[논문]고속 BLDC 전동기의 센서리스 제어

조흥현; 김원배

doi:10.13067/jkiecs.2020.15.3.503

고속 BLDC 전동기의 센서리스 제어
Sensorless Control of High-Speed BLDC 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.15 no.3, 2020년, pp.503 - 512

조흥현 (조선대학교 대학원 전기공학과) , 김원배 (송원대학교 전기공학과)

초록
AI-Helper

송풍기를 이용한 제품으로는 핸드드라이기, 자동세차기, 건조기, 청소기등이 있다. 이러한 전동기의 특징은 순간에 강한 바람이 나오도록 구조, 제어 알고리즘이 필요하다. 종래의 여자방식에 따른 전동기는 직권식, 분권식, 복권식, 영구자석식이 있다. 이러한 전동기는 고속 회전 시 기동전류가 크고 회전수가 불규칙한 단점이 있다. 이를 개선하고자 고속BLDC 전동기 제어에 관한 연구로 구동회로 설계, 센서리스 제어 알고리즘, 시뮬레이션, 실험 등을 통해 800W급 고속BLDC 모터 제어와 회로 설계하였고, 95% 이상 고효율을 제어기의 운전성능 평가 방법, 시제품 실험 및 검증을 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The products using blowers include hand dryers, automatic car washers, dryers, and vacuum cleaners. The features of these products require a structure and control algorithm so that a strong wind is blown out at the moment. Electric motors according to the existing excitation method include a direct winding type, a decentralized type, a lottery type, and a permanent magnet type. Conventional electric motors have a disadvantage when the starting current is large during high-speed rotation and the number of rotations is irregular. In order to improve this, research on high-speed BLDC motor control has designed 800W-class high-speed BLDC motor control and circuit through driving circuit design, sensorless control algorithm, simulation, experiment, etc., and more than 95% high efficiency evaluation method of driving performance of controller, prototype experiments and verification were studied.

주제어

표/그림 (18)

그림 그림 1. BLDC 전동기 구공 시스템 Fig. 1 Brushless motor drive system
그림 그림 2. 3상 전류 제어 인버터 Fig. 2 Inverter for 3-phase current control
그림 그림 3. 고속 BLDC Fig. 3 BLDC for high-speed
그림 그림 4. 센서리스 제어 원리 Fig. 4 Principle of sensorless control
표 표 1. BLDC 전동기 Table 1. BLDC Motor
그림 그림 5. BLDC 모터 파라미터 측정 Fig. 5 Measurement of BLDC motor parameters
그림 그림 6. 속도 변화에 따른 BLDC 모터의 후면 역기전력 Fig. 6 Back EMF of BLDC motor according to speed change
표 표 2. BLDC 전동기 파라미터 측정값 Table 2. Measurement of BLDC motor parameters
그림 그림 7. 단자 전압 감지 (좌), (우) Fig. 7 Terminal voltage detection (left), (right)
그림 그림 8. BLDC 센서리스 제어 블록 다이어그램 Fig. 8 BLDC sensorless control block diagram
그림 그림 9. 제어기 구성 요소 배치 및 검토 Fig. 9 Control board component placement and Review
그림 그림 10. BLDC 모터 컨트롤러 프로토 타입 Fig. 10 BLDC motor controller prototype
그림 그림 11. 송풍기 팬 구동 실험 Fig. 11 Blower fan driving experiment
그림 그림 12. 2.7.1 PSIM 시뮬레이션 결과 Fig. 12 2.7.1 PSIM simulation results
그림 그림 13. 2.7.2 PSIM 시뮬레이션 결과 Fig. 13 2.7.2 PSIM simulation results
그림 그림 14. 성능 평가를 위한 실험장치 구성 Fig. 14 Test configuration for performance evaluation
그림 그림 15. 고속 BLDC 모터 및 제어기 성능 측정 다이나모메터 결과 Fig. 15 Dynamometer BLDC motor and controller performance measurement results.
표 표 3. 고속 블로어 BLDC 모터 팬 측정 결과 Table 3. Blower BLDC motor fan measurement result

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

2. 고속BLDC 제어기 센서리스 알고리즘 개선에 따른 방법을 제안. 하였고 그림 15와 같은 PSIM시뮬레이션 결과 상전류, 선간전압, 센서신호, 속도, 토크 등이 일정하여 블로워 BLDC모터의 정속운전과, 소비전력 효율이 일정한 파형이 반복되는 것을 알 수 있었다.
이 논문은 고속BLDC 전동기 제어에 관한 연구로 고속 BLDC 모터 제어기를 설계, 고속BLDC 센서리스 제어 알고리즘, 시뮬레이션 및 실험, 800W급 고속 BLDC 모터 제어기 회로 설계, 95% 이상 고효율 제어기 연구을 위한 부품 선정, 구조 설계, 블로워용 BLDC 모터 제어기 운전성능 평가 방법, 시제품 실험 및 검증을 연구하였다.

