KR20210061607A - Ｐｗｍ 신호를 이용한 부하 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20210061607A
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Abstract

본 발명에 따른 부하 제어 장치 및 방법은 부하의 회전속도 지령값과 부하의 회전속도 피드백값의 차이를 부하의 회전속도 에러로 규정하고, 상기 회전속도 에러에 기초하여 부하의 회전속도를 제어하도록 구성되어 있으며, 이로 인해 부하가 회전속도 지령값대로 비교적 정확하게 회전할 수 있게 된다.

Description

ＰＷＭ 신호를 이용한 부하 제어 장치 및 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING COOLING FAN USING PWM SIGNAL}
본 발명은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM) 신호를 이용하여 부하를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
전기 자동차나 하이브리드 자동차의 구동을 위해서는 모터에 다량의 전력을 공급하여야 하며, 이를 위해 다수 개의 배터리 셀이 전기적으로 연결되어 이루어지는 배터리 모듈이 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 탑재된다. 즉, 전기 자동차나 하이브리드 자동차에는 다수 개의 배터리 셀이 탑재되는데, 이러한 배터리 셀의 충방전이 안정적으로 이루어지기 위해서는 대략 20~30℃ 정도의 적정한 온도 조건이 갖춰질 필요가 있다.
배터리 셀은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키기 때문에, 배터리 셀의 충방전 과정에서 발생한 열이 효과적으로 제거되지 못하면 배터리 셀에 열 축적이 일어나 결국 배터리 셀이 열화되어 버리고 만다. 이에 따라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 안정적인 구동을 위해서는 냉각팬을 구비하여 배터리 셀이 열화되는 현상을 미연에 방지할 필요가 있다.
냉각팬은 모터에 의해 동작하며, 냉각팬을 동작시키는 모터로는 일반적인 DC(Direct Current) 모터, 스테핑(stepping) 모터, BLDC(Brushless Direct Current) 모터 등이 있다. 이때, 모터의 회전속도 제어는 PWM 제어를 통해 수행하는 것이 일반적이다. PWM 제어는 배터리 셀로부터의 직류 전원을 스위칭 소자가 시간에 따른 스위칭을 통해 교류 전원으로 변환하는 방식을 말한다. 구체적으로, 스위칭 소자의 온(on) 시간 동안에는 배터리 셀로부터의 직류 전원이 모터에 인가되도록 하되, 스위칭 소자의 오프(off) 시간 동안에는 배터리 셀로부터의 직류 전원이 모터에 인가되지 않도록 함으로써, 냉각팬을 동작시키는 모터의 회전속도 제어를 할 수 있다.
도 1은 스위칭 소자의 스위칭 주파수와 전도성 잡음 주파수 스펙트럼의 크기(amplitude) 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 스위칭 소자에 의해 모터의 회전속도를 제어하는 시스템에서는, 일반적으로 스위칭 소자가 특정 스위칭 주기(또는, 특정 스위칭 주파수 f)로 모터의 회전속도를 제어한다.
이에 따라, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이 전도성 잡음 주파수 스펙트럼이 상기 특정 스위칭 주파수 f에 집중 분포되기 때문에, 전자기적 오동작을 유발하는 전자기적 간섭(Electro Magnetic Interference; EMI)이 모터 및 이의 주변기기(예를 들어, 냉각팬)에 유발되고, 상기 특정 스위칭 주파수에 해당하는 소음 역시 모터 및 이의 주변기기(예를 들어, 냉각팬)에서 발생하게 된다.
이에 반해, 도 1(b)를 참조하면, 전도성 잡음 주파수 스펙트럼이 특정 스위칭 주파수 f에 집중 분포하는 것이 아니라 비교적 넓은 스위칭 주파수 대역(f-Δf ~ f+Δf)에 분포되어 있고, 이때 상기 스위칭 주파수 대역(f-Δf ~ f+Δf)에 대응하는 전도성 잡음 주파수 스펙트럼의 크기가 도 1(a)의 경우에 비해 작다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 특정 스위칭 주파수에 집중된 전도성 잡음 주파수 스펙트럼을 넓은 스위칭 주파수 대역으로 분포시킬 경우에는, 모터 및 이의 주변기기(예를 들어, 냉각팬) 등의 부하에서 발생하는 소음 저감에 도움이 될 수 있고, 상기 부하에 유발되는 전자기적 간섭 저감에도 도움이 될 수 있다.
한편, 특허문헌 1은 소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법을 개시하고 있다. 구체적으로, 특허문헌 1은 모터 토크와 모터 속도가 모두 현재의 스위칭 주파수에 설정된 소음 발생 영역에 해당하는 것으로 판단되면, PWM 신호의 스위칭 주파수를 변경시키는 방법을 통해 친환경 자동차의 소음을 저감시키고 있다.
공개특허공보 제2014-0038841호(2014.03.31)
본 발명은 부하가 회전속도 지령값대로 비교적 정확하게 회전할 수 있도록 하는 부하 제어 장치 및 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 부하에서 발생하는 소음 및 부하에 유발되는 전자기적 간섭을 저감시킬 수 있는 부하 제어 장치 및 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
이와 함께, 본 발명은 부하에서 발생하는 소음 및 부하에 유발되는 전자기적 간섭을 저감시킴과 동시에, 부하가 회전속도 지령값대로 회전할 수 있도록 하는 부하 제어 장치 및 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치는, 부하의 회전속도 지령값과 상기 부하의 회전속도 피드백값의 차이를 통해 상기 부하의 회전속도 에러를 계산하는 에러 계산부; 및 상기 에러 계산부에서 계산한 회전속도 에러에 따라 상기 부하의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키는 PWM 신호 발생부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 PWM 신호 발생부는 랜덤 PWM 신호 발생부를 포함하며, 상기 랜덤 PWM 신호 발생부는, 상기 에러 계산부에서 계산한 회전속도 에러를 반영하여 상기 부하의 회전속도 목표값을 산출하는 회전속도 목표값 산출부; 상기 회전속도 목표값 산출부에서 산출한 상기 부하의 회전속도 목표값에 기초하여 상기 PWM 신호의 듀티비를 산출하는 듀티비 산출부; 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기가 저장되어 있는 고정 스위칭 주기 저장부; 상기 PWM 신호의 시작 위치를 랜덤하게 오프셋시키기 위한 난수를 생성하는 난수 생성부; 상기 PWM 신호의 시간 간격값이 저장되어 있는 시간 간격값 저장부; 및 상기 PWM 신호의 듀티비, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기, 상기 난수 및 상기 PWM 신호의 시간 간격값을 통해 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하고, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시키는 PWM 신호 오프셋부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 회전속도 목표값 산출부는 상기 에러 계산부에서 계산한 회전속도 에러에 PID 제어를 적용하여 상기 부하의 회전속도 목표값을 산출할 수 있다.
