KR102293569B1 - 모터 구동 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

모터 구동 장치 및 모터 구동장치의 제어방법에 대한 것으로, 모터 구동 장치는 스테이터, 로터, 스테이터에 단상 교류 전원을 공급하고, 인버터에 직류전원을 공급하는 전원부 및 로터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터를 포함할 수 있다.

Description

모터 구동 장치 및 그 제어방법{DRIVING APPARATUS OF MOTOR AND CONTROL METHOD THEREOF}

단상 및 3상 교류 전원을 이용하는 동기 전동기에 대한 것이다.

모터는 전기에너지로부터 회전력을 얻는 기계로서, 스테이터와 로터를 포함할 수 있다. 로터는 스테이터와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성되고, 자기장과 코일에 흐르는 전류 사이에서 작용하는 힘에 의해 회전할 수 있다.

모터는 전동기로도 불릴 수 있다. 전동기는 구동 방식에 따라 유도 전동기, 직류 전동기 및 동기 전동기 등으로 분류될 수 있다. 이 중에서 동기 전동기는 교류 전동기의 일종으로, 일정 주파수 하에서 부하와는 무관하게 일정한 동기 속도로 회전하는 정속 전동기이다.

동기 전동기는 영구 자석을 로터 또는 계자로 이용하는 영구 자석 동기 전동기, 펄스 전력에 동기하여 1스텝씩 동작하는 스텝 모터, 원통형의 연자성체를 로터로 이용하는 히스테리시스 동기 전동기, 전자석을 로터 또는 계자로 이용하는 전자석 동기 전동기 등이 있으며, 이러한 전동기는 단상 또는 3상 교류 전원을 공급하여 동작한다.

통상적으로, 3상 전자석 동기 전동기는 스테이터를 3상 인버터를 통해 제어하고, 로터를 슬립링을 통해 직류 전원을 제어하여 전동기를 구동시킨다. 이 경우 로터의 전류는 부하 조건 및 속도 등에 따라 제어되어야 하는바, 로터에 인가되는 직류 전류를 제어하기 위한 직류 전류 제어 회로가 요구되었다. 또한, 스테이터와 로터의 제어를 위해 스테이터와 로터에 흐르는 전류 및 회전 속도를 감지하고, 이를 피드백 하여 스테이터와 로터를 제어하였다.

인가되는 직류 전원을 교류 전원으로 대체하여 직류 전원을 제어하기 위한 별도의 전류 제어 회로를 사용하지 않고, 단상 교류 전원과 3상 교류 전원으로 구동되는 모터 구동 장치를 제공한다.

모터 구동 장치의 일 실시예는 스테이터, 로터, 스테이터에 단상 교류 전원을 공급하고, 인버터에 직류전원을 공급하는 전원부 및 로터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터를 포함할 수 있다.

또한, 모터 구동 장치의 일 실시예는 스테이터, 로터, 로터에 단상 교류 전원을 공급하고, 인버터에 직류전원을 공급하는 전원부 및 스테이터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터를 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 모터 구동 장치는 로터의 회전 속도 및 토크를 감지하는 감지부, 감지된 회전 속도 및 토크에 따라 3상 교류 전원을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 감지부는 로터의 각도와 주파수를 감지하여 로터의 회전 속도를 감지하고, 3상 교류 전원의 전류를 감지하여 토크를 감지할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 감지부는 스테이터에 흐르는 단상 교류를 더 감지하고, 제어부는 감지된 단상 교류 전류을 통해 스테이터의 자속을 산출하고, 로터의 자속과 산출한 스테이터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 3상 교류 전원을 조절할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따라서 감지부는 로터에 흐르는 단상 교류 전류을 더 감지하고, 제어부는 감지된 단상 교류 전류을 통해 로터의 자속을 산출하고, 스테이터의 자속과 산출한 로터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 3상 교류 전원을 조절할 수도 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 모터 구동 장치는 감지한 로터의 각도와 주파수를 통해 스테이터의 자속을 추정하고, 로터의 자속과 추정한 스테이터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 로터에 인가되는 3상 교류 전원의 주기 및 크기를 조절할 수 있다. 또한, 모터 구동 장치는 감지한 로터의 각도와 주파수를 통해 로터의 자속을 추정하고, 스테이터의 자속과 추정한 로터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 스테이터에 인가되는 3상 교류 전원을 조절할 수도 있다.

또한, 일 실시예에 따라서 모터 구동 장치는 로터의 자속과 스테이터의 자속의 각도가 90도가 유지되도록 3상 교류 전원을 조절할 수 있다.

또한, 모터 구동 장치의 제어방법의 일 실시예는 스테이터에 단상 교류 전원을 공급하고, 로터에 3상 교류 전원을 공급하는 단계, 로터의 회전 속도 및 토크를 감지하는 단계 및 감지된 회전 속도 및 토크에 따라 3상 교류 전원을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 모터 구동 장치의 제어방법의 일 실시예는 로터에 단상 교류 전원을 공급하고, 스테이터에 3상 교류 전원을 공급하는 단계, 로터의 회전 속도 및 토크를 감지하는 단계 및 감지된 회전 속도 및 토크에 따라 3상 교류 전원을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

상술한 모터 구동 장치에 의하면, 직류 전원을 인가하지 않고 교류 전원을 인가하여, 직류 전원을 제어하기 위한 별도의 전류 제어 회로를 사용하지 않고도 모터의 토크 및 회전 속도의 제어가 가능한 모터 구동 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구성에 대한 블록도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 모터에 대한 단면도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 모터에 대한 사시도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 모터에 포함된 로터에 대한 단면도이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 모터에 포함된 로터에 대한 사시도이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 모터에 포함된 스테이터에 대한 단면도이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 모터에 포함된 스테이터에 대한 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 스테이터에 포함된 코일에 대한 사시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구성에 대한 블록도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구성에 대한 블록도이다.
도 8 내지 도 15은 일 실시예에 따라 스테이터에 정현적인 전류 인가시 형성되는 스테이터의 자속과 스테이터의 자속 보다 90[deg] 앞서게 형성되는 로터의 자속을 도시하고 있다.
도 16a는 일 실시예에 따라 계좌측에 흐르는 단상 전류에 대한 그래프이다.
도 16b는 일 실시예에 따라 3상 교류가 인가되는 회전 자계측의 3상 교류 전류에 대한 그래프이다.
도 16c는 일 실시예에 따라 단상 전원 및 3상 교류 전원 인가시 모터에서 발생되는 토크에 대한 그래프이다.
도 17은 일 실시예에 따라 3상 교류 전원의 전류, 로터의 각도 및 주파수를 측정해 스테이터의 자속을 산출 및 로터에 인가되는 3상 교류 전원을 보정하는 방법에 대한 플로우차트이다.
도 18은 일 실시예에 따라 3상 교류 전원의 전류, 스테이터의 각도 및 주파수를 측정해 로터의 자속을 산출 및 스테이터에 인가되는 3상 교류 전원을 보정하는 방법에 대한 플로우차트이다.
도 19는 일 실시예에 따라 3상 교류 전원의 전류, 로터의 각도 및 주파수를 측정해 스테이터의 자속을 추정 및 로터에 인가되는 3상 교류 전원을 보정하는 방법에 대한 플로우차트이다.
도 20은 일 실시예에 따라 3상 교류 전원의 전류, 스테이터의 각도 및 주파수를 측정해 로터의 자속을 추정 및 스테이터에 인가되는 3상 교류 전원을 보정하는 방법에 대한 플로우차트이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예를 통하여 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 다만, 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

이하에서 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 이하에서 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 통상의 기술자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.

