신규재
(Dept. of Electrical Control Engineering, Suncheon First University)
,
차현록
(Automotive Components Research Group, Honam Regional Division, Korea Institute of Industrial Technology)
본 논문은 1인승 전기차량의 임베디드 전동 제어장치 설계를 제안하였다. 제안된 임베디드 장치는 PIC18F8720 프로세서, 16Mb flashROM, 32Mb SDRAM과 신호처리회로로 설계되었다. 제안된 1인승 전기차량은 4KW 인휠 BLDCM, $180^{\circ}$ 도통 공간 벡터제어 3상 전압형 인버터, PID 속도제어기와 전동제어 장치와 임베디드 제어장치로 구성된다. 이 1인승 전기차량은 역 3륜 형태의 기계적인 구조를 가지고 있으며, 인휠 BLDCM과 틸팅 기능을 가지는 조향 메카니즘이 적용되었다. 또한 제안된 임베디드 전동제어장치의 성능은 PEV에 대한 Lab 실험과 도로 주행시험을 통하여 검증하였다.
본 논문은 1인승 전기차량의 임베디드 전동 제어장치 설계를 제안하였다. 제안된 임베디드 장치는 PIC18F8720 프로세서, 16Mb flash ROM, 32Mb SDRAM과 신호처리회로로 설계되었다. 제안된 1인승 전기차량은 4KW 인휠 BLDCM, $180^{\circ}$ 도통 공간 벡터제어 3상 전압형 인버터, PID 속도제어기와 전동제어 장치와 임베디드 제어장치로 구성된다. 이 1인승 전기차량은 역 3륜 형태의 기계적인 구조를 가지고 있으며, 인휠 BLDCM과 틸팅 기능을 가지는 조향 메카니즘이 적용되었다. 또한 제안된 임베디드 전동제어장치의 성능은 PEV에 대한 Lab 실험과 도로 주행시험을 통하여 검증하였다.
This paper presents the design of embedded electrical power control unit for Personal Electrical Vehicle(PEV). The embedded unit is designed using PIC18F8720 processor, 16Mb flash ROM, 32Mb SDRAM and signal condition circuits. The proposed PEV consists of 4KW in-wheel Brushless DC Motor(BLDCM), 3 ph...
This paper presents the design of embedded electrical power control unit for Personal Electrical Vehicle(PEV). The embedded unit is designed using PIC18F8720 processor, 16Mb flash ROM, 32Mb SDRAM and signal condition circuits. The proposed PEV consists of 4KW in-wheel Brushless DC Motor(BLDCM), 3 phase voltage source inverter with the $180^{\circ}$ conduction space vector PWM method, PID speed controller and the embedded control unit. The PEV has mechanical manufacture of inverse 3 wheel system, which is applied by the in-wheel BLDCM and steering mechanism with tilting function. Also, the performances of the proposed embedded electrical power control unit are verified through the lab experiment and road driving test of PEV.
This paper presents the design of embedded electrical power control unit for Personal Electrical Vehicle(PEV). The embedded unit is designed using PIC18F8720 processor, 16Mb flash ROM, 32Mb SDRAM and signal condition circuits. The proposed PEV consists of 4KW in-wheel Brushless DC Motor(BLDCM), 3 phase voltage source inverter with the $180^{\circ}$ conduction space vector PWM method, PID speed controller and the embedded control unit. The PEV has mechanical manufacture of inverse 3 wheel system, which is applied by the in-wheel BLDCM and steering mechanism with tilting function. Also, the performances of the proposed embedded electrical power control unit are verified through the lab experiment and road driving test of PEV.
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문제 정의
본 논문에서는 PEV 주행모터 BLDCM의 속도제어를 위하여 임베디드 구동제어장치를 설계하고, 차량 현장적응 실험을 통하여 설계된 임베디드 구동제어장치의 성능을 평가한다. 본 연구에서 적용된 1인승 전기자동차는 운전자의 안전을 보장하고 승차감 향상을 위한 역 3륜 형태의 차체, 틸팅기능을 가지는 조향장치, 차량의 주행력 확보를 위한 인휠형 BLDCM 및 3상 전압제어형 인버터(VSI)가 그림1과 같이 적용되었다[1],[2].
본 논문에서는 그림9와 같이 BLDCM 속도제어기를 포함한 1인승 전기차량용 임베디드 구동제어장치를 제안한다. 차량 내부장치에 필요한 전원 12[Vdc] 와 5[Vdc] 전압을 생성해야 하고 내부적으로는 주행 부의 고전류 전기장치와 전자차폐를 통하여 제어기및 내부 전자장치에 전자파간섭을 보장해야 한다.
