제1장 전동기 제어 예비 지식
1.1 전동기의 정의 및 분류 11
1. 전동기의 정의 11
[휴게실] 전류의 3대 작용 14
[휴게실] 전동기와 발전기의 가역성 15
2. 전동기의 분류 15
3. 전동기에 관한 기술용어 정리 19
[휴게실] 전동기의 회전 방향 24
1.2 서보모터 및 서보제어 시스템 25
1. 서보모터의 정의 25
2. 서보제어와 피드백 제어 27
3. 전동기 서보제어에 필요한 액세서리 부품 29
[휴게실] 기어드 모터 37
1.3 PI 제어 및 PWM 제어 38
1. PI 제어의 원리 및 응용 38
2. PWM 제어의 원리 45
[휴게실] 프로그래밍 = 알고리즘 개발 + 코딩 작업 51
1.4 전력용 반도체 스위칭 소자의 사용 기술 52
1. 전력용 반도체 스위칭 소자의 종류 52
2. 다이오드 54
3. 바이폴라 트랜지스터 61
4. MOSFET 73
5. IGBT 88
6. MOSFET의 게이트 구동 방법 89
7. 전력용 반도체 스위칭 소자의 손실 92
1.5 전동기의 회전속도 측정 ...기술 98
1. 전동기 회전속도 측정 방법의 분류 98
2. 증분형 로터리 엔코더를 사용한 회전속도 측정 102
1.6 전류 측정 기술 110
1. 전류 측정 방법의 분류 110
2. 션트저항을 사용하는 방법 111
3. C/T를 사용하는 방법 114
4. 홀전류센서를 사용하는 방법 117
제2장 OK-STM767VC 키트
2.1 OK-STM767VC 키트의 구조와 기능 123
1. OK-STM767VC 키트의 개요 및 사양 123
2. OK-STM767VC 키트의 하드웨어 구조 125
3. TFT-32A 보드의 하드웨어 구조 142
4. OK-STM767VC 키트의 조립 및 테스트 148
2.2 Cortex-M용 에뮬레이터 ST-LINK/V2-ISOL 152
1. 하드웨어 및 소프트웨어 개발 툴 152
2. ST-LINK/V2-ISOL 에뮬레이터 157
2.3 IAR EWARM 컴파일러의 설치 및 사용 166
1. IAR EWARM 프로그램의 설치 166
2. 예제 프로그램의 설치 172
3. IAR EWARM의 환경 설정 172
4. IAR EWARM의 주요 기능 요약 185
제3장 유도전동기의 제어 기술
3.1 3상 유도전동기의 기초 207
1. 3상 유도전동기의 구조 207
2. 3상 유도전동기의 동작 원리 209
3. 3상 유도전동기의 속도제어 방식 224
[휴게실] 전동기의 토크 231
3.2 3상 농형 유도전동기의 수학적 모델링 232
1. 고정좌표계에서의 모델링 232
2. 동기 회전좌표계에서의 모델링 244
3. 유도전동기의 벡터제어 249
4. 고정좌표계와 동기 회전좌표계 사이의 좌표변환 259
5. 유도전동기의 파라미터 측정 263
3.3 공간전압벡터 PWM 기법을 사용한 전류제어 271
1. 공간전압벡터 PWM의 원리 및 특성 271
2. 인버터의 PWM 스위칭을 위한 연산처리 280
3. 인버터의 데드타임 처리 286
3.4 벡터제어 인버터의 설계 기술 290
1. 키트에서 사용하는 3상 농형 유도전동기의 사양 290
2. 벡터제어 인버터의 구조 295
3. 전력회로의 설계 298
4. 마이크로프로세서 및 주변회로의 설계 306
5. 전압, 전류, 회전속도를 측정하는 회로의 설계 310
6. 벡터제어 프로그램의 설계 318
7. 벡터제어 인버터를 개발할 때의 안전 및 주의 사항 324
3.5 전력제어 회로에서의 노이즈 방지 기술 335
1. 노이즈란 무엇인가 335
2. 노이즈의 종류 337
3. 전력제어 회로에서의 노이즈 방지 대책 340
4. PCB 설계에서의 노이즈 방지 대책 354
제4장 유도전동기의 속도제어 프로그램
4.1 V/f 제어 방식을 사용하는 기술 361
1. 키트 테스트 프로그램 361
2. V/f 제어를 사용한 속도제어 프로그램 408
4.2 벡터제어와 공간전압벡터 PWM을 사용하는 기술 432
1. 홀센서로 상전류를 측정하는 속도제어 프로그램 432
2. 션트저항으로 상전류를 측정하는 속도제어 프로그램 459
4.3 옵셋전압 PWM 방식을 사용하는 기술 468
1. 옵셋전압을 이용한 PWM 기술 468
2. 옵셋전압 PWM을 사용한 속도제어 프로그램 473
<부록1> 아날로그 회로 설계의 중요성 489
<부록2> IGCM06F60GA의 데이터 시트 501
<부록3> IGCM06F60GA의 방열판 사용 513
[머 리 말]
현재 많은 대학의 전기공학과에서는 전기기기(電氣機器)나 전동기(電動機)를 필수과목으로 가르치고 있으며, 전자공학과나 제어계측공학과, 메카트로닉스 공학과 등에서도 서보제어용으로 전동기를 많이 교육하고 있는 추세이다. 그러나, 안타깝게도 대학에서의 이러한 전동기 교육은 구조나 동작원리를 설명하는 정도이고 이를 제어하는 구체적인 실무기술은 거의 가르치거나 실습하지 않는 실정이며, 이런 실용적인 전동기 제어기술을 다루는 교재조차도 거의 없는 것이 현실이다. 국내외를 막론하고 그렇다.
