[논문]선형 홀센서를 이용한 정현파 엔코더의 DSP 구현

황정호; 정찬수

doi:10.5370/kiee.2012.61.2.298

선형 홀센서를 이용한 정현파 엔코더의 DSP 구현
DSP Implementation of a Sinusoidal Encoder using linear Hall Sensor 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.2, 2012년, pp.298 - 302

Abstract ▼ AI-Helper

The linear encoder used in the BLAC driving circuit consists usually analog type sensor, and need signal transform from analog sinusoidal to digital one for application in the PWM algorithm that is used to control motor current. When the motor is driven in low speed, it is required many operations and higher quality DSP to convert the hole sensor signal to digital one with enough resolution. In this paper, the another method to convert that signal with enough resolution without calculation of sine function is proposed. This is very simple and have high resolution even if the motor is driving in low speed. To verify the proposed method, BLAC motor is used, and it is proved that the motor is tracking well the reference step signal in the low speed as well as in the high one.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 atan 삼각함수 연산을 사용하지 않기 위해 측정된 sinθ, cosθ출력 값을 바로 적용하는 방법을 제안한다.
본 논문에서는 BLAC 모터제어를 위해 정현파 엔코더를 이용한 One-chip DSP 제어기를 구현 및 모터 구동 방법을 제안하였다. 실험결과를 통해 개선된 정현파 엔코더 방법은 기존 복조 방법과 atanθ에서 사용한 방법과 달리, 삼각함수 연산을 직접사용하지 않는다.
본 연구에서는 저속운전의 안전성 확보와 정밀한 속도제어를 위한 정현파 엔코더 시스템을 사용하는 BLAC 제어방법을 제안한다. 제안된 방법은 BLAC 모터 구동을 위해 Min-Max방식의 PWM 전류제어 방법을 사용하였으며, 가장 보편적인 PI 제어방식을 적용하여 속도를 제어 할 수 있도록 한다.

제안 방법

본 논문에서 제안한 개선된 정현파 엔코더 방법을 적용한 One-chip DSP 제어기를 구현하기 위해 시험에 사용된 제어시스템은 그림 2와 같이 구성하였으며, 초기 회전자의 위치 설정을 위해 sinθ와 고정자의 U상을 그림 3와 같이 동기 시켰다.
전기각 90°를 가지는 4개의 정현파 신호를 생성하기 위해 회전자와 동기된 16극 영구자석을 기준으로 78.45°, 75.75° 배치하였다.
정현파 엔코더에서 입력된 파형을 DSP의 Timer의 이벤트와 비교하여 ADC를 수행하고, 해당하는 θ를 위한 전류 발생을 위해 PWM을 수행한다.
이 특성은 서보시스템의 입력 센서와 모터고유 성질에 따른 것으로, 정현파 엔코더에 따른 균일한 전류제어가 가능하면 저속운전도 가능하다. 정현파 엔코더의 성능을 확인하기 위해서 ADC로 받은 입력신호를 알고리즘에 적용하여 12bit DAC로 출력하였다. 사용된 ADC는 10bit 해상도로 샘플링 한다.
본 연구에서는 저속운전의 안전성 확보와 정밀한 속도제어를 위한 정현파 엔코더 시스템을 사용하는 BLAC 제어방법을 제안한다. 제안된 방법은 BLAC 모터 구동을 위해 Min-Max방식의 PWM 전류제어 방법을 사용하였으며, 가장 보편적인 PI 제어방식을 적용하여 속도를 제어 할 수 있도록 한다. 정현파 엔코더는 회전자에 동기된 선형홀센서에서 속도정보를 나타내므로, DSP에서 회전자의 회전속도를 검출하고, 제어기에 연속된 신호정보를 제공한다.

