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그림 1은 다상형 구조를 가진 BLDC(Brushless Direct Current:이하 BLDC) 모터의 전체 조립도를 나타내며, 그림 2는 모터의 실물과 그림 3은 사이즈를 나타낸다. 기존 모터의 권선구조인 Y, △방식을 벗어나 AC모터처럼 고속이 가능한 분포권과 DC모터처럼 고토크가 가능한 집중권의 융·복합된 다상형 권선구조는 한상이상이 고장나도 한상만 살아 있으면 수리하는 곳 까지 구동할 수 있는 안정성이 뛰어난 모터 구조이다. 또한 한 상씩 고장이 날 때 출력과 효율을 본 실험을 통하여 검증하고 있다.

Fig. 1. 
Multi-phase BLDC internal structure

Fig. 2. 
Real picture

Fig. 3. 
Multi-phase BLDC drawing size

그림 4는 다상 BLDC모터의 권선 결선도를 비교 하고 있다. (a)는 일반적인 Y권선으로 한상이 끊어지면 구동을 멈추게 되나, (b)는 다상 구조로 한상이 끊어져도 나머지 상에 의해서 구동하게 되는 권선도이다.

Fig. 4. 
Coil winding comparison

식 (1)은 권선 전류에서 전동기의 토크로 발생되는 부분의 토크 방정식이다. 토크는 전류와 비례한다고 근사와 할 수 있기 때문에 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.

τ_L : 부하토크
τ_ㄷ : 전동기의토크
k_T : 토크상수 [Nm/A]
w_m : 각속도

역기전력은 식 (2)는 식 (3)과 같이 각가속도와 자속, 그리고 역기전력의 사다리꼴 형태를 반영하여 표현할 수 있다. 또는 역기전력은 전동기의 각속도에 비례하기 때문에 역기전력 상수를 통해 비례식으로 표현할 수도 있다.

λ_m : 자속
w_m : 각가속도
θ_e : 회전자 위치
f(θ_e) : 사다리꼴방정식
k_e : 역기전력상수

그림 5(a)는 일반적인 BLDC의 제어 블록도이며, (b)는 n상이 가능한 BLDC의 제어 블록도로 비교하고 있다.

Fig. 5. 
Control block diagram comparison

그림 6은 BLDC모터의 토크제어를 위한 엔코더 구성과 동작 원리를 나타내며, 센서부와 엔코더부의 동작은 ON/OFF 신호로 엔코더가 도통 시 ON신호, 비 도통 시 OFF신호로 동작한다. 포터인터럽트를 사용하며 기존의 복잡한 펄스 엔코더나 타코 제너레이터를 사용하지 않고도 단순한 구조로 동일한 역할을 수행할 수 있다.

Fig. 6. 
Principle of multi-phase N-code

그림 7은 스위칭 원리이며, 한 구간 360°의 A, B, C, D상의 신호파형을 나타낸다. 파란색 부분은 부분파 제어원리로 사각형으로 하는 제어원리보다 시작과 끝단의 열 손실을 줄여 구동체의 안정성을 구현하였다. 위치 제어를 위해 시간영역에서의 비례, 적분 및 미분상수를 결정하는 Ziegles – Nichols법인 P,I,D Gain값의 임계이득(Pcr, cirtical period) 튜닝 방법으로 PID제어기를 설계하였다.

Fig. 7. 
Multi-phase BLDC switching waveform

그림 8은 그림 7을 바탕으로 1상인 A의 360°한 구간 안에서 역기전력을 나타낸 것으로 사용전압은 28.8Vdc이고, Cycle time은 11.19mm이다.

Fig. 8. 
Multi-phase BLDC counter electromotive force waveform

그림 8은 역기전력의 시뮬레이션과 실측 파형으로 설계가 일치함을 알 수 있다. 3상 12슬롯이라 36슬롯보다는 리플 파형이 더 생기나 실측을 통해 실험한 결과 안정된 속도 파형을 얻을 수 있었다. 이 결과로 모터의 안정된 토크를 얻기 위해서는 슬롯수를 늘려야 됨을 알 수 있었다.

그림 9는 토크파형으로 9kg·m에서 3kg·m로 안정화 되고 있음을 알 수 있다. 또한 그림 10은 rpm 속도 파형으로 토크 안정시 속도도 같이 안정화됨을 시뮬레이션을 통해 알 수 있다.

Fig. 9. 
Torque waveform from IPM BLDC

Fig. 10. 
Speed waveform of IPM BLDC

그림 11은 다상 BLDC의 제어기 구성도를 나타낸다. 본 제시한 모터가 다상이므로 제어원리도 1상에 대한 제어기를 먼저 구성하여 이를 다상으로 구성하면 된다. 사용된 프로세서는 Atmega 128이며, 논리회로를 구성하고 스위칭소자는 IGBT를 사용한다.

Fig. 11. 
Block diagram of Multi-phase BLDC controller configuration

다음은 표 1과 같이 본 실험에 제작된 모터 제원을 나타내고 있다.

그림 12는 동력실험을 위한 시험구성도를 나타내고, 시험 장비는 1kW 다이나모메트로 미국의 HD-515를 사용하고, 타코메타는 FT-3V, 디지털 온습도계는 MHB-382SD, 그밖에 직류전원공급장치와 모터 컨트롤 유닛을 사용하였다. 그림 13은 제안된 모터의 시험 장면이다.

Fig. 12. 
Test configuration

Fig. 13. 
Picture for testing

본 실험 결과는 KORAS인증 기관인 조선기자재연구원에서 시험하였으며 다상 구조를 가진 모터와 드라이버의 상이 끊어져도 나머지 상이 구도하는지에 대하여 실험하고 결과를 도출하였다. 먼저 다상 BLDC모터의 출력 특성을 그림 14에 나타내고, 다상 모터이므로 그림 14는 기본 3상에 대한 기준 파형으로 효율과 토크 등 기본 파라메타를 나타내고 있다. 제안된 모터의 기본 3상 출력은 710W이다.

Fig. 14. 
Three-phase ON - 710W

실험 방법은 한 상 식 끊어가며 3상과 (3-1)2상, (3-2)1상씩으로 구동시험과 효율 및 출력 특성에 대한 결과치를 그림 15~16에 나타내고 있다. 그림 15는 3상중 한상이 끊어졌을 때 구동 파형과 파라메타를 나타낸 것으로 이론상 한상이 멈추면 출력은 66%로 떨어져야 하나 680W로 95.7%이다. 거의 한상이 끊어져도 출력은 변동이 없음을 보여주고 있다. 이는 안정성이 뛰어남을 보여주고 있다.

Fig. 15. 
Two-phase ON, One-phase OPEN - 680W

Fig. 16. 
One-phase, Two-phase OPEN – 500W

그림 16은 500W로 70.4%의 출력과 파라메타 특성을 보여주고 있다. 이는 한상만 살아 있어도 2차 사고를 예방하고 수리장조까지 구동하는 안정성이 탁월함을 실측을 통하여 보여주고 있다.