Circuit design and modeling for DC motor speed control

직류 전동기 속도제어를 위한 회로 설계 및 모델링

Abstract

A DC motor is an important driving source used in a wide range along with an induction motor. Although the structure is complex and has disadvantages in terms of maintenance, most of the demands are given to induction motors as a power source in the industry today, but due to its excellent control performance, DC motors are constantly being used as small-sized control motors. In addition, DC motors with a structure capable of high-power and high-efficiency operation are being developed with the development of magnetic materials as a structure capable of using a permanent magnet in a armature. In addition, the configuration of the controller is simpler than that of an induction motor using an inverter, and the demand for a DC motor is still not negligible, so it is still occupied as an important power source. Considering these trends, this paper attempts to investigate the control performance of DC motors through hardware implementation such as modeling through simulation, PWM generation circuit and electric motor circuit using EPLD, and PI control using processor.

직류 전동기 (DC Motor)는 유도전동기와 더불어 광범위한 영역에서 사용되고 있는 중요한 구동원이다. 비록 구조가 복잡하고 유지보수의 측면에서 불리한 점이 있어 오늘날 산업의 동력원으로서 대부분의 수요를 유도전동기에 내어준 상태이지만 우수한 제어성능으로 인하여 소형의 제어용 전동기로는 직류 전동기가 꾸준하게 사용되는 중이다. 또한 계자에 영구자석을 쓸 수 있는 구조로 자석재료의 발달과 더불어 고출력, 고효율 운전이 가능한 구조의 직류 전동기가 개발되고 있다. 그리고 인버터를 이용한 유도전동기의 경우보다 제어기의 구성이 단순하여 아직도 직류 전동기를 선호하는 수요도 무시할 수 없을 정도여서 여전히 중요한 동력원으로 자리를 차지하고 있는 전동기이다. 이러한 경향을 고려하여 본 논문에서는 시뮬레이션을 통한 모델링, EPLD를 이용한 PWM 발생회로 및 전동기구동회로, 프로세서 이용한 PI 제어 등의 하드웨어 구현을 통한 직류전동기의 제어성능을 살펴보고자 한다.

Ⅰ. 서론

직류 전동기 (DC Motor)는 유도전동기와 더불어 광범위한 영역에서 사용되고 있는 중요한 구동원이다. 비록 구조가 복잡하고 유지보수의 측면에서 불리한 점이 있어 오늘날 산업의 동력원으로서 대부분의 수요를 유도 전동기에 내어준 상태이지만 우수한 제어성능으로 인하여 소형의 제어용 전동기로는 직류 전동기가 꾸준하게 사용되는 중이다. 또한 계자에 영구자석을 쓸 수 있는 구조로 자석재료의 발달과 더불어 고출력, 고효율 운전이 가능한 구조의 직류 전동기가 개발되고 있다. 그리고 인버터를 이용한 유도전동기의 경우보다 제어기의 구성이 단순하여 아직도 직류 전동기를 선호하는 수요도 무시할 수 없을 정도여서 여전히 중요한 동력원으로 자리를 차지하고 있는 전동기이다.

실례로 자동차의 전자화가 진전되어지면서 자동차의 부품을 이루는 소형 직류 전동기의 수와 이들이 가지는 역할이 증가하고 있다. 최근 고급차에는 소형모터가 더욱 많이 장착되는 경향을 보이고 있으며 본격적인 정보화 시스템을 갖춘 자동차가 보급될 경우 자동차 부품으로서의 소형 직류 모터의 위상은 더욱 높아질 추세이다.^[1,2]

이러한 경향을 고려하여 본 논문에서는 시뮬레이션을 통한 모델링, EPLD를 이용한 PWM 발생회로 및 전동기 구동회로, 마이크로프로세서를 이용한 PI 제어 등의 하드웨어 구현을 통한 직류전동기의 제어성능을 살펴보고자 한다.

Ⅱ. 직류전동기 특성^[3,4]

1. 구조 및 특징

❏ 고정자(계자)와 회전자(전기자), 브러쉬와 정류자로 구성

❏ 속도제어나 토크 특성 성능이 탁월

❏ 출력 효율이 양호하다

❏ 인가전압에 대하여 회전 특성이 직선적으로 비례한다.

❏ 가격이 저렴하다.

