간 내에, 회적 속도 센서 등을 사용하여 출력축의 회전량을 감지하며, 해당 감지값을 기설정된 여러 단계(예를 들어 하, 중, 상 등 레벨)의 임계값과 비교하여 판정하고, 상기 판정 결과에 따라 부하량을 판단한다.

따라서, 부하량을 감지함에 있어서, 모터의 회전 속도를 감지하는 유닛이 필요하다. 인버터(inverter)를 사용한 세탁기에 있어서, 영구자석 동기 모터를 사용하며, 영구자석 동기 모터를 회전시키기 위해, 회전자 위치(각도)를 항상 인식해 두어야 한다. 따라서, 세탁기에 사용될 경우, 많은 경우에는 홀(hall) IC 등 센서를 사용하였으며, 일반적으로 이를 회전 속도 센서로 겸용하기도 한다.

하지만, 비용을 절감하기 위해 상기 센서가 제거된 센서리스(sensorless) 제어는 모터가 정전된 상태에서 속도를 감지할 수 없으므로, 종래의 방식과 동일한 부하량 감지를 진행할 수 없다.

따라서, 이러한 회전 속도 센서를 사용하지 않고 부하를 감지하는 세탁기로서, 특허문헌 1에서 개시한 바와 같이, 모터가 정전되고 회전하는 과정에서 모터에서 생성되는 유도 전압(induced voltage)을 감지하며, 이를 펄스 신호로 전환하여 카운트함으로써, 회전 속도를 판단하는 세탁기를 제공한다.

이외, 특허문헌 2에서 개시한 바와 같이, 모터가 일정한 속도로 회전하는 경우에서, 모터 출력 토크와 부하량이 비례되는 특성을 이용하여, 모터에 대해 벡터 제어(vector control)를 진행하고, 모터가 통전된 기간 내에, 모터 출력 토크와 비례되는 q축 전류를 감지하여 모터 출력 토크를 계산하며, 부하량을 감지한다.

하지만, 특허문헌 1에서의 세탁기는 유도 전압을 감지하는 회로의 추가가 필요하므로, 비용이 상승하는 문제가 있다.

이외, 특허문헌 2에서의 세탁기에 있어서, 모터 출력 토크를 T, 토크 상수를 K_E, 모터 폴페어 수(number of pole pairs of the motor)를 P_pn, 쇄교 자속(flux linkage)을 Φ, 축 전류를 I_q, I_d로 설정한 경우에서, T＝K_EI_q, KE＝P_pnΦ 특성을 이용하였지만, 토크 상수(K_E)는 모터 제조 시의 편차 및 모터의 온도, 모터의 전류의 영향을 받아 변화가 발생할 수 있어, 부하량 감지 결과의 오차가 생기는 주요 인소가 될 수 있다.

특허문헌 1：일본 특개평05-115670호 공보 특허문헌 2：일본 특개2002-360970호 공보

본 발명의 목적은 이러한 센서리스 제어를 진행하는 세탁기에 있어서, 센서가 없이도, 모터가 정전될 경우 회전 센서를 사용하여 부하를 감지하는 종래의 구조와 동등한 성능의 부하량 측정을 용이하게 진행하는 세탁기를 실현하는 것이다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 실현하기 위해 아래와 같은 방안을 사용한다.

즉, 본 발명의 세탁기는 세탁조 내에서 세탁물을 교반하는 펄세이터를 회전 구동하는 영구자석 동기 모터 및 상기 모터를 제어하는 제어유닛을 구비하며, 상기 제어유닛은, 제어량으로 제공되는 모터 회전 속도 명령값과 모터 회전 속도 추산값의 편차에 따라 토크 명령을 생성하는 토크 명령 생성부; 구동 시의 모터 전류와 상기 토크 명령값에 대응되는 전류 명령값의 편차를 모터 전압 명령값으로 전환하여 상기 모터를 구동하는 모터 구동 제어부; 및 상기 모터 전류와 모터 전압 명령값에 관련되는 모터 전압을 사용하여 상기 모터 회전 속도를 추산하는 속도 추산부; 를 구비하며, 상기 제어 유닛에는 부하 측정부가 설치되고, 상기 부하 측정부는 상기 토크 명령 생성부의 명령이 정지된 상태에서, 상기 속도 추산부가 추산한 모터 회전 속도 추산값에 따라 세탁물의 양을 측정하여 부하량으로 한다.

