Brushless DC Motor의 속도 제어(졸업논문)

소개글

Brushless DC Motor의 속도 제어(졸업논문)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론

2. DC 모터
2.1 DC 모터의 개요
2.1.1 DC 모터의 구조 및 원리
2.1.1.1 고정자(Stator)
2.1.1.2 회전자(Rotor)
2.1.1.3 브러시(Brush)와 정류자(Commutator)
2.2 DC 모터의 종류
2.2.1 영구자석형 DC 모터(Permanet Magnet Brushed DC Motor)
2.2.2 분권형 DC 모터(Shunt-Wound Brushed DC Motor)
2.2.3 직권형 DC 모터(Series-Wound Brushed DC Motor)
2.2.4 복권형 DC 모터(Compound-Wound Brushed DC Motor)
2.2.5 DC 모터의 종류별 속도 vs 토크 특성

3. BLDC 모터
3.1 브러시리스 모터 소개
3.1.1 브러시리스 모터의 특징
3.1.2 브러시리스 모터의 분류
3.1.2.1 모터 구조에 의한 분류
3.1.2.1.1 내전형 회전자
3.1.2.1.2 외전형 회전자
3.1.2.1.3 플랫형(편평형) 회전자
3.1.2.2 외관 형상에 의한 분류
3.1.2.2.1 슬롯리스형 고정자
3.1.2.2.2 슬롯형 고정자
3.1.2.2.3 플랫형 고정자
3.1.2.3 위치센서에 의한 분류
3.1.2.3.1 홀 소자를 이용한 위치검출
3.1.2.3.2 홀 IC를 이용한 위치검출
3.1.2.3.3 헤드 인터럽터를 이용한 위치검출
3.1.2.3.4 자기포화소자에 대한 위치검출
3.1.3 브러시리스 모터의 구조
3.1.3.1 고정자(Stator)
3.1.3.2 회전자(Rotor)
3.1.4 홀-센서(Hall Sensor)
3.1.5 BLDC 모터의 특성
3.1.5.1 토크(Torque)-속도(Speed) 특성
3.1.5.2 BLDC 모터 특성 비교
3.2 브러시리스 DC 모터의 동작 원리
3.2.1 브러시리스 DC 모터의 동작 원리
3.2.2 속도 검출(회전수 검출)
3.2.2.1 광학적 검출법(포토 엔코더)
3.2.2.2 자기적 검출법
3.2.2.3 AC 타코제네레이터
3.2.2.4 역기전압 방식
3.3 브러시리스 DC 모터의 6-스텝 제어
3.3.1 6-스텝 커뮤테이션(Six Step Commutation)
3.3.1.1 6-스텝 커뮤테이션의 이해
3.3.1.2 홀-센서 피드백 6-스텝 커뮤테이션의 개요

4. BLDC 모터의 제어
4.1 BLDC 모터의 구성
4.2 BLDC 모터의 모델링
4.3 PWM 구현 방식
4.4 PI 전류제어기에 의한 제어
4.5 센서리스(Sensorless) BLDC 모터 제어
4.5.1 역기전력을 이용한 위치 검출
4.5.2 Sensorless BLDC 모터의 속도 제어
4.5.3 시뮬레이션

