KR20190143241A - 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 - Google Patents

모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 대칭 공극을 가지는 단상 모터와, 스위칭 동작에 의해, dc단 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 단상 모터에 출력하는 인버터와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 검출되는 출력 전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 직류 전류를 모터에 인가하도록 제어한다. 이에 따라, 대칭 공극을 가지는 단상 모터의 기동시 초기 정렬을 안정적으로 수행할 수 있게 된다.

Description

모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스{Motor driving apparatus and home appliance including the same}
본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 대칭 공극을 가지는 단상 모터의 기동시 초기 정렬을 안정적으로 수행할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다.
모터 구동장치는, 회전 운동을 하는 회전자와 코일이 감긴 고정자를 구비하는 모터를 구동하기 위한 장치이다.
모터는 삼상의 권선이 감긴 삼성 모터, 단상의 권선이 감긴 단상 모터 등으로 구분될 수 있다.
삼상 모터는, 삼상에 인가되는 전류 등에 의해, 회전 방향을 조절할 수 있으나, 단상 모터는, 회전 방향을 조절할 수 없게 된다.
이에, 단상 모터 구현시, 홀 센서와 같은 센서 방식으로 모터 구동 장치를 구현하는 방법이 있으나, 이에 의하면, 추가 비용이 드는 단점이 있다.
이에, 단상 모터 구동시, 홀 센서가 제외된 센서리스(sensorless) 방식으로 모터를 구동하는 방안이 연구되고 있다.
본 발명의 목적은, 대칭 공극을 가지는 단상 모터의 기동시 초기 정렬을 안정적으로 수행할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 단상 모터 구동시 자속 추정에 기반하여 센서리스 방식으로 구동할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 대칭 공극을 가지는 단상 모터와, 스위칭 동작에 의해, dc단 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 단상 모터에 출력하는 인버터와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 검출되는 출력 전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 직류 전류를 모터에 인가하도록 제어한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 정극성의 직류 전류를 모터에 인가하도록 제어하며, 정극성의 직류 전류 인가에도 모터 정렬이 수행되지 않은 경우, 부극성의 직류 전류를 모터에 인가하도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 제1 레벨의 자속분 전류 지령치에 기초하여, 모터를 구동하도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 토크분 전류 지령치의 레벨을 영으로 설정하여, 모터를 구동하도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 제어부는, 자속분 전압 지령치에 기초하여, 역기전력을 연산하며, 역기전력에 기초하여, 모터의 자속분 자속을 추정할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 제어부는, 자속분 전압 지령치 및 출력 전류에 기초하여, 역기전력을 연산하며, 역기전력에 기초하여, 모터의 자속분 자속을 추정할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 제어부는, 추정된 모터의 자속분 자속과, 모터의 속도 지령치에 기초하여, 모터의 회전자의 위치를 연산할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 대칭 공극을 가지는 단상 모터와, 스위칭 동작에 의해, dc단 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 단상 모터에 출력하는 인버터와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 검출되는 출력 전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 제1 레벨의 자속분 전류 지령치에 기초하여, 모터를 구동하도록 제어한다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 대칭 공극을 가지는 단상 모터와, 스위칭 동작에 의해, dc단 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 단상 모터에 출력하는 인버터와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 검출되는 출력 전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 직류 전류를 모터에 인가하도록 제어한다. 이에 따라, 대칭 공극을 가지는 단상 모터의 기동시 초기 정렬을 안정적으로 수행할 수 있게 된다.
특히, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 직류 전압 인가가 아닌 직류 전류를 인가함으로서, 정확한 정렬이 가능하고, 과전류 형상이 발생하지 않게 되어, 안정적인 정렬이 가능하게 된다.
한편, 모터 구동장치의 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 정극성의 직류 전류를 모터에 인가하도록 제어하며, 정극성의 직류 전류 인가에도 모터 정렬이 수행되지 않은 경우, 부극성의 직류 전류를 모터에 인가하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 대칭 공극을 가지는 단상 모터의 기동시 초기 정렬을 안정적으로 수행할 수 있게 된다.