여기서, 상기 PWM 신호 오프셋부는 하기 수학식을 통해 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산할 수 있다.
Figure pat00001
(여기서,
Figure pat00002
은 상기 PWM 신호의 오프셋값, D는 상기 PWM 신호의 듀티비,
Figure pat00003
는 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기,
Figure pat00004
는 난수이고,
Figure pat00005
은 상기 PWM 신호의 시간 간격값을 의미함)
본 발명에 따른 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치는, 상기 에러 계산부에서 계산한 회전속도 에러가 기준값 이상인지 여부를 판단하는 판단부를 더 포함할 수 있고, 이때 상기 PWM 신호 발생부는 상기 판단부에서 판단한 결과에 기초하여, 상기 부하의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시킬 수 있다.
여기서, 상기 PWM 신호 발생부는 일반 PWM 신호 발생부와 랜덤 PWM 신호 발생부를 포함하며, 상기 판단부에서 판단한 결과, 상기 회전속도 에러가 상기 기준값 이상인 경우, 상기 일반 PWM 신호 발생부는 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 오프셋되지 않은 일반 PWM 신호를 발생시킬 수 있고, 상기 판단부에서 판단한 결과, 상기 회전속도 에러가 상기 기준값 미만인 경우, 상기 랜덤 PWM 발생부는 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하고, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치의 PWM 신호 발생부에서 발생시키는 PWM 신호는 스위칭 소자에 전달되고, 상기 스위칭 소자는 상기 PWM 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환하며, 상기 부하는 상기 스위칭 소자에서 전달되는 교류 전원에 의해 회전하는 기기일 수 있다.
여기서, 상기 부하는 모터이거나, 상기 모터에 의해 동작하는 냉각팬일 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법은, 부하의 회전속도 지령값과 상기 부하의 회전속도 피드백값의 차이를 통해 상기 부하의 회전속도 에러를 계산하는 단계; 및 상기 회전속도 에러에 따라 상기 부하의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 PWM 신호를 발생시키는 단계는, 상기 회전속도 에러를 반영하여 상기 부하의 회전속도 목표값을 산출하는 단계; 상기 부하의 회전속도 목표값에 기초하여 상기 PWM 신호의 듀티비를 산출하는 단계; 상기 PWM 신호의 시작 위치를 랜덤하게 오프셋시키기 위한 난수를 생성하는 단계; 및 상기 PWM 신호의 듀티비, 상기 난수, 기 저장된 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기 및 기 저장된 상기 PWM 신호의 시간 간격값을 통해 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하고, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 부하의 회전속도 목표값을 산출하는 단계에서는, 상기 회전속도 에러에 PID 제어를 적용하여 상기 부하의 회전속도 목표값을 산출할 수 있다.
상기 랜덤 PWM 신호를 발생시키는 단계에서는, 하기 수학식을 통해 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산할 수 있다.
Figure pat00006
(여기서,
Figure pat00007
은 상기 PWM 신호의 오프셋값, D는 상기 PWM 신호의 듀티비,
Figure pat00008
는 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기,
Figure pat00009
는 난수이고,
Figure pat00010
은 상기 PWM 신호의 시간 간격값을 의미함)
본 발명에 따른 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법은, 상기 부하의 회전속도 에러를 계산하는 단계 이후에, 상기 회전속도 에러가 기준값 이상인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 PWM 신호를 발생시키는 단계에서는, 상기 판단하는 단계에서 판단된 결과에 기초하여, 상기 부하의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 판단하는 단계에서 상기 회전속도 에러가 상기 기준값 이상인 것으로 판단된 경우, 상기 PWM 신호를 발생시키는 단계에서는, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 오프셋되지 않은 일반 PWM 신호를 발생시킬 수 있고, 상기 판단하는 단계에서 상기 회전속도 에러가 상기 기준값 미만인 것으로 판단된 경우, 상기 PWM 신호를 발생시키는 단계에서는, 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하고, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법의 PWM 신호를 발생시키는 단계에서 발생된 PWM 신호는 스위칭 소자에 전달되고, 상기 스위칭 소자는 상기 PWM 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환하며, 상기 부하는 상기 스위칭 소자에서 전달되는 교류 전원에 의해 회전하는 기기일 수 있다.
여기서, 상기 부하는 모터이거나, 상기 모터에 의해 동작하는 냉각팬일 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 장치 및 방법은, 부하의 회전속도 지령값과 부하의 회전속도 피드백값의 차이를 부하의 회전속도 에러로 규정하고, 상기 회전속도 에러에 기초하여 부하의 회전속도를 제어하기 때문에, 부하가 회전속도 지령값대로 비교적 정확하게 회전할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 장치 및 방법은, 랜덤 PWM 신호에 의해 부하의 회전속도를 제어하기 때문에, 부하에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있고, 부하에 유발되는 전자기적 간섭 또한 저감시킬 수 있게 된다.
그리고 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 제어 장치 및 방법은, 부하의 회전속도 에러 크기에 따라 일반 PWM 신호 또는 랜덤 PWM 신호를 탄력적으로 발생시키도록 구성되어 있기 때문에, 부하에서 발생하는 소음 및 부하에 유발되는 전자기적 간섭을 저감시킴과 동시에, 부하가 회전속도 지령값대로 회전할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 스위칭 소자의 스위칭 주파수와 전도성 잡음 주파수 스펙트럼의 크기 간의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 부하 제어 장치가 스위칭 소자를 통해 부하의 회전속도를 제어하는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 PWM 신호 발생부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 일반 PWM 신호와 랜덤 PWM 신호를 대비하여 나타낸 도면이다.
