KR102493847B1 - 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치는, 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터와, dc단 커패시터와 인버터 사이에 배치되는 dc단 저항 소자와, dc단 저항 소자를 통해 샘플링된 상전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터의 회전 주파수와, dc단 저항 소자를 통해 샘플링되는 상전류의 샘플링 주파수가 동기화도록 제어한다. 이에 따라, dc단 저항 소자를 이용하여 모터에 흐르는 상전류를 정확하게 연산할 수 있게 된다.

Description

모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스{Motor driving apparatus and home appliance including the same}
본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, dc단 저항 소자를 이용하여 모터에 흐르는 상전류를 정확하게 연산할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다.
모터 구동장치는, 회전 운동을 하는 회전자와 코일이 감긴 고정자를 구비하는 모터를 구동하기 위한 장치이다.
한편, 모터 구동장치는, 센서를 이용한 센서 방식의 모터 구동장치와 센서가 없는 센서리스(sensorless) 방식의 모터 구동장치로 구분될 수 있다.
최근, 제조 비용 저감 등을 이유로, 센서리스 방식의 모터 구동장치가 많이 사용되고 있으며, 이에 따라, 효율적인 모터 구동을 위해, 센서리스 방식의 모터 구동장치에 대한 연구가 수행되고 있다.
본 발명의 목적은, dc단 저항 소자를 이용하여 모터에 흐르는 상전류를 정확하게 연산할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치는, 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터와, dc단 커패시터와 인버터 사이에 배치되는 dc단 저항 소자와, dc단 저항 소자를 통해 샘플링된 상전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터의 회전 주파수와, dc단 저항 소자를 통해 샘플링되는 상전류의 샘플링 주파수가 동기화도록 제어한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동장치는, 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터와, dc단 커패시터와 인버터 사이에 배치되는 dc단 저항 소자와, dc단 저항 소자를 통해 샘플링된 상전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터의 회전 주파수와, 인버터의 스위칭 주파수가 동일하도록 제어한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 홈 어플라이언스는, 모터와, 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터와, dc단 커패시터와 인버터 사이에 배치되는 dc단 저항 소자와, dc단 저항 소자를 통해 샘플링된 상전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터의 회전 주파수와, dc단 저항 소자를 통해 샘플링되는 상전류의 샘플링 주파수가 동기화도록 제어한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 홈 어플라이언스는, 모터와, 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터와, dc단 커패시터와 인버터 사이에 배치되는 dc단 저항 소자와, dc단 저항 소자를 통해 샘플링된 상전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터의 회전 주파수와, 인버터의 스위칭 주파수가 동일하도록 제어한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 모터 구동장치는, 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터와, dc단 커패시터와 인버터 사이에 배치되는 dc단 저항 소자와, dc단 저항 소자를 통해 샘플링된 상전류에 기초하여, 인버터를 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터의 회전 주파수와, dc단 저항 소자를 통해 샘플링되는 상전류의 샘플링 주파수가 동기화도록 제어함으로써, dc단 저항 소자를 이용하여 모터에 흐르는 상전류를 정확하게 연산할 수 있게 된다.
특히, 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터의 회전 주파수와, 인버터의 스위칭 주파수가 동일하도록 제어함으로써, 모터의 고속 구동시에도, 안정적으로 모터를 구동할 수 있게 된다. 또한, c단 저항 소자를 이용하여 모터에 흐르는 상전류를 정확하게 연산할 수 있게 된다.
한편, 순시 토크 제어 방식으로, 인버터를 제어함으로써, 모터의 과도 응답 특성이 개선되게 된다.
한편, 샘플링된 상전류의 샘플링 값 또는 샘플링 시점 중 적어도 하나를 보상하고, 보상된 샘플링 값 또는 샘플링 시점에 기초하여, 인버터의 제어를 위한 스위칭 제어 신호를 출력함으로써, 보다 정확한 모터 제어가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도 2는 도 1의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 3은 도 2의 인버터 제어부의 내부 블록도이다.
