[논문]가변 전압기와 역기전력 차동방식을 이용한 센서리스 BLDC 전동기 드라이버 설계

이명석; 공경철

doi:10.5302/j.icros.2015.15.0099

문제 정의

본 논문에서는 역기전력 차동방식을 이용한 영점 교차와가변 전압기를 활용한 센서리스 전동기 속도 제어를 제안하였다. 제안한 차동방식을 이용한 영점 교차는 기존의 방식에 비해 전동기의 정류 시점과 정확하게 일치하며, 역기전력의 노이즈 및 전동기 특성에 맞게 영점 교차점을 조절할 수 있다.
본 논문에서는 첫째로 영교차 시점과 상전환 시점을 일치시키기 위해 역기전력의 노이즈 저감을 고려한 하드웨어적인 방법을 개선하여 효율 및 토크 리플을 향상시키고자한다. 차동기 설계 시 편전원 활용과 가변저항을 통한 영교차점 조절을 통해 보다 정확한 상전류 전환 시점을 얻는방법을 제안하였다.
하지만 이는 역기전력 검출 시<그림 7과 같이>PWM 잡음이 포함되어 서론에서 언급했듯이 영점 교차점 검출이복잡해지거나 검출 오류가 발생할 수 있다. 본 논문에서는센서리스 전동기의 속도 제어를 강압변환 회로를 사용하여구현하는 방법을 제안하고자 한다. 그림 8의 MOSFET이 가변 전압용 스위치 역할을 하고 다이오드, 커패시터, 인덕터는 평활용 필터이다.
따라서 인버터 스위칭 소자의 인가전압에는강압 변환회로에 의한 가변 전압이 인가되고, 이를 통해 속도 제어를 구현할 수 있다. 종래의 센서리스 전동기의 속도제어는 가변 전압기를 통해 구현한 사례가 없기 때문에 본논문에서 가변 전압기를 통해 속도제어를 구현하고, 기존방식과 비교하여 장단점을 분석하고자 한다.

