ITQ 한글 2010 자격증 한번에 따기 [실습파일], TCP/IP 기반 유증기 회수용 제어기 일체형 BLDC모터 개발

ITQ 한글 2010 자격증 한번에 따기 [실습파일]

TCP/IP 기반 유증기 회수용 제어기 일체형 BLDC모터 개발

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TCP/IP 기반 유증기 회수용 제어기 일체형 BLDC모터 개발 3 TCP/IP 기반 유증기 회수용 제어기 일체형 BLDC모터 개발  요 약 Brushless DC(이하 BLDC) 모터는 에너지절감 차원이나 속도 및 토크제어에 대한 우수성 때문에 그 활 용이 점차 증가하고 있다. 그러나 다양한 환경의 응용분야에 따라 제어기 및 구동회로가 별도로 필요하고, 또 모터와는 별개로 외장형으로 설계되어 있어 설치 및 운용에 어려움이 있다. 본 논문에서는 유증기회수장치 (VRS)용으로 BLDC모터와 제어회로가 일체화되도록 제작하였으며, 마이크로프로세서를 적용하여 다양한 주 변 환경에 따른 지능적인 동작이 가능하도록 설계하였다. 또한 TCP/IP 모듈을 내장하여 원격지에서 웹을 통 해 제어할 수 있도록 설계하여 작동의 편의성을 고려하였다. ABSTRACT Recently, Applications of BLDC motor have grown gradually in energy savings and controls of speed and torque. But most of BLDC motors need controller and driving circuits aside from motor, according to various situations. In this paper, it was designed for a embedded controller and motor including microprocessor that programmable intelligent control as various circumstances. And in order that the user conveniently use better than to use web browser using TCP/IP module in controller. Key Words : BLDC Motor Controller, Microprocessor, TCP/IP, VRS, VOC Ⅰ. 서 론 모터산업은 산업기계, 로봇, 자동차, 각종 생 활가전, 정보기기로부터 환경관련기기, 복지용 기기, 오락용기기에 이르기까지 광범위한 산업 분야의 핵심 부품으로 인식되고 있다. 이처럼 다양한 분야에 모터를 사용하게 됨으로써 모터 소비전력이 전체 소비전력에 대한 비율의 50% 를 초과하게 되어 에너지 절감차원에서도 점차 적으로 중요한 위치를 차지하게 되었다. 또한 에너지 위기나 환경보호의 측면에서도 모터의 고 효율화는 매우 중요한 의미를 가진다 할 수 *교신저자: 부천대학 디지털정보전자과 교수(dykim@bc.ac.kr) 접수일자: 2010년 10월24일, 수정일자: 2010년 11월14일, 완료일자: 2010년 11월30일 4 한국정보전자통신기술학회논문지 제3권 제4호 있다. 이처럼 고효율 및 편리한 제어성이 요구 되어지면서 산업용 시스템의 액츄에이터 (actuator)로서 모터의 비중이 점차 늘어가고 있는 실정이다. 일반적으로 고속 회전이나 높은 토크를 요구 하는 분야에서는 AC모터를, 그 밖에는 일반DC 모터가 폭넓게 사용되어지고 있으나 최근 신재 생 에너지 및 에너지 절약차원에서 고효율 전 동기에 대한 수요와 더불어 BLDC(Brushless DC) 모터가 효율적인 대안으로 떠오르고 있다. 