[논문]한상의 단자전압을 이용한 BLDC 전동기 센서리스 알고리즘

윤용호; 원충연

doi:10.5370/kieep.2010.59.2.135

한상의 단자전압을 이용한 BLDC 전동기 센서리스 알고리즘
Sensorless Algorithm of Brushless DC Motors Using Terminal Voltage of the One Phase 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.59 no.2, 2010년, pp.135 - 140

윤용호 (삼성탈레스 전문연구원) , 원충연 (성균관대학교 정보통신공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a sensorless speed control of BLDC Motor using terminal voltage of the one phase. Rotor position information is extracted by indirectly sensing the back EMF from only one of the three terminal voltages for a three-phase BLDC motor. Depending on the terminal voltage sensing rotor position, active filter is used for position information. This leads to a significant reduction in the component device of the sensorless circuit. Therefore this is a advantage for the cost saving and size reduction. With indirect sensing methods based on detection of the terminal voltage that require active filtering, the position information needs the six divider section by PLL circuit, the binary counter and johnson counter by the EPLD. Finally, this algorithm can estimate the rotor position information similar to Hall-sensor sticked the three-phase BLDC motor. As a result, the method described that it is not sensitive to filtering delays, allowing the motor to achieve a good performance over a wide speed range. In addition, a simple starting method and a speed estimation approach are also proposed. Experimental and simulation results are included to verify the proposed scheme.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

일반적으로 BLDC 전동기의 경우 각 상의 위치 판별을 위해 각 상에 대해 Hall-sensor를 갖는 것이 기본이다. 따라서 본 논문에서는 간단하고 저가의 회로만을 추가하여 한 상의 Hall-sensor 신호를 검출하고 이 신호를 이용하여 나머지 2상의 Hall-sensor 신호를 만드는 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 회전자 위치 간접 검출을 위해 기존에 제안된 방법인 3상의 단자 전압에 대한 동일한 값을 가지는 저항 R을 이용하여 Y-결선으로 연결하고 모터 내부의 중성 점간의 전압을 이용하는 방식을 응용한 한 상의 단자전압 성분만으로 회전자의 위치를 판별할 수 있는 방법을 제안하였다. 한상의 단자 전압을 병렬로 연결된 저항을 통해 분압된 크기로 변환하여 그 신호를 회전자의 위치 정보를 검출하는데 이용하게 된다[2].
본 논문은 BLDC 전동기의 저가형 센서리스 구동을 구현하기 위한 것으로, 한상(A상)의 단자전압을 분석하여 각 상의 여자시점을 검출하는 방법을 제안하였다. 간단한 아날로그 회로를 추가함으로서 3상 BLDC 전동기의 각 상 Hall-sensor신호를 대신하는 신호를 검출하였고 시뮬레이션과 실험을 통해 제안한 센서리스 기법의 타당성을 입증하였다.

