[논문]친환경 환풍기를 위한 BLDC모터 제어기 연구

정영득

doi:10.12812/ksms.2015.17.4.403

친환경 환풍기를 위한 BLDC모터 제어기 연구
Research for Environmentally Friendly Exhaust Fan BLDC Motor Controller 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.17 no.4, 2015년, pp.403 - 410

Abstract ▼ AI-Helper

This study documents the 3-phase BLDC(Brushless DC) motor to improve conventional exhaust fan motor. Energy efficiency, noise, and air pollution reduction for the high-performance vibration of the BLDC motor has been used in many fields. It is necessary to achieve the information of rotor position for driving 3-phase type brushless DC motor. It is also necessary that the PWM control algorithm design for a MOSFET driver to control the motor speed control for each of three phases. BLDC motors for exhaust fan, we studied the controller and software. The control circuit and motor control program through which Exhaust fan up close and person can be used safely and protect the environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 같은 규격의 기존 환풍기의 전력량과 BLDC모터와 제어기를 적용한 환풍기의 전력량을 비교하여 에너지효율이 높다는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 사무실, 공장, 가정 등에서 내부공기를 밖으로 배출하는 환풍기제품에 사용되는 모터에 대해 연구하였다. 일반적으로 환풍기에 적용하는 모터는 원가적인 면, 구조적인 면에서 일반 모터를 사용하고 있다.
오늘날 지구에 온실가스 발생으로 온난화 현상, 대기권의 파괴로 생명체에 위험이 높아지게 되었다. 본 연구에서는 온실가스를 줄이기 위한 에너지절감 방안으로 가정, 사무실, 공장등에서 내부의 공기를 밖으로 배출하기 위한 일반적인 환풍기의 모터를 BLDC모터로 교체하고 BLDC모터 제어기를 개발하여 환풍기의 성능과 함께 효율을 높이는 효과를 얻었다.
따라서 BLDC 모터를 구동하기 위해서 제어회로와 프로그램이 필요하다. 본 연구에서는 환풍기용 3상 BLDC 모터를 구동하기 위해 제어기의 회로 및 프로그램을 설계하고자 한다. 외부의 환경에 따라 환풍기의 목표 RPM을 입력 받아 팬모터에 PW M제어 신호를 내보내는 마이크로 컨트롤러(MCU)부, 팬모터 구동을 위한 모터 제어부, MOSFET를 통한 스위칭으로 팬모터에 전류를 공급하는 모터 구동부로 구성하였으며, 외부 변화값은 가변저항 방식과 PC와 통신하기 위한 시리얼포트를 추가하였다.
향후에는 고성능의 마이크로콘트롤러를 통해 자동차부품분야에 적용할 수 있는 고신뢰의 BLDC모터 제어 기를 개발하여 연비절감효과를 올릴 수 있는 모델과 틈새가전분야에 적용할 수 있는 저렴하고 효율이 높은 BLDC모터 제어기 설계가 필요할 것으로 보고 연구하고자 하다.

가설 설정

(1) 신뢰성이 높고 수명이 길다. 일반 DC 모터의 최대 단점인 브러시와 정류자가 없기 때문에 정기적인 보수가 필요 없다
(2) 제어성이 우수하다. 계자가 영구자석이므로 계자자속을 제어할 수 없는 것을 제외하면 DC 모터와 유사한 속도 및 토크의 제어가 가능하다.
(8) 냉각이 용이하다. 일반 DC 모터에서는 회전자 측에서 열이 많이 발생하므로 방열에 대한 고려가 필요하지만, BLDC 모터에서는 고정자에만 열이 발생하므로 방열이 용이하다[3].

제안 방법

BLDC 모터 제어기의 마이크로콘트롤러에 [Table 3]의 펌웨어를 다운로드하여 [Figure 14]의 모터와[Figure 11]의 제어기 PCB에 연결하여 전력량 측정기에 연결하여 시용요금을 측정하였다. 마이크로콜트롤러에서 모터에 전달하는 신호는 PWM신호로 제어함으로서 구현파 형태이며, 모터에서 발생하는 역기전력을 측정하는 [Figure 10]의 회로에서 MCU의 AD포트에 전달하는 신호는 정현파 형태를 나타냈다
본 연구에서 다루고자 하는 BLDC모터 제어기는 기존에 홀센서를 이용하여 회전자의 위치를 인지하여 모터의 회전속도와 토크를 제어하는 방식이 아니라 홀센서 없이 [Figure 6]의 원리를 이용하여 회전자의 위치를 인지하여 BLDC모터를 제어하는 것이다.
서론에서 제시하였듯이 본 연구에서 다루기 위한 환풍기 BLDC 모터제어기는 환경에 따라 환풍기가 능동적으로 작동하기 위해 마이크로콘트롤러를 적용하여 모터구동 회로와 제어하는 프로그램으로 나누어서 설계하였다. [Figure 7]은 BLDC모터 제어기의 설계 블록도이다.
[Figure 8]은 제어기와 모터에 DC전원을 공급하기 위한 SMPS의 회로도와 PCB그림이다. 스위칭은 PI사의 TNY266PN을 사용하고 7805 레귤레이터를 사용하여 사용 전원이 안정적이면서 경제적으로 진행하였다. 모터 전원 DC14V5A, MCU전원 DC5V1A 출력이다.
본 연구에서는 환풍기용 3상 BLDC 모터를 구동하기 위해 제어기의 회로 및 프로그램을 설계하고자 한다. 외부의 환경에 따라 환풍기의 목표 RPM을 입력 받아 팬모터에 PW M제어 신호를 내보내는 마이크로 컨트롤러(MCU)부, 팬모터 구동을 위한 모터 제어부, MOSFET를 통한 스위칭으로 팬모터에 전류를 공급하는 모터 구동부로 구성하였으며, 외부 변화값은 가변저항 방식과 PC와 통신하기 위한 시리얼포트를 추가하였다.
[Figure 13]은 제어기 프로그램의 6-스텝 제어순서 플로우차트로 나타내었다. 초기에 튜티를 100%를 주는 방식의 On, Off제어는 초기에 모터가 동작하지 않을 수 있기 때문에 10%씩 증가하여 목표속도에 이르도록 지연방식으로 하였다. [Table 3]는 6-스텝 제어 프로그램이다.
본 연구에 적요한 모터를 제어하기 위해 120도와 180도 통전방식이 있다. 환풍기의 날개에서 받는 부하를 고려하여 토크가 높은 180도 통전방식에 의한 6-스텝구조로 설계하였다. [Figure 12]와 [Table 2]는 각 스텝별 제어순서와 역기전력이 발생하는 시점을 나타내었다.
BLDC 모터의 구조적 특징으로는 복수로 장착되어 만들어진 계자가 회전하는 회전 계자형이라도 한다. 회전계자가 외측에 붙어 모터커버가 회전하는 외전형과 본 연구에서는 모터 중심축이 회전하는 구조인 내전형으로 구분한다. [Figure 2]는 환풍기용 BLDC모터 분해도이며, 회전자의 중심축에 샤프트를 고정하여 팬을 회전하는 구조이다.

