KR100858540B1 - 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터의 초기 시동시에 모터 회전자의 흔들림을 최소화할 수 있는 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 초기 회전자의 위치를 결정하기 위해서, 일정 패턴의 초기화 출력 파형을 출력 한 후, 일정기간의 정지기간을 설정하고, 다음 수행되는 가속구간에서 회전자의 흔들림없이 정상적으로 시동할 수 있는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 부하상태 또는 최초 회전자의 위치상태에 따라서 초기화 출력 파형이 과다한 경우 발생될 수 있는 회전자의 흔들림이 가속구간에서 연장되지 않도록 제어하므로서 가속구간에서의 정상적인 시동 특성을 높이고 있다.

인버터 에어컨, 압축기, 비엘디씨 모터, 초기화

Description

인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법{Method for controlling BLDC motor for inverter airconditioner}

도 1은 일반적인 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어 구성도,

도 2는 일반적인 비엘디씨 모터의 기동 패턴,

도 3는 종래 비엘디씨 모터의 제어방법에 따른 출력 파형도,

도 4a, 도 4b는 본 발명에 따른 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법에 따른 출력 파형도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 인버터스위칭부 15 : 게이트 드라이브

20 : PWM 제어부 25 : 회전자위치검출회로

30 : 비엘디씨 모터 35 : 전류보호회로

40 : 제어부

본 발명은 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 초기 시동시에 모터 회전자의 흔들림을 최소화할 수 있는 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 직류모터는 교류모터에 비하여 소형이면서도 효율이 좋으며, 연속적인 가변속운전이 가능한 것으로 알려져 있다. 비엘디씨 모터도 직류모터의 한 종류이다. 상기 비엘디씨(BLDC ; Brushless Direct Current)모터는, 무정류자 모터라고도 한다. 최근에는 인버터 에어컨에서 압축기 모터에 상기 비엘디씨 모터를 사용하고 있다.

상기 비엘디씨 모터는, DC 모터의 중요한 부품인 브러쉬와 정류자 대신에 트랜지스터나 MOSFET를 이용한 전자회로에 의하여 스위칭하여 구동하는 모터이다. 상기 모터의 동작은, DC 전원으로부터 공급되는 전류를 모터의 3상 또는 4상 권선에 분배하는 것으로, 이를 위해서는 회전자의 위치를 검출하고, 상기 검출정보에 기초하여 상기 모터의 3상 권선으로 전류 공급을 온/오프 하는 트랜지스터의 스위칭동작을 제어해서 모터의 회전과 속도를 제어하게 된다.

도 1은, 일반적인 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어를 위한 구성도를 도시하고 있다.

도시되고 있는 인버터 에어컨의 비엘디씨 모터는, 압축기에 사용되고 있다. 즉, 인버터 에어컨에서 압축기의 동작을 위해서 비엘디씨 모터를 사용하고 있다. 상기 비엘디씨 모터는, 센서가 없는 센서리스형 이다. 상기 센서리스형 비엘디씨 모터는, 초기 기동시 회전자의 위치 검출이 불가능하여 강제 기동을 행한 후 유기기전력을 검지하여, 회전자의 위치를 검지하게 된다.

도 1에 도시되고 있는 바와 같이, 비엘디씨 모터의 제어 구성은, 3상 권선을 갖는 압축기의 비엘디씨 모터(30)와, 상기 모터(30)의 각 상에 인가되는 전압을 스위칭하도록 다수개의 스위칭소자를 구비한 인버터스위칭부(10)와, 상기 스위칭소자의 구동을 제어하는 게이트 드라이브(15)와, 상기 모터(30)의 과부하를 감지하기 위하여 모터의 동작 전류를 검출하는 전류보호회로(35)와, 상기 모터 회전자의 회전위치와 회전속도 등의 정보를 얻기 위한 회전자위치검출회로(25)와, 모터의 구동을 총괄적으로 제어하는 제어부(40)를 포함하여 구성된다. 그리고 상기 제어부(40)와 게이트 드라이브(15) 사이에는 펄스폭 제어를 위한 PWM제어부(20)가 포함되어, 상기 제어부(40)의 제어하에 상기 게이트 드라이브(15)에 PWM 제어신호를 공급한다. 상기 인버터스위칭부(10)는, 6개의 트랜지스터와 6개의 다이오드로 구성된다.

다음은 상기와 같은 구성을 갖는 센서리스형 비엘디씨 모터의 동작을 상세하게 설명한다.

