[논문]BLDC 전동기 운전 특성을 이용한 고장 검출 기법 구현

이정대; 박병건; 김태성; 류지수; 현동석

BLDC 전동기 운전 특성을 이용한 고장 검출 기법 구현
Fault Detection of BLDC Motor Drive Based on Operating Characteristic 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.13 no.2, 2008년, pp.88 - 95

이정대 (한양대 대학원 전기공학과) , 박병건 (한양대 대학원 전기공학과) , 김태성 (한양대 대학원 전기공학과) , 류지수 (한영전기공업㈜ 기술연구소) , 현동석 (한양대 전기제어생체공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 BLDC 전동기 구동용 인버터 한상의 스위치에서 개방 형태의 고장이 발생하여도 구동 시스템의 제어 성능을 유지하기 위한 빠른 고장 검출 시스템이 제안되었다. 제안된 방법은 고장 검출을 위한 추가적인 구성요소 없이 단지 BLDC 전동기의 구동 시에 나타나는 고유의 전류 제어 특성을 이용하여 간단한 방식으로 고장 검출 및 고장 위치 확인이 가능하다. 신속히 고장이 발생한 스위치의 위치를 판단한 후, 시스템은 연속적인 동작을 위해 재구성되어진다. 재구성 방법은 고장이 발생한 상을 양방향 스위치에 의해 직류-링크 중성점과 연결하여 4-스위치 구동의 형태로 구성하였다. 제안한 고장 검출 시스템은 짧은 고장 검출 시간과 시스템 토폴로지의 재구성에 의해 고장 발생 후 제어 성능을 빠르게 회복하여 연속적인 시스템 운영이 가능하다. 제안한 고장 검출 시스템의 우수한 성능은 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a fast fault detection algorithm under open-circuit fault of a switch for a brushless DC(BLDC) motor drive system. This proposed method is configured without the additional devices for fault detection and identification. The fault detection and identification are achieved by a simple algorithm using the operating characteristic of the BLDC motor. After the fault identification, the drive system is reconfigured for continuous operation. This system is reconfigured by four-switch topology connecting a faulty leg to the middle point of DC-link bidirectional switches. This proposed method can also be embedded into existing BLDC motor drive systems as a subroutine without excessive computational effort. The feasibility of a the proposed fault detection algorithm is validated in simulation and experiment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 BLDC 전동기 구동의 신뢰성을 확보하고자 BLDC 전동기 구동용 인버터의 고장 검출 기법에 대해 연구하였다. 제안한 고장 검출 방법은 BLDC 전동기 구동시에 나타나는 고유의 전류 제어 특성을 이용함으로써 추가적인 장치나 비용이 필요 없을 뿐만 아니라 기존의 방법에 비해 고장을 검출하는 시간을 최대한 모드 이내로 단축시킴으로써 고장 발생 후 시스템의 제어 성능을 우수하게 유지할 수 있다.
단락, 스위칭 소자의 고장, 전압.전류 센서의 고장 등이 있으나, 본 논문에서는 스위칭 소자의 개방성 고장이 발생하였을 경우에 대한 고장의 검출과 재구성기법에 대해 연구하였다. 그리고 스위칭 소자의 개방성 고장으로는 게이트 드라이브 IC의 문제로 스위칭 소자의 턴-온이 안 되는 경우와 마이크로 컨트롤러에서 게이트 드라이브로 신호가 전송되는 버스에서 문제가 발생했을 경우 발생할 수 있다.

