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문제 정의
- 본 논문는 최근 급속히 늘어나고 있는 승강장 도어장치와 그에 따르는 안전성을 확보하기 위해 시스템 개선을 목표로 구동장치를 단순화 하기위해 고효율 및 고 토크의 영구 자석형 BLAC 모터와 그에 따르는 구동드라이버를 채택하여 도어구동시스템을 단순화하여 고장요인을 줄이고 에너지를 절약할 수 있는 기술개발을 하고자 하는 것이다.
제안 방법
- DSP 내부 변수나 RPM 등의 측정을 위한 D/A 변환기로는 2 채널 12-Bit DAC 인 DAC7612을 2개 사용하였다. PC에서 작성한 C 코드를 TI사의 CCompiler로 Compiler한 다음 이를 PC의 에뮬레이터 통하여 DSP Target Board에 다운로드시켜 동작하게끔 하였다. 메모리 할당시 자주 쓰이게 되는 변수등과 100mSec마다 수행되는 인터럽트 루틴 및 전체 프로그램 코드는 256Kbyte 용량의 내부 FLASH에서 수행하도록 하였다.
- 이 HALL-CT는 입력전압이 15V이고 U,V상이 같은 몸체에 붙어 있는 타입이다. 또한 컴팩트한 사이즈를 구현하기 위하여 IGBT모쥴과 드라이버회로 제어기, 전원공급을 위한 SMPS회로를 원보드내에 다 구현하였다.
- PC에서 작성한 C 코드를 TI사의 CCompiler로 Compiler한 다음 이를 PC의 에뮬레이터 통하여 DSP Target Board에 다운로드시켜 동작하게끔 하였다. 메모리 할당시 자주 쓰이게 되는 변수등과 100mSec마다 수행되는 인터럽트 루틴 및 전체 프로그램 코드는 256Kbyte 용량의 내부 FLASH에서 수행하도록 하였다..
- 모터제어 방법으로는 벡터 제어기, 전류 제어기, 토크 제어기등을 사용하였고PMAC 모터를 벡터제어를 하기 위해서는 정확한 자속의 위치를 검출하고 강인한 전류제어기와 토크제어기가 설계되어야 한다 또한 PMAC 모터의 초기각 제어를 위한 자속위치 검출기 벹터벡어를 위해서는 회전자의 자속각위치를 정확하게 검출하여야 하며 이를 위 한 핵심 알고리즘을 설계한다 또한 제어기와의 인터페이스를 위한 통신 프로토콜 구현도 구현하였다.
- 스크린도아의 전체 제어를 위해서는 위치제어기와 위치제어기에서 연산된 속도지 령을 추종하는 속도제어기를 설계한다. 속도제어기는 안티와인드업 (AntiWindup)PI제어기와 슬라이딩모드제어기[6]를 적용하여 강인하고 최적화된 제어성능을 구현하였다.
- 스크린도아의 전체 제어를 위해서는 위치제어기와 위치제어기에서 연산된 속도지 령을 추종하는 속도제어기를 설계한다. 속도제어기는 안티와인드업 (AntiWindup)PI제어기와 슬라이딩모드제어기[6]를 적용하여 강인하고 최적화된 제어성능을 구현하였다.
- 제어기의 구현을 실시간 제어가 가능한 TI사의 TMS 320 F2811 DSP 를 이용하였다. 제어기는 전체 시스템의 두 뇌에 해당하는 부분으로 전동기의 안정적인 동작을 위해 속도 제어, 전류 및 전압 제어, 입․출력 제어 등을 담당하며, 이를 위해 각종 입력 데이터를 바탕으로 본 논문에서 연구한 복잡한 알고리즘이 실시간 수행을 위해서 많은 연산을 수행하게 되는 부분으로, 보다 정밀하고 신속한 제어를 위해 32bit 연산이 가능한 TI 사(미국)의 TMS TMS 320 F2811(150㎒)을 사용하여 설계하였고, 전력 노이즈를 고려하여 4층 PCB로 제작하였다. 메모리나 I/O 또는 Timer 등의 주변 소자와의 디코딩 회로나 Wait 회로, 클럭 분주회로, 인버터와 컨버터에 PWM 신호를 인가하기위한 PWM발생회로, Dead Time발생회로 등은 DSP칩에 있는 내부주변기기를 사용하여 PCB를 최소화 하였다[5].
대상 데이터
- DSP 내부 변수나 RPM 등의 측정을 위한 D/A 변환기로는 2 채널 12-Bit DAC 인 DAC7612을 2개 사용하였다. PC에서 작성한 C 코드를 TI사의 CCompiler로 Compiler한 다음 이를 PC의 에뮬레이터 통하여 DSP Target Board에 다운로드시켜 동작하게끔 하였다.
- P443C2001은 20Apeak 전류 용량을 갖고 있고, 내압은 600V이며 IGBT 6개가 직렬로 연결되어 있고 6개의 Diode가 있어 컨버터를 구성할 수 있는 제품이며 1개로 구성하였다. IGBT Switching 주파수는 10㎑로 선정하였다.