DC 전원(Vdc)이 인버터 스위칭부(10)를 통해서 비엘디씨 모터(30)에 공급되면, 모터(30) 회전자의 회전에 따라서 모터의 3상 권선에는 역기전력이 출력된다. 이때, 회전자위치검출회로(25)는, 상기 모터의 3상 권선의 역기전력을 검출 하여 제어부(40)에 인가한다. 상기 회전자위치검출회로(25)는, 상기 3상 권선의 역기전력을 검출하고, 검출한 역기전력을 기준값과 비교하여 구형파신호로 변환해서 출력한다. 이렇게 출력되는 비교결과에 따른 구형파신호는, 제어부(40)에 입력되고, 상기 제어부(40)는 입력되는 구형파신호에 의하여 현재 회전자의 위치를 검출하게 된다.

이렇게 해서 회전자의 위치가 검출되면, 제어부(40)는 PWM 제어부(20)를 통해서 게이트 드라이브(15)를 제어하여 모터(30)의 각 상에 공급되는 전류를 제어하게 된다. 이때, 인버터스위칭부(10)는, 6개의 트랜지스터가 온/오프 동작하는데, 상기 모터(30)의 3상 권선 중에서 항상 2상의 권선으로 전류가 공급되도록 하면서 모터(30)의 회전속도를 제어하게 된다.

또한, 제어부(40)는 상기 인버터 스위칭부(10)로부터 전류를 검지하는 전류보호회로(35)에서 검출한 전류값을 인가받고, 서지 전류 및 과전류를 검출하여 모터의 안정적인 동작을 도모한다.

즉, DC 형 모터의 경우에서는 회전자의 위치를 검출하고, 검출된 회전자의 위치에 의해서 모터(30)의 3상 권선 중에서 2상의 권선으로 전류가 공급되도록 제어하면서 구동되고 있다.

이것은 비엘디씨 모터는, U상, V상, W상 세개의 코일과 회전자로 구성되고 있고, 모터는 상기 3개의 코일에 번갈아서 하이(High), 로우(Low), 오픈(0) 상의 전압이 인가되면서, 그 전압에 의해 코일에 발생된 자기력이 모터의 회전자를 회전시켜서 구동된다. 따라서 제어부(40)는, 현재 회전자의 위치를 정확히 검출해야만, 상기 3상 코일에 인가되는 전압을 정확히 제어하는 것이 가능하게 된다.

한편, 센서리스형 비엘디씨 모터의 구동 제어에서, 회전자의 위치는 상기 회전자위치검출회로(25)에서 검출되는 역기전력을 이용하여 검출한다. 상기 역기전력은 회전자의 회전속도에 관련있는 함수이며, 정지 또는 저속 회전시의 역기전력을 상기 회전자위치검출회로(25)를 통해서 검출하는 것은 불가능하다. 따라서 일반적으로 센서리스형 비엘디씨 모터의 구동회로는, 상기 회전자위치검출회로(25)가 역기전력을 안정적으로 검출할 수 있는 수준의 속도에 이르기까지 모터를 임의로 회전시키는 제어를 수행한다.

이러한 제어를 위해서 모터(30)는, 도 2와 도 3에 도시되고 있는 바와 같은 패턴으로 초기 기동동작을 제어하고 있다.

즉, 모터(30)의 구동단계는, 초기화구간과, 가속 구간 그리고 센서리스구간으로 구성되어진다. 상기 초기화구간은, 정지된 회전자의 위치를 알지 못하는 구간이다. 상기 가속구간은, 상기 회전자위치검출회로(25)에서 검출되는 역기전력이 작기 때문에, 회전자의 위치를 인식하기가 어려운구간이다. 따라서 상기 가속구간에서는, 상기 회전자위치검출회로(25)에서 역기전력을 안정적으로 검지할 수 있는 수준의 속도에 이르기까지 모터를 가속시킨다. 마지막으로 센서리스구간은, 검출되는 역기전력에 의해서 회전자의 위치가 검출되는 구간이다. 따라서 상기 센서리스구간에 들어서면서부터는 회전자의 정상적인 제어가 실시되어진다.

한편, 상기 초기화구간은, 정지된 회전자의 위치를 모르기 때문에, 일정위치 로 회전자가 올 수 있도록 정해진 신호를 출력하는 구간이다. 따라서 제어부(40)는 도 3에 도시되고 있는 바와 같은 패턴으로 상기 초기화구간에 따른 PWM 제어를 모터(30)의 3상 권선에 수행하게 된다.