제안 방법

실험은 A상의 상단과 하단 스위치 각각에 대한 개방성 고장을 고려하여 실험하였다. 개방된 고장 상태는 게이트 드라이버에 강제로 턴-오프 신호를 인가하여 구성하였다.
제안한 고장 검출 방법은 BLDC 전동기 구동시에 나타나는 고유의 전류 제어 특성을 이용함으로써 추가적인 장치나 비용이 필요 없을 뿐만 아니라 기존의 방법에 비해 고장을 검출하는 시간을 최대한 모드 이내로 단축시킴으로써 고장 발생 후 시스템의 제어 성능을 우수하게 유지할 수 있다. 그리고 통합된 완벽한 고장 허용 제어 시스템의 구현을 위하여, 제안한 고장 검출 기법에 양방향 스위치를 이용하여 고장이 발생한 상의 격리와 동시에 직류 링크 중성점을 연결함으로써 4-스위치로 구동시키는 재구성 방법⑻을 채택하여 적용하였다. 제안한 고장허용 시스템의 가능성과 우수성은 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
고장 후 재구성 방법은 시스템의 운영 환경과 비용적인 측면을 고려하여 적합한 방법을 선택하여야 한다. 본 논문에서 제안한 고장 검출 방법은 4-스위치 구동방법을 채택하여 시스템 구성의 비용적인 측면에서 감소시키기 위해 적용하였다.
본 논문에서 제안한 방법의 정확한 이해를 위해 크게 두 가지 부분으로 나누어 설명이 가능하다. 첫 번째는 그림 3(a)의 고장 발생 여부를 판단하기 위한 고장검출 부분과 두 번째는 그림 3(b)의 고장 검출 이후 정확한 고장 위치의 확인을 수행하는 부분이다.
본 논문에서 제안한 방법의 타당성을 검증하기 위하여 전동용 휠체어에 사용되는 (250W) BLDC 전동기 부하를 갖는 인버터 시스템을 제작하였다.
본 방법은 간단한 고장 검출을 위한 제어 알고리즘을 기존의 BLDC 전동기 구동용 인버터의 소프트웨어에 추가함으로써 추가비용 없이 고장에 강인한 제어시스템을 구성할 수 있다. 이러한 고장 검출 시스템의 실현 가능성과 우수성을 보이고자 제안한 방법을 이용하여 고장 허용 시스템을 구성하고, 시뮬레이션과 실험을 통하여 고장에 대한 강인한 특성을 검증하였다.
인버터는 (IPM) PM30CSJ060을 이용하였으며, 제어와 PWM 발생을 위하여 디지털 신호처리기 (DSP) TMS320C₃₃과 FPGA가 사용되어졌다. 실험은 A상의 상단과 하단 스위치 각각에 대한 개방성 고장을 고려하여 실험하였다. 개방된 고장 상태는 게이트 드라이버에 강제로 턴-오프 신호를 인가하여 구성하였다.
구성할 수 있다. 이러한 고장 검출 시스템의 실현 가능성과 우수성을 보이고자 제안한 방법을 이용하여 고장 허용 시스템을 구성하고, 시뮬레이션과 실험을 통하여 고장에 대한 강인한 특성을 검증하였다. 제안한 시스템은 관련 응용분야에 적용 시 위에서 설명한 장점들로 인하여 시스템의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.
그림에서 굵은 실선으로 나타낸 부분은 본 논문에서 제안한 방법이 전체적인 BLDC 구동 시스템에 소프트웨어적으로 추가됨을 보여주고 있다. 제안한 방법은 기본적인 히스테리시스 제어시스템에 고장 검출과 확인을 위한 알고리즘과 양방향 스위치를 추가함으로써 구현 할 수 있다.
통합된 완벽한 고장 허용 제어 시스템의 구현과 제안한 방법의 신뢰성과 우수성을 검증하고자, 제안한 고장 검출 기법에 기존의 재구성 방법을 채택하여 적용하였다. 재구성 방법으로는 4-스위치 구동 방법⑻과 추가된 여분의 상을 이용하여 구동하는 방법回등 여러 가지 방법들이 있다, 4-스위치 구동 방법은 가격적 측면에서는 우수하나 재구성 이후 출력의 감소를 가져오며 제어의 변화를 요구한다.

대상 데이터

보여준다. 인버터는 (IPM) PM30CSJ060을 이용하였으며, 제어와 PWM 발생을 위하여 디지털 신호처리기 (DSP) TMS320C₃₃과 FPGA가 사용되어졌다. 실험은 A상의 상단과 하단 스위치 각각에 대한 개방성 고장을 고려하여 실험하였다.

데이터처리

그리고 통합된 완벽한 고장 허용 제어 시스템의 구현을 위하여, 제안한 고장 검출 기법에 양방향 스위치를 이용하여 고장이 발생한 상의 격리와 동시에 직류 링크 중성점을 연결함으로써 4-스위치로 구동시키는 재구성 방법⑻을 채택하여 적용하였다. 제안한 고장허용 시스템의 가능성과 우수성은 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.

성능/효과

첫 번째는 그림 3(a)의 고장 발생 여부를 판단하기 위한 고장검출 부분과 두 번째는 그림 3(b)의 고장 검출 이후 정확한 고장 위치의 확인을 수행하는 부분이다. 제안되어진 방법에 의해 고장 확인이 이루어지면 고장이 발생한 상의 격리와 재구성을 통해 시스템은 고장이 발생하였음에도 불구하고 원활한 동작이 가능하다.
대해 연구하였다. 제안한 고장 검출 방법은 BLDC 전동기 구동시에 나타나는 고유의 전류 제어 특성을 이용함으로써 추가적인 장치나 비용이 필요 없을 뿐만 아니라 기존의 방법에 비해 고장을 검출하는 시간을 최대한 모드 이내로 단축시킴으로써 고장 발생 후 시스템의 제어 성능을 우수하게 유지할 수 있다. 그리고 통합된 완벽한 고장 허용 제어 시스템의 구현을 위하여, 제안한 고장 검출 기법에 양방향 스위치를 이용하여 고장이 발생한 상의 격리와 동시에 직류 링크 중성점을 연결함으로써 4-스위치로 구동시키는 재구성 방법⑻을 채택하여 적용하였다.
제안한 고장 검출기법은 BLDC 전동기 구동용 인버터 스위치의 개방된 고장이 발생하여도 빠른 고장 검출로 인하여 제어성능을 빠르게 회복하며 구동 시스템의 연속적인 동작이 가능하였다. 그리고 이 방법을 적용하여 고장 허용 시스템을 구성할 경우 고장 발생과 고장 보상 사이의 시간동안 발생하게 될 심각한 문제점들을 최소화 할 수 있다.
제안한 방법의 우수성과 신뢰성을 입증하기 위하여 시뮬레이션은 수행되어졌다. 이에 사용된 BLDC 전동기의 정격과 파라미터들은 표 2와 같다.

후속연구

이러한 고장 검출 시스템의 실현 가능성과 우수성을 보이고자 제안한 방법을 이용하여 고장 허용 시스템을 구성하고, 시뮬레이션과 실험을 통하여 고장에 대한 강인한 특성을 검증하였다. 제안한 시스템은 관련 응용분야에 적용 시 위에서 설명한 장점들로 인하여 시스템의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.

참고문헌 (9)

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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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