그러나 지금까지 BLDC 전동기의 제어가 AC모 터나 DC 모터 보다 어렵고, 별도의 제어보드 등에 따른 비용 상승으로 인해 수요 업계에서 는 부담스러운 요소로 인식되고 있다. 이외에도 정보기기의 발달에 힘입어 네트워크와의 연결 원격 제어가 가능한 제품의 필요성이 증대되고 있는 현실이다. 유증기란 주유소에서 휘발류 등을 주입할 때 주유기 주변에 아지랑이처럼 피어오르는 기체 성분을 의미하는 것으로 휘발유에서 배출되는 냄새가 독한 휘발성 유기화합물(VOC, Volatile Organic Compounds)을 통칭한다. 지독한 냄새 뿐 아니라 구역질, 구토, 현기증 및 시력장애, 백내장 등을 유발하는 오염 물질이며, 또한 햇 빛과 반응하여 도심 대기오염의 주범인 오존 (O₃)을 생성하기도 한다. 이에 정부에서는 서 울, 수도권, 대구, 부산 등이 포함된 대기환경 규제지역과 울산산업단지, 여수산업단지 등 대 기보전 특별대책지역에는 2008년 부터 신설되 는 주유소에는 유증기 회수설비(VRS)의 설치 를 의무화했으며, 이 지역에 이미 설치된 주유 소 약 3000여개에 대해서는 연간 판매량에 따 라 2012년까지 단계적으로 유증기 회수설비를 의무적으로 설치하도록 하였다[1]. 현재까지 유 증기 회수용으로 사용되는 로타리형 펌프는 벨 트풀리 방식으로 구동되며, 제어기가 별도로 장착되고 구동효율이 낮은 단점이 있다. 다음 그림 1은 일반적으로 주유기에서 발생 되는 유증기를 회수하기 위한 유증기 회수장치 를 나타낸 것이다[2]. 현재까지 설치된 유증기 회수장치는 그림 1과 같은 좁은 주유기 안에 모터와 이를 구동하기 위한 제어기가 별도로 설치되어 있는 실정이다. 이에 본 논문에서는 유증기 회수용 BLDC 모터의 구동드라이버 및 제어기를 설계하였으 며 좁은 주유기 안에 효율적으로 설치할 수 있 도록 제어기 모터 일체형으로 구성하였다. 또 한 부하, 토크, 회전수에 따른 다양한 상황에 대응하기 위하여 프로그래밍이 가능한 마이크 로프로세서를 이용하여 디지털 신호처리 기반 의 디지털 제어를 수행하도록 제작하였다. 특 히 TCP/ IP 모듈을 내장하여 원격지에서 주유 기의 유증 회수 상태를 웹기반으로 감시할 수 있도록 설계하였으며, 제어기 내에서는 동작전 류의 변동량 검출 및 과전류, 과전압 보호 회 로를 설계하여 주유기와 같은 위험 환경에서도 안정적으로 동작하도록 제작하였다. 이를 검증 하기위해서 정격속도에서의 모터 응답특성을 실험하였으며, 각각의 제어 설정에 따른 성능 실험을 수행하였다. 그림 1. 유증기 회수장치(VRS) 개념도 Fig. 1. Diagram of VRS concept TCP/IP 기반 유증기 회수용 제어기 일체형 BLDC모터 개발 5 Ⅱ. 본 론 2.1. 제어기 설계 본 논문에서는 그림 1과 같이 좁은 주유기 안에 유증기 회수용 모터가 설치될 수 있도록 일체형 모터-제어기를 설계하였으며, BLDC 모 터 전용 마이크로프로세서를 적용하여 디지털 신호처리를 이용한 전류 피드백제어가 가능하 도록 하였다. 유증기 회수용 BLDC모터는 150W급으로 설계하였으며, 로타리펌프 직결장 착 시 150mmHg 진공도를, 3,500rpm의 회전수 를 갖도록 목표를 설정하였다. 24V 저전압으로 구동하여 고압방전 현상을 피하도록 설정하였 다. 그림 2는 본 논문에서 구성된 제어기의 블록 선도이다. 회전 속도를 제어하기 위한 기준신 호와 모터에서 검출된 피드백 신호를 비교하여 PI 제어를 실행하도록 연산하는 프로세서, 프 로세서의 제어 신호를 받아 BLDC 모터를 구 동하도록 PWM 신호를 발생시키는 구동 드라 이버, 그리고 PWM 신호를 받아 인버터에 3상 의 구동 로직을 발생시키며, zero-cossing 되는 역기전력 파형을 감지하여 이를 다시 모터 구 동전류의 제어에 이용하게 되는 전류 검출소자 등으로 구성되어있다. 