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하윤 필
8 years ago
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1 Sensorless BLDC 전동기구동을위한개선된스위칭방법 이호형 * 조황 ** 이기서 *** Improved switching method for sensorless BLDC motor drive Ho-hyoung Lee * Whang Cho ** Key-seo Lee *** 요약 브러시리스 (brushless) DC 전동기는회전자의위치에따라 3상중 2상에전류를흐르게하는방식으로구동되며, 회전자의위치를검출하기위해서는홀센서나엔코더등과같은자기식또는광학식위치검출센서가사용되는데, 이러한센서들은고온이나저온에서원치않는동작을유발할수있고전동기의가격과부피를증가시키는단점이있다. 최근에는전동기의가격과부피적측면그리고강건성을고려하여센서리스 (Sensorless) 전동기구동에관한연구가활발히이루어지고있다. 본논문은전동기를 Unipolar PWM 방법으로고속으로회전시킬경우발생되는노이즈에의해 Zero Crossing Point 관측이어려워정확한제어가용이하지않은문제점을개선하여, 드라이버의수명을증대시키면서고속에서도노이즈를최소화할수있는새로운스위칭방법을제안한다. ABSTRACT In brushless DC motor, current flow should be controlled such that only properly selected 2 out of 3 phases carry current depending on the position of rotor. In order to detect position of rotor, hole sensor, encoder, optical position-detecting sensor, and magnetic position-detecting sensor are frequently employed. These sensors not only often cause malfunction in low and high temperature but they also have disadvantage of increasing cost and size of an motor system. To reduce the cost and size and to increase the robustness of the motor system, recently researches on sensorless motor dirve are very active. This paper proposes a novel unipolar PWM switching method that can improve the control problem caused by the difficulty of detecting zero crossing point at high revolution speed by minimizing the switching noise while increasing the lifespan of the drive system. 키워드 Brushless Motor, Sensorless, Unipolar PWM, Bipolar PWM, Zero Crossing, Improved Unipolar PWM Ⅰ. 서론 BLDC(Brushless DC) 전동기는 DC 전동기에서브러시와정류자대신전자적인정류기구를설치한전 동기이다. 높은효율과토크, 작은크기등을장점으로경전철과열차내의자동문등과같은여러분야에서사용되고있다. BLDC 전동기의구동은인버터회로를이용하여영구자석회전자의위치에따라 3개의상중 * 광운대학교제어계측공학과 (lhh14306@kw.ac.kr) ** 교신저자 : 광운대학교정보제어공학과 (robot@kw.ac.kr) *** 광운대학교정보제어공학과 (kslee@kw.ac.kr) 접수일자 : 심사완료일자 :

2 Sensorless BLDC 전동기구동을위한개선된스위칭방법 항상두상의전류만흐르게하여스위치를구동하고한상은개방되는방식으로이루어진다. 이를위해 BLDC 전동기는회전자위치에따라전동기의상전류를전환해주어야하므로홀센서나엔코더와같은회전자위치검출센서가필수적이며, 이는시스템의가격상승, 부피증가, 사용환경의제약등의문제점을초래한다. 이러한단점을극복하기위하여위치센서없이 BLDC 전동기를구동하는센서리스드라이브개발에대한연구가많이이루어지고있다.[1] 하지만센서가없이구동을할경우고속에서노이즈에의한정밀한제어가힘들어지게되는문제가발생한다.[2] 본논문에서는가장보편화된센서리스제어방법인개방된상의역기전력을측정하여구동하는방법중에서 Bipolar PWM 구동방법의문제점인수명문제와 Unipolar PWM 구동방법에서발생되는노이즈문제를 Improved Unipolar PWM 구동방법으로보안하였고실험을통하여그타당성을검증하였다. (1) 여기서 은전동기내부의중성점전압이고 는각상의전압으로모두 DC 전압원의기준에서본것이다.,, 는각상의전류이다. 역기전력파형은그림 2와같고식 (2) 로나타낸다. (2) 여기서 는역기전력상수이고, 은전동기의영구자석회전자의각속도이다. 는각상의역기전력을회전자의위치에따라정규화한함수이다.[3] Ⅱ. BLDC 전동기의구동방법 2.1. BLDC 전동기 BLDC 전동기는일반 DC 전동기와달리정류자가없기때문에이것을대신하는전자정류회로가필요하게된다. 이회로는홀소자나엔코더를이용하여로터의위치를감지하고, 이신호를기초로전자회로를제어하여회전자기장을발생시킨다. 본논문에서사용된인버터는 DC 전압원을입력전원으로하고, 인버터는그림 1과같이 6개의스위치로구성된다. 그림 2. 역기전력파형 Fig. 2 Back-EMF waveform 각 Segment 의중간지점에서각상마다역기전력의부호가양에서음으로, 음에서양으로두번의 Zero Crossing Point가생김을볼수있다 인버터구동방법 그림 1. 인버터구성도 Fig. 1 Configuration of inverter system 전동기의각상의전류및전압방정식은식 (1) 과같이얻어진다. 일반적으로 BLDC 전동기는영구자석회전자의위치에따라인버터의스위치를 PWM 구동함으로토크출력및속도를조절한다. 구동방식은 3상의스위치중 PWM 구동될스위치의선택에따라여러방법이있는데, 전류가흐를두상중한상의스위치만 165

