KR20190125074A - 이상 동작 방지 알고리즘을 수행하는 모터 구동 장치 - Google Patents

이상 동작 방지 알고리즘을 수행하는 모터 구동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 불안정한 전원으로 인한 이상 동작을 방지할 수 있는 알고리즘을 수행하는 모터 구동 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 모터 구동 장치는, 입력받은 직류전압을 교류전압으로 변환시켜 모터에 제공하는 인버터와, 상기 직류전압이 기준전압 보다 작게 유지되는 시간을 감지하고, 이를 기초로 인버터에 인가되는 제어 신호를 차단하는 제어유닛을 포함함으로써, 이상 전원 입력에 의한 피크 전류의 발생을 방지하고 모터 제어의 안정성을 확보할 수 있다.

Description

이상 동작 방지 알고리즘을 수행하는 모터 구동 장치{Motor drive apparatus performing algorithm for preventing abnormal operation}
본 발명은 불안정한 전원 입력으로 인한 이상 동작을 방지할 수 있는 알고리즘을 수행하는 모터 구동 장치에 관한 것이다.
소형 정밀 제어 모터는 크게 AC 모터, DC 모터, 브러시리스(Brushless) DC 모터 및 릴럭턴스(Reluctance) 모터로 구분된다.
이러한 소형 정밀 제어 모터는 AV 기기용, 컴퓨터용, 가전 및 주택설비용, 산업용 등 많은 곳에서 사용되고 있다. 특히 가전 분야는 소형모터의 최대 시장을 형성해 가고 있는 분야이다. 가전제품은 점차 고급화 되어 가고 있으며 그에 따라 구동되는 모터의 소형화, 저소음화, 저소비, 전력화 등이 요구된다.
이 중, BLDC 모터(Brushless Direct Current motor)는 브러쉬와 정류자가 없는 모터로서, 기계적인 마찰손실이나 불꽃, 노이즈가 원칙적으로는 발생하지 않으며 속도 제어나 토크 제어가 뛰어나다. 또한, 속도 제어에 의한 손실이 없고, 소형모터로서는 효율이 높아 가전분야의 제품에 많이 사용되고 있다.
BLCD 모터는 3상 교류전압을 제공하는 인버터와, 인버터의 출력 전압을 제어하는 제어유닛을 포함할 수 있다. 이때, 제어유닛은 PWM 제어 방식을 이용하여 인버터를 제어할 수 있다.
최근에는 인버터의 가격 경쟁령 확보를 위하여 인버터에 인가되는 DC 링크(DC link) 전원단에 연결되는 커패시터(Capacitor)를 소형화시키거나 제거한 캡리스(Capless) 제품을 개발하는 추세이다.
이러한 캡리스 제품의 사용시 의도치 않은 전원 차단이 발생하는 경우, 인버터는 입력 전압은 없는 상태로 동작하나, 그 외 각 소자들에는 전원이 공급된 채로 제어 동작을 계속해서 수행한다.
이때, 인버터를 제어하는 제어 유닛에서는 목표값과 모터의 현재값이 불일치하는 상태가 지속되므로, 제어 유닛 내부의 지령치가 계속 높아지는 상황이 발생한다. 이에 따라, 모터의 회생전압에 의해 높아진 지령치가 모터의 제어 신호에 그대로 반영되므로 순간적으로 피크 전류(Peak Current)가 발생할 수 있다.
이렇게 피크 전류가 발생되는 경우, 주변 회로(예를 들어, 인버터 또는 제어 회로)에는 부품 소손이 발생될 수 있으며, 모터는 비이상적으로 온도가 상승하게 되어 코일이 발화하거나 베어링이 파손될 수 있는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 인버터에 이상 전원이 인가되는지 여부를 감지하고, 이를 기초로 모터의 기동을 정지시켜 모터 제어의 안정성을 확보할 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 인버터에 인가되는 입력 전원이 차단되는 비정상적인 상황에서 부품 소손을 방지할 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 인버터에 인가되는 입력 전원이 정상으로 회복되는 경우, 모터를 안정적으로 재기동시킬 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, 입력받은 직류전압을 교류전압으로 변환시켜 모터에 제공하는 인버터와, 상기 직류전압이 기준전압 보다 작게 유지되는 시간을 감지하고, 이를 기초로 인버터에 인가되는 제어 신호를 차단하는 제어유닛을 포함함으로써, 이상 피크 전류의 발생을 방지하고 모터 제어의 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 3상 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 로터를 포함하는 모터와, 3상 스위치소자들의 동작을 제어하는 인버터와, 인버터에 인가되는 직류전압이 기준전압 보다 작게 유지되는 시간을 기초로 인버터에 인가되는 제어 신호를 차단하는 제어유닛을 포함함으로써, 이상 피크 전류로 인하여 모터와 다른 부품에 소손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 인버터에 인가되는 직류전압의 크기가 기준전압의 크기보다 커지는 경우, 인버터에 제어 신호를 다시 제공하는 제어유닛을 포함함으로써, 모터를 안정적으로 모터를 재기동시킬 수 있다.