아울러, 이하에서 선택적으로 기재된 양상이나 선택적으로 기재된 실시예의 구성들은 비록 도면에서 단일의 통합된 구성으로 도시되었다 하더라도 달리 기재가 없는 한, 통상의 기술자에게 기술적으로 모순인 것이 명백하지 않다면 상호간에 자유롭게 조합될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 모터 구동 장치 및 모터 구동 장치의 제어방법의 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

이하, 도 1을 참조하여 동기 모터를 포함하는 모터 구동 장치의 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 1은 모터 구동 장치의 구성에 대한 블록을 도시하고 있다.

모터 구동 장치(1)는 모터(100), 전원부(200), 인버터(300), 감지부(500) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.

모터(100)는 전원부(200)에서의 전원을 공급받아 스테이터(20)에 형성되는 자계와 로터(10)에 형성되는 자계간의 인력 및 척력을 이용하여 회전력을 산출하는 동력 장치이다. 본 명세서에 기재된 모터(100)는 동기 모터(Synchronous Motor)에 대한 것으로, 동기 모터는 교류 모터의 일종으로 일정 주파수 하에서 부하와는 무관하게 일정속도로 회전하는 정속도 전동기이다. 모터(100)의 형태와 구성 등에 대한 구체적인 설명은 이하 도 2 내지 도 5와 함께 설명하도록 한다.

전원부(200)는 단상 grid 전원(210) 및 DC link 전원(220)을 포함할 수 있다.

단상 grid 전원(210)은 DC link 전원(220) 및 모터(100)로 단상 교류 전원을 제공하는 전원 장치이다. 단상 grid 전원(210)은 외부에서 전원을 제공받아 모터 구동 장치(1) 내부로 전달하거나, 베터리와 같이 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터 구동 장치(1) 내부로 전달할 수 있다.

DC link 전원(220)은 단상 grid 전원(210)으로부터 제공받은 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 인버터(300) 구동에 필요한 전기 에너지를 제공한다.

인버터(300)는 모터(100)에 구동 전원을 제공하여 모터(100)의 토크 및 회전 속도를 조절할 수 있다.

또한, 인버터(300)는 3개의 상단 스위칭 회로과 3개의 하단 스위칭 회로를 포함할 수 있다.

상단 스위칭 회로와 하단 스위칭 회로는 고전압 접합형 트랜지스터(High Voltage Bipolar Junction Transistor), 고전압 전계 효과 트랜지스터(High Voltage Field Effect Transistor), 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 고전압 스위치와 환류 다이오드(Free Wheeling Diode)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 3개의 상단 스위칭 회로는 직류 전원(VDC)에 서로 병렬로 연결되고, 3개의 하단 스위칭 회로는 접지에 서로 병렬로 연결된다. 또한, 3개의 상단 스위칭 회로와 3개의 하단 스위칭 회로는 일대일로 직렬 연결되고, 3개의 상단 스위칭 회로와 3개의 하단 스위칭 회로가 각각 연결되는 3개의 노드는 모터(100)의 3개의 입력단자(a, b, c)와 각각 연결된다.

인버터(300)는 상단 스위칭 회로 중 어느 하나와 하단 스위칭 회로 중 어느 하나를 미리 정해진 순서에 따라 턴온시킴으로써 모터(100)에 구동 전원를 공급할 수 있다.

감지부(500)는 모터(100)에 공급되는 3상 교류 전원의 구동 전원, 각도 및 주파수 등을 감지할 수 있다.

또한, 감지부(500)는 구동 전류값을 감지하는 제 1 감지부(510) 및 로터(10)의 회전 변위를 감지하는 제 2 감지부(520)를 포함할 수 있다.

제 1 감지부(510)는 구동 모터(100)의 3개의 입력단자(a, b, c)에 흐르는 구동 전류값을 검출할 수 있다. 이와 같은 제 1 감지부(510)는 모터(100)의 입력단자(a, b, c)에 직렬로 연결된 션트 저항(shunt resistor)의 전압 강하를 검출하거나, 모터(100)의 입력단자(a, b, c)와 접지(GND) 사이에 모터(100)와 병렬로 연결된 전압 분배기의 출력을 검출하여 구동 전류값을 검출할 수 있다.

제 1 감지부(510)는 전류에 의하여 생기는 자계 속에 홀 소자를 설치하여 홀 전압을 측정함으로써 자계의 강도 즉, 전류의 강약을 감지하는 홀 소자 방식(Hall Element type) 또는 도너츠 모양의 자심을 사용하여 1차 및 2차 코일을 자심에 감아 2차 전류를 측정함으로써 1차 전류를 감지하는 변류기 방식(CT type, Current Transformer type)의 전류 센서를 이용할 수 있다. 이외에도 3개의 입력단자(a, b, c)에 흐르는 구동 전류값을 검출하기 위한 다양한 전류 센서가 제 1 감지부(510)의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

제 2 감지부(520)는 스테이터(20)의 상면의 일측에 접속된다. 또한, 제 2 감지부(520)는 로터(10)의 회전에 의한 자기장의 변화를 감지함으로써 로터(10)의 회전 변위와 관련된 각도, 주파수, 구동 시간 등을 출력할 수 있다.

제 2 감지부(520)는 포텐셔미터(Potentiometer), 절대위치 인코더(Absolute Encoder), 증분형 인코더(Incremental Encoder) 등의 각도센서가 이용될 수 있다. 포텐셔미터(Potentiometer)는 각도에 따라 가변저항의 값을 달리하여 회전하는 각도에 정비례하는 전기적 입력을 산출하는 각도센서이고, 절대위치 인코더(Absolute Encoder)는 기준되는 위치를 설정하지 않고 광학 펄스파를 이용해 어느 정도의 회전으로 해당위치에 있는지 검출하는 각도센서이며, 증분형 인코더(Incremental Encoder)는 기준되는 위치를 설정하여 측정된 각도의 증감을 통해 각도를 산출하는 것으로, 광학 펄스파를 이용해 어느 정도의 회전으로 해당위치에 있는지 검출하는 각도센서이다. 이외에도 각도와 주파수를 측정하는 다양한 종류의 센서가 제 2 감지부(520)의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

또한, 제 2 감지부(520)는 제 2 감지부(520)가 감지한 로터(10)의 회전 각도, 주파수 및 구동 시간을 기초로 모터(100)의 회전 속도(w)를 산출하여, 속도 제어부(420)에 제공할 수 있다.

