발표자발표자 : : 김명규김명규

초정밀회전기기연구실초정밀회전기기연구실

2003. 01. 252003. 01. 25

브러시리스 브러시리스 DC DC 모터의 모터의 기동 토크 향상 및 고속 구동을 위한 기동 토크 향상 및 고속 구동을 위한

이상기동이상기동 -- 단상구동 구동법에 관한 연구단상구동 구동법에 관한 연구

목 차목 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 목적연구 배경 및 목적

• 연구 배경– 브러시리스 DC 모터 (BLDC) 는 고속이 필요한 기전 시스템에

널리 이용 .• 넓은 속도 범위에서 높은 효율과 제어의 용이성• 예 ) HDD 는 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 실험적으로입증 .

연구 방법연구 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 Controller 를 이용한 BLDC 모터의 속도 - 토크 실험 .

BLDC BLDC 모터의 권선법모터의 권선법

• BLDC 모터는 일반적으로 3-phase 을 가장 많이 이용 .• 3-phase BLDC 모터의 권선법 .

– 3-phase BLDC motor 는 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

A

C B

구동법 – 구동법 – 이상 구동이상 구동 (Bipolar drive)(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 .

(a) Inverter circuit for bipolar drive(b) Current of bipolar drive

(b)

※ 본 세미나에서 사용되는 각도는 모두 전기각 .

• Commutation sequence and Torque curve of bipolar drive

(a)T

orqu

e

0 60 120 180 240 300 360

AB

AC

BC

BA

CA

CB

(b)

(a) Commutation table of bipolar drive(b) 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 – 구동법 – 단상 구동단상 구동 (Unipolar drive)(Unipolar drive)

• 단상 구동 (Unipolar drive) – 중립점 (Neutral point) 을 사용함 .

• H-bridge and T-bridge

- 모터의 하나의 상에서 한 방향으로 전류가 흐름 .- 권선의 사용률이 떨어짐 .- 스위칭 소자의 감소로 비용 절감 .

+VS

A+ B+ C+

A B C

+VS

Load

S1 S2

S3 S4

(a) H-bridge

+VS

-VS

Load

S1

S2

(b) T-bridge

-이상 구동 에 사용되는 인버터는 전형적인 H-bridge.-이상 구동과 단상 구동을 혼용하기 위하여 단상 구동의 인버터를 T-bridge 로 전환 .

• Inverter for Unipolar drive – T-bridge type

-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 .

(a) Inverter circuit for Unipolar drive(b) Current of Unipolar drive

(a)

(b)

• Commutation sequence and Torque curve of Unipolar drive

(a)T

orqu

e

B-

A+

C-

B+

A-

C+30 90 150 210 270 330

(b)

(a) Commutation table of unipolar drive(b) 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 Torque-Speed curve 이론식이론식

• 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 .

2

(in SI unit)

T a

a a E

T E T

a a

T E

T T

a a

T K I

V I R K

K K KT V

R R

K K

K KT V

R R

:torque constant :back emf constant

:resistance :current of energized phase

:speed :voltage

T E

a a

K K

R I

V

BLDC BLDC 모터의 토크 비선형성모터의 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 nonlinearity 의 주요 원인 .

– Magnet Heating• 과전류에 의한 모터의 과열 .

• 과전류는 모터 뿐만 아니라 구동 회로에도 부담 .

이상기동이상기동 -- 단상구동 구동법단상구동 구동법

• 이상 구동 vs. 단상 구동

1

2

E T

a

E T

a

K K

R

K K

R

: torque constant 이상 구동 resi stance

1: torque constant 단상 구동

21

resi stance 2

2

0

2

0

: starting torque, : no-load speed

2

2 : starting torque, : no-load speed

T T

a a

TS

a T

T T

a a

TS

a T

K KT V

R R

K VT V

R K

K KT V

R R

K VT V

R K

: +이상 구동

: +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 (OpenGround) Switch 2 (Ground-12V)

System ImplementationSystem 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 .

ExperimentExperiment

• 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-1Experiment-1

• 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-2Experiment-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-3Experiment-3

•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-4Experiment-4

• 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 론결 론

• 단상 구동 시 이상 구동 보다 최대 속도가 2 배 증가함을 확인 .

• 단상 구동 시 이상 구동 보다 기동 토크가 줄어듦을 확인 .

• 이상기동 - 단상구동 구동법이 고속 스핀들 시스템에 사용되는BLDC 모터의 구동법으로 적합함 .

• 초기 기동에 이상 구동을 적용함으로 초기 과전류 입력에 의한회로 부담을 줄이고 기동 시간을 단축할 수 있음을 확인 .

추가 사항추가 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-Amp 의 Inverting Amplifier 기능 이용 .단축 방안 2 : Motor Driver 의 구조를 새롭게 변경 .

• 입력 전원 단축 방안 (1)– 단상 구동 시 외부의 새로운 입력 전원 (-12V) 대신 기존에 사용되는

입력 전원 (12V) 를 – 12V 로 전환하여 사용 .

– OP-Amp 의 Inverting Amplifier 기능 이용 .

– 기존의 Driver circuit 와 DSP code 를 이용 .

+-

R

R

Vin Vout

Vout = - Vin

5V

GNDOP 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 – 12V 를 사용하지 않고이상 구동 , 단상 구동 모두 +12V 를 사용 .+ 12V

A + B + C +

A - B - C -

A

B

C

SW 1

GND

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 방향향후 연구 방향

• BLDC 모터의 3-phase 구동 .

A B C

-phase A, B, C 모두의 winding 에서 Torque 를 받기 위한 전류의 흐름 .

-위 전류의 흐름과 같지 않을 경우 권선 내의 전류가 서로 상쇄되는 부분이 존재 .

-8pole-12slot motor, 12pole-9slot motor 가 위와 같은 전류의 흐름을 갖을 경우 양끝의 권선이 같은 자속을 갖는 pole 에 위치하게 되어 서로 반대 방향의 토크를 발생 .

-3-phase 모두가 torque 를 받기 위한 pole-slot 의 조합을 고안 . 기동 토크의 향상 목표 .

• BLDC 모터의 torque-ripple 개선 .

Torque ripple

-실재 Torque curve 는 flat 하지않고 ripple 을 수반한다 .

T

C-

B-

① ②

AB AC -실험을 통하여 실제 Torque curve 는 sine wave 와 유사할 것으로 유추 .

-Torque AB 중 후반부는 사용되지 않는 C- 를 통하여 보상 .-Torque AC 중 전반부는 사용되지 않는 B- 를 통하여 보상 .

-Torque ripple 의 개선 가능성 .