도시되고 있는 바와 같이, 상기 초기화구간은, 다시 두개의 얼라인1(Align1),(Align2) 구간으로 정형화되어 있다. 첫번째 얼라인1구간에서는 U상을 오프 상태로 제어한 상태에서 V상과 W상에 스위칭소자의 온/오프 스위칭동작으로 전류를 공급한다. 그리고 X상은 온상태를 유지하고, Y상과 Z상은 오프상태를 유지시킨다.

그리고 두번째 얼라인2 구간에서는 , W상은 계속해서 온/오프 스위칭 동작상태를 유지하지만, V상은 오프상태로 제어된다. 이때도 U상과, Y상, 그리고 Z상은 상기 얼라인1 구간과 동일한 동작상태를 유지한다. 따라서 제어부(40)는 도 3의 패턴으로 PWM 제어신호를 출력하면, 모터(30)의 초기화구간에 따른 구동이 이루어지는 것이다.

이러한 패턴으로 초기화동작이 진행되어서 회전자의 위치가 기설정된 위치에 고정되면, 다음은 상기 모터로 공급되는 전압의 크기를 가변시켜서 모터 RPM을 점차적으로 증가시키는 가속구간의 제어가 이루어진다.

그런데 종래의 비엘디씨 모터의 제어방법은 다음과 같은 문제점이 있다.

종래의 비엘디씨 모터의 초기화구간에서는, 초기 회전자의 위치를 고정위치로 제어하기 위하여 도 3과 같은 일정 패턴의 출력 파형을 출력한 후, 별도의 정지 구간없이 즉시 가속구간으로 제어되고 있다.

그렇기 때문에 부하상태, 최초 회전자의 위치상태에 따라서 초기화구간에 따른 도 3의 출력 파형 패턴이 과다할 경우 초기화구간의 제어과정에서 발생되는 관성으로 회전자가 고정위치에서 흔들림이 발생할 수 있다. 이러한 상태로 인해서 초기화구간의 다음 동작 제어로 이어지는 가속구간에서 회전자의 위치가 정상적으로 회전되지 않아서 시동 실패를 하는 경우가 발생되었다.

따라서 본 발명의 목적은 모터의 초기화구간의 제어과정에서 발생되는 회전자의 흔들림을 억제할 수 있는 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법은, 정지상태의 모터 회전자가 일정위치로 이동할 수 있도록 기설정된 패턴의 신호를 출력하는 단계와; 상기 단계의 제어과정에 따른 회전자의 떨림을 최소화한 후, 주파수를 상승시키기 위해서 소정시간동안 정지상태로 제어하는 단계와; 모터로부터 역기전력이 검출되어 회전자의 위치가 인식되기까지 모터의 속도를 소정값까지 점차적으로 가속시키는 단계와; 상기 단계에서 검출되는 역기전력에 기초한 회전자의 위치에 따라서 모터의 속도를 조절하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법에 대해서 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법은, 도 4a에 도시되고 있는 바와 같이, 정지된 회전자의 위치를 알지 못해서 정해진 패턴의 출력으로 회전자를 일정위치로 이동하도록 제어하는 초기화구간과, 모터의 회전에 의해서 발생되는 역기전력으로 회전자의 위치를 인식할 수 있을 때까지 모터의 회전속도를 점차적으로 가속시키는 가속구간 사이에 소정시간동안 정지구간을 두는 것을 특징으로 한다.

상기 정지구간은, 모터(30)의 3상 권선으로 공급되는 모든 상의 값을 오프상태로 제어한 것으로, 즉 인버터스위칭부의 6개의 스위칭소자를 모두 오프상태로 제어하는 것이다. 상기 정지구간은, 매우 짧은 소정시간동안 이루어지며, 상기 정지구간의 동작으로 상기 초기화구간의 제어동작으로 인한 회전자 떨림을 최소화한 후, 가속구간의 제어를 위한 주파수를 상승하게 된다.

상기 동작을 보다 상세하게 하기 위해서 인버터 에어컨에서 비엘디씨모터의 제어구성을 도 1을 참조해서 설명하기로 한다.

