KR100859077B1 - 압축기 구동 모터의 기동제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기 구동 모터의 기동제어 방법에 관한 것으로, 압축기 구동용 모터의 초기 기동 시에 회전자의 위치를 강제 정렬할 때에 강제 정렬 후의 회전자 위치가 높은 기동토크 구간에 위치되지 않도록 하여 모터의 구동 시에 비교적 낮은 기동토크가 요구되어 과도한 전류 소모를 방지함과 아울러 구동 회로 및 모터에 악영향을 주는 요소를 제거하여 구동 회로 및 모터를 보호하는 이점이 있다.

BLDC 모터, 강제 정렬, 기동토크

Description

압축기 구동 모터의 기동제어 방법{STARTING CONTROL METHOD FOR DRIVING MOTOR OF COMPRESSOR}

도 1은 종래 기술에 따른 압축기 구동 모터의 기동제어 방법을 설명하기 위한 흐름도,

도 2는 본 발명에 따른 압축기 구동 모터의 기동제어 방법을 수행할 수 있는 구동 장치의 블록 구성도,

도 3은 압축기의 피스톤 위치별 기동토크의 변화를 설명하기 위한 단면도,

도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압축기 구동 모터의 기동제어 방법을 설명하기 위한 흐름도,

도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압축기 구동 모터의 기동제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.

본 발명은 압축기 구동 모터의 기동제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축기 구동용 모터의 초기 기동 시에 회전자의 위치를 강제 정렬하는 압축기 구동 모터의 기동제어 방법에 관한 것이다.

냉장고 및 에어컨용 압축기 및 세탁기 등과 같이 고효율 가변속 운전을 구현하는 것이 필요한 제품에는 현재 BLDC(BrushLess Direct Current) 모터가 가장 많이 사용되고 있다.

통상적으로 BLDC 모터의 고정자(stator)는 코일에 전류를 흘려 형성하는 전기자(armature)를 사용하고, 회전자(rotator)는 N극과 S극이 반복되어 형성된 영구자석을 사용한다. BLDC 모터가 연속적으로 회전하기 위해서는 BLDC 모터의 연속적인 회전자계의 형성이 필요하며, 연속적인 회전자계를 형성하기 위해서는 전기자의 각 상의 코일에 흐르는 전류의 전환(commutation)을 적절한 시점에 해야 하는데, 적절한 전환을 위해서는 회전자의 위치를 정확히 인식해야 한다. 여기서 전환이란 회전자가 회전할 수 있도록 모터 고정자 코일의 전류 방향을 바꾸어 주는 것이다.

BLDC 모터의 원활한 운전을 위해서는 회전자의 위치와 상 전류의 전환시점을 정밀하게 일치시켜야 하며, 이를 위해 회전자의 위치를 검출하기 위한 장치가 요구되는데, 일반적으로는 회전자의 위치 검출을 위해 홀센서(Hall sensor)나 리졸버(Resolver) 소자, 인코더(encoder)와 같은 위치검출센서를 이용하였다.

이러한 위치검출센서는 제조 원가가 비싸고, 압축기의 경우 압축기 내부의 온도 등 환경적인 문제로 인하여 사용할 수 없기 때문에 BLDC 모터의 전압, 전류정보 등을 이용하여 회전자의 위치를 간접적으로 검출하는 센서리스(sensorless) 제어가 모색되었다. 이렇게 위치검출센서 대신 전기회로를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 운전모드를 센서리스 운전모드라고 한다.

한편, 센서리스 운전모드를 포함하는 BLDC 모터의 운전제어에 있어서 정지 중에는 회전자의 위치에 대한 정보가 파악되지 않기 때문에 센서리스 운전모드로 운전하기 이전에 강제적인 초기 기동 방법을 택하고 있다. 이는 초기 기동 시 BLDC 모터의 3상 권선들 중에서 임의의 2개의 상 권선에 전류를 일정시간동안 흘려 모터의 회전자 위치를 정렬시키는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 압축기 구동 모터의 기동제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

