KR20150085285A - 세탁기 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

영구자석 동기모터를 이용하여 드럼을 수평축을 중심으로 회전시키는 세탁기 및 그 제어방법을 제안한다.
영구자석 동기모터를 이용하여 드럼을 회전시키는 수평축 세탁기에서 모터 토크가 세탁물 토크보다 큰 '최대 토크 제어 영역'에서는 영구자석 동기 모터의 기동을 위한 운동 에너지를 최대한 저장하여 세탁물을 재구성하는 지점을 통과할 수 있도록 하고, 세탁물 재구성의 지점이 통과되고 세탁물의 상태가 용이하게 되면 드럼 속도를 일정하게 하는데 필요한 만큼의 토크를 공급하여 모터의 초기 기동 및 저속에서의 회전을 원활하게 할 수 있도록 한다.

Description

세탁기 및 그 제어방법{WASHING MACHINE AND METHOD TO CONTROL THEREOF}
본 발명은 영구자석 동기모터를 이용하여 드럼을 회전시키는 세탁기에서 초기 기동 및 저속에서의 회전을 원활하게 하는 세탁기 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 세탁기(통상, 드럼 세탁기)는 물(세탁수 또는 헹굼수)의 담수를 위한 터브와, 이 터브의 내부에 회전 가능하게 설치되어 세탁물을 수용하는 드럼과, 이 드럼을 회전시키기 위한 구동력을 발생하는 모터를 포함하여 원통형의 드럼이 수평축을 중심으로 회전할 때 그 내부의 세탁물이 드럼 내벽을 따라 상승하였다가 낙하하는 동작을 통해 세탁이 이루어지도록 하는 장치이다.
세탁기에 적용되는 모터는 여러 유형의 전기 모터를 사용하고 있지만, 최근 들어 에너지 효율 및 출력 밀도가 우수한 영구자석 동기모터(PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor)의 사용이 증가하고 있다.
영구자석 동기모터는 2극 이상의 극성을 가지는 회전자에 영구자석을 부착하여 회전 구동력을 발생시키는 것으로, 코일이 권선되어 있는 고정자와, 이 고정자에 대하여 회전 가능하게 배치되는 회전자로 구성된다.
영구자석 동기모터는 회전자에 부착된 영구자석으로부터 자속을 공급받아 회전하기 때문에 벡터 제어를 위해서는 회전자의 위치를 정확히 파악해야 한다. 이를 위해, 홀센서(Hall sensor)나 리졸버(Resolver) 소자, 엔코더(encoder)와 같은 위치 센서를 이용하여 회전자의 위치 정보를 검출한다. 그러나, 센서를 이용하여 모터 위치를 검출하는 방식은 센서의 사용으로 인한 제조비 상승과 회로의 부피 증가, 센서 파손 시 모터의 위치를 검출할 수 없는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 별도의 위치 센서를 설치하지 않고 영구자석 동기모터의 전압, 전류 정보 등을 이용하여 회전자의 위치를 간접적으로 검출하는 센서리스(sensorless) 제어 방식이 모색되었다.
세탁기에 적용되는 영구자석 동기모터는 세탁 행정 또는 헹굼 행정 중에 정/역회전을 하면서 그 사이에 드럼이 정지된 후 다시 기동되는 과정을 반복하므로 센서리스 제어에서는 정/역 구간의 저속 운전 및 가/감속 시의 회전자 위치 검출 및 제어 성능이 중요하다.
그러나, 드럼을 정지 상태에서 회전하게 되면, 드럼에 수용된 세탁물(특히, 젖은 세탁물)의 무게 중심이 정지 상태에서 아래쪽을 향하고 있기 때문에 세탁물이 큰 부하로 작용한다. 따라서 드럼의 속도를 목표 RPM까지 올리기 위해서는 일시적으로 사용 가능한 전류 또는 전압 제한치까지 사용하는 제어 동작이 필요하므로 드럼의 초기 기동 시에 토크 부하(이하, 세탁물 토크라 한다)가 제일 크게 작용되며, 이때에 드럼을 구동하는 영구자석 동기모터에 과부하가 작용된다. 영구자석 동기모터에 가해지는 부하가 모터의 출력보다 과도하게 크면 드럼이 회전되지 않고 멈춰 버리는 구속 현상이 발생할 수 있다.
