브러시리스 DC 모터의 기동 토크 향상 및 고속 구동을 위한 이상기동-단상구동 구동법에 관한 연구 발표자: 김명규 초정밀회전기기연구실 2003. 01. 25

목 차 연구 배경 및 목적 연구 방법 BLDC 모터의 권선법 BLDC 모터의 구동법 BLDC 모터의 Torque-speed curve 이론식 BLDC 모터의 토크 비선형성 이상기동-단상구동 구동법 System Implementation Experiment 결론 추가 사항 향후 연구 방향

연구 배경 및 목적 연구 배경 연구 목적 브러시리스 DC 모터(BLDC)는 고속이 필요한 기전 시스템에 널리 이용. 넓은 속도 범위에서 높은 효율과 제어의 용이성 예) HDD는 데이터의 접근 속도를 빠르게 하기 위하여 고속화 경향. BLDC 모터는 특성 상 고속 구동용으로 설계 시 기동 토크가 작아짐.  고속 구동에 이용하는 BLDC 모터의 중요한 결점 중 하나. 연구 목적 고속 BLDC 모터에 관한 연구는 일반적으로 모터의 기계적, 전기적 문제점을 개선하여 새로 설계, 제작하는 방법으로 진행. 초기 기동과 고속 구동을 고려한 권선법과 구동법의 연구에 초점. 예) Chen and Jabbar  A series-winding start and parallel-winding run 본 연구에서는 ‘이상기동-단상구동 알고리즘’ 을 제시 및 실험적으로 입증.

연구 방법 BLDC 모터의 구동법 고찰. 기동 토크 향상과 고속 구동을 위한 이상기동-단상구동 알고리즘 (Bipolar-starting and unipolar-running drive algorithm) 제안. 여러 구동법으로 BLDC 모터를 구동할 수 있는 DSP-based Controller 개발. 개발된 Controller를 이용한 BLDC 모터의 속도-토크 실험.

BLDC 모터의 권선법 BLDC 모터는 일반적으로 3-phase을 가장 많이 이용. 3-phase BLDC 모터의 권선법. 3-phase BLDC motor는 Y-winding 을 주로 사용. -winding 은 권선 내부에 순환 전류의 존재 가능성. Y-winding BLDC 모터는 중립점의 사용 유무에 따라 이상 구동 (Bipolar drive) 단상 구동 (Unipolar drive) (a) Y-winding Neutral point A C B (b) -winding

구동법 – 이상 구동(Bipolar drive) 이상 구동(Bipolar drive) – 중립점(Neutral point)을 사용하지 않음. Inverter circuit for bipolar drive Current of bipolar drive (b) 전기각 120 동안 통전하며 모터의 두개 상에 전류가 흐름. 전기각 60  마다 정류를 해야 항상 한 방향의 토크를 얻음. ※본 세미나에서 사용되는 각도는 모두 전기각.

Commutation sequence and Torque curve of bipolar drive 0 60 120 180 240 300 360 AB AC BC BA CA CB (b) Commutation table of bipolar drive Torque curve of bipolar drive (a)  이상 구동 시 회전자 위치에 따른 정류 순선. (b)  이상 구동 시 회전자의 위치에 따른 각 여자상의 이상적인 토크 곡선.

구동법 – 단상 구동(Unipolar drive) 단상 구동(Unipolar drive) – 중립점(Neutral point)을 사용함. H-bridge and T-bridge +VS A+ B+ C+ A B C -모터의 하나의 상에서 한 방향으로 전류가 흐름. -권선의 사용률이 떨어짐. -스위칭 소자의 감소로 비용 절감. +VS Load S1 S2 S3 S4 (a) H-bridge -VS (b) T-bridge 이상 구동 에 사용되는 인버터는 전형적인 H-bridge. 이상 구동과 단상 구동을 혼용하기 위하여 단상 구동의 인버터를 T-bridge로 전환.

