본 연구에서는 감쇠상 역기전력을 고려한 토크모델이 도통 및 전환구간에서 다름을 보였으며 이를 통해 전환구간에서 나타나는 토크맥동을 수학적으로 해석하였다. 본 논문에서는 전환시간에 의해 나타나는 토크맥동을 저감할 수 있는 새로운 방식을 제안하였다. 첫째, 전환시간을 조절하여 상승상 및 감쇠상의 전류의 기울기를 일정하게 조정하는 절환지연시간제어를 제안하였다. 이를 통하여 비전환상에서의 전류맥동을 저감하였으며 직류단전압과 4배의 역기전력전압의 크기가 같아지는 임계속도 이하에서 토크맥동을 저감할 수 있다. 그러나, 역기전력 및 전환하는 전류의 관계에 의해 토크맥동이 여전히 존재한다. 특히 임계속도 이상에서는 토크맥동율이 크게 증가한다. 둘째, 역기전력과 전류의 관계에 따라 나타나는 토크맥동을 고려한 전환시점제어를 제안하였다. 제안한 방식에 의하여 BLDC 전동기의 토크맥동을 임계속도 이상에서 뿐 만 아니라 전 속도영역에서도 최소화 할 수 있다.
본 연구에서는 감쇠상 역기전력을 고려한 토크모델이 도통 및 전환구간에서 다름을 보였으며 이를 통해 전환구간에서 나타나는 토크맥동을 수학적으로 해석하였다. 본 논문에서는 전환시간에 의해 나타나는 토크맥동을 저감할 수 있는 새로운 방식을 제안하였다. 첫째, 전환시간을 조절하여 상승상 및 감쇠상의 전류의 기울기를 일정하게 조정하는 절환지연시간제어를 제안하였다. 이를 통하여 비전환상에서의 전류맥동을 저감하였으며 직류단전압과 4배의 역기전력전압의 크기가 같아지는 임계속도 이하에서 토크맥동을 저감할 수 있다. 그러나, 역기전력 및 전환하는 전류의 관계에 의해 토크맥동이 여전히 존재한다. 특히 임계속도 이상에서는 토크맥동율이 크게 증가한다. 둘째, 역기전력과 전류의 관계에 따라 나타나는 토크맥동을 고려한 전환시점제어를 제안하였다. 제안한 방식에 의하여 BLDC 전동기의 토크맥동을 임계속도 이상에서 뿐 만 아니라 전 속도영역에서도 최소화 할 수 있다.
This paper studies that torque model considered with decaying phase back-EMF is different In conduction and commutation period and analyzes the torque pulsation components mathematically. In this paper, it is proposed a novel method to suppress torque pulsation due to commutation time. First, it pro...
This paper studies that torque model considered with decaying phase back-EMF is different In conduction and commutation period and analyzes the torque pulsation components mathematically. In this paper, it is proposed a novel method to suppress torque pulsation due to commutation time. First, it propose commutation delay time control method, which is to compensate current slope of rising phase and decaying phase to control commutation time. Current ripple is minimized at non-commutating current and torque ripple is reduced below critical speed range that dc link voltage is the same as four times of back-EMF voltage. However, torque ripple still exists due to the relation with back-EMF and commutating current and it is increased on a large scale above critical speed range, especially. Secondly, proposed method is commutation time control, which is considered with torque pulsation due to the relation of back-EMF and commutating current. Through the proposed method, the torque pulsation can be minimized in the whole speed range as well as range over critical speed.
This paper studies that torque model considered with decaying phase back-EMF is different In conduction and commutation period and analyzes the torque pulsation components mathematically. In this paper, it is proposed a novel method to suppress torque pulsation due to commutation time. First, it propose commutation delay time control method, which is to compensate current slope of rising phase and decaying phase to control commutation time. Current ripple is minimized at non-commutating current and torque ripple is reduced below critical speed range that dc link voltage is the same as four times of back-EMF voltage. However, torque ripple still exists due to the relation with back-EMF and commutating current and it is increased on a large scale above critical speed range, especially. Secondly, proposed method is commutation time control, which is considered with torque pulsation due to the relation of back-EMF and commutating current. Through the proposed method, the torque pulsation can be minimized in the whole speed range as well as range over critical speed.
