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200 5/03/26 Jaehwan Yeom PREM, Hanyang University

Detection of Torque, Speed, and Current of a Brushless DC Motor by using Back-EMF Variation of Non-Energized Phase. 200 5/03/26 Jaehwan Yeom PREM, Hanyang University. Contents. 1. Motivation 2. Fundamental Method 3. Proposed Method - Torque vs. Current - Torque vs. Speed

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200 5/03/26 Jaehwan Yeom PREM, Hanyang University

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Presentation Transcript

  1. Detection of Torque, Speed, and Current of a Brushless DC Motor by using Back-EMF Variation of Non-Energized Phase 2005/03/26 Jaehwan Yeom PREM, Hanyang University

  2. Contents 1. Motivation 2. Fundamental Method 3. Proposed Method - Torque vs. Current - Torque vs. Speed 4. Result 5. Conclusion 6. Future Work

  3. 1. Motivation • Motor의 대량 생산 및 소형화 • 최적 제어를 위해서는 정확한 Motor Constant 값이 필요하다. • Motor Constant는 외부환경에 의해 변할 수 있으며, • 동일한 특성의 Motor일지라도 모두 다를 수 있다. • 대량 생산 공정에서 모든 Motor에 대한 특성을 파악하기는 어렵다. • 측정 어려움 • Torque Meter의 복잡성, 소요 시간, 고비용, 공간, 소음, 인력 등의 요인으로 인해 측정하기가 쉽지 않다. • 소형 모터의 경우 Flexible Coupling 손실과 같은 측정 장비 자체의 손실로 정확한 특성을 파악할 수 없다. • Requirements • 측정 장비 자체의 손실 없이 빠른 시간에 정확한 Motor Constant에 접근할 수 있어야 한다. • Stand-alone System • 다른 장비에 의존하지 않아야 한다.

  4. 2. Fundamental Method • 브러시리스 직류 전동기의 T-w • 토크와 속도 사이 관계식

  5. Motor analyzer Emulator PC Switching Motor DSP B+ A+ C+ B- C- A- Current probe Torque meter Oscilloscope • Torque Meter를 이용한 측정 방법 • Torque Meter를 이용 모터에 부하를 일정한 간격으로 주면서, • Motor Analyzer를 이용하여 Torque-Speed를 측정하며, • Current Probe를 이용하여 전류를 측정할 수 있다. < Experimental setup to measure the torque-speed-current characteristics >

  6. 3. Proposed Method • Torque vs. Current • Back-EMF Constant로부터 접근할 수 있다. • Motor에 흐르는 total flux에 의한 Back-EMF

  7. < Low Speed > < High Speed > Back-EMF Period Back-EMF Period • Back-EMF Characteristics • 저속에서 상대적으로 Inductance의 영향 증가로 비선형성 증가 • 고속에서 상대적으로 Inductance의 영향 감소로 비선형성 감소 • 고속에서 정확한 값에 접근 가능

  8. Back-EMF Variation on Non-Energized Phase < Terminal Voltage > < Neutral Voltage >

  9. Minimum Value Maximum Value Time Value Commutation Time • 제안된 Back-EMF 측정 방법 • Terminal Voltage와 Neutral Voltage 기울기 • 정확한 Back-EMF의 크기를 얻기 위해서는 Commutation Time만큼의 보간이 이루어져야 한다. • Back-EMF

  10. Motor Constant

  11. Torque vs. Speed • Speed에 따른 전류 값에서 손실 전류를 제거하여 접근할 수 있다. • Torque Meter 측정 방법 • Load • Duty Full • 제안된 방법 • No Load • PI Control (Non-Duty Full) • 측정된 전류의 보간 필요 • 실제 Torque를 구하기 위해서는 손실 전류를 구해야 한다.

  12. Current Interpolation • 속도별 Duty Rate와 Current

  13. Torque Meter로 측정된 전류와의 비례상수 • Proportional Equation • Proportional Constant

  14. 계산된 비례상수 • 기울기는 Motor의 저항 값에 비례할 것으로 예상. • Nidec P120 은 2.5Ω, Winner는 5.5 Ω으로 비율은 2.2 • 비례상수의 기울기 비율은 1.9

  15. Calculated Current

  16. 손실 전류 측정 • 이상적인 경우, Duty Full인 최고속도에서 유입되는 전류를 손실 전류로 가정 • Nidec P120은 측정된 값이 265 [mA] • Winner는 측정된 값이 67 [mA] • Torque Meter의 경우 Flexible Coupling으로 Motor의 축과 Torque Meter의 축을 연결함으로 해서 50 [mA]의 손실 전류를 갖는 것으로 예상

  17. Result • Torque vs. Current Characteristics – Nidec P120

  18. Torque vs. Current - Winner

  19. Torque vs. Speed – Nidec P120

  20. Torque vs. Speed - Winner

  21. Conclusion • 제안된 방법으로 정확한 Motor Constant에 접근할 수 있다. • 비교적 빠른 시간에 간단한 방법으로 구현 가능하다. • Problem • Statistics • 다양한 특성을 갖는 Motor에 대한 실험 필요. • Nidec P120의 경우는 비교적 정확하게 나오지만, Winner 5.4k의 경우는 Torque Meter로 측정될 당시와 Motor의 특성변화로 인해 오차가 있는 것으로 생각됨. • Exact loss value • 정확한 손실 값에 접근할 수 있다면, 정확한 Motor Constant뿐만 아니라, Motor의 효율을 측정하는 데도 많은 도움이 될 것으로 생각됨.

  22. Future Work • A-Bmos에 적용 • 다양한 모터에 대한 측정 실험 • Gain Tuning • 측정된 Motor Constant를 이용 최적 제어를 수행할 수 있도록 Auto Parameter Detecting 수행

  23. System and User Interface of Brushless DC Motor Operating System Ver. 2.0 PREM, Department of Mechanical Engineering Hanyang University, Korea 염 재 환 ·김 명 규

  24. 최적 제어기 개발을 통한 초정밀 회전기기 동특성 향상 여부 • 제어 및 통신 회로의 모듈화 및 User Interface 개발 여부 Motivation • 최적의 초정밀 회전기기 제어기 개발 (NRL 2단계 3차 년도 목표) • 동특성 개선을 위한 최적 제어기 개발 속도 변동률 0.2% 이내의 속도 제어 • DSP 제어 및 통신 회로의 On-board 모듈화 및 User Interface 개발 연구실 실험 환경이 아닌 외부 컴퓨터를 통한 제어기 및 User Interface를 Display하여 성능 검증

  25. DSP & USB On-board PCB design Brushless DC Motor Operating System Ver. 2.0 User Interface using Visual C++ Motor driverPCB design Objective & Methodology • Objective • DSP 제어 및 USB 통신 회로의 On-board 모듈화 • Motor 구동부의 모듈화 • Window 기반의 User Interface • Methodology

  26. Brushless DC motor A UserInterface B Current /Torque C Speed feedback /Switching signal Inverter and Drive Circuit PC Control and Communication Circuit Communicationsignal FPGA DSP USB controller System Implementation • DSP  All operating for driving the motor. • USB controller  Communication with PC • FPGA (Field-Programmable Gate Array)  Communication between DSP and USB

  27. System Demonstration • Output of Brushless DC Motor Operating System Ver. 2.0 • Speed profile • DC-link current profile • Terminal voltage A, B, C profile • Torque constant

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