Ⅰ. 서론
스위치드 릴럭턴스 전동기 (Switched ReluctanceMotor, 이하 SRM)의 전류(轉流, commutation)방식은컨버터 전류 신호를 회전자의 위치 정보를 통해 얻어낸다는 점에서 브러시리스 DC 전동기 (BLDC)와 매우 유사하다. 그러나 브러시리스 DC 전동기는 일반적으로 전기각 120°의 간격으로 전류(轉流, commutation)되는반면에, SRM의 전류(轉流) 간격은 전동기의 형태에 따라 가변적이다. 또한, 브러시리스 DC 전동기(BLDC)는 스위치의 on/off 각이 최적의 고정자와 회전자의 정렬상태에 의해 결정되는 반면에, SRM은 스위치의 on/off 각이 많은 파라미터의 복잡한 함수로 나타나고 따라서 최적의 운전을 하기 위해서는 스위칭 각이 가변적으로 된다. 따라서 SRM을 최적으로 운전하기 위해서 고해상도의 위치센서와 복잡한 부가 회로 등을 이용하여 회전자 위치를 검출할 수 있다.[1~3]
본 논문에서는 SRM을 구동할 수 있는 여러 가지 방법 중 엔코더, 홀센서, 옵토-인터럽터 (opto interrupter)등 다양한 센서들을 활용하여 회전자 위치 검출 및 관련위치 검출 회로적용, 검출된 회전자의 초기위치 확보에 관한 연구를 하였다.
Ⅱ. SRM 회전자 위치 검출 방법[4]
1. 광센서에 의한 위치 검출
SRM의 전류(轉流, commutation) 신호는 저해상도의 위치센서로부터도 얻어질 수 있는데, 회전자 위치를피드백 받고, 최적에 근사한 성능을 갖는 SRM 컨트롤러는 홀센서(hall sensor)나 슬롯이 파인 원판을 갖는 옵토-인터럽터 (opto interrupter)를 사용하는 것이 경제적으로 가장 유리하다. 따라서 SRM의 전류(轉流) 방식은 회전자의 위치신호로부터 컨버터 스위치의 전류(轉流,commutation) 신호를 만들어내는 방법을 사용한다.
표 1은 다양한 형태의 SRM 전류(轉流, commutation)를위한 전동기 상수와 회전자 및 고장자 극수의 관계를 보여주고 있다. 3상 SRM은 2개나 3개의 위치 센서로 운전할 수 있고, 4상일 경우는 2개 또는 4개의 위치 센서로운전할 수 있다. 2개의 위치 센서를 사용할 경우는 도통기간이 고정되어 성능이 떨어지고 단방향 운전만 가능하다.
표 1. 전동기 상수와 회전자 및 고장자 극수의 관계
Table 1. Relationship between motor phase, rotors and stators of number
3상과 4상 SRM에 적용되는 몇 가지 관계는 다음과 같다.
\(N_{\text {step }}=N_{r} \times P\) (1)
여기서,
\(\theta_{\text {step }}=\frac{2 \pi}{N_{\text {step }}}\) (2)
슬롯형 원판과 옵토-인터럽터 (opto interrupter)를사용할 때, 슬롯의 개수는 회전자 극수와 같고, 슬롯의 크기는 사용하는 센서의 수에 관계된다. 최소 슬롯 각은 식(3)과 같이 주어진다.
\(\theta_{\text {slot }-\min }=\frac{2 \pi}{\text { m.c.m. }\left(P, N_{r}\right)}\) (3)
그리고, 분해각 (resolution angle : θrcs )은 다 식(4)에서 나타낸 바와 같이 사용하는 센서의 개수 및 회전자의 극수에 관계되는 슬롯원판과 옵토-인터럽터 (optointerrupter)의 형태에 따라 정해질 수 있다.
\(\theta_{\text {res }}=\frac{\pi}{S N_{r}}\) (4)
여기서, S는 센서의 개수이다
여러 가지 형태의 SRM에 대한 위치검출 센서의 예를 표 2에 나타내었다
표 2. SRM의 형태에 따른 위치 검출기의 구조
Table 2. Position detector structure according to SRM type
SRM의 속도제어를 위해서는 회전자 위치 및 속도정보를 알아야 하고 이로부터 속도제어기 및 전류(轉流)장치(commutation logic unit)에서 컨버터에 인가할 신호를 만들어낸다.
광센서(photo sensor)를 이용하여 회전자 위치를 검출하기 위해서는 위치 센서용 원판과 옵토-인터럽터(opto interrupter)가 필요하다. 원판의 경우 일반적으로 일정한 간격의 슬롯을 이용하는 방식, 회전자의 모양을 이용하는 방식 또는 별도의 특별한 원판을 이용하는 방식 등이 있는데, 본 연구에서는 절대 위치를 알 수 있고 상(相) 여자를 위한 신호처리를 최소화할 수 있는 회전자의 모양을 이용한 회전자형 원판을 사용하였다. 이방식의 분해능은 위치 검출 분해능은 낮으나 SRM의 동작 특성상 이 정도의 분해능을 이용하여도 충분하다.