한편, 모터 구동장치의 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 제1 레벨의 자속분 전류 지령치에 기초하여, 모터를 구동하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 대칭 공극을 가지는 단상 모터의 기동시 초기 정렬을 안정적으로 수행할 수 있게 된다.
한편, 모터 구동장치의 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 토크분 전류 지령치의 레벨을 영으로 설정하여, 모터를 구동하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 대칭 공극을 가지는 단상 모터의 기동시 초기 정렬을 안정적으로 수행할 수 있게 된다.
한편, 모터 구동장치의 제어부는, 자속분 전압 지령치에 기초하여, 역기전력을 연산하며, 역기전력에 기초하여, 모터의 자속분 자속을 추정할 수 있다. 이에 따라, 단상 모터 구동시 자속 추정에 기반하여 센서리스 방식으로 구동할 수 있게 된다.
한편, 모터 구동장치의 제어부는, 자속분 전압 지령치 및 출력 전류에 기초하여, 역기전력을 연산하며, 역기전력에 기초하여, 모터의 자속분 자속을 추정할 수 있다. 이에 따라, 단상 모터 구동시 자속 추정에 기반하여 센서리스 방식으로 구동할 수 있게 된다.
한편, 모터 구동장치의 제어부는, 추정된 모터의 자속분 자속과, 모터의 속도 지령치에 기초하여, 모터의 회전자의 위치를 연산할 수 있다. 이에 따라, 단상 모터 구동시 자속 추정에 기반하여 센서리스 방식으로 구동할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 대칭 공극을 가지는 단상 모터와, 스위칭 동작에 의해, dc단 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 단상 모터에 출력하는 인버터와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 검출되는 출력 전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는, 초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 제1 레벨의 자속분 전류 지령치에 기초하여, 모터를 구동하도록 제어한다. 이에 따라, 대칭 공극을 가지는 단상 모터의 기동시 초기 정렬을 안정적으로 수행할 수 있게 된다..
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 청소기의 사용 상태를 보여주는 측면 입면도이다.
도 2는 도 1에서 노즐 모듈을 탈거시킨 청소기의 사시도이다.
도 3은 도 2의 청소기의 측면 입면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 흡입 모터를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도 6은 도 5의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 7은 도 6의 인버터 제어부의 내부 블록도이다.
도 8은 모터의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
본 명세서에서 기술하는 홈 어플라이언스는, 단상 모터를 구비하고, 단상 모터의 동작에 따라, 구동되는 홈 어플라이언스를 의미한다. 예를 들어, 홈 어플라이언스는, 청소기, 헤어 드라이기, 선풍기, 세탁기, 공기청정기, 에어컨, 정수기, 냉장고, 차량 등 다양하게 예시될 수 있다. 이하에서는, 홈 어플라이언스 중 청소기를 중심으로 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 청소기의 사용 상태를 보여주는 측면 입면도이고, 도 2는 도 1에서 노즐 모듈을 탈거시킨 청소기의 사시도이며, 도 3은 도 2의 청소기의 측면 입면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 청소기(100)는, 흡입된 공기가 외부로 배출되도록 안내하는 유로(P)를 형성하는 메인 바디(10), 메인 바디(10)의 후측에 결합된 핸들(30), 메인 바디(10)의 흡입부(11)에 탈착 가능하게 연결되는 노즐 모듈(70), 전원을 공급하는 배터리(Bt), 배터리(Bt)가 수용되는 배터리 하우징(40), 유로(P) 상에 배치되어 유로 내의 공기를 이동시키는 팬 모듈(50)을 구비할 수 있다.
노즐 모듈(70)은, 외부의 공기를 흡입하도록 구비된 노즐부(71)와, 노즐부(71)에서 길게 연장되는 연장관(73)을 포함할 수 있다.