가설 설정

역기전력 ZCP 시점 이후 전기각으로 30도 회전한 시점에서 상 전환을 한다고 가정하면 역기전력의 ZCP 시점 이후부터 전기각으로 30도 회전한 시점까지 역기전력을 적분한 결과는 BLDC 모터의 회전속도에 관계없이 일정한 값을 가지게 된다.

제안 방법

BLDC 모터의 제어 방식 중 센서리스 방식은 대표적 방법으로는 오픈 상전압의 역기전력의 ZCP(: Zero Cross Point)를 이용하는 방식으로 아래 그림 4에서 역기전력의 ZCP에 기반한 센서리스 제어의 원리를 설명하고 있다. 2.2 블러워 BLDC모터 제어 실험을 검증하기 위해 시뮬레이션을 통해 제어 파형을 설계, 고효율 제어기 개발을 위한 부품 선정 및 설계, BLDC 드라이브 IC, 부스트랩회로 동작, 부스터트랩과 관련된 소자 선정, 콘덴서의 초기 충전 및 선정, SPM의 기능 및 Protection 회로, 800W급 고속 BLDC 모터 제어기 회로 설계 및 제작을 연구하였으며, 계측기인 파워메터, 풍속계, 오실로스코프, 회로시험기, 다이나모메터를 이용하여 측정 및 시험하였다.
3.2.1 블로워 BLDC 모터 구동 실험과 측정 결과 그림 14과 같이 속도지령 전압(V) 0.5V ~ 4.5V의 변화에 따른 풍속(Km/h), 소비전력(kw), 입력전류(A), 입력전압(V), 팬속도(RPM)를 관찰하였고 결과는 표 3과 같았다.
BLDC 블로워 모터 및 제어기 운전성능 평가를 위해 블로워 모터 구동 제어기의 구동상태를 확인하였으며, 제어기의 제어 지령전압에 따른 제어기 출력 및 그림 11과 같이 블로워의 팬속도, 풍속등을 측정[6]하였다.
또한, PSIM 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 그림 9와 같이 블록다이아그램 적용한 제어보드 부품 배치와 검토를 하였다.
속도지령 전압이 3.5V 이상일 때 팬속도(RPM) 17,700rpm으로 포화 상태가 되는 것을 고찰하였다. 또한, 제어기를 통해 블로워 BLDC 모터의 구동[8]이 되는 것을 확인하였다.
파워보드는 그림 10은 전원회로 및 SPM 주변회로등이 설계 되어 있으며, SPM은 FSBF15CH60BT을 사용하였다. 스위칭 PWM(펄스폭변조) 신호는 파워부와 절연을 위해 포토커플러를 사용하여 회로 설계하였다.
과 같이 메인 MCU는 플로팅포인트 연산이 가능한 TI사의 TMS320F28335를 사용하여 센서리스 제어알고리즘을 구현하였으며, 향후 고성능 제어에도 호환하여 사용할 수 있도록 주변회로를 설계 하였다. 신호의 노이즈 차단을 위해 포토커플러로 절연을 하였다[12-14].
이러한 경우 고속 운전에서는 ZCP 검출 분해능 저하로 인해 운전 성능이 악화된다. 이 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 식 (1), (2)의 방식을 사용하여 역기전력의 ZCP 시점을 보간하여 검출함으로써 ZCP 검출 분해능을 개선하였다.
이러한 경우 고속 운전에서는 ZCP 검출 분해능 저하로 인해 운전 성능이 악화된다. 이 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 식 (1), (2)의 방식을 사용하여 역기전력의 ZCP 시점을 보정하여 검출함으로써 ZCP 검출 분해능을 개선하였다.
전류센싱 및 DC링크 전압 등을 측정하기 위해 아날로그 신호변환을 OP 앰프 회로로 설계 하였으며, 변환된 신호는 DSP의 ADC 핀으로 연결되어 아날로그 신호가 전달된다.
제어보드 및 파워보드의 회로도 및 PCB Artwork 결과를 보여주고 있으며, PCB 부품배치 검토를 위한 3D로 설계 하여 부품들의 간섭 및 노이즈의 영향 등을 고려하여 설계 하였다.
제어보드는 아래의 그림 10.과 같이 메인 MCU는 플로팅포인트 연산이 가능한 TI사의 TMS320F28335를 사용하여 센서리스 제어알고리즘을 구현하였으며, 향후 고성능 제어에도 호환하여 사용할 수 있도록 주변회로를 설계 하였다. 신호의 노이즈 차단을 위해 포토커플러로 절연을 하였다[12-14].

