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ARM Cortex-M4 마이크로컨트롤러를 사용한 유도전동기의 저가형 벡터제어 인버터 설계
The Design of Low-Cost Vector-Controlled Inverter for Induction Motor Using ARM Cortex-M4 Microcontroller 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.2, 2013년, pp.816 - 821  

김동기 (공주대학교 대학원 전기전자제어공학과) ,  윤덕용 (공주대학교 대학원 전기전자제어공학과)

초록
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본 논문은 ARM Cortex-M4 마이크로컨트롤러를 사용하여 3상 유도전동기용의 저가형 벡터제어 인버터를 설계하는 방법을 제안한다. 이 MCU는 냉장고, 에어컨, 세탁기와 같은 가전제품을 제어하기 위하여 기존의 값비싼 DSP 소자를 대신할 수 있다. 본 논문에서는 전동기 제어에 필요한 Cortex-M4의 주요 기능들을 정리하고, 이를 사용하여 벡터제어 인버터를 설계하는 방법을 기술한다. 실험용 벡터제어 인버터를 설계 제작하여 200[W]의 3상 유도전동기에 적용하였고, 이를 사용한 실험 결과는 기존의 TMS320F28335 DSP와 유사한 수준의 제어 성능을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes the design method of low-cost vector control system for induction motor using the ARM Cortex-M4 microcontroller. This MCU can be used instead of expensive DSP to control the home appliances such as refrigerator, air conditioner, washing machine and so on. This paper explains the ...

주제어

#ARM   #Cortex-M4   #induction motor control   #vector-controlled inverter   #low-cost inverter  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 ARM Cortex-M4 코어를 장착한 32비트 마이크로컨트롤러를 사용하여 어떻게 벡터제어 인버터를 구현할 수 있는지 기술하고, 이것이 기존의 부동소수점 연산형 DSP처럼 벡터제어 인버터를 구현하는데 충분한 성능을 가지고 있는지 실험적으로 확인한다.
  • 본 논문에서는 DSP 기능이 내장된 32비트 ARM Cortex-M4 마이크로컨트롤러를 사용하여 가전제품 등을 위한 유도전동기의 저가형 벡터제어 인버터를 구현하였다. 이를 200[W]급의 3상 유도전동기에 적용한 결과 벡터제어 인버터를 수만 원대의 초저가로 구현할 수 있었으며, 기존의 전동기 제어용 DSP에 버금가는 양호한 벡터제어 성능을 확인함으로써 이제는 Cortex-M4 마이크로컨트롤러가 저가격으로 기존의 전동기 제어용 DSP 소자를 충분히 대체할 수 있다는 것을 보였다.
  • 본 논문에서는 이러한 벡터제어 인버터의 저가격화 기술과 관련하여 주로 마이크로컨트롤러 문제에 초점을 맞추어 연구하고자 한다. 유도전동기의 벡터제어를 위해서는 속도 및 전류제어기에서 PI 제어 알고리즘을 수행하고 전압과 전류의 좌표변환 등을 실시간으로 처리해야 하는데, 여기에는 삼각함수 등 많은 부동소수점 연산을 필요로 하므로 고속 실수연산 처리가 가능한 마이크로컨트롤러가 사용되어야 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유도전동기가 산업용 가변속 제어 시스템으로 널리 사용되는 이유는 무엇인가? 반도체 및 제어기술의 발전으로 벡터제어 인버터가 쉽게 구현됨으로써 이제 유도전동기는 산업용 가변속 제어 시스템에 널리 사용되고 있다. 그러나, 산업용 제어기와 달리 냉장고, 에어컨, 세탁기 등과 같은 가전제품에서는 수백와트 정도 이하의 소용량 전동기를 사용하고 있어서 전동기 자체에 비하여 컨트롤러의 가격이 높고, 또한 전동기 제어 시스템의 가격이 전체 제품의 가격에서 차지하는 비중이 상당히 높으므로 이를 저렴한 가격으로 구현하는 것이 무엇보다도 중요하다.
유도전동기가 가전제품 분야에서는 널리 사용되기 힘든 이유는 무엇인가? 반도체 및 제어기술의 발전으로 벡터제어 인버터가 쉽게 구현됨으로써 이제 유도전동기는 산업용 가변속 제어 시스템에 널리 사용되고 있다. 그러나, 산업용 제어기와 달리 냉장고, 에어컨, 세탁기 등과 같은 가전제품에서는 수백와트 정도 이하의 소용량 전동기를 사용하고 있어서 전동기 자체에 비하여 컨트롤러의 가격이 높고, 또한 전동기 제어 시스템의 가격이 전체 제품의 가격에서 차지하는 비중이 상당히 높으므로 이를 저렴한 가격으로 구현하는 것이 무엇보다도 중요하다. 이 때문에 현재 산업용에서 보편적으로 사용하고 있는 벡터제어 인버터 기술을 가전제품에서는 최근까지도 거의 사용하지 못하고 있는 실정이며, 2000년대 들어서야 이를 가전제품에 적용할 수 있도록 저가격화하려는 노력이 적극적으로 이루어 지기 시작하였다.
벡터제어 인버터 기술을 가전제품 분야에서 적용하기 위하여 이루어진 노력은 무엇인가? 그러나, 산업용 제어기와 달리 냉장고, 에어컨, 세탁기 등과 같은 가전제품에서는 수백와트 정도 이하의 소용량 전동기를 사용하고 있어서 전동기 자체에 비하여 컨트롤러의 가격이 높고, 또한 전동기 제어 시스템의 가격이 전체 제품의 가격에서 차지하는 비중이 상당히 높으므로 이를 저렴한 가격으로 구현하는 것이 무엇보다도 중요하다. 이 때문에 현재 산업용에서 보편적으로 사용하고 있는 벡터제어 인버터 기술을 가전제품에서는 최근까지도 거의 사용하지 못하고 있는 실정이며, 2000년대 들어서야 이를 가전제품에 적용할 수 있도록 저가격화하려는 노력이 적극적으로 이루어 지기 시작하였다. 가전제품에 사용할 수 있는 정도의 소용량 벡터제어 인버터를 저가격화하기 위한 노력은 크게 다음과 같이 4가지의 분야로 나누어 설명할 수 있다.
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참고문헌 (8)

  1. Jeong-Gyu Lim, Seok-Hwan Kim, Se-Kyo Chung, "Implementation of Compact Vector Control System for Induction Motor Using TMS320F2812 DSP and Smart Power Module", Symposium of Power Electronics, pp.11-14, 2004. 

  2. Seung-Min Shin, Jong-Soo Kim, Rae-Kwan Park, Byoung-Kuk Lee, In-Soung Jung, "Analysis of variable speed motor drive performance according to current sensing methods", ICEMS(International Conference on Electrical Machines and Systems), pp. 748-752, Oct. 2010. 

  3. Seung-Ki Sul, Bong-Hyun Kwon, Jun-Koo Kang, "A Study on the Vector Control of Induction Motor Based on Speed Estimation", Journal of KIEE, Vol. 39, No. 9, pp. 928-933, 1990. 

  4. LS Power Semitech, CIPOS IGCM06F60GA datasheet, 2011. 

  5. ARM, Cortex-M4 Technical Reference Manual, 2010. 

  6. STMicroelectronics, STM32F405xx, STM32F407xx data sheet, 2012. 

  7. STMicroelectronics, RM0090: STM32F4xx Reference Manual, 2011. 

  8. Duck-Yong Yoon, Soon-Chan Hong, "Speed Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Using Space Voltage Vector PWM", Journal of KIEE, Vol. 43, No. 7, pp. 1112-1120, 1994. 

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