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브러시리스 DC 모터의

기동 토크 향상 및 고속 구동을 위한

이상기동-단상구동 구동법에 관한 연구





발표자: 김명규

초정밀회전기기연구실

2003. 01. 25

목차



• 연구 배경 및 목적

• 연구 방법

• BLDC 모터의 권선법

• BLDC 모터의 구동법

• BLDC 모터의 Torque-speed curve 이론식

• BLDC 모터의 토크 비선형성

• 이상기동-단상구동 구동법

• System Implementation

• Experiment

• 결론

• 추가 사항

• 향후 연구 방향

연구 배경 및 목적



• 연구 배경

– 브러시리스 DC 모터(BLDC)는 고속이 필요한 기전 시스템에

널리 이용.

• 넓은 속도 범위에서 높은 효율과 제어의 용이성

• 예) HDD는 데이터의 접근 속도를 빠르게 하기 위하여 고속화 경향.

– BLDC 모터는 특성 상 고속 구동용으로 설계 시 기동 토크가 작아짐.

 고속 구동에 이용하는 BLDC 모터의 중요한 결점 중 하나.





• 연구 목적

– 고속 BLDC 모터에 관한 연구는 일반적으로 모터의 기계적, 전기적

문제점을 개선하여 새로 설계, 제작하는 방법으로 진행.

– 초기 기동과 고속 구동을 고려한 권선법과 구동법의 연구에 초점.

• 예) Chen and Jabbar  A series-winding start and parallel-winding run

– 본 연구에서는 ‘이상기동-단상구동 알고리즘’ 을 제시 및 실험적으로

입증.

연구 방법



• BLDC 모터의 구동법 고찰.



• 기동 토크 향상과 고속 구동을 위한 이상기동-단상구동 알고리즘

(Bipolar-starting and unipolar-running drive algorithm) 제안.



• 여러 구동법으로 BLDC 모터를 구동할 수 있는

DSP-based Controller 개발.



• 개발된 Controller를 이용한 BLDC 모터의 속도-토크 실험.

BLDC 모터의 권선법

• BLDC 모터는 일반적으로 3-phase을 가장 많이 이용.

• 3-phase BLDC 모터의 권선법.

A A









C B C B

Neutral point

(a) Y-winding (b) -winding



– 3-phase BLDC motor는 Y-winding 을 주로 사용.

• -winding 은 권선 내부에 순환 전류의 존재 가능성.

– Y-winding BLDC 모터는 중립점의 사용 유무에 따라

• 이상 구동 (Bipolar drive)

• 단상 구동 (Unipolar drive)

구동법 – 이상 구동(Bipolar drive)



• 이상 구동(Bipolar drive) – 중립점(Neutral point)을 사용하지 않음.









-전기각 120 동안 통전하며 모터의

두개 상에 전류가 흐름.



-전기각 60  마다 정류를 해야 항상

한 방향의 토크를 얻음.

(b)

(a) Inverter circuit for bipolar drive

(b) Current of bipolar drive



※본 세미나에서 사용되는 각도는 모두 전기각.

• Commutation sequence and Torque curve of bipolar drive

AB

AC









Torque

BC

BA

CA

CB

0 60 120 180 240 300 360



(a) (b)

(a) Commutation table of bipolar drive

(b) Torque curve of bipolar drive



-(a)  이상 구동 시 회전자 위치에 따른 정류 순선.

-(b)  이상 구동 시 회전자의 위치에 따른 각 여자상의 이상적인 토크 곡선.

구동법 – 단상 구동(Unipolar drive)



• 단상 구동(Unipolar drive) – 중립점(Neutral point)을 사용함.

+VS

A+ B+ C+ -모터의 하나의 상에서 한 방향으로 전류가 흐름.

-권선의 사용률이 떨어짐.

-스위칭 소자의 감소로 비용 절감.

A B C









• H-bridge and T-bridge

+VS +VS

S1 S2 S1



Load Load



S3 S4 S2

-VS



(a) H-bridge (b) T-bridge

-이상 구동 에 사용되는 인버터는 전형적인 H-bridge.

-이상 구동과 단상 구동을 혼용하기 위하여 단상 구동의 인버터를 T-bridge로 전환.

• Inverter for Unipolar drive – T-bridge type









(a)

-전기각 60 동안 통전하며 모터의

하나의 상에 전류가 흐름.



-하나의 상에 양방향으로 전류가

흐를 수 있음.



