[논문]핸드피스용 BLDC 모터 속도 제어시스템의 설계

곽성우; 양정민

doi:10.13067/jkiecs.2016.11.6.597

핸드피스용 BLDC 모터 속도 제어시스템의 설계
Design of Brushless DC Motor Speed Control System for Handpieces 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.11 no.6, 2016년, pp.597 - 604

곽성우 (계명대학교 전자공학과) , 양정민 (경북대학교 전자공학부)

초록
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본 논문에서는 미용 목적의 핸드피스에 사용가능한 BLDC 모터의 속도 제어 시스템을 구현한다. 저비용 개발을 위해 모터 내부의 홀 센서 값을 속도 제어에 이용하였다. 모터 전원 회로와 드라이버 회로는 가정용 220V 전원을 입력으로 사용하도록 설계하였으며 별도의 다른 전원은 필요로 하지 않는다. 핸드피스 작업 시 발생하는 부하 변동에 따른 급속한 속도 증가를 방지하기 위해 별도의 과속 방지 제어기를 탑재하였다. 개발된 제어 시스템은 5,000~30,000 RPM 구간에서 운용 가능하다. 본 연구에서 개발된 핸드피스 모듈에서 부하 변동이 있음에도 불구하고 모터의 속도가 일정하게 유지됨을 실험으로 입증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we develope a speed control system of a BLDC motor for handpieces used in beauty applications. To reduce implementation cost, the control system utilizes hall sensors embedded in BLDC motors for speed estimation. The developed power module of a motor uses only 220V home voltage, so that the control system does not need any other power sources. An over-speed limit controller is also developed to slow down a motor when the speed goes up rapidly for a moment upon some heavy load is removed. The control system is designed to operate a handpiece with speed in the range of 5,000~30,000 RPM. Experiment results show the validity of the developed system, which maintains the speed of a motor steady even though a load is varied.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 네일아트(neil art) 등과 같은 미용목적으로 사용되는 핸드피스(handpiece)에 탑재되는 BLDC 모터의 속도 제어시스템을 개발한다. 미용 목적의 핸드피스는 5,000∼30,000 RPM의 고속 회전이 가능해야 하고 부하 변동에 따른 회전수의 증감이 적도록 설계되어야 한다.
또한 상업성을 위해 저가로 제어 시스템을 구현할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 핸드피스용 BLDC 모터를 위한 전원부와 드라이버 (driver) 회로를 설계하고 위와 같은 요구사항을 만족 하는 속도 제어 시스템을 개발한다.
본 논문에서는 핸드피스용 BLDC 모터의 속도 제어 시스템을 구현하였다. 저비용 개발을 위해 외부 센서 대신 모터 내부의 홀 센서 값을 이용하여 속도 제어에 이용하였다.
스위칭 트랜지스터가 ON되는 듀티비(duty ratio)를 높이면 전압 레벨을 높일수 있고, 듀티비를 낮추면 전압 레벨을 낮출 수 있다. 본 연구에서는 모터의 토크를 제어하기 위해 각 상에 인가 되는 전압을 조절하여 코일에 흐르는 전류를 제어하였다. 그림 1은 본 연구에서 개발한 BLDC 모터의 전원 공급 회로이다.

제안 방법

보조 프로그램 B는 홀 센서 값에 의해 만들어지는 외부 인터럽트에 의해 수행된다. 3개의 홀 센서 데이터 값 중 어느 하나라도 변화가 있으면 외부 인터럽트가 발생하도록 하드웨어 회로를 구성하였다. 보조 프로그램 B는 매 외부 인터럽트마다 BLDC 모터의 홀 센서값을 받아 들여 회전자의 위치(상태)를 파악한다.
사용자 인터페이스 회로를 통해 외부 사용자의 속도 설정 값을 입력으로 받고, 디스플레이 모듈을 통해 모터의 현재 속도를 표시한다. BLDC 모터에 내장된 홀 센서 데이터를 수집하여 회전자의 속도와 위치를 계산하여 모터 드라이버 모듈을 구동한다. 또한 그림 3의 제어 알고리듬을 실행하여 모터의 속도를 제어한다.
또한 갑작스런 부하 변동으로 인하여 과속이 발생하면 핸드피스 끝에 장착되어 회전하는 미용 도구는 인간에게 위험이 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 과속을 방지 하는 별도의 과속 방지 제어기를 부착하였다. 과속 방지 제어기의 원리는 다음과 같다.
본 논문에서 설계한 제어기의 효용성을 확인하기 위해 8비트 마이크로컨트롤러(ST72F321BR9T6)를 이용하여 모터의 속도 제어 시스템을 구현하였다. 그림 4는 본 연구에서 개발한 핸드피스용 BLDC 모터 제어 시스템의 블록도이다.
본 연구에서는 가정용 220V 교류 전원을 입력받아서 정류기를 거쳐 직류 전압으로 바꾼 다음 모터의 구동 전원으로 사용한다. 정류기를 통하여 만들어진 직류 전압은 스위칭 FET(: Field Effect Transistor)를 이용하여 전압을 원하는 레벨(level)로 조절한다.
그림 1은 본 연구에서 개발한 BLDC 모터의 전원 공급 회로이다. 스위칭 FET의 게이트 구동 칩(IR2102)과 PWM 신호를 이용하여 트랜지스터의 ON/OFF 듀티비를 조절하였다. 스위칭 FET에 의해 만들어진 직류 전압 V_S 는 모터의 ϕ_a, ϕ_b, ϕ_c 상 전압으로 공급된다.
모터 속도를 빠르게 감속시키기 위해서는 직류 전압 레벨을 신속히 감소시켜야 한다. 이를 위해 별도의 Discharge FET를 사용하여 커패시터 (capacitor)에 충전된 전압을 방전시킴으로서 직류 전압 레벨 V_S를 빠르게 낮추도록 하였다.
본 논문에서는 핸드피스용 BLDC 모터의 속도 제어 시스템을 구현하였다. 저비용 개발을 위해 외부 센서 대신 모터 내부의 홀 센서 값을 이용하여 속도 제어에 이용하였다. 속도 정밀도는 높지 않지만 핸드피스용으로 사용되기에는 무리가 없다.
전원 공급 모듈, 모터 드라이버 모듈, 그리고 마이크로컨트롤러 모듈로 구성된다. 핸드피스 용으로 사용하기 위해 제어 시스템은 공간을 최소화하도록 구성하였다. 사용자 디스플레이, 버튼 등이 포함된 사용자 인터페이스 하드웨어는 별도의 PCB에 구성하였다.

