[논문]직류단 캐패시터 전단 전류를 이용한 상 전류 추정 알고리즘

이원; 문종주; 김장목

doi:10.5916/jkosme.2016.40.9.805

초록
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본 논문은 플래너 버스바가 적용된 BLDC 전동기 드라이브 시스템에서, 직류단 캐패시터 전단 전류를 이용한 BLDC 전동기의 상전류 추정 알고리즘을 제안한다. 플래너 버스바는 기생 인덕턴스의 크기를 최소화하여 스위칭 시 스파크에 의한 소자 파손을 방지하고, EMC (ElectroMagnetic Compatibility) 특성을 향상시킨다. 하지만 플래너 버스바의 장점을 극대화하기 위해서는 직류단 캐패시터의 전단에 전류 센서를 설치할 수밖에 없는 구조적 제약이 따른다. 직류단 캐패시터 전단에 설치된 전류 센서는 캐패시터에 흐르는 전류와 인버터 입력전류의 합을 측정하게 된다. 따라서 직류단 캐패시터 전단 전류로부터 인버터의 입력전류를 정확하게 추출하는 것이 BLDC 전동기의 전류 제어를 위해서는 필수적이다. 본 논문에서는 BLDC 전동기의 온/오프 구간 동안의 등가 회로를 분석하여 캐패시터 전단 전류로부터 인버터 입력전류를 추정하는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes an estimation algorithm of phase currents of inverter systems with the planar bus bars for brush-less DC (BLDC) motors. The planar bus bar can improve the characteristic of the EMC(Electro-Magnetic Compatibility). In these inverters, a single current sensor of the dc-link measure...

This paper proposes an estimation algorithm of phase currents of inverter systems with the planar bus bars for brush-less DC (BLDC) motors. The planar bus bar can improve the characteristic of the EMC(Electro-Magnetic Compatibility). In these inverters, a single current sensor of the dc-link measures the sum of a smooth capacitor current and phase currents of brush-less DC motor. Thus, it is essential to extract phase currents from the measured single current to control BLDC motor. Therefore, in this paper, the phase current is estimated by analyzing equivalent circuits of the BLDCM in ON and OFF periods of switching elements. The usefulness of the proposed algorithm is verified through experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 120° 도통방식으로 구동되는 3상 BLDC 전동기를 기준으로 등가 회로를 모델링 하였다.
본 논문에서는 BLDC 전동기의 온/오프 구간 동안의 등가 회로를 분석하여 캐패시터 전단 전류로부터 인버터 입력 전류를 추정하는 알고리즘을 제안한다. 인버터 입력전류를 상 전류로 변환하는 알고리즘은 앞서 언급한 기존의 방식을 그대로 사용하였다.
본 논문은 3상 BLDC 전동기 구동 시스템의 직류단 캐패시터 전단 전류를 이용하여 인버터 입력전류를 추정하는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 BLDC 전동기의 스위치 온/오프 구간동안의 등가회로를 해석하여 구현가능하다.

제안 방법

Figure 16은 전류 센서로 측정한 인버터 전류를 이용한 BLDC 전동기의 속도 제어 파형이고 Figure 17은 본 논문에서 제안된 알고리즘을 통해 추정된 인버터 전류를 이용한 BLDC 전동기의 속도 제어 파형이다. 두 가지 실험 조건 모두 동일한 속도/전류 제어기 이득을 적용하였다.
본 장에서는 2장에서 해석한 BLDC 전동기 드라이버 시스템의 스위치 온/오프 구간의 전류 특성 및 캐패시터의 충/방전에 의한 전압 변화량을 이용하여 스위치 온 구간의 인버터 전류를 추정하는 알고리즘을 제안한다.
플래너 버스바는 회색 음영으로 나타내었으며, 서론에서 언급한 것처럼 이 영역에는 전류센서를 설치할 수가 없으므로 전류센서는 캐패시터의 전단에 설치될 수밖에 없으며 그 결과 캐패시터에 의해 지연된 전류를 획득하게 된다. 이러한 지연된 전류를 본 논문에서는 전원전류로 명명하였다. 실제 전동기로 유입되는 인버터 전류를 추정하기 위해서 스위치의 온/오프 구간의 해석이 필요하다.
기본 구성은 100W급 BLDC 전동기와 커플링 된 직류 전동기, 3상 PWM 인버터 세트, TI사의 TMS320C28346 기반의 DSP 제어기로 구성되어 있다. 인버터 전류 추정 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 전원 전류(i_s) 측정과 인버터 전류(i_inv)측정을 위하여 전류 센서로 LEM사의 LA-25NP를 사용하였다. Figure 10은 실험에 사용된 BLDC 전동기로써 모터 제정수(Parameter)는 Table 1과 같다.
본 논문은 3상 BLDC 전동기 구동 시스템의 직류단 캐패시터 전단 전류를 이용하여 인버터 입력전류를 추정하는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 BLDC 전동기의 스위치 온/오프 구간동안의 등가회로를 해석하여 구현가능하다. 제안된 전류 추정 방식은 2상 도통 구간에서만 정확한 전류 추정이 가능하며 3상 전류가 모두 도통되는 전류 구간에서는 약간의 오차를 포함한다.
제안된 인버터 전류 추정 알고리즘에 사용된 BLDC 전동기의 등가회로 해석은 정확히 2상 도통일 경우에만 수행되었다. 따라서 3개의 상전류가 모두 도통되는 전류구간(commutation)에서는 2상 도통 시의 등가회로와 달라지기 때문에 추정전류와 실제 전류의 오차가 필연적으로 나타날 수밖에 없다.

