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KR20210153366A - 2상 모터 어셈블리 - Google Patents

2상 모터 어셈블리 Download PDF

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KR20210153366A
KR20210153366A KR1020200070305A KR20200070305A KR20210153366A KR 20210153366 A KR20210153366 A KR 20210153366A KR 1020200070305 A KR1020200070305 A KR 1020200070305A KR 20200070305 A KR20200070305 A KR 20200070305A KR 20210153366 A KR20210153366 A KR 20210153366A
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motor
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torque
motor assembly
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권선구
전차승
정재훈
하정익
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 모터 어셈블리에 관한 것으로, 특히, 2상 입력 전원을 가지는 모터 및 2상 모터를 구동하는 전력 변환 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 2상 모터를 구동하는 모터 어셈블리에 있어서, 전기적으로 절연된 병렬구조를 가지는 제1 권선 및 제2 권선을 포함하는 모터; 직류 전압을 공급하는 DC-링크 회로; 및 상기 DC-링크 회로에 연결되어 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 모터를 구동하고, 상기 제1 권선과 연결되는 제1 스위칭 소자 세트 및 상기 제2 권선과 연결되는 제2 스위칭 소자 세트를 포함하는 인버터를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

2상 모터 어셈블리 {Two-phase motor assembly}
본 발명은 모터 어셈블리에 관한 것으로, 특히, 2상 입력 전원을 가지는 모터 및 2상 모터를 구동하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
일반적으로 모터의 구동 및 제어를 위해 직류 전원으로부터 교류 전원을 발생하는 전력 변환 장치인 인버터를 사용하는데, 모터의 구동 및 제어를 위해서 단상, 2상 또는 3상으로 시스템을 구성할 수 있다.
모터 및 구동장치가 청소기와 같은 소형 제품에 적용되기 위해서 제한된 체적 내에서 출력을 증가시키고, 모터의 운전 속도의 상승과 더불어 유로 효율 개선할 필요가 있다. 또한, 작은 체적을 차지하는 모터 설계 용량을 증가시킬 필요성이 있다.
단상 모터의 경우에는 기동 능력이 상대적으로 저하되고 특정 위치에서 기동 불가함 이를 극복하기 위해서 기동 캐패시터(Capacitor)를 사용하여야 하는 등의 한계점이 존재한다.
특히, 단상 모터의 구동 시, DC-링크(DC-Link) 전압의 불균형으로 인해 제어 특성이 열화될 수 있다.
또한, 중성점을 통해 DC-링크 양단 캐패시터에 모터 회전 속도 성분의 전기주파수의 전류가 유입될 수 있고, 이로 인하여 저속/고토크 조건에서는 저주파 대전류가 캐패시터로 유입되므로 캐패시터의 수명 문제가 유발될 수 있다.
더욱이, 일반적으로 단상 모터의 경우에는 고속 운전에 대한 설계가 적용되기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 2상 모터를 이용하면서 3상 모터의 수준으로 전압 이용률을 극대화시키거나 최고 속도를 상향화할 수 있는 모터 및 그 구동장치가 요구된다.
해결하고자 하는 기술적 과제는 최고 속도를 상향화하는 고속 운전의 장점을 갖는 2상 모터를 구동하는 모터 어셈블리를 제공하고자 한다.
또한, 동일 출력 기준 모터의 경량화와 소형화가 가능하고, 동일 체적 대비 모터 출력을 증가시킬 수 있는 2상 모터 어셈블리를 제공하고자 한다.
본 발명에 의하면, 전압 이용률을 극대화하거나 인버터 출력 전압의 제한을 완화시켜서 최고 속도를 상향화하는 고속 운전의 장점을 갖는 2상 모터를 구동하는 모터 어셈블리를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 고속 운전 기법을 적용함으로써, 동일 출력 기준 모터의 경량화와 소형화가 가능하고, 동일 체적 대비 모터 출력을 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명이 청소기 팬 모터에 적용되는 경우에 모터의 최고 속도를 상향화시킬 수 있고, 이로 인한 청소기의 고속 운전, 흡입력 향상을 위한 모터의 고출력화 및 소형화를 달성할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명에 의하면, 2상 모터 구동에 최적화된 인버터 구조가 제안되고, 이를 통한 고속 운전 방법이 제안될 수 있다.
본 발명에 의하면, 전기적으로 절연된 병렬구조를 가지는 제1 권선 및 제2 권선을 포함하는 모터 및 이러한 모터를 구동하기 위한 인버터가 구비될 수 있다.
이때, 제1 권선과 연결되는 제1 스위칭 소자 세트 및 상기 제2 권선과 연결되는 제2 스위칭 소자 세트를 포함할 수 있다.
이때, 제1 권선과 제2 권선 사이의 위상차는 90도 또는 270도일 수 있다.
구체적인 일례로서, 본 발명은, 2상 모터를 구동하는 모터 어셈블리에 있어서, 전기적으로 절연된 병렬구조를 가지는 제1 권선 및 제2 권선을 포함하는 모터; 직류 전압을 공급하는 DC-링크 회로; 및 상기 DC-링크 회로에 연결되어 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 모터를 구동하고, 상기 제1 권선과 연결되는 제1 스위칭 소자 세트 및 상기 제2 권선과 연결되는 제2 스위칭 소자 세트를 포함하는 인버터를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 인버터에서 상기 모터의 제1 권선 및 제2 권선으로 인가되는 전류는 비대칭일 수 있다.
또한, 상기 모터는 중성점을 포함하지 않을 수 있다.
또한, 상기 DC-링크 회로는 중성점을 포함할 수 있다.