제안 방법

(1) 기존에 위치 및 속도 제어를 위해 필요했던 Hall-sensor와 엔코더 역할을 대신하여 전체적인 구동 회로의 가격을 낮출 수 있는 구동 시스템을 개발하였다.
(2) BLDC 전동기의 센서리스 운전을 위해, Hall-sensor신호와 동일한 형태의 신호를 검출함으로서 회전자의 절대 위치를 파악할 수 있는 간접검출기법을 사용하였다. 아울러 저가의 제어기로도 센서리스 운전이 충분히 가능하도록 간단한 제어연산과정을 간략화 하였다.
제어보드는 상전류를 검출하기 위한 전류센서(CT)와 히스테리시스 전류제어 수행을 위한 회로부분, EPLD 부분이 포함되어 있다. EPLD에서는 단자전압 정보를 이용하여 얻은 정류신호로 Hall-sensor 신호를 추정하였고, 스위칭 로직과 속도제어를 위한 6펄스 발생 알고리즘을 구현하였다. 실험에 사용된 BLDC 전동기는 2극, Y결선으로 구성되어 있으며 사양은 표 1과 같다.
따라서 본 논문에서는 히스테리시스 전류제어기법을 이용해서 전류 맥동토크를 일정한 크기로 제한한다. 그러나 히스테리시스 전류제어기는 스위칭 주파수가 변동하는 단점이 있다.
(2) BLDC 전동기의 센서리스 운전을 위해, Hall-sensor신호와 동일한 형태의 신호를 검출함으로서 회전자의 절대 위치를 파악할 수 있는 간접검출기법을 사용하였다. 아울러 저가의 제어기로도 센서리스 운전이 충분히 가능하도록 간단한 제어연산과정을 간략화 하였다.
제어용 프로세서, IPM(인버터 모듈), EPLD회로, Hall-sensor 검출회로, PLL회로 등으로 구성하였다. 전류센서를 이용하여 3상의 전류를 검출하고 히스테리시스 전류제어를 통해 PWM을 수행하였다. 전류검출회로는 비전류 모드 상전류 제어방식에서 60°구간 동안 1상만 검출하면 되므로 아날로그 멀티플렉서와 EPLD로 구성되어 있다.
전압원 인버터에 의해 구동되는 BLDC 전동기가 맥동이 없는 토크를 얻기 위해서는 인버터의 각 상전류를 전기 각으로 120° 기간 동안 Hall-sensor 신호에 따라 구형파 전류가 흐르도록 PWM 기법을 사용하며, 전기적으로 1회전 당 6회의 상전류를 정류한다.
본 논문에서 제안한 알고리즘을 PSIM 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션과정을 통하여 그 타당성을 검증하였다. 전체 구성은 BLDC 전동기, 인버터, 게이트 드라이버, 멀티플렉서를 이용한 각 상전류 검출회로, 속도 제어를 위한 6펄스, 단자전압 정보 검출회로와 히스테리시스 전류 제어 블록으로 구현하였다.
본 논문에서 제안한 하드웨어의 전체적인 구성은 그림 12와 같다. 제어용 프로세서, IPM(인버터 모듈), EPLD회로, Hall-sensor 검출회로, PLL회로 등으로 구성하였다. 전류센서를 이용하여 3상의 전류를 검출하고 히스테리시스 전류제어를 통해 PWM을 수행하였다.

대상 데이터

본 시스템은 BLDC 전동기, 인버터, 게이트 드라이버, EPLD(Erasable Programmable Logic Device), 그리고 제어보드로 구성되어 있다. 제어보드는 상전류를 검출하기 위한 전류센서(CT)와 히스테리시스 전류제어 수행을 위한 회로부분, EPLD 부분이 포함되어 있다.
EPLD에서는 단자전압 정보를 이용하여 얻은 정류신호로 Hall-sensor 신호를 추정하였고, 스위칭 로직과 속도제어를 위한 6펄스 발생 알고리즘을 구현하였다. 실험에 사용된 BLDC 전동기는 2극, Y결선으로 구성되어 있으며 사양은 표 1과 같다.

데이터처리

본 논문에서 제안한 알고리즘을 PSIM 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션과정을 통하여 그 타당성을 검증하였다. 전체 구성은 BLDC 전동기, 인버터, 게이트 드라이버, 멀티플렉서를 이용한 각 상전류 검출회로, 속도 제어를 위한 6펄스, 단자전압 정보 검출회로와 히스테리시스 전류 제어 블록으로 구현하였다.

