3.1 ์คํ๊ตฌ์ฑ
๋ณธ๋ก ์์ ๊ฒํ ๋์๋ ์ผ์๋ฆฌ์ค ๊ตฌ๋ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์คํ์ ์ํ ์ ์ฒด์ ์ธ ์ ์ด ๋ธ๋ก๋๋
๊ทธ๋ฆผ. 5์ ๊ฐ๋ค. ์๋์ ์ด๊ธฐ๋ ์ ๋ถ ๋น๋ก ์ ์ด๊ธฐ์ด๊ณ , ์ ๋ฅ์ ์ด๊ธฐ๋ ๋น๋ก ์ ๋ถ ์ ์ด๊ธฐ์ด๋ฉฐ, PWM ๋ฐฉ์์ ๊ณต๊ฐ๋ฒกํฐ PWM ๋ฐฉ์์ ์ ์ฉํ๋ค. ๋ ์ผ์๋ฆฌ์ค ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์
๊ถคํํ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ ๊ด์ธก๊ธฐ ๋ฐ ๊ถคํํ ํ์ ์๊ฐ ๊ด์ธก๊ธฐ๋ฅผ ์ ์ฉํ์๊ณ , ์ ๋๊ธฐ ์
๋ ฅ์ ์ ์ธก์ ์ ์บก์ณ ๊ธฐ๋ฅ์ ์ด์ฉํ ๊ทน์ ์ ํ์ค ํญ ์ธก์ ๋ฐฉ์๊ณผ IGBT์ ๋ค์ด์ค๋์
์ ์๊ฐํ๋ฅผ ๋ณด์ํ๊ธฐ ์ํด ํ
์ด๋ธ์ ์ฌ์ฉํ๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์ ๋๊ธฐ ํ๋ผ๋ฏธํฐ ์ธก์ ์ ์ด์ ์ง์ 2๋จ ์ ๋ฅ์ฃผ์
๋์์ ์ํด ์ ํญ๊ณผ ์ธ๋ํด์ค๋ฅผ ์ธก์ ํ๋ค. ๊ธฐ๋์
2๋จ ์ ๋ฅ์ฃผ์
์ดํ ์คํ๋ฃจํ ์ ์ด์์ด ๋ฐ๋ก ์๋์ ์ด๋ฅผ ์ํํ๋ค. ์ค์์นญ ์ฃผํ์๋ 15kHz์ด๋ฉฐ ๋ฐ๋ํ์์ 2ฮผs์ด๋ค. ์คํ์ ์ฌ์ฉ๋ ๋ชจํฐ๋ ๋๋ผ์ธํ๊ธฐ์
์ฌ์ฉ๋๋ ์ธ์ ํ ํ๋ฉด๋ถ์ฐฉํ ์๊ตฌ์์ ๋๊ธฐ ์ ๋๊ธฐ์ด๋ฉฐ ์ ๋๊ธฐ ํ๋ผ๋ฏธํฐ๋
ํ 1๊ณผ ๊ฐ๋ค. ์ค์ ํ์ ์ ์์น์ ์ถ์ ์์น๋ฅผ ๋น๊ตํ๊ธฐ ์ํด 1000PPR(Pulse Per Revolution) ์์ฝ๋๋ฅผ 4์ฒด๋ฐฐํ์ฌ ์ฌ์ฉํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 6์๋ ์ฌ์ฉ๋ ์์ฝ๋๊ฐ ์กฐ๋ฆฝ๋ ์ ๋๊ธฐ์ ์ ์ด๊ธฐ๊ฐ ํ์ฌ๋ ๋ณด๋๋ฅผ ๋ณด์ฌ์ฃผ๊ณ ์๋ค. ์คํ ์์คํ
์
ํ 1์ ๋ชจํฐ๊ฐ ์ ์ฉ๋ ๋๋ผ์ธํ๊ธฐ, ์ ์ด๊ธฐ ๋ณด๋, D/A ์ปจ๋ฒํฐ ๋ณด๋, ์ค์ค๋ก์ค์ฝํ๋ก ๊ตฌ์ฑ๋์ด ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 5. ์ผ์๋ฆฌ์ค ์ด์ ์ ์ฒด ์ ์ด ๋ธ๋ก๋
Fig. 5. Sensorless operation control block diagram
๊ทธ๋ฆผ. 6. ์ฌ์ฉ๋ ์์ฝ๋์ ์กฐ๋ฆฝ๋ ๋ชจํฐ์ ์ ์ด๊ธฐ ํ์ฌ ๋ณด๋
Fig. 6. Used encoder assembled motor and board with controller
ํ 1. ์ ๋๊ธฐ ํ๋ผ๋ฏธํฐ
Table 1. Motor parameter
ํญ๋ชฉ
|
๊ฐ [๋จ์]
|
๊ทน ์
|
48
|
์ ์ ํญ
|
5.5 [W]
|
์ ์ธ๋ํด์ค
|
37.5 [mH]
|
ํ์ ์ ์๊ต ์์
|
0.1462 [Vs]
