Mobile QR Code QR CODE : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

  1. (School of Electrical and Electronic Engineering, Gwangju University, Korea)



3-Phase BLDC Motor, 4-Switch Inverter, Voltage Doubler, Sensorless, Cost Reduction

1. 서론

소용량 전동기를 사용하는 분야에서 유지보수가 용이하며 출력 용량 대비 크기가 작은 BLDC(Brushless DC) 전동기의 사용이 점차로 증가하고 있다. BLDC 전동기는 전기․기계적으로 효율 및 출력 밀도가 높고, 제어하기가 상당히 용이하기 때문에 가정용 전기기기 및 차량용 액추에이터와 같은 소용량 구동 장치에서 하이브리드 자동차의 추진을 위한 대용량 구동 장치로까지 널리 사용되고 있다.

일반적으로 역기전력이 사다리꼴 형태를 지닌 BLDC 전동기의 경우, 6-스위치 인버터를 이용하여 3상 2여자 방식으로 구동하게 된다. 이 구동 방식은 전동기의 각 상당 역기전력이 반주기 마다 120도의 평탄한 구간을 갖는데, 이 구간에서 구형파 전류를 인가하여 직류전동기와 유사하게 구동하는 방법이다. 그러나 BLDC 전동기의 회전자는 영구자석으로 구성되어 기존의 전동기에 비해 높은 제작비용이 들어가며 구동 회로를 포함한 전체 시스템의 가격이 상승하는 문제점을 가지고 있다. 또한 일반적으로 3상 BLDC 전동기 구동을 하기 위해서는 다이오드 정류기와 3상 인버터가 결합된 구조의 비교적 스위치 수가 적고 회로와 제어기법이 간단하지만 역률제어와 직류 전압제어가 불가능하여 전원측 전류가 크게 왜곡되어 추가적인 고조파 보상대책이 필요하다.

6-스위치를 이용한 구동 방식인 3상 인버터에서 2개의 스위치를 제거한 4-스위치 인버터를 사용하여 3상 BLDC 전동기를 구동을 할 경우 전동기의 속도는 인가되는 전압의 크기에 비례하므로 결국 전동기 정격속도의 1/2 이상의 속도를 낼 수 없는 문제점을 가지고 있다. 4-스위치 인버터는 전압이용률에 따라 입력전압 전체를 사용하는 모드와 입력전압의 절반만을 이용하는 모드로 구분을 질수 있다. 이러한 불평형 전압 이용률은 6-스위치 인버터와 비교했을 경우 전동기의 속도제한과 di/dt 성분이 늦어짐으로써 정격속도에 대한 응답성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 논문에서는 3상 BLDC 전동기를 구동하기 위해 기존의 6-스위치 인버터 대신 4-스위치 인버터를 사용함과 동시에 간접적인 회전자 위치 알고리즘을 이용한 방법을 적용하였다. 6개의 스위치가 1개의 모듈로 구성되는 IPM (Intelligent Power Module) 소자를 사용할 경우 4개의 스위치는 전동기 구동을 위한 4-스위치 인버터로 사용되고 남은 2개의 스위치를 이용하여 Voltage doubler를 구성 할수 있다. 따라서 전동기 구동회로를 최소화시키고 간단한 회전자 위치 검출회로를 구성하여 원가 절감 및 저가형태의 산업용 구동장치로 적용될 수 있다.

BLDC 전동기는 스위칭 소자를 이용한 인버터회로를 통해 정류를 하므로 정류시 회전자의 위치정보가 필요하여, Hall-sensor나 엔코더와 같은 회전자 위치 검출센서가 필수적이다. 그러나 주변 온도나 습도 등 작업 환경에 제한을 받는 곳에서는 센서의 고장 및 오동작으로 인한 전동기의 운전 정지 및 회전자 위치 검출 오차에 의한 제어의 어려움이 발생될 수 있다. 일반적으로 속도를 검출하는 방법으로는 엔코더(encoder)나 레졸버(resolver)와 같은 고가의 속도 센서들이 사용된다. 그러나 측정하는데 있어서 시스템 잡음이나 경제적인 문제, 센서의 분해능의 한계로 인하여 정확한 정보를 얻을 수 없는 경우가 존재한다. 특히 저속 구동 시 디지털 센서의 출력 주파수가 제어기의 샘플링 주파수 보다 낮으면 정확한 속도를 얻을 수 없다. 샘플링 문제를 보안하기 위하여 샘플링 주파수를 길게 하면 전체적인 시스템의 신뢰도가 떨어지게 된다. 따라서 논문에서는 고정자의 제 3고조파 전압 성분을 이용하여 BLDC 전동기의 회전자 위치를 간접 검출하는 방법을 적용하였다.