제안 방법

본 논문의 구성은 다음과 같다. II 장에서 센서리스 전동기의 모델링과 차동방식을 이용한 영교차점 검출 설계 및가변 전압식 속도 제어의 구현에 대해 방법론을 제안한다. Ⅲ 장에서는 II 장에서 제안한 방법들을 활용하여 시뮬레이션을 통해 역기전력 차동방식과 가변 전압기를 분석한다.
Ⅲ 장에서는 II 장에서 제안한 방법들을 활용하여 시뮬레이션을 통해 역기전력 차동방식과 가변 전압기를 분석한다. IV 장에서는 실험적인 고찰이 이루어지며 제안한 방법을적용하여 신호 대 잡음비 개선 및 전동기의 운전 영역 확대, 상전류의 리플 노이즈 감소에 대해 비교 분석하였다. V 장에서는 논문의 내용을 정리하고 앞으로의 연구방향을 제시한다.
기존의 PWM 제어와 제안한 가변 전압기를 비교하기위해 동인한 조건에서 실험을 진행하였으며 PWM 제어는그림 13(c)와 같은 마이크로프로세를 활용하였다. PWM 제어의 주파수는 30妊Iz이며 유니폴라 타입[10]으로 주파수를인가하였으며 가변 전압기의 경우 주파수 4kHz의 구형파를인가하였다.
두 번째로 센서리스 전동기의 속도 제어를 위해 기존의 제안된 방법들보다 단순하며 저가형으로가변 전압 기를 활용하여 신호 대 잡음비를 개선시켜 구동성능 향상 및 운전 영역을 확대 시키고자 한다. 기존 방식의 PWM 제어를 인버터의 스위칭 소자에 적용하여 속도제어를 구현하는 것이 아닌, 강압변환 회로에 PWM 제어를직접 구현한다. 따라서 인버터 스위칭 소자의 인가전압에는강압 변환회로에 의한 가변 전압이 인가되고, 이를 통해 속도 제어를 구현할 수 있다.
차동기 설계 시 편전원 활용과 가변저항을 통한 영교차점 조절을 통해 보다 정확한 상전류 전환 시점을 얻는방법을 제안하였다. 두 번째로 센서리스 전동기의 속도 제어를 위해 기존의 제안된 방법들보다 단순하며 저가형으로가변 전압 기를 활용하여 신호 대 잡음비를 개선시켜 구동성능 향상 및 운전 영역을 확대 시키고자 한다. 기존 방식의 PWM 제어를 인버터의 스위칭 소자에 적용하여 속도제어를 구현하는 것이 아닌, 강압변환 회로에 PWM 제어를직접 구현한다.
분석하였다. 두 실험 조건 모두 6000RPM, 0.025Nm의부하 상태일 때 전류 리플을 비교 측정하였다. 그림 17(a) 는 PWM 제어로 구현한 상전류의 파형이며, (b)는 가변 전압기를 통해 구동한 상전류의 파형이다.
SIMULINK?를 이용해 제안한 가변 전압 회로 및 센서리스 전동기를 모델링하여 그림 10과 같이 시뮬레이션을 구현하였다. 시뮬레이션을 위한 모델링 변수는 표 1과 같다.
마지막으로 PWM 제어와 가변 전압기에 따른 상전류 특성을 분석하였다. 두 실험 조건 모두 6000RPM, 0.
그림 4의 역기전력 편전압 차동기를 사용하여 영점 교차점을 검출하게 되면 그림 6과 같이 홀센서의 위치와 동일한전기각이 나타난다. 영점 교차의 오프셋 값을 정밀하게 조정하기 위해서 전위차계를 설치하였다. 이는 역기전력의 잡음 및 전동기의 특성에 맞게 실험적으로 조절하며, 전위차계의 조절량에 따라 센서리스 전동기의 효율을 유지시킬수 있는 효과도 있다.
전동기는표 2와 같은 사양의 홀 센서 타입의 전동기를 홀 센서를사용하지 않고 3상만을 사용하여 시스템을 구현하였다. 센서리스 전동기 드라이버는 그림 13(b)와 같이 영점 교차 검출기, 가변 전압기, 상 스위칭 디코더 및 인버터로 구성되었다.
차동기 설계 시 편전원 활용과 가변저항을 통한 영교차점 조절을 통해 보다 정확한 상전류 전환 시점을 얻는방법을 제안하였다. 두 번째로 센서리스 전동기의 속도 제어를 위해 기존의 제안된 방법들보다 단순하며 저가형으로가변 전압 기를 활용하여 신호 대 잡음비를 개선시켜 구동성능 향상 및 운전 영역을 확대 시키고자 한다.
이러한 원리를 구현하기 위해서는 필수적으로 회전자, 즉 영구자석의 위치를 알아야한다. 회전자의 위치를 6 개 구간으로 구별하여 검출하여 6개 구간 중 연속적인 회전을 위해 현재 요구되는 동작 구간을 결정하고 이에 따라전류를 흘려주어야 할 두 상을 선정하여 구동 회로인 인버터로 여자한다. BLDC 전동기의 구동 시에는 항상 3상권선중 두 상만 여자되며, 나머지 한상은 여자되지 않고 개방상태 (Floating) 가 된다.