도 4는 도 2의 출력 전류 검출부의 일예를 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 출력 전류 검출부의 일예를 예시하는 도면이다.
도 6a 내지 도 10은, 도 1의 모터 구동장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 홈 어플라이언스의 일예인 청소기를 도시한 사시도이다.
도 12는 도 11의 제1 청소기에 제2 청소기가 부착된 것을 도시하는 도면이다.
도 13은 도 11의 청소기의 내부 블록도를 예시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
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.
본 명세서에서 기술되는 모터 구동장치는, 모터의 회전자 위치를 감지하는 홀 센서(hall sensor)와 같은 위치 감지부가 구비되지 않는, 센서리스(sensorless) 방식에 의해, 모터의 회전자 위치를 추정할 수 있는 모터 구동장치이다. 이하에서는, 센서리스 방식의 모터 구동장치에 대해 설명한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(220)는, 모터 구동부로 명명할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시하고, 도 2는 도 1의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(220)는, 센서리스(sensorless) 방식으로 모터를 구동하기 위한 것으로서, 인버터(420), 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(220)는, 컨버터(410), dc 단 전압 검출부(B), 평활 커패시터(C), 출력전류 검출부(E)를 포함할 수 있다. 또한, 구동부(220)는, 입력 전류 검출부(A), 리액터(L) 등을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(220)는, dc단 커패시터와 인버터 사이에 배치되는 1개의 dc단 저항 소자를 이용하여 상전류를 검출하며, 인버터 제어부(430)는, 상전류 검출이 불가능한 구간에서, dc단 저항 소자를 통해 샘플링된 상전류에 기초하여, 상전류를 추정한다. 이에 따라, dc단 저항 소자를 이용하여 모터에 흐르는 상전류를 정확하게 연산할 수 있게 된다.
한편, 1개의 dc 단의 저항 소자를 이용하여, 시분할로, 상전류를 검출함으로써, 제조 비용이 저감되며, 설치가 용이해지는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 인버터 제어부(430)는, dc단 저항 소자(Rs)를 통해 샘플링된 상전류에 기초하여, 인버터(420)를 제어하며, 모터(230)에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터(230)의 회전 주파수와, dc단 저항 소자(Rs)를 통해 샘플링되는 상전류의 샘플링 주파수가 동기화도록 제어할 수 있다. 이러한 동기화에 따라, 정확한 상 전류의 측정이 가능하게 되며, 따라서, 모터 제어의 정확성이 향상될 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 모터(230)에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터(230)의 회전 주파수가 가변되는 경우, 상 전류 검출시의, 샘플링 주파수가 가변되도록 제어할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 샘플링 주파수가, 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터의 회전 주파수의 정수 배가 되도록 제어할 수 있다. 동기화되며, 정수 배가 되도록 함으로써, 보다 정확한 상 전류를 검출할 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터의 회전 주파수와, 인버터(420)의 스위칭 주파수가 동일하도록 제어할 수 있다. 즉, 원 펄스(one) 구동 방식에 따라, 인버터(420)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 대략 수천 rpm 이상으로 고속으로 회전하는 모터(230)의 경우, 펄스폭 가변 방식에 비해, 안정적으로 구동될 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 순시 토크 제어 방식으로, 인버터(420)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 평균 토크 제어 방식에 비해, 모터(230)의 과도 응답 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 샘플링된 상전류의 샘플링 값 또는 샘플링 시점 중 적어도 하나를 보상하고, 보상된 샘플링 값 또는 샘플링 시점에 기초하여, 인버터(420)의 제어를 위한 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다. 이에 따라, 모터(230)를 보다 정확히 구동할 수 있게 된다.
이하에서는, 도 1, 및 도 2의 모터 구동장치(220) 내의 각 구성 유닛들의 동작에 대해 설명한다.
리액터(L)는, 상용 교류 전원(405, vs)과 컨버터(410) 사이에 배치되어, 역률 보정 또는 승압동작을 수행한다. 또한, 리액터(L)는 컨버터(410)의 고속 스위칭에 의한 고조파 전류를 제한하는 기능을 수행할 수도 있다.
