1. 서 론

모터 구동이 포함된 인버터 시스템의 사이즈와 재료비를 저감하기 위해선 모터의 회전속도를 높이고, 센서 수가 가장 적은 DC-link current sensor 방식의 센서리스 인버터를 적용하는 것이 가장 효율 적이다. 이러한 방식은 최근 휴대용 캠핑용품이나 청소기, 헤어드라이어 제품과 같은 어플리케이션에 적용되고 있다. DC-link current sensor를 적용한 센서리스 인버터 방식은 모터 구동 제어를 위한 센서를 저항 한 개만 사용하여 재료비 및 hardware PCB 사이즈 저감하는 측면에서는 매우 유리하지만 제어를 위한 전류 측정 샘플링의 시간을 확보해야 하며, 센서리스 제어 방식에 따른 연산 딜레이 문제가 발생되게 된다. 일반적인 회전속도를 갖는 모터 구동 어플리케이션에는 영향성이 거의 없지만 회전속도가 높은 초고속 모터를 구동할 경우 DC-link current sensor를 적용한 센서리스 인버터의 제어를 위해 측정하는 전류 샘플링 지연 현상이 문제시 된다. 전류 샘플링의 지연 문제가 발생되면, 모터 구동 제어가 어렵거나 모터 구동이 되더라도 최적 제어가 되지 않아 인버터 출력전류인 모터 상전류의 크기가 최적 제어 상태 대비 증가하여 운전되게 된다. 이는 모터와 인버터 효율을 저하하게 되고 모터의 발열 증가로 이어지는 문제가 발생된다.

본 논문에서는 130,000rpm 회전속도를 갖는 초고속 모터를 운전하기 위한 DC-link current sensor를 적용한 인버터를 설계하였고, 센서리스 인버터의 샘플링 지연 문제를 개선하기 위해 인버터 전류 샘플링 지연 개선 방안에 대해 제안하고 실험으로 검증하였다. 초고속 모터는 사이즈와 무게를 최소화 하기 위해 회전수를 최대 13만rpm 구동이 가능한 3상 모터를 설계 하였다^[1-3]. 모터를 구동하기 위한 인버터 부분은 입력 단상 220V 3상 인버터에 DC-link current sensor 회로를 기반으로 설계 하였다^[4-6]. 인버터 제어 부분은 안정적인 기동을 위한 I/F 방식과 모터의 회전자 위치를 추정할 수 있는 센서리스 알고리즘^[7-9] 그리고 초고속 모터 구동을 위한 속도 제어 알고리즘을 구현하여 제안하는 시스템을 검증하는데 적용 하였다^[10-12].

제안하는 논문은 아래와 같이 5장으로 구성 되어 있다. 2장에서는 제안하는 시스템에 대한 내용을 설명하고, 3장에서는 초고속 모터 설계, 센서리스 인버터의 설계 및 샘플링 지연 보상 제어와 전체 시스템에 대한내용을 소개한다. 4장에서는 본 논문의 실험 구성 내용을 설명하고, 그리고 마지막 5장에서는 결론을 제시하였다.

2. 제안하는 전체 시스템

2.1 센서리스 인버터 시스템

Fig. 1은 제안하는 시스템의 회로와 주요 부품에 대한 구성도를 나타내며. Table 1은 주요 소자의 파라미터와 해당 값을 나타낸다. 시스템의 동작은 입력 AC 220V을 입력받아 Bridge Diode를 통해 DC-link에 전력을 전달한 후 3상 센서리스 인버터의 제어를 통해 초고속 모터를 구동하게 된다^[4]. 초고속 모터의 경우 고속 회전을 통하여 모터 사이즈를 소형화 하기 때문에 회전자 위치 정보를 알기 위한 센서를 모터 내부에 장착 할 수 있는 공간이 부족한 하게 된다. 그렇기 때문에 인버터 시스템의 사이즈와 재료비를 저감할 수 있도록 DC-link current sensor기반의 센서리스 인버터 제어를 위한 회로를 구성하였다.

