고토크·비상운전기능을 가진 다상BLDC모터 및 제어기개발

Ⅰ. 서 론

세계적으로 환경 규제와 탄소 중립과 더불어 화석연료 에너지에서 베테리인 전기에너지로 시스템이 변화하고 있다. 이에 전기자동차 모터나 선박 모터같은 대형화 기술에 고효율, 안정성를 가진 대용량 전기 추진체가 개발되고 있다. 특히 이들은 거리의 문제, 소음공해 등으로 효율이 높고, 조용하며 추진체의 고장시 수리하는 곳까지 이동해야 하는 문제 등으로 기계적 소음이 심한 내연 기관 보다 조용한 전기 추진체를 꾸준히 연구하고 있는 추세이다[1][2].

구동 드라이버는 반도체 스위칭 소자의 고장이나, 모터의 고정자 또는 회전자 고장 및 축의 며 비틀림 등으로 인해 토크 리플 성분이 발생하게 되면 이는 전기 모터 구동 시스템의 진동과 소음으로 야기한다. 또한 모터의 효율성 및 토크 리플에 관한 연구도 꾸준히 이루어지고 있다. 이런 대안으로 BLDC 모터의 사용 빈도가 증가하고 있다. 모터의 리플 소음이 발생하는 경우 소음문제를 중요시 하는 곳에서는 치명적이기 때문에 리플 감소에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 대부분의 리플 저감 방식은 전류 크기나 위상각 제어 방법을 주로 사용하고 있으나, 여기서는 다상 원리를 이용하여 토크 리플을 저감하고자 한다. 이 방법은 효과적으로 토크 리플을 감소하고 제어기로는 전류량 증가에 효과적이기 때문에 더욱더 할발한 연구와 논의가 이루어지고 있다[3]-[5]. 또한 추진 시스템이 고장시 2차 사고에 의한 안전사고가 발생하므로 이를 해결하는 방법이 연구되고 있다[6]. 이를 해결하기 위해서 다상구조로 한 쌍이 고장나도 나머지 살아있는 상에 의해 수리하는데 까지 구동하는 구조인 다상 구조가 연구되고 있다. 그래서 본 연구에서는 다상 BLDC 모터 구동 시스템에서 토크 리플을 감소시키기 위한 새로운 제어 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 상 개방 고장 상황에서 살아있는 여자상 전류의 크기인 진폭과 위상각을 제어하므로 전류 증가를 억제하고, 권선의 동손을 최소화하면서 토크 리플을 감소시키는 것을 목표로 한다[7][8]. 상 개방 고장이 발생한 위상으로 인해 리플이 발생하게 되면 전체 출력 토크 및 여자 전류를 억제하여 대칭되는 상을 제외한 모든 상전류를 선택하여 제어한다.

Ⅱ. 이론고찰

2.1 다상 BLDC전동기의 등가회로

그림 1은 다상형 구조를 가진 BLDC(Brushless Direct Current:이하 BLDC) 모터의 전체 조립도를 나타내며, 그림 2는 모터의 실물과 그림 3은 사이즈를 나타낸다. 기존 모터의 권선구조인 Y, △방식을 벗어나 AC모터처럼 고속이 가능한 분포권과 DC모터처럼 고토크가 가능한 집중권의 융·복합된 다상형 권선구조는 한상이상이 고장나도 한상만 살아 있으면 수리하는 곳 까지 구동할 수 있는 안정성이 뛰어난 모터 구조이다. 또한 한 상씩 고장이 날 때 출력과 효율을 본 실험을 통하여 검증하고 있다.

Fig. 1.

Multi-phase BLDC internal structure

Fig. 2.

Real picture

Fig. 3.

Multi-phase BLDC drawing size

그림 4는 다상 BLDC모터의 권선 결선도를 비교 하고 있다. (a)는 일반적인 Y권선으로 한상이 끊어지면 구동을 멈추게 되나, (b)는 다상 구조로 한상이 끊어져도 나머지 상에 의해서 구동하게 되는 권선도이다.

Fig. 4.

