KR20210108253A - 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기 - Google Patents

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KR20210108253A
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기는, dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치된 출력전류 검출부를 이용하여 상전류를 감지하여, 안정적인 결선 모드 절환 제어에 이용할 수 있다.

Description

모터 구동 장치 및 이를 구비하는 공기조화기{Motor driving apparatus and air conditioner including the same}
본 발명은 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 모터의 결선 모드를 절환할 수 있는 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다.
홈 어플라이언스(home appliance)는, 사용자 편의를 위해 사용되는 기기이다. 또한, 가정이나 사무실 등의 소정 공간에서 사용되는 공기조화기, 세탁기 냉장고 등 홈 어플라이언스들은 각각 사용자의 조작에 따라 고유한 기능과 동작을 수행한다.
공기조화기는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해 실내로 냉온의 공기를 토출하여, 실내 온도를 조절하고, 실내 공기를 정화하도록 함으로서 인간에게 더욱 쾌적한 실내 환경을 제공하기 위해 설치된다. 일반적으로 공기조화기는 열교환기로 구성되어 실내에 설치되는 실내기와, 압축기 및 열교환기 등으로 구성되어 실내기로 냉매를 공급하는 실외기를 포함한다.
한편, 모터 구동 장치는, 회전 운동을 하는 회전자와 코일이 감긴 고정자를 구비하는 모터를 구동하기 위한 장치이며, 특히, 홈 어플라이언스 내의 모터를 구동하기 위해 사용될 수 있다.
통상적으로 공기조화기의 압축기 등에는 구동을 위한 모터가 사용된다. 이러한 압축기 등에 사용되는 모터는, 일반적인 와이(Wye, Y) 결선 방식으로 운용되거나, 델타(Delta, △) 결선 방식으로 운용이 가능하도록 설계될 수 있다. 이 경우 △ 결선 방식은 인버터의 출력 전압을 보다 높일 수 있으므로, Y 결선 방식으로 운용될 때에 비하여 보다 효율적으로 고속의 운용이 가능하다는 장점이 있다.
한편 Y 결선 방식 및 △ 결선 방식으로 모두 사용이 가능하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 일본 특허공보 제4619826호는 전동기의 회전수를 임계치와 비교하고, 회전수가 임계치보다 큰 또는 작은 상태가 일정 시간 경과한 경우에 Y 결선에서 △ 결선으로 전환하고 있다.
한편 회전자의 멈춤 없이 절환하기 위해서는 절환 회로 동작 후 회전자의 속도와 위치를 추정하는 기술이 필요하다.
본 발명의 목적은, 모터의 결선 모드를 절환하여 효율을 향상할 수 있는 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 상전류 크기를 비교하여 초기 회전자 위치 및 속도를 추정할 수 있는 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 저비용으로 상전류를 감지할 수 있는 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 모터가 멈추지 않는 상태에서 권선을 절환하며 최적의 효율로 운전할 있는 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기는, dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치된 출력전류 검출부를 이용하여 상전류를 감지하여, 안정적인 결선 모드 절환 제어에 이용할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터, 상기 dc단에 접속되며, 상기 컨버터로부터의 직류 전원을 저장하는 dc단 커패시터, 스위칭 소자들을 구비하며, 상기 dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터, 상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되어 전류를 검출하는 출력전류 검출부, 릴레이(relay)를 구비하며, 상기 릴레이의 동작에 의해 상기 모터의 결선 모드를 절환하는 절환부, 및, 상기 인버터 및 상기 절환부를 제어하는 인버터 제어부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 인버터 제어부는, 상기 출력전류 검출부에서 감지되는 전류에 기초하여 상기 결선 모드의 절환을 제어할 수 있다.
한편, 상기 출력전류 검출부는, 하나의 션트(shunt) 저항을 포함할 수 있다.
한편, 상기 인버터 제어부는, 상기 결선 모드의 절환 시, 상기 모터의 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 정지하고, 전류 검출을 위한 신호를 상기 인버터에 주입할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부는, 상기 인버터의 스위칭 소자들을 모두 오프(off)시켜, 상기 PWM 제어를 정지할 수 있다.
또한, 상기 전류 검출을 위한 신호는, 상기 스위칭 소자들 중에서 어느 한 상의 하단 스위칭 소자만 온(on)시킨 후, 오프(off)시키는 신호일 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부는, 상기 스위칭 소자들 중에서 어느 한 상의 하단 스위칭 소자만 온(on), 오프(off)시키는 신호를 상기 인버터에 반복 주입할 수 있다.
한편, 상기 인버터 제어부는, 상기 출력전류 검출부에서 검출되는 전류가 영전류에서 소정 값이 검출되기 시작하는 시점에 기초하여 회전자의 회전 상태를 추정할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부는, 상기 PWM 제어가 재개되면 상기 추정된 회전자의 회전 상태를 상기 회전자의 초기값으로 설정하고, 설정된 회전자 초기값에 근거하여 결선 모드가 절환된 상기 모터의 회전 속도를 제어할 수 있다.
한편, 상기 인버터 제어부는, 상기 결선 모드의 절환 시, 상기 모터의 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 정지하고, 상기 스위칭 소자들 중에서 하단 스위칭 소자들을 순차적으로 온(on), 오프(off) 시키는 신호를 상기 인버터에 주입할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부는, 상기 인버터의 스위칭 소자들을 모두 오프(off)시켜, 상기 PWM 제어를 정지할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부는, 상기 하단 스위칭 소자들을 순차적으로 온(on), 오프(off) 시키면서, 상기 출력전류 검출부에서 검출되는 전류들을 비교하고, 영전류가 검출되는 상이 아닌 다른 상을 선택하여, 선택된 상의 하단 스위칭 소자를 온(on), 오프(off) 시키는 신호를 상기 인버터에 주입할 수 있다.
또한, 상기 선택된 상은 영전류 구간 순서로 영전류가 검출되는 상의 다음 상일 수 있다. 또는, 상기 선택된 상은 위상 순서로 영전류가 검출되는 상의 다음 상일 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부는, 선택된 상의 하단 스위칭 소자를 온(on), 오프(off) 시키면서, 상기 출력전류 검출부에서 검출되는 전류가 영전류에서 소정 값이 검출되기 시작하는 시점에 기초하여 회전자의 회전 상태를 추정할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부는, 상기 PWM 제어가 재개되면 상기 추정된 회전자의 회전 상태를 상기 회전자의 초기값으로 설정하고, 설정된 회전자 초기값에 근거하여 결선 모드가 절환된 상기 모터의 회전 속도를 제어할 수 있다.
한편, 상기 스위칭 소자들과 상기 릴레이는 서로 다른 PCB(printed circuit board) 보드에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 모터의 결선 모드를 절환하여 효율을 향상할 수 있는 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 상전류 크기를 비교하여 초기 회전자 위치 및 속도를 추정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 저비용으로 상전류를 감지할 수 있는 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 모터가 멈추지 않는 상태에서 권선을 절환하며 최적의 효율로 운전할 수 있다.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 도 1의 공기조화기의 간략한 내부 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치의 내부 블록도를 예시한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치의 인쇄회로기판 배치를 예시한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 .따른 모터의 결선 모드들의 예를 도시한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 릴레이 구조를 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치의 내부 블록도를 예시한다.
도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센싱 방법에 따른 인버터 내의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 11 내지 도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 전류 센싱 방법에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센싱 방법의 순서도를 예시한 도면이다.
도 20과 도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 전류 센싱 방법에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
한편, 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.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용된다.
한편, 본 명세서에서 기술되는 모터 구동 장치는, 홈 어플라이언스 내에 구비되는 모터 구동 장치일 수 있다. 홈 어플라이언스는, 냉장고, 세탁기, 건조기, 공기조화기, 제습기, 조리기기, 청소기 등을 포함하는 것으로서, 이하에서는, 다양한 홈 어플라이언스 중 공기조화기를 중심으로 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 공기조화기(100)는, 실내기(21), 실내기(21)에 연결되는 실외기(31)를 포함할 수 있다.
공기조화기의 실내기(21)는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 도면에서는, 스탠드형 실내기(21)를 예시한다.
