본 논문에서는 DC모터의 출력특성을 개선할 수 있는 새로운 구조의 DC모터 구동회로를 설계하였고 이 회로를 이용한 콘트롤러를 개발하였다. 설계된 구동 회로에 의하여 콘트롤러는 자체발진회로의 스위칭 신호를 갖는 트랜스포머를 이용하여 연속적으로 DC모터를 구동할 수 있다. 또한 최대속도시, 제어회로의 기준전압 값을 삼각파보다 높게 유지할 수 있고 모터 구동 FET를 항상 온 값을 가지도록 하여 최대출력을 얻을 수 있도록 한다. 제안된 구동회로를 활용하여 24V-500W급 DC모터속도 컨트롤러를 개발하였고 소형전동차를 제작하고 구동시험을 실시하였다. 구동테스트 및 특성 측정결과, 구동전류 12A로써 DC모터의 전진 및 후진 속도를 연속 가변 할 수 있음을 보였다. 그 밖에 과전류 감시기능, 모터과열 감시기능의 정상동작을 확인하였으며, 배터리 잔량이 20~100%까지 6단계로 표시할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 DC모터의 출력특성을 개선할 수 있는 새로운 구조의 DC모터 구동회로를 설계하였고 이 회로를 이용한 콘트롤러를 개발하였다. 설계된 구동 회로에 의하여 콘트롤러는 자체발진회로의 스위칭 신호를 갖는 트랜스포머를 이용하여 연속적으로 DC모터를 구동할 수 있다. 또한 최대속도시, 제어회로의 기준전압 값을 삼각파보다 높게 유지할 수 있고 모터 구동 FET를 항상 온 값을 가지도록 하여 최대출력을 얻을 수 있도록 한다. 제안된 구동회로를 활용하여 24V-500W급 DC모터속도 컨트롤러를 개발하였고 소형전동차를 제작하고 구동시험을 실시하였다. 구동테스트 및 특성 측정결과, 구동전류 12A로써 DC모터의 전진 및 후진 속도를 연속 가변 할 수 있음을 보였다. 그 밖에 과전류 감시기능, 모터과열 감시기능의 정상동작을 확인하였으며, 배터리 잔량이 20~100%까지 6단계로 표시할 수 있음을 확인하였다.
In this paper, a new motor driving circuit is designed to improve the output performance of DC motor, and a controller is developed with the designed circuit. By the designed driving circuit, a controller can continuously drive DC motors by a transformer which has switching signals of a self-generat...
In this paper, a new motor driving circuit is designed to improve the output performance of DC motor, and a controller is developed with the designed circuit. By the designed driving circuit, a controller can continuously drive DC motors by a transformer which has switching signals of a self-generated circuit to operate it. And while the DC motor have a maximum velocity, the reference voltage can be maintained higher value than that of triangle voltage and it makes the DC motor driving transistor ON and maximum power. A 24V-500W DC motor controller is developed with the proposed motor driving circuit, and also a small electric car is made and the driving test of it is executed. The test results shows that it can continuously control go and back speed of motor with 12A driving current. And also, it is verified that the over current and heat detecting function is operating correctly and the rest value of the used battery can be displayed as 6 step from 20 to 100%.
In this paper, a new motor driving circuit is designed to improve the output performance of DC motor, and a controller is developed with the designed circuit. By the designed driving circuit, a controller can continuously drive DC motors by a transformer which has switching signals of a self-generated circuit to operate it. And while the DC motor have a maximum velocity, the reference voltage can be maintained higher value than that of triangle voltage and it makes the DC motor driving transistor ON and maximum power. A 24V-500W DC motor controller is developed with the proposed motor driving circuit, and also a small electric car is made and the driving test of it is executed. The test results shows that it can continuously control go and back speed of motor with 12A driving current. And also, it is verified that the over current and heat detecting function is operating correctly and the rest value of the used battery can be displayed as 6 step from 20 to 100%.
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문제 정의
본 논문에서 FET 구동전원을 기존의 차징펌프방식에 의한 DC모터제어 방법의 단점을 보완하여 최대출력이 제한되지 않도록 독립전원 방식의 DC모터 콘트롤러 회로를 설계하였다. 설계된 DC모터 콘트롤러는 전원공급용 스위칭 소자 부를 포함하고, 독립구동방식에 의해 전원을 연속적으로 공급하는 특성을 가지고 있다.
그러나 차징펌프방식을 활용한 DC모터 제어장치는 DC모터의 출력을 100% 얻을 수 없어 최대 출력이 제한되는 단점을 가진다. 본 논문에서는 기존 차징펌프방식에 의한 DC모터제어 방법의 단점을 보완하여 최대출력이 제한되지 않은 특성을 가지는 DC모터 콘트롤러 방법을 제안한다. 제안된 DC모터 콘트롤러는 전원공급용 스위칭 소자 부를 포함하고, 독립구동방식에 의해 전원을 연속적으로 공급하는 특성을 가지고 있다.
