KR101528473B1 - 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치 및 방법 - Google Patents

리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기의 센서리스 제어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에 위상 제어부를 추가함으로써 스트로크의 과도특성을 더욱 향상시키는 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치는 리니어 압축기의 센서리스 제어 장치에 있어서, 리니어 압축기 모델링부, 피스톤 위치 추정부, 피스톤 진폭 추정부, 전류 제어부, 피스톤 진폭 제어부 및 위상 제어부를 포함한다.

Description

리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING STROKE PHASE OF LINEAR COMPRESSOR}
본 발명은 리니어 압축기의 센서리스 제어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에 위상 제어부를 추가함으로써 스트로크의 과도특성을 더욱 향상시키는 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 교육부 및 한국연구재단의 일반연구자지원의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 9991002083, 과제명: 리니어컴프레서의 동적성능 및 운전효율 향상에 관한 연구].
환경보호에 대한 인식이 날로 확대됨에 따라 유럽을 중심으로 전 세계적으로 환경 파괴에 대한 규제가 나날이 가속화되고 에너지 소비에 대한 규제가 강화되고 있다. 이에 따라 가정에서 사용되는 가전제품 중 가장 에너지 소비가 큰 냉장고와 에어컨이 주요 이슈가 되고 있다.
이런 흐름에 맞춰 공조·냉동기기 제조업체에서는 압축기의 효율을 높이기 위해 기술 연구개발에 많은 노력을 하고 있으며, 기존 왕복동식 압축기의 경우에는 구조적 문제로 인하여 압축기 효율(EER: Energy Efficiency Ratio) 6.0이 한계점으로 예측되고 있다. 이에 EER 6.0이상의 고효율 압축기 개발을 목표로 새로운 매카니즘에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이러한 연구 중에서 리니어 압축기는 기존의 압축기와는 달리 완전히 새로운 개념의 압축기로서, 기존의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 등장했다. 리니어 압축기는 기존의 왕복동식 압축기 대비 약 24% 이상의 전기 소비량 절감 효과가 있는 것으로 예측되고 있으며, 이밖에 리니어 압축기와 기존의 왕복동식 압축기의 차이를 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 왕복동식 압축기 및 리니어 압축기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 도 1(a)는 기본의 왕복동식 압축기의 구조를 나타낸 도면이고, 도 1(b)는 리니어 압축기의 구조를 나타낸 도면이다.
기존의 왕복동식 압축기(도 1(a))는 크랭크축(CRANKSHAFT) 등의 기구학적 요소를 이용하여 회전하는 로터리 모터의 운동을 직선 운동으로 바꾸는 반면, 리니어 압축기(도 1(b))는 회전이 없는 리니어 모터(LINEAR MOTOR)를 이용함으로써, 운동 변환에 따른 베어링부 및 슬라이딩부의 마찰 저항이 왕복동식 압축기에 비해 대폭 줄었으며, 기존 크랭크축에 의해 발생되는 측면하중이 없어졌다.
즉, 리니어 압축기는 피스톤(PISTON)이 리니어 모터에 의해 직접 구동되는 피스톤 타입의 압축기로서, 리니어 압축기에서 구동되는 모든 힘이 직선운동방향으로 가해진다. 따라서, 리니어 압축기는 측면방향의 미는 힘이 발생하지 않으므로, 왕복동식 압축기에 비해 마찰손실이 줄어드는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해 리니어 모터는 오일 없는 압축기로도 많이 개발되고 있다.
또한, 리니어 압축기는 소위 프리 피스톤(Free Piston) 구조를 채택하고 있다. 즉, 기존 왕복동식 압축기는 피스톤이 커넥팅 로드(Connecting Rod)에 의해 구속되어 일정한 스트로크(행정거리)를 실린더 내에서 왕복 운동하고 있는 반면, 리니어 압축기는 피스톤이 어느 한 곳에 구속됨 없이 단지 공진 스프링에 의해 지지되어 있기 때문에 스트로크(행정거리)의 조절이 가능하다. 따라서, 리니어 압축기의 스트로크는 시스템상의 부하나 주위온도에 따라 자유로운 조절이 가능하므로, 리니어 압축기를 냉장고에 적용하게 되면 소비전력 저감에 큰 효과를 볼 수 있다.
또한, 리니어 압축기는 기존 왕복동식 압축기에 비하여 소음이 현저히 유리한 특징이 있다. 즉, 리니어 압축기는 전체적으로 노이즈 레벨이 낮을 뿐만 아니라 일명 "소프트 스타트 & 소프트 스톱" 이라는 기동방식(처음 기동할 때 정지시로부터 스트로크가 점차적으로 증가되는 현상)을 이용하므로, 압축기가 기동할 때 또는 정지할 때 발생되는 이상 소음이 기존 왕복동식 압축기 대비 상대적으로 작은 특징이 있다.
이하에서는 도면을 참조하여, 리니어 압축기에 대해 더 자세히 설명하기로 한다.