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문제 정의
임계속도 이하의 경우 전환시간이 임계속도이상의 영역 에 비해 상대적으로 길기 때문에 제어면에서 용이하며 감쇠상의 상전류를 제어하는 연구가 많이 발표되어 왔다긔-디 그러나 임계속도 이상의 영역의 경우 이하의 영역에 비해 상대적으로 전환시간이 짧아서 감쇠상의 기울기가 빨리 영점으로 도달하기 때문에 제어가 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 임계속도이상의 영역에서 스위치가 오프(off)되는 상의 전류를 제어하여 토크 맥동을 저감할 수 있는 새로운 토크 맥동 저감 알고리즘을 제안하였다. 그림 3은 속도 영역에 따라 역기전력과 직류단 전압과의 관계에 따른 전류벡터도를 보여준다.
상전류의 크기를 줄이면 전체 토크의 감소를 가져오게 되고 전환시간을 줄이면 토크 맥농을 줄일 수 있으나 전환시간 以는 전동기의 시정수 및 시스템의 정수에 영향을 받기 때문에 완전히 감소시켜 이상적인 구형파 전류를 인가하기는 실제로 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 전환시간을 제어하여 전환시간 및 역기전력에 의한 토크 맥동을 저감할 수 있는 전환 시점 제어법을 제안하고자 한다. 새로운 신환시간의 설정에 따라 전환 시 발생하는 전류 맥동을 저감할 수 있으며 이때 새롭게 설정된 전환시간 效는 a = -농일 때 가장 작게 나타남을 알 수 있다.
BLDC 전동기의 토크는 전류와 역기전력의 함수이므로 맥동 없는 토크를 얻기 위해서는 전류제어의 측면뿐만 아니라 전류와 역기전력과의 상호관계를 고려하여야 한다. 본 논문에서는 BLDC 전동기의 단점인 전류구간에서 토크 맥동이 발생하는 문제에 대하여 연구하였으며 먼저 전환 구간에서의 감쇠상역기전력을 고려한 토크 모델을 이용하여 전환亍간의 토크가 전류에 비례하는 부분과 전환시간에 비례하는 토크맥동으 로 나눌 수 있음을 보였다. 전자는 모터를 회전시키는 실제적인 출력 토크로 작용하는 성분으로 전류에 맥동이 있을 경우 토크 맥동으로 나타날 수도 있고 후자는 맥동으로만 존재하는 성분으로 전류제어가 원활하게 수행된 경우에도 여전히 존재하게 된다.
본 논문에서는 기존의 BLDC전동기 구동 방식에 의한 둥가회로를 스위치가 off되는 상의 전류 및 역기전력을 고려한 새로운 토크 모델을 이용하여 2상도 통구간과 전환 구간의 토크 맥동성분에 대한 새로운 해석을 통하여 토크 맥동의 원인을 분석하고, 사다리 꼴 역기전력을 가지는 BLDC전동기의 상전환 시 맥농토크와 평균 토크를 개선할 수 있는 새로운 토크맥동 저감 방식을 제안하였다.
따라서 전환 시의 토크맥동의 원인은 전류의 맥동과 유한한 전환시간으로 나눌 수 있다. 지금까지 BLIX 전동기의 토크 맥동 저감을 위한 연구는 주로 전류제어의 측면에서 이루어져 왔는데 본 논문에서는 전류시간에 의한 토크맥 동을 저감시킬 수 있는 방식을 제안하였다. 전환에 의한 도크 맥동은 2차 함수 형태이고 전환 시점을 제어할 때 역기 전력의 평탄한 구간을 중심으로 토크 맥동이 양분되는 현상에 착안하여 전환 시점을 적절히 제어함으로써 전류에 의한 토크 맥동을 상당히 저감할 수 있음을 보였으며 최적의 전환 시점을 제안하였다.
제안 방법
전환에 의한 도크 맥동은 2차 함수 형태이고 전환 시점을 제어할 때 역기 전력의 평탄한 구간을 중심으로 토크 맥동이 양분되는 현상에 착안하여 전환 시점을 적절히 제어함으로써 전류에 의한 토크 맥동을 상당히 저감할 수 있음을 보였으며 최적의 전환 시점을 제안하였다. 또한 토 크맥동의 원인에 근거한 맥동저감 방식으로 지연시간제어 방식과 전환시 점 제어 방식을 제안하였다. 각각의 방식을 이용하여 전류 구간의 토크 맥동이 상당히 저감됨을 확인할 수 있었다.