대상 데이터

본 논문에서 제안한 인버터 전류 추정 알고리즘을 검증하기 위하여 Figure 9와 같은 전력 회로를 구성하여 실험을 수행하였다. 기본 구성은 100W급 BLDC 전동기와 커플링 된 직류 전동기, 3상 PWM 인버터 세트, TI사의 TMS320C28346 기반의 DSP 제어기로 구성되어 있다. 인버터 전류 추정 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 전원 전류(i_s) 측정과 인버터 전류(i_inv)측정을 위하여 전류 센서로 LEM사의 LA-25NP를 사용하였다.
Figure 11의 3상 PWM 인버터는 Misubishi사의 450V, 50A급 IPM (Intelligent Power Module)을 사용되었다. 스위칭 주파수는 10kHz이고, DSP는 TI사의 TMS320C28346을 사용하였다. 전류제어기의 제어 주기는 100[usec]로 설정하였으며, 속도제어기의 대역폭은 100[Hz]이다.
전류제어기의 제어 주기는 100[usec]로 설정하였으며, 속도제어기의 대역폭은 100[Hz]이다. 직류단 전류를 캐패시터 전단과 후단으로 나누어 측정하기 위해서 전류센서는 LEM사의 LA25P를 사용하였다.

이론/모형

후자의 방식은 시스템의 가격을 줄이고 공간 및 무게를 줄일 수 있지만 인버터의 입력 전류를 이용하여 상전류로 변환해야 하는 단점이 있다. 이러한 단일 전류 센서를 이용한 상전류의 재배열은 매우 널리 알려진 방식이기 때문에 본 논문에서는 기존의 방식을 그대로 사용하였다[6].
본 논문에서는 BLDC 전동기의 온/오프 구간 동안의 등가 회로를 분석하여 캐패시터 전단 전류로부터 인버터 입력 전류를 추정하는 알고리즘을 제안한다. 인버터 입력전류를 상 전류로 변환하는 알고리즘은 앞서 언급한 기존의 방식을 그대로 사용하였다. 스위칭의 온/오프 시간 및 캐패시턴스를 이용하여 인버터의 입력전류를 추정할 수 있다.

