WO2018048129A1 - 모터 회전자 제어 장치 및 방법 - Google Patents

모터 회전자 제어 장치 및 방법 Download PDF

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WO2018048129A1
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motor
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alignment
inverter
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박푸른샘
임호빈
김상훈
김원석
김태완
이성준
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Hanon Systems Corp
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20—Arrangements for starting
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    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for controlling a motor rotor, and more particularly, to a motor rotor control apparatus and method capable of reducing noise due to alignment of a motor rotor and ensuring stability of motor starting.
  • the position information of the rotor is required.
  • sensors such as hall sensors, encoders and resolvers are mainly used. Since the motor driving the voltage compressor is difficult to mount the position sensor, the position of the rotor is estimated using a sensorless algorithm. These sensorless algorithms obtain the position information of the rotor by using the counter electromotive force generated when the motor rotates. Therefore, when the motor is stopped, there is a disadvantage that the position of the rotor is not known because no counter electromotive force is generated. Therefore, the sensorless algorithm performs the motor drive control in the order of rotor alignment-> forced drive-> sensorless control.
  • the present invention for solving the above problems, to reduce the noise caused by the alignment of the motor rotor, to provide a motor rotor control apparatus and method that can ensure the stability of the motor start to the technical problem.
  • the present invention for solving the above-described problems, the motor rotor control apparatus and method for aligning the rotor to +90 [deg] or 90 [deg] from the estimated position in consideration of the error of the initial position estimation of the motor rotor It is technical problem to provide.
  • Motor rotor control apparatus for achieving the above object, a motor having a rotor, an inverter for supplying a three-phase AC voltage to the motor, and during the initial drive of the motor, And a controller for estimating the initial position of the rotor, correcting the position of the rotor from the estimated initial position by a predetermined angle, and then driving the motor.
  • the controller aligns the position of the rotor to +90 [deg] or 90 [deg] from the estimated position in consideration of an error of the initial position estimation of the rotor.
  • the controller supplies a fine current to the motor through the inverter, detects the response of the fine current to estimate the initial position of the rotor.
  • the controller determines the alignment position of the rotor based on the initial position value of the motor rotor, and supplies a control signal to the inverter so that the rotor is located at the determined alignment position.
  • control unit controls the alignment position of the rotor by controlling the magnitude of the current supplied to the rotating shaft of the motor during the time to reach the preset current magnitude.
  • Motor rotor control method for achieving the above object, the step of estimating the initial position of the motor rotor during the initial drive of the motor, and from the initial position of the rotor Correcting the position by a predetermined angle, and accelerating the motor after aligning the rotor.
  • the motor rotor control method in consideration of the error of the initial position estimation of the rotor to align the position of the rotor from the estimated position to +90 [deg] or 90 [deg] .
  • the motor rotor control method by supplying a fine current to the motor, detects the response of the fine current to estimate the initial position of the rotor.
  • the motor rotor control method determine the alignment position of the rotor based on the initial position value of the motor rotor, and supply the control signal to the inverter so that the rotor is located at the determined alignment position do.
  • the motor rotor control method controls the alignment position of the rotor by controlling the magnitude of the current supplied to the rotating shaft of the motor during the time to reach a predetermined current magnitude.
  • the apparatus and method for controlling the motor rotor aligns the rotor by aligning the rotor to +90 [deg] or 90 [deg] from the estimated position in consideration of an error in the initial position estimation of the motor rotor. This reduces noise and ensures the stability of starting the motor.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the main configuration of the motor rotor control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example in which a three-phase switching device is configured for an inverter according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining that physical vibration and noise occur due to a position estimation error of a rotor, and an unstable variation of current occurs when a motor starts.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a controller according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating aligning the rotor to +90 [deg] or 90 [deg] from the estimated position in consideration of an error of the initial position estimation of the motor rotor.
  • FIG. 6 is a view showing a motor rotor control method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the effect of reducing the vibration and noise of the motor by the motor rotor control apparatus and method according to an embodiment of the present invention.
  • portion When a portion is referred to as being “above” another portion, it may be just above the other portion or may be accompanied by another portion in between. In contrast, when a part is mentioned as “directly above” another part, no other part is involved between them.
  • first, second, and third are used to describe various parts, components, regions, layers, and / or sections, but are not limited to these. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, the first portion, component, region, layer or section described below may be referred to as the second portion, component, region, layer or section without departing from the scope of the invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the main configuration of the motor rotor control apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view showing an example configured as a three-phase switching element for the inverter according to the embodiment of the present invention.
  • the motor rotor control apparatus 100 includes a motor 110, an inverter 120, and a controller 130.
  • the motor 110 (eg, a BLDC motor) includes a rotor and receives power from the inverter 120 to rotate the rotor to provide rotational force.
  • the motor 110 includes a winding having three phases of a coil for generating an inductance component. That is, the motor 110 is a structure without an insulated conductor, such as a carbon brush for transmitting power, a magnet on the motor shaft and a coil is disposed on the inner wall of the motor case. Rotation can be made without a brush by supplying power for rotation to a coil attached to the non-rotating motor inner wall.
  • the inverter 120 converts a DC voltage into a three-phase AC voltage and supplies it to the motor 110. At this time, the inverter 120 is connected to each of the power switching elements (S1 ⁇ S6) to the winding of the three phase (U, V, W). That is, the inverter 120 includes a three-phase switching element.
  • the inverter 120 may include an upper three-phase field effect transistor (FET) and a lower three-phase FET.
  • the controller 130 estimates the initial position of the rotor during initial driving of the motor 110 and corrects the position of the rotor by a predetermined angle from the estimated position. Thereafter, the motor 110 is driven to accelerate at a predetermined speed. At this time, the controller 130 controls the inverter 120 so that the rotor of the motor 110 rotates (forward rotation or reverse rotation) in a preset alignment direction.
  • control unit 130 when the motor 110 is in a stopped state, an alignment process for moving the rotor to a predetermined specific position, a forced drive for forcibly driving the motor by generating a rotating magnetic field in the motor in which the rotor is aligned
  • the operation of the motor 110 is controlled by a sensorless control process of acquiring the position information of the rotor using the counter electromotive force to control the motor by the sensorless.
  • the controller 130 applies a current for alignment to the motor 110 through the inverter 120, and when the rotor rotates in the alignment direction, the controller 130 controls the rotation speed so that the rotation speed of the rotor of the motor is reduced. Stop at the alignment position.
  • each of the power switching elements FETs S1 to S6 is connected to a winding of three phases (U, V, and W).
  • the power factor correction capacitor 210 may be connected in parallel on the connection line between the inverter 120 and the three-phase winding of the motor 110. That is, three power factor correction capacitors 210 may be connected in parallel between the U and V phases, between the V and W phases, and between the W and U phases, respectively, of the three phases at the output terminal of the inverter 120.
  • the capacitance of the power factor correction capacitor 210 may be set to be the same as that of the inductance component of the motor 110.
  • the controller 130 applies the switching driving signals of the respective power switching elements S1 to S6 to the inverter 120. That is, the control unit 130 controls the switching operation of each switching element (S1 ⁇ S6) of the inverter 120 in accordance with the user's operation to control the start, operation and speed of the motor 110, each switching element ( A switching driving signal for switching S1 to S6 is generated and applied to the inverter 120.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining that physical vibration and noise occur due to a position estimation error of a rotor, and an unstable variation of current occurs when a motor starts.
  • the apparatus and method for controlling a motor rotor provides a rotor +90 [deg] or 90 [deg] from an estimated position in consideration of an error in initial position estimation of the motor rotor. In order to reduce the noise caused by the alignment of the rotor, it is possible to ensure the stability of the motor start.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a controller according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the controller 130 includes an alignment position determiner 132 and an alignment controller 134.
  • the controller 130 supplies the microcurrent to the motor 110 through the inverter 120, detects the response of the microcurrent, and estimates the initial position of the rotor. At this time, the positions of the S pole and the N pole of the motor rotor are estimated, and an initial position value of the motor rotor is generated.
  • the alignment position controller 132 determines the alignment position of the rotor based on the input initial position value of the motor rotor. At this time, the alignment position is determined to be +90 [deg] or 90 [deg] from the estimated position.
  • the alignment control unit 134 generates a control signal for positioning the rotor at the determined alignment position, and supplies the generated control signal to the inverter 120 to rotate the rotor to position the determined alignment position.
  • the alignment position of the rotor is controlled by controlling the magnitude of the current supplied to the rotating shaft during the time to reach the preset current magnitude.
  • the controller 130 accelerates the rotor of the motor at a specified speed to drive the electric compressor of the vehicle.
  • the speed of the motor rotor is controlled at a preset rotation speed.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating aligning the rotor to +90 [deg] or 90 [deg] from the estimated position in consideration of an error of the initial position estimation of the motor rotor.
  • the position of the N pole of the rotor may be accurately estimated through the position estimation logic of the initial rotor, and there is a value of incorrectly estimating the position of the N pole to the S pole.
  • the position of the rotor's N pole and S pole cannot be estimated accurately, in order to improve the problems of vibration, noise and starting instability due to the estimation error of 180 [deg] during initial position estimation, the position of the rotor The estimation error is reduced to the level of 90 [deg].
  • FIG. 6 is a view showing a motor rotor control method according to an embodiment of the present invention.
  • a microcurrent is supplied to the motor 110, and a response of the microcurrent is detected to estimate an initial position of the motor rotor (S10). At this time, the positions of the S pole and the N pole of the motor rotor are estimated, and an initial position value of the motor rotor is generated.
  • the alignment position of the rotor is determined based on the initial position value of the motor rotor. At this time, the alignment position is determined to be +90 [deg] or 90 [deg] from the estimated position. Then, a control signal for positioning the rotor at the determined alignment position is generated, and the generated control signal is supplied to the inverter 120 to rotate the rotor to position the determined alignment position (S20). At this time, the alignment position of the rotor is controlled by controlling the magnitude of the supplied current of the rotating shaft of the alignment position determined while reaching the preset current magnitude for a preset time.
  • the controller 130 accelerates the rotor of the motor 110 at a specified speed to drive the electric compressor of the vehicle (S30).
  • the controller 130 controls the speed of the motor rotor at a preset rotation speed (S40).
  • FIG. 7 is a view showing the effect of reducing the vibration and noise of the motor by the motor rotor control apparatus and method according to an embodiment of the present invention.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

본 발명은 모터 회전자의 정렬로 인한 소음을 줄이고, 모터 시동의 안정성을 확보할 수 있는 모터 회전자 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 장치는, 회전자를 구비하는 모터와, 상기 모터에 3상 교류 전압을 공급하는 인버터와, 상기 모터의 초기 구동 시, 상기 회전자의 초기 위치를 추정하고 추정된 초기 위치로부터 상기 회전자의 위치를 기 설정된 각도만큼 보정시킨 후 상기 모터를 구동시키는 제어부를 포함한다.

Description

모터 회전자 제어 장치 및 방법
본 발명은 모터 회전자 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 모터 회전자의 정렬로 인한 소음을 줄이고, 모터 시동의 안정성을 확보할 수 있는 모터 회전자 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
모터를 구동하기 위해서는 회전자의 위치 정보가 필요하다. 이 회전자의 위치 정보를 얻기 위해 홀센서, 엔코더, 레졸버 등 주로 센서류가 사용된다. 전압압축기를 구동하는 모터는 위치 센서를 장착하기 어려워 센서리스 알고리즘을 이용하여 회전자의 위치를 추정한다. 이러한, 센서리스 알고리즘들은 모터가 회전할 때 발생하는 역기전력을 이용하여 회전자의 위치 정보를 얻게 된다. 따라서, 모터가 정지 상태일 경우, 역기전력이 발생하지 않아 회전자의 위치를 알 수 없는 단점이 존재한다. 그러므로 센서리스 알고리즘은 ①회전자 정렬 -> 강제구동 -> 센서리스 제어의 순서로 모터의 구동 제어를 수행한다.
모터의 초기 위치를 추정 또는 검출하는 로직의 오동작이 발생하면 부정확한 회전자의 위치에서 시동이 이루어지고, 이로 인해 모터 시동 시 전류의 불안정 변동과 진동을 일으키는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해서, 미리 지정된 정렬 위치가 아닌 정지 상태의 회전자의 위치를 추정하여 회전자를 정렬시키는 방법이 제안되었다. 이때, 정지 상태에서 회전자의 위치를 추정하기 위해서 미세 전압을 인가하고, 전류 응답을 이용하여 회전자의 위치를 추정한다.