영구자석 동기모터를 이용하여 드럼을 수평축을 중심으로 회전시키는 세탁기에서 초기 기동 및 저속에서의 회전을 원활하게 할 수 있는 세탁기 및 그 제어방법을 제안하고자 한다.
이를 위해 본 발명의 일 측면은 세탁물을 수용하는 드럼과, 드럼을 수평축을 중심으로 회전시키는 모터를 구비한 세탁기의 제어방법에 있어서, 모터의 초기 기동 시, 모터에서 발생되는 토크가 드럼의 회전에 가해지는 세탁물 토크보다 큰 제1영역에서 모터 구동의 운동 에너지를 증가시켜 저장하고; 모터의 구동에 따라 발생되는 토크가 세탁물 토크보다 작아지는 제2영역에서 저장된 운동 에너지와 모터의 구동 토크를 이용하여 드럼을 회전시키는 것을 포함한다.
모터는 인버터에 의해 구동되는 센서리스 영구자석 동기모터이다.
또한, 모터는 코일이 권선되어 있는 고정자와, 고정자에 대하여 회전 가능하게 배치된 회전자를 포함한다.
제1영역은 고정자 전류의 p/3 - 3p/4 기간(p는 모터 극 쌍의 수)을 포함한다.
운동 에너지는, 세탁기의 세탁 행정, 헹굼 행정 또는 탈수 행정의 진입을 위해 모터를 초기 기동할 때에 저장하는 것이다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의한 세탁기는, 세탁물을 수용하는 드럼; 드럼을 수평축을 중심으로 회전시키는 모터; 모터를 구동하는 인버터; 인버터에 의해 구동되는 모터의 초기 기동 시, 모터에서 발생되는 토크가 드럼의 회전에 가해지는 세탁물 토크보다 큰 제1영역에서 모터 구동의 운동 에너지를 증가시켜 저장하고, 모터 토크가 세탁물 토크보다 작아지는 제2영역에서 저장된 운동 에너지와 모터의 구동 토크를 이용하여 드럼을 회전시키는 제어부를 포함한다.
제어부는, 모터의 초기 기동 전에 고정자 저항 및 인버터 스위치에 의한 전압 강하를 측정하는 것을 더 포함한다.
제안된 세탁기 및 그 제어방법에 의하면, 영구자석 동기모터를 이용하여 드럼을 회전시키는 수평축 세탁기에서 모터 토크가 세탁물 토크보다 큰 '최대 토크 제어 영역'에서는 영구자석 동기 모터의 기동을 위한 운동 에너지를 최대한 저장하여 세탁물을 재구성하는 지점을 통과할 수 있도록 하고, 세탁물 재구성의 지점이 통과되고 세탁물의 상태가 용이하게 되면 드럼 속도를 일정하게 하는데 필요한 만큼의 토크를 공급하여 모터의 초기 기동 및 저속에서의 회전을 원활하게 할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 모터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 모터의 센서리스 제어를 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 모터의 센서리스 제어를 위한 속도 제어 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시한 벡터 전류 제어기의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 모터의 초기 기동 시 세탁물의 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 세탁물 토크와 모터 토크를 나타낸 파형도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 모터의 기동을 위한 토크 프로파일을 나타낸 파형도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 모터 기동 방법을 나타낸 파형도이다.
이하, 본 발명에 의한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기(1)는 대략 박스형상을 가지며 외관을 형성하는 본체(10)와, 본체(10)의 내부에 설치되는 터브(20)와, 터브(20)의 내부에 회전 가능하게 설치되는 드럼(30)과, 드럼(30)을 구동하는 영구자석 동기모터(40;이하, "모터"라 한다)를 구비한다.
본체(10)의 전면부에는 드럼(30)의 내부로 세탁물을 투입할 수 있도록 투입구(11)가 형성된다. 투입구(11)는 본체(10)의 전면부에 설치된 도어(12)에 의해 개폐된다.
드럼(30)은 원통부(31)와, 원통부(31)의 전방에 설치되는 전면판(32)과, 원통부(31)의 후방에 설치되는 후면판(33)을 포함하여 구성된다. 전면판(32)에는 세탁물의 출입을 위한 개구(32a)가 형성되고, 후면판(33)에는 모터(40)의 동력을 전달하기 위한 구동축(43)이 연결된다.
드럼(30)의 둘레에는 세탁수의 유통을 위한 다수의 통공(34)이 형성되고, 드럼(30)의 내주면에는 드럼(30)이 회전할 때 세탁물의 상승 및 낙하가 이루어질 수 있도록 복수의 리프터(35)가 설치된다.