입력 전류 검출부(A)는, 상용 교류 전원(405)으로부터 입력되는 입력 전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(A)로, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
컨버터(410)는, 리액터(L)를 거친 상용 교류 전원(405)을 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 도면에서는 상용 교류 전원(405)을 단상 교류 전원으로 도시하고 있으나, 삼상 교류 전원일 수도 있다. 상용 교류 전원(405)의 종류에 따라 컨버터(410)의 내부 구조도 달라진다.
한편, 컨버터(410)는, 스위칭 소자 없이 다이오드 등으로 이루어져, 별도의 스위칭 동작 없이 정류 동작을 수행할 수도 있다.
예를 들어, 단상 교류 전원인 경우, 4개의 다이오드가 브릿지 형태로 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원인 경우, 6개의 다이오드가 브릿지 형태로 사용될 수 있다.
한편, 컨버터(410)는, 예를 들어, 2개의 스위칭 소자 및 4개의 다이오드가 연결된 하프 브릿지형의 컨버터가 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원의 경우, 6개의 스위칭 소자 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다.
컨버터(410)가, 스위칭 소자를 구비하는 경우, 해당 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 승압 동작, 역률 개선 및 직류전원 변환을 수행할 수 있다.
평활 커패시터(C)는, 입력되는 전원을 평활하고 이를 저장한다. 도면에서는, 평활 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
한편, 도면에서는, 컨버터(410)의 출력단에 접속되는 것으로 예시하나, 이에 한정되지 않고, 직류 전원이 바로 입력될 수도 있다., 예를 들어, 태양 전지로부터의 직류 전원이 평활 커패시터(C)에 바로 입력되거나 직류/직류 변환되어 입력될 수도 있다. 이하에서는, 도면에 예시된 부분을 위주로 기술한다.
한편, 평활 커패시터(C) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc 단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는 평활 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원(va,vb,vc)으로 변환하여, 삼상 동기 모터(230)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)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(230)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 센서리스 방식을 기반으로, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(idc)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 원 펄스(one pulse) 방식의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(idc)을 기초로 생성되어 출력된다. 인버터 제어부(430) 내의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)의 출력에 대한 상세 동작은 도 3를 참조하여 후술한다.
출력전류 검출부(E)는, 삼상 모터(230) 사이에 흐르는 출력전류(idc)를 검출할 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, dc단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치되어 모터에 흐르는 상전류를 검출할 수 있다.
특히, 출력전류 검출부(E)는, 1개의 션트 저항 소자(Rs)를 구비할 수 있다.
한편, 출력전류 검출부(E)는, 1개의 션트 저항 소자(Rs)를 사용하여, 인버터(420)의 하암 스위칭 소자의 턴 온시, 시분할로, 모터(230)에 흐르는 출력 전류(idc)인 상 전류(phase current)를 검출할 수 있다.
검출된 출력전류(idc)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(idc)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다. 이하에서는 검출된 출력전류(idc)가 삼상의 출력 전류(ia,ib,ic)인 것으로하여 기술한다.
한편, 삼상 모터(230)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.
이러한 모터(230)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interidcr Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
도 3은 도 2의 인버터 제어부의 내부 블록도이다.
도 3을 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 축변환부(310), 전류 보상부(320), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
전류 보상부(320)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 상 전류(Idc)의 샘플링 값 또는 샘플링 시점 중 적어도 하나를 보상할 수 있다.
이를 위해, 전류 보상부(320)는, 샘플링된 상전류의 샘플링 시점을 보상하는 제1 보상부(320a)와, 및 샘플링된 상전류의 샘플링 값을 보상하는 제2 보상부(320b)를 구비할 수 있다. 이러한 전류 보상에 의해, 보다 정확한 모터 제어가 가능하게 된다.