도 2는 리니어 압축기의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하여 리니어 압축기의 동작 원리를 간단히 살펴보면, 리니어 압축기는 크게 모터부, 기구부, 스프링부, 냉매 흡토출부, 오일 공급부, 구동 제어부로 이루어져 있으며, 외측 고정자(10)에는 코일(11)이 부착되어 있고, 코일(11)에 흐르는 교류 전류에 의한 교번 자기장 및 마그네트(12)에 의한 자기장에 의하여 마그네트(12)를 진동시키는 힘이 발생한다. 이때, 마그네트(12)를 진동시키는 진동력이 내측 고정자(13) 안쪽에 위치한 실린더(14) 속의 피스톤(17)을 가진하게 되면, 피스톤(17)과 공진 스프링(18)으로 구성된 1자유도계 진동 시스템의 공진이 발생한다. 그리고, 상기 공진에 의하여 피스톤(17)의 진동 진폭이 커짐에 따라 피스톤(17)의 진동이 주기적으로 냉매를 압축/팽창 시킨다. 또한, 토출 밸브(15)와 흡입 밸브(16)에 의해 압축된 냉매가 토출 파이프를 통하여 압축기 외부로 토출된다.
한편, 도 3은 리니어 모터의 동작 원리를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 리니어 압축기는 모터부의 권선된 코일(11)에 교류 전원이 인가될 때 전류의 방향이 교번되면서 흐르게 되고, 외측 고정자(10) 및 내측 고정자(13)를 이루는 철심에 플럭스(flux)가 전류의 방향에 따라 교번되게 되면서 N극 S극이 고정자의 양측에 각각 교대로 형성된다.
이때 가동자에 고정되어 있는 마그네트(12)는 외측 고정자측(10)과 내측 고정자측(13)에 대하여 각각 S극, N극으로(이와 반대로 N극, S극으로도 형성하여도 무방) 형성되어 있다.
가동자는 전류가 [가] 방향으로 흐르면 왼쪽으로 이동하고, 전류가 [나] 방향으로 흐르면 오른쪽으로 이동한다. 즉, 도 4의 ⓐ에서 교류전류의 크기가 증가하면 반시계 방향의 자계가 커지고, 이에 따라 마그네트(12)가 왼쪽으로 밀리게 된다. 그리고, 교류전류가 줄어 0에 이르게 되면, 도 4의 ⓑ와 같이 마그네트(12)가 가장 왼쪽편에 치우치게 된다. 그리고, 시간이 지나 교류전류가 반대방향으로 흐르게 되면, 도4의 ⓒ처럼 자계의 방향이 바뀌어 시계방향으로 발생하게 된다. 이에 따라, 마그네트(12)는 오른쪽으로 힘을 받게 되며, 결국 도 4의 ⓓ와 같이 마그네트(12)가 가장 오른편에 치우치게 된다.
마그네트(12)는 교류전류가 60Hz인 경우 1초에 60번 좌우로 진동하며, 교류전류의 주파수를 60Hz로 일정하게 유지하면서 진폭을 키우면, 마그네트(12)의 좌우 진동폭, 즉 스트로크(Stroke)가 커지게 된다. 이처럼 단위시간 동안 마그네트(12)의 스트로크가 커지게 되면, 마그네트(12)에 연결된 피스톤(17)의 직선방향의 속도(linear speed)가 커져 리니어 압축기의 냉매 유량(flow rate)이 증가되고, 그 결과 더 큰 냉각효과를 얻을 수 있게 된다.
한편, 기존의 왕복동식 압축기는 모터의 회전운동을 직선운동으로 바꾸기 위하여 크랭크축을 이용한다. 이로 인해 왕복동식 압축기는 에너지효율은 떨어지지만, 피스톤이 크랭크축에 구속되어 있으므로 실린더의 상단과 하단을 벗어남이 없이 안전한 동작을 유지한다. 반면, 리니어 압축기는 기구적으로 구속되어 있지 않기 때문에 피스톤이 일정한 영역 내에서 안전하게 진동하고 실린더 헤드를 때리지 않게 하기 위해서는 피스톤의 스트로크를 정확히 제어할 필요가 있으며, 또한, 냉각을 위한 냉매의 유량 조절을 위해서도 피스톤의 정확한 스트로크 제어가 필요하다. 상기 피스톤의 정확한 스트로크 제어를 위해서는 피스톤의 위치를 정확히 파악하는 기술이 요구된다.
이에 따라, 한국등록특허 제0311417호 "LVDT를 이용한 리니어 압축기의 피스톤 위치 검출회로"는 입력되는 DC전압의 극성을 바꾸어 출력하는 역극성 보호회로부와, 상기 역극성 보호회로부로부터 DC전압 입력시 발진하여 싸인파를 발생시키는 싸인파 발진기와, 상기 싸인파 발진기에서 발생된 싸인파 공급시 피스톤에 연결된 코어의 움직임을 감지하고, 그 감지한 움직임에 대응하는 출력전압을 검출하는 LVDT와, 상기 LVDT에서 검출되는 출력전압을 일정크기로 증폭시키고, 필터링하여 출력하는 증폭 및 필터부를 포함하는 구성을 제시한다.