도 6은 스위칭 소자의 스위칭 주파수와 전도성 잡음 주파수 스펙트럼의 크기 간의 관계를 시뮬레이션을 통해 나타낸 그래프이다.
도 7은 스위칭 소자에 일반 PWM 신호와 랜덤 PWM 신호가 각각 인가된 경우에, 시간에 따른 부하의 회전속도 피드백값을 시뮬레이션을 통해 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 제어 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 PWM 신호 발생부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 제어 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치 및 방법에 대해 상세하게 설명한다. 첨부한 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것으로서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다.
본 발명에 따른 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치 및 방법에 대해 설명하기 전에, 먼저 도 2를 참조하여 부하 제어 장치가 부하를 어떠한 방식으로 제어하는지에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 부하 제어 장치가 스위칭 소자를 통해 부하의 회전속도를 제어하는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
부하 제어 장치(1000)는 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값에 기초하여 부하(3000)의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시킨다.
부하(3000)의 회전속도 지령값은 부하(3000)의 회전속도를 설정해주는 신호로서, 예를 들어 부하 제어 장치(1000)의 외부에 구비된 제어기(미도시)로부터 출력되는 신호이거나, 부하 제어 장치(1000) 내부의 저장부(미도시)에 기 저장된 신호일 수 있다. 부하 제어 장치(1000)를 운영하는 자는 상기 제어기 또는 상기 저장부에 부하(3000)의 회전속도 지령값을 입력할 수 있으며, 이에 따라 부하 제어 장치(1000)는 상기 제어기 또는 상기 저장부로부터 부하(3000)의 회전속도 지령값을 획득할 수 있다.
부하(3000)의 회전속도 피드백값은 부하(3000)의 실제 회전속도를 나타내는 신호로서, 부하(3000)로부터 출력되어 부하 제어 장치(1000)에 입력된다. 부하 제어 장치(1000)가 부하(3000)의 회전속도 지령값만을 입력 받아 부하(3000)의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키더라도, 여러 전자기적 요인으로 인해 부하(3000)의 실제 회전속도는 상기 회전속도 지령값에 따른 회전속도대로 회전하지 않을 수 있다. 이에 따라, 부하 제어 장치(1000)는 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값 모두를 고려하여 부하(3000)의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키며, 이에 대한 자세한 사항은 후술하기로 한다.
부하 제어 장치(1000)에서 발생시키는 PWM 신호(보다 구체적으로는, 후술하는 PWM 신호 발생부(300)에서 발생시키는 PWM 신호)는 스위칭 소자(2000)에 전달된다. 스위칭 소자(2000)는 예를 들어 다수 개의 Power MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)을 포함하여 이루어질 수 있다. 스위칭 소자(2000)는 부하 제어 장치(1000)가 발생시킨 PWM 신호에 따라 스위칭 동작(즉, 온 동작 및 오프 동작)을 수행하여, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터의 역할을 수행할 수 있다.
부하(3000)는 스위칭 소자(2000)에서 전달되는 교류 전원에 의해 회전하는 기기를 의미할 수 있다. 예를 들어, 부하(3000)는 코일이 권선된 고정자 및 상기 고정자 내에 배치되며 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 모터일 수 있다. 또는, 부하(3000)는 상기 모터에 의해 동작하며 배터리 셀을 냉각시키는 냉각팬일 수 있다. 부하(3000)는 스위칭 소자(2000)로부터 출력되는 교류 전원에 의해 회전하며, 부하(3000)의 실제 회전속도는 회전속도 피드백값으로서 부하 제어 장치(3000)에 전달된다.
다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 장치에 대해 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 장치는 에러 계산부(100) 및 PWM 신호 발생부(300)를 포함한다.
에러 계산부(100)는 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값의 차이를 통해 부하(3000)의 회전속도 에러를 계산한다. 그리고 PWM 신호 발생부(300)는 상기 에러 계산부(100)에서 계산한 회전속도 에러에 따라 부하의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시킨다.
상술한 바와 같이, 부하 제어 장치(1000)가 부하(3000)의 회전속도 지령값을 입력 받아 부하(3000)의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키더라도, 여러 전자기적 요인으로 인해 부하(3000)의 실제 회전속도는 상기 회전속도 지령값에 따른 회전속도대로 회전하지 않을 수 있다. 여기서, 부하(3000)의 실제 회전속도가 상기 회전속도 지령값과 매우 큰 차이를 나타낼 경우에는, 모터 또는 냉각팬과 같은 부하(3000)가 본래의 기능을 제대로 발휘하지 못하게 된다.
이에 따라, 본 발명에서는 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값의 차이를 부하(3000)의 회전속도 에러로 규정하고, 상기 회전속도 에러에 기초하여 부하(3000)를 제어함으로써 부하(3000)가 회전속도 지령값대로 비교적 정확하게 회전할 수 있도록 하며, 이에 따라 부하(3000)가 본래의 기능을 제대로 발휘할 수 있도록 한다.
즉, 후술하는 바와 같이, 부하(3000)의 회전속도 에러가 너무 큰 경우, 부하 제어 장치(1000)는 부하(3000)가 회전속도 지령값대로 비교적 정확하게 회전할 수 있도록 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 오프셋되지 않은 일반 PWM 신호를 발생시킨다.
한편, 부하(3000)의 회전속도 에러가 비교적 작은 경우에는, 부하 제어 장치(1000)는 부하(3000)가 어느 정도까지는 회전속도 지령값대로 회전할 수 있는 것으로 보고, 부하(3000)에서 발생하는 소음 및 부하(3000)에 유발되는 전자기적 간섭을 저감시키기 위해, PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 PWM 신호의 시작 위치가 랜덤한 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시킨다. 이하에서는, 도 4를 참조하여, 부하(3000)에서 발생하는 소음 및 부하(3000)에 유발되는 전자기적 간섭을 저감시키기 위한 랜덤 PWM 신호를 발생시키는 원리에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 도 3의 PWM 신호 발생부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, PWM 신호 발생부(300)는 랜덤 PWM 신호 발생부(320)를 포함한다. 그리고 상기 랜덤 PWM 신호 발생부(320)는 회전속도 목표값 산출부(321), 듀티비 산출부(322), 고정 스위칭 주기 저장부(323), 난수 생성부(324), 시간 간격값 저장부(325) 및 PWM 신호 오프셋부(326)를 포함할 수 있다.