한편, 공기조화기(100)는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 실내기 및 실외기의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
실외기(31)는 냉매를 공급받아 압축하는 압축기(미도시)와, 냉매와 실외공기를 열교환하는 실외 열교환기(미도시)와, 공급되는 냉매로부터 기체 냉매를 추출하여 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(미도시)와, 난방운전에 따른 냉매의 유로를 선택하는 사방밸브(미도시)를 포함한다. 또한, 다수의 센서, 밸브 및 오일회수기 등을 더 포함하나, 그 구성에 대한 설명은 하기에서 생략하기로 한다.
실외기(31)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(21)로 냉매를 공급한다. 실외기(31)는 원격제어기(미도시) 또는 실내기(21)의 요구(demand)에 의해 구동될 수 있다. 이때, 구동되는 실내기에 대응하여 냉/난방 용량이 가변 됨에 따라 실외기의 작동 개수 및 실외기에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변 되는 것도 가능하다. 또한, 도 1에서는 하나의 실내기(21)와 실외기(31)를 도시하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 하나의 실외기(31)에 여러 실내기(21)가 냉매배관으로 연결될 수 있다.
이때, 실외기(31)는, 연결된 실내기(21)로 압축된 냉매를 공급한다.
실내기(21)는, 실외기(31)로부터 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출한다. 실내기(21)는 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함한다.
이때, 실외기(31) 및 실내기(21)는 유선 또는 무선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신하며, 실외기 및 실내기는 원격제어기(미도시)와 유선 또는 무선으로 연결되어 원격제어기(미도시)의 제어에 따라 동작할 수 있다.
리모컨(미도시)은 실내기(21)에 연결되어, 실내기로 사용자의 제어명령을 입력하고, 실내기의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때 리모컨은 실내기와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 공기조화기(100)는, 크게 실내기(21)와 실외기(31)로 구분된다.
실외기(31)는, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(102)와, 압축기를 구동하는 압축기용 전동기(102b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(104)와, 실외 열교환기(104)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진 시키는 실외 팬(105a)과 실외 팬(105a)을 회전시키는 모터(105b)로 이루어진 실외 송풍기(105)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구 또는 팽창 밸브(106)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브 또는 사방밸브(110)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(103) 등을 포함할 수 있다.
실내기(21)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(108)와, 실내측 열교환기(108)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내 팬(109a)과 실내 팬(109a)을 회전시키는 전동기(109b)로 이루어진 실내 송풍기(109) 등을 포함한다.
실내측 열교환기(108)는 적어도 하나가 설치될 수 있다. 압축기(102)는 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
또한, 공기조화기(100)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
한편, 실외기(31) 내의 실외 팬(105a)은, 모터(105b)를 구동하는 실외 팬 구동부(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실외기(31) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(102b)를 구동하는 압축기 모터 구동부(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실내기(21) 내의 실내 팬(109a)은, 실내 팬 모터(109b)를 구동하는 실내 팬 구동부(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
실외 팬 구동부를 실외 팬 구동 장치로 명명할 수도 있다. 또한, 실내 팬 구동부를 실내 팬 구동 장치로 명명할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치의 회로도의 일례이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치의 내부 블록도를 예시한다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 모터(250)를 구동하기 위한 것으로서, 인버터(420) 및 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 입력 전원(201)을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터(410), 컨버터 제어부(415), 상기 dc단에 접속되는 커패시터(C), 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 커패시터(C)로부터의 직류 전원을 교류 변환하는 인버터(420), 및 상기 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다. 모터 구동 장치(400)는, 입력 전압 검출부(A), dc단 전압 검출부(B), 입력 전류 검출부(D), 및 출력전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 3 이하에서는 모터 구동 장치(400)가 상용 교류 전원(201)에서 입력되는 전원을 변환하여 모터(250)에 공급하는 경우를 예시하였다. 이 경우에, 모터 구동 장치(400)는 모터 구동부 등으로 명명될 수 있다. 또는, 모터 구동 장치(400)는 입력 전원을 변환하여 부하로 공급할 수 있다. 이 경우에, 모터 구동 장치(400)는 전력변환장치 등으로 명명될 수 있다.
컨버터(410)는, 상용 교류 전원(201)을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 이를 위해, 컨버터(410)는, 정류부를 구비할 수 있다. 그외, 리액터를 더 구비하는 것도 가능하다.
컨버터(410)의 출력단에는, 평활 커패시터(C)가 접속된다. 커패시터(C)는, 컨버터(410)에서 출력되는 전원을 저장할 수 있다. 컨버터(410)에서 출력되는, 전원은 dc 전원이므로, dc단 커패시터라 명명할 수 있다.
상기 인버터(420)는, 상기 변환된 교류 전원을 모터(250)로 출력할 수 있다.
도 3을 참조하면, 입력 전압 검출부(A)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는, 전압 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Vs)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있다.
한편, 입력 전압 검출부(A)에 의해, 입력 전압의 제로 크로싱 지점도 검출할 수 있게 된다.
입력 전류 검출부(D)는, 상용 교류 전원(201)으로부터 입력되는 입력 전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(D)로, CT(current trnasformer), 션트(Shunt) 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(digcrete signal)로서, 소비전력 연산을 위해, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
다음, 컨버터(410)의 출력단에는, 컨버터(410)에서 전력 변환된 전원을 저장 또는 평활하기 위한, 커패시터(C)가 구비될 수 있다. 이때의 커패시터(C) 양단은, dc단이라 명명할 수 있다. 따라서, 커패시터(C)를 dc단 커패시터라 할 수도 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 입력 전압(Vs), 입력 전류(Is), dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 생성하고, 이를 컨버터(410)에 출력할 수 있다.
dc단 전압 검출부(B)는 평활 커패시터(C)의 양단인 dc단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 모터(250)를 구동할 수 있다. 이를 위해, 인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암(상단) 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암(하단) 스위칭 소자(Sa',Sb',Sc')가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&Sa',Sb&Sb',Sc&Sc')로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')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 삼상 교류 전원이 삼상 동기 모터(250)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 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(Pulse Width Modulation: PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)로부터 검출되는 출력전류값(io)을 기초로 생성되어 출력된다. 인버터 제어부(430)는, 공간 벡터 기반의 펄스폭(PWM) 가변 제어에 의해, 인버터(420) 내의 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia, ib, ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(420)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
션트 저항이 사용되는 경우, 3개의 션트 저항이, 인버터(420)와 동기 모터(250) 사이에 위치하거나, 인버터(420)의 3개의 하단 스위칭 소자에 일단이 각각 접속되는 것이 가능하다. 한편, 삼상 평형을 이용하여, 2개의 션트 저항이 사용되는 것도 가능하다. 한편, 1개의 션트 저항이 사용되는 경우, 상술한 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에서 해당 션트 저항이 배치되는 것도 가능하다.
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.
한편, 모터(250)는, 삼상 모터일 수 있다. 모터(250)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a,b,c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
모터(250)의 종류로는, 브러시리스 모터(Brushless Direct Current motor, BLDC motor), 동기 모터, 유도 모터 등 다양한 형태가 가능하다. 예를 들어, 모터(250)는, 표면 부착형 영구자석 동기모터(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 모터(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
부하(251)는, 홈 어플라이언스에 구현된 동작을 수행하기 위한 것으로, 각 홈 어플라이언스별로 다르게 구성될 수 있다.
예를 들어, 의류 건조기가 모터 구동 장치(400)를 포함하는 경우, 부하(251)는, 압축된 공기를 공급하기 위한 송풍팬일 수 있다.
다른 예로, 공기조화기가 모터 구동 장치(400)를 포함하는 경우, 부하(251)는, 실내팬, 실외팬, 냉매를 압축하는 압축기일 수 있다.
또 다른 예로, 냉장고가 모터 구동 장치(400)를 포함하는 경우, 부하(251)는, 냉장실 팬 또는, 냉동실 팬일 수 있다.
또 다른 예로 본 발명의 모터 구동 장치(400)는, 홈 어플라이언스 내의 압축기를 구동하기 위한 것으로서, 도 4의 부하(251)는 냉매를 압축하는 압축기일 수 있다.
모터(250)는 사인파(sign wave) 형태를 가지는 교류 전류에 위상과 동기화되어 동작하는 동기 모터와, 위상과 동기화되지 않은 상태로 동작하는 비동기 모터가 있을 수 있다. 여기서 동기 모터의 경우, 회전 자계의 회전과 모터(250)의 회전자가 동기를 맞추어 회전하는 모터를 의미하며, 비동기 모터는 회전 자계의 회전과 모터(250) 회전자의 동기가 일치하지 않는 모터를 의미할 수 있다.