또한, 상기 인버터를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
이때, 제어부는 상기 모터의 제1 상은 상기 중성점과 하프 브릿지(half-bridge)로 동작시키고 제2 상은 풀 브릿지(full-bridge)로 동작시킬 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 속도 제어부; 및 상기 목표 전류에 기초하여 상기 모터의 토크 지령을 생성하되, 상기 모터의 속도에 따라 2상의 토크 배분을 다르게 제어하는 토크 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 토크 제어부는, 상기 모터의 제1 속도 이하의 영역에서는, 제1 상과 제2 상에는 각각 상기 모터의 부하 측에서 요구하는 토크의 절반의 토크 지령을 인가하고, 상기 제1 속도보다 크고 제2 속도 이하의 영역에서는, 상기 제1 상과 제2 상에 서로 다른 토크 지령을 인가할 수 있다.
또한, 상기 토크 제어부는, 상기 제1 속도보다 크고 상기 제2 속도보다 낮은 제1-1 속도까지는, 상기 제1 상은 약계자 제어하고, 상기 부하 측에서 요구하는 토크에서 제1 상 출력 토크를 감한 토크 지령을 제2 상에 인가할 수 있다.
또한, 상기 토크 제어부는, 상기 제1-1 속도보다 크고 상기 제2 속도까지는, 상기 제1 상은 오프시키고 제2 상은 상기 부하의 토크에 대응하는 토크 지령을 인가할 수 있다.
또한, 상기 토크 제어부는, 상기 제2 속도보다 크고 제2-1 속도까지는, 상기 제1 상은 오프시키고 상기 제2 상은 약계자 제어할 수 있다.
이때, 상기 제1 속도는, 상기 제1 상 모터의 최대 토크 또는 상기 최대 토크에 상응하는 전류값에 도달하는 최대 속도일 수 있다.
이때, 상기 제2 속도는, 상기 제2 상 모터의 최대 토크 또는 상기 최대 토크에 상응하는 전류값에 도달하는 최대 속도일 수 있다.
또한, 상기 제1 스위칭 소자 세트와 상기 제2 스위칭 소자 세트는 서로 다른 수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 스위칭 소자 세트는 한 쌍의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제2 스위칭 소자 세트는 두 쌍의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 아래와 같은 효과가 있다.
먼저, 본 발명에 의하면, 고속 운전 기법을 적용함으로써, 동일 출력 기준 모터의 경량화와 소형화가 가능하고, 동일 체적 대비 모터 출력을 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명이 청소기 팬 모터에 적용되는 경우에 모터의 최고 속도를 상향화시킬 수 있고, 이로 인한 청소기의 고속 운전, 흡입력 향상을 위한 모터의 고출력화 및 소형화를 달성할 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 2상의 인버터(140)를 이용하는 경우에도, 전압 이용률은 3상 모터 구동을 위한 3상의 인버터와 동일할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 모터 어셈블리는 청소기와 같은 저전압 고전류 응용 제품에 유리할 수 있다.
또한, 본 발명의 2상 모터는, 일반적인 단상 모터와 구조적으로는 유사함에도 불구하고 토크 리플의 임의 제어가 가능한 효과가 있다. 또한, 병렬 회로 구성이 용이하여 권선 간의 파라미터 불균형에 대응이 용이한 장점이 있다. 따라서 모터 설계의 자유도가 증가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리에 의한 출력 전압 파형을 나타내는 파형도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 제어 방식에 의한 전류와 토크 파형을 나타내는 파형도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 제어부의 세부를 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 9는 도 8의 제어방법에 따른 속도를 나타내는 그래프이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 d상 모터의 제어방법을 나타내는 개략도이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 q상 모터의 제어방법을 나타내는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 유효 전압 벡터를 나타내는 벡터 다이어그램이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 유효 전압 벡터에 의하여 합성되는 PWM 신호를 나타내는 다이어그램이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 전류를 나타내는 신호도이고, 도 19는 도 18의 일부 확대도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 전압을 나타내는 신호도이고, 도 21은 도 20의 일부 확대도이다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예에 의한 모터 어셈블리의 회로도이다. 또한, 도 23은 본 발명의 다른 실시예에 의한 모터 어셈블리의 유효 전압 벡터를 나타내는 벡터 다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
나아가, 설명의 편의를 위해 각각의 도면에 대해 설명하고 있으나, 당업자가 적어도 2개 이상의 도면을 결합하여 다른 실시예를 구현하는 것도 본 발명의 권리범위에 속한다.
또한, 층, 영역 또는 모듈과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리에 의한 출력 전압 파형을 나타내는 파형도이다.
도 1을 참조하면, 모터 어셈블리는, 크게, 2상 모터(200)와, 이 모터(200)를 구동하는 전력 변환 장치(100)를 포함할 수 있다.
2상 모터(200)는 동기 좌표계 d축, q축 중에서 d축과 연결되는 제1 상의 제1 권선(L1)과 q축과 연결되는 제2 권선(L2)을 포함할 수 있다. 이하의 설명에서, d축, d상, 제1 상 등의 용어는 서로 혼용될 수 있다. 더불어, q축, q상, 제2 상 등의 용어는 서로 혼용될 수 있다.
이때, 제1 권선(L1)은 제1 단(211)과 제2 단(212) 사이에 연결될 수 있고, 제2 권선(L2)은 제3 단(213)과 제4 단(214) 사이에 연결될 수 있다.
이러한 제1 권선(L1)과 제2 권선(L2)은 전기적으로 절연된 병렬구조를 가질 수 있다. 즉, 모터(200)에서 제1 권선(L1)과 제2 권선(L2)은 서로 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 도 1을 참조하면 중심점(210)에서 제1 단(211)과 제3 단(213)은 전기적으로 서로 분리되어 있는 것을 알 수 있다.
이러한 2상 모터(200)를 구동하는 전력 변환 장치(100)는 직류 전압을 공급하는 DC-링크 회로(110) 및 이 DC-링크 회로(110)에 연결되어 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 2상 모터(200)를 구동하는 인버터(140)를 포함할 수 있다.
DC-링크 회로(110)는 중성점(n)을 포함할 수 있다.
도 1에서, DC-링크 회로(110)는 이러한 중성점(n)의 양측에 위치하는 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)를 이용하여 간략하게 표현되어 있다.