Fig. 1. Proposed inverter circuit

Table 1. Hardware device parameter and value

Parameter	Value
Power Switch(S1∼S6)	IPL60R365P7
Bridge Diode(D1∼D4)	S3JB
Controller	TMPM374FWUG
DC Capacitor	450V/27uFx2ea
DC-link current Resistor	0.05ohm

2.2 초고속 모터

Fig. 2는 최대 130,000rpm으로 설계된 초고속 모터의 내부 구조도와 외형의 모습을 나타낸다. Table 2는 설계된 모터의 주요 파라미터 값을 나타내며, 본 논문에서 사용한 모터의 경우 입력 220V 기준에 맞는 역기전력과 2극 형태의 모터로 설계하였다. 일반적으로 3상 모터는 입력 전류의 전기적 한 주기 안에 높은 스위칭 주파수를 가질수록 전류의 파형이 안정되어 전류의 고조파가 감소하기 때문에, 손실이 저감 된다. 이러한 이유로, 초고속 회전과 제어기기의 스위칭 주파수를 고려하여 초고속 모터의 극수를 2극으로 설계하였으며, 회전속도가 높아 모터의 안정적인 구동을 위하여 샤프트 양측을 지지해 줄 수 있는 2개의 베어링을 양측에 적용한 구조로 설계하였다.

Fig. 2. 130,000 rpm driving ultra-high speed motor

Table 2. Ultra-High-Speed parameter with value

Parameter	Value
Max. Speed	130,000rpm
Back-EMF	1.3V@1,000rpm
Resistance	0.33Ω
Inductance	0.23mH
Size	Φ35X60mm
Weight	110g

초고속 모터 상부에 다수의 블레이드로 구성된 FAN 부하를 적용하였으며, 모터 내부로 흡입 유로를 형성하는 덕티드 구조로 FAN 부하의 효율적인 유로를 확보 하면서 동시에 모터 내부의 발열을 저감 시킬 수 있어 초고속 모터를 최대한 소형화 할 수 있도록 설계 적용 하였다^[3].

3. 제안하는 센서리스 제어

DC-link current sensor를 이용하여 출력 전류 정보를 얻는 센서리스 인버터 시스템의 제어는 전류센서 또는 모터의 실제 속도를 알 수 있는 엔코더 방식의 일반적인 인버터 시스템과는 센서에서 정보를 측정하는 방식이 다르다. DC-link current sensor 방식은 전류의 A/D 샘플링 정보를 취득하기 어려운 Dead Zone과 전력스위치의 Dead Time 및 스위칭 동작 지연시간과 스위칭 동작에 따른 안정화 시간을 고려하여 전류 정보 검출을 위한 샘플링 진행해야 한다.

Fig. 3(a)는 DC-link current sensor를 적용한 센서리스 인버터 방식에서 나타나는 Dead Zone 영역으로 스위칭 Time인 T1과 T2를 기준으로 Dead Zone 1과 Dead Zone 2로 구분할 수 있다^[5]. Tmin은 인버터 전류 정보를 센서로 센싱하는데 필요한 최소한의 시간으로 Dead Zone 1의 경우 회전자의 전기각이 각 섹터의 경계에 위치할 때 한 상의 스위칭 시간 T2는 Tmin보다 작아지는 경우이며, Dead Zone 2 상태는 초기 기동과 같이 모터에 인가되는 전압이 작은 경우 유효 벡터 인가 시간 T1, T2가 Tmin보다 작아지는 상태이다. T1이 전류 검출을 위한 샘플링 타임인 Tmin보다 작은 경우 T1 시간을 Tmin과 같게 이동을 통하여 전류 샘플링을 수행 할 수 있도록 해야 한다.

Fig. 3. Sensorless inverter current sampling

Fig. 3(b)는 DC-link current sensor 인버터 전류 정보 샘플링을 위한 전체 A/D 변환 과정을 나타낸다. 컨트롤러에서 출력되는 PWM 신호는 인버터 스위치의 Arm-Short를 방지하기 위해 데드타임을 적용하여 출력하는데, 이로 인해 2us의 시간지연(Tdead)이 발생한다. 그리고 PWM 신호가 인버터 스위치에 인가된 후 실제 전압 파형이 출력되지 전까지 스위칭 지연시간(Tswitch) 0.04us과 마진 0.06us을 포함하고 On/Off 시 안정화 시간(Tsteady) 3.9us이 추가로 필요 하게 된다. DC-link current sensor를 적용한 인버터 시스템은 출력 전류를 감지하기 위해 유효 벡터가 적용된 후 최소 6.0us의 지연 후에 전류 샘플링을 위한 AD 변환을 시작해야 안정적인 초고속 모터 제어를 할 수 있게 된다.