PWM 구동하고, 다른스위치는켜놓는방법 (Unipolar PWM) 과두상의스위치를모두 PWM 구동하는방법 (Bipolar PWM) 으로나눌수있다. Bipolar PWM 방법을사용할경우상전환시생기는노이즈에는강인하지만모든상의 PWM을사용하므로 FET의수명이 Unipolar PWM 방법에비하여절반밖에되지않는다.

3 PWM 구동하고, 다른스위치는켜놓는방법 (Unipolar PWM) 과두상의스위치를모두 PWM 구동하는방법 (Bipolar PWM) 으로나눌수있다. Bipolar PWM 방법을사용할경우상전환시생기는노이즈에는강인하지만모든상의 PWM을사용하므로 FET의수명이 Unipolar PWM 방법에비하여절반밖에되지않는다. Unipolar PWM 방법을사용할경우에는 Bipolar PWM 방법보다는효율이우수하지만 3상중동작하지않는오픈된상에누설전류가발생하여 Zero Crossing Point를정확히측정하는데어려움이있다. 따라서본논문에서는 Improved Unipolar PWM 구동방법을사용하여 FET의수명과정확한 Zero Crossing Point를찾아낼수있는방법을제안한다.[4,5,6,7] Unipolar PWM(Top 구동 ) 그림 3은 Unipolar PWM 구동중상단의스위치를 PWM 구동하는것을나타낸다. A상에서 B상으로전류가흐르는상태 (Seg1) 를보면 에있는스위치를 PWM 구동하게된다. 이때스위치나다이오드로흐르는전류로인한전압강하는작은값이고, PWM 주기동안속도의변화는매우작으므로무시하면, 시간 에서 의스위치를개방할때식 (3) 과같은관계식이얻어진다. (3) if 상태 if 상태 르게되고, 이전류로인해 이고, 중성점전압과흐르는전류는식 (4) 와같다. 상태 (4) 시간에서 스위치를켜게되면상태 1에서는시간 직전까지식 (4) 의전류로인해중성점전압과 C상에흐르는전류는식 (5) 와같다. (5) C상에흐르는전류가 0이될때까지시간은식 (6) 와같다. (6) 시간에서 C 상에전류가흐르지않고 이된다. 시간 에서부터 PWM 한주기 T 에대해 일경우그림 4의 a -> b -> d -> a 의순서로인버터에전류가흐르게된다. 인경우에는 a -> b -> d -> b -> d와같은흐름을보이게된다. 이때식 (4) 의전류가식 (7) 의전류로흐르게된다. (7) 그림 3. 인버터회로의유니폴라 Top 스위치구동방법 Fig. 3 Unipolar Top switching generation for Inverter circuit 식 (3) 에서상태 1은 이므로 의후리필링다이오드 (free wheeling diode) 를통해전류가흐 그림 4. 스위치개방시 Fig. 4 switch open 상태 2 : 식 (3) 에서역기전력전압이양의값으로 이므로시간 후에도 C 상의전류가흐르지않 166