먼저, BLDC 모터의 임의의 2상에 전류를 공급하여 회전자 위치를 강제로 정렬시키고(S1), 회전자의 정렬이 완료되면 BLDC 모터에 인가되는 전압의 크기와 주파수를 가변하여 BLDC 모터의 회전자를 일정속도까지 가속하여 강제로 회전시키고(S3), BLDC 모터의 고정자 권선으로부터 역기전력 검출이 가능한 속도까지 회전자의 회전속도가 도달하면 BLDC 모터에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 회전자 자계와 고정자 자계의 위상을 조절한 후 센서리스 운전모드로 전환하며(S5), BLDC 모터의 역기전력 정보로부터 간접 검출된 회전자 위치정보를 이용하여 상 전환 및 속도제어를 하여 BLDC 모터를 운전한다(S7).

그런데, 압축기 구동 직후의 회전자 위치는 압축기의 가스토크에 의해 결정되는데, 압축 구간에서는 가스토크가 높아서 회전자가 곧바로 정지하나 토출 구간에서는 가스토크가 낮아서 회전자가 곧바로 정지하지 않으므로 회전자의 위치를 전혀 예상할 수가 없다.

아울러, 압축기가 구동 후에 정지하게 되면 압축기 정지 바로 직전의 상태에 따라 압축 상태나 토출 상태를 유지하는데, 이 상태에서 강제 정렬 후에 재 기동하 게 되면, 압축기의 압축 구간에 회전자가 정렬된 상태이면 높은 기동토크가 요구되나 압축기의 토출 구간에 회전자가 강제 정렬된 상태이면 비교적 낮은 기동토크가 요구된다.

따라서, 압축기의 토출 구간에 회전자가 강제 정렬된 상태이면 비교적 낮은 기동토크가 요구되어 문제가 되지 않으나 압축기의 압축 구간에 회전자가 정렬된 상태일 때는 높은 기동토크가 요구되어 전류가 과도하게 소요됨은 물론이고 구동 회로 및 모터에 악영향을 주는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 압축기 구동용 모터의 초기 기동 시에 회전자의 위치를 강제 정렬할 때에 강제 정렬 후의 회전자 위치가 높은 기동토크 구간에 위치되지 않도록 함으로써, 비교적 낮은 기동토크가 요구되도록 하여 과도한 전류 소모를 방지함과 아울러 구동 회로 및 모터에 악영향을 주는 요소를 제거하여 구동 회로 및 모터를 보호하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 압축기 구동 모터의 기동제어 방법은, 압축기 구동 모터의 3상 중에서 전류 공급 후 상기 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치하는 상전환 패턴으로 3상에 전류를 공급하여 상기 모터의 회전자 위치를 강제로 1차 정렬하는 단계와, 상기 3상 중에서 전류 공급 후 상기 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치하는 상전환 패턴으로 2상에 전류를 공급하여 상기 회전자 위치를 강제로 2차 정렬하는 단계와, 상기 회전자의 정렬이 완료되면 상기 회전자를 일정속도까지 가속하여 강제로 회전시키는 단계와, 상기 모터의 고정자 권선으로부터 역기전력 검출이 가능한 속도까지 상기 회전자의 회전속도가 도달하면 센서리스 운전모드로 전환하는 단계와, 상기 모터의 역기전력 정보로부터 간접 검출된 회전자 위치정보를 이용하여 상 전환 및 속도제어를 하여 상기 모터를 센서리스 운전하는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명에 따른 압축기 구동 모터의 기동제어 방법을 수행할 수 있는 구동 장치의 블록 구성도이다.

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명을 위한 모터 구동 장치는, 상용교류전원이 입력되는 전원부(10)와, 전원부(10)로부터 입력되는 AC전원을 DC전원으로 변환하는 정류기(22)와 평활 콘덴서(24)를 포함하는 정류부(20)와, BLDC 모터(40)를 회전시키기 위해 다수의 파워 트랜지스터(Q1∼Q6)를 교번으로 턴온 또는 턴오프시켜 정류부(20)로부터 출력되는 DC전원을 3상(U, V, W) AC전원으로 변환하는 인버터(Inverter)부(30)와, BLDC 모터(40)의 역기전력을 감지하여 검출한 회전자 위치신호에 기초하여 BLDC 모터(40)의 회전 속도를 검출하는 속도 검출부(50)와, 정류부(30)와 인버터부(30) 사이의 전류를 검출하는 전류 검출부(60)와, 전류 검출부(60)에서 검출한 전류정보와 속도 검출부(50)에서 검출한 회전 속도를 이용하여 BLDC 모터(40)의 회전 속도를 제어하기 위한 제어신호를 제공하는 제어부(70)와, 제어부(70)의 제어신호에 따라 PWM 신호를 발생시켜 인버터부(30)내 파워 트랜지스터들을 턴온 또는 턴오프(스위칭)시키는 PWM 신호 발생부(80)를 포함하여 구성된다.