연장관(73)은, 노즐부(71)와 흡입부(11)를 연결한다. 연장관(73)은, 노즐부(71)에서 흡입된 공기가 흡입 유로(P) 내로 유입되도록 안내한다. 연장관(73)의 일측 단부는 메인 바디(10)의 흡입부(11)에 탈착 가능하게 결합될 수 있다. 사용자는 노즐부(71)를 바닥에 놓은 상태에서 핸들(30)을 잡고 노즐부(71)를 이동시키면서 청소할 수 있다.
메인 바디(10)는, 배기구(10a)를 형성하는 배출 커버(12), 분리된 먼지를 저장하기 위한 먼지 수집부(13), 내부에 팬 모듈(50)을 수용하는 팬 모듈 하우징(14)을 포함할 수 있다.
배출 커버(12)는 메인 바디(10)의 상측 표면을 형성할 수 있다. 배출 커버(12)는 팬 모듈 하우징(14)의 상측부를 덮어준다.
먼지 수집부(13)는 원통 형상으로 형성될 수 있다. 먼지 수집부(13)는 팬 모듈 하우징(14)의 하측에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 먼지 수집부(13)의 내부에 먼지의 저장 공간이 형성될 수 있다.
팬 모듈 하우징(14)은, 먼지 수집부(13)에서 상측으로 연장되어 형성될 수 있다. 팬 모듈 하우징(14)은 원통형으로 형성된다. 팬 모듈 하우징(14)의 후측에 핸들(30)의 연장부(31)가 배치될 수 있다.
팬 모듈 하우징(14) 내에, 팬 모듈(50)이 배치될 수 있다.
팬 모듈(50)은, 임펠러(51)를 회전시키는 흡입 모터(230)를 포함한다. 흡입 모터(230)는 먼지 분리부(20)의 상방에 위치할 수 있다.
흡입 모터(230)의 하측에 임펠러(51)가 배치될 수 있다. 임펠러(51)는, 흡입 모터(230)와 결합하여, 흡입 모터(230)의 회전력에 의해, 회전한다.
한편, 임펠러(510)는, 유로(P) 내의 공기가 배기구(10a)를 통해 배출되도록, 회전에 의해 공기를 가압할 수 있다.
한편, 청소기(100)는 흡입 모터(230)의 제어를 위한 모터 구동부(220)를 포함할 수 있다. 모터 구동부(220)는 흡입 모터(230)와 먼지 수집부(13)의 사이에 배치될 수 있다. 한편, 모터 구동부(220)는, PCB 회로 기판 상에 배치되는 회로 소자를 구비할 수 있다.
핸들(30)은, 상하 방향으로 연장되며 추가 연장부(32)를 포함한다. 추가 연장부(32)는 메인 바디(10)와 전후 방향으로 이격될 수 있다. 사용자는 추가 연장부(32)를 쥐고 청소기(100)를 이용할 수 있다. 추가 연장부(32)의 상단은 연장부(31)의 후단에 연결된다. 추가 연장부(32)의 하단은 배터리 하우징(40)에 연결된다.
추가 연장부(32)에는, 사용자가 추가 연장부(32)를 잡은 상태에서 손이 추가 연장부(32)의 길이 방향(상하 방향)으로 이동되는 것을 방지하기 위한 이동 제한부(32a)가 구비될 수 있다. 이동 제한부(32a)는 추가 연장부(32)에서 전방을 향하여 돌출될 수 있다.
이동 제한부(32a)는 연장부(31)와 상하로 이격되어 배치된다. 사용자는 추가 연장부(32)를 쥔 상태에서, 사용자의 쥔 손의 일부 손가락은 이동 제한부(32a)의 상방에 위치되고, 나머지 손가락은 이동 제한부(32a)의 하방에 위치되도록 구비된다.
핸들(30)은 상측과 후방의 사이 방향을 바라보는 경사면(33)을 포함할 수 있다. 경사면(33)은 연장부(31)의 후면을 위치할 수 있다. 경사면(33)에 입력부(3)가 배치될 수 있다.
배터리(Bt)는 팬 모듈(50)로 전원을 공급할 수 있다. 배터리(Bt)는 소음 제어 모듈로 전원을 공급할 수 있다. 배터리(Bt)는 배터리 하우징(40)의 내부에 분리 가능하게 배치될 수 있다.
