[논문]소형 BLDC 전동기 센서리스 드라이브의 단상 역기전력과 중성점을 이용한 제어기법 연구

조준우; 황돈하; 황영기; 정태욱

doi:10.5207/jieie.2014.28.9.001

[국내논문] 소형 BLDC 전동기 센서리스 드라이브의 단상 역기전력과 중성점을 이용한 제어기법 연구
A Study on a Control Method for Small BLDC Motor Sensorless Drive with the Single Phase BEMF and the Neutral Point 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.28 no.9, 2014년, pp.1 - 7

조준우 (경남대학교 전기공학과) , 황돈하 (한국전기연구원 HVDC본부 전력기기연구센터) , 황영기 (한국산업기술평가관리원, 한국환경관리공단) , 정태욱 (경남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Brushless Direct Current(BLDC) Motor is essential to measure a rotor position because of that this motor type needs to synchronize the rotor's position and changeover phase current instead of a brush and commutator used on the existing dc motor. Recently, many researches have studied on sensorless control drive for BLDC motor. The conventional control methods are a compensation value dq, Kalman filter, Fuzzy logic, Neurons neural network, and the like. These methods has difficulties of detecting BEMF accurately at low speed because of low BEMF voltage and switching noise. And also, the operation is long and complex. So, it is required a high-performance microprocessor. Therefore, it is not suitable for a small BLDC motor sensorless drive. This paper presents control methods suitable for economic small BLDC motor sensorless drive which are an improved design of the BEMF detection circuit, simplifying a complex algorithm and computation time reduction. The improved motor sensorless drive is verified stability and validity through being designed, manufactured and analyzed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히 저속 구동 시 낮은 역기전력 신호 때문에 역기전력 신호 검출이 더 어렵다. 때문에 본 논문에서는 비교기 입력전압을 제한하고 고주파 노이즈를 제거하기 위하여 저항을 통한 전압 분배회로와 RC저역통과 필터회로를 설계하였다. 따라서 안정적인 역기전력 검출이 가능할 뿐만 아니라 넓고 안정적인 속도 영역을 가진다.
본 논문은 기존의 제어방법의 단점인 긴 연산시간, 복잡한 구조, 고성능의 프로세서를 사용하는 제어방법을 피하고 단자 전압의 역기전력과 중성점 전압만을 이용한 소형 BLDC 전동기 제어방법을 제안한다.

가설 설정

제안한 BLDC 전동기의 센서리스 제어 방법을 확인하기 위해 시뮬레이션 프로그램인 Power-SIM사의 PSIM을 사용하였다. 전동기의 역기전력 형태는 이상적이라고 가정 하고, 실험에서 사용된 BLDC 전동기의 파라미터로 시뮬레이션을 실행 하였다. 그림 9와 같이 BLDC 전동기의 시뮬레이션 모델은 정류부, 게이트 드라이브부, 제어부와 역기전력 검출부로 크게 4부분으로 이루어져 있다.

제안 방법

Power-SIM을 이용하여 제안된 소형 BLDC 전동기 센서리스 드라이브를 설계하고, 프로토 타입의 BLDC 전동기 센서리스 드라이브를 실제 제작하여 실험을 통한 제안된 제어 기법의 안정성과 타당성을 입증하고자 한다.
그림 9와 같이 BLDC 전동기의 시뮬레이션 모델은 정류부, 게이트 드라이브부, 제어부와 역기전력 검출부로 크게 4부분으로 이루어져 있다. 또한 Dynamic Link Library(DLL)를 이용하여 MCU을 이용한 제어가 가능하게 모델링하였다.
본 논문에서 설계된 필터는 이 구간을 보상하기 위해 검출된 신호와 ZCP사이에 약 30°의 위상차를 가지도록 설계되었고 그림 7과 같이 확인할 수 있다.
제안된 방법은 경제적이며 소형 BLDC 전동기 센서리스 드라이브를 제어하기 위해 회전자 위치정보를 가지고 있는 단자 역기전력과 중성점 전압을 이용하여 기존 제어방법의 복잡한 알고리즘을 간소화하고 긴 연산 시간을 단축하였다. 그림 4는 제안된 센서리스 드라이브의 전체 토폴로지이다.
제안된 센서리스 제어 방법은 중성점을 검출하기 위한 단자가 필요하나 펌프 모터, 팬 모터 등 가전기기용 소형 BLDC 전동기의 대부분은 중성점이 외부로 노출되어 있지 않다. 때문에 각 상에 저항을 Y결선으로 병렬 연결하여 가상 중성점을 만들어 준다.
차단주파수는 스위칭주파수에 비하여 낮을수록 필터링 특성은 좋아지나 필터의 용량이 상승하므로 본 논문에서는 스위칭주파수의 1/50이 되도록 선정하고 설계 및 분석하였다.

대상 데이터

)는 214Hz이다. 사용된 전동기의 극수는 6극이며, 인버터 PWM 스위칭 주파수(f_sw)는 10kHz이다. 전동기의 속도가 3600rpm이라고 가정했을 때, 위상 지연은 약 30°를 가지며 역기전력 주파수(f_BEMF)는 식 (2), (3)과 같이 계산된다.
제안한 하드웨어의 구성 중 Intelligent Power Module(IPM)은 Infineon사의 600V/15A급의 IGCM15F60GA을 사용하였고, MCU는 Atmel사의 ATmega128을 사용하여 프로토 타입의 드라이브를 구현하였다. 실험에 사용된 BLDC 전동기의 파라메타는 표 1에 나타낸다.