축변환부(310)는, 전류 보상부(320)에서 보상된 각각의 상전류(idc)에서, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환할 수 있다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 토크 지령치(T*)에 기초하여, PI 제어기(335)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 도면에서는, 전류 지령치로, q축 전류 지령치(i* q)를 예시하나, 도면과 달리, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성하는 것도 가능하다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(344)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(348)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다. 한편, 전압 지령 생성부(340)는, d 축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)는, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 속도 연산부(320)에서 d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 입력받아, 축변환을 수행할 수 있다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(1050)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)를 출력할 수 있다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)에 기초하여 원 펄스(one pulse) 방식에 따른 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력할 수 있다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
한편, 상술한 바와 같이, 모터 구동장치(100)는, 인버터(420) 제어를 통하여, 모터(230)를 구동하는 벡터(vector) 제어를 하기 위해서, 모터(motor)에 흐르는 츨력 전류(idc), 특히, 상전류(Phase current)를 감지하는 것이 필수적이다.
인버터 제어부(430)는, 감지된 상전류를 이용하여, 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340)를 이용하여, 모터(230)를, 원하는 속도와 토크(torque)로 제어할 수 있게 된다.
도 4는 도 2의 출력 전류 검출부의 일예를 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 도 4의 출력 전류 검출부(Ex)는, 모터(230)에 흐르는 3 상전류(a,b,c 상전류) 중 a 상전류와, c 상전류의 센싱을 위해, 2개의 전류 센서(CSa,CSc)를 구비하는 것을 예시한다.
한편, b 상전류는, 3상의 전류의 합이 0이라는 조건을 이용하여, 연산될 수 있다.
한편, 이러한 도 4의 방식 보다, 도 5와 같이, 1개의 dc 단의 저항 소자를 이용하여 모터 전류를 센싱하는 방식이, 제조 비용이 저감되며, 설치가 용이하다는 장점이 있다.
이에 따라, 본 발명에서는, 도 5와 같은, 1 션트(shunt) 저항 소자를 이용하여, 모터 전류를 센싱하는 방안을 중심으로 기술한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 출력 전류 검출부의 일예를 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 출력 전류 검출부(E)는, dc단 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에 배치되는 dc단 저항 소자(Rs)를 구비할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, dc단 저항 소자(Rs)에 흐르는 전류에 기초하여, 모터(230)에 흐르는 전류를 연산하고, 연산된 모터 전류에 기초하여 인버터(420)를 제어할 수 있다.
도면과 같이, dc단 저항 소자(Rs)를 이용한, 전류 획득 방법을 션트(shunt) 알고리즘이라 한다.
션트(shunt) 알고리즘은, 션트 저항 소자의 위치와 개수에 따라 1-션트(shunt), 2-션트(shunt), 3-션트(shunt)로 구분되는데, 본 발명에서는 1-션트(shunt) 방식에 대해 기술한다.
이러한 1-션트(shunt) 방식에 따르면, 모터(230)에 흐르는 3 상전류(a,b,c 상전류)를, dc단에 배치되는, 하나의 션트(shunt) 저항 소자만으로 획득한다.
따라서, 도 4에 비해, 전류 센서를 줄일 수 있고, 2-션트(shunt), 3-션트(shunt) 방법에 비해, 전압 증폭기, A/D 포트 등의 주변 회로를 감소시킬 수 있게 된다. 또한, 모터 구동 장치(220)의 제조 비용 및 부피가 감소하는 등의 많은 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(220)는, dc단 커패시터와 인버터 사이에 배치되는 1개의 dc단 저항 소자를 이용하여 상전류를 검출한다. 특히, 시분할로, 상전류를 검출함으로써, 상전류를 정확하게 연산할 수 있게 된다. 나아가, 제조 비용이 저감되며, 설치가 용이해지는 장점이 있다.
도 6a 내지 도 10은, 도 1의 모터 구동장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 6a는, 모터(230)의 회전자 속도와, dc단 저항 소자(Rs)를 통한 상전류 검출시의 샘플링 시점이, 동기화되지 못한 경우를 예시한다.
