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직류 전동기의 센서리스 위치제어
허오철, 백산림, 박기헌 성균관대학교 정보통신공학부
DC Motor Sensorless Position Control
Ohchul Heo*, Shanlin Bai, Kiheon Park
Sungkyunkwan University, Department of Electrical and Computer Engineering
Abstract
- 직류 전동기를 제어하기 위해서는 포텐셜 미터나 엔코더 등의 센서들을 이용하여 직류 전동기 회전자의 위치를 검출하는 것이 필요하다. 산업적인 측면에서 직류 전동기를 이용 하는 이유 중 하나는 구동이 간단하고 값이 싸기 때문인데, 상대 적으로 고가 장비인 센서들을 이용하는 것이 직류 전동기를 이 용한 제품의 가격을 올리는 요인이 된다. 그렇기 때문에 이러한 센서들을 사용하지 않고 피드백 제어가 가능하다면 가격적인 측 면에서 큰 이점이 된다. 본 논문에서는 직류전동기의 역기전력에 의해 생성되는 특정한 신호를 이용하여 엔코더의 출력신호와 같 은 형태의 신호를 생성하는 회로를 설계하였다. 또한 생성한 출 력신호를 이용하여 기어 트레인이 있는 직류 전동기의 위치를 제어하였다.1. 서 론
직류 전동기는 값이 싸고 제어가 용이하기 때문에 많은 산업분 야에서 쓰이는 전기기기이다. 이 직류 전동기를 피드백 제어하기 위해서는 회전자의 위치를 검출하기 위한 센서가 필요하다. 하지 만 센서를 사용하는 것은 산업적인 측면에서 제품의 가격이 올 라가는 요인이 되고, 센서를 외부에 설치해야 하는 환경적인 제 약도 발생한다. 그래서 센서 같은 고가 장비가 없이 직류 전동기 의 피드백 제어가 가능하다면 다방면으로 큰 이점이 된다.
이러한 이유로 직류 전동기의 센서리스 제어에 관한 연구가 기 존에도 많이 있었다. 적응 디지털 필터와 주파수 측정기로 회전 자 속도 정보를 얻어 직류 전동기를 센서리스 제어하는 연구도 있었고, 뉴로-퍼지 관측기를 설계하여 직류 전동기의 센서리스 속도 제어에 적용한 연구도 있었다[1],[2]. 하지만 이러한 방법들 은 복잡한 수학적 모델링, 구현 과정이 필요하여 쉽게 적용하기 힘들었는데, 본 논문에서는, 직류 전동기가 회전하면서 발생하는 역기전력 신호를 검출하여 구형파(rectangular wave)를 생성하는 회로를 설계한다. 회로는 Op-Amp, 저항, 커패시터를 이용하여 설계한다. 이렇게 얻은 펄스 신호를 가지고 직류 전동기 회전자 의 위치정보를 알아내어 기어트레인이 있는 직류전동기의 위치 를 제어하고자 한다.
2. 본 론
2.1 역기전력 신호
직류 전동기의 역기전력에 의해 발생하는 신호를 오실로스코프 로 관찰하였는데, 실험적으로 직류 전동기가 한 바퀴 회전할 때 3개의 AC신호가 발생한다는 것을 확인하였다.
<그림 2> 직류 전동기 역기전력 신호
직류 전동기의 입력단 중에 낮은 전압이 인가되는 곳에서 역 기전력 신호가 검출된다. Motor Driver에서 0V의 전압이 인가되 었지만 역기전력에 의해 위와 같은 신호가 생성됨을 관찰하였다.
직류 전동기에 12V를 입력해 주었을 때 검출되는 역기전력 신호 는 DC 전압이 약 1V였으며, peak to peak voltage는 약
0.7~0.8V였다.
2.2 시뮬레이션 및 결과
<그림 1>은 제어 보드의 블록 다이어그램이다.
