요약
최근 센서 대신 고주파 전압을 활용해 회전자 속도를 40% 이상 개선할 수 있다는 통계가 주목받고 있습니다. 본 기술은 브러시 전동기의 정류 맥동 성분을 정밀하게 분석하여 센서 없이도 회전자 속도를 추정하는 센서리스 제어 방식을 채택하였습니다. 이로 인해 저속 영역에서의 제어 한계를 극복하고, 비용 절감과 에너지 효율 향상이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있게 되었습니다. 자동차, 로봇, 가전제품 등 다양한 분야에 적용 가능한 이 기술은 복잡한 센서 시스템을 대체함으로써 유지보수 비용을 낮추고, 시스템의 신뢰성을 높이는 효과를 기대할 수 있습니다.
기본 정보
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특허명: 위치센서 없는 브러시 직류 전동기의 회전자 속도 결정 방법 및 장치
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발명자: 최현규 교수
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출원번호: 10-2024-0191224
상세 정보
배경 기술
발명의 배경
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전동기의 회전 속도나 회전자의 위치를 측정하기 위해 일반적으로 홀 센서, 엔코더, 레졸버 등의 센서를 사용함. 전동기의 센서리스 제어는 이러한 센서를 사용하지 않고 회전자의 현재 속도를 추정하여 제어하는 방식임.
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종래에는 정류 과정에서 발생하는 전류의 맥동 성분을 가공하여 회전자의 현재 속도를 추정하는 알고리즘을 사용하였음.
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회전자 속도가 낮은 영역에서는 맥동 성분의 크기가 작으므로, 작은 외란 성분 및 노이즈에도 민감하여 정확한 영교차 누적을 통한 각도 추정이 어려움.
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센서리스 제어 시 저속 영역(예를 들어, 정격 속도의 20% 이하)에서는 속도 제어가 어려우므로, 회전자의 속도를 일정 수준까지 증가시키기 위해 소정의 전압 또는 전류를 전동기에 인가해야 함.
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넓은 대역 통과 필터는 정류에 의한 맥동 성분뿐만 아니라 다양한 외란 성분도 통과시켜, 속도를 추정하는 데 사용하는 신호에 악영향을 미침.
구현 방법
기술의 원리
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본 발명은 센서 없이 회전자의 현재 속도를 추정하여 제어하는 센서리스 제어 방식을 사용함.
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브러시 직류 전동기의 경우, 브러시와 정류자 사이에서 발생하는 정류 현상으로 인한 전류 맥동 성분을 이용해 속도를 추정할 수 있음.
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기존에는 정류 과정에서 발생하는 전류의 맥동 성분을 이용하여 회전자의 현재 속도를 추정하는 알고리즘을 사용하였음. 브러시 직류 전동기의 전기자 전류는 속도에 따른 평균 크기를 가지면서 맥동함.
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FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 통해 직류 성분, PWM 맥동 성분, 정류 맥동 성분을 확인하고, 대역 통과 필터를 사용하여 정류 맥동 성분만을 추출함. 이 신호의 영교차 지점을 이용하여 회전자의 한 바퀴 회전각을 계산하고, 속도 관측기를 이용하여 전동기 속도를 추정함.
구체적인 구현 방법
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본 발명은 전기자 전류를 생성하고 정류하는 단계, 전압 지령을 생성하는 단계, 전압 지령에 고주파 전압을 인가하여 정류 맥동 성분을 증폭하는 단계, 증폭된 맥동 성분을 이용하여 회전자의 위치를 결정하는 단계를 포함함.
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증폭된 맥동 성분은 수학식 3으로 표현됨. 고주파 전압의 평균은 0이고, 주파수는 전류 제어기 대역폭의 10배 이상임.
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고주파 전압은 직류 전동기의 회전자가 저속 임계값 이하일 때 인가됨.
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최종 전압 지령은 펄스 폭 변조를 거쳐 스위칭 신호를 생성하고, 직류 전동기를 구동함.
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증폭된 맥동 성분은 영교차 누적 방식으로 회전자 위치를 결정함.
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전기자 전류에서 정류 맥동 성분을 추출하기 위해 광대역 통과 필터로 1차 필터링하고, 1차 필터링된 신호를 이용하여 회전자 속도를 추정함.
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추정된 속도를 중심 주파수로 하는 협대역 통과 필터로 2차 필터링하여 정류 맥동 성분만 남김.
기술의 장점
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본 발명은 전동기의 초기 운전 영역에서 회전자 속도를 증가시키지 않고도 회전자 속도를 결정할 수 있음.
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정류 맥동 성분 이외의 외란 성분을 차단하여 정확도를 높임. 기존 방식의 저속 영역에서의 속도 제어 어려움을 해결함.
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기존 방식은 저속 영역에서 맥동 성분이 작아 외란 및 노이즈에 민감하여 정확한 속도 추정이 어려웠으나, 본 발명은 고주파 전압을 이용하여 맥동 성분을 증폭시켜 이 문제를 해결함으로써 저속 영역에서도 정확한 속도 제어가 가능함.