일례로, 이러한 DC-링크 회로(110)는 배터리 시스템에 의하여 구현될 수 있다.
그러, 다른 예로, 이러한 DC-링크 회로(110)는 계통 전원을 정류하는 정류부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 정류부에서 정류된 직류 전압이 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)에 축적될 수 있다. 이러한 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)는 DC-링크(DC-link) 캐패시터라고 칭할 수 있다.
인버터(140)는 2상 모터(200)를 구동하기 위한 2상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(200)에 공급된다. 여기서, 일례로, 모터(200)는 청소기를 구동하는 모터일 수 있다. 이하, 모터(200)는 청소기를 구동하기 위한 모터일 수 있고, 전력 변환 장치(100)는 이러한 모터를 구동하는 모터 구동장치인 것을 예로 설명한다. 즉, 전력 변환 장치(100)는 모터 구동장치와 동일한 구성요소일 수 있다.
그러나 여기서 모터(200)는 이러한 청소기용 모터에 제한되지 않으며, 주파수 가변된 교류 전압을 이용하는 다양한 응용제품, 예를 들어, 에어컨, 냉장고, 세탁기, 전동차, 자동차 등의 교류 모터에 이용될 수 있다.
인버터(140)는 제1 권선(L1)과 연결되는 제1 스위칭 소자 세트(141) 및 제2 권선(L2)과 연결되는 제2 스위칭 소자 세트(142)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 제1 스위칭 소자 세트(141)와 제2 스위칭 소자 세트(142)는 서로 다른 수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
이때, 제1 스위칭 소자 세트(141)는 한 쌍의 스위칭 소자(Sa: Sa1, Sa2)를 포함하고, 제2 스위칭 소자 세트(142)는 두 쌍의 스위칭 소자(Sb: Sb1, Sb2/Sc: Sc1, Sc2)를 포함할 수 있다.
이러한 제1 스위칭 소자 세트(141) 중 Sa1은 상부(upper arm) 스위칭 소자라 칭할 수 있고, Sa2는 하부(lower arm) 스위칭 소자라고 칭할 수 있다. 마찬가지로, 제2 스위칭 소자 세트(142) 중에서 Sb1, Sc1은 상부(upper arm) 스위칭 소자라 칭할 수 있고, Sb2, Sc2는 하부(lower arm) 스위칭 소자라고 칭할 수 있다.
이와 같은 인버터(140)의 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)는 DC-링크 회로(110)에서 출력되는 직류 전원을 소정 주파수의 2상 교류 전원으로 변환하여, 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(140)는 각각 서로 직렬 연결되는 상측 스위칭 소자(Sa1, Sb1, Sc1) 및 하측 스위칭 소자(Sa2, Sb2, Sc2)가 각각 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하측 스위칭 소자가 연결될 수 있다.
인버터(140)의 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
전력 변환 장치(100)는 이러한 인버터(140)를 제어하는 제어부(150)를 포함할 수 있다.
제어부(150)는, 인버터(140)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어 신호를 인버터(140)에 인가할 수 있다. 인버터 제어 신호는 펄스 폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(200)에 흐르는 출력 전류(ids/iqs) 및 DC-링크 회로(110)의 DC-링크 전압에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(ids/iqs)는, 출력 전류 감지부(a, b, c)로부터 검출될 수 있다.
제어부(150)는 인버터(140)에 포함되는 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver; 도시되지 않음)를 포함한 구성일 수 있다. 여기서, 게이트 구동부는 인버터(140)에 포함될 수 있다. 즉, 인버터(140)는 게이트 구동부를 포함한 통합 전력 모듈(Integrated Power Module; IPM)을 이용할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 인버터(140)의 제1 스위칭 소자 세트(141)와 제2 스위칭 소자 세트(142)는 서로 다른 수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
따라서, 인버터(140)에서 모터(200)의 제1 권선(L1) 및 제2 권선(L2)으로 인가되는 전류는 비대칭일 수 있다. 또한, 이 제1 권선(L1) 및 제2 권선(L2) 사이의 전기적인 위상 차이는 90도 또는 270도일 수 있다.
일반적으로 삼상을 이용하는 모터의 경우는 두 상 사이의 위상 차이가 120도가 될 수 있고, 단상 모터의 경우에는 두 상 사이의 위상 차이가 180도가 될 수 있으나, 본 발명의 실시예에 의한 2상 모터의 경우에는 두 상 사이의 전기적인 위상 차이는 90도 또는 270도일 수 있는 것이다.
이와 같이, 2상 모터(200)의 고정자 권선은 2-병렬 구조로 구성되고, 두 권선(L1, L2)의 위상 차이는 90도 범위를 가질 수 있다. 이때, 고정자의 2-병렬 구조는 전기적으로 절연되어 있을 수 있다. 따라서, 절연 2상 모터(200)를 구비할 수 있으며, 이때, 모터(200)에 중성점은 존재하지 않을 수 있다.
전기적인 결선을 형성(모터 중성점)하면, 이 권선(L1)과 인버터(140)와 연결된 전기 회로로 다른 권선(L2)의 상전류의 sqrt(2)(즉,
Figure pat00001
)배 만큼의 전류가 유입되므로 인버터 전류 정격을 비대칭적으로 설계하는 것이 유리할 수 있다.
이러한 모터 어셈블리의 특성 때문에 고정자의 2-병렬 구조는 모터(200) 내에서는 전기적으로 분리되는 것이 유리할 수 있다.
이때, 제어부(150)는 모터(200)의 제1 상은 중성점(n)과 하프 브릿지(half-bridge)로 동작시키고 제2 상은 풀 브릿지(full-bridge)로 동작시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 2상의 인버터(140)를 이용하는 경우에도, 전압 이용률은 3상 모터 구동을 위한 3상의 인버터와 동일할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 모터 어셈블리는 청소기와 같은 저전압 고전류 응용 제품에 유리할 수 있다.