특히, 제어부(70)는 PWM 신호 발생부(80)를 통해 인버터부(30)의 스위칭 동작을 제어하여 BLDC 모터(40)의 회전 구동을 제어함에 있어서 도 4 또는 도 5의 흐름도와 같이, 회피 강제 정렬 단계(S100 또는 S110∼S130), 동기 가속 단계(S200), 운전모드 전환 단계(S300), 센서리스 운전 단계(S400)를 수행한다. 이러한 제어부(70)에 의한 회전 구동 제어 과정은 아래에서 다시 설명하기로 한다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이 압축기 구동 직후의 회전자 위치는 압축기의 가스토크에 의해 결정되며, 압축기가 구동 후에 정지하게 되면 압축기 정지 바로 직전의 상태에 따라 압축 상태나 토출 상태를 유지한다. 그리고 강제 정렬 후에 재 기동하게 되면, 압축기의 압축 구간에 회전자가 정렬된 상태이면 높은 기동토크가 요구되나 압축기의 토출 구간에 회전자가 강제 정렬된 상태이면 비교적 낮은 기동토크가 요구된다. 이러한 강제 정렬 특성에 대해 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3에서 압축기의 피스톤이 강제 정렬 후에 E지점에 위치한 경우에는 가장 낮은 기동토크가 요구되며, D-E 구간에서 C-D 구간, B-C 구간, A지점으로 갈수록 보다 높은 기동토크가 요구된다. A-B 구간의 경우에는 높은 기동토크가 요구되어 전류가 과도하게 소요됨은 물론이고 구동 회로 및 모터에 악영향을 주기에 강제 정렬 후에 압축기의 피스톤이 A-B 구간에 위치하지 않도록 제어하여야 한다. 여기서, A-B 구간을 최대 기동토크 구간이라 하고, B-D 구간을 중간 기동토크 구간이라 하며, D-E 구간을 최소 기동토크 구간이라 하면, 압축기의 피스톤이 A-B 구간에 위치하지 않도록 제어하여야 한다.

그런데, BLDC 모터(40)내 회전자의 강제 정렬 위치를 제어하는 관점에서는 A-B 구간과 D-E 구간은 동일한 위치 제어에 해당한다. 따라서, 본 발명에서는 강제 정렬 후에 압축기의 피스톤 위치가 B-D 구간, 즉 압축과 토출의 중간 구간에 위치하도록 제어하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압축기 구동 모터의 기동제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 4에 나타낸 본 발명의 기동제어 방법은, BLDC 모터의 3상 중에서 전류 공급 후 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치하는 상전환 패턴으로 2상에 전류를 공급하여 회전자 위치를 최대 기동토크 구간이 회피된 위치에 강제로 정렬하는 단계(S100)와, 회전자의 정렬이 완료되면 BLDC 모터에 인가되는 전압의 크기와 주파수를 가변하여 BLDC 모터의 회전자를 일정속도까지 가속하여 강제로 회전시키는 단계(S200), BLDC 모터의 고정자 권선으로부터 역기전력 검출이 가능한 속도까지 회전자의 회전속도가 도달하면 BLDC 모터에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 회전자 자계와 고정자 자계의 위상을 조절한 후 센서리스 운전모드로 전환하 는 단계(S300)와, BLDC 모터의 역기전력 정보로부터 간접 검출된 회전자 위치정보를 이용하여 상 전환 및 속도제어를 하여 BLDC 모터를 센서리스 운전하는 단계(S400)를 포함하여 구성된다.

