[논문]모터 구동 장치의 가청 스위칭 소음 저감을 위한 2상 및 3상 랜덤 펄스 위치 PWM기법의 성능 비교

정영국; 위석오; 나석환; 임영철

모터 구동 장치의 가청 스위칭 소음 저감을 위한 2상 및 3상 랜덤 펄스 위치 PWM기법의 성능 비교
A Comparative Study on the Performance of Two-Phase and Three-Phase Randomized Pulse Position PWM Scheme for Mitigation of Audible Switching Acoustic Noise in Motor Drives 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.7 no.3, 2002년, pp.224 - 236

정영국 (대불대학교 전기공학과) , 위석오 (전남대학교 대학원 전기공학과 박사과정 수료) , 나석환 ((주)하우 무선데이터 통신연구소 책임연구원) , 임영철 (전남대학교 전기공학과 교수)

초록
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PWM기법의 성능을 비교하고 있다. 랜덤 펄스 위치 PWM기법은 2상 또는 3상 펄스들을 변조 구간내의 임의의 위치에 랜덤하게 배치하고 인버터 스위칭에 의하여 고조파의 스펙트럼을 광역화하는 RPWM기법이다. 시뮬레이션과 실험에 의하여 인버터 출력 전압의 고조파 스펙트럼과 맥동 전류 파형 그리고 모터의 가청 스위칭 소음의 저감 효과를 비교 검토하였다. 스위칭 손실 및 연산시간 그리고 구현의 용이성에서 3상 RPWM보다는 2상 RPWM이 양호하며, 고조파의 광대역화 측면에서는 3상 RPWM이 보다 좋은 성능을 지니고 있음을 알 수 있었다. 또한 가청 스위칭 소음저감은 2상 RPWM과 3상 RPWM이 거의 유사한 성능을 갖고 있음이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a comparative study on the performance of two-phase and three-phase randomized pulse position PWM scheme for mitigation of audible switching acoustic noise in motor drives is done. In the randomized Pulse Position PW, each of two-Phase or three-phase PWM Pulses is located randomly in each switching interval. Simulation and experimental efforts were executed to investigate the spread effects of Power spectra of inverter output voltage, waveforms of ripple current and audible switching acoustic noise. As results, two-phase RP% scheme is more effective from the viewpoint of switching loss and ease of implementation while the three-phase RPWM scheme is more effective from the viewpoint of the spread effects of power spectra. Also, from the view point of the audible switching acoustic noise in motor drives, two-phase and three-phase RPW schemes are nearly the same.

주제어

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문제 정의

않는다. 단지 SVM의 적용시 특정 스위칭 주파수의 정수배에 집중되어져 있던 스펙트럼을 광대역으로 분산시켜 서론에서 언급된 여러 효과를 얻게 하는데 그 목적이 있다.
따라서 본 연구에서는 모터 구동 장치로부터 발생되는 가청 스위칭 소음을 저감하기 위한 2상 및 3상 랜덤 펄스 위치 PWM기법의 성능을 비교하였다. 랜덤 펄스 위치 PWM기법은 2상 또는 3상 펄스들을 변조 구간 내의 임의의 위치에 랜덤하게 배치하고 인버터 스위칭에 의하여 고조파의 스펙트럼을 광역화하는 RPWM기법이다.