구체적으로, 상기 부하 측정부는 상기 토크 명령을 0으로 설정함으로써, 상기 모터 구동 제어부의 전류 명령값이 0으로 되게 할 경우, 상기 속도 추산부가 상기 모터의 모터 전압 명령값에 따라 추산한 모터 회전 속도 추산값을 이용하여, 상기 부하량을 측정하는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명에서, 상기 부하 측정부는 기설정한 부하 감지 기간에서 상기 모터 회전 속도의 추산값을 적분하여, 상기 적분값을 부하량으로 하는 것이 바람직하다.

더 나아가, 상기 부하 측정부에 한계치를 기설정하고, 상기 부하 감지 기간에서 상기 모터 회전 속도의 추산값이 상기 한계치 이하일 경우 상기 적분을 정지하는 것이 더 바람직하다.

상술한 본 발명에 따르면, 토크 명령을 정지하였을 경우, 모터 출력 토크는 0이고, 모터 회전 속도는 관성 회전과 동일한 상태에서 하강한다. 또한, 모터 회전 속도와 부하량은 반비례 관계이므로, 모터 회전 속도의 추산값을 사용하면, 세탁물의 양을 효과적으로 측정하여 부하량으로 할 수 있다. 또한, 종래의 제어 유닛의 구조를 이용할 수 있어, 유도 전압을 이용하는 경우와 같이 별도의 회로를 조립할 필요가 없고, 토크 상수와 같은 모터의 개체 차이, 온도, 전류에 의해 좌우지 되는 파라미터를 사용하지 않으므로, 용이하고 정밀도가 높은 부하 측정을 진행할 수 있다.

본 발명은 비록 모터에 가해지는 전압이 차단되었을 경우 모터 정지를 판단하지 못하지만, 본 발명에 따르면, 속도 추산부가 모터 전압 명령값에 따라 추산한 모터 회전 속도 추산값을 이용하여 상기 부하량을 측정하는 방식으로 계속하여 전압 제어를 진행하면, 효과적인 측정을 얻을 수 있다.

이외, 추산값의 적분값을 부하량으로 하는 본 발명은, 순간적으로 부하를 감지할 경우의 오차의 영향을 효과적으로 제거할 수 있다.

이런 경우의 적분 기간에 한계치를 설정하는 본 발명은, 속도 추산값이 실제 상황을 반영하지 않는 영역까지 적분이 이루어지는 것을 방지하여, 측정의 정밀도를 효과적으로 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 세탁기의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 2는 동일한 세탁기의 대략적인 구조를 나타낸 종단면도이다.
도 3은 동일한 실시형태에 따른 모터 제어 시스템의 모터가 정전되었을 경우의 감속 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 동일한 실시형태의 부하 측정을 구성하는 전제 구조인 모터 제어 시스템의 시스템 구조를 나타낸 블록도이다.
도 5는 동일한 모터 제어 시스템의 속도 추산부의 대략적인 구조를 나타낸 도이다.
도 6는 동일한 모터 제어 시스템의 속도 추산 원리를 나타낸 도이다.
도 7는 동일한 모터 제어 시스템의 PLL 제어부의 개요를 나타낸 도이다.
도 8은 동일한 실시형태의 부하 측정부의 처리 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 9은 동일한 실시형태의 부하 측정부의 측정 범위를 나타낸 도이다.
도 10은 동일한 실시형태의 부하 측정부의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지게 된다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

아래에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 수직 세탁기(아래에서는 '세탁기'라고 부름)(1)의 외관을 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 실시형태에 따른 세탁기(1)의 대략적인 구조를 나타낸 종단면도이다.