이러한 본 발명의 제 1 실시 예에서 단계 S200 내지 단계 S400은 종래의 모터 운전 제어 과정과 동일하므로, 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치하도록 하여 회전자 위치가 최대 기동토크 구간이 회피된 위치로 강제 정렬하는 단계 S100에 대해 살펴본다.

BLDC 모터(40)의 3상에 전류를 공급할 때에 각 상에 흐르는 전류의 패턴은 U+V-, U+W-, V+W-, V+U-, W+U-, W+V-로 나타난다. 예를 들어 U+V-의 상전환 패턴은 U상으로부터 V상으로 전류가 흐르게 하는 것을 의미하고, U+W-의 상전환 패턴은 U상으로부터 W상으로 전류가 흐르게 하는 것을 의미한다.

BLDC 모터(40)의 3상에 흐르는 전류의 상전환 패턴과 압축기의 피스톤 위치는 BLDC 모터(40) 및 압축기의 결합 상태에 따라 변화되기에 상전환 패턴에 의한 회전자의 위치와 압축기의 피스톤 위치의 상관 관계가 특정되지는 않는다. 따라서 상전환 패턴을 변화시켜가면서 압축기의 피스톤 위치를 파악할 필요가 있으며, 강제 정렬 후에 압축기의 피스톤 위치가 B-D 구간, 즉 압축과 토출의 중간 구간에 위치할 때의 각 상에 흐르는 전류의 상전환 패턴을 검출한다. 예로서 U+V- 상전환 패턴, 즉 U상으로부터 V상으로 전류가 흐를 때에 압축기의 피스톤 위치가 B-D 구간에 위치하였다면 U+V- 상전환 패턴 정보를 제어부(70)에 설정한다.

그러면, 단계 S100에서 제어부(70)는 기 설정된 강제 정렬 상전환 패턴 정 보, 즉 U+V- 상전환 패턴 정보에 의거하여 U상으로부터 V상으로 전류가 흐르도록 제어신호를 출력하며, 해당 제어신호에 따라 PWM 신호 발생부(80)가 인버터부(30)내 파워 트랜지스터들을 턴온 또는 턴오프시켜서 회전자를 강제 정렬하며, 이로써 압축기의 피스톤 위치가 B-D 구간에 위치된다.

이후, 단계 S200에 의해 BLDC 모터(40)를 동기 가속 제어하여 강제로 회전시킬 때에 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치한 상태이므로 비교적 낮은 기동토크가 요구되어 전류가 과도하게 소모되지 않는다.

도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압축기 구동 모터의 기동제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 5에 나타낸 본 발명의 기동제어 방법은, BLDC 모터의 3상 중에서 전류 공급 후 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치하는 상전환 패턴으로 3상에 전류를 공급하여 회전자 위치를 최대 기동토크 구간이 회피된 위치에 강제로 1차 정렬하는 단계(S110)와, BLDC 모터의 3상 중에서 전류 공급 후 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치하는 상전환 패턴으로 2상에 전류를 공급하여 회전자 위치를 최대 기동토크 구간이 회피된 위치에 강제로 2차 정렬하는 단계(S130)와, 회전자의 1차 정렬 및 2차 정렬이 완료되면 BLDC 모터에 인가되는 전압의 크기와 주파수를 가변하여 BLDC 모터의 회전자를 일정속도까지 가속하여 강제로 회전시키는 단계(S200), BLDC 모터의 고정자 권선으로부터 역기전력 검출이 가능한 속도까지 회전자의 회전속도가 도달하면 BLDC 모터에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 회전자 자계와 고정자 자계의 위상을 조절한 후 센서리스 운전모드로 전환하는 단계(S300)와, BLDC 모터의 역기전력 정보로부터 간접 검출된 회전자 위치정보를 이용하여 상 전환 및 속도제어를 하여 BLDC 모터를 센서리스 운전하는 단계(S400)를 포함하여 구성된다.

이러한 본 발명의 제 2 실시 예에서 단계 S200 내지 단계 S400은 종래의 모터 운전 제어 과정과 동일하므로, 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치하도록 하여 회전자 위치가 최대 기동토크 구간이 회피된 위치로 강제 정렬하는 단계 S110 및 단계 S130에 대해 살펴본다.

