KR20190124603A

KR20190124603A - 회생 제동을 수행하는 모터 구동 장치

Info

Publication number: KR20190124603A
Application number: KR1020180048779A
Authority: KR
Inventors: 고효진; 오승석; 이선호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-11-05
Also published as: KR102161630B1

Abstract

본 발명은 회생 제동을 통해 발생된 전기 에너지를 저장하여 저전력 부하에 제공하는 모터 구동 장치에 관한 것이다. 상기 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 모터의 역기전력 전압이 배터리의 전압보다 큰 경우, 정류부 스위치와 인버터에 포함된 스위칭 소자를 모두 오픈시키는 제어부를 포함함으로써, 모터를 회생 제동시켜 발생된 전기 에너지를 배터리에 제공할 수 있다.

Description

회생 제동을 수행하는 모터 구동 장치{Motor drive apparatus performing regenerative breaking}

본 발명은 회생 제동을 통해 발생된 전기 에너지를 저장하여 저전력 부하에 제공하는 모터 구동 장치에 관한 것이다.

일반적으로 세탁기는 세제와 물의 작용을 이용하여 세탁물에 묻어 있는 오염 물질을 제거하는 기기이다. 이하에서는 종래의 세탁기의 구조에 대해 살펴보도록 한다.

도 1은 종래의 일반적인 세탁기에 대한 내부 구성도이다. 여기에서 도 1에 도시된 도면부호는 도 1에 대한 설명에 한정된다.

도 1을 살펴보면, 세탁기는 케이싱(2)과, 케이싱(2) 내부에 장착되어 세탁수(w)가 보관되는 저수조(10)와, 저수조(10)의 내부에 회전 가능하게 위치되어 세탁물(m)이 수용되는 세탁조(20)와, 세탁조(20)를 지지함과 아울러 회전 구동시키는 모터(30)를 포함한다.

케이싱(2)은 일면에 출입홀(2a)이 형성되고, 출입홀(2a)을 개폐하기 위한 도어(4)가 장착된다.

도어(4)는 케이싱(2)에 회동 가능하게 연결된 도어 프레임(5)과, 도어 프레임(5)에 장착된 도어 글래스(6)로 구성된다.

세탁조(20)에는 세탁물(m)이 출입될 수 있는 출입홀(21)이 형성되고, 세탁수(w)가 유출입될 수 있도록 수공(22)이 형성된다.

모터(30)는 회전축(32)이 저수조(10)를 관통하면서 저수조(10)에 베어링(34)으로 지지되고 그 선단이 세탁조(20)에 연결된다.

또한, 세탁기는 외부에서 급수되는 세탁수(w)를 저수조(10) 내로 공급하는 급수장치를 더 포함하는 바, 급수장치는 외부 호스에 연결되어 외부 호스를 통해 공급되는 깨끗한 물을 단속하는 급수 밸브(42)와, 세탁기 내부로 급수된 물을 미리 저장된 세제와 혼합한 후 배출하도록 세제 저장 공간과 급수 통로와 배출구가 형성된 세제통(43)을 포함하여 구성된다.

또한, 세탁기는 저수조(10) 내부의 세탁수(w)를 외부로 배수하는 배수장치를 더 포함하는 바, 배수장치는 저수조(10)의 세탁수(w)가 안내되는 배수 호스(45,bellows tube)와, 배수되는 세탁수를 펌핑(또는 단속)하는 배수펌프(46, 또는 배수밸브)로 구성된다.

이러한 세탁기의 모터(30)는 동작 특성상 정방향과 역방향 회전의 교번이 빈번하게 발생한다. 또한, 최근에는 기어와 결합되어 높은 회전 속도(예를 들어, 500rpm 이상)로 동작하는 기어드 모터(geared motor)가 주로 이용되는 추세이다.

따라서, 세탁기에 사용되는 모터(30)의 경우, 제동 구간이 주기적으로 빈번하게 나타나며, 모터(30)가 높은 회전 속도로 동작하는 경우 시간에 따른 속도 변화량이 커서 회생제동에 유리해진다.

다만, 종래의 세탁기에서 모터가 초고속으로 동작하는 경우 평균 소비전력량이 늘어나게 되는 문제가 있었다.