Inverter for Unipolar drive – T-bridge type Inverter circuit for Unipolar drive Current of Unipolar drive (a) (b) 전기각 60 동안 통전하며 모터의 하나의 상에 전류가 흐름. 하나의 상에 양방향으로 전류가 흐를 수 있음. 전기각 60  마다 정류를 해야 항상 한 방향의 토크를 얻음.

Commutation sequence and Torque curve of Unipolar drive B- A+ C- B+ A- C+ 30  90  150  210  270  330  (b) Commutation table of unipolar drive Torque curve of unipolar drive (a)  단상 구동 시 회전자 위치에 따른 정류 순선. (b)  단상 구동 시 회전자의 위치에 따른 각 여자상의 이상적인 토크 곡선.

Torque-Speed curve 이론식 Torque-speed-current relationship of a BLDC motor Ra Ia V E=KE T-  관계식에서 기울기는 공급 전압과 속도에 독립적. 속도가 증가함에 따라 토크는 선형적으로 감소.

BLDC 모터의 토크 비선형성 BLDC 모터 설계 시 토크 상수는 일정하게 설계. Torque nonlinearity of BLDC motor. 실제로 출력 토크와 입력 전류의 관계는 비선형적. Armature Reaction and Saturation The magnetic effect of stator current 과전류에 의한 자속 포화로 토크 상수 감소. Torque nonlinearity의 주요 원인. Magnet Heating 과전류에 의한 모터의 과열. 과전류는 모터 뿐만 아니라 구동 회로에도 부담.

이상기동-단상구동 구동법 이상 구동 vs. 단상 구동 -Torque-speed 관계식

Torque nonlinearity 발생. 초기 기동 시 모터로 과전류 유입  철심에 자속 포화. 공급 전압이 일정할 경우 이상 구동보다 단상 구동 시 더 많은 전류 유입. 이상 구동보다 단상 구동 시 토크 상수 감소가 더 큼. 이상 구동보다 단상 구동 시 기동 토크가 작음. 이상기동-단상구동 구동법 (Bipolar-starting and Unipolar-running drive method) 이상 구동과 같은 기동 토크. 단상 구동과 같은 회전 속도. 고속 스핀들 시스템에 사용되는 BLDC 모터의 구동법으로 적합.

Inverter circuit for bipolar-starting and unipolar running drive 이상 구동, 단산 구동, 이상기동-단상구동에 이용. 이상 구동  단상 구동 : 1. 전기각 30  만큼 위상차를 보상 후 정류. 2. Switch 1 (OpenGround) Switch 2 (Ground-12V)

System Implementation Developed DSP-based BLDC motor controller DSP  모터를 구동하기 위한 모든 작업 수행. Inverter Circuit 의 전기적 스위치를 작동. Controller  이상 구동, 단상 구동, 이상 구동에서 단상 구동으로의 전환.

Experiment Experimental setup to measure torque-speed-current characteristics. - 실험용 모터 Spec. • 8pole 12slot • 입력 전압 : 12V • 정격 속도 : 5400rpm -Torque Meter 사용. • Load torque : 0.5mNm -Current Probe 사용.

Experiment-1 -Bipolar drive generates a large staring torque. • Torque-speed curve of bipolar and unipolar drive. • Torque-current curve of bipolar and unipolar drive. -Bipolar drive generates a large staring torque. -Unipolar drive run the motor to twice the speed of a bipolar drive. -Nonlinear torque-speed relation. Unipolar drive requires large input current to produce the same torque output.

Experiment-2 • Speed and current profile of bipolar drive. • Speed and current profile of unipolar drive. • Speed and current profile of bipolar-starting and unipolar running.

Experiment-3 -무 부하 조건. -이상 구동. •Variation of phase current of a BLDC motor (a) bipolar drive (b) unipolar drive (c) bipolar-starting and unipolar-running drive. -무 부하 조건. -이상 구동. • start up the motor with 1.6A • 8300rpm with 0.2A -단상 구동. • start up the motor with 2.7A • 16300rpm with 0.6A -이상기동-단상구동. • switched at 4000prm • start up the motor with 1.6A • 16300rpm with 0.6A • 모터로 유입되는 과전류를 줄임.