본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 인버터에 이상 전원이 인가되는지 여부를 감지하고, 이를 기초로 모터의 기동을 정지시킴으로써, 이상 피크 전류가 발생하는 것을 방지하고 모터 제어의 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 별도의 이상 전류 감지 장치의 추가 없이 제어유닛의 알고리즘의 변화만으로 이상 피크 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있어, 모터의 생산단가를 낮추어 기업의 이윤을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 인버터에 인가되는 입력 전원이 차단되는 비정상적인 상황에서, 이상 피크 전류로 인하여 모터와 다른 부품에 소손이 발생하거나 이로 인해 화재가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 구동 장치는, 인버터에 인가되는 입력 전원이 정상으로 회복되는 경우, 모터를 안정적으로 재기동 시킴으로써 일시적인 입력 전원의 이상 발생이 해소된 이후에 자동으로 시스템이 복구되도록 할 수 있다. 이를 통해, 관리자의 편의성과 시스템의 안정성은 향상될 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 블럭도이다.　
도 2는 도 1의 전압 검출부를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1의 제어유닛의 구성요소를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 1의 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.　
도 6은 기준전압과 기준시간과의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
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.
이하에서는, 도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치를 나타내는 블럭도이다.　도 2는 도 1의 전압 검출부를 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 모터(110), 인버터(120) 및 제어유닛(130)을 포함할 수 있다.
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. 인버터(120)로부터 3상 교류전압(Vua, Vvb, Vwc)이 상기 3상 코일로 공급되면, 모터(110)에서는 3상 코일에서 발생된 자계에 따라 로터에 포함된 영구자석이 회전한다.
참고로, 본 발명이 3상 코일에 의해 동작하는 3상 모터에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 단상 코일을 이용하는 단상 모터를 더 포함할 수 있다. 이하에서는, 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(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 3상 스위치 소자들은 제어유닛(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. 3상 스위치 소자들에 대한 자세한 설명은 이하에서 후술하도록 한다.
제어유닛(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.
모터 구동 장치는 입력 전류 검출부(A), 전압 검출부(B), 직류단 커패시터(C), 전동기 전류 검출부(E), 입력 전압 검출부(F), 및 인덕터(L1, L2) 등을 더 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 앞의 추가적인 구성요소 중 일부는 생략되어 실시될 수 있다.
입력 전류 검출부(A)는, 상용 교류 전원(101)으로부터 입력되는 입력 전류(ig)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(A)로, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(ig)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 전력 제어를 위해 제어유닛(130)에 입력될 수 있다.
입력 전압 검출부(F)는, 상용 교류 전원(101)으로부터 입력되는 입력 전압(vg)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전압 검출부(F)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 입력 전압(vg)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 전력 제어를 위해 제어유닛(130)에 입력될 수 있다.
인덕터(L1, L2)는, 상용 교류 전원(101)과 정류부(105) 사이에 배치되어, 노이즈 제거 등의 동작을 수행할 수 있다.
정류부(105)는, 인덕터(L1, L2)를 거친 상용 교류 전원(101)을 정류하여 출력한다. 예를 들어, 정류부(105)는, 4개의 다이오드가 연결된 풀 브릿지 다이오드를 구비할 수 있으나, 다양하게 변형되어 적용될 수 있다.
커패시터(C)는, 입력되는 전원을 저장한다. 도면에서는, 직류단 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
직류단의 전압 검출부(B)는 커패시터(C)의 양단인 직류전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 즉, 전압 검출부(B)는 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 제어유닛(130)에 제공된다.
