[논문]선형홀센서와 고성능 미분기를 이용한 BLDC모터의 속도신호 구현

구정회; 최장영

doi:10.5370/kiee.2018.67.7.840

Abstract ▼ AI-Helper

BLDC motor is widely used as a servo motor due to high efficiency, high power density, low inertia, and low maintenance. However, BLDC motor generally needs position and velocity sensors to control actuation system. Usually, analog tachometers and encoders have been used for velocity feedback sensor...

BLDC motor is widely used as a servo motor due to high efficiency, high power density, low inertia, and low maintenance. However, BLDC motor generally needs position and velocity sensors to control actuation system. Usually, analog tachometers and encoders have been used for velocity feedback sensors. However, using these types of sensors have problems such as the cost, space, and malfunction. So, This paper is to propose a new velocity measurement method using linear hall-effect and enhanced differentiator for BLDC motor. In order to verify the feasibility of the proposed method, several simulations and experiments are performed. It is shown that the proposed velocity measurement method can satisfy the requirements without using of velocity sensor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이를 위해 그림 5에 나타낸 바와 같이 히스테리시스 특성을 갖는 비교기를 통해 BLDC모터 구동신호를 간단히 생성할 수가 있으며 동시에 선형홀센서의 아날로그 출력값을 이용하여 모터의 회전속도를 추정할 수 있도록 하였다. 이처럼 기존의 하드웨어 변경을 최소화하면서 선형홀센서를 통해 BLDC모터 구동을 위한 정류 신호와 모터의 속도신호를 동시에 구현하고자 하였다.

제안 방법

2.2.1절을 통해 얻어진 회전자의 위치 정보값을 단순 미분방정식 (GD : General Differentiator)을 통해 속도 신호를 얻을 수도 있지만 3절의 시험 결과에도 나타나 있듯이 속도 신호의 진폭이 크게 나타나며 노이즈에 취약한 특성이 있으므로 이를 극복하기 위해 고성능 미분기(Enhanced Differentiator)를 적용하여 보다 양호한 속도 신호를 구현하고자 하였다. 적용된 고성능 미분기의 수식은 (6)과 같이 나타내어진다.
본 논문에 적용된 선형홀센서와 고성능 미분기를 이용한 속도신호의 우수성을 검증하기 위해 기존 속도센서인 타코미터와 비교하여 시험을 수행하였으며 또한, 본 논문에서 적용한 고성능 미분기의 성능을 검증하기 위해 일반 미분기를 사용한 경우와 비교 시험을 수행하였다.
본 논문에서는 기존의 BLDC모터의 회전자 위치 센서로 사용되는 홀센서를 선형홀센서로 대체하여 회전자의 위치 정보를 선형적으로 획득하고 획득된 위치 정보를 고성능 미분기에 적용함으로서 추가적인 속도 센서 없이 BLDC모터의 속도 신호를 구현하였다.
이러한 기존의 문제점들을 극복하기 위해서 본 논문에서는 기존에 사용하는 속도센서를 제거하고 BLDC 모터의 회전자 위치정보를 위해 사용되는 홀센서를 래치형 홀센서(Latched Halleffect Sensor)에서 선형 홀센서(Linear Hall-effect Sensor)로 대체하여 회전자의 위치 신호를 얻고, 얻어진 회전자 위치신호를 저속 성능 및 외란에 강건한 고성능 미분기(ED : Enhanced Differentiator)[6]를 적용하여 최종적으로 BLDC 모터의 속도 신호를 구현하였다. 본 논문에서 제안된 속도신호 구현 방법의 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션 및 실험을 수행하였으며 구현된 속도 신호의 특성을 확인하기 위하여 기존의 속도센서인 타코미터와 비교 시험을 수행하였다.
이와 같이 선형 홀센서를 적용할 경우에는 BLDC모터 정류를 위해 기존의 래치 홀센서에 의한 모터 구동 신호를 필요하게 된다. 이를 위해 그림 5에 나타낸 바와 같이 히스테리시스 특성을 갖는 비교기를 통해 BLDC모터 구동신호를 간단히 생성할 수가 있으며 동시에 선형홀센서의 아날로그 출력값을 이용하여 모터의 회전속도를 추정할 수 있도록 하였다. 이처럼 기존의 하드웨어 변경을 최소화하면서 선형홀센서를 통해 BLDC모터 구동을 위한 정류 신호와 모터의 속도신호를 동시에 구현하고자 하였다.