본 논문의 1인승 전기차량에 대한 설계목표는 국토해양부 고시(2010-165호) 근거리 전기자동차 안전규정에 근거하여 차량의 안전속도 60[Km/H]로 설정하였으며, 1회 충전 주행거리는 도심 내에서 이동하는 차량의 안전된 이동거리를 확보하기 위한 목적으로 기존 차량의 최대 이동거리에 대한 평균거리를 적용하여 1회 충전거리 100[Km]를 선정하였다. 또한 전기차량의 제동 안전을 확보하기 위하여 시속 60[Km/H] 주행 조건에서 제동거리를 15[m]이내이고, 등판능력은 시내 일반 도로의 등판각도를 기준으로 12 [deg]를 표4와 같이 설계목표로 설정하였다.
제안 방법
1인승 전기차량의 주행용 BLDCM에 대한 구동제어를 위하여 임베디드 구동제어장치 설계하였고 Lab 실험과 PEV 주행실험을 통하여 구동제어에 대한 성능을 검증하였다. 차량에 장착하여 3상 PWM- VSI를 구동제어한 결과, 속도응답 실험은 정지상태에서 최고속도 1,200[rpm]에 도달하는 스텝응담 실험결과 목표값 도달시간 1.
따라서 본 전기차량에 적용된 인휠형 BLDC 모터는 전자계해석을 통해서 구동영역에서 최대효율을 얻을수 있도록 RSM(표면반응법)-DOE방법을 이용하여 최적화 설계를 진행하였다[5],[6],[7]. 극수와 슬롯수의 최적 비율 해석을 통해 32극 27슬롯으로 선정하고 구동영역 1,200[rpm]에서 고토크 출력을 낼 수 있도록 설계 하였다. 또한 코어의 와류손을 줄이기 위하여 두께 0.
논 논문에서는 BLDCM의 구동제어를 위하여 180° 도통 공간벡터 제어형 PWM VSI 제어를 위하여 PIC18F8720 프로세서를 적용한 MCU, 16Mb flash Rom, 32Mb SDRAM 등으로 3상 BLDCM 인버터 구동제어회로로 구성되어 있다.
펄스 구동제어 실험결과, 위치각 신호에 정확하게 상전류가 발생함을 확인할 수 있다. 또한 속도응답 실험은 정지상태에서 최고속도 1,200[rpm]에 도달하는 스텝 응답실험이 수행하였다. 그 결과 그림12(c)와 같이 목표값 도달시간 1.
본 논문의 1인승 전기차량에 대한 설계목표는 국토해양부 고시(2010-165호) 근거리 전기자동차 안전규정에 근거하여 차량의 안전속도 60[Km/H]로 설정하였으며, 1회 충전 주행거리는 도심 내에서 이동하는 차량의 안전된 이동거리를 확보하기 위한 목적으로 기존 차량의 최대 이동거리에 대한 평균거리를 적용하여 1회 충전거리 100[Km]를 선정하였다. 또한 전기차량의 제동 안전을 확보하기 위하여 시속 60[Km/H] 주행 조건에서 제동거리를 15[m]이내이고, 등판능력은 시내 일반 도로의 등판각도를 기준으로 12 [deg]를 표4와 같이 설계목표로 설정하였다.
본 연구에서 적용된 1인승 전기자동차는 운전자의 안전을 보장하고 승차감 향상을 위한 역 3륜 형태의 차체, 틸팅기능을 가지는 조향장치, 차량의 주행력 확보를 위한 인휠형 BLDCM 및 3상 전압제어형 인버터(VSI)가 그림1과 같이 적용되었다[1],[2]. 본 논문에서 설계된 임베디드 구동제어장치는 PIC18F8720 프로세서를 적용한 MCU, 16Mb flash ROM, 32Mb SDRAM와 신호처리회로로 구성되어 PEV의 구동속도제어를 수행한다.
설계 제작된 PEV의 도로 주행성능시험을 그림 13과 같이 최고속도, 주행거리, 최대속도 도달시험, 제동시험, 등판능력을 각기 시험하였다.
설계된 전동제어기는 다이나모 MG에 주행 전동기를 그림 11과 같이 장착하고 무부하 및 부하상태에서 속도제어 실험을 수행하였다. 그림 12(a),(b)는 주행 전동기내에 매입된 홀센서로 부터 검출된 회전자 U, V, W상에 대한 위치각 펄스신호와 인버터 홀센서에 의해 검출된 상전류 출력신호이다.
대상 데이터
극수와 슬롯수의 최적 비율 해석을 통해 32극 27슬롯으로 선정하고 구동영역 1,200[rpm]에서 고토크 출력을 낼 수 있도록 설계 하였다. 또한 코어의 와류손을 줄이기 위하여 두께 0.35mm인 S-18재질을 사용하고, 출력을 올릴 수있도록 높은 자속밀도를 가지는 희토류 계열의 NdFeB 45SH 자석을 사용하였다.