과전류보호기도 내장되 어 있으며 DC 전압도 300V급까지 인가할 수 있도록 하였다. 그림 2는 TCP/IP 기반의 BLDC 모터 일체 형 제어기 구성도이다. 일반적인 3상 Y-결선 전동기에서 각 코일을 a, b, c 라 한다면 각 코일에 흐르는 전류는 위 상에 따라       (1) 그림 2. BLDC 모터 일체형 제어기 구성도 Fig. 2. Block diagram of integral BLDC motor 이므로 각 상의 동일한 자기인덕턴스와 상호 인덕턴스 은,     (2) 이다. 일반적인 고정된 3상 권선의 상변수 회로방정식에서 유도된 전압방정식에 따른 전 동기의 출력은 다음과 같다.           출력을 기계적 출력으로 표현하면    력 토크 는          (3)    는 각 상의 역기전력이다. 이 (4) 과 같다. 식 (3)과 (4)로부터 BLDC모터의 출 (5) 와 같이 유도할 수 있다[3]. 모터를 전압형 인버터로 구동시켜 전류 피드 백 제어를 수행하면 전류벡터(a축 전류 와 b 축 전류  혹은 전류벡터의 진폭 Ia과 위상β) 는 자유롭게 제어될 수 있다. 마그네틱 토크 는 위상 β=0∘에서 최대가 되며, β=180∘에서 최소가 된다. 또한 마그네틱토크는 전류에 비 례하므로 전류값이 일정한 상태로 전류위상 β 를 변화하여 전류위상에 대한 전체 쇄교자속 6 한국정보전자통신기술학회논문지 제3권 제4호 Ψ0와 역률 cosϴ를 제어하면 마그네틱 토크를 앞서 설명한 식과 같이 제어할 수 있다. 다음 그림 3의 (a), (b)는 제어기의 마이컴회 로와 Half-bridge 방식으로 설계한 구동부 회 로이다. 였다. 다음 그림 4는 제작된 제어회로 및 구동부 회로 사진이다. 제어기 일체형이므로 모터의 하우징에 맞도록 모양과 동일한 크기의 원형 (circul- ar PCB)으로 제작하였다. 그림 4에서의 FET소자는 Half-Bridge회로 특성상 High side와 Low side 동시에 스위칭 되는 시간을 방지하기 위하여 Low side의 FET가 Turn-on하기 전에 먼저 Turn-off하는 시간차를 마이크로프로세서로 프로그래머블하 게 설정할 수 있도록 설계하여 FET소자의 파 괴를 방지하였다. (a) 그림 4. 제어회로 및 구동부 제작 사진 Fig. 4. Photo of control circuit and driving unit (b) 그림 3. (a)마이컴 회로와 (b) 모터 구동부 회로 Fig. 3. (a)Circuit of MICOM (b) Driving circuit Half Bridge형태로 MOS Power FET 소자 를 스위칭 회로로 구성하였고, FET게이트 단 자에 신호처리 제어부로부터 출력되어지는 PWM신호로부터 각각의 스위칭 소자들을 독립 적으로 스위칭 ON/OFF 시켜 주는 회로를 Half-Bridge 방식으로 설계하고 제작테스트 하 2.2. 전류 변동량 검출 및 보호 회로설계 모터의 시동 운전 시(first-starting) 단자전압 상승은 정전압 전원 구동인 시스템 내의 다른 반도체 소자에 영향을 미쳐 절연파괴 현상을 가져올 수 있기 때문에 단자전압의 검출회로가 필요하다. 검출된 전압은 OP-AMP로 비교기를 구성하여 인가하였다. 검지전압이 기준전압보다 높게 된다면 3.3V 논리소자나 MCU의 입력에 과전압이 검출된 신호로서 로직레벨 1 즉 OV (Over Voltage)의 의미로 3.3V의 전압이 인가 되어지고 검출전압이 기준전압 이하이면 로직 TCP/IP 기반 유증기 회수용 제어기 일체형 BLDC모터 개발 7 레벨 0의 의미로 0V 전압이 인가된다. 