상기 선행기술은 리니어 압축기 내에 LVDT를 설치하여 피스톤과 연결된 코어가 움직일 때 설치 된 센서부의 출력전압을 코일부가 감지함으로써, 피스톤의 위치를 0.1mm의 정밀도로 검출할 수 있는 장점이 있지만, 상기 선행기술이 이용하고 있는 LVDT 등과 같은 위치센서들은 가격이 낮지 않을 뿐만 아니라 장착이 쉽지 않고, 장착 시 압축기의 용기 밖으로 몇 가닥의 선이 나와야 하는 문제가 있었다.
한국등록특허 제0311417호 (등록일: 2011.09.25)
본 발명은 리니어 압축기의 운용 효율을 향상시키려는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에 위상 제어부를 추가함으로써 스트로크의 과도특성을 더욱 향상시키려는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 냉장고 및 에어컨과 같은 냉동가전기기뿐만 아니라, 산업계 전반에 확대 응용됨에 따라 범 국가적인 에너지 절감 및 제품 성능향상에 이바지하려는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치는 리니어 압축기의 센서리스 제어 장치에 있어서, 리니어 압축기 모델링부, 피스톤 위치 추정부, 피스톤 진폭 추정부, 전류 제어부, 피스톤 진폭 제어부 및 위상 제어부를 포함한다.
상기 리니어 압축기 모델링부는 상기 리니어 압축기의 기계방정식과 상기 리니어 압축기의 전기방정식을 s-domain으로 모델링한다. 상기 피스톤 위치 추정부는 전압센서로부터 측정된 상기 리니어 압축기의 입력전압값 및 전류센서로부터 측정된 상기 리니어 압축기에 흐르는 전류값을 이용하여 피스톤의 위치를 추정한다. 상기 피스톤 진폭 추정부는 위상지연필터를 이용하여 상기 피스톤의 진폭을 추정한다. 상기 전류 제어부 및 상기 피스톤 진폭 제어부는 스트로크의 입출력 동특성 향상을 위하여 포함된다. 상기 위상 제어부는 상기 위상지연필터를 기반으로 추정된 상기 리니어 압축기에 흐르는 전류의 위상과 상기 위상지연필터를 기반으로 추정된 상기 스트로크의 위상 간에 위상차를 이용하여 상기 스트로크의 입출력 동특성을 향상시키는 상기 스트로크의 위상제어 값을 연산하며, 상기 위상 제어부는 상기 위상차를 이용하여 연산된 상기 스트로크의 위상제어 값을 상기 피스톤 진폭 제어부의 출력값에 더함으로써 상기 스트로크의 과도특성을 향상시킨다.
또한, 상기 위상 제어부는 상기 위상지연필터를 이용하여 상기 전류의 위상 추정치 및 상기 스트로크의 위상 추정치를 각각 연산하고, sin함수를 이용하여 상기 연산된 상기 전류의 위상 추정치와 상기 연산된 상기 스트로크의 위상 추정치 간에 위상차를 연산할 수 있으며, 상기 연산된 위상차에 비례상수를 곱함으로써 상기 위상제어 값을 연산할 수 있으며, 상기 피스톤 위치 추정부는 상기 리니어 압축기의 상기 전기방정식을 기반으로 적분함으로써 아날로그 방식 또는 디지털 방식으로 상기 피스톤의 위치를 추정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 방법은 리니어 압축기의 센서리스 제어 방법에 있어서, 리니어 압축기 모델링 단계, 피스톤 위치 추정 단계, 피스톤 진폭 추정 단계 및 위상 제어 단계를 포함한다.
상기 리니어 압축기 모델링 단계는 상기 리니어 압축기의 기계방정식과 상기 리니어 압축기의 전기방정식을 s-domain으로 모델링한다. 상기 피스톤 위치 추정 단계는 전압센서로부터 측정된 상기 리니어 압축기의 입력전압값 및 전류센서로부터 측정된 상기 리니어 압축기에 흐르는 전류값을 이용하여 피스톤의 위치를 추정한다. 상기 피스톤 진폭 추정 단계는 위상지연필터를 이용하여 상기 피스톤의 진폭을 추정한다. 상기 위상 제어 단계는 상기 위상지연필터를 기반으로 추정된 상기 리니어 압축기에 흐르는 전류의 위상과 상기 위상지연필터를 기반으로 추정된 상기 스트로크의 위상 간에 위상차를 이용하여 상기 스트로크의 입출력 동특성을 향상시키는 상기 스트로크의 위상제어 값을 연산하며, 상기 위상 제어 단계는 상기 위상차를 이용하여 연산된 상기 스트로크의 위상제어 값을 상기 피스톤 진폭 제어 단계의 출력값에 더함으로써 상기 스트로크의 과도특성을 향상시킨다.