또한, 종래의 세탁기는 모터의 회생 제동시 발생되는 전기에너지를 효과적으로 사용하지 못하여 에너지 효율이 상대적으로 낮아지는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은, 제동 구간이 빈번히 나타나고 시간당 속도 변화량이 큰 세탁기의 모터에서 회생 제동을 통하여 에너지를 발생시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 회생 제동을 통해 발생된 전기 에너지를 저장하여 저전력 부하에 제공함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 회생 제동을 통해 발생된 에너지를 이용함으로써 세탁기의 전체 소비전력량을 저감시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 모터의 역기전력 전압이 배터리의 전압보다 큰 경우, 정류부 스위치와 인버터에 포함된 스위칭 소자를 모두 오픈시키는 제어부를 포함함으로써, 모터를 회생 제동시켜 발생된 전기 에너지를 배터리에 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 인버터에 인가되는 전압을 부하에 제공하는 SMPS 컨버터와, SMPS 컨버터가 오프되는 경우 저장된 전기 에너지를 부하에 제공하는 배터리를 포함함으로써, 배터리에 저장된 에너지를 저전력 부하에 제공함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 모터의 역기전력 전압이 상기 커패시터의 전압보다 큰 경우, 정류부 스위치를 오픈시켜 모터를 회생 제동 시키는 제어부를 포함함으로써, 세탁기의 전체 소비전력량을 저감시킬 수 있다.

본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 제동 구간이 빈번하고 시간당 속도 변화량이 큰 세탁기의 모터에서 회생 제동을 통하여 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 모터에서 발생되는 전기에너지가 세탁기의 구동에 이용됨에 따라, 세탁기의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 회생 제동을 통해 발생된 전기 에너지를 저장하여 저전력 부하에 제공함으로써, 세탁기의 전체 소비전력량을 저감시킬 수 있다. 이는 저전력 제품을 선호하는 최근 트렌드에 부합하여 제품 판매량을 향상시킬 수 있으며, 제품 생산 비용을 크게 증가시키지 않고 최적의 동작 효율을 이끌어낼 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 동작 특성상 정방향과 역방향의 교번이 빈번하게 나타나고 고속으로 동작하는 모터에 적용됨으로써, 모터의 회생 제동을 이용하여 발전되는 에너지를 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 제품 이용 시 사용자가 부담해야 하는 전기료는 감소될 수 있으며, 사용자의 제품에 대한 선호도는 향상될 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 종래의 일반적인 세탁기에 대한 내부 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 블럭도이다.　
도 3은 도 1의 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 개략적인 동작을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회생 제동 구간을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 블럭도이다.　
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 개략적인 동작을 나타내는 블록도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 '발전 제동'은 모터에서 발생한 전력을 저항(예를 들어, 모터의 내부 저항)에 흐르게 하여 발열 소비시키고, 이를 통해 모터에 회전 저항을 일으키게 하여 제동력을 얻는 전기 제동 방법이다.

구체적으로, 발전 제동에서는 회전자의 자속 변화와 각 코일의 경로 형성에 의해 전류가 흐르게 되고, 코일에 흐르는 전류에 의해 회전자의 회전방향과 반대되는 제동력이 발생하게 된다.

한편 본 명세서에서 '회생 제동'은 모터를 발전기로서 작동시켜 회전자의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 변환된 전기에너지를 회수하여 제동력을 발생시키는 전기 제동 방법이다.

이하에서는 모터 구동 장치가 발전 제동으로 동작하는 경우 외부 저항 없이 모터의 내부 저항으로 전력을 소비시켜 모터가 제동되고, 모터 구동 장치가 회생 제동으로 동작하는 경우 제동 시 발생되는 전기 에너지를 저장하여 활용하는 것을 예로 들어 설명하도록 한다.

또한, 이하에서는, 도 2 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 회생 제동을 이용한 모터 구동 장치를 설명하도록 한다.

참고로, 도 2 내지 도 9에서 설명하는 모터 구동 장치는 도 1을 참조하여 앞에서 설명한 세탁기의 모터(30)를 제어하기 위한 장치에 해당한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 블럭도이다.　 도 3은 도 1의 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.

도 2를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(1)는, 모터(110), 인버터(120), 제어부(130), 제1 컨버터(140), 및 배터리(150)를 포함한다. 참고로, 모터 구동 장치(1)는, 제2 컨버터(160) 및 부하(170)를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 모터 구동 장치(1)의 각각의 구성에 대해 자세히 살펴보도록 한다.

정류부(105)는 상용 교류 전원(101)을 정류하여 출력한다. 예를 들어, 정류부(105)는, 4개의 다이오드가 연결된 풀 브릿지 다이오드를 구비할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형되어 적용될 수 있다.

정류부 스위치(107)는 정류부(105)와 인버터(120) 사이에 배치된다. 정류부 스위치(107)는 정류부(105)로부터 인버터(120)에 전달되는 전원을 온오프 시킨다. 정류부 스위치(107)는 제어부(130)에 의해 동작이 제어되며, 모터 구동 장치(1)가 회생 제동 또는 발전 제동으로 동작하는 경우, 인버터(120)에 전달되는 전원을 차단할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 이하에서 후술하도록 한다.