성능/효과

그림 15는 10V의 인가전압에 대해 PWM 제어의 역기전력(a)과 가변 전압기의 역기전력(b)의 신호 대 잡음비를 비교하였다. PWM 제어의 경우 27.346dB, 가변 전압기의 경우 73.155dB로 신호 대 잡음비가 크게 향상됨을 확인하였다.
그림 17(a) 는 PWM 제어로 구현한 상전류의 파형이며, (b)는 가변 전압기를 통해 구동한 상전류의 파형이다. PWM 제어의 경우전류 리플이 138.1%, 가변 전압기의 경우 전류 리플이 121.8%로 가변 전압기로 속도 제어를 구현했을 때 전류의리플 노이즈가 감소함을 확인하였다.
2 RPM, 가변 전압기의 경우 최저 19 RPM으로 나타났다. 가변 전압기를 활용하면 센서리스 전동기가 초저속에서 작동 가능하며, 운전 속도 영역이 확장됨을 확인하였다.
두 번째로 전동기의 운전 속도 영역이 확대됨을 확인할수 있었다. 센서리스 전동기는 저속에서 역기전력의 크기는감소한 상태로 PWM 파형이 중첩되기 때문에 신호 대 잡음비가 커진다.
시뮬레이션 및 실험을 통해 제안한 센서리스 전동기 드라이버를 검증한 결과 역기전력의신호 대 잡음비가 증가하였고 이로 인해 전동기가 초저속까지 운전할 수 있는 효과를 얻을 수 있었다. 또한 PWM 파형이 상전압에 직접적으로 인가되지 않으므로 전류의 리플 노이즈가 감소하여 상전류 특성이 향상됨을 확인하였다.
제안한 차동방식을 이용한 영점 교차는 기존의 방식에 비해 전동기의 정류 시점과 정확하게 일치하며, 역기전력의 노이즈 및 전동기 특성에 맞게 영점 교차점을 조절할 수 있다. 또한 기존 방식의 PWM 제어를 통한 속도 제어와는 달리 가변 전압기는 역기전력에 PWM 파형이 중첩되지 않음을 확인하였다. 시뮬레이션 및 실험을 통해 제안한 센서리스 전동기 드라이버를 검증한 결과 역기전력의신호 대 잡음비가 증가하였고 이로 인해 전동기가 초저속까지 운전할 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.
66%이다. 시뮬레이션 결과 가변 전압기의경우 PWM 제어에 비해 응답 속도에 대한 성능은 다소 떨어지지만 토크 리플이 현격하게 감소함을 확인할 수 있다.
또한 기존 방식의 PWM 제어를 통한 속도 제어와는 달리 가변 전압기는 역기전력에 PWM 파형이 중첩되지 않음을 확인하였다. 시뮬레이션 및 실험을 통해 제안한 센서리스 전동기 드라이버를 검증한 결과 역기전력의신호 대 잡음비가 증가하였고 이로 인해 전동기가 초저속까지 운전할 수 있는 효과를 얻을 수 있었다. 또한 PWM 파형이 상전압에 직접적으로 인가되지 않으므로 전류의 리플 노이즈가 감소하여 상전류 특성이 향상됨을 확인하였다.
전동기의 역기전력 차동방식을 이용하여 검출한 영점 교차점과 홀센서로 검출한 시점의 오次卜가 그림 14와 같이 평균 O.llrad 이내로 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이는 역기전력의 특성 및 노이즈를 고려한 전위차계에 의한 효과로 볼수 있다.
소프트웨어적인 방법은 역기전력이 검출 되는시점부터 30° 지연 시키는 방법이 제안되었다[1]. 제안된하드웨어적인 방법은 역기전력의 노이즈 등의 문제로 이상적인 검출 시점이 도출되지 않으며, 소프트웨어적인 방법은연산 및 신호검출의 복잡성 때문에 저가형과 단순함을 목적으로 하는 센서리스 타입의 장점이 오히려 저감된다. 두번째 문제점은 전동기의 회전 속도를 제어하기 위한 PWM 제어의 스위칭 노이즈로 인해 운전 특성이 저하되거나 상전환 시점을 정확하게 얻기 힘들어 진다.
제안한 차동방식을 이용한 영점 교차는 기존의 방식에 비해 전동기의 정류 시점과 정확하게 일치하며, 역기전력의 노이즈 및 전동기 특성에 맞게 영점 교차점을 조절할 수 있다. 또한 기존 방식의 PWM 제어를 통한 속도 제어와는 달리 가변 전압기는 역기전력에 PWM 파형이 중첩되지 않음을 확인하였다.
첫 번째로 역기전력의 신호 대 잡음비가 향상되었다. 전동기의 역기전력 차동방식을 이용하여 검출한 영점 교차점과 홀센서로 검출한 시점의 오次卜가 그림 14와 같이 평균 O.
첫째, 영교차 시점과 상전류의 전환 시점 사이의 위상차이로 인해 구동이 불가능하거나 구동 효율이 떨어진다.

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