❏ 정류자와 브러쉬가 있기 때문에 보수, 점검의 불편

❏ 악조건 하에서 사용할 때는 구조에 제약을 받음

그림 1. 직류 전동기 구조

Fig. 1. DC motor structure

2. T-I 특성(토크 대 전류)

전류에 대해 직선적으로 토크가 비례하기 때문에 큰 힘이 필요한 때 전류를 많이 흘려주므로써 큰 토크를 얻을 수 있다.

3. T-N 특성(토크 대 회전수)

무거운 것을 돌릴 때는 천천히 회전시키게 되고, 빨리 회전시키기 위해서는 전류를 많이 흘려주므로 써 토크와 회전수는 직선적으로 반비례한다. 또한 인가전압에 대해서도 비례하며, 그림 2와 같이 전류를 제어하면 회전수나 토크를 일정하게 제어할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 따라서 제어회로나 제어방법에 의해 직류 전동기를 쉽게 제어할 수 있는 특성을 가지고 있다.

그림 2. 직류 전동기 T-N, T-I 특성곡선

Fig. 2. DC motor T-N, T-I characteristic curve

Ⅲ. 회로설계 및 모델링을 통한 직류 전동기 Closed loop 제어성능^[5,6]

본 논문에서는 직류전동기의 Closed loop 제어성능을 확인하기 위해 구동 및 관련 회로들을 그림 3(a)와 같이 구성하였다. DC 전동기 출력속도에 대한 A/D 변환, A/D 변환 데이터를 이용한 프로세서(DSP)의 PI 제어, EPLD를 이용한 PWM 발생회로와 전동기 구동회로 등으로 구성할 수 있고 실제 하드웨어를 통해 설계 적용된 전체 실험 시스템을 그림 3(b)를 통해 확인할 수 있다.

그림 3. 직류 전동기 closed loop 제어 시스템

Fig. 3. DC motor closed loop control system

직류 전동기의 사양은 고정자극 4pole, 정류자 bar는 75개이고, 브러쉬가 2개인 전동기로 무부하시 최대 정격은 120V, 1A, 120W이며 발전기 부하를 커플링 하였을 때는 120V, 1.3A 156W이다. 장비의 구성은 2개의 직류 전동기가 사용되었는데 왼쪽은 직류전동기, 오른쪽은 타이밍 벨트로 연결하여 발전기로 사용하였다.

직류 전동기 Close loop 속도제어 모델링과 PWM 발생을 위한 각부 결과파형을 그림 4에서 보여주고 있다. 모델링한 회로에서 DC 전동기 속도에 따른 실제 출력전압 (Vo), 기준속도전압 (Vref)을 이용하여 두 전압사이의 오차 전압값(Verror)은 설계된 적분기의 출력값 (VC)을 통해 톱니파(Vcarr)와 비교하여 최종적으로 PWM 신호(VPWM)를 만들 수 있도록 설계하였다. 따라서 전동기회 전시 실제출력전압과 기준속도전압간의 오차 검출량에 따른 PWM 신호를 생성함으로 직류전동기의 close loop 속도제어가 가능함을 알 수 있다.

그림 4. 직류 전동기 Closed loop 속도제어 모델링 및 PWM 발생을 위한 각부 결과파형

Fig. 4. DC motor closed loop speed control modeling and each part result waveform for PWM generation

그림 4에서 PWM 신호를 생성하기 위해 사용된 톱니파(Vcarr)는 시뮬레이션 tool에서 제공하는 library를 이용하여 회로설계를 하였지만 기본적인 개념에서 접근하여 톱니파(Vcarr)를 생성하는 회로를 그림 5와 같이 설계할 수 있다. 구형파를 입력신호로 이용하여 미분기를 거쳐 출력된 신호는 톱니파 발생회로를 통해 최종적으로 톱니파가 생성되는 과정을 그림 5의 시뮬레이션 및 실험 결과를 보여주고 있다.

그림 5. 모델링을 통한 PWM 발생회로와 각부의 시뮬레이션 및 실험결과

Fig. 5. Each parts simulation and experiment results of PWM generation circuit

직류 전동기 Close loop 속도제어 구현을 위해 그림 3(a)와 같이 구성하여 설계한 전체 하드웨어 시스템을 그림 6에서 보여주고 있다. 본 논문에서 사용된 직류 전동기는 Lab Volt 장비에서 사용되는 전동기로 입력전압에 따른 속도와 출력전압의 사양을 확인할 수고 인가전압에 대하여 회전 특성이 직선적으로 비례한다는 전동기의 특성도 확인할 수 있다.