모터(110)는 3상 코일(미도시)이 권선된 스테이터(stator) 및 상기 스테이터 내에 배치되며 상기 3상 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 로터(rotor)를 포함할 수 있다. 모터(110)의 3상 코일에 3상 교류전압(Vua, Vvb, Vwc)이 인버터(120)로부터 공급되면, 3상 코일에서 발생된 자계에 의해 로터에 포함된 영구자석이 회전한다.

참고로, 본 발명이 3상 코일에 의해 동작하는 3상 모터에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 단상 코일을 이용하는 단상 모터가 이용될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 3상 모터를 기준으로 본 발명의 특징을 설명하도록 한다.

모터(110)는 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 모터(110)는 표면 부착형 영구자석 동기 모터(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기 모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 모터(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다.

인버터(120)는 3상 스위치 소자들(도 3 참조)를 포함할 수 있다. 상기 3상 스위치 소자들은 제어부(130)으로 공급된 동작 제어 신호(이하, 'PWM(Pulse Width Modulation) 신호'라 칭함, 이하, PWM 신호)가 입력되면 스위치 온 및 오프로 동작하고, 입력된 직류전압(Vdc)을 3상 교류전압(Vua, Vvb, Vwc)로 변환하여 3상 코일에 공급할 수 있다.

구체적으로, 도 3을 살펴보면, 인버터(120)는 3상 스위치소자들을 포함할 수 있다.

3상 스위치소자는 제어부(130)으로부터 공급된 PWM 신호(PWMS)에 의해 스위치 온 및 오프 동작하여 입력된 직류전압(Vdc)을 소정 주파수 또는 듀티를 갖는 3상 교류전압(Vua, Vvb, Vwc)으로 변환하여 모터(110)로 출력할 수 있다.

3상 스위치소자들은 서로 직렬 연결되는 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc) 및 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'b)가 서로 한 쌍이 되며, 총 세쌍의 제1 내지 제3 상암 스위치 및 제1 내지 제3 하암 스위치((Sa&S'a, Sb&S'b, Sc&S'c)가 서로 병렬 연결될 수 있다.

즉, 제1 상, 하암 스위치(Sa, S'a)는 모터(110)의 3상 코일(La, Lb, Lc) 중 제1 상 코일(La)로 3상 교류전압(Vua, Vvb, Vwc) 중 제1 상 교류전압(Vua)를 공급한다.

또한, 제2 상, 하암 스위치(Sb, S'b)는 제2 상 코일(Lb)로 제2 상 교류전압(Vvb)을 공급하며, 제3 상, 하암 스위치(Sc, S'c)는 제3 상 코일(Lc)로 제3 상 교류전압(Vwc)를 공급할 수 있다.

여기서, 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc) 및 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'b) 각각은 입력된 PWM 신호(PWMS)에 따라 온 및 오프로 동작하고, 3상 코일(La, Lb, Lc) 각각으로 3상 교류전압(Vua, Vvb, Vwc)을 공급함으로써 모터(110)의 동작을 제어할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 제어부(130)은 목표 지령값 입력시, 목표 지령값 및 로터의 전기각 위치를 기초로 3상 스위치소자들 각각의 온 동작에 대한 온 시간구간 및 오프동작에 대한 오프 시간구간을 결정하는 PWM 신호(PWMS)를 출력할 수 있다.

제어부(130)는 목표 지령값을 기초로 PWM 신호(PWMS)를 생성하고, ㅛ생성된 PWM 신호(PWMS)를 인버터(120)에 제공함으로써 모터(110)의 동작을 제어할 수 있다.

제어부(130)는 지령속도를 입력 받고, 모터(110)의 현재속도가 지령속도와 일치되도록 인버터(120)의 동작을 제어할 수 있다.

만약, 제어부(130)가 지령속도가 기준치 이하인(예를 들어, '0'인) 정지지령을 수신하는 경우, 모터(110)의 현재속도가 정지지령에 수렴하도록 인버터(120)를 제어할 수 있다. 이때, 제어부(130)에서 출력되는 PWM 신호(PWMS)에 따라 모터 구동 장치(1)는 회생 제동 또는 발전 제동으로 동작할 수 있다.

또한, 제어부(130)는 지령속도와 함께 급제동신호가 수신되었는지 여부에 따라 모터 구동 장치(1)를 회생 제동 또는 발전 제동으로 동작할 수 있다.

회생 제동 또는 발전 제동으로 모터 구동 장치(1)를 동작시키기 위한 제어부(130)의 자세한 동작 제어 방법은 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.