<그림 1> System Block Diagram
MCU(Micro Controller Unit)에서는 직류 전동기의 회전 정보를 가지고 제어 신호를 출력한다. Motor Driver에서는 이 신호에 따 라 직류 전동기의 속도, 방향을 제어한다. 직류 전동기가 회전할 때 설계한 펄스 생성 회로에서 출력되는 신호를 MCU에서 카운 트 하여 직류 전동기의 회전 정보를 산출하고, 제어하고자 하는 지령각도에 대한 제어 신호를 출력한다. MCU에서는, 펄스 생성 회로에서 출력되는 펄스의 상승에지를 카운트하게 되는데, 직류 전동기가 한 바퀴 회전할 때 마다 3개의 펄스가 출력되므로, 직 류 전동기 회전자의 위치를 120도마다 검출하게 된다. 실제 제어 를 하게 되는 막대바는 기어비가 약 577:1인 기어 박스에 물려있 다. 기어 축이 한 바퀴 회전할 때 557*3번 펄스 카운트가 되고, 기어 축의 위치 정보를 알 수 있기 때문에 막대바의 위치 제어 가 가능해 진다. 직류 전동기가 구동되는 순간에는 역기전력 신 호를 펄스 신호로 바꾸는 과정이 잘 이루어지지 않는 단점이 있 지만, 기어비가 557:1로 매우 큰 기어 트레인이 달려 있기 때문 에 초기 오차를 어느 정도는 무시할 수 있다.
설계한 회로는 Psice 회로 시뮬레이션 툴을 이용하여 시뮬레이 션 하였다. 회로는 Back EMF를 검출하는 부분, 역기전력 신호 에서 AC신호만 통과, 증폭하는 부분, 마지막으로 펄스를 만드는 부분으로 구성된다.
2.2.1 Back EMF 검출 회로
<그림 3> 신호 모델링, Back EMF 검출
<그림 3>는 시뮬레이션 회로 중에서 역기전력 신호를 검출하 여 통과시키는 회로의 시뮬레이션 결과이다. 직류 전동기의 입력
2008년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2008. 7. 16 - 18
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단 중에서 역기전력에 의한 신호가 검출되는 낮은 전압 입력단 의 신호를 모델링하여 입력하였다. 또한 직류 전동기의 회전 방 향에 따라 높은 전압 입력단과 낮은 전압 입력단이 바뀌므로 다 이오드, 저항으로 이루어진 회로를 통해 역기전력에 의한 신호가 검출되는 낮은 전압 입력단의 신호만 통과하는 회로를 설계하였 다. 시뮬레이션 결과를 보면 통과한 신호의 DC전압이 약간 올라 가는 것을 볼 수 있는데, 이것은 뒤에 AC신호만 통과하는 회로 가 붙기 때문에 영향을 주지 않는다.
2.2.2 AC 신호 통과 및 증폭 회로
<그림 4> AC 신호 통과, 증폭
<그림 4>는 역기전력 신호에서 AC신호만을 통과, 증폭시키는 회로의 시뮬레이션 결과이다. 직류 전동기의 회전 속도에 따라 역기전력 신호의 DC전압 크기가 달라지기 때문에, DC신호는 차 단하고 AC신호만을 이용하기 위해 이 회로가 필요하였다. 커패 시터 소자가 AC 신호만 통과시키는 특성을 이용하였고, Op-Amp를 이용하여 AC신호를 증폭하였다. 발생하는 역기전력 AC신호가 작기 때문에 증폭회로가 필요하였다.
2.2.3 구형파 생성 회로
<그림 5> 구형파 생성
<그림 5>은 구형파를 생성하는 회로의 시뮬레이션 결과이다.
증폭된 AC신호를 Op-Amp를 이용하여 구형파로 바꾸었다.