6/4극 SRM의 경우 상(相) 여자는 30° 간격으로 전류(轉流, commutation)해야 하므로 옵토-인터럽터 (optointerrupter)는 이 간격으로 위치해야 하며, 회전자의 절대 위치를 검출하기 위해서는 최소한 3개의 옵토-인터럽터 (opto interrupter)가 필요하다. 본 논문에서 연구한위치 검출기는 그림 1과 같이 피시험 전동기의 회전자형상과 유사한 슬롯원판과 3개의 옵토-인터럽터(optointerrupter)로 구성하였다.
그림 1. 제안된 광센서방식 위치검출기의 구조
Fig. 1. Structure of proposed optical sensor position detector
옵토-인터럽터 (opto interrupter)는 슬롯원판에 의해 가려지면 Low 신호를 반대의 경우는 High 신호를 출력한다. 3개의 옵토-인터럽터 (opto interrupter)가30° 간격으로 있고 슬롯원판이 그림 1과 같은 형태로 되어 있어 위치 검출기에서 나오는 신호를 가지고 그림 2의 위치검출 변환 회로를 이용하여 위치 검출기의 출력신호를 그림 3과 같이 얻을 있다.
그림 2. 위치검출 변환회로
Fig. 2. Position detection conversion circuit
그림 3. 위치검출기의 출력신호
Fig. 3. Output signal of position detector
각 센서 신호의 High 부분이 30° 구간이고 Low 부분이 60° 구간을 나타낸다. SRM이 회전하면서 위치 검출기로부터 얻은 3개의 광센서 (photo senor) 신호는 SRM의 속도검출을 위해 1회전당 12개의 펄스 (그림 4)를 발생할 수 있도록 단안정 멀티바이브레이터 (multivibrator)와 OR 게이트를 이용한 위치검출 변환 회로를 통하여 변환된다.
그림 4. 1회전당 12펄스의 신호파형
Fig. 4. 12 pulses of signal waveform per revolution
위치 검출기를 통해 출력되는 3개의 출력신호는 SRM컨버터의 스위칭 신호로 인가된다. 즉 30°의 드웰각 (dwell angle)으로 SRM을 구동시키게 된다. 본 논문의실제 실험에서는 전류의 상승을 크게 하고 부토오크의 크기를 줄이기 위해 센서의 High 신호가 SRM의 인덕턴스 상승 구간의 이전에 출력되도록, 즉 Advance 각 (선행각)을 갖게 하도록 슬롯원판을 Advance 각 만큼 회전시켜 설치하여 Advance 각을 10°로 하였다.
2. 증분형 위치 센서에 의한 위치 검출
광센서 (photo sensor)에 의한 회전자 위치 검출 방법은 센서의 가격부담을 줄인다는 장점이 있지만, advance각과 드웰각 (dwell angle)이 고정되어 회전 중 각도 제어가 어렵고 미리 전동기의 최적 제어 각도를 구하는 과정이 필요하게 된다. 이러한 최적의 제어 각도를 구하는 과정은 SRM 전동기의 비선형성 때문에 실질적인 실험을 통한 경험적으로 수치에 의존해야만 한다.
따라서 8bit 절대 위치 엔코더 (absolute encoder)를 사용하는 경우보다는 훨씬 저렴하고 광커플러 (photocoupler) 방식보다는 더욱 정밀한 각도 제어가 가능하도록 하는 600 펄스의 증분형 엔코더 (incrementalencoder)와 카운터 (counter) 회로를 이용하여advance 각과 드웰각 (dwell angle)을 0.6°씩 조정할수 있는 근사 증분형 절대 위치 엔코더 (encoder) 드라이버를 설계, 제작하였다.
그림 5는 본 연구에서 사용한 증분형 엔코더 (incrementalencoder)의 구조로 발광소자와 수광소자 사이에 흑색패턴이 그려져 있는 회전 슬리트와 고정 슬리트를 설치한 후 회전축을회전시키면 빛이 투과 또는 차단된다. 투과된 빛은 그림 6과 같이 수광소자에 의해 전류로 변환되며, 이 전기신호가 파형 정형 회로와 출력 회로를 거쳐구형파 펄스로 출력되는 구조로 되어있다.
그림 5. 증분형 엔코더의 구조
Fig. 5. Incremental encoder structure
그림 6.증분형 엔코더 기능 블록도
Fig. 6. Incremental encoder function block diagram
가. 절대 위치 검출 회로
증분형 엔코더 (incremental encoder)의 특성상 그림 7과 같이 A상과 B상은 90°의 위상차를 가지고 분해능(resolution)만큼의 펄스를 발생하며 1회전당 Z상에서 1개의 펄스를 발생시킨다. 이러한 펄스들을UP/DOWN 카운터 (counter)를 사용하여 회전 방향과 회전자의 위치를 판별할 수 있다.
