Detection of Torque, Speed, and Current Detection of Torque, Speed, and Current of a Brushless DC Motor by using Back-of a Brushless DC Motor by using Back-EMF Variation of Non-Energized PhaseEMF Variation of Non-Energized Phase
2002005/03/265/03/26
Jaehwan YeomJaehwan Yeom
PREM, Hanyang UniversityPREM, Hanyang University
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ContentsContents1. Motivation1. Motivation
2. Fundamental Method2. Fundamental Method
3. Proposed Method3. Proposed Method
- Torque vs. Current- Torque vs. Current
- Torque vs. Speed- Torque vs. Speed
4. Result4. Result
5. Conclusion5. Conclusion
6. Future Work6. Future Work
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1. Motivation1. Motivation MotorMotor 의 대량 생산 및 소형화의 대량 생산 및 소형화
– 최적 제어를 위해서는 정확한 최적 제어를 위해서는 정확한 Motor Constant Motor Constant 값이 필요하다값이 필요하다 ..• Motor ConstantMotor Constant 는 외부환경에 의해 변할 수 있으며는 외부환경에 의해 변할 수 있으며 ,,
• 동일한 특성의 동일한 특성의 MotorMotor 일지라도 모두 다를 수 있다일지라도 모두 다를 수 있다 ..
– 대량 생산 공정에서 모든 대량 생산 공정에서 모든 MotorMotor 에 대한 특성을 파악하기는 에 대한 특성을 파악하기는 어렵다어렵다 ..
• 측정 어려움측정 어려움– Torque MeterTorque Meter 의 복잡성의 복잡성 , , 소요 시간소요 시간 , , 고비용고비용 , , 공간공간 , , 소음소음 , , 인력 등의 인력 등의
요인으로 인해 측정하기가 쉽지 않다요인으로 인해 측정하기가 쉽지 않다 ..
– 소형 모터의 경우 소형 모터의 경우 Flexible Coupling Flexible Coupling 손실과 같은 측정 장비 손실과 같은 측정 장비 자체의 손실로 정확한 특성을 파악할 수 없다자체의 손실로 정확한 특성을 파악할 수 없다 ..
RequirementsRequirements– 측정 장비 자체의 손실 없이 빠른 시간에 정확한 측정 장비 자체의 손실 없이 빠른 시간에 정확한 Motor ConstantMotor Constant
에 접근할 수 있어야 한다에 접근할 수 있어야 한다 ..
– Stand-alone SystemStand-alone System• 다른 장비에 의존하지 않아야 한다다른 장비에 의존하지 않아야 한다 ..
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2. Fundamental Method2. Fundamental Method 브러시리스 직류 전동기의 브러시리스 직류 전동기의 T-wT-w
– 토크와 속도 사이 관계식토크와 속도 사이 관계식
iKT T EKE
ET KKK
R
K
R
VKT TT 2
[V/rad/s]constantEMFback: EK
m/A][Nconstanttorque: TK
[rad/s]rotoraofvelocityangular:
SpeedTorque
R
VKT
TK
V
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Torque MeterTorque Meter 를 이용한 측정 방법를 이용한 측정 방법– Torque MeterTorque Meter 를 이용 모터에 부하를 일정한 간격으로 주면서를 이용 모터에 부하를 일정한 간격으로 주면서 ,,– Motor AnalyzerMotor Analyzer 를 이용하여 를 이용하여 Torque-SpeedTorque-Speed 를 측정하며를 측정하며 ,,– Current ProbeCurrent Probe 를 이용하여 전류를 측정할 수 있다를 이용하여 전류를 측정할 수 있다 ..
Torque meter
Motor
Oscilloscope
DSPSwitching PC
Emulator
Motor analyzer
C-B-A-
C+B+A+
Current probe
< Experimental setup to measure the torque-speed-current characteristics< Experimental setup to measure the torque-speed-current characteristics > >
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3. Proposed Method3. Proposed Method Torque vs. CurrentTorque vs. Current
– Back-EMF ConstantBack-EMF Constant 로부터 접근할 수 있다로부터 접근할 수 있다 ..