모터(40)는 터브(20)의 후면에 고정되는 고정자(41)와, 고정자(41)와 상호 작용하며 회전하는 회전자(42)와, 일단은 회전자(42)의 중앙에 고정되며 타단은 터브(20)를 관통하여 드럼(30)의 후면판(33) 중앙에 고정되는 구동축(43)을 포함한다.
통상, 모터(40)는 계자 권선(field coil)과 전기자(armature)로 구성되는 유니버설 모터(Universal Motor)나, 영구자석과 전기 자석으로 구성되는 BLDC 모터(Brushless Direct Motor) 등을 사용하며, 드럼(30)에 적용 가능한 모터이면 어떠한 모터(40)를 사용하여도 무방하다.
드럼(30)과 모터(40) 사이에는 구동축(43)이 설치된다. 구동축(43)의 일단은 드럼(30)의 후면판(33)에 연결되고, 구동축(43)의 타단은 터브(20)의 후벽의 외측으로 연장된다. 모터(40)가 구동축(43)을 구동하면, 구동축(43)에 연결된 드럼(30)이 구동축(43)을 중심으로 회전한다.
터브(20)의 후벽에는 구동축(43)을 회전 가능하게 지지하도록 베어링 하우징(21)이 설치된다. 베어링 하우징(21)은 알루미늄 합금으로 마련될 수 있으며, 터브(20)를 사출 성형할 때 터브(20)의 후벽에 인서트될 수 있다. 베어링 하우징(21)과 구동축(43) 사이에는 구동축(43)이 원활하게 회전할 수 있도록 베어링들(22)이 설치된다.
터브(20)는 댐퍼(23)에 의해 지지된다. 댐퍼(23)는 본체(10)의 내측 저면과 터브(20)의 외면을 연결한다.
터브(20)의 상부에는 터브(20)로 물을 공급하기 위한 급수장치(50)와, 급수장치(50)에 연결되어 급수장치(50)를 통해 전달된 물이 세제와 함께 터브(20)로 공급되도록 하는 세제공급장치(70)가 설치되며, 터브(20)의 하부에는 터브(20) 내부의 물을 본체(10)의 외부로 배출하기 위한 배수장치(60)가 설치된다.
급수장치(50)는 터브(20) 내부로 물(세탁수 또는 헹굼수)을 공급하기 위해 외부의 급수원(미도시)과 세제공급장치(70)를 연결하는 급수관(51)과, 급수관(51)의 중도에 설치되어 급수를 제어하는 급수밸브(52)와, 터브(20)와 세제공급장치(70)를 연결하는 연결관(53)을 포함한다.
배수장치(60)는 터브(20)의 물이 본체(10) 외부로 배출되도록 안내하는 배수관(61)과, 배수관(61)에 설치되어 물이 배수관(61)을 통해 배출되도록 하는 배수펌프(62)를 포함한다.
세제공급장치(70)는 그 하부에 연결된 연결관(53)를 통해 터브(20)와 연결된다. 따라서 급수관(51)을 통해 공급되는 물은 세제공급장치(70)를 경유하여 연결관(53)을 통해 터브(20)로 공급된다. 이러한 구성은 터브(20)로 공급되는 물이 세제공급장치(70)를 경유하도록 함으로써 세제공급장치(70) 내부의 세제가 물과 함께 터브(20)로 공급될 수 있도록 한 것이다.
도 2는 도 1에 도시한 모터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2에서, 모터(40)는 고정자(41)와 회전자(42)로 이루어진다. 고정자(41)는 U, V, W 세 개의 코일(411, 412, 413)을 구비한다. 회전자(42)는 영구자석으로 이루어지며, 고정자(41)에 대하여 회전 가능하도록 배치된다. 고정자(41)의 각 코일(411, 412, 413)에 전압이 인가되면, 각 코일(411, 412, 413)은 자기장을 발생시키는데, 이 자기장에 의해 회전자(42)가 회전하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 모터의 센서리스 제어를 위한 회로도이다.