그림 5는 모터 각상에 흐르는 전류를 측정하 기 위하여 ACS712라는 전류검출용 홀소자를 이용한 회로이다. 모터의 각 코일에 흐르는 전 류를 측정하기 위하여 ACS712라는 전류검출 용 홀소자를 이용하였으며, 전류변동량에 따라 비례적으로 전압으로 변환하는 회로이다. 이를 A/D변환하여 전압 값을 읽어내면 전류의 변동 량을 알 수 있다. 마이크로프로세서에서는 설 정한 최대 전류 이상이면 과전류가 흐른다고 판단하여 전원을 차단하는 보호회로의 제어신 호를 만들어낸다. ADC를 이용하여 입력되는 전류값을 디지털 로 변환하고, 전압 값을 읽어내면 전류 변동량 을 알 수 있고 이 값은 MCU에 인가된다. MCU에서는 설정한 최대 전류 이상이면 과전 류가 흐른다고 판단하여 전원을 차단하는 보호 회로의 제어신호를 발생시킨다. on)에서 1980년 말경에 발표한 인터넷상에서 통신을 지원하는 일련의 규약이다. 본 논문에서는 유증기 회수장치에 이와 같은 TCP/IP 소켓을 구현하기 위해 전용프로세서 (Tiny24)를 내장한 iConn510M(Netdevice,한국) 을 사용하였다. 이 MCU를 내장함으로써 DHC P, SMTP, DNS, DDNS 등을 지원하고, MAC Address도 EEPROM에 내장되어 있는 장점을 가지고 있다. 즉, 시스템 내 프로세서와 Local bus로 연결하고 메모리 제어를 하듯이 데이터 를 읽고 쓰기만 하는 것으로 인터넷 통신이 가 능하다. 다음 그림 6은 TCP/IP 모듈의 블록선 도와 모듈이다[6]. 그림 6. TCP/IP 모듈 블록선도와 실제 사진 Fig. 6. Block diagram of TCP/IP module 그림 5. 전류변동량 측정회로 Fig. 5. Current measuring circuit 2.3. TCP/IP 모듈 본 논문에서는 유증기회수장치의 원격지 관 측을 위해 C언어, Java 등 프로그래밍 언어에 상관없이 각 언어에 맞게 제공되는 API를 활 용하여 TCP/IP 프로토콜 네트웤을 통해 데이 터를 주고받을 수 있도록 TCP/IP 프로토콜을 사용하였다. TCP/IP는 국제표준화 기구인 ISO (International Organization for StandardizatiⅢ. 결 과 그림 7은 실제 제작된 TCP/IP 기반의 일체 형 BLDC모터이다. 그림 7. 제어기 일체형 BLDC모터 사진 Fig. 7. Photo of integral BLDC motor r 8 한국정보전자통신기술학회논문지 제3권 제4호 다음은 분권형 방식인 본 개발 모터의 A, B, C 각 코일에 대한 구동전압과 그에 따 른 전류 파형을 나타내었다. (a), (b), (c) 각 그림의 상단 그래프는 구동전압을, 하단 그래프는 모터 코일에 전압이 인가될 때 발 생하는 전류파형이다. (d)그림은 BLDC 모 터를 구동하기 위해 발생시킨 PWM신호와 프로세서의 제어에 의해 각 코일에 공급되 는 구동전압을 표시하였다. 실험에는 텍트 로닉스사(미)의 TDS 3032B 스코프가 사용 되었다. (a), (b), (c)그림을 볼 때 각 구동 전압에 따른 전류파형의 시간 지연현상 (delay)이 각기 다름을 볼 수 있다. 이를 통 해 BLDC 모터의 각 상별로 시간지연을 고 려하여 마이크로프로세서에 의해 제어됨을 확인할 수 있었다. 으며[7], 화면 중앙의 그래프는 모터에 설치된 홀센서의 검출 신호를 표시하였고, 이에 따라 각 코일의 구동전압을 제어하도록 프로그래밍 하였다. 모터내부에는 총 6개의 홀센서가 설치 되었다. 하단부에는 모터의 상태를 조절할 수 있도록 파라미터 설정 창을 표시하였다. 