1. 서 론

전동차의 전기식 출입문은 승객의 안전과 편의를 위해 설치된 시스템으로, 운전사나 승무원의 작업으로 개폐된다. 출입문에 고장이 발생하면 차량 운행이 지연되고, 승객의 생명과 안전에 큰 위험이 발생할 수 있다. 따라서 제어시스템의 안정성과 신뢰성은 높은 수준이 요구되며, 운행 중에 출입문 고장 발생 시 차량기지로 회송이 요구되어 차량 운용에 차질이 발생한다^[1]. 전기식 출입문은 승객 승하차 시 충돌과 만차로 인해 판넬에 수직 부하가 발생한다. 이러한 경우 출입문 판넬에 물리적 충격이 가해질 수 있고, 구동 전동기에 급격한 전류 상승이 발생하여 출입문 동작에 큰 영향을 끼친다^[2-4].

철도차량 출입문 구동 전동기는 가격이 저렴한 DC 전동기를 주로 적용하고 있다. 그러나 DC 전동기는 정류자, 브러시로 인한 고장 및 소음이 높은 문제가 있으며, 정밀한 위치제어가 어렵기 때문에 리밋스위치(Limit Switch)를 사용하여 출입문의 개폐동작을 확인한다^[2]. 그러나 리밋 스위치는 고장이 자주 발생하며, 차량 운행 중 츌입문 한 개라도 고장 시 차량기지로 회차해야 하는 문제를 야기한다. BLDC(Brushless DC)는 DC 전동기에서 브러시와 정류자를 제거하고 회전자계를 이용한 전동기이다. 이로 인해 BLDC 전동기는 소형·경령화가 가능하고, 소음이 낮으며. 높은 효율성과 내구성을 가진다^[5]. 높은 내구성은 유지보수성을 높일 수 있으며, 전동기의 소형·경량화는 복잡한 출입문 내부 구조를 완화할 수 있다. 또한, 홀센서를 이용한 정밀한 위치제어를 통해 리밋스위치의 역할을 대신함으로써 유지보수의 범위를 축소시킬 수 있다.

본 논문에서는 철도차량 출입문에 BLDC 전동기를 적용함으로써 출입문 구동 전동기의 유지보수 비용을 절감하고 전동차 출입문의 성능 및 신뢰성 향상을 목적으로 한다. 이를 위해 출입문의 구조를 분석하여 축소형 출입문 하드웨어를 제작하였으며, DC 전동기의 동작 프로파일을 기반으로 BLDC 전동기의 속도을 제어하였다. 이후 출입문의 위치제어를 통해 개폐 실험을 진행하였으며, 전동기에 스트레스를 가해 위치제어의 성능을 검증하였다.

2. 전동차 출입문 구동용 전동기

그림 1. 출입문 구동장치 구성

Fig. 1. Configuration of door drive device

그림 1은 출입문 구동장치의 구성으로 출입문 판넬을 이송시키는 주요장치이다. 차량으로부터 DC 100V의 전원과 개폐 신호를 받아 출입문 제어장치(DCU)를 통해 전동기가 구동된다. 전동기의 회전운동은 스크류와 너트를 통해 직선운동으로 변환되며, 베이스 플레이트에 설치되어 커플러를 통해 구동 스크류와 연결된다. 전동기의 속도는 속도 감지를 위해 엔코더가 사용되며, PWM을 통해 제어된다. 전동기의 전류값을 통해 출입문 개폐 시 장애를 감지하고 구동 스크류를 제어한다. 커플러는 전동기의 회전력을 전달하는 플렉시블 커플링으로, 전동기의 정·역회전 전환 시 발생하는 힘을 상쇄한다^[1].

2.1 기존 출입문 구동장치(DC 전동기)

그림 2는 출입문 개폐 동작 중 측정한 전동기의 전압, 전류, 속도 데이터이다. 전동기의 속도는 가속, 정속, 감속으로 구분할 수 있으며, 이에 따라 전압, 전류값도 변한다. 출입문 DC 전동기 데이터를 기반으로 출입문의 속도 프로파일을 구현하였다.