도 2에서 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 따른 세탁기(1)는 세탁기 본체(11), 외조(12), 탈수조(세탁조)(13), 구동부(16) 및 제어유닛(C)을 구비한다(도 3을 참조). 이러한 세탁기(1)는 입력부(14)에 형성된 전자동 세탁을 진행하는 시작버튼(미 도시)이 눌릴 경우, 자동적으로 탈수조(13) 내에 존재하는 세탁물의 양을 판단하여 부하량으로 하고, 부하량에 따라 세탁과정 및 헹굼과정에서 외조(12)에 저장되는 물의 양을 자동적으로 결정하여 세탁작업을 진행한다. 부하량의 측정에 대해서는 후술할 것이다.

세탁기 본체(11)는 대략 직육면체 형상이고, 상면(11a)에는 세탁물(의류)을 탈수조(13)로 출입시키기 위한 개구(11b) 및 상기 개구(11b)를 개폐할 수 있는 개폐 커버(11c)가 형성되며, 개폐 커버(11c)를 오픈(open)함으로써, 개구(11b)를 통해 세탁물을 탈수조(13)에서 출입할 수 있다. 이외, 이러한 세탁기 본체(11)의 상면(11a)에는 상기 입력부(14)가 형성된다.

도 2에서 나타낸 바와 같이, 외조(12)는 세탁기 본체(11)의 내부에 배치된 저수 가능한 바닥을 가지는 원통형 부재이다.

세탁조인 탈수조(13)는 외조(12)와 동축으로 외조(12) 내부에 배치되고, 외조(12)에 의해 자유로이 회전 가능하게 지지되는 바닥을 가지는 원통형의 부재이다. 탈수조(13)의 직경은 외조(12)보다 작으며, 탈수조(13)의 벽면(13a)에는 다수 개의 통수홀(미도시)이 형성된다.

이러한 탈수조(13)의 바닥부(13)의 중앙에는 펄세이터(교반 날개)(15)가 자유로이 회전 가능하게 배치된다. 펄세이터(15)는 외조(12)에 저류된 물을 교반하여 수류를 생성한다.

이외, 펄세이터(15)는 세탁과정이 시작 시, 및 탈수조(13)에 급수하기 전에도 회전구동되고, 이때의 세탁물을 끌어당기는 회전과정에서 얻은 감지값을 상기 부하량의 감지에 사용한다.

구동부(16)는 모터(M) 및 클러치(16b)를 포함한다. 모터(M)는 탈수조(13)의 바닥부(13a)로 연장된 구동축(m)을 회전시킴으로써, 탈수조(13)를 회전시킨다. 또한, 모터(M)는 클러치(16b)의 전환을 통해 펄세이터(15)에 구동력을 가함으로써, 펄세이터(15)를 회전시킨다. 따라서, 세탁기(1)는 후술되는 부하량 측정 시, 세탁과정 및 헹굼과정에서 주로 펄세이터(15)만 회전시키고, 탈수과정에서는 탈수조(13)와 펄세이터(15)를 일체적으로 고속 회전시킬 수 있다. 부하 측정 시의 펄세이터(15)의 회전 속도는 예를 들어 800rpm으로 설정된다.

본 실시형태에서, 부하량을 감지할 경우, 센서를 사용하지 않고 모터(M)에 부여되는 토크 명령을 0으로 설정한 후의 펄세이터(15)의 회전량을 감지하여 부하량을 측정한다. 매번 상기 회전량을 감지할 경우, 우선 부하량과 회전 속도가 어떠한 관계를 이루는지를 관찰한다.

모터(M)로서 영구자석 동기 모터(permanent magnet synchronous motor) 중의 SPM(surface permanent magnet) 모터를 사용한다.

통상적으로, 모터(M)의 회전 속도와 토크, 부하(관성 모멘트, 마찰 계수)의 관계를 아래와 같은 미분 방정식으로 표시하며, 그중, 모터 회전 속도(각속도)를 ω_m, 모터 출력 토크를 T, 관성 모멘트를 J, 마찰 계수를 B로 설정한다.

...(1).

모터가 정전될 경우, T＝0이므로,

...(2).

상기 미분 방정식을 풀면, 얻게 되는 것은,

...(3).

모터가 정전되는 순간을 t＝0으로 설정한다. t＝0으로 설정하였을 경우, ω_m＝ω₀으로 회전하면,

...(4).