그림 9. TCP/IP 소켓을 이용한 모터제어 화면 Fig. 9. Screen of motor control using TCP/IP socket 전자부품연구원(소형정밀모터센터)에 있는 Dynamometer를 통한 본 제어기 및 BLDC모 터의 성능을 평가하여 그림 10과 같이 그래프 로 표시하였다. (b) (a) (c) (d) 그림 8. 코일별 모터 구동신호 Fig. 8. Motor driving signals in coils 다음 그림 9는 TCP/IP 소켓을 이용한 통신 환경을 나타낸 것이다. Visual C++로 제작하였 그림 10. 제작된 모터의 성능평가 (전자부품연구원, 소형정밀모터센터) Fig. 10. Evaluation of desined BLDC motor TCP/IP 기반 유증기 회수용 제어기 일체형 BLDC모터 개발 9 제어방법에 따라 20Ncm, 40Ncm 2번의 최대 토크가 검출됨을 볼 수 있었다. 이때 전압은 24V며, 최대 rpm은 4000rpm까지 검출되었다. 전기적인 특성으로 65%이 효율을 보였으며 130W출력 특성을 얻을 수 있었다. 또한 40 [Ncm]의 최대토크를 발생시켜 유증기용 회수 장치로서 충분한 구동토크를 얻을 수 있었다. Ⅳ. 결 과 본 논문에서는 TCP/IP 기반의 유증기 회수 용 BLDC모터의 구동드라이버 및 제어기를 설 계하였다. 일반적인 유증기회수용과는 달리 좁 은 주유기 안에 효율적으로 설치할 수 있도록 제어기 모터 일체형으로 구성하였으며, 제어기 는 BLDC모터의 구동 PWM 신호를 마이크로 프로세서를 사용하여 각 상황에 따른 능동적인 제어가 되도록 설계하였다. 분권형 방식의 코 일 형태에 다양한 상황에 대응하도록 센서를 통해 검출되는 전류신호의 피드백제어를 통해 디지털 신호처리 기반의 디지털 제어를 수행하 도록 제작하였다. 또한 원격제어가 가능하도록 TCP/ IP 소켓을 내장하여 유증 회수 상태를 웹기반으로 감시할 수 있도록 설계하였다. 향후 주유기의 위험성 등을 고려할 때, 이동 성이 뛰어난 스마트폰과의 연동을 통한 영상 감시장치로의 확장도 연구하고 있으며, BLDC 모터의 최신 동향인 센서리스(sensorless)방식 으로의 연구가 이어진다면 좀 더 상품성과 효 율성이 높은 제어기설계가 이루어지리라 사료 된다. 참 고 문 헌 [1] 대기환경보전법 제44조, 환경부, 2006.12 [2] 박광석, 2007 대기환경관리 정책 추진방향, 환 경부 정책보고서, 2007.7 [3] A. E. Fitzgerald et al, "Electric Machinery“, McGraw-Hill, pp. 311-408, 1983 [4] C. I. Hubert, "Electric Machines", Prentice Hall, pp. 308-312, 2003 [5] OSI Model Mapping, IEEE 802.15.1, ISO, 1977 [6] http://www.netdevice.co.kr [7] 조경민 외, “TCP/IP 소켓 프로그래밍”, 한빛 미디어, 2005 [8] Tan. W et al, "PID Tuning Based on Loop-Shaping H∞ Control," IEE Proceedings Control Theory and Appl., vol. 45, No. 6, pp. 485-490, 1998 저자약력 김 덕 영(Duck-young, Kim) 1970년 9월11일 생 1994년 연세대학교 의용 전자공학과(학사) 1996 서울시립대학교 대학원 전자공학과 (석사) 2000 서울시립대학교 대학원 전자공학과 (박사) 2001~ 현재 부천대학 디지털 정보전자과 부교수 < 관심분야 > 임베디드시스템, 생체신호처리, 모터제어 정회원 이 논문은 2009년도 부천대학 교비지원 연구비에 의하여 지원된 연구의 결과임.