또한, 상기 위상 제어 단계는 상기 위상지연필터를 이용하여 상기 전류의 위상 추정치 및 상기 스트로크의 위상 추정치를 각각 연산하고, sin함수를 이용하여 상기 연산된 상기 전류의 위상 추정치와 상기 연산된 상기 스트로크의 위상 추정치 간에 위상차를 연산하고, 상기 연산된 위상차에 비례상수를 곱함으로써 상기 위상제어 값을 연산할 수 있으며, 상기 피스톤 위치 추정 단계는 상기 리니어 압축기의 상기 전기방정식을 기반으로 적분함으로써 아날로그 방식 또는 디지털 방식으로 상기 피스톤의 위치를 추정할 수 있다.
본 발명은 리니어 압축기의 운용 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에 위상 제어부를 추가함으로써 스트로크의 과도특성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에 전류 제어부를 추가함으로써 스트로크 과도특성을 개선시키고, 위상 제어부를 추가함으로써 스트로크의 입출력 동특성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 전류 위상과 스트로크위 위상의 위상차에 비례한 값을 피스톤 진폭 제어부의 출력에 합함으로써 스트로크의 과도특성이 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 위상 제어부를 이용하여 리니어 압축기의 스트로크를 제어하므로, 위상제어 없이 스트로크를 제어하는 경우보다 스트로크의 입출력 동특성이 향상되고, 외란에 대해 훨씬 빨리 복귀되는 효과가 있다.
본 발명은 냉장고 및 에어컨과 같은 냉동가전기기뿐만 아니라, 산업계 전반에 확대 응용됨에 따라 범 국가적인 에너지 절감 및 제품 성능향상에 이바지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 왕복동식 압축기 및 리니어 압축기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 리니어 압축기의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 리니어 모터의 동작 원리를 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치를 s-domain으로 표현한 도면이다.
도 5는 리니어 모터의 전기회로 등가모델을 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 리니어 압축기의 스트로크 제어 장치에 관한 개략적인 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치에 관한 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트로크 진폭 명령치와 실제 스트로크의 진폭 추정치의 응답 그래프를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 모의실험 결과 그래프를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상제어 유무에 따른 스트로크 응답 그래프를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 구체적인 수치는 실시예에 불과하다.
본 발명은 리니어 압축기의 센서리스 제어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에 위상 제어부를 추가함으로써 스트로크의 과도특성을 더욱 향상시키는 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
우선, 본 발명의 기반이 되는 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에 관하여 설명한다.
도 6은 종래의 리니어 압축기의 스트로크 제어 장치에 관한 개략적인 블록도이다.
도 6을 참조하면, 종래의 리니어 압축기의 스트로크 제어 장치는 리니어 압축기(COMP)를 구동시키기 위한 전압을 공급하는 전압 제어부(20)와, 전압 제어부(20)와 리니어 압축기 사이에 연결된 콘덴서(21)와, 리니어 압축기의 입력전압을 검출하는 전압센서(22)와, 리니어 압축기에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서(23)와, 전압센서(22)에서 출력되는 전압과 전류센서(23)에서 출력되는 전류를 각각 입력받아 스트로크를 계산하고, 상기 계산된 스트로크와 제어목표 스트로크를 비교한 후 제어하고자 하는 스트로크를 제어하는 마이크로 컴퓨터(24)와, 마이크로 컴퓨터(24)에서 결정한 스트로크에 따라 리니어 압축기를 구동하는 구동 전압값을 전압 제어부(20)로 출력하는 구동부(25)로 구성된다.
한편, 도 4는 종래의 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치를 s-domain으로 표현한 도면이다.
도 4를 참조하면, 종래의 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치는 크게 리니어 압축기 모델링부(30), 피스톤 위치 추정부(31), 피스톤 진폭 추정부(32), 전류 제어부(33) 및 피스톤 진폭 제어부(34)로 구성된다.
리니어 압축기 모델링부(30)는 식 1로 표현되는 리니어 압축기의 기계방정식과 식 2로 표현되는 리니어 압축기의 전기방정식을 s-domain으로 모델링한다.
더 자세히 말하자면, 리니어 압축기 내에 있는 리니어 모터의 기계방정식은 식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure 112014033619113-pat00001
이 때, M은 피스톤과 무빙코일의 등가질량, C는 점성댐핑계수, K는 스프링상수, α는 리니어 모터의 추력상수, Ap는 피스톤의 단면적, x(t)는 리니어 모터의 변위, i(t)는 리니어 압축기의 권선에 흐르는 전류, ΔP(t)는 리니어 압축기의 챔버와 피스톤 후면의 압력 차를 의미한다.
한편, 리니어 압축기의 전기방정식은 도 5로부터 도출될 수 있다.
도 5는 리니어 모터의 전기회로 등가모델을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 리니어 압축기 내에 있는 리니어 모터의 전기방정식은 식 2와 같이 선형 미분방정식으로 나타낼 수 있다. 또한 리니어 모터의 추력 Fe는 식 3과 같이 선형식으로 나타낼 수 있다.
[식 2]
Figure 112014033619113-pat00002
[식 3]
Figure 112014033619113-pat00003
이때, 식 2에서 Le는 코일(11)의 유효인덕턴스, Re는 유효저항, v(t)는 리니어 압축기의 전원전압(또는 입력전압)을 의미하며,
Figure 112014033619113-pat00004
는 마그네트(12)의 운동에 의하여 권선코일(11)에 발생하는 역기전력을 의미한다.