전술한 본 발명의 제 1 실시 예에서처럼 강제 정렬 후에 압축기의 피스톤 위치가 B-D 구간, 즉 압축과 토출의 중간 구간에 위치할 때의 각 상에 흐르는 전류의 상전환 패턴이 U+V- 상전환 패턴, 즉 U상으로부터 V상으로 전류가 흐를 때에 압축기의 피스톤 위치가 B-D 구간에 위치하였다고 가정하면, 1차 강제 정렬을 위해 U+V-W- 상전환 패턴 정보를 제어부(70)에 설정하며, 2차 강제 정렬을 위해 U+V- 상전환 패턴 정보를 제어부(70)에 설정한다.

그러면, 단계 S110에서 제어부(70)는 기 설정된 1차 강제 정렬 상전환 패턴 정보, 즉 U+V-W- 상전환 패턴 정보에 의거하여 U상으로부터 V상 및 W상으로 전류가 흐르도록 제어신호를 출력하며, 해당 제어신호에 따라 PWM 신호 발생부(80)가 인버터부(30)내 파워 트랜지스터들을 턴온 또는 턴오프시켜서 회전자를 강제 정렬하며, 이로써 압축기의 피스톤 위치가 B-D 구간에 위치된다. 여기서 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 단계 S100과 제 2 실시 예에 따른 단계 S110을 비교하여 보면 W상에 추 가적으로 음(-)전위를 걸어주는 것을 알 수 있다. 이에 따라 단계 S100보다 단계 S110에서 더 빠른 속도로 회전자가 정렬된다.

다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예의 단계 S100과 같이 제어부(70)는 기 설정된 2차 강제 정렬 상전환 패턴 정보, 즉 U+V- 상전환 패턴 정보에 의거하여 U상으로부터 V상으로 전류가 흐르도록 제어신호를 출력하며, 해당 제어신호에 따라 PWM 신호 발생부(80)가 인버터부(30)내 파워 트랜지스터들을 턴온 또는 턴오프시켜서 회전자를 강제 정렬한다. 이와 같이 회전자를 다시 한번 강제 정렬하는 것은 1차 강제 정렬에 의해 미처 요망하는 위치에 회전자가 정렬되지 않았을 때를 보완하기 위한 것이다.

이후, 단계 S200에 의해 BLDC 모터(40)를 동기 가속 제어하여 강제로 회전시킬 때에 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치한 상태이므로 비교적 낮은 기동토크가 요구되어 전류가 과도하게 소모되지 않는다.

지금까지 본 발명의 일 실시 예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명은 압축기 구동용 모터의 초기 기동 시에 회전자의 위치를 강제 정렬할 때에 강제 정렬 후의 회전자 위치가 높은 기동토크 구간에 위치되지 않도록 한다.

이로써, 모터의 구동 시에 비교적 낮은 기동토크가 요구되어 과도한 전류 소모를 방지함과 아울러 구동 회로 및 모터에 악영향을 주는 요소를 제거하여 구동 회로 및 모터를 보호하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 삭제
3. 압축기 구동 모터의 3상 중에서 전류 공급 후 상기 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치하는 상전환 패턴으로 3상에 전류를 공급하여 상기 모터의 회전자 위치를 강제로 1차 정렬하는 단계와,

   상기 3상 중에서 전류 공급 후 상기 압축기의 피스톤이 압축과 토출의 중간 구간에 위치하는 상전환 패턴으로 2상에 전류를 공급하여 상기 회전자 위치를 강제로 2차 정렬하는 단계와,

   상기 회전자의 정렬이 완료되면 상기 회전자를 일정속도까지 가속하여 강제로 회전시키는 단계와,

   상기 모터의 고정자 권선으로부터 역기전력 검출이 가능한 속도까지 상기 회전자의 회전속도가 도달하면 센서리스 운전모드로 전환하는 단계와,

   상기 모터의 역기전력 정보로부터 간접 검출된 회전자 위치정보를 이용하여 상 전환 및 속도제어를 하여 상기 모터를 센서리스 운전하는 단계

   를 포함하는 압축기 구동 모터의 기동제어 방법.

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