이에 의하면, 인버터 제어부(430)가 정확하지 못한, 상전류에 기초하여, 제어를 수행하므로, 모터(230)에 인가되는 출력 전압에 오차가 발생하게 되며, 그로 인해, 모터(230)의 토크 리플(torque ripple)이 증가하게 된다.
다음, 도 6b는, 모터(230)의 회전자 속도와, dc단 저항 소자(Rs)를 통한 상전류 검출시의 샘플링 시점이, 동기화된 경우를 예시한다.
도면에서는, 상전류 검출시의 샘플링 주파수가, 샘플링 주파수가, 모터(230)에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터(230)의 회전 주파수의 6배가 되는 것을 예시한다.
이와 같이, 모터(230)에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터(230)의 회전 주파수와, dc단 저항 소자(Rs)를 통해 샘플링되는 상전류의 샘플링 주파수가 동기화도록 함으로써, 인버터 제어부(430)가 검출되는 상전류에 기초하여, 제어를 수행하므로, 모터(230)에 인가되는 출력 전압에 오차가 최소화 되며, 그로 인해, 모터(230)의 토크 리플(torque ripple)이 상당히 감소하게 된다.
도 7은, 공간 전압 벡터 기반 하에, 1개의 dc 단의 저항 소자(Rs) 이용하여, 상전류 검출이 가능한 영역을 표시한 도면이다.
도면을 참조하면, 빗금 영역인, V1, V2,V3,V3,V4,V5,V6 부근의 영역을 제외한 영역(711)에서, 1개의 dc 단의 저항 소자(Rs) 이용하여, 상전류 검출이 가능할 수 있다.
한편, 도면에서는, 상전류 검출을 위해, Va,Vb,Vc,Vd,Ve,Vf 벡터에 대응하여, 1개의 dc 단의 저항 소자(Rs) 이용하여, 상전류 검출할 수 있는 것을 예시한다.
도 8은 원 펄스 구동 방식을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
상술한 바와 같이, 모터(230)의 회전 속도가, 수천 rpm 이상인 경우, 펄스폭 가변(PWM) 방식에 의하는 경우, 모터(230)에서 발생하는 역기전력이 증가할 수 있다.
또한, 모터(230)의 회전 속도 증가에 따라, 인버터(420)의 스위칭 주파수도 증가하여야 한다. 그러나, 펄스폭 가변(PWM) 방식에 의하면, 스위칭 주파수의 상한이 존재하므로, 고속 운전에 적합하지 않게 된다.
이에 따라, 본 발명에서는, 원 펄스(one) 구동 방식에 따라, 인버터(420)를 제어하는 것으로 한다.
즉, 인버터 제어부(430)는, 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 모터의 회전 주파수와, 인버터(420)의 스위칭 주파수가 동일하도록 제어할 수 있다.
도면에서는, 모터(230)가 고속으로 회전하는 경우, 모터(230)의 회전 주파수에 대응하여, 모터(230)의 극전압 주파수 및 상전압 주파수가 일치하는 것을 예시한다.
이와 같이, 모터(230)의 1 회전시, 하나의 펄스가 인각되므로, 원 펄스(1 pulse) 방식이라 한다.
한편, 도면에서는, 모터(230)의 1 회전 당, 상 전류 검출시 4번 샘플링되는 것을 예시하나, 상술한 바와 같이, 동기화되는 것으로 충분하다.
도 9는 검출되는 상전류에 대한 보상 방법을 예시하는 도먼이다.
도면을 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 전류 보상부(320), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
전류 보상부(320)는, 샘플링된 상전류의 샘플링 시점을 보상하는 제1 보상부(320a)와, 및 샘플링된 상전류의 샘플링 값을 보상하는 제2 보상부(320b)를 구비할 수 있다.
샘플링 시점 오차는, 도 9(a)와 같이, 2개의 상 전류를 측정 하기 위해서, 스위칭 지점 Ts 양 옆의 지점인 Ts+tm1, Ts-tm2에서 샘플링함으로써 발생할 수 있다. 즉, 3개의 상 전류를 동시에 측정 하지 못함으로써 발생할 수 있다.