dt
diLK
dt
diL
d
d
dt
diL
dt
d
d
d
dt
iLd
dt
de
phasephaseE
phasephase
PMphasephase
PM
phasephasePMphase
)(
][: tAmagnetpermanenttoduefluxPM
][: tAphaseenergizedoffluxtotalphase
– MotorMotor 에 흐르는 에 흐르는 total fluxtotal flux 에 의한 에 의한 Back-EMFBack-EMF
iKT TET KKK
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Back-EMF CharacteristicsBack-EMF Characteristics– 저속에서 상대적으로 저속에서 상대적으로 InductanceInductance 의 영향 증가로 비선형성 증가의 영향 증가로 비선형성 증가– 고속에서 상대적으로 고속에서 상대적으로 InductanceInductance 의 영향 감소로 비선형성 감소의 영향 감소로 비선형성 감소
• 고속에서 정확한 값에 접근 가능고속에서 정확한 값에 접근 가능
< Low Speed< Low Speed > >
Back-EMF Period
< High Speed< High Speed > >
Back-EMF Period
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Back-EMF Variation on Non-Energized PhaseBack-EMF Variation on Non-Energized Phase
nveV
< Terminal Voltage< Terminal Voltage > > < Neutral Voltage< Neutral Voltage > >
EMFbacke :voltageneutralvn :
voltageterminal:V
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제안된 제안된 Back-EMF Back-EMF 측정 방법측정 방법
실험에 의해 구할 수 있는 범위 보간
Minimum Value
Maximum Value
Time Value
Commutation Time
– Terminal VoltageTerminal Voltage 와 와 Neutral Neutral VoltageVoltage 기울기기울기
valueTime
valueMinimumvalueMaximum
– 정확한 정확한 Back-EMFBack-EMF 의 크기를 얻기 의 크기를 얻기 위해서는 위해서는 Commutation TimeCommutation Time만큼의 보간이 이루어져야 한다만큼의 보간이 이루어져야 한다 ..
nvVe
– Back-EMFBack-EMF
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Motor ConstantMotor Constant
E
K
KE
E
E
Winner Winner 5.4K5.4K
Nidec Nidec 7.2K7.2K
Pole / SlotPole / Slot 8 / 128 / 12 8 / 128 / 12
Phase ResistancePhase Resistance 2.75 [2.75 [Ω]Ω] 1.25 [1.25 [Ω]Ω]
Number of TurnNumber of Turn 6262 4949
Torque Constant Torque Constant
[mN-m / A][mN-m / A]
13.832113.8321 10.37610.376
ExperimentalExperimental Result Result [mN-m / A][mN-m / A]
14.1448514.14485 10.66059510.660595
Error [%]Error [%] +2.26+2.26 +2.74+2.74
BearingBearing BallBall FDBFDB
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Torque vs. SpeedTorque vs. Speed– SpeedSpeed 에 따른 전류 값에서 손실 전류를 제거하여 접근할 수 에 따른 전류 값에서 손실 전류를 제거하여 접근할 수
있다있다 ..
– Torque Meter Torque Meter 측정 방법측정 방법• LoadLoad
• Duty FullDuty Full
– 제안된 방법제안된 방법• No LoadNo Load
• PI Control (Non-Duty Full)PI Control (Non-Duty Full)– 측정된 전류의 보간 필요측정된 전류의 보간 필요– 실제 실제 TorqueTorque 를 구하기 위해서는 손실 전류를 구해야 한다를 구하기 위해서는 손실 전류를 구해야 한다 ..
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Current InterpolationCurrent Interpolation– 속도별 속도별 Duty RateDuty Rate 와 와 CurrentCurrent
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– Torque MeterTorque Meter 로 측정된 전류와의 비례상수로 측정된 전류와의 비례상수
RVPP ICID :100:
VP
PR C
D
II
100
ratedutypresent:PD
currentpresent:PIconstantalproportion:VC
currentresult:RIP
PRV I
DIC
100
• Proportional EquationProportional Equation • Proportional ConstantProportional Constant
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– 계산된 비례상수계산된 비례상수• 기울기는 기울기는 MotorMotor 의 저항 값에 비례할 것으로 예상의 저항 값에 비례할 것으로 예상 ..
– Nidec P120 Nidec P120 은 은 2.52.5ΩΩ, Winner, Winner 는 는 5.5 5.5 ΩΩ 으로 비율은 으로 비율은 2.22.2
– 비례상수의 기울기 비율은 비례상수의 기울기 비율은 1.91.9
546847.1615079.0 PV DC803619.80793133.0 PV DC
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– Calculated CurrentCalculated Current
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손실 전류 측정손실 전류 측정– 이상적인 경우이상적인 경우 , Duty Full, Duty Full 인 최고속도에서 유입되는 전류를 인 최고속도에서 유입되는 전류를
손실 전류로 가정손실 전류로 가정• Nidec P120Nidec P120 은 측정된 값이 은 측정된 값이 265 [mA]265 [mA]
• WinnerWinner 는 측정된 값이 는 측정된 값이 67 [mA]67 [mA]
• Torque MeterTorque Meter 의 경우 의 경우 Flexible CouplingFlexible Coupling 으로 으로 MotorMotor 의 축과 의 축과 Torque MeterTorque Meter 의 축을 연결함으로 해서 의 축을 연결함으로 해서 50 [mA]50 [mA] 의 손실 의 손실 전류를 갖는 것으로 예상전류를 갖는 것으로 예상
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ResultResult Torque vs. Current Torque vs. Current
Characteristics – Nidec P120Characteristics – Nidec P120
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Torque vs. Current - WinnerTorque vs. Current - Winner
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Torque vs. Speed – Nidec P120Torque vs. Speed – Nidec P120
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Torque vs. Speed - WinnerTorque vs. Speed - Winner
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ConclusionConclusion 제안된 방법으로 정확한 제안된 방법으로 정확한 Motor ConstantMotor Constant 에 접근할 수 에 접근할 수
있다있다 ..– 비교적 빠른 시간에 간단한 방법으로 구현 가능하다비교적 빠른 시간에 간단한 방법으로 구현 가능하다 ..