배터리 하우징(40)은 메인 바디(10)의 후측에 결합된다. 배터리 하우징(40)은 핸들(30)의 하측에 배치된다. 배터리 하우징(40)의 내부에 배터리(Bt)가 수용된다. 배터리 하우징(40)에는 배터리(Bt)에서 발생하는 열을 외부로 배출시키기 위한 방열홀이 형성될 수 있다.
한편, 배기구(10a)는, 특정 방향(예를 들어, 상측 방향)을 바라보게 배치될 수 있다. 복수 개의 배기구(10a)는, 복수의 배기 가이드(12a)에 의해, 원주 방향으로 서로 분할될 수 있다. 복수 개의 배기구(10a)는, 원주 방향을 따라 서로 일정 간격 이격되어 배열될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 흡입 모터를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 흡입 모터(230)는, 회전자(ROT)와 고정자(STA)를 구비할 수 있다.
회전자(ROT)는, 회전자 코어(PCO)와, 회전자 코어(PCO)의 외주에 형성된 마그네트(PM)를 구비할 수 있다. 마그네트(PM)는, 원형으로 형성되며, S 극(PMS)과 N 극(PMN)을 각각 구비할 수 있다.
한편, 도 4a에서는, S극(PMS)이 상부 방향을 향하는 것을 예시하며, 도 4b에서는, S극(PMS)이 하부 방향을 향하는 것을 예시한다.
고정자(STA)는, 회전자(ROT)의 양 측(상측과 하측)에 형성되는 고정자 프레임(SFRa,SFRb)과, 고정자 프레임(SFRa,SFRb)에 각각 감기는 코일(CLa,CLb)을 구비할 수 있다.
한편, 회전자(ROT)의 상측과 하측에, 고정자 프레임(SFRa,SFRb)이 배치되므로, 회전자(ROT)의 마그네트(PM)와 고정자 프레임(SFRa,SFRb)의 사이에는, 대칭 공극(ARG)이 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 흡입 모터(230)는, 대칭 공극이 형성된, BLDC(Brushless DC) 단상 모터일 수 있다.
본 명세서에서 기술되는 모터 구동장치는, 모터의 회전자 위치를 감지하는 홀 센서(hall sensor)와 같은 위치 감지부가 구비되지 않는, 센서리스(sensorless) 방식에 의해, 모터의 회전자 위치를 추정할 수 있는 모터 구동장치이다. 이하에서는, 센서리스 방식의 모터 구동장치에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시하고, 도 6은 도 5의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(220)는, 단상 모터(230)를 구동하기 위한 것으로서, 인버터(420), 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(220)는, 컨버터(410), dc 단 전압 검출부(B), dc단 커패시터(C), 출력전류 검출부(E)를 포함할 수 있다. 또한, 구동부(220)는, 입력 전류 검출부(A) 등을 더 포함할 수도 있다.
이하에서는, 도 5, 및 도 6의 모터 구동장치(220) 내의 각 구성 유닛들의 동작에 대해 설명한다.
입력 전류 검출부(A)는, 배터리(BT)로부터 입력되는 입력 전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(A)로, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
컨버터(410)는, 배터리(BT)로부터의 배터리 전원(Vs)을 레벨을 변환하여 레벨 변환된 직류 전원을 출력할 수 있다. 이를 위해, 컨버터(410)는, 스위칭 소자를 구비할 수 있다. 한편, 컨버터(410)는, 생략될 수도 있다.
dc단 커패시터(C)는, 입력되는 전원을 저장할 수 있다. 또한, 입력되는 전원을 평활할 수도 있다.
