Transcript BLDC 모터의 성능 향상을 위한 이상기동

브러시리스 DC 모터의
기동 토크 향상 및 고속 구동을 위한
이상기동-단상구동 구동법에 관한 연구
발표자: 김명규
초정밀회전기기연구실
2003. 01. 25
목차
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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
– 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.
A
A
C
B
B
C
Neutral point
(a) Y-winding
(b) -winding
– 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)
구동법 – 이상 구동(Bipolar drive)
• 이상 구동(Bipolar drive) – 중립점(Neutral point)을 사용하지 않음.
-전기각 120 동안 통전하며 모터의
두개 상에 전류가 흐름.
-전기각 60  마다 정류를 해야 항상
한 방향의 토크를 얻음.
(b)
(a)
(b)
Inverter circuit for bipolar drive
Current of bipolar drive
※본 세미나에서 사용되는 각도는 모두 전기각.
• Commutation sequence and Torque curve of bipolar drive
AB
Torque
AC
BC
BA
CA
CB
0
60
120 180 240 300 360
(b)
(a)
(a)
(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.
+VS
A+
B+
A
C+
B
-모터의 하나의 상에서 한 방향으로 전류가 흐름.
-권선의 사용률이 떨어짐.
-스위칭 소자의 감소로 비용 절감.
C
• H-bridge and T-bridge
+VS
S1
S2
+VS
S1
Load
Load
S3
S4
S2
-VS
(a) H-bridge
(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
(a)
-전기각 60 동안 통전하며 모터의
하나의 상에 전류가 흐름.
-하나의 상에 양방향으로 전류가
흐를 수 있음.
(b)
(a)
(b)
Inverter circuit for Unipolar drive
Current of Unipolar drive
-전기각 60  마다 정류를 해야 항상
한 방향의 토크를 얻음.
• Commutation sequence and Torque curve of Unipolar drive
Torque
BA+
C-
B+
A30 
C+
90  150  210  270  330 
(b)
(a)
(a)
(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
T  KT I a
V  I a Ra  K E
K K
K
T  T E TV
Ra
Ra
KT  K E
Ra
V
(in SI unit)
2
K
K
T  T  TV
Ra
Ra
KT :torque constant
K E :back emf constant
Ra :resistance
I a :current of energized phase
 :speed
V :voltage
-T-  관계식에서 기울기는 공급 전압과 속도에 독립적.
-속도가 증가함에 따라 토크는 선형적으로 감소.
Ia
E=KE
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
이상 구동 : t or que cons t ant  K E  KT
r es i s t ance  Ra
단상 구동 : t or que cons t ant 
r es i s t ance 
1
1
K E  KT
2
2
1
Ra
2
-Torque-speed 관계식
2
K
K
이상 구동 : T   T  + T V
Ra
Ra
TS 
KT
V
V : starting torque,  0 
Ra
KT
: no-load speed
2
K
K
단상 구동 : T   T  + T V
2 Ra
Ra
TS 
KT
2V
V : starting torque,  0 
Ra
KT
: no-load speed
• 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.
-Unipolar drive run the motor to
twice the speed of a bipolar drive.
-Nonlinear torque-speed relation.
• Torque-speed curve of bipolar and unipolar drive.
-Unipolar drive requires large input
current to produce the same torque
output.
• Torque-current curve of bipolar and unipolar drive.
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.
• 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.
•Variation of phase current of a BLDC motor (a) bipolar drive
(b) unipolar drive (c) bipolar-starting and unipolar-running drive.
Experiment-4
-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%
• Speed variation of a BLDC motor.
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.
R
R
Vin
+
Vout = - Vin
Vout
– 기존의 Driver circuit와 DSP code를 이용.
-12V
5V
12V
Driver Circuit
OP Amp
GND
• 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
C
A-
B-
C-
B
SW 1
OPEN
GND
+12V
GND
•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.
A
B
C
-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.
Torque ripple
-실재 Torque curve 는 flat 하지않고
ripple을 수반한다.
AB
T
-실험을 통하여 실제 Torque curve는
sine wave와 유사할 것으로 유추.
AC
B
C①
②
-Torque AB 중 후반부는 사용되지 않는
C-를 통하여 보상.
-Torque AC 중 전반부는 사용되지 않는
B-를 통하여 보상.
-Torque ripple의 개선 가능성.