또한, 감지부(500)는 단상 교류 전원이 공급되는 계자의 자속을 추정하지 않고, 직접 감지하여 계자의 자속을 산출하는 경우에는 단상 교류 전원이 공급되는 계자의 전류를 측정하는 제 3 감지부(530)을 더 포함할 수 있다.

제 3 감지부(530)은 단상 grid 전원을 통해 계자에 공급되는 단상 교류 전원의 전류를 측정할 수 있다. 제 3 감지부에서 측정된 단상 교류 전원의 전류를 통해 전류 제어부는 계자의 자속을 산출하여 3상 교류 전원의 보정에 이용할 수 있다.

제 3 감지부(530)는 제 1 감지부(510)에서 사용되는 전류 센서와 동일 할 수도 있고, 상이할 수도 있다.

제어부(400)는 모터 구동 장치(1)의 동작을 전체적으로 제어하는 메인 제어부(410) 및 모터(100)의 동작을 제어하는 구동 제어부(460)를 포함할 수 있다.

메인 제어부(410)는 사용자의 동작 명령에 따라 구동 제어부(460)에 속도 지령(w*)을 전달하고, 표시부가 사용자의 동작 명령에 따른 모터의 동작 정보를 표시하도록 표시부를 제어할 수 있다. 특히, 메인 제어부(410)는 모터 구동 장치(1)의 각각의 동작시에 모터(100)에 대한 속도 지령(w*)를 출력할 수 있다.

구동 제어부(460)는 속도 제어부(420), 제 1 좌표계 변환기(430), 전류 제어부(440) 및 제 2 좌표계 변환기(450)를 포함할 수 있다.

속도 제어부(420)는 메인 제어부(410)가 출력하는 속도 지령(w*)과 제 2 감지부(520)가 출력하는 모터(100)의 회전 속도(w) 사이의 차이를 이용하여 dq축 전류 지령(Id*, Iq*)을 산출하여 전류 제어부(440)에 제공할 수 있다.

제 1 좌표계 변환기(430)는 제 2 감지부(520)가 출력하는 로터(10)의 회전 변위를 기초로 제 1 감지부(510)가 출력하는 모터(100)의 3상 구동 전류값(Ia, Ib, Ic)을 dq축 전류값(Id, Iq)으로 변환하여 전류 제어부(440)에 제공할 수 있다.

전류 제어부(440)는 속도 제어부(420)가 출력하는 dq축 전류 지령(Id*, Iq*)과 제 1 좌표계 변환기(430)가 출력하는 dq축 전류값(Id, Iq) 사이의 차이를 이용하여 dq축 전압 지령(Vd*, Vq*)을 산출하여 제 2 좌표계 변환기(450)에 제공할 수 있다.

또한, 전류 제어부(440)는 단상 grid 전원(210)이 공급하는 단상 전원의 전류를 제 3 감지부(530)를 통해 감지하여 단상 전원이 인가되는 계자의 자속 방향을 산출할 수 있다. 또한, 전류 제어부(440)는 제 1 좌표계 변환기(430)가 변환한 dq축 전류값(Id, Iq)과 제 2 감지부(520)가 감지한 회전 각도 및 주파수에 기초하여, 단상 전원이 인가되는 계자의 자속 방향을 추정할 수 있다.

그리고, 전류 제어부(440)는 3상 교류 전원으로 인해 생성되는 자속의 방향이 산출 또는 추정한 계자의 자속 방향과 미리 설정된 각도(예를 들어, 회전 방향으로 90[deg] 앞섬.)를 가지도록 dq축 전류값(Id, Iq) 및 dq축 전류 지령(Id*, Iq*)에 기초하여 dq축 전압 지령(Vd*, Vq*)을 보정하여 산출할 수 있다.

제 2 좌표계 변환기(450)는 dq 역변환부(453) 및 펄스 폭 변조기(455)를 포함할 수 있다.

dq 역변환부(453)는 제 2 감지부(520)가 출력하는 로터(10)의 회전 변위를 기초로 전류 제어부(440)가 출력하는 dq축 전압 지령(Vd*, Vq*)을 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)으로 변환하여 펄스 폭 변조기(455)에 제공할 수 있다.

펄스 폭 변조기(455)는 dq 역변환부(453)가 출력하는 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)를 기초로 인버터(300)에 포함된 상단 스위칭 회로와 하단 스위칭 회로를 제어하기 위한 펄스 폭 변조 신호를 출력할 수 있다.

요약하면, 구동 제어부(460)는 메인 제어부(410)가 출력하는 속도 지령(w*)에 따라 인버터(300)를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 출력한다.

구체적으로, 메인 제어부(410)로부터 속도 지령(w*)이 입력되면 구동 제어부(460)는 모터(100)의 제 2 감지부(520)로부터 피드 백(feed back)받은 로터(10)의 회전 변위를 이용하여 모터(100)의 회전 속도(w)를 산출하고 회전 속도(w)와 속도 지령(w*)를 비교하여 모터(100)의 구동 전류를 제어한다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 모터의 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 2a는 모터에 대한 단면을 도시하고 있고, 도 2b는 모터에 대한 외관을 도시하고 있다.

모터(100)는 로터(10), 샤프트(30), 로터용 코일(15), 스테이터(20) 및 스테이터용 코일(25)을 포함할 수 있다.

로터(10), 샤프트(30), 로터용 코일(15), 스테이터(20) 및 스테이터용 코일(25)에 대한 구체적인 설명은 이하 도 3 내지 도 5를 통해서 설명하도록 한다.

도 3a는 모터에 포함된 로터에 대한 단면을 도시하고 있고, 도 3b는 모터에 포함된 로터에 대한 외관을 도시하고 있다.

로터(10)는 6개의 로터용 티스(11), 로터용 티스(11)들이 결합되고 로터(10)의 균형을 잡아줌과 동시에 로터(10)의 형상을 유지시켜 주는 로터 코어(12) 및 로터 코어(12) 중심에 샤프트(30)가 연결되는 공간을 제공하는 로터 통로(13)를 포함할 수 있다.