2. 회전자 위치 검출회로와 저가용 구동회로를 이용한 3상 BLDC 전동기 구동제어 시스템

그림. 1은 본 논문에서 적용한 3상 BLDC 전동기 구동제어 전체 시스템으로 회전자 위치검출회로, 구동용 4-스위치인버터, Voltage doubler 회로로 구성하였다.

그림. 1. 회전자 위치 검출회로와 저가용 구동회로를 이용한 3상 BLDC 전동기 구동제어 시스템

Fig. 1. Three phase BLDC motor driving control system with rotor position detection and low cost driving circuit

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig1.png

기존의 6-스위치를 이용한 구동 방식과 달리 4개의 스위치를 이용하는 4-스위치 인버터는 그림. 2와 같이 3상 중 2상에 대해 스위치가 구성되고 나머지 1상은 입력 전원측 커패시터의 중성점에 연결되는 구조를 가지고 있다.

그림. 2. 3상 BLDC 전동기용 4-스위치 인버터

Fig. 2. Three phase BLDC motor driving 4-switch inverter

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig2.png

따라서 기존 6-스위치 인버터와 비교했을 경우 입력전압의 절반만을 이용하는 모드가 존재함으로써 전동기의 속도제한과 정격속도에 대한 응답성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다. 언급한 6-스위치와 4-스위치 인버터의 특성을 비교하면 표 1과 같이 정리할 수 있다.

표 1. 4-스위치 인버터 & 6-스위치 인버터 비교

Table 1. 4-switch and 6-switch inverter comparison

비고

6-스위치

4-스위치

스위치 수

6개

4개

입력전압(V)

V

0.5V 모드 존재

재료비

100

67.7

IPM 사용시

6개 스위치 모두

Voltage doubler 적용 (2개의 스위치)

4-스위치 인버터의 문제점을 해결함과 동시에 직류전압 제어, 입력전류의 정현제어, 단위역률제어 등이 가능한 구조의 형태가 될 수 있는 Voltage doubler를 적용하였다.

사용한 회전자 위치검출방법은 단자전압의 3고조파를 이용한 방식을 적용하였다. 3고조파 전압 성분을 검출해 내기 위해 전동기 내부의 중성점을 $m$, 저항 R을 Y-결선으로 연결하여 만들어진 중성점을 $n$이라고 하면, 두개의 중성점 간의 전압 $V _{mn}$이 제 3고조파 전압성분이 된다. 추가적으로 3고조파 전압성분을 이용하여 회전자의 위치에 따른 전환신호를 생성하기 위해 단자전압으로부터 검출된 3고조파 전압을 적분하여 90도 〫지연된 파형을 얻어낼 수 있다. 그리고 영전압 검출회로를 거치면 최종적으로 BLDC 전동기의 회전자 위치를 파악할 수 있는 전환신호(Commutation signal)를 만들 수 있다[5,6]. 이 방법은 역기전력 파형과 상전류가 비교적 정확한 동기를 유지할 수 있으므로 넓은 속도범위에서 안정적인 센서리스 운전이 가능한 장점을 가지고 있다.

3. 알고리즘 구성 및 시뮬레이션 결과

본 논문에서 적용한 3상 BLDC 전동기를 구동하기 위한 4-스위치 인버터 및 센서리스 방법에 대한 결과를 확인하기 위해 PSIM 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 알고리즘 설계 및 다음과 같은 결과를 확인하였다.