따라서, 식 1로 표현되는 리니어 압축기의 기계방정식과 식 2로 표현되는 리니어 압축기의 전기방정식을 s-domain으로 모델링하면 도 4의 (30)과 같이 표현할 수 있으며, 이는 리니어 압축기 모델링부(30)에서 모델링이 이루어진다.
피스톤 위치 추정부(31)는 전압센서(22)로부터 측정된 리니어 압축기의 입력 전압값과 전류센서(23)로부터 측정된 리니어 압축기의 권선에 흐르는 전류값을 이용하여 피스톤의 위치를 추정한다. 이때, 피스톤의 위치는 식 5의 아나로그 방식이나 식 6의 디지털 방식으로 구현함으로써 추정할 수 있다.
더 자세히 말하자면, 리니어 압축기는 기구적으로 구속되어 있지 않기 때문에 피스톤이 일정한 영역 내에서 안전하게 진동하고 실린더 헤드를 때리지 않게 하기 위해서는 피스톤의 스트로크를 정확히 제어할 필요가 있다. 또한, 냉각을 위한 냉매의 유량 조절을 위해서도 피스톤의 정확한 스트로크 제어가 필요하다. 따라서, 이를 위해서는 피스톤의 정확한 위치 정보가 필요하며, 이하에서는 피스톤의 위치를 간접적으로 추정할 수 있는 한 가지 방법을 보여준다.
리니어 모터의 전기방정식을 나타내는 식 2를 x(t)에 관하여 정리하면 식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[식 4]
Figure 112014033619113-pat00005
그리고 피스톤의 위치 추정값
Figure 112014033619113-pat00006
는 식 4를 적분함으로써 구할 수 있으며, 이는 식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[식 5]
Figure 112014033619113-pat00007
따라서, 식 5를 이용하면 피스톤의 위치를 간접적으로 추정할 수 있다. 이때, 식 5는 아날로그 방식으로 피스톤의 위치를 추정할 때 이용될 수 있으며, 반면, 식 6은 디지털 방식으로 피스톤의 위치를 추정할 때 이용될 수 있다.
[식 6]
Figure 112014033619113-pat00008
이때, T는 샘플링 주기를 의미한다.
한편, 기존 왕복동식 압축기는 피스톤이 크랭크 축(CRANKSHAFT)에 의해 구속되어 일정한 스트로크(행정거리)를 실린더 내에서 왕복 운동하고 있는 반면, 리니어 압축기에서의 피스톤(17)은 어느 한 곳에 구속됨 없이 단지 공진 스프링(18)에 의해 지지되어 있기 때문에 스트로크의 조절이 가능하다. 그래서 리니어 압축기는 시스템상의 부하나 주위온도에 따라 스트로크 조절이 자유롭기 때문에, 냉장고에 적용 시 소비전력 저감에 큰 효과를 나타낸다. 이때, 리니어 압축기가 적용된 냉장고나 에어컨의 냉각능력을 제어하기 위해서는 단위시간 동안 피스톤(17)이 움직인 거리, 즉 피스톤(17)의 속도를 제어해야 하며, 이는 리니어 모터의 주파수나 스트로크를 조정함으로써 가능하다. 대부분의 경우는 주파수를 고정(예를 들어 60Hz)하고 스트로크를 변화시키는 것이 일반적이다.
만약, 리니어 모터의 피스톤 위치가 식 7과 같이 표현된다면, 스트로크는 2Xm이 된다. 즉, 피스톤의 스트로크를 제어하는 것은 Xm(진폭)의 크기를 제어하는 것과 마찬가지이며, 이를 위해서는 식 7에 표현된 피스톤의 위치 파형으로부터 Xm을 추정해야 함을 의미한다.
[식 7]
Figure 112014033619113-pat00009
이하에서는 피스톤의 진폭을 추정하는 방법으로 위상지연필터를 이용하는 방법을 기술한다.
피스톤 진폭 추정부(32)는 위상지연필터를 이용하여 피스톤의 진폭을 추정하며, 이때 위상지연필터는 식 8과 같이 표현될 수 있다.
[식 8]
Figure 112014033619113-pat00010
이때,
Figure 112014033619113-pat00011
=1이면, 식 9 및 식 10이 성립한다.
[식 9]
Figure 112014033619113-pat00012
[식 10]
Figure 112014033619113-pat00013
즉,
Figure 112014033619113-pat00014
=1이면, 식 8은 90°(
Figure 112014033619113-pat00015
라디안) 위상지연 필터 기능을 한다.
그리고, 식 7의 x(t)가 90° 위상지연필터를 통과한 것을 xd(t)라고 한다면, xd(t)는 식 11과 같이 나타낼 수 있다.
[식 11]
Figure 112014033619113-pat00016
따라서, 식 7 및 식 11을 이용하여 식 12를 도출할 수 있으며, 식 12를 이용하면 피스톤의 진폭을 추정할 수 있다.