또한, 본 발명의 2상 모터는, 일반적인 단상 모터와 구조적으로는 유사함에도 불구하고 토크 리플의 임의 제어가 가능한 효과가 있다. 또한, 병렬 회로 구성이 용이하여 권선 간의 파라미터 불균형에 대응이 용이한 장점이 있다. 따라서 모터 설계의 자유도가 증가할 수 있다.
이러한 효과는, 단상 모터와 동등한 유로 면적 확보하고, 유로 저항 최소화하며, 기동 신뢰성 확보함으로써, 기동 방향의 결정이 용이하기 때문일 수 있다.
또한, 배터리에 의한 전압 공급 시스템(저전압/고전류)에서 최적화된 고속 운전 기법 적용할 수 있다. 이러한 사항에 대해서는 자세히 후술한다.
한편, 별도로 도시되지 않았으나, 모터 구동장치(100)는, DC-링크 전압을 검출하는 DC-링크 전압 감지부, 입력 전압 감지부 및 입력 전류 감지부를 더 포함할 수 있다.
모터 구동장치(100)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(200)에 변환된 전력을 공급할 수 있다.
도시되지 않았으나, DC-링크 회로(110)는 교류 전원을 정류하는 정류부를 포함할 수 있다. 이러한 정류부는, 교류 전원을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전력을 인버터(140) 측으로 출력한다. 이를 위해, 정류부는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
도 2는 이러한 모터 구동장치(100)의 출력 전압 파형을 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 제1 상 및 제2 상을 포함하는 두 상의 전압이 출력되는 것을 알 수 있다. 이러한 두 상은 동기 좌표계의 d축 및 q축에 각각 대응될 수 있다.
도 2에서, 진한 선은 d축 출력 전류 파형이고 옅은 선은 q축 출력 전류 파형을 나타내고 있다. 도 2에서, 가로축은 시간(Time)을 나타내고 세로축은 전압(Y1)을 나타내고 있다.
또한, 위에서 언급한 바와 같이, 이들 두 전류 파형 사이의 전기적 위상차는 90도인 것을 알 수 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 제어 방식에 의한 전류와 토크 파형을 나타내는 파형도이다.
위에서 설명한 바와 같은 중성점이 절연된 2상 모터(200)를 제어하는 방법으로서, 먼저, 토크 또는 토크 리플을 배분하는 방법이 있고, 둘째, 모터 파라미터의 선정/설계에 따라 조건이 고정되는 방법이 있다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 적용되는 토크 또는 토크 리플을 배분하는 방법에 대하여 주로 설명한다.
즉, 본 발명에서는, 중성점이 절연된 2상 모터(200)를 제어하는 방법으로서, 토크 또는 토크 리플을 배분하고, 이에 따라, d축 및 q축의 전류의 크기를 제어하는 방법을 이용할 수 있다.
이러한 제어 방법에 의하면, 각 상에 유입되는 상전류의 크기를 제어할 수 있다.
도 3은 상전류 비율이 1인 경우의 전류 파형을 나타내고, 도 4는 이 경우의 토프 파형을 나타내고 있다. 또한, 도 5는 상전류 비율이 0.5인 경우의 전류 파형을 나타내고, 도 6은 이 경우의 토프 파형을 나타내고 있다.
도 3에서, 각각 d축 전류 및 q축 전류에 해당하는 ids s와, iqs s는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 구체적으로, ids s는 d상 모터 고정자에 흐르는 상전류(정지좌표계 d축 전류)이고, iqs s는 q상 모터 고정자에 흐르는 상전류(정지좌표계 q축 전류)이다.
Figure pat00002
도 4를 참조하면, 이때의 토크 Te .sum은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00003
수학식 2에서, 각 기호의 의미는 아래와 같다.
Figure pat00004
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 제어부의 세부를 나타내는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 위에서 설명한 제어부(150)의 세부 구성이 도시되어 있고, 여기에 인버터(140) 및 모터(200)가 함께 표현되어 있다.
일례로, 이러한 제어부(150)는 비례 적분 제어(Proportional Integral Control) 방식의 모터 제어 방법을 주로 이용할 수 있다.
즉, 이러한 비례 적분 제어 방식의 제어부(150)는, 속도 제어부(152), 전류 제어부(154), 구동신호(PWM) 생성부(155), 전류 감지부(156) 및 위치 추정부(157)를 포함할 수 있다.
여기서, 전류 감지부(156)는 위에서 설명한 전류 감지부와 동일할 수 있다.
모터(200)의 속도 및 위치는 전류 감지부(156)를 통하여 센서리스 방식으로 구현될 수 있다. 즉, 전류 감지부(156)를 통해 감지된 전류를 이용하여 위치 추정부(157)에서는 모터의 회전자 위치(θM)를 추정할 수 있고, 이를 이용하여 모터(200)의 속도 및 위치가 검출될 수 있다. 이러한 위치 추정부(157)에서 추정된 모터의 회전자 위치(θM)는 저역 통과 필터(158)를 통하여 피드백될 수 있다.
즉, 센서를 포함하지 않는 센서리스 방식으로 모터(200)의 속도 및 위치를 감지하는 경우에는, 전류 감지부(156)를 이용하여 감지된 전류를 이용하여 속도 및 위치를 추정할 수 있다.
속도 제어부(152)는 목표 속도(속도 지령치: Wr *) 및 전류 감지부(156)를 통하여 감지된 모터(200)의 속도(WM)에 기초하여 목표 전류를 생성할 수 있다. 전류 감지부(156)에서 감지된 전류는 전류 제어부(154)로 피드백될 수 있다.
속도 제어부(152)와 전류 제어부(154) 사이에는 토크 제어부(153)가 구비되어, 전류 지령치(I*)를 d축 전류 지령치(Id *)와 q축 전류 지령치(Iq *)로 분리할 수 있다.
또한, 전류 제어부(154)는 이러한 속도 제어부(152)에서 출력되는 목표 전류(I*: 전류 지령치)에 기초하여 목표 전압(Vdq *: 전압 지령치)을 생성할 수 있다.