회전자의 초기 위치 추정하더라도 자석의 N극과 S극을 구분할 수 없으며, 자석의 N극과 S극의 구분을 위해서는 추가적으로 고전압을 인가해야 하는 단점이 있다. 즉, 회전자의 초기 위치를 추정하는 것은 가능하지만 N극과 S극을 정확하게 구분할 수 없는 한계가 있다. N극과 S극의 추정 오차가 발생하면 전기적으로 180[deg] 수준의 위치 오차가 발생하며, 회전자의 정렬 과정 중에 큰 전류의 불안정 변동과 물리적 진동 및 소음이 발생하는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 모터 회전자의 정렬로 인한 소음을 줄이고, 모터 시동의 안정성을 확보할 수 있는 모터 회전자 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 모터 회전자의 초기 위치 추정의 오차를 고려하여 추정 위치로부터 회전자를 +90[deg] 또는 90[deg]로 정렬시키는 모터 회전자 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 장치는, 회전자를 구비하는 모터와, 상기 모터에 3상 교류 전압을 공급하는 인버터와, 상기 모터의 초기 구동 시, 상기 회전자의 초기 위치를 추정하고 추정된 초기 위치로부터 상기 회전자의 위치를 기 설정된 각도만큼 보정시킨 후 상기 모터를 구동시키는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는 상기 회전자의 초기 위치 추정의 오차를 고려하여 추정 위치로부터 상기 회전자의 위치를 +90[deg] 또는 90[deg]로 정렬시킨다.
또한, 상기 제어부는 상기 인버터를 통해 상기 모터에 미세 전류를 공급하고, 미세 전류의 응답을 검출하여 상기 회전자의 초기 위치를 추정한다.
또한, 상기 제어부는 상기 모터 회전자의 초기 위치 값에 기초하여 회전자의 정렬 위치를 결정하고, 결정된 정렬 위치에 회전자가 위치하도록 제어신호를 상기 인버터에 공급한다.
또한, 상기 제어부는 기 설정된 전류 크기에 도달하는 시간 동안에 상기 모터의 회전축에 공급되는 전류의 크기를 제어하여 회전자의 정렬 위치를 제어한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 방법은, 모터의 초기 구동 시, 모터 회전자의 초기 위치를 추정하는 단계와, 상기 회전자의 초기 위치로부터 상기 회전자의 위치를 기 설정된 각도만큼 보정시키는 단계와, 상기 회전자를 정렬시킨 이후 모터를 가속시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 방법은, 상기 회전자의 초기 위치 추정의 오차를 고려하여 추정 위치로부터 상기 회전자의 위치를 +90[deg] 또는 90[deg]로 정렬시킨다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 방법은, 상기 모터에 미세 전류를 공급하고, 미세 전류의 응답을 검출하여 상기 회전자의 초기 위치를 추정한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 방법은, 상기 모터 회전자의 초기 위치 값에 기초하여 회전자의 정렬 위치를 결정하고, 결정된 정렬 위치에 회전자가 위치하도록 제어신호를 인버터에 공급한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 방법은, 기 설정된 전류 크기에 도달하는 시간 동안에 상기 모터의 회전축에 공급되는 전류의 크기를 제어하여 상기 회전자의 정렬 위치를 제어한다.
본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 장치 및 방법은 모터 회전자의 초기 위치 추정의 오차를 고려하여 추정 위치로부터 회전자를 +90[deg] 또는 90[deg]로 정렬시켜 회전자의 정렬로 인한 소음을 줄이고, 모터 시동의 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 장치의 주요 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터에 대해 3상 스위칭 소자로 구성한 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 회전자의 위치 추정 오차로 인해 물리적 진동 및 소음이 발생하고, 모터 시동 시 전류의 불안정 변동이 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제어부를 나타내는 도면이다.