그림 2. 출입문 DC 전동기 동작 프로파일

Fig. 2. Door DC motor operation profile

그림 2의 전동기 전압은 속도와 비례하며, 전류는 출입문 개방 시 초기 가속 구간과 닫힘 완료 시 큰 전류가 흐르고, 정속 구간에서는 전류가 감소한다. 또한, 출입문의 제어 특성상 출입문 열림시간 2.5±0.5초, 닫힘시간 3±0.5초 이내로 동작한 것을 확인할 수 있다^[4]. 표 1은 기존 DC 전동기와 출입문 축소형 하드웨어에 제작된 BLDC 전동기 사양 비교표로, 같은 출력 대비 소형화 및 경량화가 가능하다.

표 1 DC 전동기와 BLDC 전동기 사양 비교

Table 1 Comparison of DC and BLDC motor specifications

구분	DC 전동기	BLDC 전동기
정격 출력	150[W]	150W
무게	6.05[[KG]	2.7[KG]
크기	90W * 90H * 210D	90W * 90H * 112D
소음	높음 (브러시&정류자)	낮음 (베어링)
효율	72%	85%

2.2 BLDC 전동기 속도제어 및 위치제어

BLDC 전동기는 회전자에 영구자석이 부착되고, 고정자에 감긴 권선에 순차적인 전류를 통해 회전자계를 형성하여 구동하는 방식이다. 따라서 정확한 구동을 위해서는 회전자의 극성의 위치를 검지해야하며 일반적으로 홀센서를 이용 검지한다. 홀센서에서 검지된 회전자의 극성을 위치 정보를 통해 제어하고자 하는 방향으로 자계를 형성하여 구동시키는 원리이다. 홀센서의 취부 위치는 BLDC 전동기 구조에 따라 상이하다^[6-10]. 그림 3은 BLDC 전동기의 구성회로 및 제어 방식이으로 PI 제어를 적용하였다. PI 제어기는 오차에 따라 출력을 생성하는 항과 오차의 적분을 통해 출력을 생성하는 항으로 식 (1)과 같다.

그림 3. BLDC 전동기 제어

Fig. 3. BLDC motor control

여기서, $K_{p}$는 비례 이득, $K_{i}$는 적분 이득이다.

비례 제어기에 적분항을 포함시키면 PI 제어기가 형성되며, 적분항은 제어대상 시스템의 정상 상태 오차를 제거한다. PI 제어기는 비례 이득과 적분 기능을 결합하여 오차 신호를 제어 입력값으로 변환한다. 전동기의 회전속도와 판넬 이동거리는 홀센서의 펄스를 통해 BLDC 전동기의 회전속도 연산하고, 출입문 판넬의 위치를 제어가 가능하다. 설계된 하드웨어는 M 방식을 사용하여 펄스 카운팅을 수행하였으며, 샘플링 주기 동안 측정된 펄스를 통해 각속도를 계산할 수 있다^[11][12].

그림 4. M 방식

Fig. 4. M method

PPR(Pulse Per Revolution)은 전동기 1회전 당 펄스 수를 의미한다. 전동차의 출입문은 스크류를 통해 전동기의 회전운동이 직선운동으로 변환되며, 스크류 리드(Screw lead)는 1회전당 직선 이동거리를 의미한다. 따라서, 홀센서의 펄스 카운트를 통해 출입문 판넬의 이동거리를 추정할 수 있으며, 식 (3)과 같다.

그림 5. 8극 BLDC 전동기 홀센서 파형

Fig. 5. 8-Pole BLDC Motor Hall Sensor Waveforms

이를 통해 판넬 이동거리가 원하는 위치에 도달하면 PWM을 정지시켜 출입문의 위치제어가 가능하다. 또한, 홀센서를 통해 측정되는 PPR은 높을수록 세밀한 측정이 가능하며, 8극 BLDC 전동기를 적용하였다. 그림 5는 8극 BLDC 전동기 회전 시 발생되는 홀센서 파형이다. 3개의 홀센서를 사용하였으며 각 홀센서는 1회전당 4개의 펄스가 발생되며 3개의 홀센서에 총 12펄스가 발생한다. 홀센서는 전기각 30°의 간격으로 배치하였으므로 홀센서 파형은 30°의 위상차를 갖는다. 측정된 홀센서 파형에서 펄스의 상승부분과 하강부분을 모두 카운트하게 되면 전동기의 회전각을 15° 간격으로 측정할 수 있으며, 이를 통해 정밀한 위치제어가 가능하다^[13].