대상 데이터

본 연구에서는 고속도로 휴게소 화장실에서 사용되는 핸드 드라이기 소비전력과 유사한 그림 3과 표 1사양의 800W급 BLDC를 선정하였다.
인버터 PWM(펄스폭변조) 주파수는 5kHz로 설정하였고, 220V 교류 전원을 정류하여 인버터 직류 전원으로 사용하였다.
파워보드는 그림 10은 전원회로 및 SPM 주변회로등이 설계 되어 있으며, SPM은 FSBF15CH60BT을 사용하였다. 스위칭 PWM(펄스폭변조) 신호는 파워부와 절연을 위해 포토커플러를 사용하여 회로 설계하였다.

이론/모형

그러나, 압축기와 같은 고온, 고압의 환경에서 사용 및 제어기의 가격을 낮추기 위해서 센서리스 제어방식의 알고리즘을 사용하여 구현하였다. BLDC 모터의 제어 방식 중 센서리스 방식은 대표적 방법으로는 오픈 상전압의 역기전력의 ZCP(: Zero Cross Point)를 이용하는 방식으로 아래 그림 4에서 역기전력의 ZCP에 기반한 센서리스 제어의 원리를 설명하고 있다.

성능/효과

2.2.1 기존의 BLDC 제어기 센서리스 알고리즘은 그림 14와 같은 PSIM시뮬레이션 결과 상전류, 선간 전압, 센서신호, 속도, 토크 등이 일정하지 않아 블로워 BLDC모터의 비정속운전과, 소비전력 효율이 불규칙한 파형이 반복되는 것을 알 수 있었다.
따라서 역기전력의 ZCP를 검출하고, 이 시점을 기준으로 단자 전압에서 측정한 역기전력의 크기를 적분하여 상 전환 시점의 예측 보정에 사용하면 ZCP 기반의 센서리스 제어 알고리즘의 문제점인 상 전환 위치 오차[5]를 크게 줄일 수 있다.
위의 그림13는 상 전환 위치 오차 보정 알고리즘이 적용된 경우의 시뮬레이션 결과 파형이다. 상전환 위치 오차 보정 전과 후의 그림을 비교해 보면 제안된 상전환 위치 오차 보정 알고리즘에 의해 위치 오차가 크게 줄어들었고, 결과적으로 전류 맥동 및 토크 맥동도 줄어들었음을 확인할 수 있다.
시뮬레이션 결과 저속 운전시 역기전력에 의한 오차로 인해 큰 토크맥동 및 과전류가 발생하며, 과전류 피크로 인해 모터가 정지하게 되는 현상을 개선하였으며 역기전력을 적분한 결과는 BLDC 모터의 회전 속도에 관계없이 일정한 값을 가지게 된어 정속 운전이 가능하다. ZCP 기반의 센서리스 제어 알고리즘의 문제점인 상 전환 위치 오차를 크게 줄일 수 있다.
실험을 통해 다이나모메타의 측정 결과는 속도지령 전압이 0.5V일 때 BLDC 모터의 RPM이 3,289rpm에서 증가하여 속도지령 전압이 3.5V 이상일 때 팬속도 (RPM) 17,700rpm으로 포화 상태가 되었다. 이 때 출력 800W에서의 전류 및 전압파형을 위의 그리 16과 같이 동작을 확인 할 수 있으며, 고속에서도 원활히 제어가 잘 되는 것을 확인할 수 있으며, 다이나모메터로 시험을 통한 부하증가에 따른 모터 제어가 잘되는 것을 확인하였다.
실험을 통해 속도지령 전압(V) 0.5V ~ 4.5V의 변화에 따른 풍속(Km/h), 소비전력(kw), 입력전류(A), 입력전압(V), 팬속도(RPM) 등이 증가한 것을 고찰할 수 있었다.
5V 이상일 때 팬속도 (RPM) 17,700rpm으로 포화 상태가 되었다. 이 때 출력 800W에서의 전류 및 전압파형을 위의 그리 16과 같이 동작을 확인 할 수 있으며, 고속에서도 원활히 제어가 잘 되는 것을 확인할 수 있으며, 다이나모메터로 시험을 통한 부하증가에 따른 모터 제어가 잘되는 것을 확인하였다.
고속BLDC 제어기 센서리스 알고리즘 개선에 따른 방법을 제안. 하였고 그림 15와 같은 PSIM시뮬레이션 결과 상전류, 선간전압, 센서신호, 속도, 토크 등이 일정하여 블로워 BLDC모터의 정속운전과, 소비전력 효율이 일정한 파형이 반복되는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회전자의 위치를 검출하게 해주는 것은?	따라서, 센서로는 서보모터를 구동하기 위한 회전자의 위치를 검출해 회전자의 현재 위치에 맞는 전류를 공급하기 위해, 위치를 검출할 수 있는 엔코더(Encoder), 혹은 레졸버를 주로 사용한다. 그리고 속도를 검출하는 센서로는 타코(Tacho) 센서를 주로 사용하지만, 브러시리스 서보모터, 즉 AC서보모터는 회전자의 위치를 검출해야 하므로 타코센서가 잘 사용 되지 않고 내부에서 연산해 위치를 검출한다.
	BLDC 전동기란?	BLDC 전동기란 브러시리스 모터(Brushless motor)는 DC모터에서 브러시, 정류자 등의 기계적인 접촉부를 없애고 이것에 전자적인 정류기구를 설치한 직류모터를 말한다. 그래서 브러시리스 모터를 무정류자 모터라고도 한다.
	전동기가 다량의 풍량 생성을 하기 위한 중요한 요건은?	이러한 전동기는 고속회전할 때 기동전류가 크고 회전수가 불규칙한 단점이 있다. 따라서, 안정적인 고속 회전, 많은 풍량이 필요하고, 다량의 풍량을 생성하기 위해서는 고효율, 정속 작동 및 낮은 시동 전류가 중요한 요건이다.