로터용 티스(11)는 T형상을 가지고, 로터 코어(12)의 외각 측면에 6개가 서로 대칭되게 마련되어, 로터용 코일(15)에 흐르는 3상 교류 전원에 의해 자화될 수 있다.

로터 코어(12)는 원기둥의 형상을 가지고, 6개의 로터용 티스(11)들이 결합된다. 또한, 로터 코어(12)는 로터(10)가 스테이터(20)에 형성되는 자계와 로터(10)가 형성되는 자계 사이의 인력 및 척력으로 인해 회전 구동하는 경우 그 형상이 유지될 수 있도록 지지력을 제공할 수 있다.

로터 통로는 샤프트(30)가 관통할 수 있도록 주축 중심에 통로(13)가 마련된다.

이외에도, 모터(100)의 회전력을 샤프트(30)에 제공하기 위한 다양한 구조가 로터(10)의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

로터용 코일(15)은 인버터(300)로부터 3상 교류 전원을 제공받아 자계를 형성시켜 로터(10)를 자화시킬 수 있다. 또한, 로터용 코일(15)은 제 1 로터용 코일(15a, 15b), 제 2 로터용 코일(16a, 16b), 제 3 로터용 코일(17a, 17b)을 포함할 수 있다.

로터용 코일(15)은 로터용 티스(11) 외각에 티스를 감싸는 형태로 마련되고, 제 1 로터용 코일(15a, 15b), 제 2 로터용 코일(16a, 16b), 제 3 로터용 코일(17a, 17b)이 시계 반대 방향으로 순서대로 마련될 수 있다. 따라서, 6개의 로터용 티스(11)에 마련되는 로터용 코일(15)은 2개의 로터용 코일(15)이 1쌍을 이루어 로터(10) 중심축을 기준으로 서로 마주 보도록 마련될 수 있다.

또한, 2개의 로터용 코일(15)이 1쌍을 이루어 마련되는 경우, 각 쌍의 로터용 코일(15)의 권선 방향은 동일할 수 있다.

또한, 코일에 권선을 감는 방법은 집중권 방식과 분포권 방식으로 감길 수 있다. 집중권 방식은 로터 권선에서 1극 1상의 슬롯수가 1개인 권선으로 권선을 감는 방식이고, 분포권 방식은 슬롯이 붙은 전기 기기에 있어서 1상대의 코일을 2개 이상의 슬롯으로 나누어 감는 방식이다. 이외에도 로터용 티스(11)를 효율적으로 자화시키기 위한 다양한 방법이 코일에 권선을 감는 방법의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

또한, 코일 내부의 권선에 사용되는 소재는 구리, 알루미늄 또는 구리와 알루미늄의 복합재질일 수 있다. 이외에도 로터용 티스(11)를 효율적으로 자화시키기 위한 다양한 소재가 권선의 소재의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

샤프트(30)는 회전이 가능하도록 설치되어, 로터(10)의 회전력을 모터(100) 구동 장치(1)가 적용되는 장치에 전달할 수 있다. 샤프트(30)는 모터(100)의 중심을 관통할 수 있도록 막대모양의 형상을 가질 수 있으며, 샤프트(30)의 끝머리는 모터 구동 장치(1)가 적용되는 장치와 연결될 수 있다. 또한, 샤프트(30)는 로터(10)와 연결될 수 있다.

도 4a는 모터에 포함된 스테이터에 대한 단면을 도시하고 있고, 도 4b는 모터에 포함된 스테이터에 대한 외관을 도시하고 있다.

스테이터(20)는 골격을 이루는 복수개의 스테이터용 티스(21) 및 복수개의 티스가 결합되는 스테이터 코어(22)를 포함할 수 있다. 또한, 스테이터(20)는 중앙부에 로터(10)를 수용할 수 있는 공간을 포함할 수 있다.

복수개의 스테이터용 티스(21)는 Y의 형상을 가질 수 있고, 스테이터용 티스(21)의 외각 면 중에서 로터(10)에 인접한 면은 로터용 코일(15)에 인가되는 3상 교류 전원으로 형성되는 로터(10)의 자계와의 인력 및 척력이 효율적으로 발생하기 위해서 완곡면을 가질 수 있다. 이외에도, 스테이터용 코일(25)이 위치할 공간을 제공하고 로터용 코일(15)에 인가되는 3상 교류 전원으로 형성되는 로터(10)의 자계와의 인력 및 척력을 효율적으로 발생시키기 위한 다양한 구조가 스테이터용 티스(21)의 일례로 이용될 수 있을 것이다.

도 5는 스테이터에 포함된 코일에 대한 외관을 도시하고 있다.

스테이터용 코일(25)은 스테이터용 티스(21)로 인해 분할된 스테이터(20)의 각 슬롯에 삽입되는 형태로 마련되고, 스테이터용 코일(25)은 인가되는 단상 교류 전원에 의해 자계를 형성하고, 형성된 자계를 통해 스테이터용 티스(21)를 자화시킨다.

스테이터용 코일(25)의 권선을 감는 방법, 코일 내부에 권선에 사용되는 소재 등은 위에서 설명한 로터용 코일(15)과 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.

이상에서 설명한 모터(100)의 구조는 로터(10)에 3상 교류 전원이 인가되고, 스테이터(20)에 단상 교류 전원이 인가되는 구조이나, 이상의 설명은 이를 한정하는 것은 아니며, 모터(100)의 구조는 로터(10)에 단상 교류 전원이 인가되고 스테이터(20)에 3상 교류 전원이 인가되는 구조를 가질 수도 있다.

이하, 도 6을 참조하여 스테이터에 단상 교류 전원이 인가되고, 로터에 3상 교류 전원이 인가되는 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 6은 모터 구동 장치의 구성에 대한 블록을 도시하고 있다.

로터(10)는 스테이터(20)에 형성되는 자계와의 인력 및 척력으로 인한 회전력이 발생되고, 그로 인해 모터(100)의 구동시 고정되어 있지 않고 회전을 하는 구성인바, 영구 자석이 아닌 로터용 코일(15)에 인가되는 전원으로 인한 자계로 회전력을 획득하는 방법에 있어서는 브러쉬(Brush)와 슬립링(Slip-ring, 60)이 요구될 수 있다.

브러쉬(Brush)는 슬립링(60)과 연결되어 전류를 로터(10) 내부로 흘려주는 통로를 제공하는 장치이다. 그리고, 슬립링(Slip-ring, 60)은 로터리 조인트, 로터리 커넥터 등으로도 불리는 전기 기계적 부품으로, 로터(10)에 전원을 공급하는 경우에 전선의 꼬임없이 전달가능한 일종의 회전형 커넥터이다.