구동신호 생성부(155)에서는 전류 제어부(154)에서 생성된 목표 전압(Vdq *) 및 전류 감지부(156)에서 감지된 모터(200)의 위치에 기초하여 구동 신호(PWM 신호)를 생성할 수 있다.
이러한 구동 신호(PWM 신호)에 의하여 인버터(140)에서는 구동 전압이 생성되고, 이러한 구동 전압에 의하여 모터(200)가 구동될 수 있다.
경우에 따라, 속도 제어부(152)의 전단에는 주파수 가변부(도시되지 않음)가 위치하여, 인버터의 속도별 효율에 따라 스위칭 주파수를 가변할 수 있다.
이와 같이, 제어부(150)는, 목표 속도 및 전류 감지부(156)를 통하여 감지된 모터(200)의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 속도 제어부(152) 및 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하되, 이 목표 전압이 정류부(110)의 출력 전압보다 작도록 하는 전류 제어부(154)를 포함할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 제어부(150)의 속도 제어부(152)에서는 모터(200)의 속도 제어 조건을 검출하고, 이에 따른 속도 지령을 생성할 수 있다.
또한, 토크 제어부(153)에서는 위에서 설명한 바와 같이, 토크의 배분 비율을 달리하여 토크 지령을 생성할 수 있다.
한편, 전류 제어부(154)에서는 모터(200)의 속도에 따라서 각 상을 별도로 약계자 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 제어방법을 나타내는 순서도이다. 또한, 도 9는 도 8의 제어방법에 따른 속도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 일례로, 수학식 2에서 설명된 토크 지령에 따른 속도에 따른 구체적인 전류 지령을 나타내고 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 제1 상(d상) 모터(200)는 하프 브릿시(Half-bridge), 제2 상(q상) 모터(200)는 풀 브릿지(Full-bridge)에 의해 제어될 수 있다. 따라서 q상 모터는 d상 모터 대비 2배의 전압을 인가할 수 있다. 따라서, 전압 이용률의 최대화를 위해 q상 모터는 d상 모터 대비 2배의 역기전력을 가지도록 설계된다고 가정할 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하여, 각 속도 및 각 속도에서의 전류 지령을 설명한다.
1. 제1 속도
제1 속도는 이 속도에서 발생하는 d상 모터의 역기전력 전압과 하프 브릿지(Half-bridge)에서 공급할 수 있는 기본파 전압이 동일한 속도 조건을 의미할 수 있다.
d상 모터의 토크 출력과 q상 모터의 출력을 합한 합성 토크를 출력할 수 있다. 따라서, 모터 어셈블리가 청소기에 적용되는 경우의 예를 들면, 실사용 조건에서는 청소기의 흡입구 막힘 또는 먼지 통의 먼지 량(먼지 충진량) 증가 등의 부하 토크 증가 조건에 대응할 수 있는 최대 속도 조건으로 정의할 수 있다.
2. 제1-1 속도
d상 모터는 제1 속도 이상에서는 역기전력 전압을 감소시키기 위한 약계자 제어를 수행할 수 있다. 이는 제품 기능 측면에서 인지 가능한 의미는 찾기 어려울 수 있고, 상시 정상 운전 영역이 아니라 제2 속도 영역에 진입하기 위한 천이 영역으로 정의할 수 있다.
여기서, 약계자 제어는 역기전력 전압의 위상보다 모터 고정자의 상전류의 위상이 앞서도록(Leading) 제어함을 의미할 수 있다.
3. 제2 속도
청소기 팬 모터가 운전할 수 있는 최대 운전 속도로 정의할 수 있다. 예를 들어, 청소기 제품 명세서에 표기된 최대 속도가 제2 속도에 해당할 수 있다.
4. 제2-1 속도
제품 기능 측면에서는 정상 운전 영역으로는 정의하기 어렵고 모터 설계 측면에서의 학술적/이론적인 최대 운전 영역으로 정의할 수 있다.
도 8을 참조하면, 토크/전류 지령(Tsum)이 이루어질 수 있다(S10).
이때, 제어부(150)의 토크 제어부(153)는, 모터(200)의 제1 속도 이하의 영역에서는, 제1 상(d상)과 제2 상(q상)에는 각각 모터(200)의 부하 측에서 요구하는 토크의 절반의 토크 지령을 인가할 수 있다.
즉, 제1 속도에 도달하기 전까지(S20), d상 모터의 토크/전류 지령(Td)으로서 전체 토크의 절반(Tsum/2)에 해당하는 토크가 인가될 수 있다(S21). 또한, 마찬가지로 q상 모터의 토크/전류 지령(Tq)은 전체 토크의 절반(Tsum/2)에 해당하는 토크가 인가될 수 있다(S22).
이후, 제1 속도보다 크고 제2 속도 이하의 영역에서는, 제1 상과 제2 상에 서로 다른 토크 지령을 인가할 수 있다.
예를 들어, 토크 제어부(153)는, 제1 속도보다 크고 제2 속도보다 낮은 제1-1 속도까지(S30)는, 제1 상은 약계자 제어하고(S31), 부하 측에서 요구하는 토크에서 제1 상 출력 토크를 감한 토크 지령(Tq=Tsum-Td)을 제2 상에 인가할 수 있다(S32).
또한, 토크 제어부(154)는, 제1-1 속도보다 크고 제2 속도까지(S40)는, 제1 상은 오프시키고 제2 상은 부하의 토크에 대응하는 토크 지령(Tq=Tsum)을 인가할 수 있다(S41).
이후, 토크 제어부(154)는, 제2 속도보다 크고 제2-1 속도까지(S50)는, 제1 상은 오프시키고 제2 상은 약계자 제어할 수 있다(S51).
위에서 설명한 바와 같이, 제2-1 속도는 이론적인 최대 운전 영역으로 정의될 수 있으므로, 이 제2-1 속도 이후에는 운전이 불가할 수 있다(S60).