Op-Amp에서¡‘+’입력의 DC전압보다 ‘-'입력에 들어온 전압이 크면 0V가 출력되고, 작으면 4~5V전압이 출력된다. Op-Amp소 자의 전원으로 입력되는 전압의 크기에 따라 출력되는 펄스의 크기가 달라지기 때문에 원하는 크기를 조정할 수도 있다.
2.3 구현 및 실험
직류 전동기의 특성에 따라 회전할 때 발생하는 역기전력 신호 의 특성이 조금씩 다르기 때문에 여러 직류 전동기에 적용할 수 있게 실제 회로를 구현하였다. 증폭회로에는 증폭 비를 조정할 수 있도록 가변저항을 달았고, 구형파를 생성하는 회로에서 Op-Amp의 ‘+’입력에 DC 전압을 조정할 수 있도록 구현하였다.
또한 출력되는 펄스의 크기를 5V가 되게 회로를 구현하였다.
<그림 6> 변환된 신호 파형
<그림 6>은 역기전력 신호가 회로를 거쳐서 사각 펄스형태로 변형된 결과 화면이다. 시뮬레이션을 통해 검증한 펄스 변환 회 로를 구현하여 오실로스코프로 실제 신호를 관찰해 보았다. 시뮬 레이션의 결과와 같이 역기전력 신호가 엔코더의 출력형태와 같 은 펄스 신호로 변환됨을 확인하였다.
2.5 결과
<그림 7> 실험체 사진
<그림 7>은 제어 보드와 제어 대상인 기어 트레인이 달린 직 류 전동기 2개로 구성된 실험체 사진이다. 기어비가 약 577:1이 기 때문에 막대바가 한 바퀴 회전하면 577*3개의 펄스가 카운트 되기 때문에, 제어 보드에서 직류 전동기에 달려있는 막대바의 위치제어가 가능하였다.
3. 결 론
본 논문에서는 직류 전동기가 회전할 때 발생하는 역기전력 신 호를 이용하여 위치를 제어하였다. 이번 센서리스 직류 전동기 제어는 상대적으로 고가 장비인 센서들을 이용하여 직류 전동기 를 제어하는 것보다 가격적인 측면에서 유리할 뿐만 아니라 기 타 장비를 부가적으로 설치해야 하는 등의 환경적인 제약이 없 다. 직류 전동기 1바퀴 회전에 3개의 펄스를 생성하는 회로를 이 용하기 때문에 엔코더 같은 장비를 사용하였을 경우보다는 제어 성능이 떨어지지만, 매우 정밀한 제어가 필요하지 않은 분야에서 는 충분히 이용할 수 있을 것이다.
하지만 본 논문에서 구현한 내용만으로는 직류 전동기의 위치 제어에서는 어느 정도의 성능을 발휘하였지만, 속도제어에 적용 하지는 못하였다. 속도제어를 하기 위해서는 H-bridge에 PWM 입력을 해야 했는데, PWM입력 신호가 AC성분이라서 직류 전동 기의 역기전력 신호에 PWM입력에 의한 AC성분이 섞여 정확한 회전 정보를 얻을 수가 없었고, 이 때문에 속도제어를 할 수가 없었다. 또한 구동 시간이 길어졌을 때 매우 작은 오차들이 누적 되어 오차가 발생한다. 이러한 문제들을 보완하여 해결한다면 더 욱 활용도가 높아질 것이다.
본 논문은 대학 IT 전공 역량 강화(NEXT) 사업(2008-0162-000) 지원으로 수행되었음.
[참 고 문 헌]
[1] M. Hilairet , F. Auger, “Speed sensorless control of a DC-motor via adaptive filters”, IET Electr. Power Appl , Volume 1 No.4, pp. 601–610, July 2007
[2] 안창환, “직류 서보 전동기 센서리스 속도제어를 위한 뉴로 퍼지 관측기 설계”, 전기학회논문지, 56권 3호, p 129-135, 2007 년 9월
[3] ELMOS Semiconductor AG, E910.40 Data Sheet, Application Note, User Manual
