[논문]역기전력 추정법을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 홀센서 상전류 전환시점 보상 방법

박제욱; 김종훈; 김장목

doi:10.6113/tkpe.2012.17.3.246

역기전력 추정법을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 홀센서 상전류 전환시점 보상 방법
Position Correction Method for Misaligned Hall-Effect Sensor of BLDC Motor using BACK-EMF Estimation 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.17 no.3, 2012년, pp.246 - 251

박제욱 (Department of Electric Engineering., Pusan Nat'l Univ.) , 김종훈 (Dept. of Digital Control, Production engineering research institute, LG Electronics) , 김장목 (Department of Electric Engineering., Pusan Nat'l Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a new position compensation method for misaligned Hall-effect sensors of BLDCM(Brushless DC Motor). If the Hall-effect sensors are installed at wrong position, the exact rotor position cannot be obtained. Therefore, when the BLDCM is controlled with this wrong position, the torque ripple can be increased and the average torque also decreases. The back-EMF of BLDCM can be obtained by using the voltage equation and by multiplying the back-EMF constant and rotor speed. At a constant speed, the estimated back-EMF by using the multiplication of the back-EMF constant and rotor speed is constant, but the estimated back-EMF from the voltage equation decreases at the commutation point because the line-to-line back-EMF of two conducting phases is start to decrease at this point. Therefore, by using the difference between these two estimated back-EMFs, the commutation point of the phase current can be determined and position compensation can be carried out. The proposed position correction method doesn't require additional hardware circuit and can be easily implemented. The validity of the proposed position compensation method is verified through several experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 역기전력 추정을 이용하여 위치 오차를 갖는 홀센서가 설치된 BLDC 전동기의 전환시점 오차를 보상하는 알고리즘을 제안하였다. 홀 센서 설치 오차로 인해 정확한 위치에서 상 전환이 일어나지 않으면 토크의 맥동이 증가하고 평균 토크 및 시스템 효율이 감소한다.
본 논문은 위치 오차를 갖는 홀센서가 부착된 BLDC 전동기 제어에서 상전류 전환시점 오차에 따라 발생되는 토크 맥동과 효율에 대해서 알아보고 상전류 전환시점 오차를 보상하는 알고리즘을 제안한다. 제안한 전환시점 오차 보상 방식은 전압방정식과 속도와 역기전력상수와의 곱으로 추정한 역기전력의 크기를 비교함으로서 보다 정확한 상전류 전환시점을 판별하여 오차를 보상 할 수 있다.

제안 방법

본 논문에서는 전류 샘플링 주기를 100μs로 설정하였으며 미분 연산은 (6)과 같이 한 샘플링 주기 이전의 전류와 현재 획득된 전류의 차를 이용하여 구현하였다.
추정된 두 역기전력의 차가 τ_th이하가 되는 시점을 검출한다. 이 시점은 정확한 상전환 시점이므로 샘플링 된 홀센서 신호 pst(n)가 변하는 시점과 비교하여 두 시점 사이의 시간차를 프로세서의 타이머로 카운트하여 각각의 구간별 위치 오차를 계산한다. 이러한 과정을 전기각 한바퀴에 대해 수행하여 홀 센서의 위치 오차를 계산하여 보정 할 수 있으며 보정된 각으로 BLDC 전동기를 구동한다.
이 현상을 이용하여 두 역기전력의 차이를 구하고, 역기전력의 차이가 미리 설정한 한계값 τth이하가 될 때 상전류의 전환시점으로 판별 한다.
제안한 홀센서 위치 오차 보상 순서는 다음과 같다. 저속에서 BLDC 전동기를 구동하여 하나의 홀센서로부터 회전자의 전기각속도를 검출한다. 검출된 전기각속도를 이용하여 (4)와 (6)으로부터 각각 추정된 역기전력간의 차를 구한다.
홀 센서 설치 오차로 인해 정확한 위치에서 상 전환이 일어나지 않으면 토크의 맥동이 증가하고 평균 토크 및 시스템 효율이 감소한다. 제안한 알고리즘은 전압방정식과 역기전력 상수 및 회전자 속도를 이용하여 역기전력을 각각 추정하고 두 역기전력의 차를 이용하여 위치 오차를 검출하여 보상하는 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 구현이 간단하고 위치 오차 보상을 위한 추가적인 하드웨어가 요구되지 않는다.