이때, 위에서 언급한 바와 같이, 제1 속도는, 제1 상 모터의 최대 토크 또는 이 최대 토크에 상응하는 전류값에 도달하는 최대 속도일 수 있다.
또한, 제2 속도는, 제2 상 모터의 최대 토크 또는 이 최대 토크에 상응하는 전류값에 도달하는 최대 속도일 수 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 d상 모터의 제어방법을 나타내는 개략도이다.
도 10 내지 도 12에서 도시하는 바와 같이, 아래 그림과 같이 스위치 2개의 동작으로 V1, V3 전압 벡터 2개를 이용해서 모터 동작을 제어할 수 있다. 이러한 V1, V3 전압 벡터는 서로 반대방향을 향할 수 있고, 도 1에서의 제1 스위칭 소자 세트(141)에 의해서 생성될 수 있다. 즉, 제1 스위칭 소자 세트(141)에 포함된 한 쌍의 스위칭 소자(Sa: Sa1, Sa2)에 의하여 V1, V3 전압 벡터가 생성될 수 있다.
여기서, 최대 합성 가능한 전압은 DC-링크 전압(Vdc; DC-링크 회로의 출력 전압)의 절반(Vdc/2)이 출력됨을 알 수 있다. 또한, 이러한 V1, V3 전압 벡터는 d축을 따라 생성되고, 방향은 서로 반대방향임을 알 수 있다.
도 11 및 도 12는 스위치 상태에 따른 전류 흐름을 도시하고 있다.
먼저, 도 11을 참조하면, 제1 스위칭 소자 세트(141)의 상부 스위칭 소자(Sa1)가 동작할 때 V1 방향의 전압 벡터가 생성될 수 있다. 이에 따라 d축 방향으로 제1 전류(i1)가 흐르게 된다.
또한, 제1 스위칭 소자 세트(141)의 하부 스위칭 소자(Sa2)가 동작할 때 V3 방향의 전압 벡터가 생성될 수 있다. 이에 따라 d축 반대 방향으로 제3 전류(i3)가 흐르게 된다.
한편, 각각 전압 벡터의 인가시간이 미소한 차이를 갖게 되면 상부 캐패시터(C1)와 하부 캐패시터(C2) 전압의 불균형이 발생할 가능성이 있다.
그러나 아래에서 설명하는 q상 모터 제어를 위한 스위칭 상태에 의해서 이러한 가능성에 의한 문제점은 다소 완화될 수 있다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 q상 모터의 제어방법을 나타내는 개략도이다.
도 13 내지 도 15에서 도시하는 바와 같이, 아래 그림과 같이 스위치 2개의 동작으로 V2, V4 전압 벡터 2개를 이용해서 모터 동작을 제어할 수 있다.
이러한 V2, V4 전압 벡터는 서로 반대방향을 향할 수 있고, 도 1에서의 제2 스위칭 소자 세트(142)에 의해서 생성될 수 있다. 즉, 제2 스위칭 소자 세트(142)에 포함된 두 쌍의 스위칭 소자(Sb(Sb1, Sb2), Sc(Sc1, Sc2))에 의하여 V2, V4 전압 벡터가 생성될 수 있다.
여기서, 최대 합성 가능한 전압은 DC-링크 전압(Vdc)으로 출력됨을 알 수 있다. 즉, 여기서, 최대 합성 가능한 전압으로서 Vdc 전압이 출력됨을 알 수 있다.
또한, 이러한 V2, V4 전압 벡터는 q축을 따라 생성되고, 방향은 서로 반대방향임을 알 수 있다.
도 14 및 도 15는 스위치 상태에 따른 전류 흐름을 도시하고 있다.
먼저, 도 14를 참조하면, 제2 스위칭 소자 세트(142)의 일측 상부 스위칭 소자(Sb1) 및 타측의 하부 스위칭 소자(Sc2)가 동작할 때 V2 방향의 전압 벡터가 생성될 수 있다. 이에 따라 q축 방향으로 제2 전류(i2)가 흐르게 된다.
또한, 제2 스위칭 소자 세트(142)의 일측 하부 스위칭 소자(Sb2) 및 타측의 상부 스위칭 소자(Sc1)가 동작할 때 V4 방향의 전압 벡터가 생성될 수 있다. 이에 따라 q축 반대 방향으로 제4 전류(i4)가 흐르게 된다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 유효 전압 벡터를 나타내는 벡터 다이어그램이다.
앞에서 설명한 V1 내지 V4의 독립된 4개의 전압 벡터를 동일한 전압 평면에 도식하면 도 16에서 도시하는 바와 같이, V1 내지 V8를 포함하는 8개의 유효 전압 벡터가 생성될 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 유효 전압 벡터에 의하여 합성되는 PWM 신호를 나타내는 다이어그램이다.
도 17을 참조하면, 전압 지령 (V*)에 대해서 도 16에서 도시하는 유효 전압 벡터의 조합인 V8→V5→V3→V4 →V3→V5→V8의 순서로 전압이 출력될 수 있다.
이때, 전압 지령(V*)의 크기는 각 벡터의 길이를 의미하고, 이에 따라 유효 전압 벡터의 인가 시간이 비례적으로 증가함을 알 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 전류를 나타내는 신호도이고, 도 19는 도 18의 일부 확대도이다.
도 18은 모터(200)의 d상 권선(제1 권선; L1)에 흐르는 전류(ids)와 모터(200)의 q상 권선(제2 권선; L2)에 흐르는 전류(iqs)를 표현하고 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 이상의 두 상 전류는 전기적으로 90도의 위상차를 가질 수 있다. 이는 2상 모터의 주요한 특징일 수 있다.
도 19는 도 18에서 띠 부분(전기각 180도에 해당하는 시간)의 확대도를 나타내고 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 어셈블리의 전압을 나타내는 신호도이고, 도 21은 도 20의 일부 확대도이다.
도 20은 d상 권선(제1 권선; L1)에 인가되는 전압(vds)과, q상 권선(제2 권선; L2)에 인가되는 전압(vqs)을 표현하고 있다.