한편, dc단 커패시터(C) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc 단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는 dc단 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해, dc단의 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 단상 교류 전원(va)으로 변환하여, 단상 동기 모터(230)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b)가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 단상 교류 전원이 단상 동기 모터(230)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 센서리스 방식을 기반으로, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)을 기초로 생성되어 출력된다. 인버터 제어부(430) 내의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)의 출력에 대한 상세 동작은 도 7를 참조하여 후술한다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 단상 모터(230) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(230)에 흐르는 전류를 검출한다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 모터(230) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 또는 이와 달리, 출력전류 검출부(E)는, dc단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치되는 션트 저항을 구비할 수도 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다. 이하에서는 검출된 출력전류(io)가 단상의 출력 전류(io)인 것으로 병행하여 기술할 수도 있다.
한편, 단상 모터(230)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 단상의 고정자의 코일에 소정 주파수의 단상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 단상 모터(230)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
도 7은 도 6의 인버터 제어부의 내부 블록도이다.
도 7을 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 축변환부(310), 속도 연산부(320), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 단상 출력 전류(io 또는 ia)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
속도 연산부(320)는, 축변환부(310)에서 축변화된 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)에 기초하여, 연산된 위치(
Figure pat00001
)와 연산된 속도(
Figure pat00002
)를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure pat00003
)와 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure pat00004
)와 속도 지령치(ω* r)의 차이에 기초하여, PI 제어기(335)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 도면에서는, 전류 지령치로, q축 전류 지령치(i* q)를 예시하나, 도면과 달리, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성하는 것도 가능하다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(344)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(348)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다. 한편, 전압 지령 생성부(340)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, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00005
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00006
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 단상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(1050)는, 단상 출력 전압 지령치(v*a)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 단상 출력 전압 지령치(v*a)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b)이 스위칭 동작을 하게 된다.
도 8은 모터의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 단상 모터(230)는, 정렬 구간(Pon), 오픈 루프(open loop) 구간(Pop), 클로즈드 루프(closed loop) 구간(Pcl)으로 구분되어 동작할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 정렬 구간(Pon) 동안, 모터(230)에 일정 전류를 흘려, 모터(230)의 회전자가 일정한 위치에 정렬되도록 제어할 수 있다. 여기서 일정 전류는, 자속분 전류일 수 있다.
이에 따라, 정렬 구간(Pon) 동안, 모터(230)의 회전 속도는, 도면과 같이, 0가 된다.
다음, 인버터 제어부(430)는, 정렬 구간(Pon) 이후, 모터(230)의 회전 속도가 지속적으로 상승하는 동안, 오픈 루프 구간(Pop)이 수행되도록 제어할 수 있다.
오픈 루프 구간(Pop) 동안, 도 7에서와 같은, 속도 지령치(ω* r)는 지속적으로 상승하며, 다만, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 출력 전류(io)에 대한 피드백 없이, 속도 지령치(ω* r)에만 기초하여, 모터(230)가 구동되게 된다.
다음, 인버터 제어부(430)는, 오픈 루프 구간(Pop) 이후, 모터(230)의 회전 속도가 지속적으로 상승하는 동안, 클로즈드 루프 구간(Pcl)이 수행되도록 제어할 수 있다.
클로즈드 루프 구간(Pcl) 동안, 도 7에서와 같은, 속도 지령치(ω* r)는 지속적으로 상승하거나 가변 가능하며, 인버터 제어부(430)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 출력 전류(io)를 피드백하여, 검출된 출력 전류(io)와, 속도 지령치(ω* r)의 차이에 기초하여, 모터(230)를 구동할 수 있다.
한편, 단상 모터(230)의 기계적 평균 출력은, 직류 성분과 교류 성분을 포함한다.
이는 단상 모터(230)의 고정자에 흐르는 전류와 역기전력의 곱, 그리고 이 두 요소의 위상차에 대한 cos 성분의 곱으로 이루어진다. 그러므로, 단상 모터(230)의고 정자에 흐르는 전류와, 역기전력의 위상차가 적을수록 기계적 평균 출력이 높게 된다.
단상 모터(230)를 효율적으로 제어하기 위해서는 순시적으로 역기전력의 위상과 전류의 위상을 동일하게 제어하는 벡터 제어 방식이 필요하다.
