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서원 연
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1 52/73 주식회사씨앤엠연구소 Chapter 4. 제어모터의기초 학습목적 모터사업부에서생산하고있는제어모터인 BLDC 모터의 기본원리및특성을이해하자. 학습안내 1. BLDC 모터란? 2. BLDC 모터구동원리 3. 제어모터비교및 Inverter 추이 4. 영구자석이란?

2 BLDC 모터란? 1.1 BLDC 모터란? 정의 : BRUSHLESS DC MOTOR (DC MOTOR 와특성이유사 ) 일반적으로 ROTOR 의내부에 MAGNET 를가지고있음. STATOR 가회전하는자계를발생하고, 이결과로 ROTOR 가 ROTOR STATOR 회전함. N 극 S 극 N 극 회전자계는 INVERTER 의 SWITCHING 상태를변화시켜 만들어줌. ( 모터를구동하기위한별도의 DRIVE 가필요 ) NEMA Standard A Brushless DC Motor is a Rotating Self-Synchronous Machine with a Permanent Magnet and with Known Rotor Shaft Positions for Electronic Commutation. BLDC MOTOR 의회전원리 (MAGNETiC TORQUE) Why is BLDC Motor needed? 53/73 주식회사씨앤엠연구소

3 54/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC 모터란? 1.2 TORQUE 의발생원리 MAGNETIC TORQUE RELUCTANCE TORQUE F = il B T = r F ( 플레밍의왼손법칙 ) F 자속밀도가소한영역 W T m = 1 2 Li 2 dw = = dq m i dl dq B il i θ θ=0 자속밀도가밀한영역 T B : 공극자속밀도 i : 도체에흐르는전류 l : 도체의축방향길이 ( 적층길이 ) F : 도체또는자석이받는힘 r : 회전자중심에서공극중간부까지거리 T : Motor 에서발생시키는축 Torque Wm : 공극에저장된자기에너지 L : 코일의인덕턴스 i : 코일에흐르는전류 T : 발생토크

4 55/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC 모터란? 1.3 영구자석모터형상 구분 SPM* ( 표면부착형 ) IPM** ( 매립형 ) N Magnet N Magnet 회전자구조 S S S S N N 회전자위치에따른 Torque 장단점 Torque 운전점 위치 (Deg) Magnetic Torque Motor 제어알고리듬이간단 고속운전시 Magnet 이탈방지용 Can 필요 와전류에의한 Loss 발생 Torque Reluctance Torque 운전점 위치 (Deg) Magnetic Torque 동일전류시 Motor Torque 가큼 (5~10%) Motor 효율이높음 (1~3%) -Reluctance Torque / Can 손실이없음 고속운전시유리 ( 기구, 제어 ) Motor 제어알고리듬이복잡 * SPM : Surface Permanent Magnet ** IPM : Interior Permanent Magnet

5 56/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC 모터란? 1.4 BLDC 모터 & 구동부구성도 Linear Regulator SMPS Dynamic Braking 과전압 / 저전압보호회로 Switching 소자 Transistor MOSFET IGBT IPM V, f 가변 Induction BLDC SRM AC 전원 PFC 전원부 Braking 보호회로 Gate Drive Motor 역률보상 Harmonics 저감 AC DC 전류검출 과전류 온도 순시 Peak 전류 보호회로 위치 / 속도 Sensor Micom 제품제어 에어컨 냉장고 세탁기 청소기 PWM 전류제어 위치 / 속도검출알고리듬 위치 / 속도제어 Motor 제어알고리듬 Vector 제어 Flux Weakening

