BLDC 전동기용 인버터 드라이브의 구동 성능 개선을 위한 최적 전류파형 제어에 관한 연구 A Study on Optimal Current Waveform Control for Operating Performance Improvement of BLDC Motor Inverter Drive원문보기
본 논문은 BLDC 전동기의 효율 향상을 위한 최적 전류파형 멀티 레벨 제어기법을 제안한다. 일반적으로 BLDC 전동기는 역기전력의 파형에 의해 PMSM과 BLDCM으로 제어방식을 구분할 수 있다. PMSM은 역기전력의 파형이 정현파이며 전류를 정현파로 제어하기 위해 3상 3여자 운전을 하며 전동기의 안정적인 구동을 위해 연속적인 회전자 위치를 검출해야 한다. BLDCM은 역기전력이 구형파이며 전류를 구형파로 제어하기 위해 3상 2여자 운전을 하며 회전자 위치는 전기각으로 60°마다 검출하여 제어하게 된다. BLDCM은 3상 2여자 운전으로 PMSM에 비해 전동기 이용률이 66.7[%]로 3상 3여자 운전에 비해 작은 값을 갖는다. 이 때문에 같은 출력 토크에서 3상 2여자 운전은 3상 3여자 운전보다 더 많은 상전류를 필요로 하며, 그 결과 최대 출력이 감소하게 된다. 하지만 BLDCM은 드라이브의 구조가 PMSM보다 간단하며 제어가 상대적으로 용이하다는 장점을 갖는다. 제안된 방식은 기존의 IPM의 최대토크 운전 방식에서 착안하여 기존 SPM의 운전방식과는 달리 최대 토크 지점에 인가되는 유효전압을 상승시켜 최대토크 운전 방식을 활용하는데 그 목적이 있다. 최대 토크지점을 활용하여 ...
본 논문은 BLDC 전동기의 효율 향상을 위한 최적 전류파형 멀티 레벨 제어기법을 제안한다. 일반적으로 BLDC 전동기는 역기전력의 파형에 의해 PMSM과 BLDCM으로 제어방식을 구분할 수 있다. PMSM은 역기전력의 파형이 정현파이며 전류를 정현파로 제어하기 위해 3상 3여자 운전을 하며 전동기의 안정적인 구동을 위해 연속적인 회전자 위치를 검출해야 한다. BLDCM은 역기전력이 구형파이며 전류를 구형파로 제어하기 위해 3상 2여자 운전을 하며 회전자 위치는 전기각으로 60°마다 검출하여 제어하게 된다. BLDCM은 3상 2여자 운전으로 PMSM에 비해 전동기 이용률이 66.7[%]로 3상 3여자 운전에 비해 작은 값을 갖는다. 이 때문에 같은 출력 토크에서 3상 2여자 운전은 3상 3여자 운전보다 더 많은 상전류를 필요로 하며, 그 결과 최대 출력이 감소하게 된다. 하지만 BLDCM은 드라이브의 구조가 PMSM보다 간단하며 제어가 상대적으로 용이하다는 장점을 갖는다. 제안된 방식은 기존의 IPM의 최대토크 운전 방식에서 착안하여 기존 SPM의 운전방식과는 달리 최대 토크 지점에 인가되는 유효전압을 상승시켜 최대토크 운전 방식을 활용하는데 그 목적이 있다. 최대 토크지점을 활용하여 인버터에서 출력되는 유효전압을 상승시키는 방식으로써, 기존의 방식과 같은 양의 전류를 효율적으로 사용하는데 초점을 맞추어 효율을 향상 시켰다. 이를 위해 BLDC 전동기의 유한요소 해석을 통해 토크점을 도출해 냈으며, 여기서 도출된 토크점을 활용하여 최적의 유효전압 레퍼런스 값을 찾기 위하여 PSIM 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
또한 제안된 방식의 동작 및 제어 방법에 대한 검증을 위해 범용 BLDC 전동기 드라이브의 시작기 모델을 제작 및 실험을 수행하여 본 논문의 타당성을 증명하였다.