[식 12]
Figure 112014033619113-pat00017
도 4에서 전류 제어부(33)와 피스톤 진폭 제어부(34)는 스트로크의 입출력 동특성 향상을 위하여 구비된 것이며, D(s)는 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치의 동적 성능을 분석하기 위해 외부에서 가해주는 외란(disturbance) 입력을 의미한다.
한편, 본 발명은 상기에 기술한 종래의 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에 위상 제어부를 추가함으로써 스트로크의 과도특성을 더욱 향상시키려는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 도 4를 통해 기술된 종래의 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에 스트로크 입력 및 외란 입력에 대한 속응도를 높이기 위하여, 즉, 스트로크의 입출력 동특성을 더욱 향상시키기 위하여 도 7과 같이 위상 제어부(40)를 추가로 삽입하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치에 관한 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치(700)는 종래의 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에서 스트로크의 입출력 동특성을 더욱 향상시키기 위하여 위상 제어부(40)를 추가로 삽입한 구성일 수 있다.
위상 제어부(40)는 위상지연필터를 기반으로 추정된 리니어 압축기에 흐르는 전류의 위상 및 위상지연필터를 기반으로 추정된 스트로크의 위상 간에 위상차를 이용하여 스트로크의 입출력 동특성을 향상시키는 스트로크의 위상제어 값을 연산하며, 상기 위상차를 이용하여 연산된 상기 스트로크의 위상제어 값을 피스톤 진폭 제어부(34)의 출력값에 더함으로써 스트로크의 과도특성을 향상시킨다.
더 자세히 말하자면, 본 발명에서는 스트로크의 과도특성을 향상시키기 위하여, 전류의 위상을 추정하는 전류 위상 추정기 및 스트로크의 위상을 추정하는 스트로크 위상 추정기가 구현될 수 있으며, 상기 전류 위상 추정기는 식 13과 같이 표현될 수 있고, 상기 스트로크 위상 추정기는 식 14와 같이 표현될 수 있다. 이때, 식 13 및 식 14는 위상지연필터를 표현한 식 8을 이용하여 도출될 수 있다.
[식 13]
Figure 112014033619113-pat00018
[식 14]
Figure 112014033619113-pat00019
이때,
Figure 112014033619113-pat00020
는 리니어 압축기의 권선에 흐르는 전류의 위상 추정치를 나타내고, id는 위상지연필터(식 8)를 이용하여 위상이 90°지연된 전류값을 나타내며, i는 측정된 전류값을 나타낸다.
또한,
Figure 112014033619113-pat00021
는 스트로크의 위상 추정치를 나타내고,
Figure 112014033619113-pat00022
는 위상지연필터(식 8)를 이용하여 위상이 90°지연된 추정된 스트로크 값을 나타내며,
Figure 112014033619113-pat00023
는 추정된 스트로크 값을 나타낸다.
이때, 전류의 위상과 스트로크의 위상 간에 위상차는 180°이내에서 변화하므로 제 2상한에 존재하게 된다. 그러므로, sin함수를 이용하여 전류의 위상 추정치에서 스트로크의 위상 추정치를 빼준 위상차는 마이너스(-) 값을 갖게 되며, 이는 식 15와 같이 위상차를 플러스(+) 값으로 변환하여 표시할 수 있다.
[식 15]
Figure 112014033619113-pat00024
이때, Ø는 전류의 위상 추정치와 스트로크의 위상 추정치 간에 위상차를 나타낸다.
그리고, 위상 제어부(40)는 식 15에서 구한 위상차의 변환치 값(즉, 플러스 값으로 변환한 위상차(-sin(Ø)))에 비례 계수 kph값을 곱함으로써 구현될 수 있다. 따라서 위상 제어부(40)의 출력값은 위상차의 변환치 값에 비례 계수값을 곱한 값이며, 이는 스트로크의 입출력 동특성을 향상시키는 스트로크의 위상제어 값이라 할 수 있다.
본 발명은 위상 제어부(40)를 통해 연산된 스트로크의 위상제어 값을 피스톤 진폭 제어부(34)의 출력값에 더함으로써, 종래의 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치 보다 스트로크의 과도특성이 더욱 향상되고, 또한, 외란 입력에 대해 훨씬 빨리 복귀될 수 있는 특성이 있다.
이하에서는 본 발명의 효과를 입증하고자 실시한 모의실험에 대한 결과를 기술한다.