특히 요즈음 각 대학에 있는 IT분야(전기/전자/제어/컴퓨터/통신)의 학부과정에서는 4학년의 학생들에게 전공기술을 익히거나 졸업 자격을 심사하기 위하여 개별적으로 졸업작품을 만들도록 요구하는 경향이 두드러지고 있다. 이것은 학생들이 이러한 과정을 통하여 자기 전공분야의 기술을 적극적이고 구체적으로 공부함으로써 졸업 후에 산업체 또는 연구소로 진출하거나 대학원에 진학할 경우 절실하게 필요한 전공지식이나 실무기술을 좀더 깊이 있게 익힐 수 있는 계기를 만든다는 점에서 매우 바람직한 일이라고 생각된다. 이러한 졸업작품 중에는 전동기를 이용하는 것도 많은데, 학교에서 전동기 제어기술을 제대로 배우지 못하고 스스로 이를 공부할 수 있는 전문서적도 거의 없는 현실이기 때문에 많은 학생들이 적지 않은 어려움을 겪고 있다.
저자는 대학에서 전기공학을 공부하고 대학원에서 전동기 제어기술을 전공한 이후에 평생동안 전동기 제어분야의 기술개발 및 교육에 몰두하여 왔고, 이러한 분야에 필요한 기술 중의 하나인 마이크로프로세서 응용 기술에 관한 서적을 여러권 집필하기도 하였다. 현재도 대학 및 대학원에서 마이크로프로세서와 전동기 서보제어에 관한 과목을 강의하고 있으나 이를 위한 교재가 부족하여 늘 애로사항을 겪어오던 중에 이제는 더 기다릴 수 없다는 생각으로 직접 용기를 내어 실용 모터제어 시리즈의 책을 구상하고 집필하게 되었다. 학술적으로 전동기 제어기술을 다루고 있는 전문서적은 이미 상당히 많이 나와 있으므로 이 실용 모터제어 시리즈의 책에서는 실제로 전동기 제어 시스템의 하드웨어를 설계하고 제어 프로그램을 작성하는 매우 실용적인 기술을 중점적으로 다루고자 한다. 이 책은 대학 또는 대학원의 교재로 사용할 수도 있고, 이 분야의 기술을 익혀서 졸업작품을 만들고자 하는 관련 학과의 학생이나 산업체에서 이 분야의 기술개발 업무를 수행하는 현장 엔지니어들에게도 도움이 될 것이다.
이 책은 실용 모터제어 시리즈의 세번째 책으로서 200W급의 소용량인 농형 3상 유도전동기의 벡터제어 기술을 취급한다. 유도전동기 벡터제어를 위한 인버터의 하드웨어 설계 기술, 전동기의 상전류 측정 기술, 회전속도 측정 기술, C언어를 사용하여 PI 속도제어 및 벡터제어 프로그램을 작성하는 기술 등을 교육용 키트를 가지고 직접 따라하면서 단계적으로 익힐 수 있도록 설명할 것이다. 그러나, 전동기의 해석 및 제어이론에 관하여는 그다지 체계적이고 깊이 있게 다루지 않으니 필요하면 다른 전문서적을 참고하기 바란다.
저자가 대학원 박사과정에서 벡터제어 기술을 공부하고 현재에 이르기까지 이것의 교육과 실용화를 위하여 노력해오는 동안 늘 한결같은 사랑으로 지도하여 주신(지금은 은퇴하셨지만) 단국대학교 전력전자연구실의 홍순찬 교수님과 이 책이 나오기까지 끊임없는 성원을 보내주신 많은 후배 여러분에게 감사의 말씀을 드린다. 그리고, 공동 저자인 제자 김동기 군에게도 감사의 인사...를 남기며, 나날이 힘들어지는 출판 환경에서 별로 인기도 없는 전문서적을 열성적으로 만들어 출판해주신 도서출판 Ohm사의 임직원 여러분에게도 감사의 말씀을 드리는 바이다.