식(4)를 통해 알다시피, 모터가 정전될 경우의 모터 회전 속도(각속도)(ω_m)는 마찰 계수(B)가 클수록 더 빨리 하강하며, 관성 모멘트(J)가 클수록 더 늦게 하강한다. 상술한 경우는 도 3에서 나타낸 바와 같다.

세탁조(13)에 급수를 하지 않고, 천 부하만을 투입하여 펄세이터(15)를 회전시키는 세탁 전의 부하량 감지에서는, B는 J보다 더 지배적인 것으로 생각할 수 있다.

따라서, 모터가 정전되었을 경우, 모터 회전 속도(각속도)(ω_m)가 빨리 하강할수록 부하량은 더 크고, 모터 회전 속도(각속도)(ω_m)가 늦게 하강할수록 부하량이 더 작은 것을 판단할 수 있다.

상술한 부하량 및 회전 속도의 관계에 따라, 본 실시형태는 기존의 모터 제어 시스템의 구조를 이용하여 모터가 정전되었을 경우의 모터 회전 속도(각속도)(ω_m)를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 부하 측정을 구성하는 전제인 제어 유닛(C)의 벡터 제어를 나타낸 블록도이다.

상기 제어유닛(C)의 기본적인 구조는, 제어량으로 제공되는 모터 회전 속도 명령값(ω^* _m)과 모터 회전 속도 추산값(ω_m)의 편차에 따라 토크 명령을 생성하는 토크 명령 생성부(2); 구동 시의 모터 전류(I_q) (I_d)와 토크 명령값(T^*)에 대응되는 전류 명령값(I_q ^*) (I_d ^*)의 편차를 모터 전압 명령값(V_q ^*) (V_d ^*)으로 전환하여 모터(M)를 구동하는 모터 구동 제어부(3); 및 모터 전류(I_q, I_d) 및 모터 전압 명령값(V_q ^*, V_d ^*)에 관련되는 모터 전압(V_q, V_d)을 사용하여 모터 회전 속도(ω_m)를 추산하는 속도 추산부이며 피드백 회로(5) 내에 배치되는 속도 추산기(4); 를 구비한다. 토크 명령 생성부(2) 및 모터 구동 제어부(3)는 통상적인 인버터(inverter) 제어기의 구성 요소이다. 이외, 여기에서는 모터 전압 명령값(V_q ^*, V_d ^*)과 동등한 모터 전압(V_q, V_d)을 생성하도록 설정하였다.

토크 명령 생성부(2)는 우선 세탁기(1)의 전부 작동을 제어하는 마이크로 컴퓨터(6)가 제공하는 회전 속도 명령(ω^* _m) 및 모터 구동 상태에 따라 추산한 추산 속도값(ω_m)을 감산기(21)에 입력한다. 감산기(21)의 계차 출력은 속도 제어기(22)에 입력된다.

속도 제어기(22)는 모터(M)의 회전 속도를 목표값으로 제어하기 위해, 회전 속도 명령값(ω^* _m) 및 추산 속도값(ω_m)의 계차량에 따라, PI 제어를 통해 토크 명령값(T^*)을 생성한다.

상기 토크 명령 생성부(2)에서 생성된 토크 명령값(T^*)은 모터 구동 제어부(3)에 입력된다.

모터 구동 제어부(3)는 동기 모터(M)의 로터의 회전에 따라 회전되는 자극(magnetic pole)의 좌표계(d, q)에서 전압 구동을 진행한다.

우선, 토크 명령값(T^*)은 게인 곱셈(gain multiplication)부(31)에의해 토크 계수(1/K_E)가 곱해져 q축 전류 명령값(I_q ^*)으로 전환되고, 감산기(32)에 의해 q축 전류 제어기(33)에 입력된다. 한편, 세탁 또는 헹굼 작동 시, d축 전류 명령부(34)에서 명령값(I_d＝0)을 출력하면, 감산기(35)에 의해 d축 전류 제어기(36)에 입력된다. 전환을 진행하는 후술되는 제 2 전환기(51)에서 출력된 q축 전류값(I_q)은 감산값으로 감산기(32)에 제공되고, 상기 제 2 전환기(51)에서 출력된 d축 전류값(I_d)은 감산값으로 감산기(35)에 제공된다.

q축 전류 제어기(33)는 q축 전류 명령값(I_q ^*)과 q축 전류값(I_q)의 계차에 따라 PI 제어를 진행함으로써, q축 전압 명령값(V_q ^*)을 생성하고, d축 전류 제어기(36)는 d축 전류 명령값(I_d ^*(＝0)) 및 q축 전류값(I_q)의 계차에 따라 PI 제어를 진행함으로써, d축 전압 명령값(V_d ^*)을 생성한다. 다음, 3상(three phase) 전압 명령으로 전환하기 위해 (d-q→u-v-w) 전환을 진행하는 제 1 전환기(37)에 입력한다.

제 1 전환기(37)는 부여용 적분기(44)를 통해 후술되는 속도 추산기(4)에서 출력되는 모터 전기 각속도(ω_e)를 적분함으로써, 추산 로터 회전 위상각(θ_e)을 얻고, 상기 추산 로터 회전 위상각(θ_e)에 따라 q축 전압 명령(V_q ^*) 및 d축 전압 명령(V_d ^*)을 3상 전압 명령값(V_u, V_v, V_w)으로 전환하며, 모터 여자 회로(motor excitation circuit)(38)를 통해 모터(M)를 통전시킨다.

한편, 피드백 회로(5)는 모터 여자 외로(38)에 설치된 상전류(phase current)검출부(50)를통해 상전류(I_u, I_v, I_w)를 감지하고, 이를 전환을 진행하는 제 2 전환기(51)에 입력한다. 제 2 전환기(51)는 부여용 적분기(44)를 통해 후술되는 속도 추산기(4)에서 출력되는 모터 전기 각속도(ω_e)를 적분함으로써, 추산 로터 회전 위상각(θ_e)을 얻고, 상전류를 q축 전류값(I_q) 및 d축 전류값(I_d)으로 전환한다. q축 전류값(I_q) 및 d축 전류값(I_d)은 각각 상기 감산기(35, 32)에 입력된다.

한편, 속도 추산기(4)는 도 5에서 나타낸 바와 같이, 로터 위상 오차 추산기(41) 및 PLL(Phase Locked Loop) 제어기(42)로 구성된다. 로터 위상 오차 추산기(41)는 모터 전압(V_d(＝V_d ^*), V_q(＝V_q ^*)); 모터 전류(I_d, I_q); 모터 파라미터(R, L) 등을 사용하여 추산 위상 오차(Δθ_e)를 계산한다. R은 모터 권선 저항이고, L은 모터 권선 인덕턴스(inductance)이다.

모터(M)가 영구자석 동기 모터일 경우, 도 6의 좌표계에서 나타낸 바와 같이, 정지 좌표계(α, β) 대하여, 로터는 d-q 회전 좌표계 중에서 전기 각속도(ω_n)로 회전하고, 통상적으로 센서리스 알고리즘(algorithm)이라는 회전 속도 추산 알고리즘으로

의 회전 좌표를 추산한다. 실제로, 자극은 d축에 존재하지만, y축에 자극이 존재하는 것을 추산하였을 경우, Δθ_e의 위상차가 발생된다.

다음, 로터 위치 오차 추산기(41)를 일예로, 아래의 식에 따라 위상차(Δθ_e)를 계산한다.

...(5)

모터(M)가 안정적으로 회전하도록 하기 위해, 반드시 d-q축의 위치를 파악하고, 제어 유닛(1)이 인지한

축과 일치시켜야 한다. 즉, Δθ_e→0을 목표로 하여야 한다.

따라서, PLL 제어기(42)를 사용한다. 상기 PLL 제어기(42)의 구체적인 구조는 도 7에서 나타낸 바와 같다.

PLL 제어기(42)는 PI 제어를 사용한다.

는 모터 구동 제어부(3)가 모터에 부여한 3상 전압의 각속도(각주파수)이고, 물론, 모터 구동 제어부(3)는 주파수를 변화시키는 방식으로 자유값을 출력할 수 있다. 도 6으로부터 알다시피,

이 증가될 경우, ω_n와의 속도차에 의해 Δθ_e는 커지고,

이 감소될 경우, Δθ_e는 작아진다.

Δθ_e＝0일 경우

＝ω_n이므로,

는 Δθ_e＝0 제어를 위한 조작량으로 사용될 수 있다.

반대로, 모터가 안정적으로 회전할 경우, Δθ_e가 대략 0인 제어를 유지할 수 있고, 모터 구동 제어부(3)가 출력하는

는 모터 회전 속도(ω_n)와 대략 동일하여야 한다. 만약, 시종

일 경우, |Δθ_e|는 증가하고, 모터는 적당한 토크를 출력할 수 없어 탈조(脫調)를 일으킨다(그중,

의 도면 부호는 일정한 경우이다).

상기 내용에 기반하면, 본 실시형태는 모터에 가해지는 전압의 각속도(

)를 얻어, 추산 각속도값(ω_m)의 기초를 구성하는 모터 전기 각속도(ω_e)로 사용한다. 또한, 도 4에 나타낸 제어유닛(C)에는 부하 감지부(7)가 설치되고, 토크 명령 생성부(2)의 명령을 정지한 상태에서, 속도 추산기(4)가 추산한 모터 전기 각속도(ω_e)를 추산 회전 속도값(ω_e)의 형태로 이용하여, 세탁물의 양을 측정하여 부하량으로 한다.

부하 감지부(7)는 일부분이 프로그램의 형태로 마이크로 컴퓨터(6)에 장착되어 실행되도록 구성되고, 부하를 측정하기 위한 회전 속도 명령값(ω^* _m)을 출력할 수 있으며, 상기 토크 제어부(2)의 입력 라인에는, 토크 명령값(T^*)을 전환하는 스위치 전환부(71) 및 토크 명령값(T^*)을 0으로 설정하는 토크 명령부(72)가 설치되고, 스위치 전환부(71)로 전환 명령을 출력할 수 있다. 또한, 스위치(71)를 A에서 B로 전환함으로써, 모터 제어부(3)에 대한 속도 제어기(22)의 출력 명령 대신 토크 명령부(72)에서 토크 명령값 0을 출력한다. 이외, 내부에는 상기 속도 추산기(4)에 의해 극수 연산부(43)를 거쳐 출력되는 추산 속도값(ω_m)을 적분하는 적분 요소가 구비된다.

도 8은 상기 부하 감지부(7)가 실행되는 흐름을 나타낸 흐름도이다. 이하, 도 4를 결합하여 도 8의 흐름에 대해 설명한다.

<단계 (S1)>

우선, 세탁 및 헹굼 작동하는 경우와 동일 하게, d축 전류 명령부(34)가 출력한 d축 전류 명령값(I_d ^*)을 0으로 설정하고, 스위치 전환부(71)의 스위치(SW)가 A측에 놓이도록 설정한 상태에서, 단계(S1)에서 모터 회전 속도 명령값(ω^* _m)을 입력한다. 이로써, 모터(M)가 통전되고, 모터 회전 속도(ω_m)를 명령값(ω^* _m)으로 유지하기 위해, 계속하여 필요한 토크 명령값(T^*)을 출력한다.

이에 따라, q축 전류 제어기(33)는 상기 토크 명령값(T^*)에 대응되는 q축 전류(I_q)가 흐르기 위한 q축 전압 명령값(V_q ^*)을 출력하고, d축 전류 제어기는 d축 전류(I_d)가 0이 되기 위한 d축 전압 명령값(V_d ^*)을 출력한다.

이외, 제 1 전환기(37)에서는 d, q축 전류 명령값(V_d ^*, V_q ^*)을 UVW 3상 전압(V_u, V_v, V_w)으로 전환하여, 영구자석 동기 모터에 부여한다. 설명하여야 할 것은, (d-q→u-v-w) 전환이 진행될 경우 로터 회전 위상각(θ_e)이 부여된다.

속도 추산기(4)는 d, q축 전류(I_d, I_q), d, q축 전압(V_d, V_q) 및 모터 파라미터(인덕턴스, 권선 저항 등)에 따라, 모터의 전기 각속도(ω_e)를 추산한다. 상기 전기 각속도(ω_e)는 극수 연산부(43)에 의해 추산 모터 회전 속도(ω_m)로 부하 측정부(7)에 입력된다. 본 실시형태에서, 극수 연산부(43)를 속도 추산부, 즉 속도 추산기(4)의 기능의 일부분으로 생각한다.

<단계 (S2)>

단계(S2)는 모터 회전 속도(ω_m)가 목표값인 회전 속도 명령값(ω^* _m)에 도달하였는지를 판단한다. 다음, "예"일 경우 단계(S3)를 진행한다. 예를 들어, 목표 회전 속도를 800rpm로 설정한다.

<단계 (S3)>

상기 단계(S3)에서, 스위치 전환부(71)의 스위치(W)를 A에서 B로 전환하고, 모터가 정전된 기간을 시작한다. 이로써, 강제적으로 토크 명령값(T^*＝0(I_q ^*＝0))으로 되도록 하고, 센서리스 벡터 제어를 통해 모터 출력 토크(T)를 0으로 되도록 한다. 즉 ,

...(2).

도 3에서 나타낸 바와 같이, 관성 회전과 동일한 조건에서 모터 회전 속도(ω_m)는 하강한다.

설명하여야 할 것은, 이때, 종래의 예와 같이, 모터가 정전될 경우, 모터(M)에 가해지는 전압(V_u, V_v, V_w) 자체를 차단하면,

I_d＝I_q＝V_d ^*＝V_q ^*＝0 ...(6).

이러면 모터가 정지되는 경우와 차이가 없고, 센서리스 제어는 성립되지 않으므로, 속도 추산기(4)의 속도 추산은 실현될 수 없다.

즉, 상기 T^*＝0인 제어에 있어서, 후술되는 모터 전압의 방정식에서,

...(7).

I_d＝I_q＝0인 방식으로 제어를 진행한 상태에서, 다음과 같으므로

...(8).

V_q ^*≠0이며, 계속하여 속도 추산을 진행한다.

<단계 (S4)>

상기 단계(S3)이 실행됨에 따라, 단계(S4)에서는, 도 9에서 나타낸 바와 같이, 아래의 식에 근거하여 각 샘플링(sampling) 시간의 각속도 추산값(ω_m)을 적분한다.

...(9)

그중, L은 토크 0 제어(torque is controlled as 0)를 진행할 경우의 모터 회전량이고, t_s는 샘플링 시간(예를 들어 10ms)이다.

센서리스 제어에 있어서, 모터 회전 속도(ω_m)가 0에 접근하면, 속도 추산은 어려워지므로, 특수한 방법을 사용하지 않는 한, 원칙적으로는 회전 속도가 0일 경우 센서리스 제어를 실현할 수 없다.

따라서, 회전 속도가 ω_ref이하일 경우 상기 적분을 진행하지 않고, 단계(S5)를 진행한다.

<단계 (S5)>

상기 단계(S5)에서, 회전 속도(ω_m)가 기설정한 한계치(ω_ref) 이하로 변했는지를 판단하고, "아니요"일 경우 단계(S4)로 돌아가고, "예"일 경우 단계(S6)을 진행한다. 상기 한계치(ω_ref)도 사전에 부하 측정부(7)에 부여된다.

<단계 (S6)>

상기 단계(S6)에서는, 모터 회전량(L)을 얻어 부하량으로 하고, 부하 측정 흐름을 종료한다.

도 10에서는 본 실시형태의 부하량 감지 결과를 나타낸다. 가로축은 천 부하량(kg)이고, 세로축은 토크 0 제어를 진행할 경우의 회전량이다. 실시조건은 모터 통전 시간＝0.9(sec), 모터 통전 기간의 목표 회전속도＝800(rpm), 펄세이터 역회전 횟수＝6 회, 한계치(ω_ref)＝50(rpm), 적분 샘플링 시간＝10(ms)이다.