대상 데이터

BLDC모터 제어기의 마이크로콘트롤러는 Atmel 사에서 생산하는 Atmega128을 사용하였다. 이 부품은 일반적으로 많이 사용하고 있는 것으로, 외부 단자와 쉽게 접근할 수 있는 장점이 있다[5].
[Figure 2]에서와 같이 고정자에 코일을 4개씩 묶어 3개의 상으로 외부에 만들어 [Figure 4]와 같이 전자적으로 상을 스위칭하기 위해 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field- Effect-Transistor)부품을 이용한다.
본 연구에 적요한 모터를 제어하기 위해 120도와 180도 통전방식이 있다. 환풍기의 날개에서 받는 부하를 고려하여 토크가 높은 180도 통전방식에 의한 6-스텝구조로 설계하였다.

성능/효과

(3) 효율이 좋다. 일반 DC 모터에 비하여 브러시의 전압강하나 마찰 손실이 없다.
(4) 전기적(불꽃 발생), 자기적 잡음이나 기계적 소음이 거의 없다.
(5) 소형화가 용이하다. 브러시 및 정류자가 없으므로 소형화가 가능하다.
(7) 순간허용 최대토크와 정격토크의 비가 크다. 일반 DC 모터의 경우에는 정류한계가 있지만, BLDC 모터는 정류한계가 없으므로 순간허용 최대토크를 크게 잡을 수 있다.
여기서 부하 L2에서 원하는 속도 X1으로 동작시키기 위해서 모터에 공급하여야 할 전압을 V3로 변화시켜 평형점이 이동하며, 모터의 속도는 X1에서 동작하게 된다. 결론적으로 모터에 공급하는 전압을 제어하면 모터의 회전속도를 제어할 수 있다. 이것을 인버터(Inverter) 전압제어방식의 원리이다[1][3].
[Figure 16]은 가정용 전기요금 측정기를 이용하여 1시간동안 일반 환풍기의 전력요금과 BLDC모터와 제어기를 적용한 전력요금을 측정한 결과이다. 실험결과는 바람의 세기는 BLDC모터의 경우에 가변이 가능하여 속도가 높게 나왔다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 모터의 장점은?	최근에 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있으며, 기존의 모터를 브러시리스인 DC 모터(Brushless DC motor: BLDC motor)의 사용범위가 넓어지고 있다. BLDC 모터는 기존 DC모터보다 넓은 속도-토크특성과 고효율, 고신뢰성, 소음, 진동 감소로 가정용 가전제품, 자동차, 산업설비 등 사용분야가 점차 확대되어지고 있다.
	BLDC 모터에서 팬모터 속도 제어 방식은?	그러나 BLDC 모터는 브러시가 없는 모터로서 코일에 전류를 공급하는 과정에서 전자스위치를 이용하며, 제어하는 시간의 간격을 조절함으로서 팬모터의 속도 제어가 가능하다. 따라서 BLDC 모터를 구동하기 위해서 제어회로와 프로그램이 필요하다.
	일반 모터의 단점은?	일반적으로 환풍기에 적용하는 모터는 원가적인 면, 구조적인 면에서 일반 모터를 사용하고 있다. 이러한 모터들은 효율이 떨어지고, 소음과 진동으로 인한고장발생과 모터가 회전하면서 정류자 브러시와 회전자의 마찰로 탄소분진이 발생하여 효율저하뿐만 아니라 대기환경 오염에도 문제가 발생하고 있다[1][2][3][4].

참고문헌 (5)

Kim. J.H.(2012), "Commutation point compensation method for misaligned Hall-effect Sensor of electric motorcycle brushless DC motor using Back-EMF Estimation." Pusan University.
Kim. C.H.(2013), "Sensorless Starting Control of Permanent Magnet Synchronous Motor." Mokpo national maritime University.
Bodson M., Chiasson J.N., Novotnak R.T. and Rekowski R.B.(1993), "High-Performance Nonlinear Feedback Control of a Permanent Magnet Stepper Motor." IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 1: 5-14.

상세보기
Park. J.S.(2015), "A fuzzy system for constant speed control of fan motors" Spring Conference of Korean Institute of Industrial Engineering, 3695-3698.
http://www.atmel.com/.

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