6 57/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC Motor 구동원리 2.1 BLDC 모터의등가회로 영구자석을 ROTOR 에장착한 BLDC MOTOR 의등가회로를나타내면다음과같다. Ra Ra La EMFa A B C Ra, Rb, Rc La, Lb, Lc EMFa,EMFb,EMFc Ia,Ib,Ic Ia Rb Lb EMFb Rc Ib Lc EMFc Ic 그림 1. BLDC Motor 의등가회로 : 각상의 STATOR 권선저항 : 각상의권선 INDUCTANCE : 각상의유기기전력 : 각상의전류 역기전력이란 역기전력 (Back EMF) 이란영구자석이있는 rotor 의회전에의하여 stator coil 에 link 하는자속이변화함으로써발생하는전압이다 ( 렌쯔의법칙 ). 즉영구자석과도체간의상대적인운동이있으면발생하는양이다. 각상에인가되는전압과전류의관계를나타내는전압식은아래식과같다. Va = Ra Ia + La( dia / dt) + EMFa Vb = Rb Ib + Lb( dib / dt) + EMFb Vc = Rc Ic + Lc( dic / dt) + EMFc 식 (1) What is BEMF? Explain it.

7 58/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC Motor 구동원리 2.2 BLDC 모터의 Speed-Torque 특성 (1) MOTOR 가정상상태운전중이고, INDUCTANCE 가작다고가정하면 Vab = Ia ( Ra + Rb) + EMFab = Ia Rab + EMFab 식 (2) 식 (2) 와같고, 또한 EMF 가일정한영역에서 MOTOR 을구동하면통전각내에서의 EMF 는일정함으로 EMF 는식 (3) 로표현된다. 상기 (3) 식을 (2) 식에대입하면 EMFab = Ke w ( Ke : EMF 상수 ) 식 (3) w = ( Vab - Iab Rab) / Ke 식 (4) 이다. 한편 BLDC MOTOR 의 MOTOR TORQUE 는전기자권선의권선전류에비례한다. AB 상에의해서발생되는 MOTOR TORQUE 는 Te = Kt Iab 식 (5) 이고, 식 (4), (5) 로부터 MOTOR 의특성식은식 (6) 과같다. w = ( Vab - Te Rab / Kt ) / Ke 식 (6)

8 59/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC Motor 구동원리 2.2 BLDC 모터의 Speed-Torque 특성 (2) 식 (6) 에서구한 BLDC 모터의 Speed-Torque 특성을 Graph 로나타내면다음과같다. V = R i + E = k T = k E T T = k T w i di L dt r æv - E ç è R + E ö ø kt = R V - k T k R E w r Torque V3 V2 V1 VdcKt/Rab Vdc 전압감소 Vdc > V3 > V2 > V1 기울기 - KtKe/Rab Vdc/Ke BLDC Motor 는전압을조정함으로써속도제어를한다. 0 Speed < BLDC MOTOR 의 S-T 특성 GRAPH >

9 BLDC Motor 구동원리 2.3 BLDC 모터의회전원리 Positive A+ B+ C+ + + A- B- C- 기준전위점 Negative 그림 2. Inverter 와 Motor 그림 2 는 BLDC Motor 를구동하기위한 Inverter 와 BLDC Motor 의등가회로를나타낸것이다. BLDC Motor 는효율적구동과 Torque ripple 을작게하기위해 6 개의 Switching 소자중항상 2 개의 Switching 소자만 On 하여 Motor 를구동한다.( 이하 2 상통전방식 ). Motor 에전압을인가하기위해서, On 되는 2 개의 Switching 소자중하나는 DC Link 의 Positive, 또다른하나는 DC Link 의 Negative 에접속된소자가 On 되며, 이러한경우의 수는총 9 가지이다. 그러나, 이중 3 가지는같은상이 On 되는경우 이므로, 이경우를제외하면모두 6 가지의 Switching 상태가존재한다. 6 개의 Switching 상태는표 1 과같다. Switching 상태 A+ A- B+ B- C+ C- On Off Off On Off Off On Off Off Off Off On Off Off On Off Off On Off On On Off Off Off Off On Off Off On Off Off Off Off On On Off 60/73 주식회사씨앤엠연구소

10 61/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC Motor 구동원리 2.3 BLDC 모터의회전원리 각 Switching 상태에따른 Inverter의연결상태및 Motor의전류를그림3에나타내었다. Switching 상태를 1 ~ 6으로순차적으로바꾸어감에따라회전하는회전자계를만들어줄수있다. 이렇게만들어진 Stator의회전자계와 Rotor의영구자석에의한자계의상호작용에의해 BLDC Motor는회전하게된다 그림 3. 회전자계발생원리도