3. 실 험

그림 6. BLDC 전동기 적용 축소형 출입문 하드웨어

Fig. 6. Small-ccale door H/W with BLDC motor

그림 6은 BLDC 전동기를 적용한 축소형 출입문 하드웨어로 스크류 리드는 10mm로 선정하였다. 기존 전동차는 일반적으로 36mm의 스크류 리드를 사용하며, 이를 고려하여 출입문의 동작 거리를 같은 스케일로 축소하여 실험하였다. 또한 출입문 판넬 대신 Weight block을 사용하여 전동기에 가해지는 하중부하를 조절할 수 있도록 설계하였으며, 하드웨어에 대한 사양을 표 2에 나타내었다.

3.1 BLDC 전동기 속도제어 실험

그림 7(a)는 BLDC 전동기가 열림과 닫힘을 수행할 때 측정한 전동기 회전속도(RPM)과 전동기 입력 전류 파형을 보여준다. 전동기의 속도제어는 기존 전기식 출입문 데이터를 분석한 전동기의 회전 속도 프로파일을 기준으로 제어하였으며, 그림 7(b)와 같다. 또한, 실험에서의 출입문의 이동거리는 스크류 리드 스케일 차이를 고려하여 650mm에 스케일을 나눈 180.56mm로 설정하였다. 그 결과 전동기의 속도는 가속, 정속, 감속으로 동작하며, 열림 2.5±0.5초, 닫힘 3±0.5초 이내로 출입문의 정상 동작을 확인하였다. 속도 파형은 직관적인 비교하기 위해 1[mV] 당 1[RPM]으로 비율을 조정하여 측정하였다. 표 3은 제어 기준 속도와 개폐 실험을 통한 속도 측정값을 정리한 결과로, 지령치인 기준 속도에 따라 제어되는 것을 확인하였다.

그림 7. 축소형 출입문 하드웨어 회전 속도제어 파형

Fig. 7. Waveform of Speed Control for small-scale door

표 3 개폐 실험 전동기 속도제어 결과

Table 3 Open/Close experiment motor speed control results

구분	동작 속도[mV]		제어 기준 속도[RPM]
	열림	닫힘	열림	닫힘
가속	506	412	500	410
감속	311	303	300	300

3.2 BLDC 전동기 위치제어 실험

기존 전동차의 출입문 DC 전동기는 브러시 및 정류자와 같은 구동 접촉부에서 마모가 발생하여 정기적인 유지보수가 필요하다. 또한, 정밀한 이동 위치를 추정하는 것이 매우 어렵기 때문에 리밋스위치를 이용하여 출입문의 동작 범위를 제한한다. 그러나 리밋스위치는 고장이 자주 발생하여 출입문의 신뢰성에 문제를 야기한다. BLDC 전동기는 홀센서를 통해 정밀한 위치 제어가 가능하며, 본 논문에서는 홀센서의 펄스 카운트를 통한 위치제어 알고리즘을 적용하였다. 그림 8은 위치제어 실험에 대한 파형으로 제한 펄스에 도달하면 전동기의 구동이 멈추는 것을 확인할 수 있다.

BLDC 전동기는 각 홀센서 펄스의 상승과 하강 포인트를 카운트하여 전동기의 회전을 15°씩 제어할 수 있다. 이로 인한 이동거리는 스크류 리드 10mm를 기준으로 펄스 카운트 하나당 약 0.417mm로 계산할 수 있다. 표 4는 펄스 카운트를 통해 출입문 위치제어한 결과로 100mm, 200mm, 300mm를 기준으로 실험하여 검증하였다. 실험은 위치제어 알고리즘 검증을 위해 속도는 정속 500RPM으로 제어하였으며 각 100회 수행하였다. 전동기 RPM 데이터를 거리로 연산하여 저장하였으며, 300mm 제어에서 최대 1.33mm의 오차가 발생하였다.