대상 데이터

엔코더 입력센서는 Allegro MicroSytem. Inc의 A1301KUA-T를 사용했다. 일반적인 PMSM 운전은 고속운전에서 일정한 토크를 발생하지만, 저속운전 시 위치신호의 불균형으로 토크가 균일하지 못한 특성이 있다.
정현파 엔코더의 성능을 확인하기 위해서 ADC로 받은 입력신호를 알고리즘에 적용하여 12bit DAC로 출력하였다. 사용된 ADC는 10bit 해상도로 샘플링 한다.
실험에 사용된 모터는 외전형 BLAC모터로 수·전동 휠체어 구동목적으로 (주)코모텍에서 제작된 제품이며 사양은 표 1와 같다.
그림 8은 BLAC 모터로 고가의 RDC 대신에 DSP를 사용하여 정현파 엔코더를 구현한 제안된 방법을 설명한다. 위의 신호는 전동기의 전류파형이고 밑에 있는 신호는 이를 바탕으로 본 논문에서 제안하는 정현파 엔코더를 사용하여 제어 입력으로 사용할 정현파 신호이다. 제어 입력신호는 진상으로서 PI제어기를 통해 약 1ms 후에 전류를 제어한다.

성능/효과

표 2은 BLAC 모터제어를 위한 전체 프로그램 중 정현파 엔코더를 DSP에서 구현 했을 때 사용된 연산량을 기존의 방법들과 비교하여 나타내었다. 기존방법은 연산이 복잡한 삼각함수 연산이 필요하지만, 제안된 방법은 연산중에 삼각함수가 연산이 없어서 비교적 적은 리소스를 차지하는 것을 알 수 있다.
실험결과를 통해 개선된 정현파 엔코더 방법은 기존 복조 방법과 atanθ에서 사용한 방법과 달리, 삼각함수 연산을 직접사용하지 않는다. 따라서 고정소수점 방식의 경제형 DSP인 DSPIC30F4011에서도 복잡한 연산 과정 없이 충분한 리소스를 확보할 수 있었다. 또한 BLAC 모터에 고가의 RDC 대신에 정현파 엔코더를 적용하여, 기존 홀센서를 사용 했을 때 불안정했던 저속운전도 안전한 상태로 운전이 가능하였다.
따라서 고정소수점 방식의 경제형 DSP인 DSPIC30F4011에서도 복잡한 연산 과정 없이 충분한 리소스를 확보할 수 있었다. 또한 BLAC 모터에 고가의 RDC 대신에 정현파 엔코더를 적용하여, 기존 홀센서를 사용 했을 때 불안정했던 저속운전도 안전한 상태로 운전이 가능하였다. 이러한 제어시스템을 소프트웨어로 구현함으로써 One-chip DSP 제어가 가능함을 확인하였다.
실험결과를 통해 개선된 정현파 엔코더 방법은 기존 복조 방법과 atanθ에서 사용한 방법과 달리, 삼각함수 연산을 직접사용하지 않는다.
또한 BLAC 모터에 고가의 RDC 대신에 정현파 엔코더를 적용하여, 기존 홀센서를 사용 했을 때 불안정했던 저속운전도 안전한 상태로 운전이 가능하였다. 이러한 제어시스템을 소프트웨어로 구현함으로써 One-chip DSP 제어가 가능함을 확인하였다.
이와 같이 만들어진 정현파 신호를 이용하여 속도제어를 실험한 결과 그림 9와 같이 무부하에서 속도를 저속운전상태인 250 rpm, 가속시간 250ms, 감속시간 150ms으로 설정된 기준속도를 잘 추종하는 결과를 얻을 수 있었다. 초기상태 가속시간이 속도제어기에서 설정된 값으로 가속구간을 통과하고 설정 속도와 오차를 줄이면서 정상속도를 유지하고 있다.