제1 보상부(320a)는, 이러한 샘플링 시점을 보상할 수 있다.
다음, 샘플링 값 오차는, 도 9(b)와 같이, 인버터(420)의 출력 전압(Vdqss)이 유지되는 π/3 동안 인버터(420)의 순시 출력 전압 벡터는 실제의 d-q 회전자 기준 좌표계 위에서 시계방향으로 π/3 만큼 회전 하는 것처럼 보일 수 있다.
스위칭 지점에서 샘플링 하는 전류 값은, 맥동하는 전류의 평균 값이 아닌 peak 값일 수 있으며, 측정한 peak 전류를 평균 값으로 보상할 필요가 있다.
즉, 제2 보상부(320b)는, 지점 Ts 사이의 맥동하는 d-q축 전류에 의한 샘플링 전류 오차를 보상할 수 있다.
도 10은 순시 토크 제어를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 샘플링 타이밍(Ts(n-1), Ts(n), Ts(n+1), Ts(n+2)) 마다, 샘플링된 상전류에 기초하여, 도 3 내부의 전류 지령 생성, 전압 지령 생성 등에 의해, 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하고, 그 다음 제어 주기에, 생성된 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)가 반영되도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 인버터 제어부(430)는, 순시 토크 제어를 수행할 수 있으며, 이에 따라, 모터(230)의 과도 응답 특성이 개선되게 된다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 홈 어플라이언스의 일예인 청소기를 도시한 사시도이고, 도 12는 도 11의 제1 청소기에 제2 청소기가 부착된 것을 도시하는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명과 관련한 청소기(1100)는, 코드리스 분리형 청소기이다.
이에 따라, 코드리스 분리형 청소기(1100)는, 제1 청소기(50)에 착탈 가능한, 제2 청소기(200)를 포함할 수 있다.
제1 청소기(50)는, 본체(120)와, 본체(120)에 착탈되는 제1 배터리(230a)와, 흡입력을 발생하기 위해, 제1 배터리(230a)로부터의 제1 직류 전원을 이용하여, 회전하는 제1 모터(142a)를 구비할 수 있다. 한편, 제1 청소기(50)는, 스틱형(stick type) 청소기일 수 있다.
제2 청소기(200)는, 제1 청소기(50)의 본체(120)에 형성된 안착부(403a,404a)에 부착되는 결합부(403b,404b)와, 제2 배터리(230b)와, 흡입력을 발생하기 위해, 제2 배터리(230b)로부터의 제2 직류 전원을 이용하여 회전하는 제2 모터(142b)를 구비할 수 있다. 한편, 제2 청소기(200)는, 핸디형(handy type) 청소기일 수 있다.
제1 청소기(50)는, 본체(120)의 상부에, 형성되는 제1 손잡이(115a), 및 제1 손잡이(115a) 부근에 형성되는 제1 입력부(117a)를 더 구비할 수 있다.
한편, 제1 청소기(50) 내부에, 팬(미도시), 팬 모터(도 13의 142a), 팬을 구동하는 팬 구동부(미도시)가 구비될 수 있으며, 팬(미도시)의 회전에 의해, 흡입력이 발생할 수 있다.
발생되는 흡입력은, 본체(120)의 하부에 형성되는 흡입구(110)에 전달된다.
따라서, 진공 청소기(1100), 특히, 제1 청소기(50)는, 흡입구(110) 주변의 이물질 등을 흡입할 수 있으며, 흡입된 이물질은, 제2 청소기(200) 내에 형성되며, 탈착 가능하게 부착되는 먼지통(140)에 저장될 수 있다.
한편, 먼지통(140) 주변에, 흡입되는 이물질을 필터링하기 위한 필터가 더 구비될 수 있으며, 먼지통(140)은, 필터링된 이물질을 저장할 수 있다.
한편, 제1 청소기(50)의 본체(120)에 형성된 안착부(403a,404a)에, 제2 청소기(200)의, 결합부(403b,404b)가 각각 결합될 수 있다.