도 5는 모터 회전자의 초기 위치 추정의 오차를 고려하여 추정 위치로부터 회전자를 +90[deg] 또는 90[deg]로 정렬시키는 것을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 장치 및 방법에 의해서 모터의 진동 및 소음이 감소한 효과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 장치의 주요 구성을 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터에 대해 3상 스위칭 소자로 구성한 예를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 모터 회전자 제어 장치(100)는, 모터(110), 인버터(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
모터(110, 예로서 BLDC 모터)는 회전자를 구비하고, 인버터(120)로부터 전원을 공급받아 회전자를 회전시켜 회전력을 제공한다. 여기서, 모터(110)는 인덕턴스 성분을 발생시키는 코일을 3상으로 하는 권선을 포함한다. 즉, 모터(110)는 전력을 전달하기 위한 탄소 브러쉬와 같은 절연도체가 없는 구조로서, 모터축에 자석이 있고 모터 케이스 내부 벽면에 코일이 배치되어 있다. 회전하지 않는 모터 내부 벽에 부착된 코일에 회전을 위한 전력을 공급함에 따라 브러쉬 없이 회전이 이루어질 수 있다.
인버터(120)는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 모터(110)에 공급한다. 이때, 인버터(120)는 3상(U, V, W)의 권선에 각각의 전력용 스위칭 소자(S1 ~ S6)가 연결된다. 즉, 인버터(120)는 3상의 스위칭 소자를 구비하는데, 예컨대, 상단의 3상 FET(Field Effect Transistor)와 하단의 3상 FET를 구비할 수 있다.
제어부(130)는 모터(110)의 초기 구동 시에, 회전자의 초기 위치를 추정하고 추정된 위치로부터 상기 회전자의 위치를 기 설정된 각도만큼 보정시킨다. 이후, 모터(110)가 정해진 속도로 가속되도록 구동시킨다. 이때, 제어부(130)는 모터(110)의 회전자가 기 설정된 정렬 방향으로 회전(정회전 또는 역회전)하도록 인버터(120)를 제어한다.
또한, 제어부(130)는, 모터(110)가 정지 상태인 경우, 회전자를 미리 정해진 특정 위치로 이동시키는 정렬 과정, 회전자가 정렬된 모터에 회전 자계를 생성하여 모터를 강제로 구동시키는 강제구동 과정, 강제로 구동된 모터에서 역기전력이 발생하면 역기전력을 이용해 회전자의 위치 정보를 획득하여 센서리스로 모터를 제어하는 센서리스 제어 과정으로 모터(110)의 동작을 제어하게 된다.
제어부(130)는 인버터(120)를 통해, 모터(110)에 정렬을 위한 전류를 인가하여 회전자가 정렬 방향으로 회전할 때, 모터의 회전자의 회전 속도가 줄어들도록 회전속도를 제어하여 회전자가 정렬 위치에 멈추도록 한다.
본 발명에 따른 인버터(120)에는 3상(U, V, W)의 권선에 각각의 전력용 스위칭 소자 FET(S1 ~ S6)가 연결되어 있다. 이때, 인버터(120)와 모터(110)의 3상 권선 간의 연결 라인 상에 역률보상 커패시터(210)가 각각 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 역률보상 커패시터(210)는, 인버터(120)의 출력단에 있는 3상 중 U상과 V상 간에, V상과 W상 간에, W상과 U상 간에 3개가 각각 병렬로 연결될 수 있다. 그리고 역률보상 커패시터(210)의 용량 크기는 모터(110)의 인덕턴스 성분의 크기와 동일하게 유지되도록 설정될 수 있다.
제어부(130)는 인버터(120)에 각각의 전력용 스위칭 소자(S1 ~ S6)의 스위칭 구동 신호를 인가한다. 즉, 제어부(130)는 사용자의 조작에 따라 인버터(120)의 각 스위칭 소자(S1 ~ S6)의 스위칭 동작을 제어하여 모터(110)의 기동, 운전 및 속도를 제어하게 되며, 각 스위칭 소자(S1 ~ S6)를 스위칭하기 위한 스위칭 구동 신호를 생성해 인버터(120)에 인가한다.
도 3은 회전자의 위치 추정 오차로 인해 물리적 진동 및 소음이 발생하고, 모터 시동 시 전류의 불안정 변동이 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a)을 참조하면, 센서리스 방식에서 모터 회전자의 정지 상태의 위치와 미리 지정된 정렬 위치의 차이로 인해서, 회전자의 정렬 과정 중 전류의 불안정 변동과 물리적 진동/소음이 발생한다.