제1 컨버터(140)는 인버터(120)에서 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리(150)에 제공한다. 예를 들어, 제1 컨버터(140)는 인버터(120)에서 출력되는 3상 교류전압(Vua, Vvb, Vwc)를 직류전압으로 변환시켜 배터리(150)를 충전시킬 수 있다.

참고로, 도면에 명확히 도시하지는 않았으나, 제1 컨버터(140)의 동작 여부는 제어부(130)에 의해 결정될 수 있다.

구체적으로, 제어부(130)는 모터(110)에서 발생되는 역기전력 전압과 배터리(150)의 전압의 크기를 기초로 제1 컨버터(140)의 동작 여부를 결정할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 모터(110)에서 발생되는 역기전력 전압이 배터리(150)의 전압보다 큰 경우에만, 제1 컨버터(140)를 동작시켜 배터리(150)에 직류 전원을 제공함으로써, 배터리(150)를 충전시킬 수 있다.

배터리(150)는 제1 컨버터(140)로부터 입력받은 직류전압을 저장한다. 또한, 배터리(150)는 저장된 전기 에너지를 부하(170)에 제공할 수 있다. 배터리(150)는 충방전이 가능한 2차 전지가 이용될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 전기를 충전하고 방전할 수 있는 모든 종류의 배터리가 이용될 수 있다.

제2 컨버터(160)는 인버터(120)에 인가되는 제1 직류전압(예를 들어, Vdc)을 부하(170)에 인가되는 제2 직류전압으로 변환한다. 여기에서, 제2 직류전압은 상대적으로 제1 직류전압(예를 들어, Vdc) 보다 작게 형성된다. 변환된 제2 직류전압은 부하(170)에 제공된다.

일반적으로, 제2 컨버터(160)는 부하(170)에 필요한 전력을 제공하나, 제2 컨버터(160)는 동작이 정지되는 경우, 배터리(150)가 제2 컨버터(160)를 대신하여 부하(170)에 전력을 제공할 수 있다.

이때, 도면에 명확히 도시되지는 않았으나, 제2 컨버터(160)의 동작은 제어부(130)에 의해 제어된다. 구체적으로, 제어부(130)는 배터리(150)의 전압이 일정 기준치보다 높거나, 모터(110)가 회생 제동으로 동작하는 경우, 제2 컨버터(160)를 통한 전원 제공을 차단시키고, 배터리(150)로부터 부하(170)에 전원이 제공되도록 제어할 수 있다.

참고로, 본 발명의 제2 컨버터(160)와 배터리(150)는 다양한 방식으로 부하(170)에 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제2 컨버터(160)와 배터리(150)가 동시에 부하(170)에 전력을 제공할 수 있으며, 제2 컨버터(160)와 배터리(150) 중 어느 하나에서만 선택적으로 부하(170)에 전력을 제공할 수 있다.

부하(170)는 모터 구동 장치(1)에 포함된 다양한 구성요소들을 포함한다. 예를 들어, 부하(170)는 전력을 필요로 하는 디스플레이부, 인터페이스부, 통신부, 발광부 등이 될 수 있다. 일반적으로 부하(170)는 일정한 크기의 전력을 소비하며, 배터리(150) 또는 제2 컨버터(160)를 통해 전력을 제공받아 동작할 수 있다.

추가적으로, 도면에 명확히 도시하지는 않았으나, 모터 구동 장치(1)는 입력 전류 검출부, 전압 검출부, 직류단 커패시터, 전동기 전류 검출부, 입력 전압 검출부 등을 더 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 앞의 추가적인 구성요소 중 일부는 생략되어 실시될 수 있다.

입력 전류 검출부는, 상용 교류 전원(101)으로부터 입력되는 입력 전류를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부로 CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 전력 제어를 위해 제어부(130)에 입력될 수 있다.

입력 전압 검출부는, 상용 교류 전원(101)으로부터 입력되는 입력 전압(AC)을 검출할 수 있다. 이를 위해, 입력 전압 검출부는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 입력 전압은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 전력 제어를 위해 제어부(130)에 입력될 수 있다.

전압 검출부는 커패시터의 양단인 직류전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 즉, 전압 검출부는 인버터(120)의 입력 단자에 인가되는 직류전압(Vdc)을 측정할 수 있다. 직류전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, PWM 신호(PWMS)의 생성을 위해 제어부(130)에 제공된다. 이를 위하여, 전압 검출부는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다.