-전기각 60  마다 정류를 해야 항상

한 방향의 토크를 얻음.

(b)

(a) Inverter circuit for Unipolar drive

(b) Current of Unipolar drive

• Commutation sequence and Torque curve of Unipolar drive



B-

A+









Torque

C-

B+

A-

C+

30  90  150  210  270  330 



(a) (b)



(a) Commutation table of unipolar drive

(b) Torque curve of unipolar drive



-(a)  단상 구동 시 회전자 위치에 따른 정류 순선.

-(b)  단상 구동 시 회전자의 위치에 따른 각 여자상의 이상적인 토크 곡선.

Torque-Speed curve 이론식



• Torque-speed-current relationship of a BLDC motor

T  KT I a

V  I a Ra  K E

Ra Ia

K K K

T  T E TV V E=KE

Ra Ra

KT  K E (in SI unit)

2

K K

T  T  TV

Ra Ra

KT :torque constant K E :back emf constant

Ra :resistance I a :current of energized phase

 :speed V :voltage





-T-  관계식에서 기울기는 공급 전압과 속도에 독립적.

-속도가 증가함에 따라 토크는 선형적으로 감소.

BLDC 모터의 토크 비선형성



• BLDC 모터 설계 시 토크 상수는 일정하게 설계.



• Torque nonlinearity of BLDC motor.



• 실제로 출력 토크와 입력 전류의 관계는 비선형적.

– Armature Reaction and Saturation

• The magnetic effect of stator current

• 과전류에 의한 자속 포화로 토크 상수 감소.

• Torque nonlinearity의 주요 원인.





– Magnet Heating

• 과전류에 의한 모터의 과열.





• 과전류는 모터 뿐만 아니라 구동 회로에도 부담.

이상기동-단상구동 구동법



• 이상 구동 vs. 단상 구동

이상 구동 : t orque const ant  K E  KT

r es i s t ance  Ra

1 1

단상 구동 : t orque const ant  K E  KT

2 2

1

r es i s t ance  Ra

2



-Torque-speed 관계식

2

K K

이상 구동 : T   T  + T V

Ra Ra

KT V

TS  V : starting torque,  0  : no-load speed

Ra KT

2

K K

단상 구동 : T   T  + T V

2 Ra Ra

KT 2V

TS  V : starting torque,  0  : no-load speed

Ra KT

• Torque nonlinearity 발생.

– 초기 기동 시 모터로 과전류 유입  철심에 자속 포화.

– 공급 전압이 일정할 경우

• 이상 구동보다 단상 구동 시 더 많은 전류 유입.

• 이상 구동보다 단상 구동 시 토크 상수 감소가 더 큼.

• 이상 구동보다 단상 구동 시 기동 토크가 작음.





• 이상기동-단상구동 구동법

(Bipolar-starting and Unipolar-running drive method)

– 이상 구동과 같은 기동 토크.

– 단상 구동과 같은 회전 속도.

– 고속 스핀들 시스템에 사용되는 BLDC 모터의 구동법으로 적합.

• Inverter circuit for bipolar-starting and unipolar running drive









-이상 구동, 단산 구동, 이상기동-단상구동에 이용.

-이상 구동  단상 구동 :

1. 전기각 30  만큼 위상차를 보상 후 정류.

2. Switch 1 (OpenGround) Switch 2 (Ground-12V)

System Implementation



• Developed DSP-based BLDC motor controller









-DSP  모터를 구동하기 위한 모든 작업 수행.

Inverter Circuit 의 전기적 스위치를 작동.

-Controller  이상 구동, 단상 구동, 이상 구동에서 단상 구동으로의 전환.

Experiment



• Experimental setup to measure torque-speed-current

characteristics.

- 실험용 모터 Spec.

• 8pole 12slot

• 입력 전압 : 12V

• 정격 속도 : 5400rpm





-Torque Meter 사용.

• Load torque : 0.5mNm

-Current Probe 사용.

Experiment-1



-Bipolar drive generates a large

staring torque.

-Unipolar drive run the motor to

twice the speed of a bipolar drive.

-Nonlinear torque-speed relation.









• Torque-speed curve of bipolar and unipolar drive.









-Unipolar drive requires large input

current to produce the same torque

output.









• Torque-current curve of bipolar and unipolar drive.

Experiment-2







• Speed and current profile of bipolar drive.









• Speed and current profile of unipolar drive.









• Speed and current profile of bipolar-starting and unipolar running.

Experiment-3



-무 부하 조건.