또한 상기 모터(250)는 내부의 결선 방식을 다르게 함으로써 와이(Wye: Y) 결선 방식과 델타(Delta: △) 결선 방식을 모두 사용할 수 있도록 형성될 수 있다. 또한 상기 모터(250)는 운전 중 결선 모드의 절환이 가능하도록 형성된 모터일 수 있으며, 이를 위해 모터(250)의 결선 모드를 절환하는 절환부(440)를 포함할 수 있다.
절환부(440)는 서로 다른 결선 모드에 따른 권선들을 선택적으로 연결되도록 하는 적어도 하나의 스위치를 포함할 수 있으며, 특정 결선 모드에 따른 권선들이 서로 연결되도록 함으로써 상기 모터(250)가 Y(Wye) 결선 방식에 따른 동작 모드(이하 Y 결선 모드) 또는 △(Delta) 결선 방식에 따른 동작 모드(이하 △ 결선 모드) 중 어느 하나의 동작 모드로 구동될 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치의 인쇄회로기판 배치를 예시한다.
도 4와 도 5를 참조하면, 절환부(440)는 하나 이상의 스위치를 구비하며, 상기 스위치의 동작에 의해 모터(250)의 결선 모드를 절환하는 절환부(440)는 절환 회로 보드(520)에 배치될 수 있다. 여기서, 절환부(440)가 구비하는 스위치는 릴레이(relay)일 수 있다.
또한, 스위칭 소자들을 구비하며 스위칭 동작에 의해 모터(250)로 교류 전원을 출력하는 인버터(420)는 인버터 보드(510)에 배치될 수 있다.
상기 인버터 보드(510)와 상기 절환 회로 보드(520)는 삼상 출력선(540)과 제어 신호선(550)으로 연결될 수 있다.
인버터(420)의 출력은 삼상 출력선(540)을 통하여, 절환 회로 보드(520)로 출력된다. 인버터(420)의 삼상 교류 전원은, 절환 회로 보드(520)를 거쳐, 삼상 동기 모터(530)로 출력된다.
제어 신호선(550)은, 상기 인버터 보드(510)에서 상기 절환 회로 보드(520)로 상기 릴레이를 동작시키는 동작 신호가 전송되는 시그널(signal) 선(미도시)을 포함할 수 있다.
경우에 따라서, 인버터 제어부(430)도 인버터 보드(510)에 배치될 수 있다. 인버터 제어부(430)의 릴레이 동작 신호는, 제어 신호선(550)을 통하여 절환 회로 보드(520)로 전달될 수 있다. 인버터 제어부(430)가 인버터 보드(510) 외부에 배치되는 경우에도, 인버터 제어부(430)의 릴레이 동작 신호는, 인버터 보드(510), 제어 신호선(550)을 통하여 절환 회로 보드(520)로 전달될 수 있다.
한편, 제어 신호선(550)은, 전원공급선, 그라운드(GND) 선을 더 포함할 수 있다.
한편, 절환 회로 보드(520)와 모터(510)는 Y 결선(560)과 델타 결선(570)으로 연결될 수 있고, 절환 회로 보드(520) 내 릴레이 동작에 따라 Y 결선(560)과 델타 결선(570) 중 어느 하나가 선택될 수 있다.
인버터와 릴레이 회로가 하나의 인쇄회로기판(PCB)에 구비되는 경우에는, 제어 신호선 불량, 릴레이 불량을 구분하여 감지하지 못하고 호환성이 떨어지는 문제점이 있었다.
하지만, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 인버터 보드(510)와 절환 회로 보드(520)를 서로 다른 인쇄회로기판(PCB)에 배치함으로써, 어느 부품의 불량인지 구분하여 감지할 수 있고, 어느 한 부품의 동작, 이상 상태가 다른 부품에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
절환부(440)는 상기 인버터 제어부(430)의 제어에 따라 결선 모드를 절환할 수 있다. 실시 예에 따라서, 공기조화기 등 홈 어플라이언스 또는 모터 구동 장치가, 결선 모드의 절환을 제어하는 별도의 제어부(미도시)를 구비하는 것도 가능하다. 이하에서는 절환부(440)는 상기 인버터 제어부(430)의 제어에 따라 결선 모드를 절환하는 실시 예를 중심으로 설명한다.
한편, 상기 결선 모드의 절환이 이루어질 때, 상기 적어도 하나의 스위치는 절환 전 결선 모드에 따른 권선에서 절환 후 결선 모드에 따른 권선으로 스위칭되므로, 상기 스위칭에 따라 인버터의 출력 및 모터 토크(torque)가 차단될 수 있다.
한편, 모터(250)의 결선 모드가 절환됨에 따라 인버터(420)의 출력 및 모터 토크가 차단되면, 상기 모터(250)의 회전자는 관성 모멘트가 부하 토크 보다 작아질 때까지의 소정 시간동안 관성 회전될 수 있다. 이처럼 모터(250) 회전자가 관성 회전하는 경우, 인버터 제어부(430)는 관성 회전하는 회전자의 상태를 검출할 수 있다. 여기서 상기 모터(250)의 회전 상태는 상기 관성 회전하는 회전자로부터 검출되는 서로 다른 값들을 포함할 수 있다. 일례로 상기 회전자의 회전 상태는 관성 회전 중인 회전자의 회전 속도를 포함할 수 있으며, 또는 상기 관성 회전 중인 회전자의 특정 극(예를 들어 N극)의 위치를 포함할 수 있다.
한편 관성 회전하는 회전자의 상태가 검출되면, 인버터 제어부(430)는 검출된 회전자의 상태에 따라 회전자의 초기값을 설정할 수 있다. 일례로 상기 모터(250)가 비동기 모터인 경우라면, 인버터 제어부(430)는 상기 검출된 회전자의 회전 속도를 상기 초기값으로 설정할 수 있다. 반면 상기 모터(250)가 동기 모터인 경우라면, 인버터 제어부(430)는 상기 회전자의 회전 속도 뿐만 아니라 상기 회전자 특정 극의 위치를 초기값으로 설정할 수 있다.
그리고 인버터 제어부(430)는 검출된 초기값에 근거하여, 전환되는 결선 모드에 따라 모터(250)의 속도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 인버터 제어부(430)는 검출된 회전자의 초기값에 포함된 특정 극의 위치에 근거하여 회전 자계의 회전과 상기 회전자의 회전이 동기화되도록 상기 모터(250)를 제어할 수 있다. 그리고 인버터 제어부(430)는 검출된 회전자의 초기값에 포함된 회전 속도에 근거하여, 속도 지령 주파수에 따른 속도에 도달하도록 모터(250)의 회전 속도, 즉 회전자의 회전 속도를 제어할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 모터(250)의 결선 모드가 절환될 때, 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태를 초기값으로 전환되는 결선 모드에 따른 모터 제어가 수행됨으로써, 고속으로 결선 모드 절환이 수행될 수 있다. 이에 따라, 모터 구동 효율을 향상할 수 있다. 예를 들어, 모터로 압축기를 구동하는 경우, 상기 절환으로 인해 소실되는 압축기의 압력을 최소화할 수 있다.
한편, 메모리(270)는 모터 구동 장치(400)의 제어에 필요한 데이터를 저장한다. 메모리(270)는 현재 모터(250)의 결선 모드에 따른 정보, 및, 현재 결선 모드에 따라 인버터 제어부(430)에서 모터(250)를 제어하기 위한 데이터 및 명령어들을 저장할 수 있다. 또한 메모리(270)는 상기 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태를 검출하기 위한 데이터들 또는 명령어들을 저장할 수 있다.
인버터 제어부(430)는 절환부(440)를 제어하여 결선 모드를 절환할 수 있다. 이 경우 상기 절환부(440) 내부의 스위치 개방으로 인해 모터(250)로 인가되는 인버터(420)의 출력 및 모터 토크가 일시적으로 차단될 수 있다. 그리고 소정 시간이 지난 후에 절환된 결선 모드에 따른 인버터(420)의 출력이 모터(250)로 인가되어 모터 토크가 발생될 수 있다.
한편, 결선 모드의 절환이 수행됨에 따라 모터(250)로 인가되는 인버터(420)의 출력 및 모터 토크가 일시적으로 차단되면, 모터(250)의 회전자는 관성 회전 상태에 있을 수 있다. 그러면 인버터 제어부(430)는 상기 절환부(440) 스위치의 하드웨어적 특성에 따른 절환 시간동안 상기 관성 회전하는 모터(250) 회전자의 회전 상태를 추정할 수 있다.
회전자의 관성 회전 상태를 추정하기 위해 인버터 제어부(430)는 다양한 방법을 이용할 수 있다. 일례로 인버터 제어부(430)는 인버터에 출력 전압을 0(zero)으로 만드는 영전압 벡터가 인가되는 경우 회전자의 위치에 따라 회전자에 유기되는 전류가 달라지는 특징을 이용하여 상기 관성 회전 중인 회전자의 속도 및 상기 특정 극의 위치를 추정하는 방식을 이용할 수 있다. 또는 인버터 제어부(430)는 회전자의 관성 회전 모델을 생성하고 생성된 관성 회전 모델에 근거하여 회전자의 회전 속도 및 회전자 특정 극의 위치를 추정하는 방식을 이용할 수도 있다.
한편, 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태가 추정되면, 인버터 제어부(430)는 추정된 상태에 근거하여 회전자의 초기값을 설정할 수 있다. 일례로 상기 추정된 회전자의 상태는 회전자의 회전 속도 및 특정 극(예를 들어 N극)의 위치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 따라서 인버터 제어부(430)는 상기 회전자의 회전 속도 및 N극의 위치 중 적어도 하나를 초기값으로 설정할 수 있다.
이 경우 만약 상기 모터(250)가, 회전 자계와 회전자의 동기가 필요하지 않은 비동기 모터인 경우라면, 인버터 제어부(430)는 회전자의 회전 속도 만을 상기 회전자의 초기값으로 설정할 수 있다. 반면 상기 모터(250)가 동기 모터인 경우라면 인버터 제어부(430)는 상기 회전 속도와 상기 검출된 N극의 위치를 회전자의 초기값으로 설정할 수 있다. 이는 동기 모터의 경우 회전 자계와 회전자의 동기가 필요하며, 이를 위해 회전자의 N극의 위치에 따라 회전 자계를 동기화시킬 수 있기 때문이다.
회전자의 초기값이 설정되면, 인버터 제어부(430)는 설정된 초기값에 근거하여 결선 모드가 전환되는 결선 모드로 절환된 모터를 제어할 수 있다. 이에 따라 절환된 결선 모드에 따른 인버터의 출력이 모터(250)에 인가되어 다시 모터 토크가 발생될 수 있다. 즉 본 발명은 회전자가 관성 회전 중인 상태에서, 상기 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태에 따라 인버터의 출력(절환된 결선 모드에 따른 출력)이 모터(250)에 인가될 수 있다.
인버터 제어부(430)는 현재 회전자의 회전 속도와 속도 지령 주파수에 따른 모터(250)의 회전 속도에 근거하여 상기 회전자가 더 가속(Y 결선 모드에서 △ 결선 모드로 절환 시)되도록 하거나 또는 더 감속(△ 결선 모드에서 Y 결선 모드로 절환 시)되도록 할 수 있다. 이 경우 인버터 제어부(430)는 상기 속도 지령 주파수에 따른 모터(250)의 회전 속도와 초기값으로 설정된 회전자의 회전 속도의 차이만큼 상기 회전자가 더 가속되거나 또는 더 감속되도록 상기 모터(250)를 제어할 수 있다.
그리고 인버터 제어부(430)는 회전자의 회전 속도가, 변경된 속도 지령 주파수에 대응하는 속도에 도달하였는지 여부를 검출할 수 있다. 그리고 회전자의 회전 속도가, 변경된 속도 지령 주파수에 대응하는 속도에 도달하는 경우, 변경된 속도 지령 주파수에 따른 회전자의 결선 모드 절환 과정을 종료할 수 있다.
한편 회전자 초기값 설정 과정은 현재 검출된 회전자의 회전 상태를 소정 시간 동안 유지하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이는 소정 기간동안 상기 회전자의 검출된 초기값에 따른 회전 속도를 유지하여 과도 응답출력의 발생을 제한하고 관성 회전 상태에 있는 회전자의 회전 상태를 인버터의 출력 및 모터 토크에 따른 회전으로 안정화시키기 위함이다.
인버터 제어부(430)는 결선 모드의 절환이 수행됨에 따라 모터(250)로 인가되는 인버터(420)의 출력 및 모터 토크가 일시적으로 차단되면, 관성 회전 상태에 있는 회전자의 회전 상태를 추정하기 위해 회전자의 관성 회전 상태를 모델링 할 수 있다. 예를 들어 상기 회전자의 관성 회전 상태는 하기 수학식 1 및 수학식 2에서 보이고 있는 바와 같이 모델링될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, Te는 일렉트릭(electric) 토크로서 회전자에 유기되는 토크의 크기, TL은 부하토크의 크기, TD는 일렉트릭 토크와 부하토크의 차이, Jm은 회전자의 관성, S는 라플라스 상수, Bm은 마찰 계수를 의미하며,
Figure pat00003
은 회전자 각속도를 의미한다.
여기서 Te는 상술한 바와 같이, 인버터의 출력이 차단되어 회전자가 관성 회전하는 상태이므로 0이 될 수 있다. 또한 마찰 계수(Bm)는 부하토크(TL)로 간주하여 0으로 가정할 수 있다. 한편 상기 모터가 압축기 구동 모터인 경우에 부하토크(TL)는 압축기의 압축 부하일 수 있다.
한편 인버터 제어부(430)는 상기 수학식 1 및 수학식 2에서 보이고 있는 관성 회전 모델에 따라 모터 토크가 차단된 시점, 즉 인버터의 출력이 차단된 시점부터 경과된 시간에 따른 회전자의 회전 상태를 추정할 수 있다.
일례로 인버터 제어부(430)는 상기 관성 회전 모델에 따라 회전자의 각속도를 산출할 수 있으며, 산출된 각속도를 회전자의 관성 회전에 따른 회전 속도로 추정할 수 있다. 그리고 상기 모터(250)가 동기 모터인 경우 산출된 각속도에 근거하여 회전자의 N극의 위치를 더 추정할 수 있다. 그러면 인버터 제어부(430)는 상기 추정된 회전자의 회전 속도를 회전자의 초기 속도로 설정할 수 있다. 그리고 상기 모터(250)가 동기 모터인 경우, 상기 추정된 회전자의 N극의 위치를 회전자의 초기 위치로 설정하는 과정을 더 수행할 수 있다.　
한편, 상술한 방식은 본 발명에서 관성 회전 중인 회전자의 회전 상태를 추정하는 방식의 일례를 설명한 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 추가로 결선 모드 절환에 따른 위상차를 반영하여 회전자의 위치를 보정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 모터의 결선 모드들의 예를 도시한 예시도이다. 도 6의 (a)는 Y 결선 모드에서 권선들이 연결된 상태의 예를, 도 6의 (b)는 △ 결선 모드에서 권선들이 연결된 상태의 예를 도시한 것이다.
먼저 도 6의 (a)를 참조하면, Y 결선 모드로 권선들이 연결된 경우 Y 결선 구조를 이루는 권선들로 전류가 인가되므로 인버터(420)의 출력 전류(
Figure pat00004
Ia) 그대로의 전류(
Figure pat00005
Ia)가 유입될 수 있다. 이 경우의 쇄교 자속, 인덕턴스, 권선 저항은, 각각
Figure pat00006
. Ld,q, RS 가 될 수 있다.
반면 도 6의 (b)를 참조하보면, △ 결선 모드로 권선들이 연결되는 경우 △ 결선 구조를 이루는 권선으로 전류가 유입되므로, Y 결선 구조로 권선이 연결되는 방향과 30도의 위상 차를 가지게 된다. 그리고 이러한 인버터(420)의 출력 전류(
Figure pat00007
Ia)에 대해 1/
Figure pat00008
로 감소된 전류(Ia)가 위상차에 따라 권선들로 유입될 수 있다. 그리고 쇄교 자속은 1/
Figure pat00009
로 감소할 수 있으며, 인덕턴스와 권선저항은 각각 1/3으로 감소될 수 있다. 이와 같은 결선 모드의 구조적 차이에 따른 쇄교 자속과 인덕턴스, 그리고 권선저항의 차이는 하기 표 1과 같다.
한편 이와 같이, △ 결선 모드의 경우 권선들이 연결된 구조적 특징에 따라 30도의 위상차가 발생하므로, 인버터 제어부(430)는 Y 결선 모드에서 △ 결선 모드로 전환되는 경우 인버터 제어부(430)는 회전자의 위치를 +30도 변경하여야 △ 결선 모드에 따른 정확한 모터 제어를 수행할 수 있다. 반면 △ 결선 모드에서 Y 결선 모드로 전환되는 경우 회전자의 위치를 -30도 변경하여야 Y 결선 모드에 따른 정확한 모터 제어를 수행할 수 있다. 따라서 결선 모드 절환에 따른 위상차를 반영하여 회전자의 위치를 보정할 수 있다.
Figure pat00010
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 릴레이 구조를 예시한 도면으로, 절환부(440)가 구비할 수 있는 릴레이의 일례를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 릴레이(700)는 하나의 극(pole)과 2개의 접점(a접점, b접점)을 포함할 수 있다. 또한, 릴레이(700)는 전자석 코일(Lr)을 포함할 수 있다.
b접점(Y권선)은 기계식 릴레이 스위치의 기본적인 스프링으로 유지되는 상태인 기본 상태일 수 있다. 코일(Lr)에 전류를 주면 자성을 띄는데, 자성을 이용하여, 철판을 붙이거나 띄울 수 있고, 접점 상태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 코일 전압이 온(ON)되면, 코일(Lr) 전자석 힘으로 a접점으로 이동하고, 코일 전압이 오프(OFF)되면, 스프링 힘으로 b접점으로 이동할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치의 내부 블록도를 예시한 것으로, 도 7의 릴레이(700)를 이용한 결선 모드들을 예시한다.
도 8의 (a)를 참조하면, 코일 전압이 온(ON)되면, 릴레이(700)의 접점 상태는, 코일(Lr) 전자석 힘으로 a접점(Ca)으로 이동하고, Y 결선 모드(810)로 절환될 수 있다. 이에 따라, 인버터(420)의 삼상 출력(U,V,W)은 릴레이(700)의 a접점(Ca)을 거쳐 Y 결선 모드(810)의 모터(250)에 인가될 수 있다.
도 8의 (b)를 참조하면, 코일 전압이 오프(OFF)되면, 릴레이(700)의 접점 상태는, 스프링 힘으로 b접점(Cb)으로 이동하고, △ 결선 모드(820)로 절환될 수 있다. 이에 따라, 인버터(420)의 삼상 출력(U,V,W)은 릴레이(700)의 b접점(Cb)을 거쳐 △ 결선 모드(820)의 모터(250)에 인가될 수 있다.
권선절환 모터(250)의 경우 3상 모터(250)의 각 상별 인출선(U,V,W)이 절환부(440)의 릴레이(700)를 통해 인버터(420)와 연결될 수 있다.
저속 구동시, 모터(250)는 도 8의 (a)와 같이 Y형태로 결선되며, 고역기전력을 가지고 저속 고토크의 특징을 가질 수 있다. 또한, 고속 구동시, 모터(250)는 도 8의 (b)와 같이 △형태로 결선되며, 저역기전력 특성을 가지고 고속의 운전영역이 가능하다. 따라서, 모터(250)의 목표 속도, 부하에 따라 결선 모드를 절환하여 더욱 효율적인 운전이 가능하다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 입력 전원(201)을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터(410), 상기 dc단에 접속되며, 상기 컨버터(410)로부터의 직류 전원을 저장하는 dc단 커패시터(C), 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')을 구비하며, 상기 dc단 커패시터(C)로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터(250)로 출력하는 인버터(420), 상기 dc단 커패시터(C)와 상기 인버터(420) 사이에 배치되어 전류를 검출하는 출력전류 검출부(E), 릴레이(700)를 구비하며, 상기 릴레이(700)의 동작에 의해 상기 모터(250)의 결선 모드를 절환하는 절환부(440), 및, 상기 인버터(420) 및 상기 절환부(440)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
결선 모드의 절환 시, 인버터 제어부(430)는, 모터(250)의 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 정지할 수 있다. 인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')을 모두 오프(off)시켜, 상기 PWM 제어를 정지할 수 있다. 이에 따라, 모터(250)는 소정 시간 관성 회전할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는 상기 출력전류 검출부(E)에서 감지되는 전류에 기초하여 상기 결선 모드의 절환을 제어할 수 있다.
인버터 제어부(430)는 상기 출력전류 검출부(E)에서 감지되는 전류에 기초하여 회전자 위치를 판별할 수 있다. 이에 따라, PWM 제어 정지 후, 모터(250)가 관성 회전 중일 때, 결선 모드를 절환하는 연속 절환 과정 중에 회전자 상태를 빠르게 판별할 수 있고, 이를 통해 PWM 제어 재개시 추종시간을 단축할 수 있다. 실시 예에 따라서, 소정 신호를 주입하여 회전자 상태 판별의 속도를 더욱 향상할 수 있다.
또한, 상기 출력전류 검출부(E)는, 하나의 션트(shunt) 저항을 포함할 수 있다. 이에 따라, 더욱 작은 비용으로 dc단 전류를 검출할 수 있다.
모터(250)의 권선 절환 후 재기동을 하기 위해서는 회전자 위치 및 초기속도 추종이 필요하다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 권선 절환 기술에서 1 션트 저항을 사용하여 전류 감지를 수행함으로써 전류센서 비용을 절감할 수 있다.
도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센싱 방법에 따른 인버터 내의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 11 내지 도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 전류 센싱 방법에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
인버터 제어부(430)는, 결선 모드의 절환 시, 인버터 제어부(430)는, 모터(250)의 PWM 제어를 정지하고, 전류 검출을 위한 신호를 상기 인버터에 주입할 수 있다. 예를 들어, 상기 전류 검출을 위한 신호는, 스위칭 소자들 중에서 어느 한 상의 스위칭 소자만 온(on)/오프(off)시키는 신호일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 전류 검출을 위한 신호는, 상기 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc') 중에서 어느 한 상의 하단 스위칭 소자만 온(on)시킨 후, 오프(off)시키는 신호일 수 있다.
즉, 상기 인버터 제어부(430)는, 상기 인버터(420)가 구비하는 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')을 모두 오프(OFF)시켜 PWM 제어를 정지한 후에 어느 하나의 하단 스위칭 소자를 온/오프(ON/OFF)시킬 수 있다.
도 9의 예시를 참조하면, 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')이 모두 오프인 상태에서, U상 하단 스위칭 소자(Sa')를 온시키고, 나머지 5개의 스위칭 소자들(Sa,Sb,Sb',Sc,Sc')은 오프 상태를 유지할 수 있다. 상 하단 스위칭 소자(Sa')만 온하고 나머지 5개 나머지 5개의 스위칭 소자들(Sa,Sb,Sb',Sc,Sc')이 오프인 상태에서 전류 경로는 dc단을 통과하지 않기 때문에 dc단 전류가 없다, 따라서, 션트 저항(Rs)에서는 전류가 검출되지 않는다.
이후, 도 10과 같이, U상 하단 스위칭 소자(Sa')를 오프시킬 수 있다. U상 하단 스위칭 소자(Sa')의 오프로 회로에 흐르던 전류가 dc단에 나타난다. 따라서, 션트 저항(Rs)에서는 전류가 검출된다.
U상 하단 스위칭 소자(Sa')를 온했을 때 전류 경로가 형성되는 경우 U상 하단 스위칭 소자(Sa') 오프 직후에 dc단 전류가 나타난다. 이와 같이, 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')이 모두 오프인 상태에서, U상 하단 스위칭 소자(Sa')를 온시켰다가 오프시키면, 션트 저항(Rs)에서는 영(0)전류가 검출되다가 소정 값의 전류가 검출된다. 전류 방향 설정에 따라서 션트 저항(Rs)에서 감지되는 전류는 음(-)의 값으도 나타낼 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 상기 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc') 중에서 어느 한 상의 하단 스위칭 소자만 온(on), 오프(off)시키는 신호를 상기 인버터(420)에 반복 주입할 수 있다. 이에 따라, 션트 저항(Rs)에서 전류가 검출되지 않는 영전류 구간이 끝나는 시점, 즉, 전류가 검출되지 않다가 다시 검출되기 시작하는 시점을 검출할 수 있다. 인버터 제어부(430)는, 영전류 구간이 끝나는 시점을 스위칭한 상의 영전류 구간 정보에 대응시켜 회전자의 위치를 판별할 수 있다.