단상 grid 전원(210)은 단상 교류 전원을 스테이터(20)에 제공할 수 있고, 단상 교류 전원을 DC link 전원(220)에 제공할 수 있다. 그리고, DC link 전원(220)은 제공받은 단상 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 변환한 직류 전원을 인버터(300)에 제공할 수 있다.

인버터(300)는 DC link 전원(220)으로부터 제공 받은 직류 전원과 구동 제어부(460)로부터 제공받은 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 기초로 3상 전압을 슬립링(60)과 브러쉬를 통해 로터(10)에 제공할 수 있다.

이 경우, 구동 제어부(460)는 제 1 감지부(510)에서 제공받은 dq축 전류값(Id, Iq)과 제 2 감지부(520)에서 제공받은 회전 속도를 이용해 스테이터(20)의 자속을 추정하거나 제 3 감지부(530)에서 감지한 계자에 흐르는 단상 교류 전류를 이용하여 스테이터(20)의 자속을 산출하여, 로터(10)의 자속이 추정한 스테이터(20)의 자속보다 회전 방향으로 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

이하, 수학식 1 내지 수학식 4를 참조하여 스테이터의 자속을 추정하는 방법에 대해서 설명하도록 한다.

수학식 1은 로터에 인가되는 3상 교류 전류에 대한 수식이다. 수학식 1의 변수 중 각 상의 전류 진폭은 Ia, 3상 교류 전류의 속도는

, 초기 3상 교류 전류의 위상은

로 표현될 수 있다.

수학식 1에서 3상 교류 전류의 a상, b상 및 c상의 전류는 각각 크기가 같고, 120[deg]의 위상차가 있는바, 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

수학식 2는 스테이터에 인가되는 단상 교류 전류 중 Positive-sequence 전류벡터 성분에 대한 수식이다. 수학식 2의 변수 중 Positive-sequence 전류벡터는 i1로 표현될 수 있다.

단상 교류 전류 중 Positive-sequence 전류벡터 성분을 로터에 인가되는 3상 교류 전류와의 관계에 기초하여 정리하면 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

수학식 3은 스테이터에 인가되는 단상 교류 전류 중 Negative-sequence 전류벡터 성분에 대한 수식이다. 수학식 3의 변수 중 Negative-sequence 전류벡터는 i2로 표현될 수 있다.

단상 교류 전류 중 Negative-sequence 전류벡터 성분을 로터에 인가되는 3상 교류 전류와의 관계에 기초하여 정리하면 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

수학식 2와 수학식 3을 비교하면, 단상 교류 전류의 Positive-sequence 전류벡터 성분과 단상 교류 전류의 Negative-sequence 전류벡터 성분은 켤레복소수의 관계에 있다.

수학식 4는 수학식 2에 수학식 1을 대입하여 정리한 수식이다.

수학식 4를 검토하면, 단상 교류 전류의 Positive-sequence 전류벡터 성분의 진폭은 3상 교류 전류의 3/2의 값을 가지고, 공간상에 정현적으로 분포된 단상 교류 전류의 Positive-sequence 전류벡터에 의한 선전류 밀도가 초기 위치인

에서 정방향으로 회전 속도

로 회전할 수 있다.

따라서 앙페르의 오른나사 법칙(Ampere's law) 및 플레밍의 오른손 법칙(Fleming's right hand rule)에 의해 단상 교류 전류의 Positive-sequence 전류벡터로 인해 발생되는 스테이터(20)의 Positive 자속 방향이 결정된다.

반대로, 단상 교류 전류의 Negative-sequence 전류벡터를 수학식 4와 같이 정리하여 앙페르의 오른나사 법칙(Ampere's law) 및 플레밍의 오른손 법칙(Fleming's right hand rule)을 이용하면, 단상 교류 전류의 Negative-sequence 전류벡터로 인해 발생되는 스테이터(20)의 Negative 자속 방향이 결정된다.

이후, 결정된 스테이터(20)의 Positive 자속을 스테이터(20)의 Negative 자속 방향 벡터형태로 합하면 스테이터(20)의 자속을 추정할 수 있다.

따라서, 추정된 스테이터(20)의 자속을 기초로 구동 제어부(460)는 로터(10)의 자속이 추정한 스테이터(20)의 자속보다 회전 방향으로 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

이하, 도 7을 참조하여 로터에 단상 교류 전원이 인가되고, 스테이터(20)에 3상 교류 전원이 인가되는 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 7은 모터 구동 장치의 구성에 대한 블록을 도시하고 있고, 도 7은 모터 구동 장치에 대한 개념을 도시하고 있다.

단상 grid 전원(210)은 단상 교류 전원을 슬립링(60)과 브러쉬를 통해 로터(10)에 제공할 수 있고, 단상 교류 전원을 DC link 전원(220)에 제공할 수 있다. 그리고, DC link 전원(220)은 제공받은 단상 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 변환한 직류 전원을 인버터(300)에 제공할 수 있다.

인버터(300)는 DC link 전원(220)으로부터 제공 받은 직류 전원과 구동 제어부(460)로부터 제공받은 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 기초로 3상 전압을 스테이터(20)에 제공할 수 있다.

이 경우, 구동 제어부(460)는 제 1 감지부(510)에서 제공받은 dq축 전류값(Id, Iq)과 제 2 감지부(520)에서 제공받은 회전 속도를 이용해 로터(10)의 자속을 추정하여, 스테이터(20)의 자속이 추정한 로터(10)의 자속보다 회전 방향으로 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

이 경우에도 이상에서 설명한 수학식 1 내지 수학식 4과 유사한 방법으로 로터(10)의 자속을 추정할 수 있다.

이하, 도 8 내지 도 15를 참조하여 위에서 도 6과 함께 설명한 스테이터의 자속을 산출 또는 추정하여 로터에 형성되는 자속을 조절하는 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 8 내지 도 15는 일 실시예에 따라 스테이터에 정현적인 전류 인가시 형성되는 스테이터의 자속와 스테이터의 자속 보다 90[deg] 앞서게 형성되는 로터의 자속을 도시하고 있다.