11 62/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC Motor 구동원리 2.4 위치센서의필요성 BLDC Motor의 Magnetic Torque식은다음과같다. T = (Ia EMFa + Ib EMFb + Ic EMFc)/ω 식 (7) 윗식 (7) 에서알수있는바와같이 Motor가최대의 Magnetic Torque를발생하기위해서는각상의전류및각상의 EMF가서로위상차가없을때최소전류로최대 Torque가발생하게된다. EMF와전류의위상차가없도록운전하기위해서는 Motor의 EMF의위상을알아야한다. EMF는 Rotor의영구자석에의한 Stator 권선에의 Flux linkage의미분식으로표현되므로, Stator에 Sensor를취부하여 EMF의위상을알아내는방법을사용한다. 앞에서언급한 EMF와전류의관계를나타내면그림4와같다. EMFa Ia EMFb EMFc Ib Ic 그림 4. EMF 및전류의관계 What is advanced angle?

12 63/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC Motor 구동원리 2.5 위치센서와스위칭소자의 LOGIC Switching 상태는총 6 가지경우의수가있으므로, 적어도 3 개의개별 Sensor 가필요하게된다. 표 3 은개별 Sensor 와스위칭소자간의 Logic 관계를나타낸것이다. Switching state Sensor Ha Sensor Hb Sensor Hc Switch A+ Switch A- Switch B+ Switch B- Switch C+ Switch C- 1 H H L On Off Off On Off Off 2 H L H On Off Off Off Off On 3 H L L Off Off On Off Off On 4 L H H Off On On Off Off Off 5 L H L Off On Off Off On Off 6 L L H Off Off Off On On Off

13 64/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC Motor 구동원리 2.6 전압제어의필요성 Motor의동작점은부하의 Speed Torque 특성과 Motor의 Speed Torque 특성의평형점에서결정된다. 만약부하조건이변화하여새로운평형점으로동작점이이동하면 Motor의속도는변화하게된다. 이때 Motor의속도를일정하게유지시키기위해서는변경된부하조건에서평형점이원하는속도에서이루어지도록 Motor에인가되는전압을제어하여야한다. TORQUE V1 V2 V3 Vdc L1 L2 그림 5 속도제어원리 X1 X2 SPEED 그림5에서유로부하의부하조건이 L1 에서동작중이고 Motor에최대전압 Vdc을인가하고있다면 Motor의속도는 X1으로결정되어동작한다. 부하조건이 L2로변경되면평형점은이동하여 Motor의속도는 X2로동작한다. 이부하 L2에서원하는속도 X1으로동작시키기위해서는 Motor에인가되는전압을 Vdc에서 V3로변화시키면평형점이이동하여 Motor의속도는 X1에서동작되게된다. 이와같이 Motor에인가되는전압을제어하면 Motor의회전속도를제어할수있다.

14 65/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC Motor 구동원리 2.7 Inverter 를이용한전압제어 (1) Inverter는일정크기의직류전압을교류로변환한다. 이때 Inverter는구형파형태의출력전압을가지며, Motor는전기적또는기계적으로 Low-Pass Filter의특성을가짐으로전압이단속적으로인가되더라도 Motor에흐르는전류는연속전류의형태를갖는다. Inverter는그림6과같이 Motor에전압이인가되는전압인가 Mode와전압이인가되지않는 Free Wheeling Mode로구분된다. U 상 A 상 BLDC V상 W상 MOTOR U상 B 상 C 상 A 상 V 상 B 상 W 상 C 상 BLDC MOTOR (a) 전압인가 Mode (ton) (b) Free Wheeling Mode (toff) 그림 6 Inverter 를이용한전압제어