도 3에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 제어 회로는 220V 60Hz 등의 교류로 공급되는 상용 전원(100)을 정류하는 정류기(102), 정류기(102)에 접속되어 정류된 직류 전압을 평활하고 전기적 에너지를 축적하는 평활용 전해콘덴서(104), 평활용 전해콘덴서(104)에 접속되어 평활용 전해콘덴서(104)에서 출력되는 직류 전압을 펄스폭 변조(PWM)를 통해 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류(U, V, W)로 바꾸어 모터(40)를 구동하는 인버터(106), 모터(40)의 상 전류를 측정하는 전류 측정부(108), 인버터(106)에 공급되는 PWM 신호의 패턴을 출력하여 인버터(106)를 제어하는 제어부(110)를 포함하여 구성한다.
인버터(106)는 ６개의 스위칭소자(IGBT)와 다이오드(FRD)를 ３상 풀 브릿지(Full Bridge)로 결선하여 직류 전압을 3상의 지령 전압으로 변환하고, 이 3상의 지령 전압 Vu*, Vv*, Vw*를 모터(40)에 공급하는 IPM(Intelligent Power Module)이다.
전류 측정부(108)는 모터(40)에 입력되는 3상의 전류 Iu, Iv, Iw를 측정하여 제어부(110)의 A/D변환기에 입력하는 것으로, 여러 가지 형태로 구성될 수 있다.
첫 번째는 모터(10)의 3상에 세 개의 전류변환기(CT; Current Transducer)나 직렬의 션트(shunt)저항을 이용하여 3상 전류를 직접 검출한다. 두 번째는 두 개의 전류변환기나 직렬의 션트 저항으로 두 상의 전류를 검출하고 나머지 한 상의 전류는 검출된 두 상의 전류값으로 추정하는 방식 등에 의하여 구성될 수 있다.
세 번째는 dc bus측의 하나의 직렬 션트 저항이나 인버터(106)의 아래쪽 스위치들과 접지사이에 직렬로 두 개나 세 개의 션트 저항으로 3상 전류를 재구성하여 추정할 수 있다. 네 번째는 세 번째 방법과 동일하나 션트 저항이 인버터(106) 스위치의 외부에 위치하지 않고 내부에 있는 방식으로 추정할 수 있다. 이외 다른 방법으로도 3상 전류의 검출이 가능하며, 이는 공지된 방식 중 어느 하나에 의해 바람직하게 구성될 수 있다.
제어부(110)는 인버터(106)의 ６개 스위칭소자의 온/오프를 제어하고, 임의 전압 및 임의 주파수의 ３상 교류를 만들어 내는 마이크로컴퓨터(MCU)로, PWM 제어를 통한 모터(40) 구동은 일반적인 공지기술이다.
또한, 제어부(110)는 인버터(106)의 회전 제어를 위해서 평활용 전해콘덴서(104)에 링크된 직류전압(Vdc)을 검출한다.
또한, 제어부(110)는 전류 측정부(108)를 통해 측정된 3상 전류 Iu, Iv, Iw로부터 변환 연산을 통해 d축(자속축), q축(토크축) 성분의 전류를 산출한다. 여기에서 d축, q축은 모터 회전자(42)의 영구자석이 만드는 자속 방향을 d축(자속축), 이와 직교하는 방향을 q축(토크축)으로 하는 회전 좌표축이다. 통상 d축 전류는 자속 생성에 기여하는 전류 성분이며, q축 전류는 회전 토크 발생에 기여하는 전류 성분이다. 이 q축 전류와 d축 전류를 이용한 PI 제어 방식을 통해 3상의 펄스폭 변조신호(PWM 신호)가 생성되고, 이 3상의 펄스폭 변조신호(PWM 신호)에 의해 인버터(106)에서는 모터(40)에 구동 전류를 인가하여 모터(40)를 원하는 속도로 회전시키게 된다. 이때, 제어부(110)는 모터(40)의 q축 전류와 d축 전류를 이용하여 회전자(42)의 위치와 속도를 추정하고, 추정된 회전자(42)의 위치를 근거로 하여 모터(40)가 최적의 상태로 구동되도록 회전자(42)의 위치에 상응하는 전류값이 모터(40)에 흐르도록 3상의 펄스폭 변조신호(PWM 신호)를 생성하는 센서리스 제어를 수행한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 모터의 센서리스 제어를 위한 속도 제어 구성도이고, 도 5는 도 4에 도시한 벡터 전류 제어기의 구성도이다.