제안 방법

랜덤 펄스 위치 PWM기법은 2상 또는 3상 펄스들을 변조 구간 내의 임의의 위치에 랜덤하게 배치하고 인버터 스위칭에 의하여 고조파의 스펙트럼을 광역화하는 RPWM기법이다. MATLAB/SIMULINK 시뮬레이션과 C₁₆7기반의 실험에 의하여, 인버터 출력 선간 전압의 고조파 스펙트럼 및 맥동 전류 파형 그리고 모터의 가청 스위칭 소음의 저감 효과를 비교 검토하였다. 스위칭 손실 및 연산시간 그리고 구현의 용이성에서 3상 RPWM보다는 2상 RPWM이 양호하며, 고조파의 광대역화 측면에서는 3상 RPWM이 보다 좋은 성능을 지니고 있음을 알 수 있었다.
모터를 무부하, 40Hz의 지령속도, 변조지수 M=0.7, 2kHz의 스위칭 주파수로 오픈 루프 운전하였을 때, 모터 구동 장치로부터 발생되는 가청 스위칭 소음을 저감하기 위한 2상 및 3상 랜덤 펄스 위치 PWM 기법의 성능을 비교하였다.
본 연구에서 구현된 iRPP-PWW는 우측정렬 SVM 을 통하여 얻어진 펄스의 위치를 좌측으로 어느 정도 변위시킬 것인가를 랜덤함수를 사용하여 구현한다. 이를 위해 각 상별로 듀티비 별로 정렬하고 가장 듀티비가 큰 상부터 영벡터 범위 내에서 랜덤수를 발생시켜영벡터 인가시간 범위내에서 펄스를 랜덤하게 위치시킨다.
본 연구에서는 2상과 3상의 랜덤 펄스 위치 변조 기법을 모터 구동장치에 적용한 후, 가청 스위칭 소음저감의 성능을 비교 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 인버터 출력 선간 전압의 고조파에 대한 광대역화 효과는 2상 iRPP-PWM기법보다는 3상 iRPP-PWM기법이 우수하였다.
나타내고 있다. 본 연구의 내용은 주로 PWM 발생기법에 있으므로 응답성이 좋은 고성능의 폐루프 제어 대신에 간단한 개루프 전압제어 방식을 택하였다.
공간벡터 변조 및 랜덤수 발생 등의 모든 연산은 C₁₆7내의 제어 프로그램에 의하여 수행될 뿐만 아니라 C₁₆7 포트 출력은 바로 IPM을 게이팅 할 수 있는 신호이다. 즉 PLD를 사용하지 않고 C₁₆7 에 내장된 CAP/COM(Capture/ Compare) 기능을 사용하여 저 비용의 전력제어 장치를 구현하였다.

대상 데이터

본 연구에서 인버터에 의해 구동되는 유도 모터의 스위칭 소음의 파워 스펙트럼을 얻기 위한 실험은 특별히 설계된 6면이 모드 흡음제로 밀폐되어 있는 무향실(無響空)에서 수행되었으며, 측정 장비로는 소음 및 진동신호에 대한 분석이 가능한 전용 측정기 「RION SA-74j 를 사용하였다.
시스템은 C₁₆7 마이크로 콘트롤러 보드, IPM 인버터, 1.5kW 유도모터, 제어 프로그램 그리고 호스트 프로그램 등으로 구성되어져 있다. 공간벡터 변조 및 랜덤수 발생 등의 모든 연산은 C₁₆7내의 제어 프로그램에 의하여 수행될 뿐만 아니라 C₁₆7 포트 출력은 바로 IPM을 게이팅 할 수 있는 신호이다.

데이터처리

실험 결과의 분석에 사용된 데이터는 유도 모터로부터 측면 15cm떨어진 곳에 설치된 마이크로부터 측정된 값을 50초간 평균하여 얻은 값을 사용하였다.

성능/효과

스위칭 손실 및 연산시간 그리고 구현의 용이성에서 3상 RPWM보다는 2상 RPWM이 양호하며, 고조파의 광대역화 측면에서는 3상 RPWM이 보다 좋은 성능을 지니고 있음을 알 수 있었다. 또한 가청 스위칭 소음저감은 2상 RPW财과 3상 RPWN[은 거의 유사한 성능을 갖고 있음이 확인되었다.
MATLAB/SIMULINK 시뮬레이션과 C₁₆7기반의 실험에 의하여, 인버터 출력 선간 전압의 고조파 스펙트럼 및 맥동 전류 파형 그리고 모터의 가청 스위칭 소음의 저감 효과를 비교 검토하였다. 스위칭 손실 및 연산시간 그리고 구현의 용이성에서 3상 RPWM보다는 2상 RPWM이 양호하며, 고조파의 광대역화 측면에서는 3상 RPWM이 보다 좋은 성능을 지니고 있음을 알 수 있었다. 또한 가청 스위칭 소음저감은 2상 RPW财과 3상 RPWN[은 거의 유사한 성능을 갖고 있음이 확인되었다.
iRPP-P曲보다 양호하다. 스위칭 손실과 구현 성의 평가에서는 3상 iRPP-PMI과 3상 SVM보다는 2상만을 다루는 2상 iRPP-PWM과 2상 SVM이 유리한 것으로 판정되었다.
수 있었다. 인버터 출력 선간 전압의 고조파에 대한 광대역화 효과는 2상 iRPP-PWM기법보다는 3상 iRPP-PWM기법이 우수하였다. 2상 iRPP-PWWe 2상만을 다루기 때문에 스위칭 손실과 연산시간이 절약되고 구현이 간단하다는 장점이 있다.

후속연구

끝으로 본 연구에서 다룬 iRPP-PWM기법은 종전의 SVM을 적용할 수 있는 센서리스 벡터 제어기를 포함하여 대부분의 인버터 구동 장치에 부가적인 노력이 없이 용용 가능하리라 기대된다.

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