15 66/73 주식회사씨앤엠연구소 BLDC Motor 구동원리 2.7 Inverter 를이용한전압제어 (2) 전압인가 mode시전압식은 Vdc = Rab x Iab + Lab (diab / dt) + EMFab 가되고 Inductance에양의전압이인가되어전류는증가한다. Free wheeling Mode시전압식은 0 = Rab x Iab + Lab (diab / dt) + EMFab 가되고 Inductance에음의전압이인가되어전류는감소한다. 이때 Motor로인가되는전압 Vab 는식 (8) 과같다. Vab= Vdc ton / (ton + toff) ---식(8) 인가전압전류 Vdc 0 ton toff 여기서 ton+toff와 ton의비를제어하여모터에인가되는전압을제어한다. ton+toff는 PWM 주기를말하며, 상기의상대비를제어하는방법으로일반적으로사용되는방법은 PWM 주기를고정하고, ton을제어하는방법이다. Pulse Width Modulation (PWM) -Motor 에인가되는전압의 On,Off 시간을바꾸어전압을제어하는방법 Pulse Amplitude Modulation (PAM) -Motor 에인가되는평균전압을제어하는방법

16 67/73 주식회사씨앤엠연구소 제어모터 (INVERTER MOTOR) 구조 BLDC (SPM) BLDC (IPM, Hybrid) Synchronous Reluctance Switched Relutance M O T O R 구조 장점 단점 Magnet 저소음고효율저속고토크특성 - 저속특성우수 飛散방지캔 ( 고속운전 ) 필요 제조공정상불리 ( 자석취부및着磁 ) 온도특성이나쁨 ( 자석의減磁 ) Magnet 누설에의한낮은효율 ( 새로운회전자형상설계 ) 간단한 Rotor 구조가능온도특성우수고속운전가능 경방향 Force 에의한소음저속에서효율저하 D R I V E 구조 장점 3 wires M 상용화된제어 IC 및스위칭 Module 존재 6 wires M Short through fault 없음한상이파괴되어도운전가능여러제어 Topology 적용가능 단점 Short through fault 파괴가능성한상이파괴되면운전불가능 상용화된제어 IC 및스위칭 Module 없음

17 68/73 주식회사씨앤엠연구소 INVERTER 기술추이 유도기 Key Features BLDC(SPM) BLDC(IPM) Syn.RM Motor 기술 효율 85% / Cost ( 유도기 100% 기준 ) 89 / / / 110 等價회로법 2 차원자계해석 3 차원자계해석차세대자계해석 고효율 Low Cost R1 L1 L2 Lm R2/S 3 차원자계해석 + 최적형상출력 Motor Control 회로 Topology 정속제어 V/F 제어 구형파제어 Sine 파제어 Hybrid (PWM + PAM) 고효율 (System Matching) 저소음화 Discrete Power Module IPM SIM PEBB Device Application Compact 고신뢰성 SIZE (Discrete 100% 기준 ) Syn.RM : Synchronous Reluctance Motor SIM : System in Module PEBB : Power Electronic Building Block

18 69/73 주식회사씨앤엠연구소 영구자석에관하여 4.1 영구자석의역사 B.C 600 Thessaly 지역의 Magnesia 에서천연자석으로발견되어 'Magnes' 라고부르고항해용나침반에사용 년 William Gilbert 지구가하나의자석인것을발견. 鋼捧을열간단조한후적열상태에서지구의자장방향으로배치, 냉각시키면자석이됨을발견함 년 Oersted 전류와자장과의관계를발견, 전자석의발전에기여함 년 Hansler ALNICO Magnet 의시초.(Cu, Mn, Al 합금강개발 ) 1917 년 Honda 高 Co 炭素鋼발명, 당시의 Cr 강, W 강보다보자력이 4 배이상이되어자기적성능을비약적으로향상시킴 년 Kato, Takai 철 Co 혼합물자석을개발 년 Mishima Al-Ni- 철자석 (Alni) 개발, MK 강으로명명함 1939 년 Jonas Alni 에 Co 를첨가한 ALNICO 자석을개발 1952 년 Philips 社현재의 Ceramic 또는 Ferrite Magnet 로발전시킴 년 Raytheon 社 Rare-Earth, Sm-Co 자석개발 1980 년대초미국 GM 社, 일본住友특수금속 Nd-Fe-B 개발 자석 ( 磁石 ) 이라는말은 서양 : 産地이름 (Magnesia) 에서유래 동양 : 인간미를느낄수있는자석 ( 慈石 ) 이라는말이먼저사용되다가나중에産地명 ( 磁舷 ) 으로바뀜