|
์ ๊ฒฉ ์๋
|
400 [r/min]
|
์ ์ ๋ฅ ์ต๋๊ฐ
|
9.0 [A]
|
3.2 ์คํ๊ฒฐ๊ณผ
๊ทธ๋ฆผ. 7์ ์ ์ง์ํ์์ 2๋จ ์ ๋ ฌ์ ๋ฅ๋ฅผ ์ฃผ์
ํ ๋ค 46rpm์ ๊ณ๋จํ ์๋๋ช
๋ น์ ์ธ๊ฐํ์ฌ ์ด์ ํ ๋์ ๋ชจํฐ A์ ์ ๋ฅ I
a์ ํํ๊ณผ ๊ทธ ๋ ๊ณ์ฐํ 2-point ๋ฐ 1-point ์ฐ์ฐ์ ์ํ ์ ํญ๊ฐ, ์ค์ ๊ณ ์ ์ ์ ํญ๊ฐ์ D/A ์ปจ๋ฒํฐ๋ก ์ถ๋ ฅํ์ฌ ๋น๊ตํ ํํ์ด๋ค. A
์์ญ์์ ์ง๋ฅ์ ๋ฅ๊ฐ 2๋จ์ ๊ณ๋จ๋ชจ์์ผ๋ก ์ธ๊ฐ๋จ์ ์ ์ ์๊ณ ์ด๋ 1๋จ ์ ๋ฅ๊ฐ ์์ ๋ฐฉํฅ์ผ๋ก ์์ํ ์ฆ๊ฐํ๊ณ ์๋๋ฐ ๊ทธ ์ด์ ๋ ๊ธฐ๊ณ์ ์ง๋์ ์ค์ด๊ธฐ
์ํด์ ๊ธฐ์ธ๊ธฐ๋ฅผ ๊ฐ๋๋ก ํ์๋ค. ์คํ ์ง์ ์ค์ ๊ณ ์ ์ ์ ํญ์ ๊ณ์ธก๊ธฐ๋ก ์ธก์ ํ ๊ฐ์ 5.5โฆ์ธ๋ฐ 2๋จ ์ ๋ ฌ๋์ ์ดํ 2-point ์ฐ์ฐ์ ์ํ ๊ฐ์
5.45โฆ์ผ๋ก 0.9% ์ค์ฐจ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ง 1-point ์ฐ์ฐ์ ์ํ ๊ฐ์ 6.1โฆ์ผ๋ก 10.9% ์ ๋ ํฌ๊ฒ ์ธก์ ํ๊ณ ์๋๋ฐ ์ด๋ ๋ณธ๋ก ์์ ๊ธฐ์ ํ๋๋ก ์ ์์ค์ฐจ์
์ํด ๋ฐ์ํ๋ ์ ํญ ์ธก์ ์ค์ฐจ์ด๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 7. ๊ณ ์ ์ ์ ํญ ์ธก์ ํํ
Fig. 7. Stator resistance measurement waveform
๊ทธ๋ฆผ. 8์ ์ ํญ ์ธก์ ํํ๊ณผ ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก ์ค์ ์ธ๋ํด์ค ํฌ๊ธฐ์ 2-point ์ฐ์ฐ์ ์ํ ํฌ๊ธฐ, 1-point ์ฐ์ฐ์ ์ํ ํฌ๊ธฐ๋ฅผ ๋น๊ตํ ํํ์ด๋ค. B ์์ญ์์
์ ์ ์๋ฏ์ด ์ธ๋ํด์ค๋ฅผ ์ธก์ ํ๊ธฐ ์ํด ๋จผ์ 2.2์ด ๋์ 0.5A, 60Hz ๊ต๋ฅ์ ๋ฅ๋ฅผ ์ธ๊ฐํ ๋ค ์ด์ด์ 0.5์ด ๋์ 1.0A, 60Hz ๊ต๋ฅ์ ๋ฅ๋ฅผ
์ธ๊ฐํ๋ 2๋จ ํํ์ ์ ๋ฅ๋ฅผ ์ฃผ์
ํ๊ณ ์์์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ์ค์ ์ธ๋ํด์ค ํฌ๊ธฐ๋ 37.5mH์ธ๋ฐ 2๋จ ์ ๋ฅ์ฃผ์
์ดํ 2-point ์ฐ์ฐ์ ์ํ
๊ฐ์ 36.9mH๋ก 1.6% ์ค์ฐจ๋ฅผ ๋ณด์ด์ง๋ง 1-point ์ฐ์ฐ์ ์ํ ๊ฐ์ 27.5mH๋ก ์ ์์ค์ฐจ์ ์ํด 26.7% ์ ๋์ ์ธก์ ์ค์ฐจ๋ฅผ ๋ํ๋ด๊ณ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 8. ์ธ๋ํด์ค ์ธก์ ํํ
Fig. 8. Inductance measurement waveform
๊ทธ๋ฆผ. 7๊ณผ
๊ทธ๋ฆผ. 8์ฒ๋ผ ์ ํญ ์ธก์ ์ ๋ง์ง๋ง์ ํ๋ ์ด์ ๋ 2๋จ ์ ๋ฅ๋ฅผ ์ฃผ์