이에 따라, 본 발명에서는, 순시적으로 역기전력의 위상과 전류의 위상을 동일하게 제어하는 벡터 제어를 수행하는 것으로 한다.
한편, 센서리스 방식으로 벡터 제어를 수행하기 위해서는, 초기 기동시, 모터(230)의 회전자를 일정 위치로 정렬하는 것이 중요하다.
한편, 대칭 공극을 가지는 단상 모터(230)의 경우, 비대칭 공극이 아니므로 고주파 주입 기법 등이 활용될 수 없게 된다.
한편, 대칭 공극을 가지는 단상 모터(230)에서, 모터 정렬을 위해, 직류 전압을 인가하는 경우, 정확한 정렬 동작이 불가능하고 과전류 현상이 발생하여, 기동 실패 가능성이 높아지게 된다.
이에 본 발명에서는, 대칭 공극을 가지는 단상 모터(230)에서, 모터 정렬을 위해, 직류 전류를 인기하는 기법을 활용하는 것으로 한다. 이에 대해서는, 도 9 이하를 참조하여 기술한다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 9는 인버터 제어부(430) 내의 전압 지령 생성부(540)의 내부 블록도를 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 전압 지령 생성부(540)는, q축 전압 지령 생성을 위한 PI 제어기(544)와, d축 전압 지령 생성을 위한 PI 제어기(548)를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(430)는, 초기 기동시, 모터(230) 정렬을 위해, 직류 전류를 모터(230)에 인가하도록 제어할 수 있다.
특히, 인버터 제어부(430) 내의 전압 지령 생성부(540)는, 초기 기동시, 모터(230) 정렬을 위해, 제1 레벨(Spu)의 자속분 전류 지령치에 기초하여, 모터(230)를 구동하도록 제어할 수 있다.
이때, 인버터 제어부(430) 내의 전압 지령 생성부(540)는, 초기 기동시, 모터(230) 정렬을 위해, 토크분 전류 지령치의 레벨을 영으로 설정하여, 모터(230)를 구동하도록 제어할 수 있다. 이에 의하면, 토크분 전류 지령치의 레벨을 영으로 설정함으로써, 모터 정렬시, 모터의 회전자 위치의 이동이 최소화되도록 제어할 수 있다.
도 10의 (a)는, 모터의 회전자(ROT)의 S 극(PMS)과 N 극(PMN)의 경계가, 축(axis)에 일치하는 것을 예시한다.
한편, 도 10의 (a)는, 모터의 회전자(ROT)의 S 극(PMS)과 N 극(PMN)의 경계인 축(axis)이, 기준(ref)에 일치하는 것을 예시한다.
한편, 도 10의 (b)는, 모터 정렬을 위해, 직류 전류, 특히 자속분 전류가, 모터(230)에 인가되어, 모터의 회전자(ROT)의 S 극(PMS)과 N 극(PMN)의 경계인 축(axis)이, 기준(ref)과 일정한 각도인 θ를 유지하도록, 좌측으로 θ 만큼 이동한 것을 예시한다. 이에 따라, 대칭 공극을 가지는 단상 모터(230)의 기동시 초기 정렬을 안정적으로 수행할 수 있게 된다.
특히, 초기 기동시, 모터(230) 정렬을 위해, 직류 전압 인가가 아닌 직류 전류를 인가함으로서, 정확한 정렬이 가능하고, 과전류 형상이 발생하지 않게 되어, 안정적인 정렬이 가능하게 된다.
한편, 모터 구동장치(220)의 인버터 제어부(430)는, 초기 기동시, 모터(230) 정렬을 위해, 정극성의 직류 전류를 모터(230)에 인가하도록 제어하며, 정극성의 직류 전류 인가에도 모터(230) 정렬이 수행되지 않은 경우, 부극성의 직류 전류를 모터(230)에 인가하도록 제어할 수 있다. 이에 대해서는 도 11a 내지 11b를 참조하여 기술한다.
도 11a는, 초기 기동시, 모터(230) 정렬을 위해, 정극성의 직류 전류(iana)가 모터(230)에 인가되는 것을 예시한다.