데이터처리

이러한 기존의 문제점들을 극복하기 위해서 본 논문에서는 기존에 사용하는 속도센서를 제거하고 BLDC 모터의 회전자 위치정보를 위해 사용되는 홀센서를 래치형 홀센서(Latched Halleffect Sensor)에서 선형 홀센서(Linear Hall-effect Sensor)로 대체하여 회전자의 위치 신호를 얻고, 얻어진 회전자 위치신호를 저속 성능 및 외란에 강건한 고성능 미분기(ED : Enhanced Differentiator)[6]를 적용하여 최종적으로 BLDC 모터의 속도 신호를 구현하였다. 본 논문에서 제안된 속도신호 구현 방법의 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션 및 실험을 수행하였으며 구현된 속도 신호의 특성을 확인하기 위하여 기존의 속도센서인 타코미터와 비교 시험을 수행하였다.

이론/모형

그림 8~9는 본 논문에 적용된 고성능 미분기의 동작을 확인하기 위해 Matlab Simulink를 이용하여 모델링 및 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타낸다.

성능/효과

그림 9는 정현파 입력 신호에 대해 화이트 노이즈를 인가하였을 때 일반 미분기(GD : General Differentiator)와 고성능 미분기(ED : Enhanced Differentiator)를 적용한 경우의 출력 파형을 나타내며 그림 9와 같이 본 논문에 적용된 고성능 미분기가 일반 미분기를 사용한 경우보다 신호 특성이 보다 양호한 것을 확인할 수가 있다.
그림 13은 모터 속도조절장치에서 DC모터의 인가 전압을 가변하여 모터의 속도를 가변 한 경우의 속도 파형을 나타낸다. 모터 회전 속도를 가감속하는 경우에도 제안된 방식의 속도 신호는 일반 미분기에 비해 신호 리플 특성이 우수하며 타코미터 신호와 동적 특성과 신호 리플 특성이 유사함을 확인하였다.
이상과 같이 저속, 고속, 가감속 구간에 대해 시험을 수행한 결과 기존의 속도 센서인 타코미터를 대체할 수 있는 만족할 만한 속도 신호를 얻을 수가 있었다.
그림 11은 래치형 홀센서를 이용한 T방식의 속도 신호에서 지연 현상으로 인한 문제가 발생하는 저속 구간에서의 속도신호 특성을 알아보기 위하여 500[RPM] 정도로 운전할 때의 시험 결과이다. 일반 미분기의 경우에는 신호 리플이 크게 나타나지만 고성능 미분기에 의한 속도 신호는 기존의 타코미터와 유사한 수준의 속도 신호가 얻어짐을 확인할 수가 있었다.
그림 12는 모터가 3000[RPM] 정도의 고속으로 회전할 때의 시험 결과를 나타낸다. 저속에서의 시험 결과와 동일하게 고속운전에 대해서도 제안된 방식에 의한 속도 신호가 기존의 타코미터 신호에 비해 동등 이상의 양호한 속도 신호가 얻어짐을 확인할 수가 있었다.
제안된 방식의 타당성을 입증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 수행하였으며 기존의 타코미터를 사용한 경우와 유사한 시험 결과를 얻을 수가 있었다. 이를 통해 BLDC 모터가 사용되는 각종 구동시스템에서 속도센서리스를 구현함으로서 기존 속도 센서가 갖는 장착 공간문제, 추가적인 비용 발생, 센서 고장으로 인한 시스템 신뢰성 저하 등의 문제점을 극복할 수 있을 것으로 판단된다.
식 (1)과 같이 홀센서의 펄스 한 주기(T) 동안에 발생하는 시스템 클럭 수를 계산하여 모터의 회전 속도를 얻을 수가 있으며 이와 같은 방식을 T방식이라고 한다. 하지만 그림 2와 같이 래치 홀센서의 펄스를 이용한 T방식은 일정 속도 이상에서는 타코미터(Tachometer)와 비교하여 동등 이상의 양호한 속도신호가 얻어지지만, 일정 속도 미만에서는 모터 속도에 비례하여 홀센서의 펄스 주파수도 느려져 타코미터에 비해 지연현상이 발생하는 것을 확인할 수가 있다.