한편, 어느 하나의 하단 스위칭 소자를 온/오프(ON/OFF)하면, 션트 저항(Rs)에 상전류가 다른 상에 비해 전류가 클 ‹š만 유기전류가 발생하기 ‹š문에, 이를 통해 회전자의 초기 위치 및 초기 속도를 추종할 수 있다.
예를 들어, U상 하단 스위칭 소자(Sa')의 온/오프를 반복하면 역기전압의 위상에 따라 dc단에 유기전류가 나타난다.
도 11의 (a)는 U,V,W 상 역기전압을 도시한 것이고, 도 11의 (b)는 션트 저항(Rs)에서 검출되는 dc단 전류를 도시한 것이다.
dc단 전류 감지 방식 적용 시, 인버터(420)의 스위칭 소자의 온/오프를 반복하고, 역기전압의 크기와 위상을 이용하여, 유기되는 전류 유/무를 통해 회전자의 위치와 속도 판단이 가능하다.
예를 들어, U상 하단 스위칭 소자(Sa')의 온/오프를 반복하면 U상 역기전압이 가장 작을때는 dc단에서 유기전류가 검츨되지 않는 영전류 구간(T)이 나타나고, 나타난다. U상 역기전압이 다른 상의 역기전압보다 커지면 션트 저항(Rs)에는 유기 전류가 검출되기 시작한다. 이때, 인버터 제어부(430)는 영전류 구간(T)이 끝나는 시점, 즉, 다시 전류가 검출되는 시점의 정보를 이용하여 회전자의 위치를 판별할 수 있다. 예를 들어, 인버터 제어부(430)는, 영전류 구간이 끝나는 시점을 스위칭한 상의 영전류 구간 정보에 대응시켜 회전자의 위치를 판별할 수 있다.
도 12의 (a)는 U상 하단 스위칭 소자(Sa')의 스위칭에 따라 션트 저항(Rs)에서 전류가 검출되지 않는 영전류 구간(1210) 및 전류가 검출되는 나머지 구간 회전자 위치(Rotor position)와 같이 도시한 것이다.
도 12의 (b)는 U상 하단 스위칭 소자(Sa')의 스위칭에 따라 인버터(12220)와 모터(1230) 측 사이에 형성되는 경로가 다이오드에 의해 차단되는 것을 나타낸 것이다.
도 13은 U상 하단 스위칭 소자(Sa') 온오프 반복을 통해 dc단 유기 전류를 감지하고, 유기전류가 0이되는 시점부터 재발생시점까지 샘플 시간을 기록한 것이다.
도 13의 (a)는 U,V,W 상전류, 도 13의 (b)는 dc단에서 검출되는 dc단 전류, 도 13의 (c)는 회전자 위상(각도), 도 13의 (d)는 U상 하단 스위칭 소자(Sa') 온오프 스위칭, 도 13의 (e)는 모터(250)의 회전 속도를 도시한 것이다.
도 12와 도 13을 참조하면, U상의 역기전압이 다른 V, W 상보다 크기 작은 30도 내지 150도 구간(1210)에서는 U상 하단 스위칭 소자(Sa')를 온(ON)해도 V, W 상의 다이오드 역바이어스에 의해 전류 경로가 형성되지 않는다.
따라서, 회전자 30도 내지 150도 구간에서는 U상 하단 스위칭 소자(Sa')가 온(ON)이어도 유기전류가 없고, 유기전류가 없기 때문에 U상 하단 스위칭 소자(Sa') OFF 시 dc단에서 검출되는 전류도 없다.
즉, U상의 역기전압이 다른 상보다 크기가 작은 120도 범위의 구간에서는 U상 하단 스위칭 소자(Sa')의 온/오프(ON/OFF)를 반복하여도 유기전류가 나타나지 않는 영전류 구간(1210)이 존재하게 된다.
인버터 제어부(430)는, 상기 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 전류가 영전류에서 소정 값이 검출되기 시작하는 시점에 기초하여 회전자의 회전 상태를 추정할 수 있다.
또한, 인버터 제어부(430)는, PWM 제어가 재개되면 상기 추정된 회전자의 회전 상태를 상기 회전자의 초기값으로 설정하고, 설정된 회전자 초기값에 근거하여 결선 모드가 절환된 상기 모터(250)의 회전 속도를 제어할 수 있다.
U상 하단 스위칭 소자(Sa')의 온/오프를 반복하면, 영전류 구간(1210)이 지나고 다시 전류가 나타나는 지점이 회전자 위치 330도 지점에 대응된다. 따라서, 영전류 구간(1210)이 지나고 다시 전류가 나타나는 지점을 검출하면, 회전자 위치가 330도 지점임을 알 수 있다.
또한, 영전류구간은 120도의 범위를 가지므로, 전체 구간 120도를 영전류구간의 시간(영전류 시간)으로 나누면 각속도를 알 수 있다. 따라서, 회전자 속도를 판별할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 1 션트 저항(Rs)에 나타나는 유기전류 특성에 따라 영전류 이후 전류가 나타나는 시점에 회전자 위치를 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전자 위치와 유기전류가 0이 되는지점부터 재발생 지점까지의 시간을 통해서 회전자의 속도 추종이 가능하다.
그러므로, 인버터(420) 내 하단 스위칭 소자의 스위칭 통해 dc단 유기전류의 유무로 회전자의 위치 및 속도를 계산하여 재기동이 가능하다.
도 14를 참조하면, Y 결선 모드에서 델타 결선 모드로 절환할 때, 인버터 제어부(430)는, PWM 신호의 인가를 오프(OFF)할 수 있다. 이에 따라, 모터(250)는 관성 회전 중에 있고, 인버터 제어부(430)는 전류 검출을 위한 신호를 주입한다. 전류 검출을 위한 신호는 어느 한 상의 하단 스위칭 소자를 스위칭시키는 신호일 수 있다. 예를 들어, 전류 검출을 위한 신호는 U상 하단 스위칭 소자(Sa')를 스위칭시키는 신호일 수 있다.
출력전류 검출부(E)의 션트 저항(Rs)을 통하여, U상 하단 스위칭 소자(Sa')의 온/오프에 따른, 영전류 구간과 다시 전류가 나타나는 지점을 검출하면, 인버터 제어부(430)는 회전자 위치를 판별할 수 있다. 또한, 인버터 제어부(430)는 회전자 속도도 판별할 수 있다.
인버터 제어부(430)는 판별된 회전자 정보에 기초하여 델타 결선 모드로 절환된 모터(250)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 더 빠르게 절환이 완료되고 모터 제어가 안정화될 수 있다.
이를 통해, PWM 제어 정지 후 절환 시 효율 저하를 방지할 수 있다. 예를 들어, 공기조화기의 압축기 구동에 권선 절환을 적용하는 경우에, 압축기 압력 소실 및 속도 저하 등으로 발생하는 손실을 최소화가 가능하다.
한편, 임의로 어느 한 상의 하단 스위칭 소자를 스위칭시키는 경우에, PWM 정지 후 재기동까지의 시간이 길고 산포가 클 수 있다.
임의로 어느 한 상의 하단 스위칭 소자를 스위칭시키는 경우에, 도 15는 재기동 시간이 가장 짧은 경우를 예시하고, 도 16은 재기동 시간이 가장 긴 경우를 예시한다.
도 15의 (a)와 도 16의 (a)는 하단 스위칭 소자의 스위칭 동작을 도시한 것이고, 도 15의 (b)와 도 16의 (b는 션트 저항(Rs)에서 감지되는 dc단 전류를 도시한 것이다.
도 15를 참조하면, U상 하단 스위칭 소자(Sa')만 온/오프 하는 경우, 영전류 시작부분부터 재기동을 시작하면, 위치 및 속도를 추종하기까지 회전자가 최소 120도 관성 회전한다.
도 16을 참조하면, U상 하단 스위칭 소자(Sa')만 온/오프 하는 경우, 영전류 시작부분부터 재기동을 시작하면 위치 및 속도를 추종하기까지 회전자가 최대 480도 관성 회전한다.