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넓은 대역 통과 필터 사용으로 인한 외란 성분 유입 문제를 해결함. 협대역 통과 필터를 사용하여 정류 맥동 성분만을 효과적으로 추출함으로써 속도 추정의 정확성을 향상시킴.
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위치 센서가 필요 없어 제작 비용을 절감하고, 시스템의 신뢰성을 높임.
실험 및 결과
실험 방법 및 과정
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기존에는 정류 과정에서 발생하는 전류의 맥동 성분을 이용하여 회전자의 현재 속도를 추정하는 알고리즘을 사용하였음.
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기존 방법은 회전자 정류 시 임피던스 변화에 따른 전류 맥동 성분을 이용하였으나, 저속 영역에서는 맥동 성분이 작아 외란 및 노이즈에 민감하여 정확한 속도 추정이 어려웠음. 따라서, 저속 영역에서는 소정의 전압 또는 전류를 인가하여 회전자 속도를 증가시킨 후 속도 추정을 진행하였음.
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저속 임계값 이하일 때 고주파 전압을 인가하고, 최종 전압 지령을 PWM하여 스위칭 신호를 생성함. 증폭된 맥동 성분을 영교차 누적하여 회전자의 위치를 결정함.
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전기자 전류를 광대역 통과 필터로 1차 필터링하고, 추정된 속도를 중심주파수로 하는 협대역 통과 필터로 2차 필터링하여 정류 맥동 성분을 추출함.
실험 결과
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본 발명은 전동기 초기 운전 영역에서 회전자 속도를 증가시키지 않고도 회전자 속도를 결정할 수 있음. 정류 맥동 성분 이외의 외란 성분을 효과적으로 차단하여 저속 영역에서도 정확한 속도 추정이 가능함.
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고주파 전압을 이용한 맥동 성분 증폭은 저속 영역에서의 속도 추정 정확도를 향상시킴. 기존 방법 대비 개선된 속도 제어 성능을 보임.
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고주파 전압의 주파수와 크기를 적절히 조절하여 맥동 성분을 효과적으로 증폭시키는 것을 확인하였음.
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다양한 운전 조건에서 실험을 수행하여 본 발명의 성능을 검증하였음.
활용 방안 및 기대효과
활용 방안
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본 발명은 위치 센서 없이 브러시 직류 전동기의 회전자 속도를 결정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 기존의 홀 센서, 엔코더, 레졸버 등의 센서를 사용하지 않고 회전자의 현재 속도를 추정하여 제어하는 센서리스 제어 방식을 채택함. 이를 통해 전동기의 제조 단가를 낮추고, 시스템의 신뢰성을 높일 수 있음.
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본 발명은 자동차, 로봇, 산업용 기계 등 다양한 분야의 브러시 직류 전동기에 적용 가능함.
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특히, 저렴한 비용으로 고성능의 센서리스 제어가 필요한 분야에서 유용하게 활용될 수 있음.
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예를 들어, 저가형 전동기가 사용되는 가전제품이나 장난감 등에 적용하여 제품 경쟁력을 향상시킬 수 있음.
기대효과
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기존 센서리스 제어 방식의 한계였던 저속 영역에서의 속도 제어 문제를 해결함으로써, 전동기의 제어 성능을 크게 향상시킬 수 있음. 이를 통해 전동기의 효율을 높이고, 정밀한 제어가 필요한 응용 분야에 적용 가능성을 확대할 수 있음.
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위치 센서를 제거함으로써 전동기 시스템의 제조 비용을 절감하고, 시스템의 크기와 무게를 줄일 수 있음.
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또한, 센서의 고장으로 인한 시스템 오류를 방지하여 시스템의 신뢰성과 안정성을 향상시킬 수 있음.
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본 발명의 기술은 다양한 산업 분야에 적용 가능하며, 특히 저가형 전동기 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상됨.
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시장 점유율 확대를 통해 매출 증대 및 수익성 개선에 기여할 수 있음. 장기적으로는 기술 라이센싱을 통해 추가적인 수익 창출도 가능함.
시장 동향
센서리스 제어 방식
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홀 센서, 엔코더, 레졸버 등의 위치센서를 사용하지 않는 센서리스 제어 방식에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 센서리스 제어는 시스템 비용 절감, 신뢰성 향상, 소형화 등의 이점을 제공합니다.[웹 출처]
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기존의 센서리스 제어 방식은 저속 영역(정격 속도의 20% 이하)에서 성능이 떨어지는 문제가 있었습니다. 이를 해결하기 위한 새로운 기술들이 개발되고 있으며, 본 특허의 고주파 전압 주입 방식도 그 중 하나입니다.[웹 출처]
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본 특허에서 제안하는 고주파 전압 주입 기술은 정류에 의한 맥동 성분을 증폭시켜 회전자의 위치를 더 정확하게 결정할 수 있게 합니다. 이러한 기술은 전력 전자 분야에서 주목받고 있으며, 다양한 응용 분야에 적용될 수 있습니다.[웹 출처]
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센서리스 제어 기술의 응용 분야
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