회전속도 목표값 산출부(321)는 에러 계산부(100)에서 계산한 회전속도 에러를 반영하여 부하(3000)의 회전속도 목표값을 산출한다. 여기서, 회전속도 목표값 산출부(321)는 상기 회전속도 에러에 PID 제어(Proportional Integral Derivative Control)를 적용하여 부하(3000)의 회전속도 목표값을 산출할 수 있다.
PID 제어는 P 제어(Proportional Control; 비례 제어), I 제어(Integral Control; 적분 제어) 및 D 제어(Differential Control; 미분 제어)를 조합하는 제어방식이다.
우선, P 제어는 회전속도 지령값과의 차이에 상수 게인(gain)을 곱하여 제어 시스템에 피드백하는 제어 방식이다. 예를 들어 부하(3000)의 회전속도 지령값이 1000rpm이고, 부하(3000)의 회전속도 피드백값이 800rpm이라면, 에러 계산부(100)는 200rpm을 부하(3000)의 회전속도 에러로 계산하게 된다. 그리고 회전속도 목표값 산출부(321)는 상기 에러 계산부(100)가 계산한 200rpm의 에러에 상기 상수 게인을 곱하는 연산 처리를 통해 회전속도 목표값을 산출함으로써, 부하(3000)의 실제 회전속도가 부하(3000)의 회전속도 지령값에 근접할 수 있도록 한다. 이와 같은 P 제어를 수행하면, 부하(3000)의 회전속도 지령값을 중심으로 일정 편차만큼 출렁이는 형태로 제어된다. 회전속도 목표값 산출부(321)가 P 제어만으로 부하(3000)의 회전속도 지령값을 적절히 추종할 수 없는 경우에는 I 제어 및/또는 D 제어를 추가적으로 수행할 수 있다.
다음으로, I 제어는 에러를 적분하여 제어 시스템에 피드백하는 제어 방식으로서, 부하(3000)의 회전속도 지령값에 에러를 누적하고 이를 다음 회차에 반영하여 부하(3000)의 회전속도를 제어한다. 예를 들어, 부하(3000)의 회전속도 지령값이 1000rpm이고, 부하(3000)의 회전속도 피드백값이 800rpm이라면, 에러 계산부(100)는 200rpm을 부하(3000)의 회전속도 에러로 계산하게 된다. 이때 회전속도 목표값 산출부(321)는 1회차에 회전속도 지령값 1000rpm에서 상기 회전속도 에러의 절반인 100rpm만큼 낮춰서 회전속도 목표값을 900rpm으로 산출하고, 2회차에는 1000rpm과 900rpm 차이의 절반인 50rpm이 가산된 1050rpm을 회전속도 목표값으로 산출하며, 3회차에는 1000rpm과 1050rpm 차이의 절반인 25rpm이 감산된 975rpm을 회전속도 목표값으로 산출할 수 있다. P 제어에서는 큰 폭으로 출렁이는 형태의 값이, PI 제어를 수행하면 점진적으로 오버슈트(overshoot)가 감소하며 부하(3000)의 회전속도 지령값을 추종할 수 있다.
그리고 D 제어는 에러를 미분하여 제어 시스템에 피드백하는 제어방식으로서, PI 제어에 D 제어를 추가하면 잔류 편차를 제거시킨 상태로 부하(3000)의 회전속도를 제어할 수 있다. PI 제어만 수행하면 미세한 잔류 편차에 의해 부하(3000)의 회전속도가 상당 시간동안 진동할 수 있지만, PID 제어를 수행하게 되면 부하(3000)의 실제 회전속도(즉, 부하(3000)의 회전속도 피드백값)가 부하(3000)의 회전속도 지령값과 거의 일치되도록 하는 회전속도 목표값이 산출될 수 있다.
듀티비 산출부(322)는 회전속도 목표값 산출부(321)에서 산출한 부하(3000)의 회전속도 목표값에 기초하여 PWM 신호의 듀티비를 산출하는 역할을 한다. 예를 들어, 듀티비 산출부(322)에는 부하(3000)의 회전속도 목표값과 PWM 신호의 듀티비가 서로 대응되어 기록된 룩업 테이블이 마련되어 있을 수 있으며, 이에 따라 듀티비 산출부(322)는 회전속도 목표값 산출부(321)에서 산출한 부하(3000)의 회전속도 목표값에 대응되는 PWM 신호의 듀티비를 산출할 수 있다.
고정 스위칭 주기 저장부(323)에는 PWM 신호의 고정 스위칭 주기가 저장되어 있다. 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기는 부하 제어 장치(1000)를 운영하는 자에 의해 고정 스위칭 주기 저장부(323)에 저장될 수 있으며, PWM 신호는 고정 스위칭 주기에 따라 온오프 동작이 이루어지게 된다.
난수 생성부(324)는 PWM 신호의 시작 위치를 랜덤하게 오프셋시키기 위한 난수(random number)를 생성한다. 난수 생성부(324)는 2자리 또는 3자리의 난수를 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 생성할 수 있다.
시간 간격값 저장부(325)에는 PWM 신호의 시간 간격값(Tick)이 저장되어 있다. 일반적으로 시간 간격값은 MCU(Micro Controller Unit)와 같은 제어 시스템이 최소한으로 제어할 수 있는 스케일값을 의미하며, 본 발명에서의 시간 간격값은 후술하는 PWM 신호 오프셋부(326)가 PWM 신호의 시작 위치를 시간축으로 이동시킬 수 있는 최소 간격값을 의미한다.
PWM 신호 오프셋부(326)는 상기 듀티비 산출부(322)에서 산출한 PWM 신호의 듀티비, 상기 고정 스위칭 주기 저장부(323)에 저장된 PWM 신호의 고정 스위칭 주기, 상기 난수 생성부(324)에서 생성한 난수, 및 상기 시간 간격값 저장부(325)에 저장된 PWM 신호의 시간 간격값을 통해 PWM 신호의 오프셋값을 계산한다.