본 논문은 BLDC 전동기의 효율 향상을 위한 최적 전류파형 멀티 레벨 제어기법을 제안한다. 일반적으로 BLDC 전동기는 역기전력의 파형에 의해 PMSM과 BLDCM으로 제어방식을 구분할 수 있다. PMSM은 역기전력의 파형이 정현파이며 전류를 정현파로 제어하기 위해 3상 3여자 운전을 하며 전동기의 안정적인 구동을 위해 연속적인 회전자 위치를 검출해야 한다. BLDCM은 역기전력이 구형파이며 전류를 구형파로 제어하기 위해 3상 2여자 운전을 하며 회전자 위치는 전기각으로 60°마다 검출하여 제어하게 된다. BLDCM은 3상 2여자 운전으로 PMSM에 비해 전동기 이용률이 66.7[%]로 3상 3여자 운전에 비해 작은 값을 갖는다. 이 때문에 같은 출력 토크에서 3상 2여자 운전은 3상 3여자 운전보다 더 많은 상전류를 필요로 하며, 그 결과 최대 출력이 감소하게 된다. 하지만 BLDCM은 드라이브의 구조가 PMSM보다 간단하며 제어가 상대적으로 용이하다는 장점을 갖는다. 제안된 방식은 기존의 IPM의 최대토크 운전 방식에서 착안하여 기존 SPM의 운전방식과는 달리 최대 토크 지점에 인가되는 유효전압을 상승시켜 최대토크 운전 방식을 활용하는데 그 목적이 있다. 최대 토크지점을 활용하여 인버터에서 출력되는 유효전압을 상승시키는 방식으로써, 기존의 방식과 같은 양의 전류를 효율적으로 사용하는데 초점을 맞추어 효율을 향상 시켰다. 이를 위해 BLDC 전동기의 유한요소 해석을 통해 토크점을 도출해 냈으며, 여기서 도출된 토크점을 활용하여 최적의 유효전압 레퍼런스 값을 찾기 위하여 PSIM 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
또한 제안된 방식의 동작 및 제어 방법에 대한 검증을 위해 범용 BLDC 전동기 드라이브의 시작기 모델을 제작 및 실험을 수행하여 본 논문의 타당성을 증명하였다.
In this paper, the optimal current waveform control method is proposed to improve operating performance. Generally, BLDC motor contorl method is classified into PMSM and BLDCM based on BEMF waveform. PMSM has sine wave shape of BEMF. This type motor operates in 3-phase and 3-excitation driving and i...
In this paper, the optimal current waveform control method is proposed to improve operating performance. Generally, BLDC motor contorl method is classified into PMSM and BLDCM based on BEMF waveform. PMSM has sine wave shape of BEMF. This type motor operates in 3-phase and 3-excitation driving and is needed detecting continuos rotor position information to control current in sine wave. In the case of BLDCM, however, BLDCM has trapezoid wave shape of BEMF, so current of this type motor is controlled with a square wave in 3-phase 2-excitation driving. Thus, the rotor position of BLDCM is detected in every 60°. According to these characteristics, power utilization rate of BLDCM is lower than PMSM as 66.7[%]. For such a reason, the method of 3-phase and 2-excitation is needed higher value of current than the method of 3-phase and 3-excitation in the same output torque. However, BLDCM has the advantage of more structural simplicity than the case of PMSM and the ease to control. The proposed control method is that the effective voltage reference value is increased on the maximum torque position based on the mechanical structure of the motor.
Theoretically compared with SPM and IPM, the maximum torque of SPM has only alignment torque because of not having reluctance variation. On the other hand, the case of IPM is the maximum torque point which is at a maximum sum point of reluctance and alignment torque. As the method of increasing the effective output voltage from inverter using the maximum torque point, the proposed method is to improve efficiency of BLDC motors using the same amount of the existing current effectively. For this method, the maximum torque point is carried out by FEA and then, the optimal effective voltage reference value is determined by PSIM.
In this paper, the prototype of general-purpose BLDC drive is manufactured and the performance characteristic and validity are verified.
In this paper, the optimal current waveform control method is proposed to improve operating performance. Generally, BLDC motor contorl method is classified into PMSM and BLDCM based on BEMF waveform. PMSM has sine wave shape of BEMF. This type motor operates in 3-phase and 3-excitation driving and is needed detecting continuos rotor position information to control current in sine wave. In the case of BLDCM, however, BLDCM has trapezoid wave shape of BEMF, so current of this type motor is controlled with a square wave in 3-phase 2-excitation driving. Thus, the rotor position of BLDCM is detected in every 60°. According to these characteristics, power utilization rate of BLDCM is lower than PMSM as 66.7[%]. For such a reason, the method of 3-phase and 2-excitation is needed higher value of current than the method of 3-phase and 3-excitation in the same output torque. However, BLDCM has the advantage of more structural simplicity than the case of PMSM and the ease to control. The proposed control method is that the effective voltage reference value is increased on the maximum torque position based on the mechanical structure of the motor.
Theoretically compared with SPM and IPM, the maximum torque of SPM has only alignment torque because of not having reluctance variation. On the other hand, the case of IPM is the maximum torque point which is at a maximum sum point of reluctance and alignment torque. As the method of increasing the effective output voltage from inverter using the maximum torque point, the proposed method is to improve efficiency of BLDC motors using the same amount of the existing current effectively. For this method, the maximum torque point is carried out by FEA and then, the optimal effective voltage reference value is determined by PSIM.
In this paper, the prototype of general-purpose BLDC drive is manufactured and the performance characteristic and validity are verified.
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