ํ๋ ๋ชฉ์ ์ด ์ ํญ ์ธก์ ์ด์ธ ํ์ ์ ์์น๋ฅผ ์ ์ด๊ธฐ๊ฐ ์๋ ์์น๋ก ์ ๋ ฌํ์ฌ ์ผ์๋ฆฌ์ค ๊ธฐ๋์ ์ํํ
ํ๊ธฐ ์ํ ๋ชฉ์ ๋ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ด๋ค. ๋ํ ์ค์ ์ธ๋ํด์ค ๊ณ์ฐ์ ์ ํญ ์ธก์ ํ ์ต์ข
๊ณ์ฐ์ ์ํํ๋ฏ๋ก ์ ํํ ์ธก์ ๋ ์ ํญ์ด ๋ฐ์๋ ์ธ๋ํด์ค ๊ฐ์ ๊ณ์ฐํ
์ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 9~
๊ทธ๋ฆผ. 11์ 1-point ์ฐ์ฐ์ ์ํด ์ธก์ ํ ๊ณ ์ ์ ์ ํญ, ์ธ๋ํด์ค ๋ฐ ์ง๋ น์ ์์ผ๋ก ๊ฐ๊ฐ ์ผ์๋ฆฌ์ค ์ด์ ํ ๊ฒฝ์ฐ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ(
^esds,^esqs), ์ค์ ์์น(
ฮธencoderr), ์ถ์ ์์น(
หฮธr) ๋ฐ ์์น์ค์ฐจ(
ฮธerror=ฮธencoderr-หฮธr) ํํ์ด๋ค. ์ ์ง ์ํ์์ 1๋จ ์ ๋ฅ๋ฅผ ์ฃผ์
ํ ํ 46rpm ๊ณ๋จํ ์๋๋ช
๋ น์ ์ธ๊ฐํ์ฌ ์ผ์๋ฆฌ์ค ์ด์ ์ ์๋ํ๊ณ ์๋ ์ํ์ด๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 9๋ 1-point ์ฐ์ฐ์ ์ํด ์ธก์ ํ ๊ณ ์ ์ ์ ํญ์ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ ๊ด์ธก๊ธฐ์ ์ ์ฉํ๋ ๊ฒฝ์ฐ๋ก ์ด์ ์ ์คํจํ์ง๋ ์์์ผ๋ ๋ถ์์ ํ๊ฒ ๊ธฐ๋์ ํ๊ณ ์ต๋ ๋ถํํ ํฌ๊ฐ
๋ฐ์ํ๋ ์ ๊ธฐ๊ฐ 6์ฃผ๊ธฐ ์ ํ๋ก, ๊ด์ธก๋ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ์ ํฌ๊ธฐ์ ํํ์ ์๊ณก์ด ์ฌํ๊ณ ์์น์ค์ฐจ๋ ์ ๊ธฐ๊ฐ์ผ๋ก ์ต๋ 0.72rad ์์ค์ด๋ฉฐ ์ถ์ ์์น์ 6๊ณ ์กฐํ
ํํ์ ์๊ณก๊น์ง ์กด์ฌํจ์ ์ ์ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 9. 1-point ์ฐ์ฐ์ ์ํ ๊ณ ์ ์ ์ ํญ ์ ์ฉ ์ ๊ด์ธกํ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ๊ณผ ์์น์ค์ฐจ
Fig. 9. Observed back-emf and position error when applying stator resistance by 1-point
calculation
๊ทธ๋ฆผ. 10์ 1-point ์ฐ์ฐ์ ์ํด ์ธก์ ํ ์ธ๋ํด์ค๋ฅผ ์ ์ฉํ๋ ๊ฒฝ์ฐ๋ก ๊ณ ์ ์ ์ ํญ๊ณผ๋ ๋ฌ๋ฆฌ ์ ๊ธฐ๊ฐ 4์ฃผ๊ธฐ๊น์ง ์์น์ค์ฐจ๊ฐ ์ฆ๊ฐํ๋ค๊ฐ ๊ฒฐ๊ตญ ์ต๋ ๋ถํํ ํฌ๊ฐ
๋ฐ์ํ๋ ๋ถ๊ทผ์์ ๊ฒฐ๊ตญ ์ผ์๋ฆฌ์ค ์ด์ ์ด ์คํจํ๊ณ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 10. 1-point ์ฐ์ฐ์ ์ํ ์ธ๋ํด์ค ์ ์ฉ ์ ๊ด์ธกํ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ๊ณผ ์์น์ค์ฐจ