Coil winding comparison

2.2 토크 방정식

식 (1)은 권선 전류에서 전동기의 토크로 발생되는 부분의 토크 방정식이다. 토크는 전류와 비례한다고 근사와 할 수 있기 때문에 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.

$\[ \begin{array}{l}{\tau }_e=k_{Tl}\\ {\tau }_e=e_u{i}_u+e_{{ }_v}{i}_v+e_w{i}_w\end{array} \]$

(1)

τ_L : 부하토크
τ_ㄷ : 전동기의토크
k_T : 토크상수 [Nm/A]
w_m : 각속도

역기전력은 식 (2)는 식 (3)과 같이 각가속도와 자속, 그리고 역기전력의 사다리꼴 형태를 반영하여 표현할 수 있다. 또는 역기전력은 전동기의 각속도에 비례하기 때문에 역기전력 상수를 통해 비례식으로 표현할 수도 있다.

$\[ \begin{array}{cc}\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{e}_u\\ e_v\\ e_w\end{array}\right]={\omega }_m{\lambda }_m\\ \end{array}& \begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{f}_u\left({\theta }_e\right)\\ f_v\left({\theta }_e\right)\\ f_w\left({\theta }_e\right)\end{array}\right]=k_e{\omega }_m\\ \end{array}\end{array} \]$

(2)

λ_m : 자속
w_m : 각가속도
θ_e : 회전자 위치
f(θ_e) : 사다리꼴방정식
k_e : 역기전력상수

(3)

그림 5(a)는 일반적인 BLDC의 제어 블록도이며, (b)는 n상이 가능한 BLDC의 제어 블록도로 비교하고 있다.

Fig. 5.

Control block diagram comparison

Ⅲ. 제어 알고리즘

3.1 다상 BLDC 엔코드원리

그림 6은 BLDC모터의 토크제어를 위한 엔코더 구성과 동작 원리를 나타내며, 센서부와 엔코더부의 동작은 ON/OFF 신호로 엔코더가 도통 시 ON신호, 비 도통 시 OFF신호로 동작한다. 포터인터럽트를 사용하며 기존의 복잡한 펄스 엔코더나 타코 제너레이터를 사용하지 않고도 단순한 구조로 동일한 역할을 수행할 수 있다.

Fig. 6.

Principle of multi-phase N-code

3.2 다상 BLDC 제어 알고리즘

그림 7은 스위칭 원리이며, 한 구간 360°의 A, B, C, D상의 신호파형을 나타낸다. 파란색 부분은 부분파 제어원리로 사각형으로 하는 제어원리보다 시작과 끝단의 열 손실을 줄여 구동체의 안정성을 구현하였다. 위치 제어를 위해 시간영역에서의 비례, 적분 및 미분상수를 결정하는 Ziegles – Nichols법인 P,I,D Gain값의 임계이득(Pcr, cirtical period) 튜닝 방법으로 PID제어기를 설계하였다.

Fig. 7.

Multi-phase BLDC switching waveform

3.3 역기전력 시뮬레이션과 실측 비교

그림 8은 그림 7을 바탕으로 1상인 A의 360°한 구간 안에서 역기전력을 나타낸 것으로 사용전압은 28.8Vdc이고, Cycle time은 11.19mm이다.

Fig. 8.

Multi-phase BLDC counter electromotive force waveform

그림 8은 역기전력의 시뮬레이션과 실측 파형으로 설계가 일치함을 알 수 있다. 3상 12슬롯이라 36슬롯보다는 리플 파형이 더 생기나 실측을 통해 실험한 결과 안정된 속도 파형을 얻을 수 있었다. 이 결과로 모터의 안정된 토크를 얻기 위해서는 슬롯수를 늘려야 됨을 알 수 있었다.

3.4 토크와 속도 시뮬레이션 특성

그림 9는 토크파형으로 9kg·m에서 3kg·m로 안정화 되고 있음을 알 수 있다. 또한 그림 10은 rpm 속도 파형으로 토크 안정시 속도도 같이 안정화됨을 시뮬레이션을 통해 알 수 있다.