이론/모형

제안한 BLDC 전동기의 센서리스 제어 방법을 확인하기 위해 시뮬레이션 프로그램인 Power-SIM사의 PSIM을 사용하였다. 전동기의 역기전력 형태는 이상적이라고 가정 하고, 실험에서 사용된 BLDC 전동기의 파라미터로 시뮬레이션을 실행 하였다.

성능/효과

Power-SIM사의 PSIM을 이용하여 시뮬레이션 하였고, 제안된 BLDC 전동기 센서리스 드라이브의 프로토 타입을 제작/실험 하여 각 상의 단자 역기전력과 중성점 전압 비교를 통해 회전자의 위치정보를 실시간으로 검출함을 확인하였고, BLDC 전동기가 검출된 위치 신호를 받아 제안된 구동방법에 따라 구동됨을 확인하여 본 논문의 타당성을 입증하였다.
그림 13 (a)는 한상의 역기전력과 중성점 전압을 비교한 파형이고 그림 13 (b)는 이 두 신호를 비교하여 회전자의 위치신호를 검출한 파형이다. 여기서 역기전력 검출 최대치는 약 15V이며, 중성점 전압은 단상역기전력파형의 V_dc/2지점을 지나는 것을 확인하였다. 검출된 위치 신호파형은 각 상과 120° 위상차를 가지며 홀 센서와 같은 신호를 발생함을 그림 13과 같이 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 전동기에 회전자의 정확한 위치 정보가 필수적인 이유는?	BLDC 전동기는 기존의 DC 전동기에 사용되는 브러시, 정류자 대신에 회전자의 위치에 동기하여 전동기의 상전류를 전환시켜야 하기 때문에 회전자의 정확한 위치 정보가 필수적이다[1-2]. 회전자의 위치정보를 검출하기 위해 보통 리졸버(resolver), 광학 인코더, 홀 센서 등의 위치 센서를 부착한다.
	확장형 칼만 필터가 매입형 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어의 적용의 한계점은?	하지만 복잡한 알고리즘과 칼만 필터의 연산 자체가 많은 연산량을 요구하기 때문에 저가 구현에 있어 큰 부담으로 작용할 수 있으며 실제의 시스템 잡음을 공정하게 평가할 수 있는 방법이 없기 때문에 추정 이득을 선택하기 매우 어렵다[5-6]. 그림 3는 칼만 필터 시스템의 플로우 차트를 나타낸다.
	위치 센서의 단점은?	회전자의 위치정보를 검출하기 위해 보통 리졸버(resolver), 광학 인코더, 홀 센서 등의 위치 센서를 부착한다. 그러나 위치 센서는 모터의 가격 및 크기를 증가시키고, 구조를 복잡하게 할뿐만 아니라, 주변의 여러 동작 환경에 제한을 받는다[7]. 이러한 문제를 극복하기 위해 근래에는 위치 센서 없이 BLDC 전동기를 구동하는 센서리스 BLDC 전동기 제어에 대한 관심이 고조되었고, 수학적 모델을 통해 계산된 전류와 검출된 전류의 오차로 회전자의 위치를 추정하는 방법, 고주파 전압신호를 주입하는 방법, 추정이론을 이용한 상태관측기를 적용한 방법, 확장형 칼만 필터를 이용한 방법 등의 여러 가지 제어 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[3-4].

참고문헌 (9)

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상세보기
N. Matsui and M. Shigyo, "brushless DC Motor Control without Position and Speed Sensors", IEEE Trans. on lnd, Application. vol28, pp.120-127, Jan/Feb. 1992.

상세보기
Alian M, Cassat, and Pully,Switzerl and, "Position Detection for a Brushless DC Motor." US patent5001405,March,199.
C. Frech and P. Acarnley, "Direct Torque Control of Permanent Magnet Drives," IEEE Trans. on Industry Applicatssions, Vol. 32 No. 5, pp. 1080-1088, 1996.

상세보기
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K. Ohishi, M. Nakao, K. Onishi and K. Miyachi, "Microprocessor-Controlled DC Motor for Load-Insensitive Position Servo System," IEEE Trans. Ind. Electron., vol.34, no.1, pp. 44-49, 1987.
N. Matsui, "Sensorless PM Brushless DC Motor Drive", IEEE Trans, Indestrial Electronics, Vol. IE-43, No.2,pp 300-308, April 1996.
Y. G Kim, Y. H Yoon, B. K Lee, H. S Kim, C. Y Won and J. S Chun, "Rotor Position Estimation of 3-Phase PM BLDC Motor by 2Hall-IC, 1Hall-IC", Journal of the Korea Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol.20 No.4, pp.56-64, May 2006.

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S. G Lee, D. K Kim, S. H Yang and Y. C Lim, "A Study on Low-Cost Sensorless Drive of Brushless DC Motor for Compressor Using Random PWM", Journal of the Korea Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol.22 No.10, pp.97-103, October 2008.

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