Fig. 10. Observed back-emf and position error when applying inductance by 1-point
calculation
๊ทธ๋ฆผ. 11์ ์ง๋ น์ ์์ ์ ์ฉํ๋ ๊ฒฝ์ฐ๋ก ์ด๊ธฐ๋ถํฐ ์ ์์ ์ธ ์ด์ ์ ๋ชปํ๊ณ 3rpm ์ ๋๋ฅผ ๋ณด์ด๋ค๊ฐ
๊ทธ๋ฆผ. 10๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ฒฐ๊ตญ ์ผ์๋ฆฌ์ค ์ด์ ์ด ์คํจํ๊ณ ์์์ ์ ์ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋๋ผ์ธํ๊ธฐ์ ๊ฐ์ ์ ์ ์ด์ ์ด ์์ ์๊ตฌ๋๋ ์์ฉ์์๋ ์ธ๋ฒํฐ์์ ๋ฐ์๋๋ ์ ์
์ค์ฐจ๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ์ง ์์ ๊ฒฝ์ฐ, ์ง๋ น์ ์๊ณผ ์ค์ ์ธ๊ฐ์ ์ ์ฌ์ด์ ์ฐจ์ด๊ฐ ๋ง์ด ์กด์ฌํ๊ณ , ์ด๋ฅผ ์ ํํ ์์ง ๋ชปํ ๊ฒฝ์ฐ๋ ์ผ์๋ฆฌ์ค ์ด์ ์ด ๋ถ๊ฐ๋ฅํจ์ ๋ณด์ด๊ณ
์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 11. ์ง๋ น์ ์ ์ ์ฉ ์ ๊ด์ธกํ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ๊ณผ ์์น์ค์ฐจ
Fig. 11. Observed back-emf and position error when applying command voltage
๊ทธ๋ฆผ. 12๋ ๋ณธ ๋
ผ๋ฌธ์์ ์ ์ํ 2-point ์ฐ์ฐ์ ์ํ ๊ณ ์ ์ ์ ํญ, ์ธ๋ํด์ค์ ์ง์ ์ผ์ฑํ ์ ์์ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ ๊ด์ธก๊ธฐ์ ์ ์ฉํ ๊ฒฝ์ฐ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ๊ณผ ์์น์ค์ฐจ ํํ์ด๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 12(a)์ ์ ์ฒด ํํ์์ ์ ์ ์๋ฏ์ด ๊ธฐ๋๋ถํฐ ์ ์์ํ๊น์ง ์ ์์ ์ธ ์ผ์๋ฆฌ์ค ์ด์ ์ ์ํํจ์ ์ ์ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 12(b)๋ ๊ธฐ๋๋ถํฐ ๊ณผ๋์ํ ๊ตฌ๊ฐ์ ํ๋ํ ๊ทธ๋ฆผ์ด๊ณ
๊ทธ๋ฆผ. 12(c)๋ 46rpm์ ์ ์์ํ ๊ตฌ๊ฐ์ ํ๋ํ ๊ทธ๋ฆผ์ผ๋ก ์ ๊ตฌ๊ฐ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ๊ณผ ์ถ์ ์์น ๋ชจ๋ ๊ด์ธก์ ์ํ๊ณ ์์์ ์ ์ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 12. 2-point ์ฐ์ฐ์ ์ํด ์ธก์ ๋ ๊ณ ์ ์ ์ ํญ, ์ธ๋ํด์ค ์ ์ฉ ๋ฐ ์ง์ ์ ์์ผ์ฑ์ ์ํ ๊ด์ธกํ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ๊ณผ ์์น์ค์ฐจ((a) ์ ์ฒด (b)