성능/효과

2장에서 설명한 것과 동일하게 인버터 입력 전류는 스위치 온 구간에서만 전류가 흐르고, 오프 구간에서는 0전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다. 또한 전원전류(i_s)는 스위치 온/오프 구간동안 증/감을 반복하며 정상상태일 때의 크기는 동일함을 확인할 수 있다.
측정된 전류는 세 가지 방법으로 측정되거나 추정되었다. 전류 프로브 및 전류 센서를 이용하여 측정한 인버터 전류와 제안된 알고리즘을 통해 추정된 인버터 전류의 크기가 스위치 온 구간에서 정확히 동일함을 알 수 있다.
스위칭의 온/오프 시간 및 캐패시턴스를 이용하여 인버터의 입력전류를 추정할 수 있다. 제안된 알고리즘은 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.
제안된 알고리즘은 BLDC 전동기의 스위치 온/오프 구간동안의 등가회로를 해석하여 구현가능하다. 제안된 전류 추정 방식은 2상 도통 구간에서만 정확한 전류 추정이 가능하며 3상 전류가 모두 도통되는 전류 구간에서는 약간의 오차를 포함한다. 하지만 그 오차의 크기가 크지 않으며, 오차가 발생하는 시간 또한 매우 짧기 때문에 BLDC 전동기의 속도 제어에 큰 영향을 주지 않음을 실험을 통해 확인하였으며, 최종적으로 제안된 인버터 전류 추정 알고리즘은 실험을 통해 그 타당성을 입증하였다.
제안된 전류 추정 방식은 2상 도통 구간에서만 정확한 전류 추정이 가능하며 3상 전류가 모두 도통되는 전류 구간에서는 약간의 오차를 포함한다. 하지만 그 오차의 크기가 크지 않으며, 오차가 발생하는 시간 또한 매우 짧기 때문에 BLDC 전동기의 속도 제어에 큰 영향을 주지 않음을 실험을 통해 확인하였으며, 최종적으로 제안된 인버터 전류 추정 알고리즘은 실험을 통해 그 타당성을 입증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 전동기의 장점은 무엇인가	BLDC (Brushless DC) 전동기는 사다리꼴의 역기전력을 가지기 때문에 사인파 역기전력을 가지는 영구자석형 동기 전동기에 비해 단위 체적 당 출력 밀도가 높으며 제어에용이한 장점이 있다. 이러한 BLDC 전동기는 체적 및 중량의 제한이 있는 항공기, 군사 장비 및 수중 운동체의 엑츄에이터 또는 추진기 등으로 널리 이용되고 있다.
	BLDC 전동기는 어디에 사용되고 있는가	BLDC (Brushless DC) 전동기는 사다리꼴의 역기전력을 가지기 때문에 사인파 역기전력을 가지는 영구자석형 동기 전동기에 비해 단위 체적 당 출력 밀도가 높으며 제어에용이한 장점이 있다. 이러한 BLDC 전동기는 체적 및 중량의 제한이 있는 항공기, 군사 장비 및 수중 운동체의 엑츄에이터 또는 추진기 등으로 널리 이용되고 있다. 그에 따라 다양한 설계기법과 제어기법이 연구되고 있다[1]-[3].
	직류 센서를 BLDC 전동기의 3상 중 2개의 상에 부착하는 방법의 단점은 무엇인가	전자의 방식은 BLDC 전동기의 정역 운전 시스위칭 패턴에 따른 전류의 재배열 과정이 필요 없기 때문에 개발이 용이하다. 하지만 두 개의 전류 센서를 사용하기 때문에 비용이 증가하는 단점이 있다. 후자의 방식은 시스템의 가격을 줄이고 공간 및 무게를 줄일 수 있지만 인버터의 입력 전류를 이용하여 상전류로 변환해야 하는 단점이 있다.

참고문헌 (12)

N. H. Kim, O. Yang, and M. H. Kim, "BLDC motor control algorithm for industrial applications using a general purpose processor," Journal of Power Electronics, vol. 7, no. 2, pp. 132-139, 2007.

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W. S. Im, J. P. Kim, J. M. Kim, and K. R. Baek, "Torque maximization control of 3-phase BLDC motors in the high speed region," Journal of Power Electronics, vol. 10, no. 6, pp. 717-723, 2010.

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H. W. Kim, H. K. Shin, H. S. Mok, Y. K. Lee, and K. Y. Cho, "Novel PWM method with low ripple current for position control applications of BLDC motors," Journal of Power Electronics, vol. 11, no. 5, pp. 726-733, 2011.

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J. J. Moon, H. J. Heo, and J. M. Kim, "Sensorless control of BLDC motor using d-q synchronously rotating reference frame concept," Transaction of Korean Institute of Power Electronics, pp. 232-238, 2015.
Y. D. Son and G. S. Han, "Simulation of speed control system for brushless DC motor drives using a single DC current sensor," The Korean Insititute of Electrical Engineers, pp. 27-28, July, 2011.
D. J. Baek, C. H. Won, K. B. Lee, I. Choi, J. H. Song, and J. Y. Yoo, "Torque ripple reduction of BLDC motors using single DC-link current sensor," The Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 974-976, July, 2001.
F.Zare, G. F. Ledwich, "Reduced layer planar busbar for voltage source inverters," IEEE TRANSACTION ON POWER ELECTRONICS, vol. 17, no. 4, pp. 508-516, 2002.

상세보기
M. C. Caponet, F. Profumo, R. W. De Doncker, A. Tenconi, "Low stary inductance bus bar design and construction for good EMC performance in power electronics circuits," IEEE Transaction on POWER ELECTRONICS, vol. 17, no. 2, pp. 225-231, 2002.

상세보기
L. Yuan, H. Yu, X. Wang, and Z. Zhao, "Design, simulation and analysis of the low stray inductance bus bar for voltage source inverters," International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), pp. 1-5, 2011.
Z. Qiu, H. Zhang, and G. Chen, "Study and design of noninductive bus bar for high power switching converter," Power Electronics and Motion Control Conference(IPEMC), vol. 2, pp. 1-4, 2006.
Z. Wang and G. Chen, "Study on planar busbar regarding stray inductance minimization and oscillation suppression for high power converter," International Conference on Sustainable Power Generation and Supply, IEEE, pp. 1-7, 2009.
X. Zhu, D. Su, Y. Zhang, and L. Wei, "Bus bar design for EMC performance of power converters in fuel cell electric vehicles," IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety(ICVES), pp. 144-147, 2006.

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