도 4에서, 모터(40)의 센서리스 제어를 위한 제어부(110)는 역기전력과 자속을 이용하여 위치와 속도를 추정하는 전기 모델을 기반으로 한 제1위치속도 추정기(120), 회전체의 관성 계수와 토크를 이용하여 위치와 속도를 추정하는 기계 모델을 기반으로 한 제2위치속도 추정기(130), 전기 모델에 의해 추정한 위치 및 속도 정보와 기계 모델에 의해 추정한 위치 및 속도 정보를 크로스오버 함수로 혼합하는 위치속도 혼합기(140), 측정된 또는 추정된 속도와 지령을 비교하여 토크 지령을 발생하는 속도 제어기(150), 토크 지령을 전류 지령으로 변환하는 전류 지령 변환기(160), 지령 전류와 추정 및 측정한 전류와 비교하여 전압을 발생하는 벡터 전류 제어기(170)를 포함한다.
전류 지령 변환기(160)는 속도 제어기(150)의 출력인 토크를 전류로 변환하는 역할을 하는데, 회전좌표계의 q-축 전류 지령에 해당한다.
도 5에서, 벡터 전류 제어기(170)는 측정 및 추정한 3상 전류를 정지좌표계로 변환하는 3상/정지좌표계 변환부(171), 추정위치로부터 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 정지좌표계/회전좌표계 변환부(172), 회전좌표계의 d-축, q-축 전류와 지령 전류와 비교하여 전압을 발생하는 전류제어부(173), 회전좌표계 전압을 정지좌표계로 변환하는 회전좌표계/정지좌표계 변환부(174), 정지좌표계 전압을 3상 전압으로 발생하는 PWM발생부(175)로 구성되며, 이는 종래에 사용하고 있는 일반적인 방식이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 초기 기동 및 저속에서의 회전을 원활하게 하는 방법의 동작 과정 및 작용 효과를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 모터의 초기 기동 시 세탁물의 상태를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 세탁물 토크와 모터 토크를 나타낸 파형도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기에서 모터의 기동을 위한 토크 프로파일을 나타낸 파형도이다.
사용자는 드럼(30)의 내부에 세탁물을 넣고 컨트롤패널에 마련된 버튼을 조작하여 세탁물의 종류에 따라 세탁코스(예를 들면, 표준코스)를 선택한다. 이때 사용자가 선택한 세탁코스의 운전 정보는 제어부(110)에 입력된다.
따라서, 제어부(110)는 입력된 운전 정보에 따라 드럼(30)에 투입된 세탁물의 무게(부하량)를 검출한다. 이때 세탁물의 무게를 검출하는 방식은, 모터(40)를 무게 검출 RPM(약, 70~150 RPM)으로 회전하면서 모터(40)에 일정 듀티(90V)를 주고 일정 듀티에 도달할 때까지 걸리는 시간 및 각속도의 값을 이용하여 무게를 검출하는 방식과, 모터(40)의 순시 가속을 이용하여 일정속도(또는 일정 회전수)에 도달하는 시간을 이용하여 무게를 검출하는 방식과, 일본 특개 제2002-336593호, 일본 특개 제2004-267334호, 일본 특공 평07-90077호에 개시된 바와 같이, 모터(40)에 일정시간 토크를 주어 드럼(30)의 관성량을 직접적 또는 간접적으로 계측한 후 운동의 제2법칙(토크=관성ㅧ가속도)을 이용하여 무게를 검출하는 방식 등 어떠한 방식도 적용 가능하다.
이외에도, 공지의 방식 중 로드 셀(load cell)을 이용하여 세탁물의 무게(부하량)를 검출할 수 있음은 물론이다.
세탁물의 무게(부하량)가 검출되면, 제어부(110)는 검출된 세탁물의 무게(부하량)에 따라 모터 RPM과 운전율(모터 온-오프시간), 목표 세탁 수위 및 목표 헹굼 수위, 세탁 및 헹굼 시간, 투입 세제량(구체적으로, 세제 투입 시간) 등을 설정한다.
세탁물의 무게(부하량)에 따라 모터 RPM과 운전율(모터 온-오프시간), 목표 세탁 수위 및 목표 헹굼 수위, 세탁 및 헹굼 시간, 세제 투입 시간 등을 설정하는 것은, 사용자가 세탁기(1)의 동작에 관한 별도의 명령을 추가로 입력하지 않은 경우에 해당한다. 사용자가 세탁기(1)의 동작에 관한 별도의 명령을 추가로 입력한 경우에는 세탁물의 무게(부하량)에 따라 설정된 모터 RPM과 운전율(모터 온-오프시간), 목표 세탁 수위 및 목표 헹굼 수위, 세탁 및 헹굼 시간, 세제 투입 시간 등이 사용자 명령에 따라 변경됨은 물론이다.