제2 청소기(200)는, 프레임 상부에, 형성되는 제2 손잡이(115b), 및 제2 손잡이(115b) 부근에 형성되는 제2 입력부(117b)를 더 구비할 수 있다.
한편, 제2 청소기(200)가, 제1 청소기(50)의 본체(120)에 형성된 안착부(403a,404a)에, 안착되는 경우, 제1 청소기(50)의 본체(120)에 형성된 조작부(111)가 튀어나올 수 있다.
사용자는, 조작부(111)를 눌러, 제1 청소기(50)의 본체(120)에 형성된 안착부(403a,404a)에, 안착된, 제2 청소기(200)를 분리시킬 수 잇다.
도 12는, 제2 청소기(200)가, 제1 청소기(50)의 본체(120)에 형성된 안착부(403a,404a)에, 안착된 상태에서, 충전기(20) 상에, 청소기(1100)의 흡입구(110)의 하면이 부착된 것을 예시한다.
도면에서는, 도시하지 않았지만, 흡입구(110)의 하면에는, 접속부(미도시)가 형성되어, 접속부(미도시)를 통해, 충전기(20)로부터의 직류 전원을 공급받을 수 있다.
한편, 본 발명에서의 청소기(1100)는, 코드리스 청소기로서, 제2 청소기(200)가 분리될 수 있으며, 제1 청소기(50)와 제2 청소기(200)는, 각각의 배터리(230a,,230b)를 구비할 수 있다.
특히, 제2 청소기(200)가 본체(120)에 장착시에 제1 청소기(50) 내부에 구비되는 제1 모터(도 13의 142a)가 회전하는 경우, 제1 배터리(230a)로부터의 제1 직류 전원과, 제2 배터리(230b)로부터의 제2 직류 전원의 합인 제3 직류 전원에 기초하여, 제1 모터(142a)가 회전할 수 있다.
이에 의해, 복수의 배터리를 이용한 높은 출력의 흡입력을 발생시킬 수 있게 된다.
특히, 제2 청소기(200)가 분리되어, 단독으로 동작시, 제2 배터리(230b)로부터의 제2 직류 전원에 의해 제2 모터(도 13의 142b)가 회전하나, 이때의 흡입력보다, 제2 청소기(200) 장칙시, 제1 모터(142a)의 흡입력이 더 큰 것이 바람직하다.
도 13은 도 11의 청소기의 내부 블록도를 예시한 도면이다.
청소기(1100)는, 제1 청소기(50)와 제2 청소기(200)를 구비한다.
제1 청소기(50)는, 제1 배터리(230a), 충전기(20) 내의 컨버터(410)로부터의 직류 전원을 수신하는 접속부(404a), 수신된 직류 전원을 스위칭하여 제1 인버터(420a)로 전달하는 스위칭부(415ac), 스위칭부(415ac)를 통해 입력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 제1 모터(142a)를 구동하는 제1 인버터(420a)를 구비할 수 있다.
한편, 제1 청소기(50)는, 접속부(404a)에서의 직류 전원 수신 여부 또는, 수신되는 직류 전원의 레벨을 감지하는 감지부, 그리고, 감지부로부터의 감지 신호(Svd1)에 기초하여, 제1 배터리(230a)로의 충전 여부를 결정하는 제1 제어부(310a)를 구비할 수 있다.
한편, 제1 제어부(310a)는, 제1 배터리(230a)로의 충전을 위해, 스위칭부(415a)로 제어 신호(sswa를 출력할 수 있다.
한편, 제1 제어부(310a)는, 제2 배터리(230b)로의 충전을 위해, 스위칭부(415ab)로, 제어 신호(sswab)를 출력할 수 있다.
한편, 제2 청소기(200)가 장착되는 경우, 제1 청소기(50)의 접속부(403a)와 제2 청소기(200)의 접속부(403b)는, 전기적으로, 접속될 수 있다.
