BLDC 전동기의 효율 향상을 위한 푸리에 급수 기반의 위상 지연 보상
Fourier-series-based Phase Delay Compensation for Efficiency Improvement of BLDC Motor Systems
- 주제(키워드) 도움말 BLDC 전동기 , BLDC 전동기 드라이버 , 상 지연 보상 , 푸리에 급수 , 효율 , 증분형 엔코더
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 공경철
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2016. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000058880
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
현재 BLDC 전동기는 고효율, 고출력밀도, 고속 운전 등의 장점으로 가전제품, 정보통신기기, 자동차 산업, 의료기기 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 또한 기계적인 접촉 구조인 정류자와 브러시를 이용하는 직류 전동기에 비해 BLDC 전동기는 전자기적 잡음과 기계적 소음이 적고 수명이 길다는 장점이 있다. BLDC 전동기의 구동을 위해서는 홀센서(hall sensor)와 같이 회전자의 위치 정보를 얻어 동기화시키기 위한 센서가 필수적으로 요구된다. BLDC 전동기는 홀센서의 신호로부터 회전자의 위치를 6개 구간으로 나누어 구동되며, 연속적인 회전을 위해 홀센서의 신호 조합에 따라 요구되는 상(phase)을 선정하여 구동 회로인 인버터로 여자한다. BLDC 전동기의 구동 시에는 2상 여자 방식을 통해 두상만 여자되고 나머지 한 상은 여자되지 않는다. 2상 여자 방식에 의해 상전환이 진행 될 때 이상적인 경우 홀센서의 신호 검출과 동시에 상전환이 진행되어야 한다. 하지만 전동기의 권선 인덕턴스의 영향으로 인해 상전류는 상전환 시점 보다 지연되어 나타난다. 특히 인덕턴스가 크고 고속으로 운전할수록 상전류의 지연각은 증가하여 BLDC 전동기의 효율 감소 및 토크 성능 감소 등의 문제로 이어지게 된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 진상각 보상(phase advance angle compensator)이 대두 되었으며 진상각 보상을 통해 고속에서 전동기의 토크 증가 및 효율 향상의 결과가 수식 및 시뮬레이션을 통해 검증 및 연구되어왔다 본 논문에서는 증분형 엔코더(incremental encoder)를 이용한 진상각 보상을 통해 고속 영역에서 BLDC 전동기의 토크 성능 및 효율을 증진시키는 방법에 대해 제안하고자 한다. 최근 증분형 엔코더의 기술발달로 정밀도가 향상되고 가성비가 뛰어나 전동기를 활용한 피드백 제어 시스템에 대다수 장착이 되고 있어 충분히 활용가치가 있다. 권선 인덕턴스에 의한 상전류 지연각과 전동기 회전 속도의 관계를 도출하고, 효율에 미치는 영향에 대해 수식적으로 모델링한다. 또한 진상각 보상을 실시간으로 구현하기 위해서 증분형 엔코더의 특성과 논리회로를 활용한 진상각 보상 드라이버 설계를 제안한다. 따라서 진상각 보상 알고리즘과 진상각 전동기 드라이버를 통해 BLDC 전동기의 고속 영역에서 효율 향상을 검증하고자 한다.
more초록/요약
Brushless direct-current (BLDC) motors are being regarded as a standard of actuation methods for precise and heavy-duty applications, such as robots and vehicles. To improve the efficiency and torque performance of the BLDC motors, various design parameters (e.g., the magnetic flux density, core material, etc.) have been investigated. Phase delay compensation (PDC), also often called phase advance angle control (PAAC), is also an attractive method that improves the actuation efficiency of BLDC motors without any mechanical modification of the motors. Due to the inductance of the BLDC motor windings, the magnetic flux of a rotor and that of a stator are not generated at the same time, which causes a phase delay in magnetization of the coil. Due to this phenomenon, the efficiency of the BLDC motor is remarkably decreased, in particular at a high speed, and the PDC can be applied to compensate for this phase delay. In this thesis, Fourier-series-based PDC is proposed to improve the efficiency of the motor; the phase delay angle is calculated based on the dynamic model of the motor windings and its Fourier series. The proposed Fourier-series-based PDC is realized by designing an inverter circuit that switches the phase voltages according to the proposed algorithm, and its performance is verified by experiments.
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