도 3(b)를 참조하면, 초기 위치 추정 알고리즘은 회전자의 N극과 S극 구분할 수 없음으로, 이러한 극성 추정 오차가 발생할 경우에 회전자의 정렬 시 전기적으로 180[deg] 수준의 위치 오차가 발생한다. 이로 인해서, 정렬 과정 중 큰 전류의 불안정 변동과 물리적 진동 및 소음이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 장치 및 방법은 모터 회전자의 초기 위치 추정의 오차를 고려하여 추정 위치로부터 회전자를 +90[deg] 또는 90[deg]로 정렬시켜, 회전자의 정렬로 인한 소음을 줄이고, 모터 시동의 안정성을 확보할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제어부를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(130)는 정렬위치 결정부(132) 및 정렬 제어부(134)를 포함한다.
제어부(130)는 인버터(120)를 통해 모터(110)에 미세 전류를 공급하고, 미세 전류의 응답을 검출하여 회전자의 초기 위치를 추정한다. 이때, 모터 회전자의 S극과 N극의 위치를 추정하고, 모터 회전자의 초기 위치 값을 생성한다.
정렬위치 제어부(132)는 입력된 모터 회전자의 초기 위치 값에 기초하여 회전자의 정렬 위치를 결정한다. 이때, 추정된 위치에서 +90[deg] 또는 90[deg]된 위치로 정렬 위치를 결정한다.
정렬 제어부(134)는 결정된 정렬 위치에 회전자가 위치시키기 위한 제어신호를 생성하고, 생성된 제어신호를 인버터(120)에 공급하여 회전자를 회전시켜 결정된 정렬 위치로 위치시킨다. 이때, 기 설정된 전류 크기에 도달하는 시간 동안에 회전축의 공급되는 전류의 크기를 제어하여 회전자의 정렬 위치의 제어가 이루어진다.
이후, 제어부(130)는 지정된 속도로 모터의 회전자를 가속시켜 차량의 전동압축기를 구동시킨다. 이와 함께, 기 설정된 회전 속도로 모터 회전자의 속도를 제어한다.
도 5는 모터 회전자의 초기 위치 추정의 오차를 고려하여 추정 위치로부터 회전자를 +90[deg] 또는 90[deg]로 정렬시키는 것을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 초기 회전자의 위치 추정 로직을 통해 회전자의 N극 위치가 정확히 추정될 경우가 있고, N극의 위치를 S극으로 오 추정할 경가가 있다.
이러한, 회전자의 전극 추정 결과에서, 전기적 +90[deg] 또는 90[deg] 위치로 회전자를 정렬시키면 정렬 과정 중 일정한 전기적 90[deg]에 해당하는 회전자의 움직임을 확보할 수 있다.
즉, 회전자의 N극 및 S극의 위치를 정확하게 추정할 수 없음으로, 초기 위치 추정 시 180[deg]의 추정 오차로 인한 진동, 소음 및 시동 불안정의 문제점을 개선하기 위해서, 회전자의 위치 추정 오차를 90[deg] 수준으로 감소시켰다.
이와 같이, 모터 회전자의 위치를 정렬시키면, 전동압축기 기동 시 모터 회전자의 초기 위치 추정 오차와 관계없이 정렬 과정에서 일정한 전기적 90[deg]도에 해당하는 움직임이 일정하게 나타나게 된다. 이를 통해, 항상 일정한 수준의 오차를 보장하여 정렬 과정 중 큰 전류의 불안정과 진동 및 소음의 발생을 감소시켜 안정된 시동을 확보할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 모터(110)에 미세 전류를 공급하고, 미세 전류의 응답을 검출하여 모터 회전자의 초기 위치를 추정한다(S10). 이때, 모터 회전자의 S극과 N극의 위치를 추정하고, 모터 회전자의 초기 위치 값을 생성한다.
이어서, 모터 회전자의 초기 위치 값에 기초하여 회전자의 정렬 위치를 결정한다. 이때, 추정된 위치에서 +90[deg] 또는 90[deg]된 위치로 정렬 위치를 결정한다. 그리고 결정된 정렬 위치에 회전자가 위치시키기 위한 제어신호를 생성하고, 생성된 제어신호를 인버터(120)에 공급하여 회전자를 회전시켜 결정된 정렬 위치로 위치시킨다(S20). 이때, 기 설정된 시간 동안 기 설정된 전류 크기에 도달하는 동안에 결정된 정렬 위치의 회전축의 공급되는 전류의 크기를 제어하여 회전자의 정렬 위치의 제어가 이루어진다.