2019년 1월 저자 尹 德 鏞 씀
윤덕용(尹德鏞) [저]
1981. 2. 서울대학교 전기공학과 졸업, 1983. 2. 서울대학교 대학원 전기공학과 졸업(공학석사), 1995. 2. 단국대학교 대학원 전기공학과 졸업(공학박사). 1982. 12.～1984. 5. 삼성전자(주) 종합연구소 근무, 1984. 6. ～1985. 2. 한독(주) 컴퓨터기술연구소 근무, 1985. 3. ～2006. 2. 국립 천안공업대학 전자계산기과/제어계측과 교수, 2005. 3. ～현재 국립 공주대학교 천안공과대학 전기전자제어공학부 교수. 저서로는 '마이크로프로세서 응용실습 (1988, 자유아카데미)', 16비트 마이크로프로세서 및 IBM PC 하드웨어 입문 (1991, 조원사)', '마이크로프로세서 응용 -Z80 MASTER- (1998, Ohm사)', 'DSP 마스터 시리즈 ① - TMS320C31 마스터 (1998, Ohm사)', 'DSP 마스터 시리즈 ② - TMS320C32 마스터 (1999, Ohm사)', '어셈블리와 C언어로 익히는 80C196KC 마스터(I) (2000, Ohm사)', '어셈블리와 C언어로 익히는 80C196KC 마스터(II) (2000, Ohm사)', '어셈블리와 C언어로 익히는 8051 마스터 (2001, Ohm사)', '어셈블리와 C언어로 익히는 AT89S52 마스터 (2006, Ohm사)', '프로세서 응용 시리즈 ① - LCD 모듈의 철저 활용 (2002, Ohm사)', '프로세서 응용 시리즈 ② - LCD 모듈 활용 마스터 (2004, Ohm사)', '프로세서 응용 시리즈 ③ - ATmega128을 활용한 졸업작품 만들기(I) (2005, Ohm사)', '프로세서 응용 시리즈 ④ - 졸업작품 만들기(VII) TFT-LCD 모듈 활용 마스터 (2009, Ohm사)', 'AVR 마스터 시리즈 ① - AVR ATmega128 마스터 (2004, Ohm사)', 'AVR 마스터 시리즈 ② - AVR ATmega162 마스터 (2004, Ohm사)', 'AVR 마스터 시리즈 ③ - AVR ATmega8515 마스터 (2004, Ohm사)', '고성능 AVR 정복 시리즈 ① - AVR ATmega128 정복 (2006, Ohm사)', '고성능 AVR 정복 시리즈 ② - AVR ATmega1281/2561 정복 (2006, Ohm사)', '고성능 AVR 정복 시리즈 ③ - AVR ATmega1280/2560 정복 (2006, Ohm사)', '고성능 AVR 정복 시리즈 ④ - AVR ATxmega 패밀리 정복 (2010, Ohm사)', '고성능 AVR 정복 시리즈 ⑤ - AVR ATmega128A 바이블 (2011, Ohm사)', '고성능 AVR 정복 시리즈 ⑥ - AVR ATmega128A 바이블2 (2020, Ohm사)', '고성능 AVR 정복 시리즈 ⑦ - 8비트 MCU AVR128DA64 정복 (2022, Ohm사)', 'ARM 시작하기 시리즈 ① - ARM7TDMI AT91SAM7S256으로 시작하기 (2007, Ohm사)', 'ARM 시작하기 시리즈 ② - ARM Cortex-M0 STM32F051 마스터 (2013, Ohm사)', 'NXP사의 ARM Cortex-M0+ MKL25Z128VLK4 활용 (2016, Ohm사)', 'ARM Cortex-M 시리즈 ① - ARM Cortex-M0 STM32F091 정복 (2016, Ohm사)', 'ARM Cortex-M 시리즈 ② - ARM Cortex-M7 STM32F767 정복 (2017, Ohm사)', 'ARM Cortex-M 시리즈 ③ - ARM Cortex-M3 STM32F103 정복 (2018, Ohm사)', '실용 모터제어 시리즈 ① - 직류전동기 제어 기술 (2015, Ohm사)', '실용 모터제어 시리즈 ② - BLDC 모터 제어 기술 (2015, Ohm사)', '실용 모터제어 시리즈 ③ - 유도전동기 벡터제어 기술 (2019, Ohm사)' 등이 있다.
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