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자동차 조향장치용 급300W SRM

기술개발에 관한 연구

최종 보고서( )

년 월 일2003 12 18

주관기관 : 계양전기 주( )

참여기업 : 주 에이 디 티( )

위탁기관 : 한양대학교

산 업 자 원 부

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제 출 문

산업자원부장관 귀하

본 보고서를 자동차 조향장치용 급 개발에 관한 기술개발 개발기간“ 300W SRM ”( :

과제의 최종보고서로 제출합니다2002 . 5 . 1 ~ 2003 . 10 . 31) .

2003 . 12 . 23 .

주관기관 : 기관명( ) 계양전기 주( ) 대표자( ) 남 창 현 인( )

참여기업 : 기업명( ) 주 에이 디 티( ) 대표자( ) 최 경 수 인( )

위탁기관 : 기관명( ) 한양대학교 대표자( ) 김 종 량 인( )

총괄책임자

연 구 원

＂

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:

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:

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:

박 춘 욱

이 호 석

장 서 건

류 길 호

이 상 배

주 민 경

강 현 석

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산업기술개발사업 보고서 초록

관리번호 A00-A04-3301-01

과 제 명 자동차 조향장치용 급 개발300W SRM

키 워 드 전동식 조향장치 드라이브/ / SRM/ /

개발목표 및 내용

최종목표1.

차년도 개발품의 모터 및 구동 드라이브를 실차의 운전특성을 고려한 유1 SR

한요소해석으로 최적의 설계하여 설계 도면에 준하여 샘플을 제작하여 다SRM

이나모를 이용한 기본 성능 시험과 구동제어 시험을 시행하며 실차 적용을 위,

한 시작품 제작 및 전동식 지게차의 에 결합 시험POWER STEERING MODULE

과 성능평가를 한다.

개발내용 및 결과2.

차년도의 조향장치용 의 개발은 유형 분류를 기초로 토크 리플 저감1 SRM SRM

을 설계의 목적으로 해석의 수를 줄이는 설계법을 사용한 유한 요소해석을 기

반으로 스위칭 조건을 고려하여 설계하였습니다 이러한 설계를 기반으로 차. 2

년도 개발은 실차적용 모델선정 및 실차적용관련기술을 습득하여 설SRM SRM

계 이론에 의해 자계해석 및 과도 동특성 해석을 통한 에 의한 세부설계를/ FEM

완료하여 재료 및 가공기술의 조사 분석한 자료를 기반으로 모터를 제작SRM

하였다.

제어방식연구와 을 통한 구동회로 설계와 스위칭 방식의SRM Simulation IGBT

연구에 의한 드라이브를 제작하여 단독특성시험을 시행하여 조향장치SRM SRM

에 적용하여 시험 및 평가를 시행하였다.

제조된 은 전류제어 방식이며 을 특성을 나타낸SRM , 48V, 2900 RPM, 1N-m

다 그러나 실제 조향장치에 장착하여 가동을 한 경우 핸들에 이. Torque Ripple

전해지는 정도가 현재의 에 비해 차이가 심하여 추후 실차정용시의DC Motor

에 관한 추가적이 개선 개발이 요구된다Torque Ripple .

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기대효과 기술적 및 경제적 효과3. ( )

기술적 파급 효과1)

전동식 조향장치의 파워스티어링의 독자설계의 기반기술을 축적하며 고효율,

고성능을 요구하는 자동차 부품의 성격상 자동차 개발은 국내의 설SRM SRM

계 평가기술 및 제조기술의 개발이 가능하게 한다.ㆍ

경제적 파급 효과2)

유압식 조향장치에 비하여 가격이 브러시형 모터를 대체할 가능성이 높은DC

이 개발되면 전동식 조향장치의 생산원가가 절감 되고 에 의한 전동SRM , , SRM

식 조향장치를 이용할 경우 유압식 조향장치에 비하여 연료를 절감 할 수 있으

며 중량절감에 의한 연비가 높아 지므로 에너지 절약 및 기술력의 우위를 확보

하여 자동차의 가격 경쟁력을 높일 수 있다.

적용분야4.

현재 소량 경량 위주로 이 적COLUMN DRIVE ELECTRIC POWER STEERING

용되고 있으며 의 의 일부에, HONDA S2000, FORD RV GALAXY EPS System

이 적용 되고 있으며 미국의 등 유수의 업체들도 개발, Delphi, TRW Steering

을 진행하여 향후 전 세계적으로 에너지절약 환경보호 및 향후 무인자동차 시;

대를 대비한 지능형 조향장치 시스템 구축의 일환으로 개발이 추진되고EPS

있다.

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목 차

제 장 서론1

제 절 연구 동향1

제 절 차년도 연구내용2 1

제 장 기술개발 내용 및 방법2

제 절 기술개발 내용 및 제작1 SRM

제 절 기술개발 내용 및 제작2 DRIVE

제 장 결과3

제 절 결과1 SRM MOTOR TEST

제 절 실차 적용 결과2 SRM

부 록

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제 장 서론1

자동차 기술이 발전하고 자동차의 환경 및 안전규제가 강화됨에 따라 동력장치를

기계적인 장치에서 전동기와 제어장치를 사용한 전기 전자 장치로 대체되어가고 있/

으며 현재 유압을 사용하고 있는 파워스티어링 조향 장치 이하 조향장치로 칭함( : )

도 전체 시스템과 부품 수가 줄어들어 차량제작의 공정이 단순화되어 그에 따른 차

량제작 비용을 줄일 수 있으며 엔진 실내의 자유도를 키울 수 있고 신차 개발시 개

발기간 단축할 수 있을 뿐만 아니라 연비 향상 및 안전성과 주행성의 성능을 달성

할 수 있는 장점으로 인하여 전동식 조향 장치로 대체하기 위한 연구가 이루어지고

있다.

따라서 자동차 선진국인 미국 일본 등에서는 이와 관련된 기술개발이 활발히 이루

어져 미국 등 선진국에서 생산되고 있는 일부 차종에 전동식 조향장치가 적용되고

있으며 앞으로 적용 차종이 확대되어 년대에는 대부분의 차종에 전동식 조향2010

장치가 적용될 것으로 판단되어 우리나라도 자동차 수출 및 자동차 부품의 경쟁력

을 확보하기 위해서는 전동식 조향장치의 개발이 시급한 실정이다 특히 기존의 전.

동식 조향장치의 동력원인 직류전동기에 비하여 동일 이상의 성능을 가지고 생산

단가면에서 유리한 모터를 개발하여 기존의 직류전동기를 대체할 경우 산업에 미치

는 기술적 경제적 파급효과가 클 것으로 판단된다 이와 같은 동력용의 직류전동기, .

를 대체할 수 있는 모터로는 직류전원으로 운전 가능한 브러시레스모터와 이SRM

유망할 것으로 판단된다 이러한 종류의 모터중 은 계자 영구자석 또는 전자. 2 SRM (

석 가 필요하지 않아 모터의 구조가 간단하고 영구자석 및 브러시구조를 가지고 있)

지 않으므로 모터의 신뢰성 및 유지 보수면 에서 우수한 특성을 갖는다 또한 기존.

의 소형정밀 모터에 비하여 고효율 고성능으로 우수하고 회전자 구조가 간단하여

제조 공정이 쉽고 단가가 낮으며 관성이 작고 기동토크가 크며 다른 모터에 비, , , ,

해 속도 토크 특성을 쉽게 구현할 수 있는 많은 장점을 가진다 을 조향장치용- . SRM

으로 사용할 경우 현재 주로 사용되고 있는 직류 모터에 비하여 성능 및 기격 면에

서 경쟁력을 확보할 수 있으므로 이와 관련된 기술의 개발은 자동차 부품산업에 미

치는 영향이 상당히 클 것으로 사료되며 따라서 조향장치용 의 개발은 이러한SRM

산업경제의 발전을 위해 필수적 연구라고 할 수 있을 것이다.

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제 절 국내 외 연구 동향1 ㆍ

전동식 조향장치는 일본의 에서 경차용의 브러시형 전동기를 판매NSK, Koyo PMDC

하였으나 중대형 차량의 적용이 어려운 상태였다 또한 년부터 영국 에. 1998 Lucas

서 중형차에 적용이 가능한 전동식 조향장치가 개발하였다Column type . Column

조향장치는 운전실내에 장착되어 환경측면에서 유리하기 때문에 유압식 조향type

장치에 비해 가격 면에서 경쟁력이 있었으나 조향감면에서는 아직도 개선해야 할

점이 많다 이외 비하여 중대형 차량에는 전동식 조향장치가 쓰이고 있. Rack type

으며 가 년대 말 처음으로 상용화하였으나 유압식 조향장치에 비해Honda NSX 80

가격적인 면에서 불리하여 고급차종인 에만 적용시키고 있으며 년에 처음NSX 1998

으로 일반 보급형 중대형 차량인 에 적용하였다Honda Accord .

용 전동식 조향장치는 브러시형 모터를 사용하고 있으나 브러시 및Honda PMDC

자석의 구조로 인하여 충격에 약하고 엔진실에 장착되는 의 경우 열에Rack type

약한 취약한 단점을 가지고 있다 따라서 열 및 충격에 강한 대체 전동기의 개발이.

필요하며 이와 같은 요구에 부합하는 전동기로써 스위치드 릴럭턴스 전동기

이하 으로 칭함 가 가장 가능성이 높은(Switched Reluctance Motor : SRM SRM )

것으로 판단되어 상용화 연구가 활발히 진행되었다 자동차 파워스티어링용으로.

적용은 가 처음이며 중대형 차량용 은 아직 양산되지 않SRM TRW Rack Drive Type

고 있다 조향장치의 최대 생산업체인 사도 를 양산. Delphi column type "E-steer"

준비중이며 향후에는 기존 유압식 조향장치를 대체하리라 예상된다.

반면 국내에서는 이 갖는 여러 가지 장점에 주목하여 기업 및 대학을 중심으로SRM

연구가 이루어지고 있고 주로 관심을 갖고 있는 응용분야로는 냉장고 세탁기 등의,

가전제품에의 응용에 주목하여 연구를 진행되고 있으나 저전압으로 구동되는 자동

차 부품용의 소형 에 대한 연구는 극히 미약한 실정이다 따라서 자동차부품용SRM .

과 관련된 기술을 단시간 내에 선진국 수준의 기술력을 확보하고 상품화하여SRM

국제적인 경쟁력을 확보하여야 하는 현실이다.

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제 절 차년도 연구내용2 1

제작1. SRM

표 의 설계사양으로 을 제작하였습니다1.1 SRM .

항 목 값 단위 항 목 값 단위

정격 출력 400 W 정격 전압 42 V

동작 속도 500 rpm 평균 토오크 8 N-m

정격 전류 20 A 상 수 3 Phase

고정자 극수 6 Poles 회전자극수 4 Poles

회전자지름 39.4 mm 고정자 지름 100 mm

적 층 폭 120 mm 공극 길이 0.2 mm

토오크 리플 12 % Size 100x120φ

표 조향장치용 설계사양1.1 SRM

설계 및 제작2. SRM Drive

각종 코어의 성능을 비교 검토하여 신외성면애서 우수한 코어와 전력DSP TI DSP

변환 장치의 제어신호인 발생회로를 내장하여 와 속도 검출회PWM A/D Converter

로 회로 회로 등 자동차 견인용 모터 구동에 적합하도록 여, Timer, Protection , I/O

러 기능으로 구성되어 있는 으로 선정하였으며 입력 전류 에TMS320F240 100[A]

출력비가 되도록 전류 검출부 이용한 속도 검출 회로 출력사10[V] , M/T Method ,

양이 급인 방식의 구동회로와 마이크로 프로세서 전원용 의25W RCC SMPS. IGBT

전압 정격은 최대 입력 전압과 전압 변동률 시 발생하는DC Link , IGBT Turn off

그리고 으로 를 차단하기까지 걸리는 회로 지연요소를 감안하Spike, 0 V Trip Gate

여 선정한 용 설계를 완료하여SRM Chopper SRM Drive(Main, SMPS, Chopper,

의 제작을 완료하였습니다Case) .

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차년도 실험 결과3. 1

차년도에서 제작된 모터의 특성은 전압 에 전류 가 흐르며 이때 전1 SR 40[V] 20[A]

류제어를 수행하지 않아 상전류가 약간은 불평형 현상이 나타남을 확인할 수 있었

다 또한 의 각이 의 토오크 특성 특히 토오크 리플에 영향을 미. Turn-on, off SRM ,

침을 알 수 있었으며 의 경우 전류제어에 의해 상의 전류는 평형을 유지하, SRM 3

며 평활한 흐름을 알 수 있었다 또한 전류 에 토오크는 정도 발생. 20[A] 8.0[Nm]

하며 토오크 리플도 로 설계 목표치에 근접한 결과를 얻었다, 15[%] .

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제 장 기술개발 내용 및 방법2

제 절 기술개발 내용 및 제작1 SRM

연구내용 기초설계 및 세부설계1. SRM ( )

가 기초설계 이론. SRM

가하학적 설계 변수의 변화에 따른 토오크 특성(1)

본 연구에서는 토오크 특성에 따라 을 가지 으로 분류하였다 기존SRM 4 Type . SRM

연구에서는 의 분류 없이 한 가지 모델로 간주하고 특성 분석 및 설계 제어에Type ,

적용하였으나 이것은 구동 성능 저하의 결괴를 유발 할 수 있다 이 절에서는SRM .

왜 을 각 별로 분류하고 설계나 제어에 응용하여야 하는지에 대해서 기SRM Type

술한다.

스위치드 릴럭턴스 전동기는 설계 시 많은 자속 량이 회전자 코어를 통해 흐르도록

하여 최대 인덕턴스 값을 크게 하면서 슬롯의 점적율을 높이기 위해서는, βr 이 βs

보다 크게 설계하는 것이 유리하다 따라서 그림 는. 1, 2, 3, 4 βr이 βs보다 클 경우

만을 고려하여 기하학적인 설계변수, βs와 βr의 조합에 따라 가능한 네 가지 형태

의 인덕턴스 프로파일 및 토오크 리플을 줄이기 위한 스위칭 조건을 명시하(Type)

였고 각 별에 대해 각각의 토오크 특성을 다음과 같이 설명한다, Type .

가( ) Type (Ⅰ βs≤ βr 30°)≤

은 그림 에 나타낸 것과 같이Type 2.1Ⅰ βs와, βr이 보다 작을 경우이다30° . Type

의 경우는 각 상의 상승 인덕턴스 구간이 연속적으로 연결되지 않기에 만약 시Ⅰ

정수를 무시하고 이상적으로 전류를 흘려도 토오크 딥이 발생하여 토오크 리플을

줄일 수 없다 그러나 와 같이 고정자와 회전자 극 호. Type , Type , TypeⅡ Ⅲ Ⅳ

가 이상30° ( βs와 βr 이 되면 한 상의 상승 인덕턴스 구간이 끝나는 위치에서30°) ,≥

다른 상의 상승 인덕턴스기 시작하거나 중첩이 되므로 스위칭 조건에 따라 토오크

리플을 줄일 수 있다.

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그림 2.1 Type (Ⅰ βs ≤ βr 의 토오크 특성30° )≤

나( ) Type (Ⅱ βs= 30°, βr> 30°)

는 그림 과 같이Type 2.2Ⅱ βs 인 경우로= 30°, r> 30°β βs가 이므로 상승 인덕30°

턴스 구간은 가 되고 최대 인덕턴스 구간은30° ( βr - βs 만큼 최소 인덕턴스 구) ,

간은 ( 60° - βr 만큼 발생한다) .

경우의 스위칭 조건을 살펴보면 최소 인덕턴스 평활 구간Type , ( LⅡ min : 60° - β

r 은 상승 인덕턴스가 구간에서 평활한 전류가 흐르도록 전류를 확립하는데 필요한)

구간이며 최대 인덕턴스 평활 구간( Lmax : βr- βs 은 전류를 소호 시키는데 필요한)

구간이다 따라서 최소 인덕턴스 평활 구간. , ( Lmin : 60° - βr 과 최대 인덕턴스 평)

활 구간( Lmax : βr - βs 은 토오크를 발생시키지 못하는 구간이므로 그림 과 같이) 2

인덕턴스가 증가하는 구간 에서만 평활한 전류가 흐르면 리플이 작은 토오크가(30°)

발생될 수 있다.

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그림 2.2 Type (Ⅱ βs = 30°, βr 의 토오크 특성> 30°)

다( ) Type (Ⅲ βs = βr> 30° )

는 그림 과 같이Type III 2.3 βs와 βr의 각도가 같기 때문에 최대 인덕턴스 구간이

존재하지 않고, βs와 βr의 각도가 보다 크기 때문에 두상의 상승 인덕턴스 프로30°

파일이 ( βr 구간만큼 중복되어 나타난다 최소 인덕턴스 구간은- 30°) . ( 90° - 2

ㆍ βr 만큼 발생하므로) βr이 보다 크면 최소 인덕턴스 구간이 나타나지 않으므45°

로 은 보다 작아야한다r 45° .β

의 스위칭 조건은 전류를 확립하기 위한 최소 인덕턴스 평활 구간Type ( LⅢ min

90° - 2ㆍβr 이 불필요하며 상승 인덕턴스 구간 에서 전류를 확립하여 평활) , ( 30°)

전류가 흐르도록 하기 때문에 최소 인덕턴스 평활 구간(Lmin 이 인) 0° βs, βr이 일45°

때가 가장 우수한 특성을 나타낼 것으로 예상된다 또 두상의 상승 인덕턴스 프로. ,

파일이 겹치는 구간 ( βr 에서 한 상의 전류를 소호 시킬 때 다른 한 상의 전- 30°)

류를 동시에 상승시키면 리플이 작은 토오크를 발생시킬 수 있으므로 토오크 분담

함수에 의한 토오크 제어 방법이 용이한 이다Type .

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그림 2.3 Type (Ⅲ βs= βr 의 토오크 특성> 30°)

라( ) Type ( 30° <Ⅳ βs < βr (90° -≤ βs))

는 그림 와 같이Type 2.4Ⅳ βs와 βr의 각도가 보다 크면서30° βr의 각도가 βs 보다 크

기 때문에 두상의 상승 인덕턴스 프로파일이 ( βs 구간만큼 중복되어 나타나- 30°)

고 최소 인덕턴스 구간은, (90° - βr - βs 만큼 최대 인덕턴스 구간은) , (βr - βs 만큼)

발생한다.

의 스위칭 조건은 인덕턴스가 상승하는 구간 에서 전류의 확립을 이루어Type (30°)Ⅳ

평활한 전류가 흐르도록 하고 두 상의 상승 인덕턴스 프로파일이 겹치는 구간, (βs -

에서 한 상의 전류를 소호 시킬 때 다른 한 상의 전류를 상승시키면 토오크 리플30°)

을 감소시킬 수 있다 따라서 은 최소 인덕턴스 평활 구간. Type ( LⅣ min :90° - βr- βs

과 최대 인덕턴스 평활 구간) ( Lmin: βr- βs 이 나타나지만 토오크 리플을 줄이기 위한)

스위칭 조건에서 이 구간은 불필요하므로 전반적으로 특성이 나쁘게 발생할 것으로

예상된다.

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그림 2.4 Type IV( 30° < βs < βr (90° -≤ βs 의 토오크 특성) )

설계 가능 범위(2)

전동기의 설계 과정에 대해서는 장하 분배법 출력 계수법등 여러 방법이 알려져,

왔다 그러나 이 방법들은 수많은 시작품의 제작 실험 및 해석에 의해 축적된 자료. ,

와 경험적인 지식을 기반으로 한 설계 계수들 예로 장하와 전하의 비나 슬롯 폭과,

치 폭의 비등의 설계계수들에 의존하고 있으며 이 설계 계수들은 전동기의 종류와,

용량 응용대상에 따라 그 값들이 다르다, .

유한요소법 등의 수치 해석방법은 턴수 기자력 기본 치수 등과 같은 기초설계가, ,

이루어진 후 세부적인 설계에 유용하게 이용할 수 있다 그러나 유한요소법 등의.

수치 해석에 의한 설계는 연산 시간이 길기 때문에 설계 결과를 도출하는 데 많은

시간을 필요로 한다 특히 은 설계 데이터가 부족하고 스위칭 조건을 고려하. SRM

면 해석해야 할 경우의 수는 기하급수적으로 늘어난다, .

따라서 본 연구에서는 절의 유형 분류를 기초로 토크 리플 저감 설계를 목3.2 SRM

적으로 해석의 수를 줄이는 설계법을 제시하였다 그림 는 유한요소 해석 기반. 2.5

의 스위칭 조건을 고려한 의 설계과정을 나타낸 것이다SRM .

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그림 설계 과정2.5 SRM

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가 턴수 상저항 권선 선경 및 의 산정( ) , , dL/ dθ

본 연구에서 제시한 설계방법을 검토하기 위해서 한 설계 사례로 본 연구에서는 자

동차 윈도우 레귤레이터 구동용 의 설계에 제안한 설계 방법을 적용하고자 한SRM

다 따라서 그림 의 전압 속도 출력 토오크와 기본 외형 치수는 자동차 윈도우. 5 , ,

레귤레이터용 모터의 외형치수와 기본 사양으로 결정하였으며 그 사양에 대해서는

표 에 나타내었다1 . βs, βr의 초기치는 로 하였으며30° βs가 변할 때의 턴 수 상,

저항 권선 선경 및 은 같은 전류가 흐르도록 즉 동일 입력 전력이 되도록, dL/ dθ

산정 하였다. βs,, βr 값에 의해 을 결정하고 다음 단계는 주어진Type , βs에 대한 βr

의 최대치 βmax을 계산한다 각 별. Type βmax은 다음과 같이 주어진다.

만약 βr이 βmax 을 넘으면 특성 해석을 수행하지 않고, βs를 증가 시켜 턴 수 등을

산정하는 초기 단계로 되돌아간다.

나( ) 𝞡min, 𝞡max, 𝞡rising, 𝞡falling의 계산

각 별Type 𝞡min과 𝞡max을 정리하면 다음과 같다,

𝛳rising과 𝞡falling의 계산은 βmax 의 계산과 마찬가지로 𝛳rising과 𝞡falling의 값이 각각

𝞡min과 𝞡max 의 값보다 크면 특성 해석을 수행하지 않는다.

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다 설계 가능 범위( )

설계 가능 범위에 속하는 모델은 다시 𝞡on, 𝞡off를 계산하고 특성 해석을 수행한

다 결국 주어진. βs와 βr에 해당하는 전기적 설계 변수 𝞡on, 𝞡off를 계산함으로서

구동 특성이 고려된 해석을 기반으로 하는 의 특성 평가가 가능하게 되었다SRM .

𝞡on, 𝞡off의 값을 계산 할 수 있다.

표 각 속도 별 에서 설계 제한범위2.1

속도a) 300(rpm) 속도b) 500(rpm)

속도c) 1000(rpm) 속도d) 2000(rpm)

턴 수 상 저항 권선 선경 및 의 산정(3) , , dL/ d𝞡

βs 변화에 따라 유효 슬롯 면적이 변하므로 턴 수 코일 선경 상 저항이 변한다, , .

따라서 최적의 고정자의 극 호를 설계하려면 적절한 방법에 의해 턴 수 코일 선경, ,

과 상 저항을 산정 하여야 한다 본 논문에서는 고정자 극 호 변화에 따른 토크 특.

성 분석을 위해 위의 세 가지 설계 변수를 동일 입력 전력 조건이 되도록 결정하였

다 식 은 의 전압 방정식을 나타내며 이 식을 이용하여 동일 입력전력 조. (3) SRM

건을 설정하였다.

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식 에서 는 입력 전류가 일정하다고 할 경우 영 이 되며 입력 전압은(3) di/ dt ( ) ,零

직류 이다12[V] . βs가 넓어지면 유효 슬롯면적이 줄어들어 턴 수가 감소하여 인덕

턴스가 작아지고 또한 상 저항도 줄어 입력전류가 변하게 된다 따라서 턴 수 코, . ,

일 선경 상 저항을 조정하여 가 일정하도록 하였으며 실험과 제작에 의해 얻은, V/i

실제 초기 모델을 기준으로 삼아 설계 변수 값을 구하였다 이때 초기 모델의 사양.

은 (βs = r = 30°, dL/ d = 35.15 x 10β 𝞡 -3 코일 선경 턴수, = 0.75 [mm], =

상 저항 점적율 과 같다 초기 모델로부터 새로운 설계 모80, = 1.0[ ], = 12[%] .Ω

델의 코일 선경은 식 와 같이 구할 수 있다(4) .

여기서 는 코일선경 는 점적율, , sf (Space factor), S𝞇 new는 새로운 모델의 슬롯면

적 는 턴 수이다 상 저항은 식 를 이용하여 구하였다, N . (5) .

여기서 는 상 저항, R , I new는 새로운 모델의 한 턴의 권선 길이, I ref는 초기 모델

의 한 턴의 권선 길이 은 기준 모델의 턴 수 는 기준 모델의 권선 선경, 80 , 0.75 , N

은 새로운 모델의 턴수이다 회전자의 위치에 따른 인덕턴스의 변화는 식 과 같. (6)

이 나타낼 수 있다.

여기서, 35.15×10-3는 기준 모델의 은 기준모델의 턴 수 은 새로운dL/ d , 80 , Nθ

모델의 턴 수이다.

그림 의 설계 변수 결정을 위한 흐름도를 나타내며 고정자 극 호 각 속도 새2.6 , , ,

로운 모델의 초기 턴 수를 입력하여 코일 선경과 저항 턴 수를 계산하고 값이, V/i

오차범위 이내로 수렴하도록 반복에 의해 각 설계 변수들을 결정하였다0.01[%] .

그림 은 고정자 극 호의 변화에 따른 세 가지설계 변수의 값을 나타내고 있다2.7 .

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그림 설계 변수 결정을 위한 흐름도2.6

그림 고정자 극호 변화에 따른 설계 변수2.7

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(4) 𝞡on과 𝞡off 의 계산

최적의 𝞡on과 𝞡off은 독립적인 설계 변수가 아니라 극 호 βs와 βr에 따라 변하는

변수이므로 극 호 βs와 βr에 따른 각각의 𝞡on과 𝞡off를 제시하여야한다 따라서 본.

논문에서는 상승 인덕턴스 구간에서 일정 평활 전류가 흐르도록 하강 인덕턴스 구,

간에서는 전류가 이 되도록0 𝞡on과 𝞡off를 결정하였다.

유형 의 경우 기하학적 구조상 시정수를 무시한 이상적인 전류를 흘려도 토크,Ⅰ

딥이 발생하여 토크 리플을 줄일 수 없으므로 논 논문에서는 유형 유형 과,Ⅱ Ⅲ

유형 만을 고려하였다.Ⅳ

가( ) Type Ⅱ

유형 의 경우,Ⅱ 𝞡on의 조건은 그림 의1 𝞡c부터 일정한 평활 전류가 흐른다고 가

정하면 이때 전류는 식 의 전압방정식으로부터 가 이 되므로 식 과 같(3) di/ dt 0 (7)

다.

유형 는 전류를 확립하는 구간이 그림 과 같이 최소 인덕턴스 구간에서 이루어1Ⅱ

지고 최소 인덕턴스 구간에서는 인덕턴스 변화분, ( 이 이므로 전압방정식은) 0

식 과 같이 나타낼 수 있다(8) .

여기서, Lmin 는 최소 인덕턴스 은 상 저항 는 각 속도 는 회전자 위치를 나, R , ,ω 𝞡

타낸다.

식 로 부터(8) 𝞡c위치에서의 전류 값을 구하면 식 가 된다(9) .

여기서 시정수는, 이고, ts는 𝞡on에서 𝞡c까지 진행되는데 걸리는 시간이

다.

- 21 -

상승 인덕턴스가 시작하는 위치(𝞡c 에서 식 의 전류와 식 의 전류 값은 같으) (7) (9)

므로 다음과 같은 등식이 성립한다.

식 로 부터(10) 𝞡on각의 위치에서 𝞡c각의 위치까지의 시간(tS 는 아래 식과 같이)

다시 쓸 수 있다.

식 로부터 절에서 기술한 유형 에서의(11) 3.3.3 Ⅱ 𝞡rising은 주어진 각 속도 에 대w

해 식 과 같이 계산된다(12) .

따라서 유형 에서의Ⅱ 𝞡on는 식 과 같이 나타낼 수 있다(13) .

유형 의 턴 오프 각(Ⅱ 𝞡off 은 그림 에서 보여진 것과 같이 최대 인덕턴스가 시작) 1

하는 위치가 된다 그리고. 𝞡off에서 평활 전류가 이 되는0 𝞡2까지의 𝞡falling을 다음

과 같이 나타내었다 유형 는 전류를 으로 소호 시키는 구간이 그림 과 같이. 0 1Ⅱ

최대 인덕턴스 구간이므로 최소 인덕턴스와 마찬가지로 이 이 되고 이때 권선0 ,

에 인가되는 전압은 절에 설명한 바와 같이 양쪽 스위치를 오프하면 역 전압이3.4

인가되므로 전압방정식은 아래 식과 같이 표현할 수 있다.

- 22 -

여기서, L max 는 최대 인덕턴스를 나타낸다.

식 의 미분방정식을 에 대해 풀면 식 와 같다(14) i (t) , (15) .

소호를 시작할 때 즉 가 일 때의 전류는 식 의 평활 전류와 같으므로 식, t 0 (7) (15)

의 초기 전류와 식 로부터 적분상수 를 구할 수 있다(7) C .

따라서 적분 상수 를 식 에 대입하면 전류가 이 되므로 시간 는 식C (3.15) 0 tz (18)

과 같다.

따라서 유형 의Ⅱ 𝞡falling은 식 와 같이 주어진다(19) .

- 23 -

나 유형 과 유형 의 경우( ) Ⅲ Ⅳ

그림 의 유형 과 유형 의 경우는 두상의 상승 인덕턴스 구간이 각각2, 3 Ⅲ Ⅳ βr

과-30° βs 에서 중복되게 된다 토크 리플을 줄이기 위해 한 상의 전류는 이 중-30° .

복 구간의 시작위치에서 평활 전류까지 상승시켜야 되고 다른 한 상의 전류는 이

중복 구간에서 동시에 평활 전류가 영이 되어야 한다 따라서 유형 과 유형 의. , Ⅲ Ⅳ

𝞡on은 그림 와 에서 보여진 것과 같이 상승 인덕턴스가 시작하는 위치가 되고2 3

𝞡off은 두상의 상승 인덕턴스 구간이 중첩되기 시작하는 위치가 된다 그리고.

𝞡rising과 𝞡faIling을 계산하는데 적용되는 전압방정식은 속도 기전력 항이 포함된 식

의 식을 사용한다(20) .

여기서, Linc은 전류 상승 또는 하강 구간에서의 인덕턴스의 평균값을 나타낸다 식.

로부터(20) 𝞡c위치에서의 전류 값을 구하면 식 과 같다(21) .

여기서 시정수는, 이고 는, ts 𝞡on에서 𝞡c까지 진행되는데 소요되

는 시간이다.

𝞡c에서 평활 전류 식 의 전류와 식 의 전류 값의 약 와 같아지도록(7) (21) 95[%]

다음과 같은 등식으로 나타내었다.

식 로부터(22) 𝞡on각의 위치에서 𝞡c각의 위치까지의 시간(ts 는 아래 식과 같이 다)

시 쓸 수 있다.

- 24 -

식 로부터 절에서 기술한 유형 과 유형 에서의(23) 3.3.2 Ⅲ Ⅳ 𝞡rising은 주어진 각 속

도 에 대해 식 와 같이 계산된다w (24) .

유형 과 유형 에서의Ⅲ Ⅳ 𝞡faIling은 다음의 하강 인덕턴스 구간에서의 전압 방정식

으로부터 구할 수 있다.

식 의 미분방정식을 풀면 는 식 과 같다(25) , i(t) (26) .

식 의 일 때의 전류는 식 의 평활 전류와 같으므로 식 과 같이 쓸 수(26) t=0 (7) (27)

있고 식 로 부터 적분 상수 를 식 로 구할 수 있다, (27) C (28) .

적분 상수 를 식 에 대입하면 전류가 이 되는 시간 는 식 과 같다C (26) 0 tz (30) .

- 25 -

따라서 유형 과 유형 의Ⅲ Ⅳ 𝞡falling은 식 과 같다(31) .

유형 의 경우 토크 리플을 줄이기 위한 스위칭 조건에서 볼 때Ⅳ βr - βs 구간을

효율적으로 이용하지 못하므로 유형 보다 토크 밀도 면에서 불리하다 전기적인.Ⅲ

변수인 스위칭 각의 값은 유한요소 해석과정에서 약간의 오차가 발생하는 값은 보

상을 하여 재해석을 하였으며 이 스위칭 각에 의해 전류는 토크 리플을 최소화하,

도록 에 인가되었다SRM .

표 과 은 에서 각 고정자와 회전자의 극호에 대해 위 유도 식을 이용2.2 2.3 500rpm

하여 구한 𝞡rising과 𝞡falling의 값을 나타낸다.

표 에서2.2 500rpm βs , βr에 따른 𝞡falling

- 26 -

표 에서2.3 500rpm βs , βr에 따른 𝞡falling

나 세부설계 이론 유한요소법. SRM ( )

지배방정식 유도(1)

차원 유한 요소해석을 위해 다음과 같이 가정한다2 .

전류성분은 방향 성분만 존재하고 벡터포텐셜도 축 방향 성분인 만 존재한- Z , Az

다.

전류밀도는 도체 내에서 일정하다- .

철심은 등방성이다- .

히스테리시스 손실과 와전류 손실은 무시한다- .

변위 전류를 무시한 준 정상상태의 경우 방정식과 보조 방정식은 다음과, Maxwell

같이 주어질 수 있다.

여기서, 는 자계의 세기(A/m), 는 입력전류 밀도(A/m2),

는 자속밀도(Wb/m2), 는 벡터포텐셜을 나타낸다.

- 27 -

식 에 식 과 식 를 대입하여 다시 쓰면 식 과 같다(32) (34) (35) (36) .

위 식에 조건Coulomb Gauge ( 을 적용하여 다음과 같은 차원의 지) , 2

배방정식을 얻을 수 있다.

지배방정식 정식화(2)

해석영역을 삼각형요소로 분할하고 차 보간 함수1 Nie을 이용하여 근사화 시키면

벡터포텐셜 는 식 과 같이 근사화된다A (38) .

식 에서 요소형상함수는 차원 평면에서 다음과 같이 좌표의 함수로 표현된다(38) 2 .

식 에서 각 항은 계수는(39) bie = XjeYke - XkeYje , Cie = Yje - Yke , die = Xke -

Xje 이고 는 순환수를 나타낸다 따라서 벡터포텐셜의 근사치, i,j,k . Ae에 의한 잔차

Re는 식 과 같이 된다(40) .

한 요소 내에서의 잔차 Re를 최소로 하는 Ae를 구하기 위해서 요소 잔차에 가중함

수를 곱하여 전체 요소에 대해 적분한 값을 영이 되게 하는 가중 잔차법의 하나인

법을 사용하면 영역 잔차Galerkin lje는 식 과 같다(41) .

- 28 -

가중함수 를 형상함수인 Nje로 부여하면 식 와 같다, (42) .

여기서 이다, (j=1,2,3) .

식 에서 입력전류 밀도인(42) Jo는 식 과 같다(43) .

여기서 은 권선의 직렬 턴 수 는 권선 면적을 나타낸다, N , S .

식 을 식 에 대입하고 행렬로 나타내면 식 와 같이 나타낼 수 있다(43) ( 43) , (44) .

여기서 각각의 행렬 항은 식 와 식 으로 주어진다, (45) (46) .

여기서 은 요소면적이다.

- 29 -

회로방정식의 결합(3)

해석대상이 전압에 의해 구동되는 경우 식 에서 전류 항은 미지수가 된다 따라(44) .

서 식 의 연립 방정식에서 미지수의 개수가 방정식의 수보다 많으므로 해를 독(44)

립적으로 구할 수가 없다 그러므로 외부회로에 의한 전압방정식이 필요하게 된다. .

의 제 법칙을 이용하여 권선의 한 상에 대한 전압방정식은 다음과 같다Kirchhoff 2 .

여기서 유한요소 해석영역의 내부저항과 외부저항의 합성저항, R :

Ll : 권선에서 코일단부의 누설인덕턴스

권선에 유기된 역기전력E :

식 에서 역기전력은 식 과 같다(47) (48) .

여기서 는 방향의 적층폭을 나타내며h z , A+, A-는 동일한 권선이 감겨 있는 슬롯에

서 방향이 서로 반대인 자기벡터포텐셜 값의 평균치로 다음과 같다.

식 은 해석영역 내부의 턴의 권선에 대한 역기전력으로 일부만을 해석하는 경(48) N ,

우에는 전동기 한 상의 직렬 턴 수와 해석영역 내부의 턴 수와의 비를 곱해 주어야

한다.

식 식 로부터 전압 방정식은 식 과 같이 정리할 수 있다(48), (49) (50) .

- 30 -

여기서 이다.

식 의 시스템 행렬과 식 의 전압방정식 행렬을 결합 및 정리하면 식 와(44) (50) (51)

같다.

위 식 의 시간 미분항을 처리하기 위하여 후퇴 차분법을 적용하면 자기 벡터(41)

포텐셜과 전류의 시간차분은 다음 식 과 로 된다(51) (52) .

식 와 을 에 대입하면 식 의 연립방정식을 구할 수 있다(52) (53) (51) , (54) .

다 의 평균토크 토크 리플 역률 효율 계산. SRM , , ,

의 한 주기동안 평균 토크는 식 을 이용하여 계산한다SRM (55) .

여기서 는 순시 토크를 나타낸다T(t) .

- 31 -

의 토크 리플을 계산하기 위해서 식 을 이용하였다SRM (56) .

여기서 Trip은 토크 리플, T max 는 최대 토크, T min는 최소 토크Tave평균 토크를 나

타낸다.

의 역률과 효율을 두 가지 방법으로 구하였다 첫 번째 방법은 그림 의 컨SRM . 2.8

버터의 링크단 전압 와 전류 에 의해서 구하는 방법이고 두 번째 방법DC VDC IDC ,

은 그림 의 한 상의 권선에 인가된 전압 과 권선에 흐르는 전류 에2.8 Vphase Iphase

의해 구하는 방법이다 본 논문에서는 첫 번째 방법에 의한 역률과 효율을 외부 역.

률 외부 효율이라 정의하고 두 번째 방법으로 구한 역률과 효율을 내부 역률 내, , ,

부 효율이라 정의하였다.

링크단 전압의 실효치DC Vex과 전류의 실효치 lex' 는 각각 식 과 같다(57), (58) .

또한 외부 평균 전력 Pex는

그림 컨버터2.8 SRM

- 32 -

여기서 는 한 주기의 적분구간을 나타내고 외 는 컨버터 링크단 전압T VDC IDC DC

과 전류를 나타낸다.

따라서 외부 역률과 외부 효율은 식 과 같이 표현 할 수 있다(60), (61) .

링크단 전압과 전류 대신에 한 상의 전압과 전류로 식 식 식DC (57), (58), (59)

를 대체 하면 상 전압과 전류의 실효치 그리고 평균전력은 식 식 그리, (62), (63)

고 식 와 같이 주어 진다(64) .

따라서 내부 역률과 내부 효율은 식 로 된다(65), (66) .

- 33 -

연구결과2. SRM

가 유한요소 해석결과. SRM

토오크 리플 특성(1)

(a) 300(rpm) (b) 500(rpm)

(c) 1000(rpm) (d) 2000(rpm)

그림 극 호에 따른 토오크 리플 특성2.9

- 34 -

그림 회전자 극 호의 변화에 따른 의 토오크 리플 특성2.10 Type Ⅱ

평균 토오크의 검토(2)

그림 은 여러 속도에서의 두 극 호 조합에 따른 평균 토오크 특성의 해석 결과2.11

를 나타내고 있다 앞서 예상과 같이 회전자 극 호. ( βr 를 넓히는 것이 고정자 극)

호( βs 를 넓히는 것보다 자속량을 크게 할 수 있어 전반적으로 평균 토오크가 증가)

함을 알 수 있다.

Type (Ⅱ βs = 30°, βr 의 경우 가장 높은 평균 토오크가 발생되고 특히 회30°) ,≥

전자 극 호 (βr 를 넓히는 것이 토오크 특성 면에서 유리하다) . Type ( (Ⅲ βs = βr≥

의 경우도 극 호를 증가시키는 것이 평균 토오크가 증가하는 양상을 보여주고30°)

있다 이것은 고정자 극 호. (βs 와 회전자 극 호) (βr 가 증가하면 자속량이 증가하고)

전류의 상승 소호할 수 있는 여유 각이 늘어나므로 전반적으로 토오크가 증가한다, .

또한 평균 토오크는 직류 전동기와 마찬가지로 속도가 낮아질수록 더 높게 나타나

는 것을 알 수 있다 평균 토오크의 특성 분석 결과 전반적으로. , Type (Ⅱ βs =

30°, βr 의 경우가 토오크 리플과 평균 토오크 성능 면에서 우수한 특성을 나30°)≥

타내고 있으며 특히, βs 에 대해= 30° βr이 증기할수록 가장 좋은 특성을 보여 주고

있다.

- 35 -

그림 는 의 경우 각각의 속도에 대해서 회전자 극 호의 변화에 따른2.12 Type Ⅱ

평균 토오크 특성을 보여주고 있다 의 평균 토오크 특성은. Type Ⅱ βr 이 증가하

면 의 면적이 넓어지고 자속이 증가하므로 인해 최대 인덕턴스 크기가 증가하Core ,

므로 평균 토오크가 증가한다 하지만 최소 인덕턴스 구간에서 전류 확립이 제대로.

이루어지지 않으므로 토오크 리플 특성과 마찬가지로 어느 βr 이상에서는 오히려

평균 토오크가 줄어듬을 그림으로부터 알 수 있다.

(a) 300(rpm) (b) 500(rpm)

(c) 1000(rpm) (d) 2000(rpm)

그림 극호에 따른 평균 토오크 특성2.11

- 36 -

그림 회전자 극 호의 변화에 따른 의 평균 토오크 특성2.12 Type Ⅱ

- 37 -

그림 해석모델의 요소분할도2.13

그림 해석모델의 자속분포도2.14

그림 해석모델의 자속밀도 분포도2.15

- 38 -

그림 상 전압특성2.16 (@2900rpm)

그림 상전류 특성2.17 (@2900rpm)

- 39 -

그림 토크 특성2.18 (@2900rpm)

- 40 -

다 제작도면. SRM

주요사양(1)

고정자 설계도면(2)

- 41 -

회전자 설계도면(3)

권선 결선도(4)

- 42 -

의 제작3. SRM

가 스위치드 릴럭턴스 전동기의 설계 결과.

표 은 특성 해석 및 설계에 의해 나온 조향 장치용 의 설계 사양이다2.4 SRM SRM .

표 조향장치용 의 설계 사양2.4 SRM

분 류 항 목 Value

SPEC. Slote/Poles 6/4

정격

입 력 전 압 48 V

정 격 출 력 300 W

정 격 속 도 2900 RPM

정 격 토 크 1.0 Nm/A

특성

토 크 상 수 0.1275 rpm

무 부 하 수 도 3539 RPM

전 류 7.74 A Peak

및 권선Size

Air-gap 0.4 mm

적층길이Stator 80 mm

적층길이Rotor 80 mm

권선 Spec. 0.85-2 parallelφ

- 43 -

나 스위치드 릴럭턴스 전통기의 제작 도면.

그림 의 회전자2.19 SRM

그림 고정자2.20 SRM

- 44 -

그림 2.21 SRM Tail Cover

그림 하우징2.22 SRM

- 45 -

그림 의 전체 조립 단면2.23 SRM

- 46 -

다 스위치드 릴럭턴스 전동기의 제작.

적층(a) SRM Stator Core 적층 및 압입(b) SRM Rotor Core

권선 및 함침(c) SRM Stator (d) SRM Yoke

- 47 -

(e) SRM Tail Cover 하우징(f) SRM

조립 완료된(g) SRM

그림 제작과정2.24 SRM

- 48 -

제 절 개발 내용 및 제작2 SRM DRIVE

드라이버의 설계1. SRM

지게차에 적용될 시스템과 그 주변 시스템의 블록 다이어그램은 다음과 같다EPS .

그림 주변 블록 다이아그맬 지게차 기준2.25 EPS ( )

를 기준으로 보면 의 는 에 직EPS Controller , 48V Main Battery GND EPS controller

접 연결되어 있고 구동을 위한 전원은 를 통해 입력된다 쪽FET + contactor . SMPS

을 위한 전원은 전단에서 분리되어 별도로 쪽에 입력되는데Contactor controller ,

이것은 을 통해 내부 를 구동하게 된다 따라서 에 의해Key-On relay . Key-On EPS

의 쪽이 구동하게 되고 에서 오는controller SMPS , Traction Controller contactor

구동 신호에 의해 기 되면 모터 구동용 전원이 입력된다Contactor On . EPS

는 에 의해 운전 모드에 들어가게 되며 의 입력Controller Key-On , Torque Sensor

에 의해 설정된 전류를 모터에 인가 시킨다 구동상에서 발생한 및. EPS Controller

모터의 이상은 쪽으로 전송하도록 만들어져 있다Display .

- 49 -

전동 지게차에 적용하기 위한 의 은 표 같다EPS Controller Specification 2.25 .

표2.5 EPS Controller Specification.

NO 항목 기호CONNBCTOR

A/D I/O SPEC 비고

1

입력전원

B+

CON1

A I 28V ~ 56V, 30A 현 시스템의 구동범위 기준•에서 의 전류KEY OFF DC C• ˍ

는 1mA2 B- A IGNC, 30A

와 절연 내압 조건 만족Case ,

3

모터 상간 결선

MA

CON2

A O Max, Current : 25A

4 MB A O Max, Current : 25A

5 MC A O Max, Current : 25A

6

토크센서연결

P12

CON3

A O 12±0.2V, 30mA

7 GND A O GND

8 SIG A IMin : 1.13VMax : 10.82VCurrent max: 25mAˍ

10 에러EPSCONTROL-ERR

D O Active Low

11 토크센서 에러SENSOR-ERR

D O Active Low

12 KEY ON K/SW D I 48V input

13 전원CONTROL P48 A I 48V input

14

홀 센서신호연결

HA

CON4

D IOpen-collector output tosink up to 25 mA

15 HB D IOpen-collector output tosink up to 25 mA

16 HC D IOpen-collector output tosink up to 25 mA

17 HP A O 12±0.2V, 50mA

18 HG A O GND

가 설계. Main Board

1. SMPS Part

본 제어기에서 사용하는 전원은 디지털 구동을 위한 구동을 위한5V, CPU 3.3V,

센서 전원 게이트 드라이버 의 총 개의 전원을 이용한다Torque 12V, 15V 4 .

그림 회로2.26 SMPS

- 50 -

가 성능. SMPS

의 성능은 크게 설계된 부하에 대한 전원 리플 온도 상승 효율등으로 나뉜SMPS , ,

다 본 보고서에서는 이 중에서 설계된 의 각 전원들이 어느정도의 전원 리플. SMPS

을 가지는지 또는 부하의 변동에 대해 전원의 변동이 어떻게 변하는지를 정량적으,

로 검증하였다 사용된 장비는 전자 부하를 걸기 위한 의. KAP-JIN KJ-200D

를 이용하였다Electric DC Loader .

다음은 각 에서의 각 전원의 특성 실험 결과이다SMPS .

는 디지털 전원으로서 전원의 리플 및 부하 변동에 대한 전원의 변동 특성이 매5V ,

우 중요하다 설계된 제어기에서는 전원 부하를 이내가 되도록 하였. SRM 5V 0.3A

다 실험 결과에서는 의 전기 부하가 있을 경우에도 이상을 유지하고 있. 0.3A 4.9V

는 것을 알 수 있다 즉 최대 부하 변동에 대해서도 전원 변동은 기준 전압 대비.

이내를 유지하고 있음을 알 수 있다2% .

그림 부하 증가에 따른 전원 변동2.27 5V

는 토크 센서의 전원으로 이용된다 토크 센서의 출력은 조향력을 의미하12V : 12V .

기 때문에 전원의 변동은 조향력에 대한 오차로 나타나게 된다 전동 지게차 기준.

의 토크 센서는 의 가변저항으로 만들어져 있으며 센서 가변 레인지는5k ohm ,

이다 따라서 입력시 최대 전류는 이다 따라서 실험 결과로 볼500~4.5k . 12V 24mA .

때 전원 변동은 거의 없음을 알 수 있다.

- 51 -

그림 부하 증가에 따른 전원 변동2.28 12V

는 인 를 구동하기 위한 전원이다 는15V: 15V MosFET Gate Diver L6385 . L6385 UV

시점이 이다 따라서 는 부하의 변동에 대해 이상을 유지할Turn On 9.6V . 15V 9.6V

수 있어야 한다 실험 결과는 이내의 기준 부하에서 전원이 안정함을 알. 0.2A 15V

수 있다.

그림 부하 증가에 따른 전원 변동2.29 15V

- 52 -

2. I/O Part

그림 부분의 회로 구성2.30 I/O

파트에는 토크센서 입력 엔코터 신호의 입력 및 에서의 신호와I/O , A,B BLDC Hall

일치하는 의 위치 신호가 입력된다 토크 센서의 경우 전기적 노이즈를 감u, v, w . ,

소시키면서 동시에 전체 시스템의 제어 대역폭을 줄이지 않도록 하는 필터의 설계

가 중요하다 일반적으로 의 경우 민감한 사람들은 약 의 외부 자극을. tactic 1kHz

감지한다고 알려져 있다 또 의 경우 사람이 외부에 대해 가장 빨리 반응하. haptic ,

는 주파수는 약 로 알려져 있다 조향장치는 차량의 도로조건에 대해 사람이100Hz .

반응하는 정도를 나타내는 의미로 볼 경우 전체 시스템은 이론적으로 이상, 100Hz

의 대역폭을 가져야 한다 일반적으로 제어기의경우 주파수 영역에서 시스템의 주. ,

파수 특성을 보증하기 위해 배의 대역폭으로 설계하는 것이 보통이며 따라서10 ,

의 관점에서 약 의 제어루프가 만들어져야 한다 만약 도로의 조건이 조haptic 1kHz .

향 장치에 직접 전달되는 장치의 관점 즉 의 관점에서 보면 조향장치에 전달, tactic

되는 성분 중 사람이 느낄 수 있는 미만의 진동을 없애기 위해white noise 1kHz

서는 제어기는 약 의 대역폭을 가져야 한다 이는 모두 구동 모터가 이 대역10kHz .

폭을 유지할 수 있다는 가정에 근거한 것으로 실제 조향에 사용되는 모터의 대역폭

은 단위에 미치지 못한다kHz .

본 보고서에서는 이 중에서 의 관점에서 제어기가 이상의 대역폭을 가Haptic 1kHz

지는 것을 목표로 한다 따라서 제어에 이용되는 근원 소스인 토크 신호는 의. 1kHz

대역폭을 유지하면서도 노이즈에 둔감한 의 특성을 가지고 있어야 한다LPF .

- 53 -

차 필터 외부 토크 신호에 대해 를 이용한 필터는 안정적인 제어 루1) 1 : OP-amp

프를 위해 모터 의 배에 해당하는 저주파 통과필터가 되도록 설bandwidth 10 2kHz

계하였다.

그림 을 가미한 차2.31 Scaling 1 LPF

이상적인 라 가정하여 입력OP-amp Vi에 대한 출력 Vo의 전달함수는 다음과 같이

나타난다.

입력 주파수가 낮은 경우에는 위의 식은 으로 단순히 저항의 비에 의한 출력형

태로 표현되며 입력 주파수가 높은 경우에는 분모의 차수가 높아 게인이 으로 수, 0

렴한다 의 외부 토크 신호를 이내로 하기 위해. 12V 3.3V scaling ,RI = 7.5 K , Rῼ 2

으로 설정한다= 2.05 K . Cῼ 1=100pF, C2 및 일 경우의 보드 선도가 다=47nF 100nF

음과 같이 나타난다. C1은 선도의 지점의 위상 지연부에 영향을phase 10 6rad/s크게 미치며 전달함수의 에 영향을 크게 미친다 따라서 은 적당한, bandwidth . C1

값을 선정하되 는 시스템의 를 고려하여 가(102C) C2 bandwidth bandwidth 3.6kHz

정도가 되는 를 선정하였다 이 보드선도에서 보면 영473C . 100rad/s(about 16Hz)

역은 위상의 지연이 전혀 없는 것으로 표현되는데 이는 운전자의 조향력에 대해서

는 위의 필터기 위상 지연 없이 정확하게 표현할 수 있다는 것을 의미한다 다만.

대역폭 내에서 볼 때 영역애서 위상의 지연이 크게 일어남을 알 수 있다1kHz .

- 54 -

그림 설계된 차 필터의 주파수 특성2.32 1

차 필터 차 필터는 차 필터에 비해 위상 지연이 에 이르지만 게2) 2 : 2 1 180degree

인 곡선의 기울기를 크게 할 수가 있어 보다 우수한 필터의 설계가 가능하다.

그림 은 차 필터에 대한 차 필터의 게인 선도와 위상 선도가 어떤 상대 관계2.32 1 2

를 갖는지를 보여준다 차 주파수와 마찬가지로 를 고정하여 필터의 특. 1 bandwidth

성을 좋게 하는 파라미터를 찾아서 저항 값과 캐패시터 값을 결정할 수 있다 고주.

파 영역에서 보면 확실히 차 필터에 비해 필터링 효과가 뛰어나며 내1 , bandwidth

에서는 위상 지연효과를 억제하여 필터를 설계할 수 있음을 알 수 있다 차 필터. 1

의 경우에서와 마찬가지로 대역폭 를 유지하여 필터를 설계한다1kHz .

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그림 차 필터 차파 필터와 비교하여 표시2.33 2 :

위 그림에서 , R3=R4=R5 으로 하였을 때 입력 주파수에 대한 필터=1K , C=47nF ,ῼ의 응답 특성을 시뮬레이션 한 결과는 다음과 같다.

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그림 차 필터의 시뮬레이션 결과2.34 2

그림 차 필터의 실험 결과2.35 2

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실험에서 응답은 시뮬레이션 결과와 거의 일치함을 알수 있다 지점에서 보. 10kHz

면 시뮬레이션 때보다 위상 지연이 약간 감소함을 알 수 있다.

파트3. Signal Feedback

그림 파트의 회로 구성2.36 Signal Feedback

부분에서는 각 상의 전류 및 의 전압값을 하여 의Feedback DC Link scaling CPU

신호를 만들이 내며 이들의 를 설정하여 전류 및 전압의 이상A/D converter , limit

구간에서는 의 동작이 멈추도록 신호를 발생시킨다 기본적인CPU fault . OP-amp

회로는 파트와 동일하며 각 상간에 흐르는 전류는 방향성이 있으므로 에I/O , , CPU

인가되는 전압을 기준으로 시킨 것이 특징이다1.6V shift .

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및4. Gate Drive Current Sensing Part

그림 파트의 회로 설계2.37 Gate Drive

부분에서는 인 를 이용하여 드라이버를 구현Gate Drive boot strap IC L6385 SRM

한다.

그림 를 이용한 게이트 드라이버 회로2.38 L6385

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한 상에 대한 구동을 살펴 보면 의 경우 일반적으로 나 유도기의 경우와SRM , BLDC

는 달리 상단과 하단의 를 동시에 구동하여 모터에 전류를 인가하게 된다FET .

5. CPU Part

에는 기본적으로 와 이를 구동하기 위한 주변 회로들로 구성된다CPU Part DSP .

를위한 의 제어를 용이하게 하기 위해 의 칩을 이용EPS SRM Motorola DSP56F803

하였다 는 모터 제어에 있어 로 이용되는 대. DSP56F80x CPU one chip controller

표적인 칩으로서 코어에는 외부의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변조해 주는, 12

의 가 내장되어 있으며 개의 출력을 낼 수 있는 모bit A/D converter , 6 PWM PWMA

듈이 있다 또 범용의 통신 모듈 등이 구현되. Quad Timer, CAN , GPIO, JTAG, PLL

어 있다.

그림 의 구성2.39 DSP56F803 CPU

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의 회로는 그림과 같다CPU Part .

그림 파트의 회로 구성2.40 CPU

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제작2. Main Board

을 위한 의 구성 요소는 그림 과 같다SRM EPS Controller 2-1 .

그림 완성된 제어기2.41 SRM

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제 장 결과3

제 절 결과1 SRM MOTOR TEST

그림 은 개발된 및 제어기를 테스트 하기 위한 부하 실험 장치이다 부하3.1 SRM .

측에는 유도모터를 장착하였으며 제어기는 에서 개발한 유도모터 제어180W , ADT

기를 이용하였다 부하측에서는 속도의 절대 지령을 가변저항으로 조절할 수가 있.

으며 통신을 통해 부하측의 현재 상태를 모니터링 할 수 있도록 설계되어 있, 232

다.

부하실험의 단계는 먼저 유도 모터를 일정 회전수에 동기하여 속도를 유지시킨 후

동 방향으로 이 구동하도록 토크 지령을 주게 된다 이때 부하측의 모터의 한SRM .

계 토크 이내에서 이 구동할 경우 시스템의 회전수는 부하측에서 설정된 회전SRM

수와 같게 되고 에서의 토크는 부하측에 전달되어 제어기로 넘어온다 따라서, SRM .

부하측의 제어기에는 그림 의 중앙에 놓여 있는 것처럼 용 저항3.1 Dynamic Brake

을 연결하여 제어기로 넘어오는 에너지를 태우게 된다.

그림 부하 실험 장치3.1

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실험 결과1.

그림 는 부하장치에 연결한 에서 속도를 속도 및 부하의 크기를 증가시키면3.2 SRM

서 모터에 인가되는 전류 파형을 나타내고 있다.

에서 전류파형 에서 전류파형(a) 1200rpm, 0.5A limit , (b) 1500rpm, 1A limit

에서 전류 파형(c) 1900rpm, 1A limit

그림 속도 및 전류 크기를 변화 시킬 때 에서의 전류 파형3.2 SRM

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그림 의 는 토크 센서의 신호가 약하게 들어오는 경우를 가정한 것으로3.2 (a) 1A

를 설정한 것이다 전류는 정상 부분에서 패인 형상을 취하고 있으며 모터의limit . ,

회전에 따른 일정 토크의 발생에 영향을 미칠 것을 예상할 수 있다 는 부하 및. (b)

속도를 증가시킨 경우이다 전류의 형상이 앞단에서 증가하는 형상을 보여 준다 전. .

류의 및 을 고려하면 상 전체의 중첩 전류는 에 비해Rising time falling time 3 (a)

보다 개선된 형상을 보여준다 의 경우는 속도를 까지 올렸을 때 전류. (c) 1900rpm

의 형상을 보여준다 전류는 스위칭 속도를 고려할 때 전류의 이 모터. rising time

의 토크 리플에 민감하게 영향을 미칠 수 있음을 예상 할 수 있다.

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제 절 적용시험 결과2

장착시험 결과1.

그림 은 의 장착 시험 및 가동시험을 위해 제작한3.3 SRM POWER STEERING

을 보여주고 있다 이 은 사의 지게차에서 사용되는MODULE . MODULE CLARK

이며 의 조향장치의 장착성과 구동을 시험하기 위하여 제작하였으므MODULE SRM

로 구동 및 추가적이 외부 장치는 부착하지 않았으며 시험 제작한 의Motor , SRM

경우 에 장착에는 문제가 발생하지 않았다MODULE .

그림 장착시험 및 장치 사진3.3 SRM Test

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장착 후 구동시험 결과2.

그림 장착 및 구동시험3.4 SRM

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그림 는 사에서 생산하는 지게차의 조향장치에 을 장착하여 구동3.4 Clark SRM Test

를 시행한 그림이다 위의 그림은 이 장착된 조향장치를 이용해 구동시의 조향. SRM

성능을 보이주고 있으며 장착시의 조향성능을 비교하기 위하여 현재 생산되, SRM

는 지게차의 조향장치에 사용되고 있는 를 장착하여 핸들 조작을 통한PMDC Motor

비교 테스트를 한 결과 현재 사용되는 모터의 조향장치보다 더 큰 토오크(PMDC)

리플이 발생하는 것을 알 수 있었다.

이는 조향장치의 핸들 조작시에서 시험에 사용된 보다 더 정밀한 토오크 리플SRM

의 제어가 필요하다.

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