도 18의 특정 시점에서의 정현파 전류를 합성하기 위한 전압 지령(V*)을 도 16의 유효 전압 벡터와 같이 전기각 1주기/360도를 기준으로 공간적으로 매핑할 수 있다.
도 21에서는 전압 지령을 유효 전압 벡터로 분해한 도식을 나타내고 있다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예에 의한 모터 어셈블리의 회로도이다. 또한, 도 23은 본 발명의 다른 실시예에 의한 모터 어셈블리의 유효 전압 벡터를 나타내는 벡터 다이어그램이다.
이하, 도 22 및 도 23을 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 아래의 설명에서 도 1을 참조하여 설명한 설명과 공통되는 경우에 그 설명을 생략할 수도 있다.
도 22를 참조하면, 모터 어셈블리는, 크게, 2상 모터(200)와, 이 모터(200)를 구동하는 전력 변환 장치(100)를 포함할 수 있다.
2상 모터(200)는 동기 좌표계 d축, q축 중에서 d축과 연결되는 제1 상의 제1 권선(L1)과 q축과 연결되는 제2 권선(L2)을 포함할 수 있다.
이때, 제1 권선(L1)은 제1 단(211)과 제2 단(212) 사이에 연결될 수 있고, 제2 권선(L2)은 제3 단(213)과 제4 단(214) 사이에 연결될 수 있다.
이러한 제1 권선(L1)과 제2 권선(L2)은 전기적으로 절연된 병렬구조를 가질 수 있다. 즉, 모터(200)에서 제1 권선(L1)과 제2 권선(L2)은 서로 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 도 1을 참조하면 중심점(210)에서 제1 단(211)과 제3 단(213)은 전기적으로 서로 분리되어 있는 것을 알 수 있다.
이러한 2상 모터(200)를 구동하는 전력 변환 장치(100)는 직류 전압을 공급하는 DC-링크 회로(110) 및 이 DC-링크 회로(110)에 연결되어 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 2상 모터(200)를 구동하는 인버터(140)를 포함할 수 있다.
DC-링크 회로(110)는 중성점(n)을 포함할 수 있다.
도 1에서, DC-링크 회로(110)는 이러한 중성점(n)의 양측에 위치하는 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)를 이용하여 간략하게 표현되어 있다.
일례로, 이러한 DC-링크 회로(110)는 배터리 시스템에 의하여 구현될 수 있다. DC-링크 회로(110)의 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)는 DC-링크(DC-link) 캐패시터라고 칭할 수 있다.
인버터(140)는 2상 모터(200)를 구동하기 위한 2상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(200)에 공급된다. 여기서, 일례로, 모터(200)는 청소기를 구동하는 모터일 수 있다.
인버터(140)는 제1 권선(L1)과 연결되는 제1 스위칭 소자 세트(143) 및 제2 권선(L2)과 연결되는 제2 스위칭 소자 세트(144)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 제1 스위칭 소자 세트(143)와 제2 스위칭 소자 세트(144)는 동일한 수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
이때, 제1 스위칭 소자 세트(143)는 한 쌍의 스위칭 소자(Sa: Sa1, Sa2)를 포함하고, 제2 스위칭 소자 세트(144)는 한 쌍의 스위칭 소자(Sb: Sb1, Sb2)를 포함할 수 있다.
이러한 제1 스위칭 소자 세트(143) 중 Sa1은 상부(upper arm) 스위칭 소자라 칭할 수 있고, Sa2는 하부(lower arm) 스위칭 소자라고 칭할 수 있다. 마찬가지로, 제2 스위칭 소자 세트(144) 중에서 Sb1은 상부(upper arm) 스위칭 소자라 칭할 수 있고, Sb2는 하부(lower arm) 스위칭 소자라고 칭할 수 있다.
이와 같은 인버터(140)의 스위칭 소자(Sa, Sb)는 DC-링크 회로(110)에서 출력되는 직류 전원을 소정 주파수의 2상 교류 전원으로 변환하여, 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(140)는 각각 서로 직렬 연결되는 상측 스위칭 소자(Sa1, Sb1) 및 하측 스위칭 소자(Sa2, Sb2)가 각각 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상, 하측 스위칭 소자가 연결될 수 있다.
전력 변환 장치(100)는 이러한 인버터(140)를 제어하는 제어부(150)를 포함할 수 있다.
제어부(150)는, 인버터(140)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어 신호를 인버터(140)에 인가할 수 있다. 인버터 제어 신호는 펄스 폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(200)에 흐르는 출력 전류(ids/iqs) 및 DC-링크 회로(110)의 DC-링크 전압에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(ids/iqs)는, 출력 전류 감지부(e, f)로부터 검출될 수 있다.
제어부(150)는 인버터(140)에 포함되는 스위칭 소자(Sa, Sb)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver; 도시되지 않음)를 포함한 구성일 수 있다. 여기서, 게이트 구동부는 인버터(140)에 포함될 수 있다. 즉, 인버터(140)는 게이트 구동부를 포함한 통합 전력 모듈(Integrated Power Module; IPM)을 이용할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 인버터(140)의 제1 스위칭 소자 세트(141)와 제2 스위칭 소자 세트(142)는 동일한 수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
따라서, 인버터(140)에서 모터(200)의 제1 권선(L1) 및 제2 권선(L2)으로 인가되는 전류는 대칭일 수 있다. 또한, 이 제1 권선(L1) 및 제2 권선(L2) 사이의 전기적인 위상 차이는 90도 또는 270도일 수 있다.
이와 같이, 2상 모터(200)의 고정자 권선은 2-병렬 구조로 구성되고, 두 권선(L1, L2)의 위상 차이는 90도 범위를 가질 수 있다. 이때, 고정자의 2-병렬 구조는 전기적으로 절연되어 있을 수 있다. 따라서, 절연 2상 모터(200)를 구비할 수 있으며, 이때, 모터(200)에 중성점은 존재하지 않을 수 있다.