참고문헌 (15)

H. Kim, ""Technical Information" BLDC Motor and its Structure and Control," MOTION CONTROL, 2016.
S. Kim, Motor Control DC, AC, BLDC. Bukdu Publishing, 2007, pp. 138.
S. Youn and J. Lee, "Speed control of permanent magnet brushless DC motorusing variable gain PI controller," The Trans. of the Korea Institute of Electrica lEngineers, 2013, vol. 62, no. 9, pp. 1234-1239.
T. Chang, C. Wang, and E. Chhen, "Speed Control of Brushless Motor Using Low Resolution Sensor," Proceedings of the American Control Conference, 2001.
K. Lee and H. Yeo, "Current Control Algorithm to Reduce torque Ripple In Brushless DC Motors," International Center for Promotion of Enterprises, International Conference Paper House, 1998, pp.380-385.
S. Back, "A Study on the Design and Implementation of 2-phase BLDC Fan Motor with 1-horsepower Class for Air Conditioning," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Aug. 2018, vol. 13, no. 4, pp. 760.
H. Kwon, "Knee Rehabilitation System through EMG Signal analysis and BLDC Motor Control," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Oct. 2019, vol. 14, no. 5, pp. 1009-1018.
Y. Jeon, "A Speed Control of BLDC Motor using Adaptive Back stepping Technique," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, 2014, vol. 9, no. 8, 899-906.

원문보기 상세보기
H. Yeon and H. Sin, "A study on new radio wave law of system reorganization for korea," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 4, no. 1, 2009, pp. 1-6.
H. Sin, "A Study on Radio Wave Law Revision Content for Korea," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 4, no. 3, 2009, pp. 176-182.
H. Sin, "A study on South Korea's disaster safety of wireless communication," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 1, 2011, pp. 1-5.
H. Kim, K. Seok, and H. Sin, "Domestic radio waves propagate management and control systems investigate the system status," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 5, 2016, pp. 441-450.

원문보기 상세보기
H. Kim and K. Seok, "Domestic radio waves propagate management and control systems investigate the system status," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 1, 2017, pp. 1-8.
W. Choi and K. Seok, "Survey on ways to improve the system in preparation for changes in the radio management system," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 6, 2018, pp. 1145-1154.
J. Yang, K. Seok, and H. Sin, "Technological and Social Significance of the Revision of the Radio Law," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 4, 2019, pp. 627-636.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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