이를 위하여, 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 2를 살펴보면, 전압 검출부(B)는 레퍼런스 전압(Vref)을 토대로 전압 분배 방식을 이용하여 인버터(120)에 인가되는 직류전압(Vdc)을 센싱한다. 이때, 전압 검출부(B)는 복수의 저항 소자(R1, R2, R3), 커패시터(C1, C2), 다이오드(D)를 이용하여 직류전압(Vdc)을 센싱한다.
우선, 제1 저항소자(R1)와 제2 저항소자(R2)는 직렬로 연결되며, 인버터(120)의 입력단자에 병렬로 연결된다. 이때, 제1 저항소자(R1)는 일단이 인버터(120)의 일단에 연결되고, 타단이 제2 노드(N2)에 연결된다. 제2 저항소자(R1)는 일단이 제2 노드(N2)에 연결되고 타단이 인버터(120)의 타단에 연결된다.
추가로 제2 커패시터(C2)는 일단이 제2 노드(N2)에 연결되고 타단이 인버터(120)의 타단에 연결된다. 참고로, 제2 커패시터(C2)는 다른 몇몇 실시예에서 생략되어 실시될 수 있다.
제3 저항소자(R3)와 제1 커패시터(C1)는 서로 직렬로 연결된다. 이때, 제3 저항소자(R3)는 일단이 제1 노드(N1)에 연결되고, 타단이 제2 노드(N2)에 연결된다. 제1 커패시터(C1)는 일단이 제1 노드(N1)에 연결되고, 타단이 인버터(120)의 타단에 연결된다.
다이오드(D)는 일단이 제1 노드(N1)에 연결되고, 타단이 레퍼런스 전압(Vref)에 연결되며 제1 노드(N1)에서 레퍼런스 전압(Vref)을 향해 전류가 흐르도록 배치된다.
여기에서, 제어유닛(130)은 제1 노드(N1)에 인가되는 전압을 센싱하고, 이를 기초로 인버터(120)의 입력단자에 인가되는 직류전압(Vdc)을 산출한다.
다만, 도 2에 나타난 전압 검출부(B)의 회로는 다양하게 변형되어 실시될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 제어유닛(130)은 전압 검출부(B)로부터 수신한 데이터를 기초로 인버터(120)의 입력단자에 인가되는 직류전압(Vdc)을 산출할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 전동기 전류 검출부(E)는, 인버터(120)와 3상 모터(110) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 3상 모터(110)에 흐르는 전류를 검출한다. 전동기 전류 검출부(E)는 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 검출부(E)는 인버터(120)와 3상 모터(110) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
이에, 제어유닛(130)는, 입력 전류 검출부(A)에서 검출되는 입력 전류(ig)와 입력 전압 검출부(F)에서 검출되는 입력 전압(vg), 전압 검출부(B)에서 검출되는 직류전압(Vdc), 전동기 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 이용하여 인버터(120)의 동작 제어를 수행할 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어유닛(130)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 PWM 신호(PWMS)가 생성된다. 이하에서는 검출된 출력전류(io)가 3상의 출력 전류(ia, ib, ic)인 것을 예로 들어 설명하도록 한다.
도 3은 도 1의 제어유닛의 구성요소를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 제어유닛(130)는 3상/2상 축변환부(210), 위치 추정부(220), 속도 연산부(230), 지령치 생성부(240), 2상/3상 축변환부(250) 및 신호 생성부(이하, 'PWM 생성부'라 칭함, 260)를 포함할 수 있다.
3상/2상 축변환부(210)는 모터(110)에서 출력된 3상 전류(ia, ib, ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)로 변환한다.
한편, 3상/2상 축변환부(210)는 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id, iq)로 변환할 수 있다.
위치 추정부(220)는 3상 전류(ia, ib, ic) 및 3상 전압(Va, Vb, Vc) 중 적어도 하나를 검출하여, 모터(110)에 포함된 로터의 위치(H)를 추정할 수 있다.
속도 연산부(230)는 위치 추정부(220)에서 추정한 위치(H) 및 3상 전압(Va, Vb, Vc) 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 로터의 현재 속도(
Figure pat00001
)를 연산할 수 있다. 즉, 속도 연산부(230)는 위치(H)를 시간으로 나누어 현재 속도(
Figure pat00002
)를 연산할 수 있다.
또한, 속도 연산부(230)는 위치(H)에 기초하여 연산된 전기각 위치(
Figure pat00003
)와 연산된 현재 속도(
Figure pat00004
)를 출력할 수 있다.
지령치 생성부(240)는 전류 지령 생성부(242) 및 전압 지령 생성부(244)를 포함할 수 있다.
전류 지령 생성부(242)는 연산된 현재 속도(
Figure pat00005
)와 입력된 목표 지령값에 대응하는 지령 속도(ωr)에 기초하여, 속도 지령치(ω* r)를 연산한다.
이후, 전류 지령 생성부(242)는 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다.
예를 들어, 전류 지령 생성부(242)는 현재 속도(
Figure pat00006
)와 지령 속도(ωr)의 차이인 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, PI 제어기(243)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 전류 지령 생성부(242)는 q축 전류 지령치(i* q)의 생성시, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성할 수 있다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
또한, 전류 지령 생성부(242)는 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
전압 지령 생성부(244)는, 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id, iq)와, 전류 지령 생성부(242) 등에서의 전류 지령치(i* d, i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)를 생성한다.
예를 들어, 전압 지령 생성부(244)는 q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(245)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다.
또한, 전압 지령 생성부(244)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(246)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다.
한편, d축 전압 지령치(v* d)의 값은, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(244)는, d 축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)는, 2상/3상 축변환부(250)에 입력된다.
2상/3상 축변환부(250)는, 속도 연산부(230)에서 연산된 위치(
Figure pat00007
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 2상/3상 축변환부(250)는 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(230)에서 연산된 전기각 위치(
Figure pat00008
)가 사용될 수 있다.
그리고, 2상/3상 축변환부(250)는 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 2상/3상 축변환부(250)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a, v*b, v*c)를 출력하게 된다.
PWM 생성부(260)는 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 인버터용 PWM 신호(PWMS)를 생성하여 출력한다.
PWM 신호(PWMS)는 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(120) 내의 3상 스위칭 소자들의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(120) 내의 3상 스위칭 소자들이 스위칭 동작을 하게 된다.
여기서, PWM 생성부(260)는 상술한 전기각 위치(
Figure pat00009
) 및 3상 전압(Va, Vb, Vc)를 기반으로 PWM 신호(PWMS)의 온 시간구간 및 오프 시간구간을 가변시켜, 상기 3상 스위치소자들의 스위치 동작을 제어할 수 있다.
PWM 생성부(260)는 PWM 신호(PWMS)를 생성하기 위한 복수의 알고리즘이 설정되어 있다. PWM 생성부(260)는 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)를 기초로 출력 전압 지령치 벡터를 생성할 수 있다. 참고로, PWM 생성부(260)는 공간 벡터 PWM(SVPWN)을 이용하여 인버터(120)의 출력 전압을 제어할 수 있다.
또한, PWM 생성부(260)는 전압 검출부(B)를 통하여 센싱한 인버터(120)에 입력되는 직류전압(Vdc)을 기초로 PWM 신호(PWMS)의 출력여부를 결정할 수 있다.
구체적으로, PWM 생성부(260)는 인버터(120)의 직류전압(Vdc)이 인버터(120)가 정상적으로 동작할 수 있는 기준전압(Vref)보다 작아지는 경우, 직류전압(Vdc)이 기준전압(Vref)보다 작게 유지되는 감지시간(Ts)을 측정한다.
이어서, PWM 생성부(260)는 감지시간(Ts)이 기준시간(Tref)보다 커지는 경우, 인버터(120)에 제공되는 PWM 신호(PWMS)를 '0'으로 만든다(즉, PWM 신호(PWMS)를 비활성화시키거나 차단한다).
여기에서, 기준시간(Tref)은 기준전압(Vref)에 종속적으로 가변될 수 있다.
상술한 PWM 생성부(260)의 알고리즘에 대한 자세한 설명은 도 5 내지 도 7을 참조하여 후술하도록 한다.
도 4는 도 1의 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4를 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 인버터(120)는 3상 스위치소자들을 포함할 수 있다.
3상 스위치소자는 제어유닛(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 동작하여, 3상 코일(La, Lb, Lc) 각각으로 3상 교류전압(Vua, Vvb, Vwc)을 공급함으로써 모터(110)의 동작을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.　도 6은 기준전압과 기준시간과의 관계를 설명하기 위한 그래프이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
여기에서, 도 5는 제어유닛(130)의 PWM 생성부(260)에서 수행되는 이상 동작 방지 알고리즘을 나타내는 순서도이고, 도 6은 직류전압(Vdc)을 기초로 기준전압(Vref)의 변화에 따른 기준시간(Tref)의 변화를 나타내는 도면이다.
우선 도 5를 참조하면, 제어유닛(130)의 PWM 생성부(260)는 전압 검출부(B)에서 측정된 데이터를 기초로 인버터(120)의 입력단자에 인가되는 직류전압(Vdc)을 계측한다(S110).
여기에서, 전압 검출부(B)는 전압 분배 방식을 기초로 직류전압(Vdc)에 비례하는 값을 센싱하고, PWM 생성부(260)는 센싱된 값을 기초로 직류전압(Vdc)을 산출할 수 있다.
이어서, PWM 생성부(260)는 인버터(120)에 인가되는 직류전압(Vdc)과 기준전압(Vref)의 크기를 비교한다(S120).
여기에서 기준전압(Vref)은 인버터(120)가 정상 동작하기 위하여 설정된 기준값을 의미한다. 기준전압(Vref)는 인버터(120) 자체의 스펙 또는 인버터(120)에 연결된 모터(110)와 주변회로에 의해 결정될 수 있으며, 사용자는 인터페이스(미도시)를 통해 시스템을 안정적으로 보호할 수 있는 기준전압(Vref)을 설정할 수 있다.
이때, 기준전압(Vref)은 미리 설정되어 제어유닛(130)의 메모리(미도시)에 저장될 수 있으며, 모터(110)의 종류 및 동작 모드에 따라 값이 변경되어 적용될 수 있다. 사용자는 제어유닛(130)의 메모리(미도시)에 미리 저장된 기준전압(Vref)을 선택하여 이용할 수 있다.
PWM 생성부(260)는 사용자에 의해 설정된 기준전압(Vref)과 직류전압(Vdc)의 크기를 비교하고, 직류전압(Vdc)이 기준전압(Vref)보다 큰 경우 모터(110)는 정상 구동하므로 계속해서 직류전압(Vdc)을 계측하는 S110 단계의 동작을 반복 수행한다.
반면, 직류전압(Vdc)이 기준전압(Vref)보다 작아지는 경우, PWM 생성부(260)는 직류전압(Vdc)이 기준전압(Vref)보다 작게 유지되는 감지시간(Ts)을 측정하고, 감지시간(Ts)와 기준시간(Tref)의 크기를 비교한다(S130).
여기에서, 기준시간(Tref)은 기준전압(Vref)의 크기에 종속적으로 변화하는 값이다.
설명의 편의를 위해 도 6을 살펴보면, 시간에 따른 직류전압(Vdc)의 변화에 있어서, 제1 감지레벨의 제1 기준전압(Vref1)에 대한 제1 기준시간(Tref1)은, 제2 감지레벨의 제2 기준전압(Vref1)에 대한 제2 기준시간(Tref2)보다 클 수 있다. 즉, 제1 기준전압(Vref1)이 제2 기준전압(Vref1)보다 큰 경우, 제1 기준시간(Tref1)은 제2 기준시간(Tref2)보다 커진다.
이때, 기준전압(Vref)이 작아질수록 기준시간(Tref)은 감소할 수 있으며, 기준전압(Vref)이 커질수록 기준시간(Tref)은 증가할 수 있다.
기준전압(Vref)과 기준시간(Tref) 사이의 관계는, 전파정류된 직류전압(Vdc)에서 감지레벨이 높을수록 센싱하는데 필요한 기준시간(Tref)은 커지고, 감지레벨이 낮을수록 기준시간은 작아지기 때문에 발생한다. 따라서, 실제 시스템에 맞는 감지레벨이 선정되는 경우, 시스템의 이상을 감지하기 위해서 기준시간(Tref)은 감지를 위한 최소단위인 감지시간(Tp)보다 커져야 한다.
정리하면, 기준시간(Tref)은 기준전압(Vref)에 종속적으로 결정되며, 기준전압(Vref)이 미리 설정되는 경우, 설정된 기준전압(Vref)에 맞추어 기준시간(Tref)이 결정되어 PWM 생성부(260)에서 이용된다.
다시 도 5의 S130 단계를 살펴보면, 감지시간(Ts)이 기준시간(Tref)보다 작은 경우, PWM 생성부(260)는 감지시간(Ts)을 증가시킨다(S140).
이는 아직 전압 이상을 발견할 수 있는 최소 단위인 기준시간(Tref)이 경과하지 않아 직류전압(Vdc)의 상태를 더 살펴봐야 함을 의미한다.
따라서, PWM 생성부(260)는 S110 단계 내지 S130 단계를 반복 수행하여, 직류전압(Vdc)이 기준전압(Vref)보다 계속해서 작게 유지되는지를 판단한다.
이어서, 감지시간(Ts)이 기준시간(Tref)보다 커지는 경우, PWM 생성부(260)는 인버터(120)에 출력되는 제어 지령을 오프시킨다(S150). 즉, PWM 생성부(260)는 인버터(120)에 출력되는 PWM 신호(PWMS)를 차단하거나, PWM 신호(PWMS)의 신호를 모두 비활성화시킨다(예를 들어, 논리값 '0'으로 설정).
추가적으로, PWM 생성부(260)는 감지시간(Ts)을 측정할 때, 연속적으로 직류전압(Vdc)이 기준전압(Vref)보다 낮아지는 시간을 측정하여 이용할 수 있다. 이를 연속감지시간(Tcp)이라 하며, PWM 생성부(260)는 연속감지시간(Tcp)과 기준시간(Tref)을 비교하여 제어 지령을 오프시킬지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 도면에 명확히 명시하지는 않았으나, 제어유닛(130)이 인버터(120)에 제공되는 PWM 신호(PWMS)를 차단한 이후에, 직류전압(Vdc)이 기준전압(Vref)보다 커지는 경우, PWM 생성부(260)는 다시 원래대로 PWM 신호(PWMS)를 인버터(120)에 제공할 수 있다.
이를 통해, 인버터(120)는 다시 정상 동작할 수 있으며, 모터 구동 장치도 다시 정상적으로 재구동될 수 있다.
정리하면, 제어유닛(130)에 정상적으로 전원이 인가되고 인버터(120)에 일시적으로 이상 전원이 인가되는 경우에 제어유닛(130)은 인버터(120)의 이상 동작을 막기 위해 일시적으로 PWM 신호(PWMS)을 차단한다. 이어서, 인버터(120)에 정상 전원이 인가되는 경우, 제어유닛(130)은 다시 인버터(120)에 PWM 신호(PWMS)을 제공하여 모터(110)가 정상 구동되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 기준전압(Vref)이 100V이고, 기준시간(Tref)이 12.5ms인 일 때, 제어유닛(130)은 인버터(120)에 입력되는 직류전압(Vdc)이 100V보다 낮은지 여부를 판단하고, 직류전압(Vdc)이 100V보다 낮은 감지시간(Tp)이 12.5ms보다 길어지는 경우, PWM 신호(PWMS)를 차단시킨다.
도 7은 PWM 생성부(260)에서 이상 동작 방지 알고리즘이 적용되기 전의 파형과 적용된 이후의 파형을 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 살펴보면, 제어유닛(130)에서 전술한 이상 동작 방지 알고리즘을 수행하지 않는 경우, 제1 시간(T1)에서 인버터(120)에 이상 전원이 인가되고 일정시간(Tp)이 경과된 제2 시간(T2)에서 인버터(120) 또는 모터(110)에 피크 전류(Peak Current)가 발생할 수 있다(도 7의 S1).
이는 제어유닛(130)의 목표값과 모터(110)의 현재값 사이의 불일치 상태가 계속됨에 따라 제어유닛(130)의 내부 지령치가 계속해서 높아지면서 발생되는 현상이다.
피크 전류(Peak Current)가 모터(110) 또는 인버터(120)에 발생되는 경우, 모터 구동 장치에 포함된 부품에 소손이 발생될 수 있으며, 모터(110)의 온도가 비이상적으로 상승하여 코일 또는 로터가 발화되거나 베어링이 파손될 수 있다.
반면, 제어유닛(130)에서 전술한 이상 동작 방지 알고리즘을 수행하는 경우, 제1 시간(T1)에서 인버터(120)에 이상 전원이 인가되면 제어유닛(130)은 인버터(120)에 인가되는 PWM 신호(PWMS)를 차단 또는 비활성화시킨다.
이를 통해, 제어유닛(130)은 인버터(120)에 인가되는 이상 전원으로 인해 모터(110) 또는 인버터(120)에 피크 전류(Peak Current)가 발생하는 것을 방지함으로써, 모터 구동 장치의 열화 및 발화를 방지할 수 있다(도 7의 S2).