Fig. 9.

Torque waveform from IPM BLDC

Fig. 10.

Speed waveform of IPM BLDC

3.5 제어기 구성도

그림 11은 다상 BLDC의 제어기 구성도를 나타낸다. 본 제시한 모터가 다상이므로 제어원리도 1상에 대한 제어기를 먼저 구성하여 이를 다상으로 구성하면 된다. 사용된 프로세서는 Atmega 128이며, 논리회로를 구성하고 스위칭소자는 IGBT를 사용한다.

Fig. 11.

Block diagram of Multi-phase BLDC controller configuration

Ⅳ. 실험결과 및 고찰

4.1 사양 및 설계

다음은 표 1과 같이 본 실험에 제작된 모터 제원을 나타내고 있다.

Table 1.

IPM BLDC motor specifications

4.2 시험 장면

그림 12는 동력실험을 위한 시험구성도를 나타내고, 시험 장비는 1kW 다이나모메트로 미국의 HD-515를 사용하고, 타코메타는 FT-3V, 디지털 온습도계는 MHB-382SD, 그밖에 직류전원공급장치와 모터 컨트롤 유닛을 사용하였다. 그림 13은 제안된 모터의 시험 장면이다.

Fig. 12.

Test configuration

Fig. 13.

Picture for testing

4.3 시험 결과

본 실험 결과는 KORAS인증 기관인 조선기자재연구원에서 시험하였으며 다상 구조를 가진 모터와 드라이버의 상이 끊어져도 나머지 상이 구도하는지에 대하여 실험하고 결과를 도출하였다. 먼저 다상 BLDC모터의 출력 특성을 그림 14에 나타내고, 다상 모터이므로 그림 14는 기본 3상에 대한 기준 파형으로 효율과 토크 등 기본 파라메타를 나타내고 있다. 제안된 모터의 기본 3상 출력은 710W이다.

Fig. 14.

Three-phase ON - 710W

실험 방법은 한 상 식 끊어가며 3상과 (3-1)2상, (3-2)1상씩으로 구동시험과 효율 및 출력 특성에 대한 결과치를 그림 15~16에 나타내고 있다. 그림 15는 3상중 한상이 끊어졌을 때 구동 파형과 파라메타를 나타낸 것으로 이론상 한상이 멈추면 출력은 66%로 떨어져야 하나 680W로 95.7%이다. 거의 한상이 끊어져도 출력은 변동이 없음을 보여주고 있다. 이는 안정성이 뛰어남을 보여주고 있다.

Fig. 15.

Two-phase ON, One-phase OPEN - 680W

Fig. 16.

One-phase, Two-phase OPEN – 500W

그림 16은 500W로 70.4%의 출력과 파라메타 특성을 보여주고 있다. 이는 한상만 살아 있어도 2차 사고를 예방하고 수리장조까지 구동하는 안정성이 탁월함을 실측을 통하여 보여주고 있다.

Ⅴ. 결 론

대형 구조물이나 선박 등은 소음과 진동, 안전성이 부족한 내연기관 시스템에서 벗어나 클린에너지인 전기 추진 시스템을 사용하는 형태로 변화하고 있다. 특히 안전성 위주의 시스템 같은 경우에는 일반적인 모터시스템은 상개방 고장이 발생하면 2차 사고로 연결되어 안전성과 직결된다. 그래서 시스템의 지속적으로 오랜 시간 동안 운전할 수 있으며 수리를 요구하는 곳까지 운행할 수 있는 시스템과 동시에 고효율, 정숙함을 유지하는 능력이 강조된다.

다상 BLDC 모터에서 상 개방 고장 발생 시 다수의 건전 상전류의 위상각과 크기를 제어하여 토크 리플과 상전류를 감소시키는 제어 방법을 제안하였다. 또한 상 고장시 구동하는 독립시스템을 실측을 통화여 검증하고 안전성을 요구하는 산업에 적용가능성을 제시하였다.

Acknowledgments

본 논문은 중소기업청이 주관하는 구매조건부과제로 지원 받아 연구하였습니다.

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