그림 7. 증분형 엔코더의 출력 파형
Fig. 7. Output waveform of incremental encoder
나. 회전 방향 판별
그림 8과 같이 A상 엔코더 펄스는 EPLD (ErasableProgrammable Logic Device)의 내부 D Flip-Flop D단자에, B상 엔코더 펄스는 클록 단자 (CLK)로 신호가 들어가도록 설계하였다. 또한, A상 엔코더 펄스는 NAND1,NAND2로 각각 입력되어 정방향 회전 시 NAND2의 출력은 계속 High 신호를 유지하게 되어 Down 카운트가 금지되고, NAND1의 출력으로 카운트 Up하게 된다. 이와 비슷하게 반시계방향으로 회전하는 경우에는 Up 신호가 High 상태로 있게 되어 카운트 Up이 금지되며Down 신호가 인가되어 Down 카운터로 동작하게 된다.
그림 8. 방향 판별 회로
Fig. 8. Direction determination circuit
그림 9는 정방향 회전과 역방향 회전 시 엔코더 A상펄스와 엔코더 B상 신호 및 카운터에 연결된 Up, Down신호를 나타내고 있다. 제어 전원으로부터 엔코더를 보호하고 노이즈를 저감하기 위해서 포토커플러 (photocoupler) 6N137을 사용하여 엔코더 전원을 분리하였다.[5~6]
그림 9. 엔코더 펄스파형 및 방향 판별 신호
Fig. 9. Encoder pulse waveform and direction discrimination signal
그림 10은 설계된 엔코더 전원부 회로도, 그림 11은 설계된 회로를 이용하여 측정된 엔코더 출력신호를 보여 주고 있다.
그림 10. 엔코더 전원부 회로도
Fig. 10. Encoder power supply circuit diagram
그림 11. 엔코더 A상(1), B상(2), Z(3)상 신호 파형
Fig. 11. Encoder A phase (1), B phase (2), Z (3) phase signal waveform
Ⅲ. SRM 회전자 초기위치 확보
증분형 엔코더 (encoder)를 사용하는 SRM 구동 특성상 초기위치 확보는 꼭 필요한 부분으로 전원을 인가할 때마다 카운터의 값은 초기화 (reset) 되기 때문에 초기전원 인가 시 어떤 특정한 위치에 회전 자극을 놓고 카운터 (counter)를 프리셋하는 과정이 필요하다.
그림 12는 본 연구에서 설계된 SRM의 초기기동 시회전자 위치 로직으로 초기에는 SRM 회전자의 위치를알 수 없으므로 LM2901 비교기와 EPLD 내부의 XOR를 사용하였다. 초기에는 SRM 회전자의 위치를 알 수 없으므로 회전자를 A상에 정렬시키기 위하여 그림 12와같이 일단 XOR1으로 약 0.5초 시간 동안 B상을 여자하여 어느 한 회전 자극을 일치시킨다. 두 상을 차례로 여자시키는 이유는 회전자가 정확히 비정렬 (unalign) 위치에 있을 경우는 한 상의 여자만으로는 회전자의 위치를 프리셋할 수 없기 때문이다.
그림 12. 증분형 엔코더 사용시 초기기동 로직
Fig. 12. Initial startup logic when using incremental encoder
B상 여자를 위한 신호를 인가한 후 바로 A상 여자 신호를 주게 되면 B상에 완전히 정렬하지 못하고 관성에 의해 약간 흔들리게 되어 정확한 위치 확립이 어려울 뿐만 아니라 B상 권선에 남아있는 에너지에 의하여 A상을여자 시키더라도 정확히 정렬상태를 이루지 못하게 된다. 따라서 B상과 A상을 여자하는데 약간의 시간차를 두어기동할 수 있도록 설계하였다. 초기위치를 확립할 때까지는 XOR3의 신호를 사용하여 카운터를 계속 리셋하게 하여 초기위치가 확보된 후 EPLD 내부의 멀티플렉서에서 롬으로부터의 데이터를 가져오는 순간부터 카운터가 동작하게 구성되어 있다.
Ⅳ. 결론
본 논문에서는 SRM을 구동할 수 있는 여러 가지 방법 중 엔코더, 홀센서, 옵토-인터럽터 (opto interrupter)등 다양한 센서들을 활용하여 회전자 위치 검출 및 관련위치 검출 회로적용, 검출된 회전자의 초기위치 확보에 관한 연구를 하였다. 이러한 연구 통해 SRM 회전자 위치 검출과 회전자 초기기동에 관한 기술을 다각적으로 접근하여 회로 구성의 경제적인 효과를 기대할 수 있다.
References
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