발표자 : 김명규 초정밀회전기기연구실 2003. 01. 25

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

2. 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

3. 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, 전기적문제점을 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.

4. 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.

5. A A C B C B Neutral point (b) -winding (a) Y-winding 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)

6. (b) • Inverter circuit for bipolar drive • Current of bipolar 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. ※본 세미나에서 사용되는 각도는 모두 전기각.

7. AB AC BC Torque BA CA CB (a) (b) • Commutation table of bipolar drive • Torque curve of bipolar drive 120 0 60 180 240 300 360 • Commutation sequence and 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.

8. +VS A+ B+ C+ C A B +VS +VS S1 S2 S1 Load Load S2 S3 S4 -VS (a) H-bridge (b) T-bridge 구동법 – 단상 구동(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. • 이상 구동 에 사용되는 인버터는 전형적인 H-bridge. • 이상 구동과 단상 구동을 혼용하기 위하여 단상 구동의 인버터를 T-bridge로 전환.

9. (a) (b) • Inverter circuit for Unipolar drive • Current of Unipolar drive • 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.

10. B- A+ C- Torque B+ A- C+ 30  150  90  270  210  330  (b) (a) • Commutation table of unipolar drive • Torque curve of unipolar drive • Commutation sequence and 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.

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

12. 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.

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

14. 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.

15. 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)

16. 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.

17. 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.

18. • Torque-speed curve of bipolar and unipolar drive. • Torque-current curve of bipolar and unipolar drive. 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. • Unipolar drive requires large input current to produce the same torque output.

19. • 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-2

20. •Variation of phase current of a BLDC motor (a) bipolar drive (b) unipolar drive (c) bipolar-starting and unipolar-running drive. 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.

21. • Speed variation of a BLDC motor. 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%

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

23. 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.

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

25. + 12V B + C + SW 1 A + A OPEN C GND +12V B - C - A - B GND • 입력 전원 단축 방안 (2) • 이상 구동과 단상 구동 모두 상간 전압차는 항상 12V. • 단상 구동 시 모터의 입력 전원으로 –12V를 사용하지 않고이상 구동, 단상 구동 모두 +12V를 사용. •이상 구동 : SW1  OPEN단상 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.

26. A B C 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.

27. Torque ripple AB AC T B-  C- ② ① • BLDC 모터의 torque-ripple 개선. • 실재 Torque curve 는 flat 하지않고ripple을 수반한다. • 실험을 통하여 실제 Torque curve는sine wave와 유사할 것으로 유추. • Torque AB 중 후반부는 사용되지 않는C-를 통하여 보상. • Torque AC 중 전반부는 사용되지 않는B-를 통하여 보상. • Torque ripple의 개선 가능성.