즉, PWM 오프(OFF) 후 모터(250)가 관성 회전 중에 모터 권선을 연속절환 하기 위해서 관성회전 각이 짧아야 하는데 최소 120도에서 최대 480도까지 회전하여 산포가 크다.
따라서, 더 빠르게 회전자 위치 및 속도를 추종하고 재기동 시간를 단축시켜 효율 및 안정성을 더욱 향상할 수 있다. 이를 위해, dc단 전류가 영전류 구간 이후 전류가 발생하는 지점에서 회전자의 위치 및 속도를 추종할 수 있기 때문에 재기동 시점에서 영전류 구간인 상을 아는 것이 필요하다.
한편, 구간과 구간 사이 경계 지점에서 두 상이 영전류로 감지되는 경우에 신호를 주입할 상의 선택 오류를 줄이기 위한 알고리즘이 필요하다. 예를 들어, W상이 영전류 구간이여도 구간2, 구간3과의 경계지점일 수 있다. 이 경우에 스위칭 소자들을 순차적으로 스위칭하면서 경계지점을 판별하고, 구간 및 주입 신호의 상을 선택할 수 있다.
도 17을 참조하면, 구간1(D1)은, W상 상전류가 가장 낮아 W상이 영전류인 구간이다.
본 명세서에서 도 11의 (b), 도 13의 (d)과 같이, dc단 전류는 음(-)의 전류로 센싱되는 예로 설명하고 있기 때문에 상기 각 구간의 상전류 크기 비교를 볼때도 음(-)의 전류값인 것을 고려해야 한다. 예를 들어, W상이 영전류인 구간이 나오고, 감지되는 W상 전류가 U상 전류보다 커지면 구간1이 선택될 수 있다. 또한, 인버터 제어부(430)는 구간1의 선택에 따라 U상 하단 스위칭 소자(Sa')를 선택하여 스위칭 동작을 반복하는 주입 신호를 생성하고 공급할 수 있다.
도 17을 참조하면, 구간2(D2)는, U상 상전류가 가장 낮아 U상이 영전류인 구간이며, 반복되는 스위칭 동작 속에 감지되는 전류가 U>V인 경우, 인버터 제어부(430)는 V상 하단 스위칭 소자(Sb')를 선택하여 온/오프할 수 있다.
도 17을 참조하면, 구간3(D3)은, V상 상전류가 가장 낮아 V상이 영전류인 구간이며, 반복되는 스위칭 동작 속에 감지되는 전류가 V>W인 경우, 인버터 제어부(430)는 W상 하단 스위칭 소자(Sc')를 선택하여 온/오프할 수 있다.
실시 예에 따라서, 스위칭 동작을 수행하는 것으로 선택된 상은 영전류 구간 순서로 영전류가 검출되는 상의 다음 상일 수 있다. 예를 들어, U,V,W 상 순서로 영전류가 검출된다면 현재 U상이 영전류인 구간일 때, 다음 V상의 하단 스위칭 소자(Sc')를 선택하여 스위칭할 수 있다.
또는, 스위칭 동작을 수행하는 것으로 선택된 상은 상기 선택된 상은 위상 순서로 영전류가 검출되는 상의 다음 상일 수 있다. 예를 들어, U,V,W 상 순서로 120도 위상 차이를 가진다면 현재 V상이 영전류인 구간일 때, 다음 W상의 하단 스위칭 소자(Sc')를 선택하여 스위칭할 수 있다.
임의의 한 상만 스위칭을 하여 절환할 경우 회전자가 최대 480도에서 최소 120도 이상 회전해야한다.본 발명의 일 실시 예에 따르면, 션트 저항(Rs)에 감지된 전류 크기가 0인 전류의 다음 상을 선택하여 하단 스위칭 소자를 스위칭함으로써, 선택된 상의 전류가 0이었다가 다시 나타나는 시점을 가장 빠르게 검출할 수 있다. 이에 따라, 회전자 위치와 속도를 빠르게 판별하여 초기 회전자 위치 및 속도로 제어할 수 있다.
도 18을 참조하면, Y 결선 모드에서 델타 결선 모드로 절환할 때, 인버터 제어부(430)는, PWM 신호의 인가를 오프(OFF)할 수 있다. 이에 따라, 모터(250)는 관성 회전 중에 있고, 인버터 제어부(430)는 전류 검출을 위한 신호를 주입한다. 전류 검출을 위한 신호는 상상의 하단 스위칭 소자를 순차적으로 스위칭시키는 신호일 수 있다. 예를 들어, 전류 검출을 위한 신호는 U상 하단 스위칭 소자(Sa')를 스위칭시키고, V상 하단 스위칭 소자(Sb')를 스위칭시키고, W상 하단 스위칭 소자(Sc')를 스위칭시키는 신호일 수 있다.
또한, 인버터 제어부(430)는, 상기 하단 스위칭 소자들(Sa',Sb',Sc')을 순차적으로 온(on), 오프(off) 시키면서, 상기 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 전류들을 비교하고, 영전류가 검출되는 상이 아닌 다른 상을 선택하여, 선택된 상의 하단 스위칭 소자를 온(on), 오프(off) 시키는 신호를 상기 인버터(420)에 주입할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 선택된 상의 하단 스위칭 소자를 온(on), 오프(off) 시키면서, 상기 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 전류가 영전류에서 소정 값이 검출되기 시작하는 시점에 기초하여 회전자의 회전 상태를 추정할 수 있다.
출력전류 검출부(E)의 션트 저항(Rs)을 통하여, 선택된 상의 하단 스위칭 소자의 온/오프에 따른, 영전류 구간과 다시 전류가 나타나는 지점을 검출하면, 인버터 제어부(430)는 회전자 위치를 판별할 수 있다. 또한, 인버터 제어부(430)는 회전자 속도도 판별할 수 있다.
인버터 제어부(430)는 판별된 회전자 정보에 기초하여 델타 결선 모드로 절환된 모터(250)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 더 빠르게 절환이 완료되고 모터 제어가 안정화될 수 있다. 이를 통해, PWM 제어 정지 후 절환 시 효율 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 결선 모드의 절환 시, 인버터 제어부(430)는, 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')을 모두 오프하여 모터(250)의 PWM 제어를 정지하고, 상 선택을 위하여, 상기 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc') 중에서 하단 스위칭 소자들(Sa',Sb',Sc')을 순차적으로 온(on), 오프(off) 시키는 신호를 상기 인버터(420)에 주입할 수 있다. 예를 들어, W상이 선택되어, 이후에는 W상 하단 스위칭 소자(Sc')를 반복적으로 스위칭하는 신호를 생성하여 주입할 수 있다. 이에 따라, 션트 저항(Rs)을 통하여 영전류 구간과 다시 전류가 나타나는 지점을 검출하고, 인버터 제어부(430)는 회전자 위치를 판별할 수 있다.
또한, 인버터 제어부(430)는, PWM 제어가 재개되면 상기 추정된 회전자의 회전 상태를 상기 회전자의 초기값으로 설정하고, 설정된 회전자 초기값에 근거하여 결선 모드가 절환된 상기 모터(250)의 회전 속도를 제어할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 센싱 방법의 순서도를 예시한 도면이다.
도 20과 도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 전류 센싱 방법에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 19를 참조하면, 결선 모드의 절환 시, 인버터 제어부(430)는, 모터(250)의 PWM 제어를 정지할 수 있다(S1905). 인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')을 모두 오프하여 PWM 제어를 정지할 수 있다(S1905). PWM 제어의 정지에 따라 모터(250)는 관성 회전하게 된다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc') 중에서 하단 스위칭 소자들(Sa',Sb',Sc')을 순차적으로 온(on), 오프(off) 시키고, 출력 전류 검출부(E)는 dc단 전류를 감지할 수 있다(S1910).
인버터 제어부(430)는, U상 하단 스위칭 소자(Sa')를 온시켰다가 오프시키고, 출력 전류 검출부(E)를 통하여 dc단 전류를 감지할 수 있다(S1911).
인버터 제어부(430)는, V상 하단 스위칭 소자(Sb')를 온시켰다가 오프시키고, 출력 전류 검출부(E)를 통하여 dc단 전류를 감지할 수 있다(S1913).