새롭게 설정된 전환 시점을 기준으로 하여 3.1절에서 제안한 전류의 기울기 제어법을 통하여 상승상과 감쇠상의 전류의 기울기를 일정하게 하며 이때 상승상과 감쇠상의 전환시간을 새롭게 설정된 전환시간에 의해 전류제어를 수행한다. 이때 전환시간은 상승상과 감쇠상의 전환시간의 최적점에서의 전환시간을 구하고 이를 통하여 새롭게 설정된 시간에 따라 제안한 토크 맥동 저감 알고리즘을 적용하여 전환 시 발생하는 맥동토크를 최소로 저감할 수 있게 된다.
식(2)에서와 같이 역기전력과 직류단 전압과의 관계는 4배의 역기전력을 임계점으로 하여 모두 3가지의 영역으로 나뉘어지며 본 논문에서는 각각 임계속도이 하, 임계영역, 임계속도 이상의 영역으로 구분하였다. 임계속도 이하의 경우 전환시간이 임계속도이상의 영역 에 비해 상대적으로 길기 때문에 제어면에서 용이하며 감쇠상의 상전류를 제어하는 연구가 많이 발표되어 왔다긔-디 그러나 임계속도 이상의 영역의 경우 이하의 영역에 비해 상대적으로 전환시간이 짧아서 감쇠상의 기울기가 빨리 영점으로 도달하기 때문에 제어가 쉽지 않다.
이론/모형
시뮬레이션은 MATAB/Simulink를 사용하였으며 표 1은 본 논문에 사용된 BLDC전동기의 파라메터를 보 여준다.
성능/효과
또한 토 크맥동의 원인에 근거한 맥동저감 방식으로 지연시간제어 방식과 전환시 점 제어 방식을 제안하였다. 각각의 방식을 이용하여 전류 구간의 토크 맥동이 상당히 저감됨을 확인할 수 있었다.
그림 12는 고속영역에서의 경우를 살펴본 것으로써 제안한 방법은 고속영역에서도 일정한 토크 특성을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 새로운 토크 맥동 저감 방식은 전 영역에서 우수한 특성을 보이고 있으며 특히 고속영역에서 다른 방식보다 성능이 뛰어남을 알 수 있다.
표 2는 본 논문에서 제안한 방식의 속도에 따른 저감률을 살펴본 것으로서 순시토크 맥동률을 살펴본 것이다. 임계속도 이상에서 기존의 방식과 제안한 방식 모두 토크맥동이 증가하고 있으나 기존의 방식에 비해 현저하게 토크 맥동이 저감되어 나타남을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 알고리즘에 의해 BLDC전 동기의 사용 영역을 확장시킬 수 있을 것으로 사료된다.
세 번째 항은 상승상과 감쇠상의 기울기 차이 에 의 한 비전환상 전류의 맥동성분으로써 비전환상 전류와 역기전력과의 관계에 의해 나타나는 성분이다. 전술한 바와 같이 임 계속도 이하의 영역에서는 평균토크성분이 증가함을 알 수 있으며 임계속도 이상의 영역에서는 감소함을 알 수 있다. 따라서 BLDC전동기의 경우 역기전력과의 관계에 의해 발생하는 토크 맥동성분에 대하여 이를 고려한 제어기법을 사용해야 하며 토크 맥동을 최소화할 수 있다.
지금까지 BLIX 전동기의 토크 맥동 저감을 위한 연구는 주로 전류제어의 측면에서 이루어져 왔는데 본 논문에서는 전류시간에 의한 토크맥 동을 저감시킬 수 있는 방식을 제안하였다. 전환에 의한 도크 맥동은 2차 함수 형태이고 전환 시점을 제어할 때 역기 전력의 평탄한 구간을 중심으로 토크 맥동이 양분되는 현상에 착안하여 전환 시점을 적절히 제어함으로써 전류에 의한 토크 맥동을 상당히 저감할 수 있음을 보였으며 최적의 전환 시점을 제안하였다. 또한 토 크맥동의 원인에 근거한 맥동저감 방식으로 지연시간제어 방식과 전환시 점 제어 방식을 제안하였다.
후속연구
임계속도 이상에서 기존의 방식과 제안한 방식 모두 토크맥동이 증가하고 있으나 기존의 방식에 비해 현저하게 토크 맥동이 저감되어 나타남을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 알고리즘에 의해 BLDC전 동기의 사용 영역을 확장시킬 수 있을 것으로 사료된다.
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