[논문]초고속 소형 BLDC의 순시 전압 제어에 의한 토크 리플 억제

이동희

초고속 소형 BLDC의 순시 전압 제어에 의한 토크 리플 억제
A Torque Ripple Reduction of Miniature BLDC using Instantaneous Voltage Control 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.12 no.3, 2007년, pp.191 - 198

이동희 (경성대 전기전자메카트로닉스)

초록
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소형 BLDC(Brushless DC) 전동기는 높은 운전효율과 고토크 특성으로 인하여, 산업용 기계와 가전기기 및 특히 의료용 장비에 널리 사용되고 있다. 일반적인 BLDC 전동기의 경우에 전류(commutation) 구간에서의 토크 리플 억제에 대한 다양한 연구가 이루어져 왔다. 하지만, 초고속 BLDC 전동기의 경우 설계 특성상 전기적 시정수가 매우 짧아서 전류 구간에서의 토크 리플 보다 통전 구간에서의 토크 리플이 더 큰 영향을 미치게 된다. 본 논문에서는 40000rpm급 초고속 소형 BLDC 전동기의 전기적 시상수에 따른 통전구간에서의 토크리플을 해석하고, 토크 리플 억제를 위하여, 순시 전압 제어기와 고속 히스테리시스 전류 제어기를 제안한다. 제안된 순시 전압제어기는 통전구간에서의 토크 리플 억제를 위하여 운전속도와 부하전류에 적합한 전압을 순시적으로 제어하여 BLDC 전동기에 공급하고, 고속 히스테리시스 전류 제어기는 DSP의 지령전류에 따라, 제어 주기의 샘플링 지연없이 부하전류를 제어하는 시스템이다. 제안된 초고속 소형 BLDC 전동기의 토크 리플 억제를 위한 제어 시스템은 시뮬레이션 및 실험을 통하여 그 타당성을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the instantaneous source voltage and phase current control for torque ripple reduction of a high speed miniature BLDC motor. As compared with general BLDC motor, a high speed miniature BLDC motor has a fast electrical time-constant. So the current and torque ripple are very serious in a conventional PWM switching during conduction period. In order to reduce the switching current ripple, instantaneously controlled source voltage is supplied to the inverter system according to the motor speed and load torque. In addition, the fast hysteresis current controller can keep the phase current In the limited band. The proposed method is verified by the computer simulation and experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 고속 운전에서는 제어 주기 내에서는 순시적으로 스위칭 패턴이 변동에 따른 전류 구간에서의 토크 리플을 효과적으로 억제하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 12비트 DAC와 고속 비교기를 사용한 히스테리시스 전류 제어기를 구현하였다.
실제 제어 시스템에서 스위칭 주파수를 크게 증가 시키는 것은 현실적인 문제가 발생하게 된다. 따라서 본 논문에서는 초고속 소형 BLDC 전동기의 토크 리플 억제를 위하여 BLDC 전동기의 속도와 부하 전류에 적합한 전원 전압을 공급하기 위한 순시 전압 제어 시스템을 도입하였다.
본 논문에서는 40000rpm급 초고속 소형 BLDC 전동기의 전기적 시상 수에 따른 통전구간에서의 토크 리플을 해석하고, 토크 리플 억제를 위하여, 순시 전압 제어기와 고속 히스테리시스 전류 제어기를 제안하였다.
본 논문에서는 40000rpm급 초고속 소형 BLDC 전동기의 전기적 시상 수에 따른 통전구간에서의 토크 리플을 해석하고, 토크 리플 억제를 위하여, 순시 전압 제어기와 고속 히스테리시스 전류 제어기를 제안한다. 제안된 순시 전압 제어기는 통전 구간에서의 토크 리플 억제를 위하여 운전속도와 부하전류에 적합한 전압을 순시 적으로 제어하여 BLDC 전동기에 공급하고, 고속 히스테리시스 전류 제어기는 DSP의 지령전류에 따라, 제어 주기의 샘플링 지연 없이 부하전류를 제어하는 시스템이 다.
본 논문에서는 전기적 시정 수가 매우 낮은 초고속 소형 BLDC 전동기의 전압 제어를 위하여 응답성이 매우 높고 출력전압의 리플이 거의 없는 파워 Burr-Brown사의 OP-Amp를 적용하여 설계 하였다. 순시 전압 제어기의 지령 전압은 파워 을OP-Amp의 증폭률 을 고려하여 BLDC 전동기의 저항과 속도에 따라 다음과 같이 계산된다.

제안 방법

식 (9) 와 같이 계산된 지령 전압은 12비트 DAC로 출력되고, DAC의 출력은 파워 OP-Amp의 비반전 증폭비 Km 배로 증폭되어 BLDC 전동기의 인버터로 공급된다. 본 논문에서는 4[V] DAC 출력이 BLDC 전동기 정격 전압인 32[V]가 되도록 비반전 증폭 비 Kg 을 8이 되도록 설계하였다.
제안한다. 제안된 순시 전압 제어기는 통전 구간에서의 토크 리플 억제를 위하여 운전속도와 부하전류에 적합한 전압을 순시 적으로 제어하여 BLDC 전동기에 공급하고, 고속 히스테리시스 전류 제어기는 DSP의 지령전류에 따라, 제어 주기의 샘플링 지연 없이 부하전류를 제어하는 시스템이 다.
제안된 순시 전압 제어기는 통전 구간에서의 토크 리플 억제를 위하여 운전속도와 부하전류에 적합한 전압을 순시적으로 제어하여 BLDC 전동기에 공급하고, 고속 히스테리시스 전류 제어기는 DSP의 지령전류에 따라, 제어 주기의 샘플링. 지연없이 부하전류를 제어하는 시스템이다.

대상 데이터

시스템의 실험 장치를 나타내고 있다. 메인 제어기는 TKTexas Instrument) 사의 TMS320 LF2812-150W> 적용하였고, 순시 전압 제어 장치의 구현을 위하여 Burr-Brown 사의 OPA-541 을 사용하였다. 고속 스위칭을 위한 인버터 장치는 고속 FET로 구현하였으며, 전류 피이드백은 직류 링크단의 전류를 피이드백하여 제어에 사용하였다.

성능/효과

지연없이 부하전류를 제어하는 시스템이다. 기존의 제어 방식에서는 초고속 BLDC 전동기의 전류 및 토크 리플이 매우 크게 발생하여 특히, 저속 운전 영역에서는 안정적인 운전이 이루어지지 않으나, 제안된 방식에서는 저속 및 고속 운전영역에서 매우 안정적인 제어가 가능하였으며, 상전류 및 토크 리플이 크게 개선됨을 보이고 있다.
본 논문에서 제안된 고속 히스테리시스 전류 제어기는 범용 BLDC 전동기의 전류(轉流)구간에서 발생하는 전류의 딮 또는 스파이크 현상을 크게 억제할 수 있으므로, 전류구간에서의 토크 리플 억제에도 매우 적합하다.
실험 결과에서 제안된 방식으로 초고속 BLDC 전동기의 저속 및 고속 운전이 안정적으로 이루어짐을 보이고 있다. 하지만, 제안된 방식의 경우 저속 운전영역인 500血m] 에서 파워 OP-amp의 손실이 약 65[W] 정도로 전동기의 정격에 비해 높은 단점이 있다.
실험 결과에서 초고속 BLDC 전동기의 운전속도가 비교적 높은 7500[rpm]에서는 기존방식으로 속도 제어가 가능하나 상전류의 리플이 매우 높고, 이로 인한 소음 및 진동이 크게 발생하게 된다. 지령속도가 500[rpm]의 저속 운전 영역에서는 기존의 제어방식에 의해서는 제어 시스템의 스위칭 주파수는 약 100[kHz] 정도로 설정되었음에도 불구하고, 높은 전류 리플로 인하여 정상적인 제어가 불가능하며, 속도의 변동이 매우 높게 발생하고 있다.
제안된 초고속 소형 BLDC 전동기의 토크 리플 억제를 위한 제어 시스템은 시뮬레이션 및 실험을 통하여 그 타당성을 증명하였다.
지령속도가 500[rpm]의 저속 운전 영역에서는 기존의 제어방식에 의해서는 제어 시스템의 스위칭 주파수는 약 100[kHz] 정도로 설정되었음에도 불구하고, 높은 전류 리플로 인하여 정상적인 제어가 불가능하며, 속도의 변동이 매우 높게 발생하고 있다. 하지만, 제안된 방식에서는 500[rpm]의 저속 영역에서도 안정된 운전상태를 보이고 있으며 상전류의 리플이 매우 감소함을 보이고 있다.
이상의 토크 리플이 나타나게 된다. 해석 결과에서 초고속 BLDC 전동기의 토크 리플은 스위칭 주파수가 높아질수록 지수적으로 감소하며, 운전속도가 높아서 역기전력과 전원 전압의 차이가 감소할수록 감소하게 된다. 실제 초고속 BLDC 전동기의 경우 범용의 BLDC 전동기와 달리 통전 구간에서의 토크 리플이 그림 4와 그림 5의 해석 결과에서 알 수 있듯이 매우 높으며, 이는 3000 ~ 5000[ipm]급 BLDC 전동기의 토크 리플에 비해 약 10배 이상 높게 형성되는 경향을 보인다.

후속연구

단점이 있다. 제안된 시스템의 경우, 저속 운전 영역의 활용이 빈번하지 않거나, 사용 시간이 낮은 경우에 적합한 방식으로, 연속적인 저속 저전압 운전이 요구되는 응용 예에 대한 효율 개선 방안은 향후 연구가 진행 되어야 할 것이다.

참고문헌 (4)

P. Pillay and R. Krishnan, 'Application Characteristics of Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor for Servo Drives', IEEE IAS Annual Meeting, pp. 380-390, 1987
Renato Calrson, Michel Lajoie-Mazenc and Joao C.dos S. Fagundes, 'Analysis of Torque Ripple due to Phase Commutation In Brushless DC machines', IEEE Conference of IAS Annual Meeting, pp. 287-292, 1990
D. C. Hanselman, 'Minimum Torque Ripple, Maximum Efficiency Excitation of Brushless Permanent Magnet Motors', IEEE Trans. On IE, Vol. 41, No. 3, pp. 292-300, June, 1994
H. Zeroug et al, 'Analysis of Torque Ripple in BDCM', IEEE Trans. On Magnetics, Vol. 38, No. 2, pp. 1293-1296, March, 2002

상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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