[논문]관성 추정기를 이용한 드럼 세탁기의 부하추정 알고리즘

황춘환; 이정효; 김경민; 이원철; 김영렬; 원충연

관성 추정기를 이용한 드럼 세탁기의 부하추정 알고리즘
The Load Estimation Algorithm of the Drum Washing Machine using an Inertia Estimator 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.14 no.2, 2009년, pp.150 - 159

황춘환 (헥스파워시스템(주) 기술지원팀) , 이정효 (성균관대 대학원 전자전기컴퓨터공학부) , 김경민 (성균관대 대학원 전자전기컴퓨터공학부) , 이원철 (성균관대 대학원 전자전기컴퓨터공학부) , 김영렬 (안양대 전기전자공학과) , 원충연 (성균관대 정보통신공학부)

초록
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일반적으로 드럼 세탁기의 구동 효율은 주로 세탁 시간에 영향을 받는다. 이러한 세탁 시간은 세탁물의 양과 종류에 따라 결정된다. 비록 세탁물의 종류는 사용자에 의해 쉽게 입력이 가능하지만 세탁물의 양은 사용자가 입력하기 힘들다. 이 때문에 세탁물의 양을 추정하는 구간이 존재하며 추정된 세탁물의 양에 따라 세탁 행정의 시간이 결정된다. 따라서 본 논문은 정확한 세탁물의 양을 측정하기 위해 관성 추정기를 사용한 부하 추정 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 실제 세탁기에 적용이 가능하도록 저가형 위치 센서를 사용하는 PMSM 구동회로를 통해 실험하였다. 그리고 실제 세탁 부하 조건과 일치하도록 드럼 세탁기에 세탁물을 인가하여 부하추정을 실험하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, the operating efficiency of the washing machine is mostly affected by the washing time. The washing time is determined by the amount and the type of the laundry. Although the type of the laundry is easily inputted by the user, but the amount of the laundry is difficult to do. For this reason, the specific process is existed for the estimation of the laundry and the time of the washing mode is determined by the estimated laundry. Therefore, this paper proposes the washing load estimation algorithm by the inertia estimator. The proposed algorithm is implemented on the PMSM drive using the low cost position sensor for practical washing machine application. The proposed algorithm is verified by the drum washing machine for the practical load condition test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 관성 모멘트 추정 방법을 테스트하기 위해 관성 모멘트 값이 정해져 있는 관성부하를 이용하여 그 값을 정확히 추정하는지 실험 하였다.
본 논문에서는 포량을 감지하기 위해 세탁물의 관성모멘트를 추정한다. 하지만 드럼 세탁기의 세탁물은 일정 속도 이하에서 낙하운동을 하기 때문에 세탁물의 관성 모멘트가 변하는 특징이 있다.
본 논문은 관성 추정기를 이용하여 세탁물의 양을 추정하는 방법에 대해 설명하였다. 제안된 추정 방법은 먼저 세탁물의 관성 모멘트가 변하지 않도록 일정 속도 이상으로 회전시킨다.

가설 설정

그림 3의 세탁물에 의한 관성 모멘트 兀赤牌는 세탁부하의 관성 모멘트 丿 와 드럼의 관성모멘트 Jf 段 차로 나타낼 수 있다. 그리고 세탁물은 100[rpm] 구동 시 세탁조의 날개 길이를 벗어나지 않게 밀착이 되는 것으로 가정하였다.
하지만 근사적으로 해석된 모델링은 세탁물과 세탁조 사이의 마찰계수와 같이 고려하기 힘든 요인들을 고려하지 않기 때문에, 일정한 세탁물의 관성 모멘트를 얻으려면 계산된 속도보다 빠른 속도로 회전시켜야 한다. 본 논문은 편심의 영향이 적고 세탁물이 세탁조에 붙어서 회전하는 100[rpm]으로 정하였다.