도시되고 있는 바와 같이, 3상 권선을 갖는 압축기의 비엘디씨 모터(30)와, 상기 모터(30)의 각 상에 인가되는 전압을 스위칭하도록 다수개의 스위칭소자를 구비한 인버터스위칭부(10)가 구비된다. 상기 인버터스위칭부(10)는, 6개의 트랜지스터와 6개의 다이오드로 구성된다. 상기 인버터스위칭부(10)에 구비된 6개의 스위칭소자는, 게이트 드라이브(15)에 의하여 구동되어진다. 그리고 상기 게이트 드라이브(15)는, 후술되는 제어부(40)의 제어하에 PWM 신호를 출력하는 PWM제어부(20)의 제어를 받는다.

상기 제어부(40)는, 도 4b에 도시되고 있는 바와 같은 기동패턴으로 상기 모터(30)의 초기 기동을 제어한다. 따라서 상기 제어부(40)는, 상기 도 4b의 기동 패턴을 저장하고 있어야 한다. 상기 도 4b의 기동패턴은, 정지된 회전자의 위치를 알지 못하는 초기화구간과 그리고 상기 초기화구간에서 가속구간으로 넘어가기까지의 정지구간을 도시하고 있다. 따라서 상기 제어부(40)는 상기 패턴에 따라서 PWM제어가 이루어질 수 있도록 PWM제어부(20), 게이트 드라이브(15), 인버터스위칭부(10)를 제어하게 된다.

그리고 상기 모터(30)의 과부하를 감지 하기 위하여 모터의 동작 전류를 검출하는 전류보호회로(35)가 구비되고, 부호 25는, 회전자위치검출회로이다. 상기 회전자위치검출회로(25)는, 상기 모터(30)의 회전시에 발생되는 역기전력을 검출하고, 검출된 역기전력을 기준값과 비교해서 하이 또는 로우상태의 구형파신호를 출력한다. 상기 회전자위치검출회로(25)에서 출력되는 구형파신호는, 제어부(40)에 입력되고, 상기 제어부(40)는, 상기 구형파신호에 의해서 회전자의 위치를 검출하고, 상기 검출된 회전자의 위치에 기초하여 상기 모터의 회전과 속도를 제어하기 위한 제어신호를 PWM제어부(20)에 출력하게 된다.

다음은 상기 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법에 대해서 상세하게 설명한다.

비엘디씨 모터(30)는, 회전자의 위치를 알고 있어야만, 상기 모터(30)의 3상 코일에 적절한 전압을 인가해서 모터가 회전되도록 제어할 수 있다. 그러나 본 발 명에서와 같이 센서리스형 비엘디씨 모터의 경우는, 회전자의 위치를 알 수 있는 센서가 구비되고 있지 않기 때문에, 모터의 구동 전에 회전자의 위치를 우선 검출하는 제어를 수행해야만 한다.

제품으로 전원이 공급되기 시작하면, 공급되는 전원은 소정의 역률 보상 등의 과정을 거쳐서 일정 크기의 DC 전원으로 발생되어진다. 이렇게 해서 발생된 DC 전원을 본 발명에서는 캐패시터에 충전된 DC 전압으로 설명하고 있다.

이렇게 해서 원하는 크기의 DC 전압이 발생되면, 제어부(40)는 비엘디씨 모터(30)의 초기 구동을 제어한다. 우선, 제어부(40)는 도 4b에 도시되고 있는 초기화구간에서 결정되고 있는 기동패턴으로 모터(30)에 전류가 공급되도록 제어한다.

상기 초기화구간도 두개의 얼라인 구간으로 나뉘며, 첫번째 얼라인1 구간에서는 U상, Y상, Z상은 오프 상태를, X상은 온 상태를, 그리고 V상과 W상은 일정듀티로 온/오프 스위칭을 계속하도록 제어한다. 상기 패턴으로 제어부(40)에서 모터가 구동되도록 제어하면, PWM제어부(20)에서 상기 패턴에 따른 PWM제어신호가 출력되고, 이 PWM제어신호가 게이트 드라이브(15)를 통해서 인버터스위칭부(10)의 6개의 스위칭소자의 동작을 제어하게 된다.

또한, 상기 첫번째 얼라인1 구간의 동작이 수행된 후, 제어부(40)는 두번째 얼라인2 구간에서와 같이, U상, V상, Y상, Z상은 오프상태를, 그리고 X상은 온 상태를, 그리고 W상은 일정 듀티로 온/오프 스위칭을 계속하도록 제어한다. 이때, 상기 W상의 온/오프 스위칭의 듀티비는 첫번째 얼라인1 구간에서의 듀티비와 다르게 설정된다. 상기 패턴으로 제어부(40)에서 모터가 구동되도록 제어하면, PWM제 어부(20)에서 상기 패턴에 따른 PWM제어신호가 출력되고, 이 PWM제어신호가 게이트 드라이브(15)를 통해서 인버터스위칭부(10)의 6개의 스위칭소자의 동작을 제어하게 된다.