구체적으로, PWM 신호 오프셋부(326)는 다음의 수학식 1을 통해 PWM 신호의 오프셋값을 계산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00011
수학식 1에서
Figure pat00012
은 PWM 신호의 오프셋값, D는 PWM 신호의 듀티비,
Figure pat00013
는 PWM 신호의 고정 스위칭 주기,
Figure pat00014
는 난수이고,
Figure pat00015
은 PWM 신호의 시간 간격값을 의미한다.
수학식 1의 분자 중
Figure pat00016
는 PWM 신호 오프셋부(326)가 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 PWM 신호의 시작 위치를 오프셋시킬 수 있는 양에 관한 인자이고,
Figure pat00017
는 PWM 신호의 오프셋값이 PWM 신호의 고정 스위칭 주기 내에 존재하도록 하는 인자이며,
Figure pat00018
는 PWM 신호의 오프셋값이 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 랜덤하게 계산되도록 하는 인자이다. 그리고 수학식 1의 분자를 PWM 신호의 시간 간격값으로 나누는 이유는 PWM 신호의 오프셋값을 정규화시키기 위함이다.
만일 상기 수학식 1에 따른 PWM 신호의 오프셋값이 소수로 계산될 경우에는 PWM 신호의 시작 위치가 특정되기 어려워진다. 이에 따라, PWM 신호 오프셋부(326)는 상기 수학식 1에 따른 PWM 신호의 오프셋값이 소수로 계산되지 않도록 하기 위해, 우변의 계산 결과를 올림, 반올림 또는 내림 등의 처리를 함으로써, PWM 신호의 오프셋값이 정수만 나올 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 도 5는 일반 PWM 신호와 랜덤 PWM 신호를 대비하여 나타낸 도면이다.
일반 PWM 신호는 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, PWM 신호의 고정 스위칭 주기(TSW=3.3msec)마다 PWM 신호의 시작 위치가 오프셋되지 않은 신호를 의미한다. 그리고 랜덤 PWM 신호는 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, PWM 신호의 고정 스위칭 주기(TSW=3.3msec)마다 PWM 신호의 시작 위치가 오프셋값(Ttick-offset1 ~ Ttick-offset6)만큼 이동된 신호를 의미한다.
PWM 신호 오프셋부(326)는, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 고정 스위칭 주기 저장부(323)에 저장된 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 PWM 신호의 오프셋값(Ttick-offset1 ~ Ttick-offset6)을 계산한 뒤, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값(Ttick-offset1 ~ Ttick-offset6)만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시킨다.
도 6(a)는 도 5(a)와 같은 일반 PWM 신호가 스위칭 소자(2000)에 전달될 경우, 스위칭 소자(2000)의 스위칭 주파수와 전도성 잡음 주파수 스펙트럼의 크기 간의 관계를 시뮬레이션을 통해 나타낸 그래프이고, 도 6(b)는 도 5(b)와 같은 랜덤 PWM 신호가 스위칭 소자(2000)에 전달될 경우, 스위칭 소자(2000)의 스위칭 주파수와 전도성 잡음 주파수 스펙트럼의 크기 간의 관계를 시뮬레이션을 통해 나타낸 그래프이다.
도 6에서 알 수 있듯이, 일반 PWM 신호에 의해 부하(3000)(예를 들어, 모터)의 회전속도를 제어할 경우에는, 전도성 잡음 주파수 스펙트럼이 특정 스위칭 주파수(예를 들어, 스위칭 주파수 fSW= 300Hz)에서 비교적 큰 값을 나타내지만, 랜덤 PWM 신호에 의해 부하(3000)(예를 들어, 모터)의 회전속도를 제어할 경우에는, 전도성 잡음 주파수 스펙트럼이 비교적 넓은 스위칭 주파수 대역에 고루 분포하게 되면서 전도성 잡음 주파수 스펙트럼의 크기가 작아지게 된다. 이 때문에 랜덤 PWM 신호에 의해 부하(3000)의 회전속도를 제어하면, 일반 PWM 신호에 의해 부하(3000)의 회전속도를 제어하는 경우에 비해, 부하(3000)에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있고, 부하(3000)에 유발되는 전자기적 간섭 역시 저감시킬 수 있게 된다.
한편, 도 7(a)는 도 5(a)와 같은 일반 PWM 신호가 스위칭 소자(2000)에 전달될 경우, 시간에 따른 부하(3000)(예를 들어, 모터)의 회전속도 피드백값을 시뮬레이션을 통해 나타낸 그래프이고, 도 7(b)는 도 5(b)와 같은 랜덤 PWM 신호가 스위칭 소자(2000)에 전달될 경우, 시간에 따른 부하(3000)(예를 들어, 모터)의 회전속도 피드백값을 시뮬레이션을 통해 나타낸 그래프이다.
도 7에서 알 수 있듯이, 일반 PWM 신호에 의해 부하(3000)의 회전속도를 제어하는 경우에는, 부하(3000)의 회전속도 피드백값이 부하(3000)의 회전속도 지령값(약 88rad/sec)에 비해 비교적 작지만, 랜덤 PWM 신호에 의해 부하(3000)의 회전속도를 제어하는 경우에는, 부하(3000)의 회전속도 피드백값이 부하(3000)의 회전속도 지령값(약 88rad/sec)에 비해 매우 크다. 즉, 랜덤 PWM 신호에 의해 부하(3000)의 회전속도를 제어하는 경우에는, 일반 PWM 신호에 의해 부하(3000)의 회전속도를 제어하는 경우에 비해, 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값의 차이인 회전속도 에러가 더 크기 때문에, 부하(3000)가 회전속도 지령값대로 정확하게 회전하지 못한다는 것을 의미한다.