도 7과 같은 구성에서, 스트로크 위상 제어 장치에 사용된 비례계수는 kps=52이고, 적분계수는 kIs=57.3이다. 전류 제어기에 사용된 비례계수는 kpI=13.1이고, 적분계수는 kII=18.5이다. 그리고 M=0.186kg, C=5[Ns/m], K=62,500[N/m], a=60[Vs/m], Le=0.11[H], Re=3.4[Ω]의 매개변수를 갖는 리니어 압축기에 대하여, t=0에서
Figure 112014033619113-pat00025
=0.01[m]을 스텝 입력하고, t=0.5[sec]에서 외란 입력 D(s)=25[V]를 스텝 입력하고, t=1[sec]에서
Figure 112014033619113-pat00026
=0.01[m]에서
Figure 112014033619113-pat00027
=0.03[m]로 변경하고, t=1.5[sec]에서 외란 입력 D(s)=-25[V]를 스텝 입력하였고, 마지막으로 t=2[sec]에서
Figure 112014033619113-pat00028
=0.03[m]에서
Figure 112014033619113-pat00029
=0.02[m]로 변경하였을 때의 모의실험을 수행하였다. 이에 대한 결과 그래프는 도 8 및 도 9와 같다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트로크 진폭 명령치와 실제 스트로크의 진폭 추정치의 응답 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8의 그래프를 참조하면, 스트로크가 약 0.03초에서 정상상태에 도달하고 있음을 알 수 있다. 그리고 0.5초에서 외란 인가 시 약 0.07초 이후에 정상 상태에 도달하며, 명령치를 잘 추종하고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 1초에서 명령치를 0.01[m]에서 0.03[m]로 변경하였을 경우에도 명령치를 정확하게 추종하고 있음을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 모의실험 결과 그래프를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 9(a)는 초기 스타트 시점 근처에서 전류의 위상을 보여주고, 도 9(b)는 초기 스타트 시점 근처에서 스트로크의 위상을 보여준다. 도9(c)는 전류의 파형을 보여준다. 도 9(d)는 피스톤 위치 추정부(31)의 출력 파형을 보여주며, 이를 통해 정상 상태의 오차가 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상제어 유무에 따른 스트로크 응답 그래프를 나타낸 도면이다.
도 10은 위상 제어부(40)의 성능을 보다 명확히 알아보기 위하여, 도 7에서 전류 제어부(33)를 제거한 상태에서 위상 제어부(40)가 없는 경우(도 10(a))와 위상 제어부(40)가 있는 경우(도 10(b))의 모의실험 결과를 보여준다. 즉, 위상제어를 하여 스트로크를 제어하는 경우(도 10(b))가 위상제어 없이 스트로크를 제어하는 경우(도 10(a)) 보다 외란에 대해 훨씬 빨리 복귀됨을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치(700)의 실현 가능성을 보이기 위하여 모의실험을 수행한 결과, 위상 제어부(40)를 통하여 스트로크를 제어하는 경우가 위상 제어부(40) 없이 스트로크를 제어하는 경우보다 초기 응답특성이 향상되고, 정상상태의 오차가 적어지는 성능의 향상을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명은 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치에 전류 제어부(33)를 추가함으로써 스트로크 과도특성을 개선시키고, 위상 제어부(40)를 추가함으로써 스트로크의 입출력 동특성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 본 발명의 기술이 실제 냉장고나 에어컨에 적용된 리니어 압축기에 적용 가능함을 확인하였으며, 본 발명의 기술이 냉장고 및 에어컨과 같은 냉동가전기기뿐만 아니라 산업계 전반에 확대 응용됨에 따라, 범 국가적인 에너지 절감 및 제품 성능향상에 이바지할 수 있는 효과가 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 방법의 흐름도이다.
이하 흐름도는 상기에 자세히 기술한 내용을 기반으로 간단히 설명하기로 한다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 방법은 리니어 압축기 모델링부(30)가 리니어 압축기의 기계방정식과 리니어 압축기의 전기방정식을 s-domain으로 모델링한다(S1100). 이는 식 1 내지 식 3을 통하여 모델링 할 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 상기의 설명을 참조하기로 한다.
다음으로, 피스톤 위치 추정부(31)는 전압센서로부터 측정된 입력전압값 및 전류센서로부터 측정된 전류값을 이용하여 피스톤의 위치를 추정한다(S1200). 이때, 피스톤의 위치는 식 5의 아나로그 방식이나 식 6의 디지털 방식으로 구현함으로써 추정할 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 상기의 설명을 참조하기로 한다.
다음으로, 피스톤 진폭 추정부(32)는 식 8의 위상지연필터를 이용하여 피스톤의 진폭을 추정한다(S1300). 이때, 피스톤 진폭 추정부(32)는 식 7 내지 식 12를 통하여 피스톤의 진폭을 추정할 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 상기의 설명을 참조하기로 한다.
다음으로, 위상 제어부(40)는 위상지연필터를 기반으로 추정된 전류의 위상과 위상지연필터를 기반으로 추정된 스트로크의 위상 간에 위상차를 이용하여 스트로크의 입출력 동특성을 향상시키는 스트로크의 위상제어 값을 연산한다(S1400). 이때, 위상 제어부(40)는 식 13 내지 식 15를 통하여 스트로크의 위상제어 값을 연산할 수 있으며, 이때, 스트로크의 위상제어 값은 위상차의 변환치 값에 비례 계수값을 곱한 값을 말하며, 이에 대한 자세한 설명은 상기의 설명을 참조하기로 한다.
다음으로, 위상 제어부(40)는 단계 S1400에서 연산된 스트로크의 위상제어 값을 피스톤 진폭 제어부의 출력값에 더함으로써 스트로크의 과도특성을 향상시킬 수 있다(S1500).