정극성의 직류 전류(iana)의 인가에 의해, 모터 정렬이 완료된 경우, 정렬시 순간 전류 변화가 발생한다.
인버터 제어부(430)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)에 기초하여, 정렬시 순간 전류 변화를 감지하고, 정렬이 완료된 것으로 판단할 수 있다.
한편, 정극성의 직류 전류(iana)의 인가에 의해, 모터 정렬이 완료되지 않는 경우, 전류 변화가 없을 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)에 기초하여, 전류 변화가 없는 경우, 정렬이 완료되지 않는 것으로 판단할 수 있다.
이에 따라, 인버터 제어부(430)는, 도 11b와 같이, 정극성의 직류 전류(iana) 이후, 부극성의 직류 전류(ianb)가 모터(230)에 인가되도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 정극성에 반대인 부극성의 직류 전류를 인가함으로써, 반대 방향으로 자계 형성이 되며, 따라서, 모터(230)의 초기 정렬이 안정적으로 수행될 수 있게 된다.
이러한 초기 정렬 이후, 도 8과 같이, 오픈 루프, 클로즈드 루프 구간을 통해, 모터(230)가 동작할 수 있게 된다. 특히, 클로즈드 루프 구간에서, 센서리스 방식의 벡터 제어에 의해 모터(230)가 구동될 수 있다.
이때, 센서리스 방식의 벡터 제어를 위해, 본 발명에서는, 자속 추정에 기반한 모터(230)의 회전자 위치 연산을 수행하는 것으로 한다. 이에 대해서는, 도 12 내용을 참조하여 기술한다.
도 12는, 인버터 제어부(430) 내의 자속 추정부(580)의 내부 블록도를 도시한 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 인버터 제어부(430)는, 자속분 전류 지령치와 출력 전류(ia)에 기초하여 자속분 전압 지령치(v* d)를 연산하며, 자속분 전압 지령치(v* d)에 기초하여, 스위칭 제어 신호 출력부(550)에서 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)가, 인버터(420)로 출력될 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430) 내의 자속 추정부(580)는, 자속분 전압 지령치(v* d)에 기초하여, 역기전력(es)을 연산하며, 역기전력(es)에 기초하여, 모터(230)의 자속분 자속을 추정할 수 있다.
구체적으로, 인버터 제어부(430) 내의 자속 추정부(580)는, 자속분 전압 지령치(v* d)와, 출력 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(ia 또는 io)에 기초하여, 역기전력(es)을 연산하며, 역기전력(es)에 기초하여, 모터(230)의 자속분 자속을 추정할 수 있다.
자속분 전압 지령치(v* d)는, 도 7의 전압 지령 생성부(540)에서 생성된 것으로서, 현재 출력 전류(io)에 기초하여 생성된 것일 수 있다.
한편, 도 12에서의 Rs는, 모터(230)의 고정자 저항을 나타내며, Ls는 모터(230)의 고정자 인덕턴스를 나타낸다.
자속 추정부(580) 내의 제1 연산기(581)는, 자속분 전압 지령치(v* d)와, 자속분 전압 지령치(v* d)에, 모터(230)의 고정자 저항(Rs)이 승산된 값의 차이에 기초하여, 역기전력(es)을 연산할 수 있다.
그리고, 자속 추정부(580)는, 연산된 역기전력(es)과, 자속분 전압 지령치(v* d)에 기초하여, 모터(230)의 자속분 자속(
Figure pat00007
)을 추정할 수 있다.
구체적으로, 자속 추정부(580) 내의 역기전력 연산부(582)는, 비례 이득 계수, 적분 이득 계수 등을 이용하여 연산하며, 제2 연산기(581)는, 역기전력 연산부(582)의 출력갑과, 자속분 전압 지령치(v* d)에 모터(230)의 고정자 인덕턴스(Ls)가 승산된 값의 차이에 기초하여, 모터(230)의 자속분 자속(
Figure pat00008
)을 추정할 수 있다.