상술한 바와 같이, 부하(3000)의 실제 회전속도(즉, 부하(3000)의 회전속도 피드백값)가 부하(3000)의 회전속도 지령값과 매우 큰 차이를 나타낼 경우에는, 부하(3000)가 본래의 기능을 제대로 발휘하지 못하게 된다. 즉, 부하 제어 장치(1000)가 스위칭 소자(2000)에 랜덤 PWM 신호를 전달할 경우에는 부하(3000)에서 발생하는 소음 및 부하(3000)에 유발되는 전자기적 간섭이 저감될 수는 있지만, 부하(3000)가 회전속도 지령값대로 회전하지 않아 본래의 기능을 제대로 발휘하기 어려울 수 있다. 이에 따라, 부하(3000)에서 발생하는 소음 및 부하(3000)에 유발되는 전자기적 간섭을 저감시킴과 동시에, 부하(3000)가 회전속도 지령값대로 회전할 수 있도록 하는 방안이 마련될 필요가 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 제어 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 제어 장치는 에러 계산부(100), 판단부(200) 및 PWM 신호 발생부(300)를 포함한다. 앞서 에러 계산부(100)와 PWM 신호 발생부(300)에 관해 설명한 내용은 본 발명의 제2 실시예에서도 그대로 적용될 수 있으며, 여기서는 주로 제1 실시예에서 추가된 내용을 중심으로 설명하기로 한다.
에러 계산부(100)는 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값의 차이를 통해 부하(3000)의 회전속도 에러를 계산한다. 본 발명의 제2 실시예에서도 앞서 제1 실시예와 마찬가지로, 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값의 차이를 부하(3000)의 회전속도 에러로 규정하고, 상기 회전속도 에러에 기초하여 부하(3000)의 회전속도를 제어함으로써, 부하가 회전속도 지령값대로 비교적 정확하게 회전할 수 있도록 한다.
판단부(200)는 상기 에러 계산부(100)에서 계산한 회전속도 에러가 기준값 이상인지 여부를 판단한다. 여기서, 기준값은 부하 제어 장치(1000)를 운영하는 자에 의해 판단부(200)에 저장될 수 있으며, 이에 따라 판단부(200)는 회전속도 에러와 기준값을 서로 비교할 수 있다.
PWM 신호 발생부(300)는 상기 판단부(200)에서 판단한 결과에 기초하여, 부하(3000)의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시킨다.
도 9는 도 8의 PWM 신호 발생부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, PWM 신호 발생부(300)는 일반 PWM 신호 발생부(310)와 랜덤 PWM 신호 발생부(320)를 포함한다. 여기서, 랜덤 PWM 신호 발생부(320)는 회전속도 목표값 산출부(321), 듀티비 산출부(322), 고정 스위칭 주기 저장부(323), 난수 생성부(324), 시간 간격값 저장부(325) 및 PWM 신호 오프셋부(326)를 포함할 수 있으며, 각 구성이 수행하는 기능은 앞서 제1 실시예에 관해 설명한 바와 동일하다.
판단부(200)에서 판단한 결과, 에러 계산부(100)에서 계산한 회전속도 에러가 기준값 이상인 경우, 일반 PWM 신호 발생부(310)는 예를 들어 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, PWM 신호의 고정 스위칭 주기(TSW=3.3msec)마다 PWM 신호의 시작 위치가 오프셋되지 않은 일반 PWM 신호를 발생시킨다.
일반 PWM 신호는 랜덤 PWM 신호에 비해 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값의 차이인 회전속도 에러가 더 작기 때문에, 부하(3000)가 회전속도 지령값대로 비교적 정확하게 회전할 수 있게 된다. 이에 따라, 부하(3000)의 회전속도 에러가 너무 큰 것(즉, 기준값 이상인 경우)으로 판단부(200)에서 판단한 경우, 부하 제어 장치(1000)의 PWM 신호 발생부(300)는 부하(3000)가 회전속도 지령값대로 비교적 정확하게 회전할 수 있도록 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 PWM 신호의 시작 위치가 오프셋되지 않은 일반 PWM 신호를 발생시킨다.
이에 반해, 판단부(200)에서 판단한 결과, 에러 계산부(100)에서 계산한 회전속도 에러가 기준값 미만인 경우, 랜덤 PWM 신호 발생부(320)는 PWM 신호의 오프셋값(Ttick-offset1 ~ Ttick-offset6)을 계산하고, 예를 들어 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, PWM 신호의 고정 스위칭 주기(TSW=3.3msec)마다 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값(Ttick-offset1 ~ Ttick-offset6)만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시킨다.
랜덤 PWM 신호는 일반 PWM 신호에 비해 비록 회전속도 에러는 더 크지만, 부하(3000)에서 발생하는 소음 및 부하(3000)에 유발되는 전자기적 간섭은 더 작다. 이에 따라, 부하(3000)의 회전속도 에러가 비교적 작은 것(즉, 기준값 미만인 경우)으로 판단부(200)에서 판단한 경우, 부하 제어 장치(1000)의 PWM 신호 발생부(300)는 부하(3000)가 어느 정도까지는 회전속도 지령값대로 회전할 수 있는 것으로 보고, 부하(3000)에서 발생하는 소음 및 부하(3000)에 유발되는 전자기적 간섭을 저감시키기 위해, PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 PWM 신호의 시작 위치가 랜덤한 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시킨다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 제어 장치는 부하(3000)의 회전속도 에러 크기에 따라 일반 PWM 신호 또는 랜덤 PWM 신호를 탄력적으로 발생시키도록 구성되어 있기 때문에, 부하(3000)에서 발생하는 소음 및 부하(3000)에 유발되는 전자기적 간섭을 저감시킬 수 있음은 물론, 부하(3000)가 회전속도 지령값대로 회전할 수 있도록 함으로써 본래의 기능을 제대로 발휘할 수 있도록 한다.
한편, 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 방법을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 방법은 앞서 설명한 제1 실시예에 따른 부하 제어 장치에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 방법은, 먼저 에러 계산부(100)가 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값의 차이를 통해 부하(3000)의 회전속도 에러를 계산한다(S100).
다음으로, PWM 신호 발생부(300)가 회전속도 에러에 따라 부하(3000)의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시킨다(S300).
여기서, PWM 신호를 발생시키는 단계(S300)는 구체적으로 다음의 과정을 통해 이루어질 수 있다.