본 논문에서는 기존의 차징펌프방식이 가지고 있는 출력제한의 문제점을 개선한 회로를 설계하였다. 설계된 DC모터 콘트롤러 회로를 통하여 기존 차징펌프방식이 최대출력을 얻을 수 없는 문제점을 개선하기 위해 듀티비, 1을 가지는 DC모터 제어장치 및 DC 모터 제어방법을 설계 및 적용함으로써 DC모터가 100%의 출력을 가질 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 연구 논문에서는 국내의 중소형 특수 전동차용 DC 모터 속도 컨트롤러 제품의 가격대비 성능비 향상을 목료로 진행되었으며 연구과정에서 얻어진 새로운 방법의 DC 모터 컨트롤러 제어방법을 나타내었다. 전동차용 DC 모터 속도 콘트롤러 방법으로 많이 활용되고 있는 방법이 차징펌프방식이다[6].
제안 방법
이와 같은 기능을 갖도록 개발된 DC모터 컨트롤러 전체 회로를 그림 11에 보였다. 개발된 컨트롤러는 각각, 제어부 구동용 전원 발생부, FET HIGH SIDE 구동용 전원 발생부, FET HIGH SIDE 구동부, 속도설정부, 전진, 후진 선택 및 PWM 신호 발생부, 전후진 FET 구동용 신호 발생부, FET LOW SIDE 구동부, 삼각파 발생부, 과전류 검출 및 동작부, H bridge FET 부로 구성된다.
개발하고자 하는 DC모터 콘트롤러의 기능은 DC 24V 전원에서 500W급의 전원용량에 모터 속도를 0%～100% 까지 연속 가변하고, 전진 및 후진 방향을 방향 스위치 조작으로 변경 할 수 있으며, 또한 모터의 전류 상태를 감시하여 과전류에 대한 경고 및 배터리 잔량을 측정하여 LED로 표시 할 수 있는 기능을 가지도록 하였다. 이와 같은 기능을 갖도록 개발된 DC모터 컨트롤러 전체 회로를 그림 11에 보였다.
제안된 DC모터 콘트롤러는 전원공급용 스위칭 소자 부를 포함하고, 독립구동방식에 의해 전원을 연속적으로 공급하는 특성을 가지고 있다. 또한 듀티비를 1을 가지도록 함으로써 DC모터가 100%의 출력을 가질 수 있도록 설계하였으며 개발된 DC모터 콘트롤러를 이용하여 실험용 전동차에 장착하고 시험운행을 통하여 그 성능을 검증하였다.
설계된 DC모터 콘트롤러는 전원공급용 스위칭 소자 부를 포함하고, 독립구동방식에 의해 전원을 연속적으로 공급하는 특성을 가지고 있다. 또한 무한자체발진회로의 스위칭 신호를 트랜스포머를 이용한 독립전원으로 DC모터를 구동함으로써 DC모터의 최대 출력을 최대로 활용할 수 있도록 설계하였다. 제안된 기술 활용하여 24V-500W급 DC모터속도 컨트롤러를 개발하였으며 소형전동차 시제품을 제작하고 구동시험을 실시하였다.
본 논문에서는 기존의 차징펌프방식이 가지고 있는 출력제한의 문제점을 개선한 회로를 설계하였다. 설계된 DC모터 콘트롤러 회로를 통하여 기존 차징펌프방식이 최대출력을 얻을 수 없는 문제점을 개선하기 위해 듀티비, 1을 가지는 DC모터 제어장치 및 DC 모터 제어방법을 설계 및 적용함으로써 DC모터가 100%의 출력을 가질 수 있도록 하기 위한 것이다. 설계된 회로는 무한자체발진회로와 트랜스포머를 이용한 독립전원을 발생시켜 이 독립전원을 이용해 FET의 OFF 동작시간을 제거하고 연속으로 ON 시킴으로써 FET PWM 듀티비가 1이 될 수 있도록 하고 DC모터는 최대 출력을 얻을 수 있도록 하였다.
설계된 DC모터 콘트롤러 회로를 통하여 기존 차징펌프방식이 최대출력을 얻을 수 없는 문제점을 개선하기 위해 듀티비, 1을 가지는 DC모터 제어장치 및 DC 모터 제어방법을 설계 및 적용함으로써 DC모터가 100%의 출력을 가질 수 있도록 하기 위한 것이다. 설계된 회로는 무한자체발진회로와 트랜스포머를 이용한 독립전원을 발생시켜 이 독립전원을 이용해 FET의 OFF 동작시간을 제거하고 연속으로 ON 시킴으로써 FET PWM 듀티비가 1이 될 수 있도록 하고 DC모터는 최대 출력을 얻을 수 있도록 하였다. 설계된 DC모터 제어장치 회로중 DC모터를 구동하는 구동회로 부분을 그림 4에 나타내었다.