๊ณผ๋์ํ (c) ์ ์์ํ)
Fig. 12. Observed back-emf and position error using stator resistance and inductance
measured by 2-point calculation and direct voltage sensing ((a) Overall (b) Transient
state (c) Steady state)
๊ทธ๋ฆผ. 13์ ์ ์๋ ์ญ๊ธฐ์ ๋ ฅ ๊ด์ธก๊ธฐ์ ์ ์ด ์ ๋ขฐ์ฑ์ ํ์ธํ๊ธฐ ์ํ ๋ชฉ์ ์ผ๋ก ๋ถํ๋ณ๋ ์ ์ ์ ์ผ์๋ฆฌ์ค ์ฑ๋ฅ์ ํ๊ฐํ๊ธฐ ์ํ ์ด์ ํํ์ด๋ค. ๋ถํ๋ณ๋์ 15%,
30%, 60%์ ํด๋นํ๋ ์ธํ๋ฌผ์ ๋ฃ์ ํ ๊ฐ๊ฐ์ ๋ถํ์ ํด๋นํ๋ ๋ฌผ์ ์์ ๋ฃ๊ณ ๋ฌผ๊ณผ ํผํฉ๋ ์ธํ๋ฌผ์ด ๋์ฐจ๊ฐ ๋ฐ์ํ๋ 46rpm์ ์๋๋ก ๊ธฐ๋
๋ฐ ์ ์งํ๋ ์กฐ๊ฑด์ผ๋ก ์คํํ์์ผ๋ฉฐ, ์ต๋ ๋ถํํ ํฌ๋ ๊ธฐ๋ ํ ์ธํ๋ฌผ์ด ๊ธฐ๊ณ๊ฐ์ผ๋ก 90๋ ๋ถ๊ทผ์์ ๋ฐ์ํ๋ค. ์ฌ๊ธฐ์ 60% ์กฐ๊ฑด์ ๋ฌผ์ด ์ถ๊ฐ๋ ์ธํ
์กฐ๊ฑด์ผ ๋๋ ๊ธฐ๋ ์์ ๋ถํํ ํฌ๊ฐ ์ต๋๋ก ๋ฐ์ํ๋ ๋ถํ๋์ ์๋ฏธํ๋ฉฐ ๊ทธ ์ด์์ผ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ์คํ๋ ค ๋ถํํ ํฌ๊ฐ ์์์ง๋ ํน์ง์ ๊ฐ๊ณ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 13(a)~
๊ทธ๋ฆผ. 13(c)์์ ๋ณผ ์ ์๋ฏ์ด ๊ธฐ๋ ํ ์ ๊ธฐ๊ฐ์ผ๋ก 6์ฃผ๊ธฐ์ ํด๋น๋๋ ๊ธฐ๊ณ๊ฐ 90๋ ๋ถ๊ทผ์์ ์ต๋์ ๋ฅ๊ฐ ๋ฐ์ํ๊ณ ๋ถํ๊ฐ ์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์ต๋์ ๋ฅ ์ ์ง์๊ฐ์ด ๊ธธ์ด์ง๋
๊ฒฝํฅ์ด ๋ํ๋๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 13. ๊ฒฝ๋ถํ์ ์ค๋ถํ ์ ์ฉ ์ ์ผ์๋ฆฌ์ค ๋์((a) 15% ๋ถํ (b) 30% ๋ถํ (c) 60% ๋ถํ)
Fig. 13. Sensorless operation at light load and heavy load ((a) 15% load (b) 30% load
(c) 60% load)
๋ถํ 15%~60% ๋ณ๋๊น์ง ์ด์ ์ ์๊ฐ์ ์ธ ์ต๋์ค์ฐจ๋ ์ ๊ธฐ๊ฐ 0.31~0.63rad ์ ๋ ๋ฐ์ํ์๊ณ ํ๊ท ์ค์ฐจ๋ ์ ๊ธฐ๊ฐ 0.08~0.17rad ์ ๋๋ฅผ
๋ํ๋ด์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์ ์๋ ์ ์ด๊ธฐ๋ ์ธํ๋ฌผ๊ณผ ๋ฌผ์ด ํผํฉ๋์ด ๋ถํ๋ณ๋์ด ์ฌํ๊ฒ ๋ฐ์ํ๋๋ผ๋ ์์ ๋ ์ผ์๋ฆฌ์ค ๋์์ ํ์ธํ ์ ์์๋ค.