전동기 전류 검출부는 인버터(120)와 모터(110) 사이에 흐르는 출력전류를 검출한다. 전동기 전류 검출부는 모터(110)에 흐르는 전류(즉, 회생 제동 모드에서 제1 컨버터(140)를 통해 배터리(150)에 전달되는 전류)를 검출할 수 있다. 이때, 전동기 전류 검출부는 각 상의 출력 전류(ia, ib, ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 3상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다. 전동기 전류 검출부는 인버터(120)와 모터(110) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.

이에, 제어부(130)는 입력 전류 검출부에서 검출되는 입력 전류와 입력 전압 검출부에서 검출되는 입력 전압, 전압 검출부에서 검출되는 직류전압(Vdc), 전동기 전류 검출부에서 검출되는 출력전류를 이용하여 인버터(120)의 동작을 제어하거나, 모터(110)의 역기전력을 산출할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 개략적인 동작을 나타내는 블록도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회생 제동 구간을 설명하기 위한 그래프이다.

도 4를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(1)에서, 우선 제어부(130)는 사용자로부터 정지지령을 수신한다(S110). 정지 지령은 인터페이스부를 통해 입력되거나, 특정 프로그램 동작 중에 제어부(130)에 입력될 수 있다.

이어서, 제어부(130)는 정지지령과 함께 사용자로부터 급제동 요청이 수신되는지 여부를 판단한다(S120). 여기에서 급제동 요청은, 비상시 또는 사용자의 요청에 의해 모터 구동 장치(1)의 동작의 빠른 정지를 위한 명령에 해당하며, 급제동 요청이 있는 경우, 빠른 제동을 위해 발전 제동이 수행된다.

이어서, 급제동 요청이 수신되지 않은 경우, 제어부(130)는 모터(110)에서 발생하는 역기전력 전압과 배터리(150)의 전압의 크기를 비교한다(S130).

이어서, 모터(110)의 역기전력 전압이 배터리(150)의 전압보다 큰 경우, 제어부(130)는 정류부 스위치(107)를 오픈 시키고, 인버터(120)에 포함된 스위치 소자(예를 들어, 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc) 및 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'b))를 모두 오픈시킨다(S140).

이를 통해, 모터(110)는 회생 제동한다(S150). 모터(110)가 회생 제동 하는 경우, 모터(110)에서 발생된 전기에너지는 제1 컨버터(140)를 통하여 배터리(150)에 전달되어 저장된다.

배터리(150)에 저장된 전기 에너지는 필요시 부하(170)에 제공된다. 예를 들어, 제2 컨버터(160)가 정상 동작하지 않거나, 인버터(120)에 정상 범위의 전원이 인가되지 않는 경우, 배터리(150)는 부하(170)에 전력을 제공하여 모터 구동 장치(1)에 포함된 다른 구성요소들이 정상 동작하도록 하는 페일 세이프 동작(Fail Safe)을 수행할 수 있다.

한편, 제어부(130)에 정지지령과 함께 사용자로부터 급제동 요청이 수신되거나, 모터(110)의 역기전력 전압이 배터리(150)의 전압보다 작은 경우, 모터(110)는 발전 제동 한다(S160).

모터(110)가 발전 제동하는 경우, 제어부(130)는 인버터(120)의 제1 내지 제3 상암 스위치(Sa, Sb, Sc)를 모두 오픈시키고, 제1 내지 제3 하암 스위치(S'a, S'b, S'b)를 모두 단락시킨다. 이를 통해, 인버터(120)와 모터(110) 사이에는 3상 코일에 대한 폐경로가 형성된다. 이때, 모터(110)의 자속 변화와 각 코일의 경로 형성에 의해 모터(110)에 전류가 흐르게 되고, 코일에 흐르는 전류에 의해 회전자의 회전방향과 반대되는 제동력이 발생하게 되어, 모터(110)는 급제동하게 된다.

도 5를 살펴보면, 모터(110)가 정상 동작하는 경우, 정류부 스위치(107)가 단락되고, 인버터(120)는 제어부(130)의 PWM 신호(PWMS)에 따라 동작한다. 이때, 제어부(130)는 입력되는 지령속도와 모터(110)의 현재속도가 일치되도록 PWM 신호(PWMS)를 생성하여 인버터(120)에 제공한다.

이어서, 제어부(130)에 모터(110)의 제동에 대한 정지지령이 수신되는 경우, 제어부(130)는 정지지령와 함께 급제동 요청이 있었는지 여부를 판단한다.

이어서, 급제동 요청이 없고, 모터(110)의 역기전력 전압이 배터리(150)의 전압보다 큰 경우, 제어부(130)는 모터(110)의 회생 제동을 통하여 배터리(150)를 충전시킨다.