이러한 방식에 의해, 모터(230)의 자속분 자속(
Figure pat00009
)을 추정하면, 모터(230)의 자속(λd)을 추정할 수 있게 된다.
결국, 인버터 제어부(430) 내의 자속 추정부(580)는, 출력 전류(io)에 기초하여, 자속분 전압 지령치(v* d)를 연산하며, 자속분 전압 지령치(v* d)에 기초하여, 역기전력(es)을 연산하며, 역기전력(es)에 기초하여, 모터(230)의 자속(λd)을 추정할 수 있게 된다. 이에 따라, 정확한, 모터의 자속 추정이 가능하게 된다.
한편, 자속 추정부(580)에서 추정된 모터(230)의 자속(λa)을 나타내는 그래프는 도면과 같이, 예시된다. 이때, 일부 영역(1010)에서, 자속(λa)의 레벨이 일정하지 않게 나타날 수 있다.
다음, 인버터 제어부(430)는, 자속 추정부(580)에서 추정된 모터(230)의 자속분 자속(
Figure pat00010
)에 기초하여, 모터의 회전자 위치(
Figure pat00011
)를 연산할 수 있다.
구체적으로, 인버터 제어부(430)는, 모터(230)의 자속분 자속(
Figure pat00012
)과, 모터(230)의 속도 지령치(w*)에 기초하여, 모터(230)의 회전자(ROT)의 위치(
Figure pat00013
)를 연산할 수 있다.
한편, 회전자(ROT)의 위치 연산은, 도 7의 위치 연산부(520)에서 수행될 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 자속분 자속(
Figure pat00014
)과, 모터(230)의 속도 지령치(w*)에 기초하여, 토크분 자속(
Figure pat00015
)을 연산할 수 있다.
그리고, 위치 연산부(520)는, 연산된 자속분 자속(
Figure pat00016
)과, 토크분 자속(
Figure pat00017
)에 대한 아크탄젠트 연산을 통해, 모터(230)의 회전자(ROT)의 위치(
Figure pat00018
)를 연산할 수 있다. 이에 따라, 단상 모터(230) 구동시 자속 추정에 기반하여 센서리스 방식으로 안정적으로 구동할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 모터 구동방법 또는 홈 어플라이언스의 동작방법은, 모터 구동장치 또는 홈 어플라이언스에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (10)

  1. 대칭 공극을 가지는 단상 모터;
    스위칭 동작에 의해, dc단 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 상기 단상 모터에 출력하는 인버터;
    상기 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부;
    상기 검출되는 출력 전류에 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 직류 전류를 상기 모터에 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 정극성의 직류 전류를 상기 모터에 인가하도록 제어하며, 상기 정극성의 직류 전류 인가에도 상기 모터 정렬이 수행되지 않은 경우, 부극성의 직류 전류를 상기 모터에 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 제1 레벨의 자속분 전류 지령치에 기초하여, 상기 모터를 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 토크분 전류 지령치의 레벨을 영으로 설정하여, 상기 모터를 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    자속분 전압 지령치에 기초하여, 역기전력을 연산하며, 상기 역기전력에 기초하여, 상기 모터의 자속분 자속을 추정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    자속분 전압 지령치 및 상기 출력 전류에 기초하여, 상기 역기전력을 연산하며, 상기 역기전력에 기초하여, 상기 모터의 자속분 자속을 추정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 추정된 모터의 자속분 자속과, 상기 모터의 속도 지령치에 기초하여, 상기 모터의 회전자의 위치를 연산하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  8. 대칭 공극을 가지는 단상 모터;
    스위칭 동작에 의해, dc단 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 상기 단상 모터에 출력하는 인버터;
    상기 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부;
    상기 검출되는 출력 전류에 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 제1 레벨의 자속분 전류 지령치에 기초하여, 상기 모터를 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    초기 기동시, 모터 정렬을 위해, 토크분 전류 지령치의 레벨을 영으로 설정하여, 상기 모터를 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 모터 구동 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 홈 어플라이언스.
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