3.1 3상 BLDC 전동기 구동용 4-스위치 인버터 Part

4개의 스위치를 이용하는 4-스위치 인버터는 그림. 3과 같이 3상 중 2상에 대해 스위치가 구성되고 나머지 1상은 입력 전원측 커패시터의 중성점에 연결되는 구조를 가진다.

그림. 3. 3상 BLDC 전동기 구동용 4-스위치 인버터

Fig. 3. Three phase BLDC motor driving 4-switch inverter

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig3.png

따라서 6-스위치를 이용한 스위칭 패턴을 사용하게 되면 중성점에 연결된 상에 전류가 흐르게 되어 3상이 동시에 도통하는 구간이 발생하게 되어 이를 해결하기 위한 스위칭 방식이 필요하다. 표 2에 나타낸 4-스위치 인버터 스위칭 패턴에 따라 본 논문에서는 그림. 4와 같이 4-스위치 인버터 게이트신호 발생 알고리즘을 설계하였다.

표 2. 4-스위치 동작을 위한 스위칭 패턴

Table 2. Switching pattern for 4-switch operation

Mode

Active Phase

Switch On State

1

A, B

S1, S4

2

B, C

S3

3

C, A

S2

그림. 4. 4-스위치 인버터 게이트 신호

Fig. 4. Gate signal of 4-switch inverter

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig4.png

4개의 스위치를 이용하는 4-스위치 인버터에서 A상과 B상에만 전류가 흘러야 하지만 실제 커패시터의 중성점에 연결된 V2에 모터 중성점으로 전류가 흐르는 현상이 발생한다. 따라서 A, B상을 독립적으로 제어하지 않을 경우에는 C상에 전류가 흐르게 되며 이러한 문제점의 해결을 위해 그림. 5에서 보는바와 같은 중성점의 불균형을 보상하기 위한 방식을 적용하였다.

그림. 5. 4-스위치 인버터 A, B상 전류제어기

Fig. 5. A, B phase current controller part of 4-switch inverter

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig5.png

3.2 Voltage Doubler Part

4-스위치 인버터의 문제점을 해결함과 동시에 직류전압제어, 입력전류의 정현제어, 단위역률제어 등이 가능한 구조의 형태가 될 수 있는 Voltage doubler를 이용한 구동방식을 적용하였다.

Voltage doubler의 전력회로는 그림. 6과 같이 구성되며 역률을 개선함과 동시에 정현파에 가까운 전류 파형을 입력측에서 얻을 수 있는 기능을 가지고 있다. 또한 전류의 흐름에는 두개의 반도에 소자만 관여하기 때문에 승압초퍼에 의한 보상방식과 비교하여 전압강하를 줄일 수 있고 스위치를 거치는 실효전류의 정격이 낮기 때문에 소자의 크기 및 정격을 줄일 수 있다[5,6]. Voltage doubler를 이용하여 입력측의 역률개선 및 정현파 전류제어가 될 수 있도록 그림. 7과 같이 회로를 설계 및 구성하였다.

그림. 6. Voltage doubler 회로

Fig. 6. Voltage doubler circuit

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig6.png

그림. 7. Voltage doubler 및 제어회로

Fig. 7. Voltage doubler and control circuit

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig7.png

3.3 회전자 위치 검출회로 Part

BLDC 전동기는 회전자 위치에 따라 전동기의 상전류를 전환해주어야 하므로 Hall-sensor나 엔코더와 같은 회전자 위치 검출센서가 필수적이다. 그러나 위치센서의 부착은 전동기 시스템의 가격상승, 부피의 증가, 신뢰성 저하, 사용환 경의 제약, 전자파 장애 등의 많은 문제가 생긴다. 특히 센서 부착으로 인한 전동기 가격의 상승은 BLDC 전동기의 시장 확장에 가장 큰 장애 요소로 작용하고 있다. 이에 따라 위치센서 없이 BLDC 전동기를 구동하는 센서리스 구동제어법이 사용되고 있으며, 이를 기존의 유도 전동기나 직류 전동기를 대체하여 가변속 운전을 하는 응용 분야에 적용하려는 연구도 활발하게 진행되고 있다.