도 8a와 같이 스테이터(20)에 단상 교류 전류가 정현적으로 공급되고, 현재 스테이터(20)에 도 8a에 610로 표시된 위치의 전류가 흐른다고 하면, 스테이터(20)에는 도 8b와 같이 Negative 자속(611)과 Positive 자속(612)의 방향을 결정하고 이를 합성하여 스테이터(20)의 자속(613)을 산출 또는 추정할 수 있다. 구동 제어부(460)는 산출 또는 추정한 스테이터(20)의 자속(613)을 기초로 회전 방향으로 로터(10)의 자속이 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 8c와 같이 구동 제어부(460)는 스테이터(20)의 Negative 자속(611)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Negative 자속(614), 스테이터(20)의 Positive 자속(612)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Positive 자속(615) 및 이를 합성한 로터(10)의 자속(615)가 형성되도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

도 9a와 같이 스테이터(20)에 단상 교류 전류가 정현적으로 공급되고, 현재 스테이터(20)에 도 9a에 620로 표시된 위치의 전류가 흐른다고 하면, 스테이터(20)에는 도 9b와 같이 Negative 자속(621)과 Positive 자속(622)의 방향을 결정하고 이를 합성하여 스테이터(20)의 자속(623)을 산출 또는 추정할 수 있다. 구동 제어부(460)는 산출 또는 추정한 스테이터(20)의 자속(623)을 기초로 회전 방향으로 로터(10)의 자속이 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 9c와 같이 구동 제어부(460)는 스테이터(20)의 Negative 자속(621)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Negative 자속(624), 스테이터(20)의 Positive 자속(622)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Positive 자속(625) 및 이를 합성한 로터(10)의 자속(625)가 형성되도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

도 10a와 같이 스테이터(20)에 단상 교류 전류가 정현적으로 공급되고, 현재 스테이터(20)에 도 10a에 630로 표시된 위치의 전류가 흐른다고 하면, 스테이터(20)에는 도 10b와 같이 Negative 자속(631)과 Positive 자속(632)의 방향을 결정하고 이를 합성하여 스테이터(20)의 자속(633)을 산출 또는 추정할 수 있다. 구동 제어부(460)는 산출 또는 추정한 스테이터(20)의 자속(633)을 기초로 회전 방향으로 로터(10)의 자속이 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 10c와 같이 구동 제어부(460)는 스테이터(20)의 Negative 자속(631)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Negative 자속(634), 스테이터(20)의 Positive 자속(632)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Positive 자속(635) 및 이를 합성한 로터(10)의 자속(635)가 형성되도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

도 11a와 같이 스테이터(20)에 단상 교류 전류가 정현적으로 공급되고, 현재 스테이터(20)에 도 11a에 640로 표시된 위치의 전류가 흐른다고 하면, 스테이터(20)에는 도 11b와 같이 Negative 자속(641)과 Positive 자속(642)의 방향을 결정하고 이를 합성하여 스테이터(20)의 자속(643)을 산출 또는 추정할 수 있다. 구동 제어부(460)는 산출 또는 추정한 스테이터(20)의 자속(643)을 기초로 회전 방향으로 로터(10)의 자속이 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 11c와 같이 구동 제어부(460)는 스테이터(20)의 Negative 자속(641)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Negative 자속(644), 스테이터(20)의 Positive 자속(642)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Positive 자속(645) 및 이를 합성한 로터(10)의 자속(645)가 형성되도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

도 12a와 같이 스테이터(20)에 단상 교류 전류가 정현적으로 공급되고, 현재 스테이터(20)에 도 12a에 650로 표시된 위치의 전류가 흐른다고 하면, 스테이터(20)에는 도 12b와 같이 Negative 자속(651)과 Positive 자속(652)의 방향을 결정하고 이를 합성하여 스테이터(20)의 자속(653)을 산출 또는 추정할 수 있다. 구동 제어부(460)는 산출 또는 추정한 스테이터(20)의 자속(653)을 기초로 회전 방향으로 로터(10)의 자속이 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 12c와 같이 구동 제어부(460)는 스테이터(20)의 Negative 자속(651)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Negative 자속(654), 스테이터(20)의 Positive 자속(652)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Positive 자속(655) 및 이를 합성한 로터(10)의 자속(655)가 형성되도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

도 13a와 같이 스테이터(20)에 단상 교류 전류가 정현적으로 공급되고, 현재 스테이터(20)에 도 13a에 660로 표시된 위치의 전류가 흐른다고 하면, 스테이터(20)에는 도 13b와 같이 Negative 자속(661)과 Positive 자속(662)의 방향을 결정하고 이를 합성하여 스테이터(20)의 자속(663)을 산출 또는 추정할 수 있다. 구동 제어부(460)는 산출 또는 추정한 스테이터(20)의 자속(663)을 기초로 회전 방향으로 로터(10)의 자속이 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 13c와 같이 구동 제어부(460)는 스테이터(20)의 Negative 자속(661)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Negative 자속(664), 스테이터(20)의 Positive 자속(662)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Positive 자속(665) 및 이를 합성한 로터(10)의 자속(665)가 형성되도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

도 14a와 같이 스테이터(20)에 단상 교류 전류가 정현적으로 공급되고, 현재 스테이터(20)에 도 14a에 670로 표시된 위치의 전류가 흐른다고 하면, 스테이터(20)에는 도 14b와 같이 Negative 자속(671)과 Positive 자속(672)의 방향을 결정하고 이를 합성하여 스테이터(20)의 자속(673)을 산출 또는 추정할 수 있다. 구동 제어부(460)는 산출 또는 추정한 스테이터(20)의 자속(673)을 기초로 회전 방향으로 로터(10)의 자속이 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 14c와 같이 구동 제어부(460)는 스테이터(20)의 Negative 자속(671)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Negative 자속(674), 스테이터(20)의 Positive 자속(672)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Positive 자속(675) 및 이를 합성한 로터(10)의 자속(675)가 형성되도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

도 15a와 같이 스테이터(20)에 단상 교류 전류가 정현적으로 공급되고, 현재 스테이터(20)에 도 15a에 680로 표시된 위치의 전류가 흐른다고 하면, 스테이터(20)에는 도 15b와 같이 Negative 자속(681)과 Positive 자속(682)의 방향을 결정하고 이를 합성하여 스테이터(20)의 자속(683)을 산출 또는 추정할 수 있다. 구동 제어부(460)는 산출 또는 추정한 스테이터(20)의 자속(683)을 기초로 회전 방향으로 로터(10)의 자속이 90[deg] 앞서도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 15c와 같이 구동 제어부(460)는 스테이터(20)의 Negative 자속(681)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Negative 자속(684), 스테이터(20)의 Positive 자속(682)보다 회전 방향으로 90[deg] 앞선 로터(10)의 Positive 자속(685) 및 이를 합성한 로터(10)의 자속(685)가 형성되도록 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 보정할 수 있다.

이하, 도 16을 참조하여 일 실시예에 따라 스테이터에 단상 교류 전원이 인가되고, 로터에 3상 교류 전원이 인가될 때, 산출 또는 추정된 스테이터의 자계에 따라 3상 교류 전원을 조절하고, 그로 인해 발생하는 모터(100)의 토크에 대해서 설명하도록 한다.

도 16a는 계좌측에 흐르는 단상 전류에 대한 그래프를 도시하고 있고, 도 16b는 3상 교류가 인가되는 회전 자계측의 3상 교류 전류에 대한 그래프를 도시하고 있으며, 도 16c는 단상 전원 및 3상 교류 전원 인가시 모터에서 발생되는 토크에 대한 그래프를 도시하고 있다.