인버터 제어부(430)는, W상 하단 스위칭 소자(Sc')를 온시켰다가 오프시키고, 출력 전류 검출부(E)를 통하여 dc단 전류를 감지할 수 있다(S1915).
한편, 인버터 제어부(430)는 소정 구간에서위칭 소자들(Sa',Sb',Sc')의 순차적인 스위칭 동작에 따른 각 상별 dc단 전류를 비교할 수 있다(S1920).
비교 결과(S1920)에 따라, 인버터 제어부(430)는 스위칭 소자의 상을 선택하여 반복 스위칭할 수 있다(S1940). 실시 예에 따라서, 비교 결과(S1920)에 따라, 인버터 제어부(430)는 먼저 구간을 선택할 수도 있다(S1930).
도 17을 참조하여 설명한 것과 같이, 인버터 제어부(430)는, 구간 1을 선택하고(S1931), U상 하단 스위칭 소자(Sa')를 반복 스위칭할 수 있다(S1941).
인버터 제어부(430)는, 구간 2를 선택하고(S1933), V상 하단 스위칭 소자(Sb')를 반복 스위칭할 수 있다(S1943).
인버터 제어부(430)는, 구간 3을 선택하고(S1935), W상 하단 스위칭 소자(Sc')를 반복 스위칭할 수 있다(S1945).
도 20의 (a)는, 소정 구간에서의 상전류들을 도시한 것이고, 도 20의 (b)는, 스위칭 소자들(Sa',Sb',Sc')의 순차적인 스위칭 동작을 도시한 것이며, 도 20의 (c)는, 출력 전류 검출부(E)를 통하여 감지된 각 상별 dc단 전류를 도시한 것이며, 도 20의 (d)는, dc단 전류 비교에 따른 출력 예를 도시한 것이다.
도 20을 참조하면, U상 하단 스위칭 소자(Sa')의 스위칭 동작시, dc단 전류가 감지되고, V상 하단 스위칭 소자(Sb')와 W상 하단 스위칭 소자(Sc')의 동작시 전류가 검출되지 않는다. 이때는 구간1과 구간3의 경계 지점일 수 있어, 더 정확한 판별이 필요하다. 경계 지점에서는 U>V이면 구간1로 판별하고, V>W이면 구간2로 판별하고, W>U이면 구간3으로 판별할 수 있다. 도 20의 (d)를 참조하면, W상 전류가 U상 전류보다 크기 때문에, 최종적으로 구간1을 선택할 수 있다.
스위치 OFF 직후 DC단에 감지되는 전류크기를 비교하면 U,V,W 상을 순차적으로 스위칭하기 때문에 경계지점에서 영전류 구간을 교차하는 두 상의 크기를 정확히 비교하기 어렵다, 따라서, 신호를 주입하기 전에 상을 순차적으로 스위칭하여 구간을 판별하고 경계지점을 판단함으로써, 이후의 신호 주입을 이용한 회전자 위치 추정 최소시간을 줄일 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는 소정 상의 하단 스위칭 소자를 반복적으로 스위칭하고(S1940), 출력전류 검출부(E)를 통하여 영전류 구간 및 다시 전류가 나타나는 지점을 검출하여 현재 회전자 위치를 추정할 수 있다(S950).
예를 들어, 각 상별 영전류 구간을 다음과 같을 수 있다.
U상의 영전류 구간 210도~330도
V상의 영전류 구간 330도~90도
W상의 영전류 구간 90도~210도
인버터 제어부(430)는, 각 상별 영전류 구간을 검출하고(S1915), 다시 전류가 나타나는 지점에 대응하는 회전자 위치를 추정할 수 있다(S1953, S1955, S1957). 예를 들어, 다시 전류가 나타나는 지점은, U상의 경우 330도(S1953), V상의 경우 90도(S1955), W상의 경우 210도(S1957)일 수 있다.
도 21은 순차적 스위칭 후 구간을 선택하는 경우, 각 상별 유기전류와 스위칭 동작을 도시한 것이다. 도 21의 (a)는 U,V,W상 유기전류를 도시한 것이고, 도 21의 (b)는 도 21의 (a) 중에서 영전류 구간을 포함하는 부분을 확대하여 도시한 것이며, 도 21의 (c)는 U,V,W상 하단 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 도시한 것이다.
도 21을 참조하면, PWM 제어 정지 후 신호주입 결과 경계지점에서 신호주입을 하는 경우에 240도 회전 후 위치를 추정하고, 도 16을 참조하여 설명한 U상만 스위칭 하는 경우 480도 회전 후 위치를 추정하는 방식보다 더 빠르게 회전자 위치 추정이 가능하다. 또한, 도 16의 실시 예는 회전자의 회전 각 산포가 120도~480도인 반면에 순차적 스위칭 후 구간을 선택하는 실시 예에서는 120도~240도로 산포가 절반으로 줄어든다. 줄어든 산포는 모터의 관성 속도 저하를 막아 효율 저하를 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는 상기한 바와 같이 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치, 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스의 동작 방법은, 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, 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 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 이해되어서는 안될 것이다.
410: 컨버터
420: 인버터
430: 인버터 제어부
440: 절환부

Claims (17)

  1. 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터;
    상기 dc단에 접속되며, 상기 컨버터로부터의 직류 전원을 저장하는 dc단 커패시터;
    스위칭 소자들을 구비하며, 상기 dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터로 출력하는 인버터;
    상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되어 전류를 검출하는 출력전류 검출부;
    릴레이(relay)를 구비하며, 상기 릴레이의 동작에 의해 상기 모터의 결선 모드를 절환하는 절환부; 및,
    상기 인버터 및 상기 절환부를 제어하는 인버터 제어부;를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는, 상기 출력전류 검출부에서 감지되는 전류에 기초하여 상기 결선 모드의 절환을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력전류 검출부는, 하나의 션트(shunt) 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 결선 모드의 절환 시, 상기 모터의 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 정지하고, 전류 검출을 위한 신호를 상기 인버터에 주입하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 인버터의 스위칭 소자들을 모두 오프(off)시켜, 상기 PWM 제어를 정지하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전류 검출을 위한 신호는,
    상기 스위칭 소자들 중에서 어느 한 상의 하단 스위칭 소자만 온(on)시킨 후, 오프(off)시키는 신호인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 스위칭 소자들 중에서 어느 한 상의 하단 스위칭 소자만 온(on), 오프(off)시키는 신호를 상기 인버터에 반복 주입하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 출력전류 검출부에서 검출되는 전류가 영전류에서 소정 값이 검출되기 시작하는 시점에 기초하여 회전자의 회전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 PWM 제어가 재개되면 상기 추정된 회전자의 회전 상태를 상기 회전자의 초기값으로 설정하고, 설정된 회전자 초기값에 근거하여 결선 모드가 절환된 상기 모터의 회전 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 결선 모드의 절환 시, 상기 모터의 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 정지하고, 상기 스위칭 소자들 중에서 하단 스위칭 소자들을 순차적으로 온(on), 오프(off) 시키는 신호를 상기 인버터에 주입하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 인버터의 스위칭 소자들을 모두 오프(off)시켜, 상기 PWM 제어를 정지하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 하단 스위칭 소자들을 순차적으로 온(on), 오프(off) 시키면서, 상기 출력전류 검출부에서 검출되는 전류들을 비교하고, 영전류가 검출되는 상이 아닌 다른 상을 선택하여, 선택된 상의 하단 스위칭 소자를 온(on), 오프(off) 시키는 신호를 상기 인버터에 주입하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 선택된 상은 영전류 구간 순서로 영전류가 검출되는 상의 다음 상인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 선택된 상은 위상 순서로 영전류가 검출되는 상의 다음 상인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    선택된 상의 하단 스위칭 소자를 온(on), 오프(off) 시키면서,
    상기 출력전류 검출부에서 검출되는 전류가 영전류에서 소정 값이 검출되기 시작하는 시점에 기초하여 회전자의 회전 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 PWM 제어가 재개되면 상기 추정된 회전자의 회전 상태를 상기 회전자의 초기값으로 설정하고, 설정된 회전자 초기값에 근거하여 결선 모드가 절환된 상기 모터의 회전 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자들과 상기 릴레이는 서로 다른 PCB(printed circuit board) 보드에 배치되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 모터 구동 장치를 포함하는 공기조화기.

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