먼저, 회전속도 목표값 산출부(321)가 상기 회전속도 에러를 반영하여 부하(3000)의 회전속도 목표값을 산출한다(S321). 상기 S321 단계에서 회전속도 목표값 산출부(321)는 상기 회전속도 에러에 PID 제어를 적용하여 상기 부하의 회전속도 목표값을 산출할 수 있다.
다음으로, 듀티비 산출부(322)가 부하(3000)의 회전속도 목표값에 기초하여 상기 PWM 신호의 듀티비를 산출한다(S322).
그리고 난수 생성부(324)는 PWM 신호의 시작 위치를 랜덤하게 오프셋시키기 위한 난수를 생성한다(S323). 여기서, 상기 S323 단계는 상기 S322 단계보다 나중에 이루어질 수 있지만, 경우에 따라서 상기 S323 단계는 상기 S321 및 S322 단계보다 먼저 이루어질 수도 있다. 다만, 상기 S322 단계는 상기 S321 단계 이후에 이루어지는 것이 바람직하다.
다음으로, PWM 신호 오프셋부(326)는 상기 듀티비 산출부(322)에서 산출한 PWM 신호의 듀티비, 상기 난수 생성부(324)에서 생성한 난수, 고정 스위칭 주기 저장부(323)에 기 저장된 PWM 신호의 고정 스위칭 주기, 그리고 시간 간격값 저장부(325)에 기 저장된 PWM 신호의 시간 간격값을 통해 PWM 신호의 오프셋값을 계산하고, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시킨다(S324).
구체적으로, 상기 S324 단계에서 PWM 신호 오프셋부(326)는 다음의 수학식 2를 통해 PWM 신호의 오프셋값을 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00019
수학식 2에서
Figure pat00020
은 PWM 신호의 오프셋값, D는 PWM 신호의 듀티비,
Figure pat00021
는 PWM 신호의 고정 스위칭 주기,
Figure pat00022
는 난수이고,
Figure pat00023
은 PWM 신호의 시간 간격값을 의미한다.
수학식 2의 분자 중
Figure pat00024
는 PWM 신호 오프셋부(326)가 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 PWM 신호의 시작 위치를 오프셋시킬 수 있는 양에 관한 인자이고,
Figure pat00025
는 PWM 신호의 오프셋값이 PWM 신호의 고정 스위칭 주기 내에 존재하도록 하는 인자이며,
Figure pat00026
는 PWM 신호의 오프셋값이 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 랜덤하게 계산되도록 하는 인자이다. 그리고 수학식 2의 분자를 PWM 신호의 시간 간격값으로 나누는 이유는 PWM 신호의 오프셋값을 정규화시키기 위함이다.
만일 상기 수학식 2에 따른 PWM 신호의 오프셋값이 소수로 계산될 경우에는 PWM 신호의 시작 위치가 특정되기 어려워진다. 이에 따라, PWM 신호 오프셋부(326)는 상기 수학식 2에 따른 PWM 신호의 오프셋값이 소수로 계산되지 않도록 하기 위해, 우변의 계산 결과를 올림, 반올림 또는 내림 등의 처리를 함으로써, PWM 신호의 오프셋값이 정수만 나올 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 방법은, 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값의 차이를 부하(3000)의 회전속도 에러로 규정하고, 상기 회전속도 에러에 기초하여 부하(3000)의 회전속도를 제어하기 때문에, 부하(3000)가 회전속도 지령값대로 비교적 정확하게 회전할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 부하 제어 장치 및 방법은, 랜덤 PWM 신호에 의해 부하(3000)의 회전속도를 제어하기 때문에, 부하(3000)에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있고, 부하(3000)에 유발되는 전자기적 간섭 또한 저감시킬 수 있게 된다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 제어 방법을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 제어 방법은 앞서 설명한 제2 실시예에 따른 부하 제어 장치에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 제어 방법은, 먼저 에러 계산부(100)가 부하(3000)의 회전속도 지령값과 부하(3000)의 회전속도 피드백값의 차이를 통해 부하(3000)의 회전속도 에러를 계산한다(S100).
상기 S100 단계 이후에, 판단부(200)는 상기 회전속도 에러가 기준값 이상인지 여부를 판단한다(S200). 여기서, 기준값은 부하 제어 장치(1000)를 운영하는 자에 의해 판단부(200)에 저장될 수 있으며, 이에 따라 판단부(200)는 회전속도 에러와 기준값을 서로 비교할 수 있다.
상기 S200 단계 이후에, PWM 신호 발생부(300)는 상기 S200 단계에서 판단부(200)에 의해 판단된 결과에 기초하여, 회전속도 에러에 따라 부하(3000)의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시킨다(S300).
여기서, PWM 신호를 발생시키는 단계(S300)는 구체적으로 다음의 과정을 통해 이루어질 수 있다.
상기 S200 단계에서, 상기 회전속도 에러가 상기 기준값 이상인 것으로 판단부(200)에 의해 판단된 경우, PWM 신호 발생부(300)의 일반 PWM 신호 발생부(310)에서는 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 오프셋되지 않은 일반 PWM 신호를 발생시킨다(S310).