그림 6. 직류 전동기 속도제어를 위해 설계 및 제작된 전체 하드웨어 시스템

Fig. 6. Complete hardware system designed and manufactured for speed control of DC motors

입력전압 50V, 속도 1,000rpm의 설정값을 이용하여 직류 전동기 Close loop 속도제어를 위해 아날로그 PWM 발생회로 및 모터구동회로 부분에서는 프로세서 (DSP)의 PI 제어의 입력신호로 사용되기 위해 전동기 출력속도의 A/D 변환회로, 톱니파 및 PWM 발생회로, 모터구동회로들을 각각 설계, 제작하였다. 또한 그림 4에서 PWM 신호 발생과 동일한 결과를 얻기 위해 EPLD (Erasable Programmable Logic Device) 소자를 이용하여 PWM 신호를 생성할 수 있도록 회로를 설계하였다. 따라서 본 논문에서는 직류 전동기 속도제어를 위해 가장 중요한 부분인 PWM 발생신호를 아날로그 회로를 통해 구현하는 방법과 회로의 간소화를 위해 EPLD 소자를 이용하여 구현할 수 있는 두 가지 방법을 적용하였다.

그림 6에서 직류 전동기의 기준속도를 1,000RPM으로 설정하여 구동시 타코메타에서 2V의 전압이 출력된다. 이 전압은 설계된 PI 제어기의 기준속도전압으로 피드백 (feedback) 되어 실제속도전압과 비교에 따른 오차 값에 의해 PWM이 가변되어 속도제어가 이루어진다.

출력값 피드백되지 않을 경우 제어가 되지 않아 50V 를 넘어서며 설정값인 1,000 RPM을 유지하지 못한다. 따라서 그림 7에서는 부하에 따른 직류 전동기의 속도 제어 특성을 살펴보기 위해 전동기에 커플링된 발전기의 부하전류를 가변하여 PWM의 출력상태를 확인하였다.

그림 7 부하가변에 따른 PWM 출력 특성

Fig. 7. PWM output characteristics according to variable load

그림 3(b)에서 직류 전동기의 부하실험을 위해 타이밍 벨트로 발전기를 연결 및 부하단의 전류를 가변하기 위해 슬라이닥스를 연결하여 직류전동기의 제어상태를 확인하였다. 따라서 그림 7은 1,000rpm 구동시, 발전기에 연결된 슬라이닥스를 통해 부하가변에 따라 발생되는 PWM 출력신호를 각각 보여주고 있다.

직류 발전기의 부하전류는 부하저항에 반비례인 관계로 그림 7(b)와 같이 부하저항을 100Ω에서 1Ω으로 가변시 전기자 전류(또는 부하전류) 증가로 직류 발전기의 발생토크가 커져 결과적으로 직류 전동기의 속도가 떨어진다. 따라서 직류 전동기는 그림 7(a)에서 그림 7(b)로 부하증가 시에도 기준속도명령 1,000rpm을 추종하기 위해 PWM의 duty가 커짐으로써 1,000rpm으로 구동되고 있는 것을 알 수 있다. 반면에 그림 7(c)는 무부하시의 결과로 직류 전동기의 속도증가에 따른 PWM의 duty가 감소하여 역시 1,000rpm으로 Close loop 속도제어가 이루어짐을 확인할 수 있다.

따라서 그림 6과 7을 통해 본 논문에서 직류 전동기 속도제어를 위해 구성한 알고리즘 및 회로가 부하 및 무부하시에 적절하게 동작함을 알 수 있다.

Ⅴ. 결론

우수한 제어성능으로 인하여 소형의 제어용 전동기로는 직류 전동기가 현재 꾸준하게 사용되는 중이다. 이러한 특성을 고려하여 본 논문에서는 직류 전동기 속도제어를 위해 필요로 하는 회로들에 대해 시뮬레이션 및 하드웨어 설계를 통해 그 결과들을 확인하였다. 따라서 시뮬레이션 및 하드웨어 설계 결과물을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

❏ 속도제어 및 전동기 구동과 관련된 요소기술들에 의해 직류 전동기의 제어성능 향상

❏ 관련 기술을 바탕으로 자동차 등의 산업계 분야에서 소형 직류전동기 적용 및 활용범위 확대

❏ 학부생 수준의 전기기기 수업에서 다루는 직류기에서 이론중심에서 시뮬레이션 및 실험을 통한 설계기술을 반영한 교육내용으로 확대

※ 이 연구는 2021년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.