정리하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 인버터(120)에 이상 전원이 인가되는지 여부를 감지하고, 이를 기초로 모터(110)의 기동을 정지시킴으로써, 이상 피크 전류가 발생하는 것을 방지하고 모터 제어의 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 별도의 이상 전류 감지 장치의 추가 없이 제어유닛(130)의 알고리즘의 변화만으로 이상 피크 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있어, 모터의 생산단가를 낮추어 기업의 이윤을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 인버터(120)에 인가되는 입력 전원이 차단되는 비정상적인 상황에서 이상 피크 전류로 인하여 모터(110)와 다른 부품에 소손이 발생하거나, 이로 인해 화재가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 인버터(120)에 인가되는 입력 전원이 정상으로 돌아오는 경우, 모터를 안정적으로 재기동 시킴으로써, 일시적인 입력 전원의 이상 발생이 해소된 이후에 자동으로 시스템이 복구되도록 할 수 있다. 이를 통해, 관리자의 편의성과 시스템의 안정성은 향상될 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 (10)

  1. 입력 받은 직류전압을 교류전압으로 변환시켜 모터에 제공하는 인버터;
    상기 인버터에 인가되는 상기 직류전압의 크기를 센싱하는 전압 검출부; 및
    상기 인버터에 포함된 스위칭 소자의 동작을 제어하는 PWM 신호를 출력하는 제어유닛을 포함하되,
    상기 제어유닛은,
    상기 전압 검출부에서 센싱한 상기 직류전압이 기준전압보다 작은 경우, 상기 직류전압이 상기 기준전압보다 작게 유지되는 감지시간을 측정하고,
    상기 감지시간이 기준시간보다 커지는 경우, 상기 인버터에 제공되는 상기 PWM 신호를 차단하는
    모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 감지시간이 상기 기준시간보다 작은 경우, 상기 직류전압이 상기 기준전압보다 작게 유지되는 동안 상기 감지시간을 증가시키는
    모터 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 직류전압이 상기 기준전압보다 계속해서 작게 유지되는 연속감지시간을 측정하고,
    상기 연속감지시간이 기준시간보다 커지는 경우, 상기 인버터에 제공되는 상기 PWM 신호를 차단하는
    모터 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기준시간은 상기 기준전압의 크기를 기초로 산출되고,
    상기 기준전압의 크기가 작아지는 경우, 상기 기준시간의 크기는 감소되는
    모터 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기준전압은 미리 설정되어 상기 제어유닛의 메모리에 저장되고, 상기 모터의 동작 모드에 따라 값이 변경되는
    모터 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 전압 검출부에서 센싱한 직류전압이 상기 기준전압보다 커지는 경우, 상기 인버터에 상기 PWM 신호를 다시 제공하는
    모터 구동 장치.
  7. 3상 코일이 권선된 스테이터 및 상기 스테이터 내에 배치되며 상기 3상 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 로터를 포함하는 모터;
    상기 3상 코일로 3상 교류 전압을 공급 및 차단하도록 온 및 오프동작하는 3상 스위치소자들을 포함하는 인버터;
    상기 인버터에 인가되는 직류전압의 크기를 센싱하는 전압 검출부; 및
    상기 3상 스위치소자들의 동작을 제어하는 PWM 신호를 출력하는 제어유닛을 포함하되,
    상기 제어유닛은,
    상기 전압 검출부에서 센싱한 상기 직류전압이 기준전압보다 작은 경우, 상기 직류전압이 상기 기준전압보다 작게 유지되는 감지시간을 측정하고,
    상기 감지시간이 기준시간보다 커지는 경우, 상기 인버터에 제공되는 상기 PWM 신호를 차단하는
    모터 구동 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 감지시간이 기준시간보다 작은 경우, 상기 직류전압이 상기 기준전압보다 작게 유지되는 동안 상기 감지시간을 증가시키는
    모터 구동 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 전압 검출부에서 센싱한 상기 직류전압이 상기 기준전압보다 커지는 경우, 상기 인버터에 상기 PWM 신호를 다시 제공하는
    모터 구동 장치.
  10. 제7항에 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 포함하며,
    상기 제어유닛은, 상기 감지시간이 상기 기준시간보다 커지는 경우, 상기 3상 스위치소자들을 모두 오프시키는
    모터 구동 장치.
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