ProblemProblem– StatisticsStatistics
• 다양한 특성을 갖는 다양한 특성을 갖는 MotorMotor 에 대한 실험 필요에 대한 실험 필요 ..– Nidec P120Nidec P120 의 경우는 비교적 정확하게 나오지만의 경우는 비교적 정확하게 나오지만 , Winner 5.4k, Winner 5.4k 의 의
경우는 경우는 Torque MeterTorque Meter 로 측정될 당시와 로 측정될 당시와 MotorMotor 의 특성변화로 의 특성변화로 인해 오차가 있는 것으로 생각됨인해 오차가 있는 것으로 생각됨 ..
– Exact loss valueExact loss value• 정확한 손실 값에 접근할 수 있다면정확한 손실 값에 접근할 수 있다면 , , 정확한 정확한 Motor ConstantMotor Constant
뿐만 아니라뿐만 아니라 , Motor, Motor 의 효율을 측정하는 데도 많은 도움이 될 의 효율을 측정하는 데도 많은 도움이 될 것으로 생각됨것으로 생각됨 . .
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Future WorkFuture Work A-BmosA-Bmos 에 적용에 적용 다양한 모터에 대한 측정 실험다양한 모터에 대한 측정 실험 Gain TuningGain Tuning
– 측정된 측정된 Motor ConstantMotor Constant 를 이용 최적 제어를 수행할 수 를 이용 최적 제어를 수행할 수 있도록 있도록 Auto Parameter Detecting Auto Parameter Detecting 수행수행
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System and User Interface of
Brushless DC Motor Operating System Ver. 2.0
PREM, Department of Mechanical EngineeringHanyang University, Korea
염 재 환 · 김 명 규
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MotivationMotivation 최적의 초정밀 회전기기 제어기 개발 최적의 초정밀 회전기기 제어기 개발 (NRL 2(NRL 2 단계 단계 33 차 차
년도 목표 년도 목표 ))
1.1. 동특성 개선을 위한 최적 제어기 개발동특성 개선을 위한 최적 제어기 개발 속도 변동률 속도 변동률 0.2% 0.2% 이내의 속도 제어이내의 속도 제어
2.2. DSP DSP 제어 및 통신 회로의 제어 및 통신 회로의 On-board On-board 모듈화 및 모듈화 및 User Interface User Interface
개발개발 연구실 실험 환경이 아닌 외부 컴퓨터를 통한 제어기 및 연구실 실험 환경이 아닌 외부 컴퓨터를 통한 제어기 및 User User
Interface Interface 를 를 DisplayDisplay 하여 성능 검증하여 성능 검증1. 최적 제어기 개발을 통한 초정밀 회전기기 동특성 향상 여부 2. 제어 및 통신 회로의 모듈화 및 User Interface 개발 여부1. 최적 제어기 개발을 통한 초정밀 회전기기 동특성 향상 여부 2. 제어 및 통신 회로의 모듈화 및 User Interface 개발 여부
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Objective & MethodologyObjective & Methodology Objective Objective
(a)(a) DSP DSP 제어 및 제어 및 USB USB 통신 회로의 통신 회로의 On-board On-board 모듈화모듈화(b)(b) Motor Motor 구동부의 모듈화구동부의 모듈화(c)(c) Window Window 기반의 기반의 User InterfaceUser Interface
MethodologyMethodology
DSP & USB On-board PCB design
DSP & USB On-board PCB design
Motor driverPCB design
Motor driverPCB design
User Interface using Visual C++
User Interface using Visual C++
Brushless DC Motor
Operating System Ver. 2.0
Brushless DC Motor
Operating System Ver. 2.0
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System ImplementationSystem Implementation
A
C
B
Brushless DC motor
Control and Communication
Circuit
Speed feedback /Switching signal
Communicationsignal
PC
Inverter and Drive Circuit
Current /Torque
UserInterface
DSP FPGA USB controller
- DSP All operating for driving the motor.- USB controller Communication with PC- FPGA (Field-Programmable Gate Array) Communication between DSP and USB
- DSP All operating for driving the motor.- USB controller Communication with PC- FPGA (Field-Programmable Gate Array) Communication between DSP and USB
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System DemonstrationSystem Demonstration Output of Brushless DC Motor Operating System Ver. 2.0 Output of Brushless DC Motor Operating System Ver. 2.0
1.1. Speed profileSpeed profile
2.2. DC-link current profileDC-link current profile
3.3. Terminal voltage A, B, C profileTerminal voltage A, B, C profile
4.4. Torque constantTorque constant