19 70/73 주식회사씨앤엠연구소 영구자석에관하여 4.2 영구자석의종류 구분 ALNICO Magnet Ferrite Magnet Rare-Earth Magnet 재료 / 가공 Cast ALNICO Sinterd ALNICO Fe-Cr-Co Ba 系 Sr 系 Wet / Dry Sm-Co 系 Nd-Fe-B 系 Br (G) bhc (Oe) BHmax (MG Oe) 7500 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 30 Curie Point 온도계수밀도 Cost 850 ~ %/ 6.8 ~ 7.3 gr/ cm2 150 % 450 ~ %/ 4.6 ~ 5.3 gr/ cm2 100 % 710 ~ %/ 8.3 ~ 8.5 gr/ cm2 200 % 잔류자속밀도가높다. ALNICO Magnet 대비잔류자속밀도가 Hc, Energy 積이높다. 특징 온도에대한안정성高 가공성이나쁘다. 낮고보자력이높다. 온도계수가 ALNICO 에비해크다 소형경량화가능 온도에대한안정성이나쁘다. 취성이강하다. ( 약 10 배정도 ). 가공성이나쁘다. 가격이저렴하다. 취성이강하다. 경도가높다. 高價 산화되기쉽다.

20 71/73 주식회사씨앤엠연구소 영구자석에관하여 4.3 자기이력곡선 그림7은충분히큰자계를인가했을경우 Hard magnet material에대한 Hysterisis Loop이다. 그림에서 a 점은물질내부거의전부의구성요소가가해진자계방향으로자화된상태이다. a점을지나서부터는 H의증가에따라 B는 B=μo H에따라서증가한다. 즉 H가아주큰값이면 H증가에따른 B의증가는점점더작아지게되고, 결국 B-H Curve의기울기는 μo 에근접하는데, 이것을포화상태라한다. B : 자속밀도 (Flux density) H : 보자력 (Coercieve force) 그림 7 Hysterisis loop Explain about hysterisis loop.

21 72/73 주식회사씨앤엠연구소 영구자석에관하여 4.4 자기이력곡선 영구자석의사용은 Hysterisis loop 중에서 2 상한영역, 감자곡선상에서이루어진다. < 용어정의 > Magnetiztion : Magnetizer : Magnetizing Yoke : Demagnetiztion : Demagnetizer : Demagnetizing Yoke : Gauss meter : 그림 8 감자곡선

22 73/73 주식회사씨앤엠연구소 연습문제 1. BLDC 모터의장 / 단점에대해간략히설명하시오. 장점 : MOTOR 내부에에너지소스 ( 영구자석 ) 가있으므로모터의효율이높다. 인버터에의한전압제어를통해부하변동에따른속도제어가용이하다. 단점 : 인버터를포함하므로가격및제조비용이높다. 유도기에비해제조공법이다소복잡하다. 2. BLDC 모터에사용되는기본적인토크는무엇이있나요? (MAGNETIC TORQUE, RELUCTANCE TORQUE) 3. 영구자석이있는 ROTOR 의회전에의하여 STATOR COIL 에 LINK 하는자속이변화함으로써발생하는전압을무엇이라하나요? ( 유기기전력 OR 역기전력 ) 4. BLDC 모터의등가회로상에서속도와토크의관계식을도출하세요. w = ( Vab -Te Rab / Kt) / 5. 영구자석의 3 가지종류중가전제품에가장보편적으로적용되는것은? 1 ALICO MAGNET 2 FERRITE MAGNET 3 RARE-EARTH MAGNET 4 PLASTIC MAGNET Ke 6. 영구자석의특성을나타내는곡선을무엇이라하나요? ( 자기이력곡선 OR HYSTERISYS LOOP)

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서보교육자료배포용.ppt 1. 2. 3. 4. 1. ; + - & (22kW ) 1. ; 1975 1980 1985 1990 1995 2000 DC AC (Ferrite) (NdFeB; ) /, Hybrid Power Thyrister TR IGBT IPM Analog Digital 16 bit 32 bit DSP RISC Dip SMD(Surface Mount Device) P,