세로축은 매번 펄세이터가 역회전할 경우 식(9)의 "L"을 가산하여 얻은 값이다. 즉,

∑L＝L1+L2+L3+L4+L5+L6 ...(10).

상기 도면에서 나타낸 바와 같이, 가로축의 부하량(세탁물의 양)과 반비례되는 회전량을 재현성이 좋도록 세로축에서 얻을 수 있으므로, 종래 방식과 대략 동등한 부하량 감지 결과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 실시형태에서 얻은 회전량(L)을 기설정된 복수 개의 단계(예를 들어 하, 중, 상 레벨 등)의 한계치와 비교하여 판단하고, 판단 결과에 따라 수량(水量)을 제어함으로써, 용이하고 저렴한 구조로 물을 적당히 절약할 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명하였으나 각 부분의 구체적인 구조는 상기 실시형태에 한정되지 않는다.

예를 들어, 토크 명령값을 0으로 전환하는 스위치(SW)는 토크 명령부의 입력 라인 상에 있기만 하면 되므로, 도시된 위치 이외의 위치에 설치될 수 있다.

이외, 상기 실시행태에서 SPM 모터에 응용되는 경우에 대해 설명하였지만, 영구자석 동기 모터이면, IPM 모터 등에 응용될 수도 있다.

더 나아가, 상기 실시형태에서는 회전량 누적을 부하량으로 사용하지만, 회전 속도의 감속율 등에 따라 부하량을 측정할 수도 있다.

기타 구조도 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형을 할 수 있다.

1: 구동 유닛; 2: 토크 명령 생성부; 3: 모터 구동 제어부; 4: 속도 추산부; 7: 부하 측정부; A1: 세탁기; A4: 세탁조(탈수조); M: 모터; I_q, I_d: 모터 전류; I_q ^*, I_d ^*: 전류 명령값; V_q, V_d: 모터 전압; V_q ^*, V_d ^*: 모터 전압 명령값; T^*: 토크 명령값; ω^* _m: 모터 회전 속도 명령값; ω_m: 모터 회전 속도 추산값; ω_ref: 한계치.

Claims

세탁조 내에서 세탁물을 교반하는 펄세이터를 회전 구동하는 영구자석 동기 모터 및 상기 모터를 제어하는 제어유닛을 구비하며,
상기 제어유닛은,
제어량으로 제공되는 모터 회전 속도 명령값과 모터 회전 속도 추산값의 편차에 따라 토크 명령을 생성하는 토크 명령 생성부;
구동 시의 모터 전류와 상기 토크 명령값에 대응되는 전류 명령값의 편차를 모터 전압 명령값으로 전환하여 상기 모터를 구동하는 모터 구동 제어부; 및
상기 모터 전류 및 상기 모터 전압 명령값에 관련되는 모터 전압을 사용하여 상기 모터 회전 속도를 추산하는 속도 추산부; 를 구비하는 세탁기에 있어서,
상기 제어 유닛에는 부하 측정부가 설치되고, 상기 부하 측정부는 상기 토크 명령 생성부의 명령이 정지된 상태에서, 상기 속도 추산부가 추산한 모터 회전 속도 추산값에 따라 세탁물의 양을 측정하여 부하량으로 하는 것을 특징으로 하는 세탁기.
제 1 항에 있어서,
상기 부하 측정부는 상기 토크 명령을 0으로 설정함으로써 상기 모터 구동 제어부의 전류 명령값이 0으로 되게 할 경우, 상기 속도 추산부가 상기 모터의 모터 전압 명령값에 따라 추산한 모터 회전 속도 추산값을 이용하여, 상기 부하량을 측정하는 것을 특징으로 하는 세탁기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 부하 측정부는 기설정한 부하 감지 기간에 상기 모터 회전 속도의 추산값을 적분하여, 상기 적분값을 부하량으로 하는 것을 특징으로 하는 세탁기.
제 3 항에 있어서,
상기 부하 측정부에 한계치를 기설정하고, 상기 부하 감지 기간에 상기 모터 회전 속도의 추산값이 상기 한계치 이하일 경우 상기 적분을 정지하는 것을 특징으로 하는 세탁기.