이때, 제어부(130)는 정류부 스위치(107)와, 인버터(120)에 포함된 모든 스위치 소자들을 오픈시켜 모터(110)가 회생 제동 하도록 제어한다. 이어서, 제어부(130)는 제1 컨버터(140)를 동작시켜 배터리(150)에 전기에너지를 전달함으로써 배터리(150)를 충전시킨다.

이어서, 배터리(150)는 저장된 전기에너지를 부하(170)에 전달한다. 배터리(150)는 전력소모가 다소 적은 부하들(예를 들어, 저전력 부하)에 전력을 제공한다.

또한, 제2 컨버터(160)가 정상 동작하지 않거나, 인버터(120)에 인가되는 전원이 비정상범위에 있는 경우, 배터리(150)는 제2 컨버터(160)를 대신하여 부하(170)에 전력을 제공할 수 있다.

본 발명에서 배터리(150)에서 제공한 전력량만큼 모터 구동 장치(1)의 전체 사용전력량은 감소될 수 있다.

도 6을 살펴보면, 본 발명의 모터 구동 장치(1)가 이용되는 세탁기에서 지령속도는 일정한 주기성을 갖는 것을 볼 수 있다.

이는 세탁기의 동작적 특성에 따른 것으로, 세탁물의 세탁을 위해 모터(110)는 정방향(예를 들어, 시계방향)과 역방향(예를 들어, 반시계방향)의 교번이 일정한 주기로 발생하게 된다.

이러한 모터(110)의 주기성에 의해 지령속도가 급격히 감소되는 구간(예를 들어, S1, S2)이 주기적으로 빈번하게 발생되고, 빈번하게 발생되는 지령속도의 급격한 감소구간에서 모터 구동 장치(1)는 회생 제동으로 동작함으로써, 전기에너지를 생성하여 배터리(150)에 저장할 수 있다. 이렇게 배터리(150)에 저장된 전기에너지는 모터 구동 장치(1)의 다른 부하(170)에 제공되어 이용될 수 있다.

정리하자면, 모터(110)의 회생 제동 시 발생되는 전기에너지가 세탁기의 동작에 이용됨에 따라, 세탁기의 전체 소비전력량은 감소되고, 세탁기의 에너지 효율은 향상될 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 블럭도이다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 개략적인 동작을 나타내는 블록도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치(2)는 앞에서 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(1)와 실질적으로 유사한 방식으로 동작하는 바, 이하에서는 중복되는 설명은 생략하고 차이점을 위주로 설명하도록 한다.

도 7을 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치(2)는, 정류부(105), 정류부 스위치(107), 커패시터(109), 모터(110), 인버터(120), 및 제어부(130)를 포함한다.

정류부 스위치(107)는 정류부(105)와 인버터(120) 사이에 배치된다. 정류부 스위치(107)는 정류부(105)로부터 인버터(120)에 전달되는 전원을 온오프 시킨다. 정류부 스위치(107)는 제어부(130)에 의해 동작이 제어되며, 모터 구동 장치(1)가 회생 제동 또는 발전 제동으로 동작하는 경우, 인버터(120)에 전달되는 전원을 차단할 수 있다.

인버터(120)는 정류부(105)에서 변환된 직류전압을 이용하여 모터(110)를 구성시킨다. 인버터(120)는 제어부(130)에서 출력되는 PWM 신호(PWMS)에 의해 동작이 제어된다.

제어부(130)는 정류부 스위치(107)와 인버터(120)의 동작을 제어한다. 제어부(130)는 스위치 온오프 신호와, PWM 신호(PWMS)를 이용하여 정류부 스위치(107)와 인버터(120)의 동작을 각각 제어할 수 있다.

커패시터(109)는 인버터(120)의 입력단자에 병렬로 연결된다. 즉, 커패시터(109)는 인버터(120)의 입력단자에 인가되는 직류전압(Vdc)이 양단에 인가된다.

이하에서는 모터 구동 장치(2)에서 커패시터(109)의 기능에 대해 살펴보도록 한다.

도 8을 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치(2)에서, 제어부(130)는 사용자로부터 정지지령을 수신한다(S210).

이어서, 제어부(130)는 정지지령과 함께 사용자로부터 급제동 요청이 수신되는지 여부를 판단한다(S220).

이어서, 급제동 요청이 수신되지 않은 경우, 제어부(130)는 모터(110)에서 발생하는 역기전력 전압과 커패시터(109)의 전압의 크기를 비교한다(S230).

이어서, 모터(110)의 역기전력 전압이 커패시터(109)의 전압보다 큰 경우, 제어부(130)는 정류부 스위치(107)를 오픈 시킨다(S240).