본 논문에서는 기존 차징펌프방식에 의한 DC모터제어 방법의 단점을 보완하여 최대출력이 제한되지 않은 특성을 가지는 DC모터 콘트롤러 방법을 제안한다. 제안된 DC모터 콘트롤러는 전원공급용 스위칭 소자 부를 포함하고, 독립구동방식에 의해 전원을 연속적으로 공급하는 특성을 가지고 있다. 또한 듀티비를 1을 가지도록 함으로써 DC모터가 100%의 출력을 가질 수 있도록 설계하였으며 개발된 DC모터 콘트롤러를 이용하여 실험용 전동차에 장착하고 시험운행을 통하여 그 성능을 검증하였다.
제안된 DC모터 콘트롤러를 구성하기 위한 회로는 자가발진에 의해 트랜스포머의 1차측에서 전류를 반복적으로 공급차단하여 2차측에서 DC모터 전원공급용 스위칭소자들을 온/오프시키는 구동전원을 충전하는 구동 전원발생부, DC모터 출력제어를 위해 삼각파를 발생하는 삼각파발생부, DC구동모터의 회전 속도를 설정하는 속도 설정부, 그리고 PWM신호발생부와 DC모터전원공급용 스위칭 소자부로 구성된다. PWM신호 발생부는 DC모터의 정회전 또는 역회전에 따른 속도설정부에서 출력되는 속도설정전압과 삼각파를 이용하여 DC모터의 정회전 또는 역회전에 대응하는 PWM신호를 생성하며, DC모터전원공급용 스위칭소자부는 DC모터전원공용 스위칭소자 구동신호에 의해 온/오프되어 정회전 또는 역회전을 위한 구동전원을 DC모터로 공급한다.
또한 무한자체발진회로의 스위칭 신호를 트랜스포머를 이용한 독립전원으로 DC모터를 구동함으로써 DC모터의 최대 출력을 최대로 활용할 수 있도록 설계하였다. 제안된 기술 활용하여 24V-500W급 DC모터속도 컨트롤러를 개발하였으며 소형전동차 시제품을 제작하고 구동시험을 실시하였다. 개발된 DC모터 콘트롤러에 대한 구동테스트 및 특성 측정결과, 24V-500W급 모터를 전진속도 0%∼100% 까지 연속 가변 할 수 있고 후진속도는 전진속도의 50%에서 연속적으로 가변할 수 있음을 확인하였다, 소형전동차의 최고속도 도달시간은 5초 이내, 그리고 연속사용 전류는 12A로 측정되었다.
성능/효과
개발된 DC모터 콘트롤러에 대한 구동테스트 및 특성 측정결과, 24V-500W급 모터를 전진속도 0%∼100% 까지 연속 가변 할 수 있고 후진속도는 전진속도의 50%에서 연속적으로 가변할 수 있음을 확인하였다, 소형전동차의 최고속도 도달시간은 5초 이내, 그리고 연속사용 전류는 12A로 측정되었다.
개발된 DC모터 콘트롤러에 대한 구동테스트 및 특성 측정결과, 24V-500W급 모터를 전진속도 0%∼100% 까지 연속 가변 할 수 있고 후진속도는 전진속도의 50%에서 연속적으로 가변할 수 있음을 확인하였다.
따라서 차징펌프 방식의 DC모터 제어장치를 이용한 DC모터 출력 파형은 그림 3과 같이 최소 OFF시간을 갖는 이산형(discrete) 출력이 발생되어, 듀티비는 항상 1보다 작게 된다. 결과적으로 차징펌프방식을 이용한 DC모터 제어장치는 DC모터의 출력을 100% 얻을 수 없어 최대 출력이 제한되는 점을 가진다.
그 밖에 과전류 감시기능, 모터과열 감시기능의 정상동작을 확인하였으며, 배터리 잔량표시는 20∼100%까지 6단계로 나누어 그 잔량을 LED로 표시할 수 있음을 확인하였다.
6ms이후부터 OFF동작이 없어지고 ON동작만이 수행된다. 즉, 구동회로의 동작후 1.6ms이후 최대구동전압이 연속적으로 공급됨으로 최대 속도를 얻을 수 있음을 확인하였다. 이것은 DC모터의 구동트랜지스터가 OFF되지 않고 연속적으로 ON을 유지하면서 DC모터를 최대 출력으로 구동하고 있음을 보여 주는 결과이다.