이에 따라, 제어부(110)는 세탁 행정, 헹굼 행정 또는 탈수 행정을 진행하기 위해 모터(40)의 초기 기동인가를 판단한다.
판단 결과, 모터(40)의 초기 기동이면 제어부(110)는 세탁물을 재구성해야 한다.
그 이유는, 모터(40)를 이용하여 드럼(30)을 회전시키는 수평축 세탁기에서 세탁물(특히, 젖은 세탁물)은 모터(40)의 기동 전에 도 6에 도시한 바와 같이, 드럼(30)의 바닥에 있고 눌려져 있기 때문이다. 이때에는 세탁물의 무게 중심(Mg)이 정지 상태에서 아래쪽을 향하고 있기 때문에 드럼(30)의 회전이 시작되는 경우, 세탁물은 고형인 상태로 움직이고 이때의 부하 토크 즉, 세탁물 토크가 제일 크게 작용한다.
이와 같이, 세탁물이 구성되지 않은 경우 모터(40)의 초기 기동에서의 세탁물 토크는 상당히 커서 모터(40)의 최대 토크(이하, "모터 토크"라 한다)보다 더 클 수 있다.
세탁물이 재구성될 때까지 세탁물 토크는 드럼(30)의 각도(θ)에 따라 좌우되고 도 7에 도시한 바와 같이, 사인 형태를 갖는다.
따라서, 제어부(110)는 세탁물이 재구성될 때까지 모터 토크가 세탁물 토크보다 큰 "제1영역(①)"에서 모터(40) 기동에 필요한 운동 에너지를 가능한 많이 증가시켜 저장한다. 이에 따라, 저장된 운동 에너지가 세탁물 토크가 모터 토크보다 큰 "제2영역(②)"을 극복하는데 필요한 에너지보다 크면 모터(40)는 성공적으로 기동된다.
도 7에서 보듯이, 드럼(30)의 속도는 "제2영역"에서 감소하지만 제로 속도보다 여전히 크게 남아 있음을 알 수 있다.
도 7의 기동 과정은 세탁물의 재구성을 고려하지 않고 도시한 것으로, 실제 드럼(30)이 110˚에 가까운 각도로 회전하는 경우에 세탁물은 재구성되어 세탁물의 일부는 드럼(30)의 바닥으로 떨어지고 세탁물 토크는 감소한다. 그러나, 드럼(30)의 속도는 그렇게 감소하지 않음을 알 수 있다.
따라서, 제어부(110)는 모터(40)의 초기 기동 및 저속에서의 회전을 원활하게 하기 위해 도 8에 도시한 바와 같이, 토크 프로파일을 제안한다.
도 8에서, "최대 토크 제어" 영역에서는 모터(40) 기동에 필요한 운동 에너지를 가능한 많이 저장하여 세탁물 재구성의 지점을 통과하는데 사용한다.
이러한 지점을 통과하고 세탁물의 상태가 용이하게 되는 경우, 모터(40)는 드럼(30)의 속도를 일정하게 하는데 필요한 만큼의 토크를 공급하는 "속도 제어 영역"으로 진입한다.
통상적으로 "최대 토크 제어" 영역은 고정자(41) 전류의 p/3 - 3p/4 기간을 포함한다. 여기서, p는 모터 극 쌍(motor pole pairs)의 수이다.
모터(40)의 구동은 예를 들어, 제1 및 제2속도 위치 추정기(120, 130)를 통해 기계 모델 및 전기 모델을 구현하면, 모터(40)가 구동할 때마다 정확한 모터 파라미터를 아는 것이 매우 중요하다. 이들 중 가장 중요한 것은 고정자(41) 저항 및 인버터(106) 스위치를 따르는 전압 강하이다. 그러나, 구동 파라미터는 세탁 시에 고정자(41) 온도에 따라 상당히 달라진다. 예를 들어, 고정자(41) 저항은 30 - 40%까지 증가할 수 있다. 따라서 양호한 성능을 위하여, 구동 파라미터는 모터(40)의 기동 전에 매번 측정되어야 한다.
이를 위해, DC 전압(U)을 고정자(41)에 인가하고, 고정자 전류(I)를 측정하면, 키르히호프의 법칙에 따라 아래의 [식 1]을 구할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
[식 1]에서, △USW∑는 인버터 스위치에 따른 전체 전압 강하이고, R∑는 전체 저항이다.