본 PEV의 주행모터는 슬롯수/극수 27/32 구조로 회전자와 고정자 코아와 정격용량 72[Vdc], 80[A]으로 그림10과 같이 제작되고, 주행 전동기에 대한 성능 실험결과 표1과 같이 정격출력 3.24[KW], 정격속도 1,200[rpm], 구동 토오크 34.4[Nm]을 적용하였다[2].
본 논문에서는 PEV 주행모터 BLDCM의 속도제어를 위하여 임베디드 구동제어장치를 설계하고, 차량 현장적응 실험을 통하여 설계된 임베디드 구동제어장치의 성능을 평가한다. 본 연구에서 적용된 1인승 전기자동차는 운전자의 안전을 보장하고 승차감 향상을 위한 역 3륜 형태의 차체, 틸팅기능을 가지는 조향장치, 차량의 주행력 확보를 위한 인휠형 BLDCM 및 3상 전압제어형 인버터(VSI)가 그림1과 같이 적용되었다[1],[2]. 본 논문에서 설계된 임베디드 구동제어장치는 PIC18F8720 프로세서를 적용한 MCU, 16Mb flash ROM, 32Mb SDRAM와 신호처리회로로 구성되어 PEV의 구동속도제어를 수행한다.
그림 8은 BLDCM 구동을 위한 벡터 제어의 블록 다이어그램으로 d축과 q축 전류제어기, d-q변환기, 입력 토크와 속도 명령에 따른 dq축 전류를 생성하는 전류지령 발생기 등으로 구성되어 있다. 설계된 임베디드 구동제어장치는 PIC계열의 PIC18F8720 MCU, 16Mb flash Rom, 32Mb SDRAM, 신호처리회로로 표3의 3상 BLDCM 인버터 구동제어회로로 구성되어 있다.
설계된 제어장치는 입력 전원은 72[Vdc], 80[A] 리튬 인산철 배터리를 이용하였고 MCU(Main Control Unit)는 대쉬보드 계기판, ECU(Electrical Control Unit), VSI와 센서에 필요한 전원 공급을 목적으로 72[Vdc]/ 12[Vdc], 12[Vdc]/5[Vdc]의 DC/DC컨버터를 포함하고 있다.
이론/모형
1인승 전기차량의 속도제어기는 BLDCM과 부하의 식(8)(9)에서 간략화모델에 근궤적을 적용하여 임계이득 Km과 임계주파수 wm을 구한 후, Ziegler-Nicols 방법[12]의 식(13)을 각기 적용하여 PID 이득 Kp, Ki, Kd를 선정하였다.
1인승 전기차량의 주행전동기의 조건으로 저속도 구간에서 고토오크가 필요하고 3륜 후륜 구동구조이기 때문에 고토오크 및 토크리플이 적어야 한다. 따라서 본 전기차량에 적용된 인휠형 BLDC 모터는 전자계해석을 통해서 구동영역에서 최대효율을 얻을수 있도록 RSM(표면반응법)-DOE방법을 이용하여 최적화 설계를 진행하였다[5],[6],[7]. 극수와 슬롯수의 최적 비율 해석을 통해 32극 27슬롯으로 선정하고 구동영역 1,200[rpm]에서 고토크 출력을 낼 수 있도록 설계 하였다.
PEV 주행전동기의 특성상 BLDCM는 전구간에서 고토오크와 빠른 속응성이 요구된다. 본 PEV에 적용 하는 인버터는 국외 기존제품에 대한 성능비교를 위한 목적과 내구성 및 개발시간 등의 이유로 3상 PWM VSI (Pulse Width Modulation Voltage Source Inverter)를 적용한다. 3상 PWM VSI는 정현파 형태의 펄스폭 변조를 가지는 180° 도통의 3상 PWM 전압형 인버터는 공간벡터에 의하여 제어된다.
성능/효과
최고속도 시험결과 81[Km/H] 출력되었다. 근거리 전기자동차 안전규정에 근거하여 차량의 안전 설계 목표를 위하여 60[Km/H]로 속도를 제한하였으며, 리튬 인산철 배터리(72[V], 80[A])를 완충한 상태로 일반도로를 주행 실험한 결과 105 [Km] 주행이 가능하였다.
3[deg] 도로조건에서 등판이 가능하였다. 상기 실험을 통하여 설계 제작된 PEV는 안정된 주행성능과 설계목표를 충분히 만족함을 확인 할 수 있었다.