이를 통해, 모터(110)는 회생 제동한다(S250). 모터(110)가 회생 제동 하는 경우, 모터(110)에서 발생된 전기에너지는 인버터(120)를 통하여 커패시터(109)에 전달되어 저장된다.

이때, 인버터(120)에 포함된 각각의 스위칭 소자(예를 들어, IGBT 소자)에는 역기전력에 의한 전류의 흐름을 제어하는 다이오드(도 3 참조)가 포함되어 있어 모터(110)에서 회생 제동 시 생성되는 전류를 커패시터(109)에 전달할 수 있다.

이어서, 커패시터(109)에 저장된 전기 에너지는 모터(110)의 재구동시 인버터(120)의 입력 단자에 제공된다. 이는 모터(110)의 구동 초기에 필요한 기전력을 추가로 확보하게 하여, 모터(110)에 빈번한 제동이 발생하더라도 제동 전 속도로 빠르게 복구될 수 있도록 한다.

또한, 커패시터(109)에 충전된 전기에너지는 인버터(120)에 불안정한 전원이 인가되는 경우에도, 인버터(120)의 입력단자에 안정적인 전압이 인가되도록 할 수 있다. 이는 모터 구동 장치(2)에 불안정한 전원이 일시적으로 입력되는 경우에도 모터(110)가 정상 동작하도록 하는 페일 세이프 기능(Fail Safe)을 수행할 수 있다.

한편, 제어부(130)에 정지지령과 함께 사용자로부터 급제동 요청이 수신되거나, 모터(110)의 역기전력 전압이 커패시터(109)의 전압보다 작은 경우, 모터(110)는 발전 제동 한다(S260).

도 9를 살펴보면, 모터(110)가 정상 동작하는 경우, 정류부 스위치(107)가 단락되고, 인버터(120)는 제어부(130)의 PWM 신호(PWMS)에 따라 동작한다. 이때, 제어부(130)는 입력되는 지령속도와 모터(110)의 현재속도가 일치되도록 PWM 신호(PWMS)를 생성하여 인버터(120)에 제공한다.

이어서, 급제동 요청이 없고, 모터(110)의 역기전력 전압이 커패시터(109)의 전압보다 큰 경우, 제어부(130)는 모터(110)의 회생 제동을 통하여 커패시터(109)를 충전시킨다.

이때, 제어부(130)는 정류부 스위치(107)를 오픈시켜 모터(110)가 회생 제동시키고, 커패시터(109)에 전기 에너지를 충전시킨다.

이어서, 모터(110)가 재운전을 시작하는 경우, 커패시터(109)에 저장된 전기에너지는 모터(110)의 구동 초기에 필요한 기전력을 추가 확보하는데 이용된다.

이를 통해, 모터(110)는 구동 초기에 필요한 기전력을 추가로 확보하게 하여, 빈번한 제동이 발생하더라도 제동 전 속도로 빠르게 복구될 수 있다.

정리하면, 또한, 본 발명의 몇몇 실시예 따른 모터 구동 장치는, 동작 특성상 정방향과 역방향의 교번이 빈번하게 나타나고, 최근 고속 모터가 이용되는 세탁기에 적용됨으로써, 모터의 회생 제동을 통한 효과를 극대화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 제동 구간이 빈번하고 시간당 속도 변화량이 큰 세탁기의 모터에서 회생 제동을 통해 발생시킨 에너지를 저장하고 이를 이용함으로써, 세탁기의 전체 소비전력량을 저감시키고, 세탁기의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

이는 저전력 제품을 선호하는 최근 트렌드에 부합하여 제품 판매량을 향상시킬 수 있으며, 제품 단가를 크게 향상시키지 않고 최적의 동작 효율을 이끌어낼 수 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