4 Sensorless BLDC 전동기구동을위한개선된스위칭방법 고, 중성점전압은 가된다. 그림 4에서 a -> c -> a의순서로인버터의전류가흐르게됨을알수있다. 살펴본바와같이상단스위치구동은역기전력이 에서 C상에전류가흐르게된다. 위와같이 Unipolar PWM 구동방법에서는개방된상에서역기전력이개방된상의후리필링다이오드 (free wheeling diode) 를통해전류가흐르는원인이된다 Bipolar PWM 그림 5. 인버터회로의바이폴라스위치구동방법 Fig. 5 Bipolar switching generation for Inverter circuit 그림 5는 seg1에대해서 ( ) 의스위치를동시에 PWM 구동하는동작을한다. ( ) 의스위치를켜게되면식 (8) 과같다. (8) 링다이오드 (free wheeling diode) 를통하여흐르는전류는항상 0 으로유지되어개방된상에누설전류는생기지않지만모든스위치를다켜야하므로수명이감소하게된다 Improved Unipolar PWM BLDC 전동기의센서리스구동은대부분노이즈의영향이없는 Bipolar PWM 구동방법을사용한다. Unipolar PWM 구동방법을사용하게될경우개방된상의후리필링다이오드 (free wheeling diode) 를따라원치않는전류가흐르게된다. 그전류의영향으로생성되는노이즈때문에정확한 Zero Crossing Point를찾아내기가힘들어지게된다. 따라서본논문에서는원치않는전류의흐름을제거한 Improved Unipolar PWM 구동방법을제안한다. Improved Unipolar PWM 구동방법은개방된상의전류의흐름을제거하기위하여각 Segment 상황을두부분으로나누어서개방된상의역기전력의부호가변화하는구간을관찰후변화가이루어졌을때스위칭방식을변경하는방법이다. 그림6의 A 구간에서개방된상의역기전력이양의값을가지므로 스위치를구동하고, B구간에서는개방된상의역기전력이음의값을가지므로 스위치를구동한다. 개방된상의역기전력이양인구간에서는상단스위치를, 음인구간에서는하단스위치구동방법을사용하므로누설전류의흐름을제거할수있다. 이와같이제안한 Improved Unipolar PWM 구동방법을사용하게되면 Unipoar PWM 방법의효율로 Bipolar PWM 방법처럼개방된상에서전류가흐르지않도록개선할수있다.[8] ( ) 의스위치를동시에개방하게되면 ( ) 의후리필링다이오드 (free wheeling diode) 를통해식 (9) 의전류가흐르게되고, 중성점의전압은그대로유지된다. (9) Bipolar PWM 구동방법을사용하게되면후리필 그림 6. 인버터회로의개선된유니폴라스위치구동방법 Fig. 6 Improve Unipolar switching generation for Inverter circuit 167

5 Ⅲ. 실험실험은 KS 전자의 225W급전동기로각상의저항은 이고각상의인덕턴스는 이다. 실험에는 TI사의 TMS320F28335를연산기및제어기로사용하여구동구동알고리즘을구연하였다. 그림 7은 Bipolar PWM 방법으로그림 8은 Unipolar PWM(Top 구동 ) 방법으로그림 9는개선된 Unipolar PWM 방법으로인버터를 Duty 20% 를주고구동하였을때각각한상에흐르는실제전류를오실로스코프를통하여계측한것이다.[9,10] Unipolar PWM 방법으로구동을하였을경우에는그림8과같이개방된상에서원치않는전류의흐름이관측됨을볼수있다. 개방된상에나타나는원치않는전류의흐름은 Zero Crossing Point에서노이즈를유발하여정확한관측이힘들어지게한다. 하지만 Bipolar PWM 방법이나 Improved Unipolar PWM 방법을사용하게되면위의그림과같이개방된상에서의전류의흐름이없어정확한 Zero Crossing Point를찾아낼수있다. 또그림10과그림11은 Unipolar PWM(Top 구동 ) 방법과개선된 Unipolar PWM 방법으로인버터를 Duty 40% 로구동시나타난전류의파형이다. 그림 7. 바이폴라 PWM 방법 (Duty 20%) Fig. 7 Bipolar PWM Method(Duty 20%) 그림 10. 유니폴라 PWM 방법 (Duty 40%) Fig. 10 Unipolar PWM Method(Duty 40%) 그림 8. 유니폴라 PWM 방법 (Duty 20%) Fig. 8 Unipolar PWM Method(Duty 20%) 그림 11. 개선된유니폴라 PWM 방법 (Duty 40%) Fig. 11 Improve Unipolar PWM Method(Duty 40%) 그림 9. 개선된유니폴라 PWM 방법 (Duty 20%) Fig. 9 Improve Unipolar PWM Method(Duty 20%) 그림10에서와같이일반 Unipolar PWM 방법을사용하면 Duty의증가에따라개방된상에서의원하지않는전류의양도증가하여생기는노이즈로인하여 Zero Crossing Point를찾기가더욱힘들어지게된다. 하지만 Improved Unipolar PWM 방법으로구동을하였을경우에는그림11과같이 Duty의증가에따 168