이에 반해, 상기 S200 단계에서, 상기 회전속도 에러가 상기 기준값 미만인 것으로 판단부(200)에 의해 판단된 경우, PWM 신호 발생부(300)의 랜덤 PWM 신호 발생부(320)에서는 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하고, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시킨다(S320). 여기서, 상기 S320 단계는 상기 제1 실시예에 따른 부하 제어 방법에서 상술한 S321 단계 내지 S324 단계로 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 부하 제어 방법은, 부하(3000)의 회전속도 에러 크기에 따라 일반 PWM 신호 또는 랜덤 PWM 신호를 탄력적으로 발생시키도록 구성되어 있기 때문에, 부하(3000)에서 발생하는 소음 및 전자기적 간섭을 저감시킬 수 있음은 물론, 부하(3000)가 회전속도 지령값대로 회전할 수 있도록 함으로써 본래의 기능을 제대로 발휘할 수 있도록 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 에러 계산부
200: 판단부
300: PWM 신호 발생부
310: 일반 PWM 신호 발생부
320: 랜덤 PWM 신호 발생부
321: 회전속도 목표값 산출부
322: 듀티비 산출부
323: 고정 주기 저장부
324: 난수 생성부
325: 시간 간격값 저장부
326: PWM 신호 오프셋부
1000: 부하 제어 장치
2000: 스위칭 소자
3000: 부하

Claims (16)

  1. 부하의 회전속도 지령값과 상기 부하의 회전속도 피드백값의 차이를 통해 상기 부하의 회전속도 에러를 계산하는 에러 계산부; 및
    상기 에러 계산부에서 계산한 회전속도 에러에 따라 상기 부하의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키는 PWM 신호 발생부;를 포함하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 신호 발생부는 랜덤 PWM 신호 발생부를 포함하며,
    상기 랜덤 PWM 신호 발생부는,
    상기 에러 계산부에서 계산한 회전속도 에러를 반영하여 상기 부하의 회전속도 목표값을 산출하는 회전속도 목표값 산출부;
    상기 회전속도 목표값 산출부에서 산출한 상기 부하의 회전속도 목표값에 기초하여 상기 PWM 신호의 듀티비를 산출하는 듀티비 산출부;
    상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기가 저장되어 있는 고정 스위칭 주기 저장부;
    상기 PWM 신호의 시작 위치를 랜덤하게 오프셋시키기 위한 난수를 생성하는 난수 생성부;
    상기 PWM 신호의 시간 간격값이 저장되어 있는 시간 간격값 저장부; 및
    상기 PWM 신호의 듀티비, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기, 상기 난수 및 상기 PWM 신호의 시간 간격값을 통해 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하고, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시키는 PWM 신호 오프셋부;를 포함하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전속도 목표값 산출부는 상기 에러 계산부에서 계산한 회전속도 에러에 PID 제어를 적용하여 상기 부하의 회전속도 목표값을 산출하는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 PWM 신호 오프셋부는 하기 수학식 1을 통해 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00027

    (여기서,
    Figure pat00028
    은 상기 PWM 신호의 오프셋값, D는 상기 PWM 신호의 듀티비,
    Figure pat00029
    는 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기,
    Figure pat00030
    는 난수이고,
    Figure pat00031
    은 상기 PWM 신호의 시간 간격값을 의미함)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에러 계산부에서 계산한 회전속도 에러가 기준값 이상인지 여부를 판단하는 판단부를 더 포함하고,
    상기 PWM 신호 발생부는 상기 판단부에서 판단한 결과에 기초하여, 상기 부하의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 PWM 신호 발생부는 일반 PWM 신호 발생부와 랜덤 PWM 신호 발생부를 포함하며,
    상기 판단부에서 판단한 결과, 상기 회전속도 에러가 상기 기준값 이상인 경우, 상기 일반 PWM 신호 발생부는 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 오프셋되지 않은 일반 PWM 신호를 발생시키고,
    상기 판단부에서 판단한 결과, 상기 회전속도 에러가 상기 기준값 미만인 경우, 상기 랜덤 PWM 발생부는 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하고, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 신호 발생부에서 발생시키는 PWM 신호는 스위칭 소자에 전달되고, 상기 스위칭 소자는 상기 PWM 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환하며, 상기 부하는 상기 스위칭 소자에서 전달되는 교류 전원에 의해 회전하는 기기인 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부하는 모터이거나, 상기 모터에 의해 동작하는 냉각팬인 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 장치.
  9. 부하의 회전속도 지령값과 상기 부하의 회전속도 피드백값의 차이를 통해 상기 부하의 회전속도 에러를 계산하는 단계; 및
    상기 회전속도 에러에 따라 상기 부하의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키는 단계;를 포함하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 PWM 신호를 발생시키는 단계는,
    상기 회전속도 에러를 반영하여 상기 부하의 회전속도 목표값을 산출하는 단계;
    상기 부하의 회전속도 목표값에 기초하여 상기 PWM 신호의 듀티비를 산출하는 단계;
    상기 PWM 신호의 시작 위치를 랜덤하게 오프셋시키기 위한 난수를 생성하는 단계; 및
    상기 PWM 신호의 듀티비, 상기 난수, 기 저장된 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기 및 기 저장된 상기 PWM 신호의 시간 간격값을 통해 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하고, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시키는 단계;를 포함하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 부하의 회전속도 목표값을 산출하는 단계는,
    상기 회전속도 에러에 PID 제어를 적용하여 상기 부하의 회전속도 목표값을 산출하는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 랜덤 PWM 신호를 발생시키는 단계는,
    하기 수학식 2를 통해 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법.
    [수학식 2]
    Figure pat00032

    (여기서,
    Figure pat00033
    은 상기 PWM 신호의 오프셋값, D는 상기 PWM 신호의 듀티비,
    Figure pat00034
    는 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기,
    Figure pat00035
    는 난수이고,
    Figure pat00036
    은 상기 PWM 신호의 시간 간격값을 의미함)
  13. 제9항에 있어서,
    상기 부하의 회전속도 에러를 계산하는 단계 이후에,
    상기 회전속도 에러가 기준값 이상인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고,
    상기 PWM 신호를 발생시키는 단계는,
    상기 판단하는 단계에서 판단된 결과에 기초하여, 상기 부하의 회전속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 판단하는 단계에서 상기 회전속도 에러가 상기 기준값 이상인 것으로 판단된 경우, 상기 PWM 신호를 발생시키는 단계에서는, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 오프셋되지 않은 일반 PWM 신호를 발생시키고,
    상기 판단하는 단계에서 상기 회전속도 에러가 상기 기준값 미만인 것으로 판단된 경우, 상기 PWM 신호를 발생시키는 단계에서는, 상기 PWM 신호의 오프셋값을 계산하고, 상기 PWM 신호의 고정 스위칭 주기마다 상기 PWM 신호의 시작 위치가 상기 오프셋값만큼 이동된 랜덤 PWM 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 PWM 신호를 발생시키는 단계에서 발생된 PWM 신호는 스위칭 소자에 전달되고, 상기 스위칭 소자는 상기 PWM 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환하며, 상기 부하는 상기 스위칭 소자에서 전달되는 교류 전원에 의해 회전하는 기기인 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 부하는 모터이거나, 상기 모터에 의해 동작하는 냉각팬인 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 이용한 부하 제어 방법.
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