101: 상용 교류 전원 105: 정류부
110: 모터 120: 인버터
130: 제어유닛

Claims

교류 전압을 직류 전압으로 변환시키는 정류부;
상기 변환된 직류전압을 이용하여 모터를 구동시키는 인버터;
상기 정류부와 상기 인버터 사이에 배치되는 정류부 스위치;
상기 정류부 스위치와, 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어부; 및
상기 모터에서 발생되는 전기 에너지를 저장하는 배터리를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 모터의 역기전력 전압이 상기 배터리의 전압보다 큰 경우, 상기 정류부 스위치와 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 모두 오픈시키는
모터 구동 장치.
제1항에 있어서,
상기 모터의 역기전력 전압이 상기 배터리의 전압보다 큰 경우, 상기 배터리는 상기 모터에서 발생되는 전기 에너지를 충전하는
모터 구동 장치.
제2항에 있어서,
상기 인버터에 인가되는 전압을 부하에 제공하는 SMPS 컨버터를 더 포함하고,
상기 SMPS 컨버터가 오프되는 경우, 상기 배터리는 저장된 전기 에너지를 상기 부하에 제공하는
모터 구동 장치.
제1항에 있어서,
상기 모터는, 3상 코일이 권선된 스테이터와, 상기 스테이터 내에 배치되며 상기 3상 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 로터를 포함하고,
상기 인버터는, 상기 3상 코일로 3상 교류 전압을 공급 또는 차단하도록 온 및 오프동작하는 3상 스위치소자들을 포함하는
모터 구동 장치.
제4항에 있어서,
상기 3상 코일은,
상기 3상 교류 전압 중 제1 상 교류 전압이 공급되는 제1 상 코일과, 상기 3상 교류 전압 중 제2 상 교류 전압이 공급되는 제2 상 코일과, 상기 3상 교류 전압 중 제3 상 교류 전압이 공급되는 제3 상 코일을 포함하고,
상기 3상 스위치소자들은,
상기 제1 상 교류 전압이 공급되게 온 및 오프 동작하며, 상기 제1 상 코일과 병렬 연결된 제1 상암 스위치 및 제1 하암 스위치와,
상기 제2 상 교류 전압이 공급되게 온 및 오프 동작하며, 상기 제2 상 코일과 병렬 연결된 제2 상암 스위치 및 제2 하암 스위치와,
상기 제3 상 교류 전압이 공급되게 온 및 오프 동작하며, 상기 제3 상 코일과 병렬 연결된 제3 상암 스위치 및 제3 하암 스위치를 포함하는
모터 구동 장치.
제5항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 모터의 역기전력 전압이 상기 배터리의 전압보다 큰 경우, 상기 제1 내지 제3 상암 스위치와, 상기 제1 내지 제3 상암 스위치를 모두 오프시켜 상기 모터를 회생 제동시키는
모터 구동 장치.
제5항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 모터에 대한 급제동 요청이 수신되는 경우, 상기 제1 내지 제3 상암 스위치를 오픈시키고, 상기 제1 내지 제3 하암 스위치를 단락시켜, 상기 모터를 발전 제동시키는
모터 구동 장치.
제4항에 있어서,
상기 모터와 상기 배터리 사이에 배치되고, 상기 모터에서 출력되는 상기 3상 교류 전압을 직류 전압으로 변환시켜 상기 배터리에 제공하는 컨버터를 더 포함하는
모터 구동 장치.
교류 전압을 직류 전압으로 변환시키는 정류부;
상기 변환된 직류전압을 이용하여 모터를 구동시키는 인버터;
상기 정류부와 상기 인버터 사이에 배치되는 정류부 스위치;
상기 인버터의 입력단자에 병렬로 연결되는 커패시터; 및
상기 정류부 스위치와, 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 모터의 역기전력 전압이 상기 커패시터의 전압보다 큰 경우, 상기 정류부 스위치를 오픈시키는
모터 구동 장치.
제9항에 있어서,
상기 인버터는, 3상 코일로 3상 교류 전압을 공급 또는 차단하도록 온 및 오프동작하는 3상 스위치소자들을 포함하고,
상기 3상 코일은,
상기 3상 교류 전압 중 제1 상 교류 전압이 공급되는 제1 상 코일과, 상기 3상 교류 전압 중 제2 상 교류 전압이 공급되는 제2 상 코일과, 상기 3상 교류 전압 중 제3 상 교류 전압이 공급되는 제3 상 코일을 포함하고,
상기 3상 스위치소자들은,
상기 제1 상 교류 전압이 공급되게 온 및 오프 동작하며, 상기 제1 상 코일과 병렬 연결된 제1 상암 스위치 및 제1 하암 스위치와,
상기 제2 상 교류 전압이 공급되게 온 및 오프 동작하며, 상기 제2 상 코일과 병렬 연결된 제2 상암 스위치 및 제2 하암 스위치와,
상기 제3 상 교류 전압이 공급되게 온 및 오프 동작하며, 상기 제3 상 코일과 병렬 연결된 제3 상암 스위치 및 제3 하암 스위치를 포함하는
모터 구동 장치.
제10항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 모터의 역기전력 전압이 상기 커패시터의 전압보다 큰 경우, 상기 모터를 회생 제동시켜 상기 커패시터의 전압을 충전시키는
모터 구동 장치.
제10항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 모터에 대한 급제동 요청이 수신되는 경우, 상기 제1 내지 제3 상암 스위치를 오픈시키고, 상기 제1 내지 제3 하암 스위치를 단락시켜 상기 모터를 발전 제동시키는
모터 구동 장치.