제안 방법

제안된 추정 방법은 먼저 세탁물의 관성 모멘트가 변하지 않도록 일정 속도 이상으로 회전시킨다. 그 후 전동기의 기계 방정식을 이용하여 세탁물의 관성 모멘트를 추정한 후 이를 질량으로 변환하여 세탁물의 양을 추정하였다.
모멘트가 일정해지는 속도를 계산하였다. 그 후 전동기의 기계방정식을 이용하여 세탁물의 관성 모멘트를 추정하고 추정된 관성 모멘트를 이용하여 세탁부하량을 얻었다. 또한 세탁부하량에 따라 세탁시간을 조정하여 소비전력을 측정하였다.
다음으로 관성 부하 대신 실제 드럼 세탁기에 세탁물을 인가하여 질량과 관성 모멘트를 정확히 추정하는지 실험하였다. 그림 8은 실제 실험에 사용된 드럼 세탁기의 사진이다.
따라서 본 논문은 먼저 원심력에 의해 세탁물의 관성 모멘트가 일정해지는 속도를 계산하였다. 그 후 전동기의 기계방정식을 이용하여 세탁물의 관성 모멘트를 추정하고 추정된 관성 모멘트를 이용하여 세탁부하량을 얻었다.
그 후 전동기의 기계방정식을 이용하여 세탁물의 관성 모멘트를 추정하고 추정된 관성 모멘트를 이용하여 세탁부하량을 얻었다. 또한 세탁부하량에 따라 세탁시간을 조정하여 소비전력을 측정하였다.
그래프이다. 소비전력은 세탁물을 넣고 10회 세탁모드를 구동하여 적산전력계에 나타난 전력의 평균값으로 도시하였다.
다른 방법으로는, 모터의 회전 속도가 설정된 속도에 이르면 그때의 듀티값을추출하여 세탁물의 양을 산출하는 방법이 있다. 전동기가 일정한 회전 속도에 도달할 때의 듀티값을 프로세서에 저장된 룩업 테이블에 적용하여 세탁물의 양을 추정하는 것을 특징으로 한다.⑶ 하지만 이 방법은 저장할 메모리 소자가 따로 필요한 단점이 있다.
제안된 방법은 전동기에 연결된 관성 부하를 이용하여 관성추정기의 타당성을 증명한 후, 실제 세탁기에 적용하여 세탁물의 양을 측정하였다. 결과적으로, 개선된 세탁 부하 추정 방법으로부터 세탁시간을 조정하여 효율을 상승 시킬 수 있음을 실험 결과를 통해 나타내었다.
방법에 대해 설명하였다. 제안된 추정 방법은 먼저 세탁물의 관성 모멘트가 변하지 않도록 일정 속도 이상으로 회전시킨다. 그 후 전동기의 기계 방정식을 이용하여 세탁물의 관성 모멘트를 추정한 후 이를 질량으로 변환하여 세탁물의 양을 추정하였다.

대상 데이터

그림 8은 실제 실험에 사용된 드럼 세탁기의 사진이다. 드럼 세탁기는 대우일렉트로닉스사의 정격 life] 용량의 세탁기를 사용하였으며 세탁기의 드럼 크기는 표 4와 같다.
드럼 세탁기용 SPMSM 구동용 인버터에서 제어알고리즘을 수행하기 위한 CPU는 TKTexas Instrument) 사의 고성능 32비트 소자인 WS320F2811 을 사용하였다.
모멘트를 추정한 실험결과이다. 실험에 사용된 세탁물은 면직포를 이용하였고, 사용한 면직포의 밀도 内 는 1.5[g/cm³] 이다. 그림 9의 (a)는 세탁기에 세탁물을 넣지 않고 관성 모멘트 추정 실험을 한 결과이다.
실험에 사용된 드럼 세탁기용 SPMSM의 제정수는 표 2와 같고, 관성 부하의 제 정수는 표 3에 나타내었다. 실험에 사용된 전동기는 회전자가 바깥쪽에 설계된 외전형이며 관성 부하는 Flywheel 형으로 제작하였다.
전력용 반도체 소자는 Mitsubishi 사의 PS11036 IPM(Intelligent Power Module)을 사용 하였다. 이 IPM 은 단상 풀 브리지 다이오드 정류기와 인버터의 구성을 위한 IGBT 소자를 하나의 모듈에 내장하고 있다.

성능/효과

세탁물의 양을 측정하였다. 결과적으로, 개선된 세탁 부하 추정 방법으로부터 세탁시간을 조정하여 효율을 상승 시킬 수 있음을 실험 결과를 통해 나타내었다.
036眞g 5勺 이다. 여러번의 실험결과를 통하여 추정값과 공칭값의 오차는 0.00地g -m2]< 넘지 않는 것을 확인하였다.

참고문헌 (8)

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상세보기
Nam-Joon Kim, Hee-Sung Moon, Dong-Seek Hyun, 'Inertia identification for the speed observer of the low speed control of induction machines', IEEE Transactions on Industry Applimtion, Vol. 32, No. 6, pp. 1371-1379, 1996. Nov.-Dec

상세보기
이재왕, 김상훈, '관성능률 추정과 가속도 전향보상을 이용한 유도전동기의 속도제어 성능향상', 전력전자학회 논문지, 제6권, 제1호, pp. 90-97, 2001. 2

원문보기 상세보기
이정효, 이원철, 유재성, 정용채, 원충연, '역학적 특성을 고려한 드럼세탁기 부하 모델링', 전력전자학회 논문지, 제12권, 제6호, pp. 491-499, 2007. 12

원문보기 상세보기
박광배, '변량분석과 회귀분석', 학지사, 2003. 4

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