[식 1]에서, 전체 저항은 인버터(106) 스위치의 상태에 따라 좌우된다. 권선의 저항을 무시하면, R은 "Y" 결선에 대해 1.5Rs 또는 2Rs와 같게 설정될 수 있고, 여기서 Rs는 위상 저항이다.
[식 1]은 두 개의 미지 변수를 가지므로 두 개의 다른 DC 전압 레벨이 인가되어야 하고, 아래의 [식 2]과 같이 두 개의 전류가 측정되어야 한다.
[식 2]
Figure pat00002
[식 2]에서, U1, U2는 두 개의 다른 전압 레벨이고, I1, I2는 두 개의 다른 전압 레벨에 따른 전류값이다.
[식 1]과 [식 2]를 통해 전체 저항(R∑)과 전압 강하(△USW∑)를 아래의 [식 3], [식 4]와 같이 측정할 수 있다.
[식 3]
Figure pat00003
[식 4]
Figure pat00004
그 결과, 고정자(41) 저항은 권선 전환(winding commutation)에 따라 알 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 모터 기동 방법을 나타낸 파형도이다.
도 9에서 알 수 있듯이, 제어부(110)는 고정자 저항(R∑)과 전압 강하(△USW ∑)를 측정하여 모터(40)의 초기 기동 및 저속에서의 회전을 원활하게 할 수 있게 된다.
1 : 세탁기 20 : 터브
30 : 드럼 40 : 모터
41 : 고정자 42 : 회전자
106 : 인버터 108 : 전류 측정부
110 : 제어부 120, 130 : 제1 및 제2위치속도 추정기
140 : 위치속도 혼합기 150 : 속도제어기
160 : 전류 지령 변환기 170 : 벡터 전류 제어기

Claims (10)

  1. 세탁물을 수용하는 드럼과, 상기 드럼을 수평축을 중심으로 회전시키는 모터를 구비한 세탁기의 제어방법에 있어서,
    상기 모터의 초기 기동 시, 상기 모터에서 발생되는 토크가 상기 드럼의 회전에 가해지는 세탁물 토크보다 큰 제1영역에서 상기 모터 구동의 운동 에너지를 증가시켜 저장하고;
    상기 모터의 구동에 따라 발생되는 토크가 상기 세탁물 토크보다 작아지는 제2영역에서 상기 저장된 운동 에너지와 상기 모터의 구동 토크를 이용하여 상기 드럼을 회전시키는 세탁기의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 인버터에 의해 구동되는 센서리스 영구자석 동기모터인 세탁기의 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 코일이 권선되어 있는 고정자와, 상기 고정자에 대하여 회전 가능하게 배치된 회전자를 포함하는 세탁기의 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1영역은 상기 고정자 전류의 p/3 - 3p/4 기간(p는 모터 극 쌍의 수)을 포함하는 세탁기의 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 운동 에너지는,
    상기 세탁기의 세탁 행정, 헹굼 행정 또는 탈수 행정의 진입을 위해 상기 모터를 초기 기동할 때에 저장하는 세탁기의 제어방법.
  6. 세탁물을 수용하는 드럼;
    상기 드럼을 수평축을 중심으로 회전시키는 모터;
    상기 모터를 구동하는 인버터;
    상기 인버터에 의해 구동되는 상기 모터의 초기 기동 시, 상기 모터에서 발생되는 토크가 상기 드럼의 회전에 가해지는 세탁물 토크보다 큰 제1영역에서 상기 모터 구동의 운동 에너지를 증가시켜 저장하고, 상기 모터 토크가 상기 세탁물 토크보다 작아지는 제2영역에서 상기 저장된 운동 에너지와 상기 모터의 구동 토크를 이용하여 상기 드럼을 회전시키는 제어부를 포함하는 세탁기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모터는 인버터에 의해 구동되는 센서리스 영구자석 동기모터인 세탁기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모터는 코일이 권선되어 있는 고정자와, 상기 고정자에 대하여 회전 가능하게 배치된 회전자를 포함하는 세탁기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1영역은 상기 고정자 전류의 p/3 - 3p/4 기간(p는 모터 극 쌍의 수)을 포함하는 세탁기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터의 초기 기동 전에 상기 고정자 저항 및 상기 인버터 스위치에 의한 전압 강하를 측정하는 것을 더 포함하는 세탁기.
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