데이터처리

제안한 알고리즘은 구현이 간단하고 위치 보상을 위한 추가적인 하드웨어가 요구되지 않는다. 실험을 통해 제안한 알고리즘의 타당성을 검증한다.
제안한 알고리즘은 구현이 간단하고 위치 오차 보상을 위한 추가적인 하드웨어가 요구되지 않는다. 제안한 전환시점 오차 보상 알고리즘은 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.

이론/모형

위치 오차를 갖는 홀센서가 설치된 3상 BLDC 전동기에 대해 상전류 전환시점 오차 보상 알고리즘을 적용하였다. 각상의 홀센서들은 약 +10°, +5°, -15°의 위치 오차를 가진다.
각상의 홀센서들은 약 +10°, +5°, -15°의 위치 오차를 가진다. 제안한 홀센서 위치 오차 보상 알고리즘은 TI(Texas Instrument)사의 TMS320C28346를 사용하여 구현하였으며 대상 전동기의 제정수는 표 1에 나타내었다.

성능/효과

본 논문은 위치 오차를 갖는 홀센서가 부착된 BLDC 전동기 제어에서 상전류 전환시점 오차에 따라 발생되는 토크 맥동과 효율에 대해서 알아보고 상전류 전환시점 오차를 보상하는 알고리즘을 제안한다. 제안한 전환시점 오차 보상 방식은 전압방정식과 속도와 역기전력상수와의 곱으로 추정한 역기전력의 크기를 비교함으로서 보다 정확한 상전류 전환시점을 판별하여 오차를 보상 할 수 있다. 제안한 알고리즘은 구현이 간단하고 위치 보상을 위한 추가적인 하드웨어가 요구되지 않는다.
212로 설정하였다. 제안한 홀센서 위치 오차 보상 알고리즘으로 추정한 전환시점과 홀센서로부터 검출된 위치가 오차를 가지는 것을 확인 할 수 있으며 이러한 위치 오차가 발생한 구간에서 오차각을 계산하기 위해 카운트되는 것을 나타내고 있다. 그림 10(b)는 측정된 구간별 오차각을 이용하여 홀센서 신호를 기준으로 위치를 보상한 파형으로 여섯 구간이 동일한 간격으로 정확하게 추정되고 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 전동기에서 정확한 속도 및 토크 제어를 위해 반드시 필요한 것은?	BLDC 전동기는 정확한 속도 및 토크 제어를 위해 회전자의 속도뿐만 아니라 회전자의 위치정보가 반드시 필요하다. 회전자의 위치 및 속도 정보는 엔코더나 레졸버와 같이 높은 분해능을 갖는 위치 센서를 전동기의 축에 직접 설치함으로서 얻을 수 있지만 시스템의 가격 상승과 사이즈, 부피 증가를 야기 시킨다.
	기존의 홀센서 위치 오차 보상 알고리즘으로는 Vector Tracking Observer를 이용하는 방식[4], 외삽법과 평균 필터를 이용하는 방식[5] 이 있다, 이 알고리즘의 단점은?	기존의 홀센서 위치 오차 보상 알고리즘으로는 Vector Tracking Observer를 이용하는 방식[4], 외삽법과 평균 필터를 이용하는 방식[5] 이 있다. 이러한 알고리즘은 많은 복잡한 계산을 해야 하거나 구조가 복잡하고 연산량이 많아지는 단점이 있다.
	3상 브러시리스 직류 전동기의 장점은?	일반적으로 3상 브러시리스 직류 전동기(BLDC, Brushless DC Motor)는 구조가 간단하고 큰 토크를 낼 수 있으며, 높은 전력 밀도 및 고효율 등의 장점들로 인하여 산업분야에서 그 사용이 증가하고 있다.

참고문헌 (7)

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상세보기
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상세보기
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Seung-Ki Sul, "Control of Electric Machine Drive Systems," WILEY, 2010.

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