Fig. 4. Current sampling delay problem

Fig. 4는 DC-link current sensor 기반의 센서리스 인버터 샘플링 및 PWM의 전체 제어 동작을 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 DC-link current sensor 적용 센서리스 인버터의 경우 전압(DC-link 전압) 및 전류 센서로부터 PWM 스위칭 동작을 위한 전압과 전류 정보를 A/D 샘플링을 획득하는 동작 구간 이후 반 주기 동안 제어 동작을 수행하고, 실제 PWM 스위칭 동작은 다음번 제어 주기에서 수행하게 된다. 전압과 전류 정보를 획득하는 샘플링 동작 이후 실제 PWM 동작은 약 1∼1.5T 샘플링 지연이 발생하며 실제 PWM 스위칭 및 센서리스 제어를 통해 얻은 모터 회전자의 추정 위치에 오차가 발생하게 된다. DC-link current sensor를 적용한 센서리스 인버터 제어 동작의 delay로 인하여 초고속 모터의 경우 일반적으로 Hardware의 한정적인 스위칭 주파수에 의해 모터의 위치 오차 문제가 더욱 크게 나타나게 된다. 본 논문에서 초고속 모터 동작에 유리 하도록 제어 연산 시간이 짧고 파라미터 의존도가 낮은 Active Flux 방식의 센서리스 제어 알고리즘을 적용하였다^[9].

식 (1)과 (2)는 모터 구동을 위한 flux observer를 나타내는 식이다. 이때, $\hat{\lambda}_{\alpha\beta}$는 $\alpha\beta$축의 자속 추정치, $\lambda_{PM}$ 영구자석 모터의 자속값, $L_{dq}$는 축의 인덕턴스 값, $R_{S}$는 3상 모터의 각 상저항값을 나타낸다.

앞선 수식을 바탕으로 유도된 식(3)을 정리하여 식(4)와 같이 flux observer로부터 얻은 정보를 바탕으로 샘플링 지연 보상을 위해 추가한 $\theta_{c}$를 포함하여 개선된 모터의 위치 정보를 추정할 수 있게 된다.

Fig. 5. Improving current sampling delay control

Fig. 5는 앞선 수식에서 설명한 바와 같이 측정된 전류 $I_{\alpha\beta}$값을 flux observer와 모터 샘플링 지연 보상을 추가하여 모터의 위치 오차 계산의 결과값을 feed-back 제어를 통하여 개선된 모터의 위치를 추정할 수 있게 된다.

센서리스 인버터의 경우 초기 기동 시 모터의 위치정보가 없기 때문에 위치 추정을 위한 기동 제어와 기동 이후 센서리스 절환하는 제어가 필요하다. 특히 초고속 모터의 경우 기동 토크가 매우 작기 때문에 기동 안정성과 기동 이후 센서리스 절환 제어가 매우 중요하다^[10]. 아래 Fig. 6과 식 (5), 식 (6)은 초기 기동을 위해 I/F 기동 제어 이후 센서리스 제어 알고리즘으로 전환할 때의 전류 및 전압 기준값을 나타낸 것이다. 센서리스 제어 알고리즘으로 전환 시 현재 I/F 모터 제어의 전압, 전류, 위상의 크기와 위상을 초기 센서리스 전환 시 동일한 값으로 대체하여 안정적으로 초고속 모터의 기동과 센서리스 절환 제어를 수행하였다.