BLDC 전동기의 회전자 위치 간접 검출을 위해 기존에 제안된 방법은 비여자 상의 단자전압을 이용하는 방법, 비여자 상의 전류를 검출하는 방법, 제 3 고조파 전압 성분을 이용하는 방법이 있다. 따라서 본 논문에서는 BLDC 전동기의 회전자 위치를 간접적으로 검출하기 위해 그림. 8과 같이고정자의 제 3고조파 전압 성분을 이용하였다. 3고조파 성분은 회전자의 위치 정보를 가지고 있고 이 전압을 이용하여 전환 신호(Commutation signal)를 만들어 낼 수 있다.

그림. 8. 회전자 위치 검출회로

Fig. 8. Rotor position detection

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig8.png

기존의 6 스위치를 이용한 스위칭 패턴을 사용하게 될 경우 중성점에 연결된 상에 전류가 흐르게 되어 3상이 동시에 도통하는 구간이 발생하게 되고 이러한 문제점을 해결하기 위해서 별도의 스위칭 방식이 필요하다. 따라서 그림. 9는 3상 BLDC 전동기를 구동하기 위해 일반적으로 사용되는 6-스위치 인버터를 사용하는 대신 표 1에 나타낸 “4-스위치 동작을 위한 스위칭 패턴”을 이용하여 4-스위치 인버터의 각 스위치 게이트 신호를 보여주고 있다.

그림. 9. 4-스위치 인버터 게이트 신호 (1v/div.)

Fig. 9. 4-switch inverter gate signal (from top to bottom gate S1, S3, S2, S4 signal)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig9.png

그림. 10은 3상 BLDC 전동기의 단자전압을 이용하여 각상의 Hall-sensor 신호를 추정하기 위한 과정의 결과파형으로 3고조파 전압성분과 이 전압의 적분파형 그리고 영점 검출회로를 거쳐 생성된 전환신호를 각각 나타내고 있다. 고정자의 3고조파 전압성분을 이용하여 적분회로를 통해 위상이 90도 지연된 고정자의 3고조파 성분을 영점 검출회로를 통해서 전환신호를 만들 수 이 전환신호를 이용하여 전동기의 정류되는 시점을 찾을 수 있다.

그림. 10. 3상 BLDC 단자전압 및 3고조파 신호에 의한 전환신호 생성

Fig. 10. Generated switching signal by terminal voltage and third harmonic signal of BLDC motor(from top to bottom terminal voltage, third harmonic signal, integrator signal, commutation signal)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig10.png

그림. 11은 본 논문에서 적용한 4-스위치 인버터, 회전자위치 검출회로, Voltage Doubler 알고리즘을 적용하여 BL DC 전동기 속도를 10,000rpm 구동 및 30,000rpm으로 속도 가변시 각상의 상전류와 속도응답의 결과 파형을 보여주고 있다. 또한 그림. 12, 그림. 13그림. 11에서 설명한 BLDC 전동기 구동시 속도 10,000rpm과 30,000rpm일 때 각상의 상전류 대한 확대한 결과를 보여주고 있다.

그림. 11. 속도가변시 속도응답 및 상전류 (1,0000rpm → 30,000rpm)

Fig. 11. Speed response of reference speed change and phase current (0.5s, 10A, 10,000rpm/div)(from top to bottom phase current, speed response of reference speed change)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig11.png

그림. 12. 10,000rpm 구동시 전동기 상전류 (1A/div.)

Fig. 12. Phase current of 3 phase BLDC motor at 10,000rpm (from top to bottom A, B, C phase current)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig12.png

그림. 13. 30,000rpm 구동시 전동기 상전류 (2A/div.)

Fig. 13. Phase current of 3 phase BLDC motor at 30,000rpm (from top to bottom A, B, C phase current)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig13.png

결과적으로 3상 BLDC 전동기를 구동하기 위해 일반적으로 사용된 6-스위치 인버터 및 회전자 위치용 Hall-sensor를 적용했을 때 전형적으로 볼 수 있는 결과의 파형들이 본 논문의 알고리즘을 통해 얻은 그림. 11, 그림. 12, 그림. 13의 결과들과 동일함을 알 수 있다.