따라서, 본 발명은 종래의 리니어 압축기의 폐루우프 스트로크 제어 장치 보다 스트로크의 과도특성이 더욱 향상되고, 또한, 외란 입력에 대해 훨씬 빨리 복귀될 수 있는 특성이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
700: 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치
30: 리니어 압축기 모델링부 31: 피스톤 위치 추정부
32: 피스톤 진폭 추정부 33: 전류 제어부
34: 피스톤 진폭 제어부 40: 위상 제어부

Claims (6)

  1. 리니어 압축기의 센서리스 제어 장치에 있어서,
    상기 리니어 압축기의 기계방정식과 상기 리니어 압축기의 전기방정식을 s-domain으로 모델링하는 리니어 압축기 모델링부;
    전압센서로부터 측정된 상기 리니어 압축기의 입력전압값 및 전류센서로부터 측정된 상기 리니어 압축기에 흐르는 전류값을 이용하여 피스톤의 위치를 추정하는 피스톤 위치 추정부;
    위상지연필터를 이용하여 상기 피스톤의 진폭을 추정하는 피스톤 진폭 추정부;
    스트로크의 입출력 동특성 향상을 위한 전류 제어부;
    상기 스트로크의 입출력 동특성 향상을 위한 피스톤 진폭 제어부; 및
    상기 위상지연필터를 기반으로 추정된 상기 리니어 압축기에 흐르는 전류의 위상과 상기 위상지연필터를 기반으로 추정된 상기 스트로크의 위상 간에 위상차를 이용하여 상기 스트로크의 입출력 동특성을 향상시키는 상기 스트로크의 위상제어 값을 연산하는 위상 제어부;
    를 포함하고,
    상기 위상 제어부는
    상기 위상차를 이용하여 연산된 상기 스트로크의 위상제어 값을 상기 피스톤 진폭 제어부의 출력값에 더함으로써 상기 스트로크의 과도특성을 향상시키는 것
    을 특징으로 하는 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상 제어부는
    상기 위상지연필터를 이용하여 상기 전류의 위상 추정치 및 상기 스트로크의 위상 추정치를 각각 연산하고, sin함수를 이용하여 상기 연산된 상기 전류의 위상 추정치와 상기 연산된 상기 스트로크의 위상 추정치 간에 위상차를 연산하고, 상기 연산된 위상차에 비례상수를 곱함으로써 상기 위상제어 값을 연산하는 것
    을 특징으로 하는 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤 위치 추정부는
    상기 리니어 압축기의 상기 전기방정식을 기반으로 적분함으로써 아날로그 방식 또는 디지털 방식으로 상기 피스톤의 위치를 추정하는 것
    을 특징으로 하는 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 장치.
  4. 리니어 압축기의 센서리스 제어 방법에 있어서,
    상기 리니어 압축기의 기계방정식과 상기 리니어 압축기의 전기방정식을 s-domain으로 모델링하는 리니어 압축기 모델링 단계;
    전압센서로부터 측정된 상기 리니어 압축기의 입력전압값 및 전류센서로부터 측정된 상기 리니어 압축기에 흐르는 전류값을 이용하여 피스톤의 위치를 추정하는 피스톤 위치 추정 단계;
    위상지연필터를 이용하여 상기 피스톤의 진폭을 추정하는 피스톤 진폭 추정 단계; 및
    상기 위상지연필터를 기반으로 추정된 상기 리니어 압축기에 흐르는 전류의 위상과 상기 위상지연필터를 기반으로 추정된 스트로크의 위상 간에 위상차를 이용하여 상기 스트로크의 입출력 동특성을 향상시키는 상기 스트로크의 위상제어 값을 연산하는 위상 제어 단계;
    를 포함하고,
    상기 위상 제어 단계는
    상기 위상차를 이용하여 연산된 상기 스트로크의 위상제어 값을 상기 피스톤 진폭 제어 단계의 출력값에 더함으로써 상기 스트로크의 과도특성을 향상시키는 것
    을 특징으로 하는 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 위상 제어 단계는
    상기 위상지연필터를 이용하여 상기 전류의 위상 추정치 및 상기 스트로크의 위상 추정치를 각각 연산하고, sin함수를 이용하여 상기 연산된 상기 전류의 위상 추정치와 상기 연산된 상기 스트로크의 위상 추정치 간에 위상차를 연산하고, 상기 연산된 위상차에 비례상수를 곱함으로써 상기 위상제어 값을 연산하는 것
    을 특징으로 하는 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 피스톤 위치 추정 단계는
    상기 리니어 압축기의 상기 전기방정식을 기반으로 적분함으로써 아날로그 방식 또는 디지털 방식으로 상기 피스톤의 위치를 추정하는 것
    을 특징으로 하는 리니어 압축기의 스트로크 위상 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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오준태 외 4인. 리니어컴프레서의 위상제어를 통한 동특성 향상에 관한 연구. 대한전자공학회 학술대회 논문집. 대한전자공학회. 2013, Vol.2013 No.4, pp.97-100. *

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