그림 8. 축소형 출입문 위치제어 실험파형

Fig. 8. Position control waveforms for small-scale door

추가로, 위치제어 검증을 위해 실제 차량운행 중 출입문에 발생할 수 있는 외부 스트레스를 가정하여 실험을 수행하였다. 외부 스트레스는 하중 부하, 판넬 측면 수직방향 부하, 스크류 이물질 끼임을 상정하였다. 제조사에 따라 출입문 판넬의 무게가 상이한 것을 고려하여 하중 부하는 Weight block을 추가하였다. 측면 수직방향 부하는 7±0.5kg 힘으로 인위적인 부하를 가했다. 이물질 끼임은 스크류와 이송장치 사이에 섬유재질의 이물질을 삽입하였다. 수직방향 부하와 이물질 끼임 모두 최대 하중 부하에서 실험하였다. 실험은 모든 조건에서 100회 수행하였으며, 전동기의 속도 기존 출입문의 속도 프로파일과 같다. 이동거리는 축소 스케일을 적용한 180.56mm로 펄스 카운트를 433펄스로 제한하여 위치제어하였다.

그림 9. 외부 스트레스 조건 위치제어 실험 파형

Fig. 9. Waveform of Position Control Experiment under External Stress Conditions

그림 9는 출입문 열림 동작 시 가정된 외부 스트레스에 대한 실험 파형이다. 그림 9(a)는 최대하중(25.5kg) 부하 상태로 측정한 파형으로 평균 동작시간은 약 2.76초이며, 전동기는 약 18회 회전 후 정지하였다. 그림 9(b)는 판넬 측면 수직방향 부하 실험 파형으로 부하로 인해 속도 변동이 보이나, 평균 동작시간은 2.91초이며 전동기는 약 18회 회전 후 정지하였다. 그림 9(c)는 스크류에 이물질을 삽입하여 실험한 파형으로, 초기가속 시간이 길어지고 전체적인 속도가 낮은 것으로 보이며, 평균 동작시간은 2.94초로 전동기는 약 18회 회전 후 정지하였다. BLDC 전동기는 3가지의 실험 조건에서 출입문 프로파일에 부합하게 제어되었으며, RPM 데이터를 거리로 연산하여 데이터를 저장하였다.

표 5는 외부 스트레스를 적용한 위치제어 실험결과로, 최대 오차는 출입문 판넬 수직방향 부하에서 1.65mm이다. 이는 실제 스케일로 변환 시 5.25mm로, 출입문의 센터 밀봉 고무(Rubber)를 고려하였을 때 수용할 수 있는 거리이다.

4. 결 론

본 논문에서는 전동차 전기식 출입문 구동 전동기에 BLDC 전동기 적용을 위한 연구를 진행하였다. 기존의 DC 전동기는 회전 시 브러시 및 정류자와 같은 구동 접촉부에서 마모가 발생하여 정기적 보수가 필요하고, 이로 인해 전동기 효율이 저하되며 출입문 개폐 동작에 영향을 줄 수 있다. 따라서 소형·경량화가 가능하고, 효율성과 내구성이 높은 BLDC 전동기를 적용한 축소형 출입문 하드웨어를 제작하였으며, 홀센서 펄스를 이용하여 BLDC 전동기의 속도 및 판넬 위치를 제어하였다. 또한, 위치제어 신뢰성 검증을 위해 여러 외부 스트레스 조건을 가정하여 실험하였다. 그 결과 180.56mm를 기준으로 최대 1.65mm의 오차를 보였으며, 이는 출입문의 센터 밀봉 고무로 인해 수용되는 범위이다. 따라서, 기존 출입문 시스템에서 고장이 잦은 리밋스위치를 제외할 수 있으며, 이는 출입문의 유지보수 범위를 축소화 및 신뢰성 향상을 의미한다.