후속연구

향후 제안된 정현파엔코더 방법을 적용하였을 경우 홀센서의 온도에 따른 변화량에 적응하도록 보정방법 구현에 관한 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 모터의 장점은 무엇인가?	최근 경제형 제어 시스템에 사용되는 BLDC(Brushless DC)모터는 영구자석형 회전자가 회전하는 구조로 직류모터에 비해 관성이 작게 되어 빠른 가감속과 순간적인 최대 토크 출력이 발생하는 장점이 있다. 하지만 저속운전시 역기전력에 많은 잡음이 포함되어 있어서, 이를 바탕으로 하는 홀 센서에 의한 속도 정보는 모터에 진동과 소음을 발생할 수 있다.
	모터구동용 전류제어를 위한 PWM방식 중 최근 SVPWM방식을 주로 사용하는 이유는 무엇인가?	모터구동용 전류제어를 위한 PWM방식은 이전에는 히스테리시스 전류제어방식과 삼각파 비교방식이 많이 사용되었으나 최근에는 SVPWM(Space Vector PWM) 방식을 주로 사용하고 있다. SVPWM의 경우 방법이 복잡하여 많은 연산을 수행해야 하나 지금까지 방법 중 상대적으로 만족스런 성능을 보여준다.[4][5]만약 SVPWM 방법을 고가의 고속의 DSP를 적용 할 경우 구현이 가능 할 것으로 생각된다.
	DSP는 어떻게 구성되어있는가?	산업전반에 사용되는 프로세서는 다각화 되고 있는 산업 전반의 다양한 형태와 용도에 적응 하면서 생산되고 있다. 이중 로봇시스템과 서보시스템등 운동제어에 사용되는 모터 제어용 DSP( Digital signal processor )는 제어를 위한 궤한 신호 검출용의 ADC(Analog digital converter)와 모터구동신호 출력에 적합한 PWM(pulse width modulation)신호 모듈, 그리고 엔코더 신호를 받아 처리할 수 있는 QEP(Quadrature Encoder Pulse) 회로등 다양한 주변장치와 다른 CPU 또는 컴퓨터와의 통신을 위한 장치, 이러한 시스템을 운영하기 위한 넉넉한 메모리를 포함하여 하나의 칩으로 되어있다. 이러한 다양한 구성은 제어시스템 구동 시 모터의 상황을 판단 및 제어, 그리고 구동하기에 충분한 기능을 가지고 있다.

참고문헌 (8)

임선경, 임준영, 박태영,"부하 토크 보상을 통한 에어컨용 Single Rotary Compressor의 저진동 저속제어," 전력전자학회 2010년도 전력전자학술대회 논문집, 2010.7, page 1-650
Santanu Sarma, V. K. Agrawal, Subramanya Udupa, "Software-Based Resolver-to-Digital Conversion Using a DSP," IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 55, NO. 1, JANUARY 2008 Pages:369 - 378
Choong-Hyuk Yim, In-Joong Ha, Myoung-Sam Ko,"A Resolver to Digital Conversion Method for Fast Tracking," IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 39, NO. 5, October 1992 Pages:369 - 378

상세보기
Attaianese, C., Tomasso, G., De Bonis, D., "A low cost resolver-to-digital converter," Electric Machines and Drives Conference, IEEE, 2001 Pages:917 - 921
Martin Staebler, "TMS320F240 DSP Solution for Obtaining Resolver Angular Position and Speed," Texas Instrument Application Note, SPRA 605 February 2000.
Erwan Simon, "Implementation of a Speed Field Oriented Control of 3-phase PMSM Motor using TMS320F240" Texas Instrument Application Note, SPRA 588 February 1999.
김양배, 황정호, 정찬수,"저속 킥 스타트에서 brushless DC Motor 제어", 대한전기학회, 2010 대한전기학회 제41회 하계학술대회 2010.7, page: 1764-1765
황정호, 김양배, 정찬수,"BLDC모터를 위한 사인 엔코더 신호의 자동 보정", CICS 2010 정보 및 제어 학술대회논문집, 2010.10, page(s): 3-425

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