그림. 14는 Voltage doubler 회로 적용시 입력전압, 입력전류, DC-link 전압의 결과를 보여주고 있다. Voltage doubler의 입력단의 전압은 상용전압 110V이며 출력단 전압 즉 2개의 직렬 캐패시터 양단에 560V(280V+280V)가 출력이 되도록 설계하였다.

그림. 14. 30,000rpm 구동시 입력전압, 입력전류, DC-link 전압 (100V, 5A/div.)

Fig. 14. Input voltage and current, DC-link voltage at 30,000rpm (from top to bottom input voltage, input current, DC-link voltage)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/fig14.png

그림. 14의 결과를 통해 표 1에 나타낸 모드 2와 3에서도 3상 BLDC 전동기에 최소 정격입력전압이 전달됨으로서 4 -스위치 인버터를 사용하여 3상 BLDC 전동기를 구동을 할 경우 전동기 정격속도의 1/2 이상의 속도를 낼 수 없는 문제점이 해결됨을 알 수 있다. 또한 Voltage doubler를 사용함으로써 입력전류에 대한 정현파 제어 및 단위역률제어에 따른 고조파 저감 효과도 기대할 수 있다.

4. 결 론

3상 BLDC 전동기를 구동하기 위해 기존의 6-스위치 인버터 대신 4-스위치 인버터를 사용함과 동시에 간접적인 회전자 위치 알고리즘을 이용한 방법을 적용하였다. 그러나 4-스위치 인버터는 전동기의 속도제한과 di/dt 성분이 늦어짐으로써 정격속도에 대한 응답성이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 Voltage doubler를 적용함으로써 입력전류에 대한 정현파 제어 및 단위역률제어에 따른 고조파 저감 효과를 기대할 수 있다.

본 논문에서 적용한 알고리즘을 이용하여 전동기 구동회로를 최소화, 간단한 회전자 위치 검출회로 구성, 원가 절감 및 저가형태의 산업용 구동장치 적용에 기여할 것으로 사료된다.

감사의 글

이 연구는 2019년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.

References

1 
Caricchi F., Capponi F. Giulii, Crescimbini F., Solero L., 2001, Sinusoidal Brushless Drive with Low Cost Hall Effect Position Sensors, IEEE Trans. on Ind. Application, pp. 799-804DOI
2 
Moreira J. C., 1996, Indirect sensing for rotor flux position of permanent magnet AC motors operating over a wide speed range, IEEE Trans. Ind. Application, Vol. 32, pp. 1394-1401DOI
3 
Lee Byoung-Kuk, Kim Tae-Hyung, Ehsani Mehrdad, 2003, January, On the Feasibility of Four Switch Three Phase BLDC Motor Drives for Low Cost Commercial Application: Topology and Control, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, No. 1, pp. 164-172DOI
4 
Uddin M. Nasir, Radwan Tawfik S., Rahman M. Azizur, 2006, Fuzzy Logic controller Based Cost Effective Four Switch Three Phase Inverter Fed IPM synchronous Motor Drive System, IEEE Trans. Ind. Application, Vol. 42, No. 1, pp. 21-30DOI
5 
Chen Shen-Li, Ou Hsiang-Pei, 2013, Implementation of a Driver Chip for the Three-Phase DC Brushless-Motor with Hall Sensors, Proceedings of the Sensors & Transducers, Vol. 25, pp. 140-146Google Search
6 
Real Jose Carlos Gamazo, Gil Jaime Gomez, 2015, Sensorless Detection of Position and Speed in Brushless DC Motors using the Derivative of Terminal Phase Voltages Technique with a Simple and Versatile Motor Driver Implementation, J Electr Eng Tech, pp. 30-40DOI

저자소개

윤 용 호 (Yong-Ho Yoon)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.376/au1.png

2007년 성균관대 메카트로닉스공학과 졸업(박사)

2007년~2011년 삼성탈레스 종합연구소 메카트로닉스그룹 전력전자팀 전문연구원

현재 광주대학교 전기전자공학부 교수