후속연구
그 밖에 과전류 감시기능, 모터과열 감시기능의 정상동작을 확인하였으며, 배터리 잔량표시는 20∼100%까지 6단계로 나누어 그 잔량을 LED로 표시할 수 있음을 확인하였다. 개발된 제품은 500W급 소형전동차에 활용할 수 있도록 상품화중이며 성능대비 가격이 비교 제품들에 비하여 경쟁력이 높아 농업용 이동대차, 청소용 전동차, 전기자전거, 장애자용 전동차 제조에 활용될 것으로 기대하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
친환경적인 전기에너지를 에너지원으로 사용하는 전동차에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있는 이유는 무엇인가?
화석 연료의 사용에 따른 환경오염, 화석연료의 고갈 및 원가상승 등으로 친환경적인 전기에너지를 에너지원으로 사용하는 전동차에 대한 연구 및 개발이 더욱 활발하게 진행되고 있다[1]. 또한 장래 가솔린 및 디젤 자동차를 대체하게 될 일반 운송용 하이브리드 자동차 및 전기자동차 뿐만 아니라 전동휠체어, 전동 스쿠터, 전동 청소용차, 농업용 전동대차, 전동자전거 및 골프카 등 특수용도용 전동차에 대한 연구개발도 활발하게 진행되고 있고 그 활용이 점차 증대되고 있다[2,4].
전동차를 구성하는 핵심 부품은 무엇인가?
또한 장래 가솔린 및 디젤 자동차를 대체하게 될 일반 운송용 하이브리드 자동차 및 전기자동차 뿐만 아니라 전동휠체어, 전동 스쿠터, 전동 청소용차, 농업용 전동대차, 전동자전거 및 골프카 등 특수용도용 전동차에 대한 연구개발도 활발하게 진행되고 있고 그 활용이 점차 증대되고 있다[2,4]. 전동차를 구성하는 핵심 부품은 배터리를 주요 부품으로 하는 전원장치와 모터를 주요 부품으로 하는 구동장치이며, 전원장치와 구동장치 사이에 존재하는 DC모터를 제어하는 컨트롤러이다. DC모터 컨트롤러는 모터의 속도 및 전진 후진 동작 등, 다양하게 제어함으로써 모터의 구동능력을 향상시키고 전동차 이용자에게 효율적이며 안전한 운전이 가능할 수 있도록 한다.
DC모터를 제어하는 컨트롤러는 어떤 기능을 하는가?
전동차를 구성하는 핵심 부품은 배터리를 주요 부품으로 하는 전원장치와 모터를 주요 부품으로 하는 구동장치이며, 전원장치와 구동장치 사이에 존재하는 DC모터를 제어하는 컨트롤러이다. DC모터 컨트롤러는 모터의 속도 및 전진 후진 동작 등, 다양하게 제어함으로써 모터의 구동능력을 향상시키고 전동차 이용자에게 효율적이며 안전한 운전이 가능할 수 있도록 한다. 국내․외적으로 전기 자동차 및 하이브리드 자동차용 DC모터 속도 콘트롤러에 대한 많은 기술이 축적되고 있으며 관련기술들을 이용한 제품들이 상품화되고 있다.
참고문헌 (8)
Seong-Bae Kong, Jae-Hee Lee, Sung-Kwan Joo, Tae Yong Song, Yong-Jun Kim, "Effect of Electric Vehicle deployment on System Marginal Price(SMP)" KIEE Summer Conference Publications, 2010. 7.
Ministry of Knowledge Economy, Report "Power Purchase Agreement", 2008. 12.
Kevin Morrow, Donald Karner and James Francfort, "Plug-in Hybrid Electric Vehicle Charging Infrastructure" Idaho National LAB , 2008. 11.
Jin-Sung Kim, Ju-Hee Cho, Seong-Cheol Park, Byung-Taek Kim, Dae-Kyong Kim, "Design of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor for AEV(Agricultural Electric Vehicle)", KIEE Eletric Machine and Energy Conversion Systems Site, Spring Conference Publications, 2010. 4.
MO, Se-Jun "Overview and Outlook for Electric Vehicle Car Parts Companies, Industry Research Report, Hana Institute of Finacen 2009. 8.
Jinrong Qian, Lee, F. C. "Voltage-Source Charge-Pump Power Factor Correction AC/DC Converters" Power Electronics IEEE, Vol 14, pp350-358, 1999.
Jinrong Qian, Lee, F. C. "Charge-Pump Power Factor Correction Technologies Part I: Concept and Principle" Power Electronics IEEE, Vol 15, pp 121-129, 2000.
Seok-Cheol Ko, Sung-Hun Lim, Byoung-Sung Han, "Design of a Bidirectional AC-DC Converter using Charge Pump Power Factor Correction Circuit", KIEE Eletric Machine and Energy Conversion Systems Site, Spring Conference Publications, 2001. 4.
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