1%내로 안정되게 속도 목표값에 양호하게 추종이 우수함을 그림 12에서 확인 할 수 있었다. 설계 제작된 PEV의 도로 주행성능시험을 위하여 최고속도, 주행거리, 최대속도 도달시험, 제동시험, 등판능력을 시험한 결과, 제안된 그림8과 그림9의 임베디드 구동제어장치는 안정된 주행성능과 설계목표를 충분히 만족함을 확인할 수 있었다. 추후 인버터의 전력효율 및 고조파 문제를 개선하기 위하여 역률개선의 전류제어형 정현파 인버터에 대한 연구를 지속할 계획이다.
차량에 장착하여 3상 PWM- VSI를 구동제어한 결과, 속도응답 실험은 정지상태에서 최고속도 1,200[rpm]에 도달하는 스텝응담 실험결과 목표값 도달시간 1.8[sec]이었고, 목표값에는 ±0.1%내로 안정되게 속도 목표값에 양호하게 추종이 우수함을 그림 12에서 확인 할 수 있었다.
최고 제한속도 60 [Km/H]로 도달하는 시간과 이 조건에서 제동력을 실험한 결과, 평균 도달시간은 11.3[sec]와 제동거리는 12.2[m]로 설계조건을 만족하였다. 또한 등판능력시험은 주행속도 5.
코깅토크와 토크리플에 영향을 주는 코어 형상 인자들로써 슬롯 오픈과 슬롯치 두께(TGD)가 증가할수록 출력이 증가하였고 슬롯 오픈이 클수록 코깅토크가 증가하고, 슬롯치 두께(TGD)가 증가할수록 코깅 토크는 감소하는 결과를 확인 하였으며, 또한 공극의 거리와 마그넷 위치에 따른 코깅토크와 토크리플 변화를 확인하여 모든 인자들 사이의 최적화 설계 제작하였다[2].
그림12(a)는 100[rpm] 저속운전과 그림12(b)는 1,200[rpm] 고속운전에서의 ①②③채널에서 U, V, W상 위치각 펄스신호이고 ④채널에서는 상전류 파형을 나타낸다. 펄스 구동제어 실험결과, 위치각 신호에 정확하게 상전류가 발생함을 확인할 수 있다. 또한 속도응답 실험은 정지상태에서 최고속도 1,200[rpm]에 도달하는 스텝 응답실험이 수행하였다.
후속연구
설계 제작된 PEV의 도로 주행성능시험을 위하여 최고속도, 주행거리, 최대속도 도달시험, 제동시험, 등판능력을 시험한 결과, 제안된 그림8과 그림9의 임베디드 구동제어장치는 안정된 주행성능과 설계목표를 충분히 만족함을 확인할 수 있었다. 추후 인버터의 전력효율 및 고조파 문제를 개선하기 위하여 역률개선의 전류제어형 정현파 인버터에 대한 연구를 지속할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전 기차량이 1인승으로 연구되는 이유는 무엇인가?
자동차가 친환경적으로 진화함에 따라 내연기관을 대체하는 전기적 주행모터의 전기차량에 대한 실용화 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 전 기차량은 배터리 충전량의 한계로 장거리 주행이 어 렵고 배터리가 차지하는 차량가격 문제로 1인승 전기 차량(Personal Electrical Vehicle; PEV)에 대한 연구 가 진행되고 있으며[1][2][3], 일본 도요타 아이로드 (i-Road), 독일 폭스바겐 닐스(NILS)와 유럽 르노 트 위지(Twizy) 등이 PEV의 상용화를 위한 실증시험이 추진되고 있다.
PEV에 요구되는 성능은 무엇인가?
PEV는 주행모드와 제동모드상태의 효율적인 전력 구동제어의 수행이 필요하고, 주행모드에서는 최대전력을 기계토크로 출력할 수 있어야 하며, 제동모드에서는 차량을 제동시킬 때 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 흡수하고 저장 회수할 수 있어야 한다. 결과적으로 PEV의 동력 효율의 극대화를 위하여 전 동력의 효율적인 구동제어가 매우 중요하다.
본 논문에서 RSM(표면반응법)-DOE방법을 이용하여 BLDC 모터를 설계한 이유는 무엇인가?
1인승 전기차량의 주행전동기의 조건으로 저속도 구간에서 고토오크가 필요하고 3륜 후륜 구동구조이 기 때문에 고토오크 및 토크리플이 적어야 한다. 따 라서 본 전기차량에 적용된 인휠형 BLDC 모터는 전자계해석을 통해서 구동영역에서 최대효율을 얻을수있도록 RSM(표면반응법)-DOE방법을 이용하여 최적화 설계를 진행하였다[5],[6],[7].
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