즉, 초기화구간에서는 상기와 같이 정해진 출력파형으로 비엘디씨 모터(30)가 제어된다. 이때, 회전자는 정지상태에서 아주 낮은 속도로 회전하는 상태가 된다. 그리고 상기 정해진 패턴에 따른 회전동작으로 모터(30)는 일정위치에 도달하게 된다.

한편, 상기 초기화구간의 제어가 이루어질 때, 부하상태 또는 회전자의 최초 위치 등에 의해서 상기 초기화구간의 출력 파형이 과다한 경우가 발생될 수 있다. 만일, 상기 출력 파형이 회전자에 과다한 상태가 되면, 회전자는 일정위치에서 흔들리는 문제를 발생시키게 된다.

따라서 본 발명에서는 상기 초기화구간의 제어가 이루어진 후, 도 4b에서 도시되고 있는 바와 같이, 모든 상을 오프상태로 소정시간동안 제어하고 있다. 그리고 모든 상을 오프상태로 제어한 소정시간이 경과하면, 상기 회전자 위치 검출회로(25)에서 회전자 위치신호가 검출될 수 있을 때까지 모터(30)의 주파수를 상승시킨다.

즉, 상기와 같이 모든 상을 오프상태로 소정시간 동안 제어하면, 회전자가 기설정된 위치에서 고정된다. 이때, 제어부(40)는, 가속구간에 따른 제어를 수행한다. 상기 가속구간은, 상기 회전자 위치 검출회로(125)에서 회전자 위치신호가 검출될 수 있을 때까지 모터(130)의 주파수를 상승시킨다. 이때, 모터(130)의 주 파수는, 일정값에 도달할 때까지 계속해서 상승되어진다. 이때, 제어부(140)는 표준 주파수별 PWM 듀티로 스위칭소자의 온/오프 스위칭동작을 제어한다.

상기 동작의 제어로 압축기 모터(130)가 정상적으로 회전되고, 회전자위치검출회로(125)에서 역기전력에 따른 위치감지신호가 검출되면, 제어부(140)는 검출된 위치감지신호에 기초해서 센서리스 운전구간의 제어가 이루어진다.

이상에서와 같이 본 발명은 초기 회전자의 위치를 결정하기 위해서, 일정 패턴의 초기화 출력 파형을 출력 한 후, 일정기간의 정지기간을 설정하고, 다음 수행되는 가속구간에서 회전자의 흔들림없이 정상적으로 시동할 수 있는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 부하상태 또는 최초 회전자의 위치상태에 따라서 초기화 출력 파형이 과다한 경우, 발생될 수 있는 회전자의 흔들림이 가속구간에서 연장되지 않도록 제어하므로서 가속구간에서의 정상적인 시동 특성을 높이고 있다.

위에서 설명한 본 발명은 다음의 효과를 얻게 된다.

본 발명은 비엘디씨 모터를 일정위치로 이동시키는 초기화구간에서 부하상태, 최초 모터 회전자의 위치상태로 인하여 발생되는 회전자의 흔들림현상이 가속구간에 미치게 되는 영향을 최소화시킨다. 따라서 본 발명은 가속구간에서 정상적으로 압축기가 시동할 수 있도록 유도하여, 압축기의 시동 특성을 높이고, 나아가 빠른 냉난방효과를 사용자에게 제공한다.

Claims (1)

1. 정지상태의 모터 회전자가 일정위치로 이동할 수 있도록 기설정된 패턴의 신호를 출력하는 단계와;

   상기 단계의 제어과정에 따른 회전자의 떨림을 최소화한 후, 주파수를 상승시키기 위해서 소정시간동안 정지상태로 제어하는 단계와;

   모터로부터 역기전력이 검출되어 회전자의 위치가 인식되기까지 모터의 속도를 소정값까지 점차적으로 가속시키는 단계와;

   상기 모터의 속도를 가속시키는 단계에서 검출되는 역기전력에 기초한 회전자의 위치에 따라서 모터의 속도를 조절하는 단계를 포함하여 구성되는 인버터 에어컨에서 비엘디씨 모터의 제어방법.

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