이어서, 제어부(130)는 지정된 속도로 모터(110)의 회전자를 가속시켜 차량의 전동압축기를 구동시킨다(S30).
이어서, 제어부(130)는 기 설정된 회전 속도로 모터 회전자의 속도를 제어한다(S40).
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 회전자 제어 장치 및 방법에 의해서 모터의 진동 및 소음이 감소한 효과를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 전동압축기 시동 시 모터 회전자의 정렬 과정에서 발생하는 소음 개선 효과에 대한 NVH 시험을 실시하였고, 시험 결과를 도 7에 도시하였다. 전동압축기 음향평가 실험실에서 종래 기술과 본 발명의 적용에 따른 소음 수준 평가를 수행한 결과를 비교하여 도시하고 있다. 실험 조건은 Pd/Ps 14barG/2barG, 모터 회전속도 1000rpm으로 10sec 초안 On/Off 반복하여 소음 발생을 평가하였다.
도 7에 도시된 바와 같이, 종래 기술에서는 모터 회전자의 초기 위치 추정 오차로 인해 50dBA 이상의 큰 소음이 지속적으로 발생하였으나, 본 발명의 적용 시 모터 회전자의 초기 위치 추정 오차와 상관없이 50dBA 이상의 소음이 크게 감소한 것을 확인할 수 있다. 모터의 소음과 진동은 비례 관계이므로, 소음 실험 결과를 통해서 모터 회전자의 초기 위치 추정 오차로 인한 진동도 함께 감소함을 확인할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 회전자를 구비하는 모터;
    상기 모터에 3상 교류 전압을 공급하는 인버터; 및
    상기 모터의 초기 구동 시, 상기 회전자의 초기 위치를 추정하고 추정된 초기 위치로부터 상기 회전자의 위치를 기 설정된 각도만큼 보정시킨 후 상기 모터를 구동시키는 제어부;를 포함하는 모터 회전자 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 회전자의 초기 위치 추정의 오차를 고려하여 추정 위치로부터 상기 회전자의 위치를 +90[deg] 또는 90[deg]로 정렬시키는 모터 회전자 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 인버터를 통해 상기 모터에 미세 전류를 공급하고, 미세 전류의 응답을 검출하여 상기 회전자의 초기 위치를 추정하는 모터 회전자 제어 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 모터 회전자의 초기 위치 값에 기초하여 회전자의 정렬 위치를 결정하고, 결정된 정렬 위치에 상기 회전자가 위치하도록 제어신호를 상기 인버터에 공급하는 모터 회전자 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제어부는,
    기 설정된 전류 크기에 도달하는 시간 동안에 상기 모터의 회전축에 공급되는 전류의 크기를 제어하여 회전자의 정렬 위치를 제어하는 모터 회전자 제어 장치.
  6. 모터의 초기 구동 시, 모터 회전자의 초기 위치를 추정하는 단계;
    상기 회전자의 초기 위치로부터 상기 회전자의 위치를 기 설정된 각도만큼 보정시키는 단계; 및
    상기 회전자를 정렬시킨 이후 모터를 가속시키는 단계;를 포함하는 모터 회전자 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 회전자의 초기 위치 추정의 오차를 고려하여 추정 위치로부터 상기 회전자의 위치를 +90[deg] 또는 90[deg]로 정렬시키는 모터 회전자 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 모터에 미세 전류를 공급하고, 미세 전류의 응답을 검출하여 상기 회전자의 초기 위치를 추정하는 모터 회전자 제어 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 모터 회전자의 초기 위치 값에 기초하여 회전자의 정렬 위치를 결정하고, 결정된 정렬 위치에 회전자가 위치하도록 제어신호를 인버터에 공급하는 모터 회전자 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    기 설정된 전류 크기에 도달하는 시간 동안에 상기 모터의 회전축에 공급되는 전류의 크기를 제어하여 상기 회전자의 정렬 위치를 제어하는 모터 회전자 제어 방법.
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