이때, 제어부(150)는 모터(200)의 두 상을 중성점과 두 하프 브릿지(half-bridge)로 동작시킬 수 있다. 본 실시예의 경우, 전압 이용률은 위에서 설명한 실시예에 비하여 감소될 수 있다.
구체적으로, q상의 경우에는 전압 이용률이 4/π* Vdc에서 2/π*Vdc로, 위의 실시예에 비하여 절반으로 감소할 수 있다.
그러나, d상의 경우에는 전압 이용률이 2/π* Vdc로서, 위의 실시예와 동일하다.
위에서 설명한 실시예에서, q상 모터는 d상 모터 대비 2배의 전압을 인가할 수 있으므로 q상 모터는 d상 모터 대비 2배의 역기전력이 크도록 설계될 수 있다.
그러나 본 실시예에 의하면 d상 모터와 q상 모터는 동일한 역기전력이 되도록 설계할 수 있다.
도 23을 참조하면, 전압 벡터 V1, V3의 크기는 전압 벡터 V2, V4의 크기와 동일한 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 위에서 설명한 제2 속도 및 제2-1 속도는 정의되지 않을 수 있다.
한편, 제2 속도 이전 영역, 즉, 제1 속도 및 제1-1 속도와 관련된 설명은 위에서 설명한 실시예의 경우와 동일하다.
본 발명에 의하면, 2상의 인버터(140)를 이용하는 경우에도, 전압 이용률은 3상 모터 구동을 위한 3상의 인버터와 동일할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 모터 어셈블리는 청소기와 같은 저전압 고전류 응용 제품에 유리할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면 고속 운전 기법을 적용함으로써, 동일 출력 기준 모터의 경량화와 소형화가 가능하고, 동일 체적 대비 모터 출력을 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명이 청소기 팬 모터에 적용되는 경우에 모터의 최고 속도를 상향화시킬 수 있고, 이로 인한 청소기의 고속 운전, 흡입력 향상을 위한 모터의 고출력화 및 소형화를 달성할 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 2상의 인버터(140)를 이용하는 경우에도, 전압 이용률은 3상 모터 구동을 위한 3상의 인버터와 동일할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 모터 어셈블리는 청소기와 같은 저전압 고전류 응용 제품에 유리할 수 있다.
또한, 본 발명의 2상 모터는, 일반적인 단상 모터와 구조적으로는 유사함에도 불구하고 토크 리플의 임의 제어가 가능한 효과가 있다. 또한, 병렬 회로 구성이 용이하여 권선 간의 파라미터 불균형에 대응이 용이한 장점이 있다. 따라서 모터 설계의 자유도가 증가할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전력 변환 장치(모터 구동장치)
110: DC-링크 회로 140: 인버터
141, 143: 제1 스위칭 소자 세트
142, 144: 제2 스위칭 소자 세트
150: 제어부 200: 모터

Claims (16)

  1. 2상 모터를 구동하는 모터 어셈블리에 있어서,
    전기적으로 절연된 병렬구조를 가지는 제1 권선 및 제2 권선을 포함하는 모터;
    직류 전압을 공급하는 DC-링크 회로; 및
    상기 DC-링크 회로에 연결되어 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 모터를 구동하고, 상기 제1 권선과 연결되는 제1 스위칭 소자 세트 및 상기 제2 권선과 연결되는 제2 스위칭 소자 세트를 포함하는 인버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인버터에서 상기 모터의 제1 권선 및 제2 권선으로 인가되는 전류는 비대칭인 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 모터는 중성점을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 DC-링크 회로는 중성점을 포함하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서, 상기 인버터를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는 상기 모터의 제1 상은 상기 중성점과 하프 브릿지(half-bridge)로 동작시키고 제2 상은 풀 브릿지(full-bridge)로 동작시키는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 속도 제어부; 및
    상기 목표 전류에 기초하여 상기 모터의 토크 지령을 생성하되, 상기 모터의 속도에 따라 2상의 토크 배분을 다르게 제어하는 토크 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서, 상기 토크 제어부는,
    상기 모터의 제1 속도 이하의 영역에서는, 제1 상과 제2 상에는 각각 상기 모터의 부하 측에서 요구하는 토크의 절반의 토크 지령을 인가하고,
    상기 제1 속도보다 크고 제2 속도 이하의 영역에서는, 상기 제1 상과 제2 상에 서로 다른 토크 지령을 인가하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서, 상기 토크 제어부는,
    상기 제1 속도보다 크고 상기 제2 속도보다 낮은 제1-1 속도까지는, 상기 제1 상은 약계자 제어하고, 상기 부하 측에서 요구하는 토크에서 제1 상 출력 토크를 감한 토크 지령을 상기 제2 상에 인가하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  10. 제8항에 있어서, 상기 토크 제어부는,
    상기 제1-1 속도보다 크고 상기 제2 속도까지는, 상기 제1 상은 오프시키고 제2 상은 상기 부하의 토크에 대응하는 토크 지령을 인가하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  11. 제8항에 있어서, 상기 토크 제어부는,
    상기 제2 속도보다 크고 제2-1 속도까지는, 상기 제1 상은 오프시키고 상기 제2 상은 약계자 제어하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제1 속도는, 상기 제1 상 모터의 최대 토크 또는 상기 최대 토크에 상응하는 전류값에 도달하는 최대 속도인 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  13. 제8항에 있어서, 상기 제2 속도는, 상기 제2 상 모터의 최대 토크 또는 상기 최대 토크에 상응하는 전류값에 도달하는 최대 속도인 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자 세트와 상기 제2 스위칭 소자 세트에는 서로 다른 수의 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자 세트는 한 쌍의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제2 스위칭 소자 세트는 두 쌍의 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
  16. 제1항에 있어서, 상기 모터의 제1 권선 및 제2 권선 사이의 위상차는 90도 또는 270도인 것을 특징으로 하는 2상 모터 어셈블리.
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