도 16a와 같이, 스테이터(20)에 단상 전류(710)가 정현적으로 흐르면, 구동 제어부(460)는 스테이터(20)의 자계를 산출 또는 추정한다.

이후, 도 16b와 같이 구동 제어부(460)는 산출 또는 추정된 스테이터(20)의 자계와 회전 방향으로 90[deg] 앞서 로터(10)의 자계가 형성되도록 평형 3상 회로의 a상 전류(720), b상 전류(730) 및 c상 전류(740)를 보정하여 로터(10)에 흐르게 한다.

구동 제어부(460)에서 평형 3상 회로의 a상 전류(720), b상 전류(730) 및 c상 전류(740)를 보정하여 로터(10)에 흐르게 하면, 모터(100)의 토크(750)는 도 16c와 같이 생성될 수 있다.

이상에서 설명한 모터 구동 장치(1)의 제어 방법은 로터(10)에 3상 교류 전원이 인가되고, 스테이터(20)에 단상 교류 전원이 인가되는 경우의 제어방법이나, 이상의 설명은 이를 한정하는 것은 아니며, 모터 구동 장치(1)의 제어방법은 로터(10)에 단상 교류 전원이 인가되고 스테이터(20)에 3상 교류 전원이 인가되는 경우에도 유사하게 적용될 수 있다.

이하, 도 17 및 도 18을 참조하여 모터 구동 장치가 계자의 자계를 산출하여 3상 교류 전원을 보정하는 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 17은 3상 교류 전원의 전류, 로터의 각도 및 주파수를 측정해 스테이터의 자속 산출 및 로터에 인가되는 3상 교류 전원을 보정하는 방법에 대해서 도시하고 있다.

전원부는 스테이터에 단상 교류 전원을 인가(S 10)한다. 그리고, 제 1 감지부는 3상 교류 전원의 전류를 측정(S 20)한 뒤, 구동 제어부는 제 1 감지부에서 감지한 전류를 dq축 전류(Id, Iq)로 변환(S 25)한다. 또한, 제 2 감지부는 로터의 각도와 주파수를 감지(S 30)하고, 제 3 감지부는 스테이터에 공급되는 단상 교류 전원의 교류 전류를 감지(S 33)한다. 구동 제어부는 제 3 감지부가 감지한 단상 교류 전류에 기초하여 스테이터의 자속 방향을 산출(S 35)한다.

이후, 구동 제어부는 dq 변환한 전류성분(Id, Iq)과 로터의 각도와 주파수를 통해 3상 교류전원을 보정(S 40)하여 로터에 이를 인가한다.

마지막으로, 구동 제어부는 산출한 스테이터의 자속 방향이 로터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦은지 여부를 검사(S 50)한다.

만약, 산출한 스테이터의 자속 방향이 로터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦지 않으면, 모터 구동 장치는 S 10부터 S 40까지의 단계를 재수행하여 S 50의 검사를 다시 수행한다. 그러나, 산출한 스테이터의 자속 방향이 로터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦으면, 모터 구동 장치는 3상 교류 전원 보정 동작을 종료한다.

도 18는 3상 교류 전원의 전류, 스테이터의 각도 및 주파수를 측정해 로터의 자속 산출 및 스테이터에 인가되는 3상 교류 전원을 보정하는 방법에 대해서 도시하고 있다.

전원부는 로터에 단상 교류 전원을 인가(S 60)한다. 그리고, 제 1 감지부는 3상 교류 전원의 전류를 측정(S 70)한 뒤, 구동 제어부는 제 1 감지부에서 감지한 전류를 dq축 전류(Id, Iq)로 변환(S 75)한다. 또한, 제 2 감지부는 스테이터의 각도와 주파수를 감지(S 80)하고, 제 3 감지부는 로터에 공급되는 단상 교류 전원의 교류 전류를 감지(S 83)한다. 구동 제어부는 제 3 감지부가 감지한 단상 교류 전류에 기초하여 로터의 자속 방향을 산출(S 85)한다.

이후, 구동 제어부는 dq 변환한 전류성분(Id, Iq)과 로터의 각도와 주파수를 통해 3상 교류전원을 보정(S 90)하여 스테이터에 이를 인가한다.

마지막으로, 구동 제어부는 산출한 로터의 자속 방향이 스테이터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦은지 여부를 검사(S 100)한다.

만약, 산출한 로터의 자속 방향이 스테이터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦지 않으면, 모터 구동 장치는 S 60부터 S 90까지의 단계를 재수행하여 S 100의 검사를 다시 수행한다. 그러나, 산출한 로터의 자속 방향이 스테이터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦으면, 모터 구동 장치는 3상 교류 전원 보정 동작을 종료한다.

이하, 도 19 및 도 20을 참조하여 모터 구동 장치가 계자의 자계를 추정하여 3상 교류 전원을 보정하는 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 19는 3상 교류 전원의 전류, 로터의 각도 및 주파수를 측정해 스테이터의 자속 추정 및 로터에 인가되는 3상 교류 전원을 보정하는 방법에 대해서 도시하고 있다.

전원부는 스테이터에 단상 교류 전원을 인가(S 110)한다. 그리고, 제 1 감지부는 3상 교류 전원의 전류를 측정(S 120)한 뒤, 구동 제어부는 제 1 감지부에서 감지한 전류를 dq축 전류(Id, Iq)로 변환(S 125)한다. 또한, 제 2 감지부는 로터의 각도와 주파수를 감지(S 130)하고, 구동 제어부는 스테이터의 자속 방향을 추정(S 135)한다.

이후, 구동 제어부는 dq 변환한 전류성분(Id, Iq)과 로터의 각도와 주파수를 통해 3상 교류전원을 보정(S 140)하여 로터에 이를 인가한다.

마지막으로, 구동 제어부는 추정한 스테이터의 자속 방향이 로터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦은지 여부를 검사(S 150)한다.

만약, 추정한 스테이터의 자속 방향이 로터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦지 않으면, 모터 구동 장치는 S 110부터 S 140까지의 단계를 재수행하여 S 150의 검사를 다시 수행한다. 그러나, 추정한 스테이터의 자속 방향이 로터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦으면, 모터 구동 장치는 3상 교류 전원 보정 동작을 종료한다.

도 20은 3상 교류 전원의 전류, 스테이터의 각도 및 주파수를 측정해 로터의 자속 추정 및 스테이터에 인가되는 3상 교류 전원을 보정하는 방법에 대해서 도시하고 있다.