-이상 구동.

• start up the motor with 1.6A

• 8300rpm with 0.2A



-단상 구동.

• start up the motor with 2.7A

• 16300rpm with 0.6A



-이상기동-단상구동.

• switched at 4000prm

• start up the motor with 1.6A

• 16300rpm with 0.6A

• 모터로 유입되는 과전류를 줄임.









•Variation of phase current of a BLDC motor (a) bipolar drive

(b) unipolar drive (c) bipolar-starting and unipolar-running drive.

Experiment-4





-전환 시점 : 4000rpm.



-이상기동-단상구동, 단상 구동 모두

최고 속도 일치 : 16300rpm.



-이상기동-단상구동의 초기 기동은

이상 구동과 일치.



-10000rpm 도달 시간 차 A : 13%

12000rpm 도달 시간 차 B : 11%

14000rpm 도달 시간 차 C : 9%





• Speed variation of a BLDC motor.

결 론



• 단상 구동 시 이상 구동 보다 최대 속도가 2배 증가함을 확인.



• 단상 구동 시 이상 구동 보다 기동 토크가 줄어듦을 확인.



• 이상기동-단상구동 구동법이 고속 스핀들 시스템에 사용되는

BLDC 모터의 구동법으로 적합함.





• 초기 기동에 이상 구동을 적용함으로 초기 과전류 입력에 의한

회로 부담을 줄이고 기동 시간을 단축할 수 있음을 확인.

추가 사항



• 단상 구동 시 입력 전원에 문제점 존재.

– 이상 구동 시 모터의 입력 전원  +12V

– 단상 구동 시 모터의 입력 전원  +12V, -12V

– 단상 구동 시 모터의 입력 전원을 추가로 필요로 하는 문제점 존재

 기존의 입력 전원을 그대로 이용하는 방안 필요.





• 단축 방안 1 : OP-Amp의 Inverting Amplifier 기능 이용.

단축 방안 2 : Motor Driver의 구조를 새롭게 변경.

• 입력 전원 단축 방안 (1)

– 단상 구동 시 외부의 새로운 입력 전원(-12V) 대신 기존에 사용되는

입력 전원(12V)를 –12V로 전환하여 사용.

– OP-Amp의 Inverting Amplifier 기능 이용.

R

R

- Vout = - Vin

Vin +

Vout









– 기존의 Driver circuit와 DSP code를 이용.

-12V

5V

12V

Driver Circuit

OP Amp

GND

• 입력 전원 단축 방안 (2)

– 이상 구동과 단상 구동 모두 상간 전압차는 항상 12V.

– 단상 구동 시 모터의 입력 전원으로 –12V를 사용하지 않고

이상 구동, 단상 구동 모두 +12V를 사용.

+ 12V

A+ B+ C+ SW 1

A OPEN

C GND

A- B- C- B +12V



GND



•이상 구동 : SW1  OPEN

단상 구동 : SW1  GND, +12V

•현재 사용하는 Driver

-이상 구동에서 단상 구동으로 전환 시에만 입력 전원을 전환.

-이상 구동과 단상 구동 시 모두 정류 순간에는 입력 전원을 유지.

•새롭게 제안된 Driver

-이상 구동 시에는 항상 입력 전환을 유지.

-단상 구동 시에는 정류 순간 마다 입력 전원을 전환.

향후 연구 방향



• BLDC 모터의 3-phase 구동.









A B C

-phase A, B, C 모두의 winding 에서 Torque를 받기 위한 전류의 흐름.



-위 전류의 흐름과 같지 않을 경우 권선 내의 전류가 서로 상쇄되는 부분이 존재.



-8pole-12slot motor, 12pole-9slot motor가 위와 같은 전류의 흐름을 갖을 경우 양끝의

권선이 같은 자속을 갖는 pole에 위치하게 되어 서로 반대 방향의 토크를 발생.



-3-phase 모두가 torque를 받기 위한 pole-slot의 조합을 고안.

 기동 토크의 향상 목표.

• BLDC 모터의 torque-ripple 개선.



Torque ripple



-실재 Torque curve 는 flat 하지않고

ripple을 수반한다.









AB AC -실험을 통하여 실제 Torque curve는

T

sine wave와 유사할 것으로 유추.

B-

-Torque AB 중 후반부는 사용되지 않는

C-를 통하여 보상.



-Torque AC 중 전반부는 사용되지 않는

B-를 통하여 보상.

C-



① ② -Torque ripple의 개선 가능성.