5. 결론
참고문헌

본문내용

회로로써 3상(3 phase) Y 결선 브러시리스 DC 모터에 쓰이는 트랜지스터로 구성된 인버터 회로이다. 브러시방식 DC 모터의 정류자와 브러시의 동작 특성은 트랜지스터의 스위치 작용으로 등가 시킬 수 있다.
<그림 4-13> 센서리스 BLDC 모터에 사용되는 인버터회로
4.5.1 역기전력을 이용한 위치 검출
사각파 구동을 하는 3상 브러시리스 DC 모터는 한 정류단계에 두 상에만 전류가 흐르고, 나머지 한 상에는 전류가 흐르지 않는다. 회전자가 회전하면 각 상에는 역기전력이 발생한다. 이때 전류가 흐르지 않는 상에 발생하는 역기전력을 위치 검출에 사용할 수 있다. 순수 역기전력 성분만을 직접 뽑아낼 수는 없고, 단자 전압을 측정함으로써 그 속에 포함된 역기전력 성분의 특성을 이용해 위치 검출을 할 수 있다.
<그림 4-14> (a)의 각 상의 역기전력에 의한 6개의 여자 구간에서의 각 상전압 및 중성점 전압파형은 <그림 4-14> (b)와 같다.
<그림 4-14> 역기전력을 이용한 위치 검출
4.5.2 Sensorless BLDC 모터의 속도 제어
브러시리스 DC 모터에서 회전자의 위치에 따라 주기적으로 변화하는 정류신호를 이용하여 전기적 주기를 측정함으로써 속도를 피드백 받을 수 있다. 피드백 받은 속도로 <그림 4-15>와 같이 시스템을 구성하여 제어를 수행한다. 속도 제어를 위해 PWM을 이용하고 DSP에서 디지털 방식으로 PWM을 출력한다.
<그림 4-15> 속도제어루프
<그림 4-16>은 DSP를 기반으로 하여 모터의 구동과 속도를 제어하고, 실시간으로 모터의 속도를 모니터링 하기 위해 PC를 사용하는 시스템 전체의 구성도이다. 이 시스템은 사용자가 PC 프로그램에서 모터 구동에 필요한 기본값들을 지정하면 DSP가 그 값들을 받아 모터 구동과 제어를 수행하고 PC에서는 모터의 속도 정보와 각종 아날로그 신호값들을 통신 회로를 통해 실시간으로 모니터링 할 수 있게 한다.
<그림 4-16> 시스템 구성도
4.5.3 시뮬레이션
○ 모터의 파라미터 선정
정격용량() = 19.9[kW]
정격전압() = 260[V]
정격전류() = 90[A]
정격속도() = 1850[rpm] 1850×=193.728[rad/s]
전기자 등가저항() = 0.35[Ω]
전기자 등가인덕턴스() = 6.5[mH]
토크상수() = 1.14[Nm/A]
전동기 관성(J) = 0.001[]
마찰계수(B) = 0
부하토크() = 0
○ 계산
정격출력
정격토크
정격속도
[rad/s]
=1850[rpm]=1850×=193.728[rad/s]
○ 속도제어기의 설계
토크제어기는 1st LPF 형태로 가정
- 속도제어기의 제어 주파수 대역 부근에서 가능함
- 토크제어기의 제어 주파수 대역
속도와 토크의 제한
- 제한속도 : 정격속도(약 1800[rpm]) 200[rad/s]
- 제한토크 : 정격토크(약 100[Nm]) 100[Nm]
○ MATLAB Simulink를 이용하여 구현한 Block Diagram
○ 제어기의 선정과 응답 확인
위치제어기
- P제어기 사용
- 과도상태 특성과 정상상태 특성의 영향을 고려한 적절한 값 설정
- Damping ratio = 1.5로 선정
속도제어기
- PI제어기 사용
- 과도상태 특성과 정상상태 특성의 영향을 고려한 적절한 값 설정
- BW = 300으로 선정
Simulation
- 지령위치 :
- 부하토크 :
- Noise 영향 배제
○ 지령위치와 실제위치
○ 지령속도와 실제속도
○ 지령토크와 실제토크
○ 부하토크 변동에 따른 응답
부하토크 () - 0~0.5[sec] : = 0[Nm]
- 0.5~1[sec] : = 50[Nm]
- 1~1.5[sec] : = 0[Nm]
○ 지령위치와 실제위치
○ 지령속도와 실제속도
○ 지령토크와 실제토크
4. 결론
본 논문에서는 DC 모터 중에서 BLDC 모터에 대해서 알아보았다. 그리고 센서리스(Sensorless) BLDC 모터의 제어를 MATLAB Simulink를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
신뢰성과 내 환경성에서 우수한 특성을 가지고 있는 AC 서보 모터는 가전분야의 지속적인 시장점유와 공작기계를 포함한 산업용기기 분야의 폭넓은 시장을 가지고 있었으나 타모터에 비하여 상대적으로 낮은 효율과 제어가 용이하지 않다는 단점으로 인하여, 제품의 고효율화가 요구되고 있는 가전의 각 세트제품에서 타모터 BLDC 모터화가 지속적으로 진행되고 있다. 기존의 DC 서보 모터는 구조적으로 정류자와 브러시의 마찰에 의해 발생되는 신뢰성의 저하, 수명단축, 유지보수의 필요성이 대두되어 개선이 요구됨에 따라 최근에는 전자소자를 이용한 전자 스위칭 방식의 BLDC 서보 모터로 대체되어가고 있는 상황에 있다. 따라서 DC 모터의 한 부류인 BLDC 모터의 경우 90년대 이후로 컴퓨터 산업을 포함한 정보화 산업의 급속한 발전에 따라 그 생산량이 급성장하고 있다.
이것은 BLDC 모터의 경우 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환으로 장수명의 특징과 고 에너지밀도를 갖는 마그네트를 이용한 고 효율화 및 소형화가 유리하다는 장점을 갖고 있기 때문이다. 또한 BLDC 모터는 변속제어가 용이하다는 특징으로 많은 분야에서 그 수요가 날로 증가하고 있다.
이 논문을 통해 앞으로 더 유용하게 사용될 BLDC 모터에 대한 고찰에 유용하게 사용되어질 것을 기대한다.
참고 문헌
[1] 서한석, 최영섭(2008), ‘마이크로칩 마이크로컨트롤러 응용 모터 컨트롤’, 지앤북
[2] Bonnie C. Baker, ‘센서리스 BLDC모터 컨트롤의 장점’, 마이크로칩 터크놀로지
[3] 김정욱 외 4명, ‘The BLDC Motor Control for Platform Screen Door'
[4] 이희중 외 3명, ‘Design of Control System to Drive EMDP(Electric Motor Driven Pump) using Brushless DC Motor’, 항공우주기술 제4권 제1호
[5] 하용봉, ‘Sensorless Brushless DC 모터제어(Control of Sensorless BLDC Motor)’, 한국특허정보원

키워드

BLDC 모터,   brushless dc motor,   모터 제어,   속도 제어,   dc 모터,   졸업논문,   전기공학