후속연구

제안된 방식의 타당성을 입증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 수행하였으며 기존의 타코미터를 사용한 경우와 유사한 시험 결과를 얻을 수가 있었다. 이를 통해 BLDC 모터가 사용되는 각종 구동시스템에서 속도센서리스를 구현함으로서 기존 속도 센서가 갖는 장착 공간문제, 추가적인 비용 발생, 센서 고장으로 인한 시스템 신뢰성 저하 등의 문제점을 극복할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	관측기의 적용[1-3] 및 BLDC 모터의 홀센서 클럭을 통한 속도 추정방법[4-5]은 어떤 문제점이 있는가?	이러한 센서류의 문제점을 해결하기 하기 위해 소프트웨어적으로 구동기의 속도를 측정할 수 있는 관측기의 적용[1-3] 및 BLDC 모터의 홀센서 클럭을 통한 속도 추정방법[4-5] 등이 제안되었다. 하지만, 기존의 관측기를 통한 속도 추정 방법은 외란 및 파라미터 변동에 다소 민감하여 시스템의 성능과 안정도를 함께 만족시킬 수가 없으며, 홀센서의 클럭을 이용한 M방식, T방식, M/T방식 등의 펄스 카운팅 방식은 어느 정도 이상의 고속에서는 속도 추정이 가능하지만 저속 구간에서는 홀센서의 펄스 수가 적어 위상지연 및 잘못된 속도 정보로 인해 로봇과 같은 실시간 제어시스템에 적용하기가 곤란하다.
	BLDC(Brushless DC) 모터의 장점은 무엇인가?	BLDC(Brushless DC) 모터는 기존 DC모터와 비교하여 구조가 간단하고 브러쉬에 의한 마찰손실 없으며 소음이 적다. 특히 고효율 및 높은 내구성 등의 장점으로 인해 각종 자동차, 로봇 등의 다양한 분야에 사용되고 있다.
	일반 미분기 대신 고성능 미분기를 이용해 속도 신호를 얻을 경우 어떤 결과를 얻을 수 있는가?	그림 11은 래치형 홀센서를 이용한 T방식의 속도 신호에서 지연 현상으로 인한 문제가 발생하는 저속 구간에서의 속도신호 특성을 알아보기 위하여 500[RPM] 정도로 운전할 때의 시험 결과이다. 일반 미분기의 경우에는 신호 리플이 크게 나타나지만 고성능 미분기에 의한 속도 신호는 기존의 타코미터와 유사한 수준의 속도 신호가 얻어짐을 확인할 수가 있었다.

참고문헌 (6)

Zhiqian Chen, Mutuwo Tomita, Shinji Doki and Shigeru Okuma "New Adaptive Sliding Observers for Positionand Velocity-Sensorless Controls of Brushless DC Motors", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 47, no. 3, pp. 582-591. 2000.

상세보기
Gene F. Franklin, J. David Powell and Abbas Emami-naeini, "Feedback Control of Dynamic Systems", Addison Wesley, 1995.
Jorge Solsona, Maria I. Valla and Chrlos Muravchik "A Nonlinear Reduced Order Observer for Permanent Magnet Synchronous Motors", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 43, no. 4, pp. 492-497. 1996.

상세보기
Lin Qiaobin, Lu Xiaofen, Guo Xinhua, Yan Bingjun and Guo Baojia "The Simulation of Sensorless Control of BLDC Based on the Counting of PWM Pulses", Transportation Electrification Asia-Pacific, 2014 IEEE Conference and Expo.
R. H. Brown, S. C. Schneider, and M. G. Mulligan, "Analysis of algorithms for velocity estimation from discrete position versus time data", IEEE Trans. Ind. Electron. vol. 39, pp. 11-19, Feb. 1992

상세보기
Y. X. Su, C. H. Zheng, P. C. Mueller, and B. Y. Duan "A Simple Improved Velocity Estimation for Low-Speed Regions Based on Position Measurements Only", IEEE Trans. on Control Systems Technology, vol. 14, no. 5, pp. 937-941. 2006.

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

선형홀센서와 고성능 미분기를 이용한 BLDC모터의 속도신호 구현
Realization of Velocity of BLDC Motor Using Linear Type Hall-effect Sensor and Enhanced Differentiator 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

선형홀센서와 고성능 미분기를 이용한 BLDC모터의 속도신호 구현 Realization of Velocity of BLDC Motor Using Linear Type Hall-effect Sensor and Enhanced Differentiator 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

구정회 (2) 최장영 (43)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

선형홀센서와 고성능 미분기를 이용한 BLDC모터의 속도신호 구현
Realization of Velocity of BLDC Motor Using Linear Type Hall-effect Sensor and Enhanced Differentiator 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper