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

- - 33 - -

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

- - 55 - -

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 > >

- - 66 - -

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

- - 77 - -

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

- - 88 - -

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

- - 99 - -

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

- - 1010 - -

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

- - 1111 - -

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 ..

- - 1212 - -

Current InterpolationCurrent Interpolation– 속도별 속도별 Duty RateDuty Rate 와 와 CurrentCurrent

- - 1313 - -

- - 1414 - -

– 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

- - 1515 - -

– 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

- - 1717 - -

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

- - 2020 - -

Torque vs. Speed – Nidec P120Torque vs. Speed – Nidec P120

- - 2121 - -

Torque vs. Speed - WinnerTorque vs. Speed - Winner

- - 2222 - -

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