6 Sensorless BLDC 전동기구동을위한개선된스위칭방법 른개방된상에서원치않는전류흐름은나타나지않아쉽게 Zero Crossing Point를관측할수있다. Ⅳ. 결론본논문에서는 BLDC 전동기를 Unipolar PWM 구동방법으로구동할때개방된상의후리필링다이오드 (free wheeling Diode) 를통해흐르는누설전류의흐름을제거하여높은회전속도에서도 Zero Crossing Point의관측을용이하게하기위하여 Improved Unipolar PWM 구동방법을제안하였다. 제안된방식은 Bipolar PWM 구동방법에비하여스위칭횟수가절반으로줄어들기때문에드라이버의수명연장을가능하게한다. [7] Tae-Sung Kim, Sung-Chan Ahn and Dong-seok Hyun, BLDC 전동기의토크리플저감을위한새로운전류제어알고리즘에대한연구, 전력전자학회논문집, Vol 6, No. 5, pp , [8] Kwang-Woon Lee, Jung-bae Park, Hyeong-Gee Yeo, Ji-Yoon yoo and Hyun-Min Jo, Current Control Algorithm to Reduce torque Ripple In Brushless DC Motors, ICPE 국제학술대회논문집, pp , [9] M. A. Rahman, Modern Electric Motors in Electronic World, Proc. of IEEE IECON, pp , [10] N.Matsui, Sensorless PM Brushless DC motor drives, IEEE trans Industrial Electronics, Vol. 43, No. 2, pp , 저자소개 감사의글 본논문은 2008년도광운대학교의연구비지원으로수행되었슴. 참고문헌 [1] 전용호, 조황, 최익, 속도센서가없는허브-휠전동기의속도추정을위한이산시간칼만필터의설계및구현, 한국철도학회논문집, Vol 11, No. 2, pp , [2] 김태성, 박병건, 이동명, 유지수, 현동석, A New Approach to sensorless Control Method for Brushless DC Motors, International Journal of Control Automation and Systems, Vol. 6, No. 4, pp , [3] 김길동, 조정민, 철도차량의 Anti-Slip 제어및속도센서리스벡터제어, 한국철도학회논문집, Vol. 8, No. 3, pp , [4] Timothy Chang, Chung Wang, Edwin Chhen, Speed Control of Brushless Motor Using Low Resolution Sensor, Proceedings of the American Control Conference, [5] 배건웅, 이재영, 최경선, Sensorless BLDC Motor 제어기개발, 대한기계학회추계학술대회논문집, pp , [6] 설승기, 전기기기제어론, 브레인코리아, 이호형 (Ho-hyoung Lee) 2006년 2월조선대학교기계학과졸업 ( 공학사 ) 2010년 2월광운대학교대학원제어계측공학과 ( 공학박사재학중 ) 주관심분야 : 모터제어, 로봇제어조황 (Whang Cho) 1981년 2월인하대학교기계학과졸업 ( 공학사 ) 1985년 8월 University of Texas Austin 기계공학과 ( 공학석사 ) 1989년 8월 University of Texas Austin 기계공학과 ( 공학박사 ) 1990년 ~ 현재 : 광운대학교정보제어공학과교수 주관심분야 : 전기 System 및제어, 로봇제어, 의료정보시스템 169

7 이기서 (Key-seo Lee) 1977년 2월연세대학교전기공학과졸업 ( 공학사 ) 1979년 2월연세대학교대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 1986년 2월연세대학교대학원전기공학과 ( 공학박사 ) 1981년 ~ 현재 : 광운대학교정보제어공학교교수 주관심분야 : RAMS, Digital Control System 170

실험 5

실험 5 실험. OP Amp 의기초회로 Inverting Amplifier OP amp 를이용한아래와같은 inverting amplifier 회로를고려해본다. ( 그림 ) Inverting amplifier 위의회로에서 OP amp의 입력단자는 + 입력단자와동일한그라운드전압, 즉 0V를유지한다. 또한 OP amp 입력단자로흘러들어가는전류는 0 이므로, 저항에흐르는전류는다음과같다.