- 때문에 고주파로 스위칭할 수 있는 IGBT 를 사용하였으며 IGBT는 Vincotech사의 P443C2001로 구성하였다. P443C2001은 20Apeak 전류 용량을 갖고 있고, 내압은 600V이며 IGBT 6개가 직렬로 연결되어 있고 6개의 Diode가 있어 컨버터를 구성할 수 있는 제품이며 1개로 구성하였다. IGBT Switching 주파수는 10㎑로 선정하였다.
- 전력 변환부 중 Inverter 부는 가장 중요한 부분이며 DC-Link 단의 DC 전원을 원하는 주파수의 AC전원으로 변환시켜 주는 장치이다. 때문에 고주파로 스위칭할 수 있는 IGBT 를 사용하였으며 IGBT는 Vincotech사의 P443C2001로 구성하였다. P443C2001은 20Apeak 전류 용량을 갖고 있고, 내압은 600V이며 IGBT 6개가 직렬로 연결되어 있고 6개의 Diode가 있어 컨버터를 구성할 수 있는 제품이며 1개로 구성하였다.
- 본 논문에서 제시한 실험결과의 측정은 Textronix의 Digital Storage Oscilloscope TDS 420을 사용하여 측정하였다. Textronix의 Digital Storage Oscilloscope TDS 420 은 4channel 까지 storage 가 가능한 dscilloscope 이다.
- 인버터를 구성하는 스위칭소자인 IGBT 모듈(P443C200)을 스위칭하기 위한 게이트 구동회로는 도시바사의TLP251 6개 사용하였다. TLP251 를 사용함으로써 구동회로가 대폭 간단해질 수 있었으며 또한 회로의 신뢰성을 높였다.
- 제어기의 구현을 실시간 제어가 가능한 TI사의 TMS 320 F2811 DSP 를 이용하였다. 제어기는 전체 시스템의 두 뇌에 해당하는 부분으로 전동기의 안정적인 동작을 위해 속도 제어, 전류 및 전압 제어, 입․출력 제어 등을 담당하며, 이를 위해 각종 입력 데이터를 바탕으로 본 논문에서 연구한 복잡한 알고리즘이 실시간 수행을 위해서 많은 연산을 수행하게 되는 부분으로, 보다 정밀하고 신속한 제어를 위해 32bit 연산이 가능한 TI 사(미국)의 TMS TMS 320 F2811(150㎒)을 사용하여 설계하였고, 전력 노이즈를 고려하여 4층 PCB로 제작하였다.
- 제어대상인 동기전동기는 LS메카피온사의 PMAC SERVO MOTOR – APMSC04AACK1을 사용하였으며 사양은 다음과 같다.
- 다음 그림들은 동기전동기의 각각의 파형은 제어 PCB에서 읽어들인 센서값들을 D/A converter로 출력하고 이 D/A converter의 값을 오실로스코우프 TDS420으로 측정하여 USB메모리에 저장하였다. 특히 내부 제어 변수들의 측정에는 DSP board 내에 있는 2 channel D/A converter DAC7612을 사용하여 측정하였다.
성능/효과
- 인버터를 구성하는 스위칭소자인 IGBT 모듈(P443C200)을 스위칭하기 위한 게이트 구동회로는 도시바사의TLP251 6개 사용하였다. TLP251 를 사용함으로써 구동회로가 대폭 간단해질 수 있었으며 또한 회로의 신뢰성을 높였다. 게이트 구동용 저항 값은 82옴,1/4W를 사용하였다.
- 초기에 빠른 시간 내에 자속을 build up 시키기 위해 전류를 2배이상으로 강계자시키고, 이후 자속이 build up 되면 정상전류로 제어한다. 그림 5 a)에서 보듯이 일정한 자속을 얻기 위하여 여자전류가 빠른 시간(140msec)안에 build up 되고 있음을 보여주고 있고 자속제어 및 여자전류제어가 잘 이루어지고 있음을 확인할 수 있다. 그림 5의 b)는 Torque 전류 지령치와 실제 Torque 전류를 보여주고 있다.
- 본 논문에서는 직접구동형 동기전동기 제어기를 최적화된 원보드형태로 모든 제어소자와 상위제어기와의 통신 모쥴 및 IGBT 드라이버 회로가 일체화된 형태의 제어기를 를 설계하고 제작하여 잘 동작하는 것을 확인하였으며 방열판과 제어보드가 일체화된 형태로 컴팩트한 구조의 설계 고효율 PMAC 모터를 기어장치 없이 직접구동 함으로서 시스템의 효율을 향상시켰다.
- 그림 5의 b)는 Torque 전류 지령치와 실제 Torque 전류를 보여주고 있다. 실제Torque 전류가 지령치를 빠른 시간에 추종하고 있음을 알 수 있으며 거의 지연이 없는 빠른 응답성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
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