Experiment-4 -전환 시점 : 4000rpm. • Speed variation of a BLDC motor. -전환 시점 : 4000rpm. -이상기동-단상구동, 단상 구동 모두 최고 속도 일치 : 16300rpm. -이상기동-단상구동의 초기 기동은 이상 구동과 일치. -10000rpm 도달 시간 차 A : 13% 12000rpm 도달 시간 차 B : 11% 14000rpm 도달 시간 차 C : 9%

결 론 단상 구동 시 이상 구동 보다 최대 속도가 2배 증가함을 확인. 결 론 단상 구동 시 이상 구동 보다 최대 속도가 2배 증가함을 확인. 단상 구동 시 이상 구동 보다 기동 토크가 줄어듦을 확인. 이상기동-단상구동 구동법이 고속 스핀들 시스템에 사용되는 BLDC 모터의 구동법으로 적합함. 초기 기동에 이상 구동을 적용함으로 초기 과전류 입력에 의한 회로 부담을 줄이고 기동 시간을 단축할 수 있음을 확인.

추가 사항 단상 구동 시 입력 전원에 문제점 존재. 이상 구동 시 모터의 입력 전원  +12V 단상 구동 시 모터의 입력 전원  +12V, -12V 단상 구동 시 모터의 입력 전원을 추가로 필요로 하는 문제점 존재  기존의 입력 전원을 그대로 이용하는 방안 필요. 단축 방안 1 : OP-Amp의 Inverting Amplifier 기능 이용. 단축 방안 2 : Motor Driver의 구조를 새롭게 변경.

입력 전원 단축 방안 (1) 단상 구동 시 외부의 새로운 입력 전원(-12V) 대신 기존에 사용되는 입력 전원(12V)를 –12V로 전환하여 사용. OP-Amp의 Inverting Amplifier 기능 이용. 기존의 Driver circuit와 DSP code를 이용. + - R Vin Vout Vout = - Vin 5V GND OP Amp 12V -12V Driver Circuit

입력 전원 단축 방안 (2) 이상 구동과 단상 구동 모두 상간 전압차는 항상 12V. 단상 구동 시 모터의 입력 전원으로 –12V를 사용하지 않고 이상 구동, 단상 구동 모두 +12V를 사용. + 12V A + B + C + A - B - C - A B C SW 1 GND +12V OPEN •이상 구동 : SW1  OPEN 단상 구동 : SW1  GND, +12V •현재 사용하는 Driver -이상 구동에서 단상 구동으로 전환 시에만 입력 전원을 전환. -이상 구동과 단상 구동 시 모두 정류 순간에는 입력 전원을 유지. •새롭게 제안된 Driver -이상 구동 시에는 항상 입력 전환을 유지. -단상 구동 시에는 정류 순간 마다 입력 전원을 전환.

향후 연구 방향 BLDC 모터의 3-phase 구동. phase A, B, C 모두의 winding 에서 Torque를 받기 위한 전류의 흐름. 위 전류의 흐름과 같지 않을 경우 권선 내의 전류가 서로 상쇄되는 부분이 존재. 8pole-12slot motor, 12pole-9slot motor가 위와 같은 전류의 흐름을 갖을 경우 양끝의 권선이 같은 자속을 갖는 pole에 위치하게 되어 서로 반대 방향의 토크를 발생. 3-phase 모두가 torque를 받기 위한 pole-slot의 조합을 고안.  기동 토크의 향상 목표.

BLDC 모터의 torque-ripple 개선. 실재 Torque curve 는 flat 하지않고 ripple을 수반한다. T  C- B- ① ② AB AC 실험을 통하여 실제 Torque curve는 sine wave와 유사할 것으로 유추. Torque AB 중 후반부는 사용되지 않는 C-를 통하여 보상. Torque AC 중 전반부는 사용되지 않는 B-를 통하여 보상. Torque ripple의 개선 가능성.