성능/효과

3상 BLDC 모터에서 영구자석과 스테인리스강으로 된 영구자석 고정 슬리브(sleeve)는 높은 저항성을 가지므로 회전자에 유기되는 전류는 무시될 수 있다. 또한 제동 권선은 없는 것으로 가정하면 고정자 3상 권선의 상변수 회로 방정식은 다음과 같다[4].
속도 정밀도는 높지 않지만 핸드피스용으로 사용되기에는 무리가 없다. 모터의 속도가 부하 변동이 있음에도 불구하고 일정하게 유지됨을 실험으로 확인하였다. 본 논문에서 제안된 속도 제어 시스템은 별도의 외부 전원을 필요하지 않고 가정용 220V 전원으로 구동가능하다.
모터의 속도가 부하 변동이 있음에도 불구하고 일정하게 유지됨을 실험으로 확인하였다. 본 논문에서 제안된 속도 제어 시스템은 별도의 외부 전원을 필요하지 않고 가정용 220V 전원으로 구동가능하다. 따라서 저비용으로 구현할 수 있다는 장점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 모터의 장점은?	장시간 사용하는 작업의 경우 모터의 높은 내구성이 요구된다. 이에 부합하는 BLDC(: Brushless Direct Current) 모터는 우수한 내구성과 제어 성능, 높은 토크, 빠른 응답성을 가지고 있다. 최근 BLDC 모터의 가격이 저렴해지면서 자동차, 산업 자동화 등의 다양한 분야에 적용되고 있다[1].
	3상 BLDC 모터의 구조는 어떻게 구성되나?	브러시가 없으므로 DC 모터와 비교하여 전기적, 기계적 노이즈가 적다[2-3]. 3상 BLDC 모터의 구조는 크게 회전자(rotor), 고정자(stator), 홀 센서(hall sensor)로 구성된다[2]. 모터에 내장된 홀 센서를 통해 회전자의 위치 정보가 제공되므로 비교적 적은 비용으로 위치제어 및 속도제어가 가능하다.
	BLDC 모터는 DC 모터와 비교하면 어떤 장점이 있는가?	BLDC 모터는 DC 모터와 다르게 내부에 기계적인 브러시 장치를 가지고 있지 않는 모터를 말한다. 브러시가 없으므로 DC 모터와 비교하여 전기적, 기계적 노이즈가 적다[2-3]. 3상 BLDC 모터의 구조는 크게 회전자(rotor), 고정자(stator), 홀 센서(hall sensor)로 구성된다[2].

참고문헌 (5)

S. Youn and J. Lee, "Speed control of permanent magnet brushless DC motor using variable gain PI controller," The Trans. of the Korea Institute of Electrical Engineers, vol. 62, no. 9, 2013, pp. 1234-1239.

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S. Kwak, H. Kim, and J. Yang, "Design and implementation of oil pump control systems driven by a brushless DC electric motor," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 1, 2013, pp. 83-90.
Y. Jeon and M. Cho, "A speed control of BLDC motor using adaptive back stepping technique," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vo1. 9, no. 8, 2014, pp. 899-906.

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S. Lee, Y. Jeon, and W. Cho, "Position and speed control of the BLDC motor based on the back-stepping(gain design)," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 3, 2015, pp. 403-412.

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S. Kim, B. Han, and H. Yang, "The PSO-PID speed controller design for the BLDC motor," The Trans. of the Korea Institute of Electrical Engineers, vo1. 60, no. 9, 2011, pp. 1777-1782.

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