직류 전동기를 제어하기 위해서는 포텐셜 미터나 엔코더 등의 센서들을 이용하여 직류 전동기 회전자의 위치를 검출하는 것이 필요하다. 산업적인 측면에서 직류 전동기를 이용하는 이유 중 하나는 구동이 간단하고 값이 싸기 때문인데, 상대적으로 고가 장비인 센서들을 이용하는 것이 직류 전동기를 이용한 제품의 가격을 올리는 요인이 된다. 그렇기 때문에 이러한 센서들을 사용하지 않고 피드백 제어가 가능하다면 가격적인 측면에서 큰 이점이 된다. 본 논문에서는 직류전동기의 역기전력에 의해 생성되는 특정한 신호를 이용하여 엔코더의 출력신호와 같은 형태의 신호를 생성하는 회로를 설계하였다. 또한 생성한 출력신호를 이용하여 기어 트레인이 있는 직류 전동기의 위치를 제어하였다.
본 논문에서는 배터리, 양방향 DC-DC 컨버터, 그리고 브러시레스 직류 전동기로 구성되는 마이크로 터빈 구동 시스템의 제어 방식에 대해 소개한다. 브러시레스 직류 전동기 구동용 인버터의 직류링크 전압이 가변되기 때문에 기존의 소신호 모델 기반으로는 양방향 DC-DC 컨버터의 과도 응답 제어 성능이 저하되는 문제점이 있다. 본 논문에서는 평균 모델을 이용하여 양방향 DC-DC 컨버터를 제어함으로써 과도 응답 제어 성능을 개선하였고, PAM 방식 제어를 이용하여 브러시레스 직류 전동기의 고속 센서리스 운전을 구현하였다.
단상 brushless 전동기는 상기 문제점 때문에 사용이 불가능하였으나 고성능 영구자석과 제어소자의 발달로 제작이 간단하고 제어소자의 수가 다상 brushless 전동기에 비하여 적기 때문에 가격이 싼 brushless 단상 직류 전동기의 연구가 활발하므로 이 전동기의 원리와 문제점을 소개하고자 한다.
직류 전동기는 연속적으로 회전하기 위해서 브러시와 정류자로 이루어진 기계적인 정류 회로를 가진다. 회전자의 위치에 따라 브러시와 정류자의 접촉 구조가 변하고 직류 전동기의 등가 회로 또한 달라진다. 이러한 구조적 문제점 때문에 직류 전동기의 저항, 인덕턴스, 역기전력 상수와 같은 파라미터가 변화하고 전동기가 회전하면서 전기자 전류에 맥동이 발생한다. 본 논문에서는 기계적인 정류 회로를 고려한 직류전동기를 모델링하고 분석하였다. 그리고 브러시와 정류자에 의한 전기자 전류의 맥동이 위치 제어의 응답 특성에 어떤 영향을 미치는지 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
본 논문에서는 단상 다이오드 정류기와 소용량 직류단 캐패시터를 가지는 전동기 구동 시스템에서 계통 전류에 최소 고조파 전류 주입을 통하여 직류단 전압을 높이는 방법을 제안한다. 소용량 직류단 캐패시터를 가지는 전동기 구동 시스템은 직류단전압이 맥동하게 되는데 직류단 전압이 낮은 부분에서는 과도한 약자속 전류가 필요하게 된다. 기존의 연구에서는 직류단 전압을 확보하기 위해 직류단 최소 전압을 설정하는 방법이 제안되었다. 하지만 계통 전류의 고조파 규정 때문에 직류단 최소 전압을 높이는 것은 한계가 있다. 제안된 방법에서는 계통 전류에 고조파를 주입함으로써 기존의 한계보다 더 높은 직류단 최소 전압을 가지면서도 계통 전류의 고조파 규정을 만족시킬 수 있도록 한다. 제안된 방법은 시뮬레이션을 통해 그 타당성을 검증한다.
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.
Thyristor motor 또는 Commutatorless motor는 특수한 전동기의 명칭이 아니라 분배기를 사용한 자제식인버어터에 의해 제어되는 동기전동기 system의 총칭이고 특히 이와 같은 system에 적합한 동기전동기의 연구는 Alexanderson, Stohr의 무정류전동기의 이론적 고찰에서부터 시작하였다. Thyristor motor는 최근의 다이리스터의 발달에 따라 이 소자의 Switching 회로를 다상화하여 직류전동기의 정류자, 브러시를 다이리스터에 의한 스위칭작용으로 치환시키고, 직류정도기와 거의 등가되는 특성을 얻도록 연구되었고 Thyristor motor의 탄생을 Motors have graduated from the laboratory into commercial applications라고 발표하였다. 여기서 다이리스터를 사용한 가변주파수에 의한 동기전동기의 속도제어 system으로서의 구체적인 2-3의 회로예로서 이 새로운 전동기를 해설하고자 한다.
본 논문에서는 하이브리드 / 전기 자동차의 견인용 전동기로 널리 쓰이는 영구자석 동기 전동기를 실시간으로, 실제 전력 상황에서 모의하는 실시간 부하 모의 장치(Real-Time Emulator, RTE)의 구동에 필요한 직류단 전압의 크기에 대하여 분석한다. 운전 주파수 및 스위칭 주파수 전류 모의까지 가능한 부하 모의 장치에서, 모의 전류 및 모의 운전 속도에 따라 필요한 직류단 전압을 구하는 방법을 이론적으로 전개하고, '도요타사(社)'의 하이브리드 자동차 '프리우스'에 내장된 견인 전동기의 모의를 위해 필요한 직류단 전압의 계산에 이를 적용해본다. 실제 물리적 지표를 반영하기 위해 모의하고자 하는 전동기에 대하여 유한요소법 (Finite Element Method, FEM)을 실행하여 얻은 값들을 사용하였다.
본 원고는 직류전원에서 사용하는 직류용 소형전동기(motor)로 전력용 반도체 제어소자인 Power Transistor, MOSFET를 이용하여 전동기(motor) 구동의 드라이브 회로를 구성하고 전동기 동작원리와 정 역회전의 회전방향 제어에 대하여 다루고자 한다. 그리고, 제동운전 및 펄스폭 변조(PWM)에 의해 가변되는 회전속도제어 방법에 대해 기술하여 직류용 전동기(motor)의 기본적인 원리를 이해함과 더불어 마이크로프로세서를 이용한 다양한 전동기(motor) 제어방법을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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