성능/효과

본 논문은 BLDC 전동기의 저가형 센서리스 구동을 구현하기 위한 것으로, 한상(A상)의 단자전압을 분석하여 각 상의 여자시점을 검출하는 방법을 제안하였다. 간단한 아날로그 회로를 추가함으로서 3상 BLDC 전동기의 각 상 Hall-sensor신호를 대신하는 신호를 검출하였고 시뮬레이션과 실험을 통해 제안한 센서리스 기법의 타당성을 입증하였다.
이 때 Hall-sensor 신호는 180*구간동안 on되고 나머지 180*구간동안은 off된다. 단자 전압과 Hall-sensor 신호의 관계는 그림 3과 같이 나타낼 수 있으며 결론적으로 Hall-sensor 신호에 의해 회전자 위치 정보를 검출하여 역기전력의 flat한 부분에 상을 여자 시켜줌으로서 BLDC 전동기를 구동할 수 있다.
여기서 6체배한 출력은 다시 이진카운터를 통해 정류신호를 만들어낼 수 있다. 이 정류신호를 이용하여 그림 10과 같은 최종 회전자 간접 위치를 추정할 수 있는 Hall-sensor 신호를 만듦으로써 이 논문에서 제안한 센서리스 제어를 가능하게 할 수 있다.
이렇게 검출된 단자전압 정보는 Active Filter를 거쳐 적분회로를 통해 영점검출회로(ZCP)와 비교함으로써 한상의 Hall-sensor 신호와 동일한 신호를 만들어 낼 수 있다. 이것은 기존의 센서리스 방식보다 낮은 비용으로 넓은 속도 범위에서 안정적인 센서리스 운전이 가능함을 제시하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 전동기에 회전자 위치 검출 센서가 필수적인 이유는 무엇인가?	BLDC 전동기는 회전자 위치에 따라 전동기의 상전류를 전환해주어야 하므로 Hall-sensor나 엔코더와 같은 회전자 위치 검출 센서가 필수적이다. 그러나 위치 센서의 부착은전동기 시스템의 가격상승, 부피의 증가, 신뢰성 저하, 사용환경의 제약, 전자파 장애 등의 많은 문제가 생긴다.
	BLDC 전동기의 회전자 위치 간접 검출을 위해 제안된 방법에는 어떠한 것들이 있는가?	BLDC 전동기의 회전자 위치 간접 검출을 위해 기존에 제안된 방법은 비여자 상의 단자전압을 이용하는 방법, 비여자 상의 전류를 검출하는 방법, 제 3 고조파 전압 성분을 이용하는 방법이 있다[1].
	BLDC 전동기 구동에 있어 센서리스 구동 개발이 주목받는 이유는 무엇인가?	BLDC 전동기는 회전자 위치에 따라 전동기의 상전류를 전환해주어야 하므로 Hall-sensor나 엔코더와 같은 회전자 위치 검출 센서가 필수적이다. 그러나 위치 센서의 부착은전동기 시스템의 가격상승, 부피의 증가, 신뢰성 저하, 사용환경의 제약, 전자파 장애 등의 많은 문제가 생긴다. 특히 센서 부착으로 인한 전동기 가격의 상승은 BLDC 전동기의 시장 확장에 가장 큰 장애 요소로 작용하고 있다. 이에 따라 최근에는 위치 센서 없이 BLDC 전동기를 구동하는 센서리스 구동 개발이 크게 주목받고 있으며, 이를 기존의 유도 전동기나 직류 전동기를 대체하여 가변속 운전을 하는 응용 분야에 적용하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

참고문헌 (8)

N. Ertugul and P. Acarnly, "A New Algorithm for Sensorless Operation of Permanent Magnet Motors", IEEE Trans. on lnd. Application, vol 30, pp.126-133, Jan./Feb. 1994.

상세보기
Gui-Jia Su, John W. McKeever, "Low-Cost Sensorless Control of Brushless DC Motors With Improved Speed Range", IEEE Trans. on lnd. Application, Vol. 19, pp. 296-302, 2004.
F. Caricchi, F. Giulii Capponi, F. Crescimbini, L.Solero, "Sinusoidal Brushless Drive with Low-Cost Hall Effect Position Sensors", IEEE Trans. on Ind. Application, pp.799-804. 2001.
Ting-Yu Chang, Ching-Tsai Pan, Jenn-Horng Liaw and Shinn-Ming Sue, "A Hall-Sensor-based IPM Traction Motor Drive", IEEE Trans. on Ind. Application, pp.840-843. 2002.
Fang Lin Luo, Hock Guan Yeo "Advanced PM Brushless DC Motor Control & System for Electric Vehicles", IEEE Trans. on Ind. Application, vol.2, pp.1336-1340, 2000.
N. Matsui and M. Shigyo, "Brushless DC Motor Control without Position and Speed Sensors", IEEE Trans. on lnd, Application. vol 28, pp.120-127, Jan./Feb. 1992.

상세보기
N. Ertugul and P. Acarnly, "A New Algorithm for Sensorless Operation of Permanent Magnet Motors", IEEE Trans. on lnd. Application, vol 30, pp.126-133, Jan./Feb. 1994.

상세보기
S. Ogasawara, and H. Akagi, "An Approach to Position Sensorless Drive for Brushless DC Motor", Conf. Rec. of IEEE IAS, pp. 443-447, 1990.

저자의 다른 논문 :

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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