한편, 제1 제어부(310a)는, 제2 청소기(200) 장착시, 접속부(403a)에서의 류 전원 수신 여부 또는, 수신되는 직류 전원의 레벨을 감지하는 감지부로부터, 감지 신호(Svd2)를 입력받을 수 있다.
제2 청소기(200)는, 제2 배터리(230b), 제1 청소기(50)의 접속부(403a)로부터의 직류 전원을 수신하는 접속부(403b), 수신된 직류 전원을 스위칭하여 제2 인버터(420b)로 전달하는 스위칭부(415bc), 스위칭부(415bc)를 통해 입력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 제2 모터(142b)를 구동하는 제2 인버터(420b)를 구비할 수 있다.
한편, 제2 청소기(200)는, 접속부(403b)에서의 직류 전원 수신 여부 또는, 수신되는 직류 전원의 레벨을 감지하는 감지부(404b), 그리고, 제2 인버터(420b)를제어하는 제2 제어부(310b)를 구비할 수 있다.
한편, 제2 제어부(310b)는, 제2 배터리(230b)로의 충전을 위해, 스위칭부(415b)로, 제어 신호(sswb)를 출력할 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 10에서 기술한 모터 구동장치에 의해 구동되는 모터는, 고속 회전이 가능한 모터로서, 도 13의 제1 모터(142a), 또는 제2 모터(142b)일 수 있다.
즉, 도 1 내지 도 10에서 기술한 모터 구동장치(220)는, 도 13의 제1 모터(142a), 또는 제2 모터(142b)를 구동하기 위한 구동장치일 수 있다.
한편, 도 11 내지 도 13에서는 본 발명의 실시예에 다른 홈 어플라이언스의 일예로, 청소기를 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 다양한 예가 가능하다.
즉, 도 1 내지 도 10에서 기술한 모터 구동장치(220)는, 세탁기, 냉장고, 공기조화기, 드론, 로봇, 전기 차량 등에 적용 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 모터 구동방법 또는 홈 어플라이언스의 동작방법은, 모터 구동장치 또는 홈 어플라이언스에 구비된 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, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 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 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (11)

  1. 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터;
    상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되는 dc단 저항 소자;
    상기 dc단 저항 소자를 통해 샘플링된 상전류에 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 상기 모터의 회전 주파수와, 상기 dc단 저항 소자를 통해 샘플링되는 상전류의 샘플링 주파수가 동기화도록 제어하며,
    상기 샘플링된 상전류의 샘플링 값 또는 샘플링 시점 중 적어도 하나를 보상하고, 상기 보상된 샘플링 값 또는 샘플링 시점에 기초하여, 상기 인버터의 제어를 위한 스위칭 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 상기 모터의 회전 주파수가 가변되는 경우, 상기 샘플링 주파수가 가변되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 상기 샘플링 주파수가, 상기 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 상기 모터의 회전 주파수의 정수 배가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 상기 모터의 회전 주파수와, 상기 인버터의 스위칭 주파수가 동일하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    순시 토크 제어 방식으로, 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 샘플링된 상전류를 보상하는 전류 보상부;
    토크 지령치와, 상기 보상된 상전류에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치와 상기 보상된 상전류에 기초하여, 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 전압 지령치에 기초하여, 상기 인버터를 구동하기 위한 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전류 보상부는,
    상기 샘플링된 상전류의 샘플링 시점을 보상하는 제1 보상부; 및
    상기 샘플링된 상전류의 샘플링 값을 보상하는 제2 보상부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  9. 제1항에 있어서,
    교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터;
    상기 컨버터의 출력단인 dc단 전압을 저장하는 상기 dc단 커패시터;
    상기 dc단 전압을 검출하는 dc단 전압 검출부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  10. 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터;
    상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되는 dc단 저항 소자;
    상기 dc단 저항 소자를 통해 샘플링된 상전류에 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 모터에 인가되는 전압의 주파수 또는 상기 모터의 회전 주파수와, 상기 인버터의 스위칭 주파수가 동일하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  11. 제1항 내지 제5항, 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항의 모터 구동장치를 구비하는 홈 어플라이언스.
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