전원부는 로터에 단상 교류 전원을 인가(S 160)한다. 그리고, 제 1 감지부는 3상 교류 전원의 전류를 측정(S 170)한 뒤, 구동 제어부는 제 1 감지부에서 감지한 전류를 dq축 전류(Id, Iq)로 변환(S 175)한다. 또한, 제 2 감지부는 스테이터의 각도와 주파수를 감지(S 180)하고, 구동 제어부는 로터의 자속 방향을 추정(S 185)한다.

이후, 구동 제어부는 dq 변환한 전류성분(Id, Iq)과 로터의 각도와 주파수를 통해 3상 교류전원을 보정(S 190)하여 스테이터에 이를 인가한다.

마지막으로, 구동 제어부는 추정한 로터의 자속 방향이 스테이터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦은지 여부를 검사(S 200)한다.

만약, 추정한 로터의 자속 방향이 스테이터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦지 않으면, 모터 구동 장치는 S 160부터 S 190까지의 단계를 재수행하여 S 200의 검사를 다시 수행한다. 그러나, 추정한 로터의 자속 방향이 스테이터의 자속 방향보다 회전 방향으로 90[deg] 늦으면, 모터 구동 장치는 3상 교류 전원 보정 동작을 종료한다.

상기의 설명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 상기에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 모터 구동 장치
10 : 로터
20 : 스테이터
100 : 모터
200 : 전원부
300 : 인버터
400 : 제어부
410 : 메인 제어부
460 : 구동 제어부
500 : 감지부

Claims (22)

1. 스테이터;
   로터;
   상기 스테이터에 단상 교류 전원을 공급하고, 인버터에 직류전원을 공급하는 전원부; 및
   상기 로터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터;
   를 포함하는 모터 구동 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 로터의 회전 속도 및 토크를 감지하는 감지부;
   상기 감지된 회전 속도 및 토크에 따라 상기 3상 교류 전원을 조절하는 제어부;
   를 더 포함하는 모터 구동장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 감지부는 상기 로터의 각도와 주파수를 감지하여 상기 로터의 회전 속도를 감지하고, 상기 3상 교류 전원의 전류를 감지하여 상기 토크를 감지하는 모터 구동 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 감지부는 스테이터에 흐르는 단상 교류 전류을 더 감지하고,
   상기 제어부는 감지된 단상 교류 전류을 통해 상기 스테이터의 자속을 산출하고, 상기 로터의 자속과 상기 산출한 스테이터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 감지한 로터의 각도, 주파수 및 전류를 통해 상기 스테이터의 자속을 추정하고, 상기 로터의 자속과 상기 추정한 스테이터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치.
6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 로터의 자속이 상기 스테이터의 자속보다 90도 앞서도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치.
7. 스테이터;
   로터;
   상기 로터에 단상 교류 전원을 공급하고, 인버터에 직류전원을 공급하는전원부; 및
   상기 스테이터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터;
   를 포함하는 모터 구동 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 로터의 회전 속도 및 토크를 감지하는 감지부;
   상기 감지된 회전 속도 및 토크에 따라 상기 3상 교류 전원을 조절하는 제어부;
   를 더 포함하는 모터 구동장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 감지부는 상기 로터의 각도, 주파수 및 전류를 감지하여 상기 로터의 회전 속도를 감지하고, 상기 3상 교류 전원의 전류를 감지하여 상기 토크를 감지하는 모터 구동 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 감지부는 로터에 흐르는 단상 교류 전류을 더 감지하고,
    상기 제어부는 감지된 단상 교류 전류을 통해 상기 로터의 자속을 산출하고, 상기 스테이터의 자속과 상기 산출한 로터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치.
11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 감지한 전류, 로터의 각도 및 주파수를 통해 상기 로터의 자속을 추정하고, 상기 스테이터의 자속과 상기 추정한 로터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 스테이터의 자속이 상기 로터의 자속보다 90도 앞서도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치.
13. 스테이터에 단상 교류 전원을 공급하고, 로터에 3상 교류 전원을 공급하는 단계;
    상기 로터의 회전 속도 및 토크를 감지하는 단계; 및
    상기 감지된 회전 속도 및 토크에 따라 상기 3상 교류 전원을 조절하는 단계;
    를 포함하는 모터 구동 장치의 제어방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 로터의 회전 속도 및 토크를 감지하는 단계는 상기 로터의 각도와 주파수를 감지하여 상기 로터의 회전 속도를 감지하고, 상기 3상 교류 전원의 전류를 감지하여 상기 토크를 감지하는 모터 구동 장치의 제어방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 스테이터에 공급되는 단상 교류 전류를 감지하는 단계; 및
    상기 감지한 단상 교류 전류를 통해 상기 스테이터의 자속을 산출하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 3상 교류 전원을 조절하는 단계는 상기 산출한 스테이터의 자속과 상기 로터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치의 제어방법.
16. 제14항에 있어서,
    상기 감지한 3상 교류 전류, 로터의 각도 및 주파수를 통해 상기 스테이터의 자속을 추정하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 3상 교류 전원을 조절하는 단계는 상기 추정한 스테이터의 자속과 상기 로터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치의 제어방법.
17. 제15항 또는 제 16항에 있어서,
    상기 로터의 자속이 상기 스테이터의 자속보다 90도 앞서도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치의 제어방법.
18. 로터에 단상 교류 전원을 공급하고, 스테이터에 3상 교류 전원을 공급하는 단계;
    상기 로터의 회전 속도 및 토크를 감지하는 단계; 및
    상기 감지된 회전 속도 및 토크에 따라 상기 3상 교류 전원을 조절하는 단계;
    를 포함하는 모터 구동 장치의 제어방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 로터의 회전 속도 및 토크를 감지하는 단계는 상기 로터의 각도와 주파수를 감지하여 상기 로터의 회전 속도를 감지하고, 상기 3상 교류 전원의 전류를 감지하여 상기 토크를 감지하는 모터 구동 장치의 제어방법.
20. 제19항에 있어서,
    상기 로터에 공급되는 단상 교류 전류를 감지하는 단계; 및
    상기 감지한 단상 교류 전류를 통해 상기 로터의 자속을 산출하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 3상 교류 전원을 조절하는 단계는 상기 산출한 로터의 자속과 상기 스테이터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치의 제어방법.
21. 제19항에 있어서,
    상기 감지한 3상 교류 전류, 스테이터의 각도 및 주파수를 통해 상기 로터의 자속을 추정하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 3상 교류 전원을 조절하는 단계는 상기 추정한 로터의 자속과 상기 스테이터의 자속이 미리 설정된 각도를 유지하도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치의 제어방법.
22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 스테이터의 자속이 상기 로터의 자속보다 90도 앞서도록 상기 3상 교류 전원을 조절하는 모터 구동 장치의 제어방법.

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