Fig. 6. I/F start and sensorless conversion control

Fig. 7. Proposed inverter control block diagram

Fig. 7은 본 논문에서 적용한 전체 모터 제어 알고리즘을 나타낸 블록 다이어그램이다. 전체 제어 알고리즘은 모터 구동 속도 제어를 위한 전류 제어기, SVPWM, 전류 샘플링 지연 보상 제어 알고리즘, 정지 기준 좌표계, 회전 기준 좌표계, 모터 위치를 추정하는 제어 알고리즘으로 구성된다^{[11, 12]}. DC-link current sensor 방식으로 측정된 전류는 전류 샘플링 지연 보상제어를 통해 위상 보상이 이루어진 뒤 센서리스 제어 알고리즘을 통해 속도 지령치를 나타내는 전류 레퍼런스와 위상 보상된 전류값을 바탕으로 PI 제어기와 SWPWM 제어를 통해 안정적으로 초고속 모터를 구동하게 된다.

4. 실험 결과

Fig. 8은 전체 실험 세트를 나타내고 있으며, 입력 AC전원 공급을 위한 파워 서플라이와 DC-link current sensor를 적용한 센서리스 인버터 그리고 FAN 부하가 적용된 초고속 모터로 구성되어 있다.

Fig. 8. Experimental setup

실험 세트의 HW PCB는 양면 4Layer 구조로 구성되어 있으며, 전면부에는 입력 돌입전류 방지 회로와 Capacitor를 적용하여 DC Link를 구성하였으며, HW PCB 후면부에는 DC-link current sensor, 3상 인버터 그리고 전체 인버터 시스템 제어를 수행하는 컨트롤러로 구성되어 있다.

Fig. 9는 I/F 기동과 센서리스 절환 파형을 나타낸 것이다. 논문에서는 제안하는 기동 제어알고리즘을 적용하여 측정된 파형에서와 같이 20,000rpm 부근까지 I/F 기동을 통해 모터를 기동하고 이후 속도에서는 센서리스로 제어 로직으로 절환하여 안정적으로 모터 기동 및 센서리스 절환 동작을 수행하였다.

Fig. 9. I/F starting and sensorless control

Fig. 10의 (a)와(b)는 샘플링 지연 개선 전의 파형으로 각각 100,000rpm과 130,000rpm으로 모터를 구동하는 파형이다. (c)와(d)는 알고리즘을 적용하여 샘플링 지연 문제를 개선한 후 실험 결과 파형으로 각각100,000rpm과 130,000rpm 구동되는 파형을 나타낸다. 측정된 파형에서와 같이 100,000rpm의 경우 개선 전의 전류 파형 값은 평균 390mA이고 개선 후 전류 파형값의 평균은 350mA로 약 10\% 인버터 출력전류가 저감되었다. 130,000rpm에서의 보상 전 평균 전류 값은 630mA이고 보상 후 평균 전류 값은 520mA로 약 18\% 인터버터 출력전류가 저감 되었다. 인버터 출력 전류의 저감으로 초고속 모터 제어의 안전성을 향상 시키고 사이즈가 소형인 초고속 모터의 발열 개선에 기여 할 수 있게 된다.

Fig. 10. The waveforms of motor drive operation

5. 결 론

본 논문에서는 초고속 모터 구동을 위한 DC-link current sensor를 적용한 센서리스 인버터의 구동 시 발생 될 수 있는 A/D 샘플링 및 제어 동작에 발생되는 지연 문제를 확인하였다. 초고속 모터 구동 시 발생되는 샘플링 지연 문제를 개선하기 위해 지연 보상 제어 알고리즘을 제안하였고, 실제 인버터 시스템과 초고속 모터를 설계 제작하여 제안한 제어 알고리즘의 성능을 검증하였다. 실험 결과 최대 130,000rpm 초고속 모터 구동에서 인버터 출력전류 약 18\% 저감을 확인하였으며, 이를 통해 센서리스를 통한 회전자 추정 위치가 개선 되어 최적 센서리스 인버터 운전 제어가 수행됨을 확인 하였다. 제안하는 시스템은 초고속 모터를 필요로하는 제품과 소형화 및 휴대성이 높은 모터 구동 시스템에 기여 할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.

이 논문은 한국조명﹡전기설비학회 2022년도 춘계학술대회에서 발표하고 우수추천논문으로 선정된 논문임.