모터와 드라이브의 테스트 생산성, 기능 및 데이터 분석 향상

전기 구동차의 효율 향상에 많은 노력이 집중되면서 모터 효율 평가의 중요성이 매우 커졌습니다. 관건은 모든 작동 지점에서 모터나 드라이브의 효율을 안전하고, 정확하고, 신속하게 파악하는 신속 절차를 시행하는 방법입니다. 일반적인 전력 분석기를 사용하는 테스트 방법에서 나오는 수치 결과로는 부족합니다. 수치 이외의 결과를 얻기 위해서는 모든 전기적, 기계적 및 물리적 신호를 높은 샘플링 레이트에서 동시에 수집하고 실시간 맞춤 분석과 자동화 시스템으로의 신속한 데이터 전송이 병행되어 정확하고 신속하게 맵핑(Mapping)할 수 있어야 합니다.

 

일반적인 테스트 방법 vs HBM의 새로운 방법

전기 구동차, 그리고 관련 시그널

 

전기 드라이브는 전기 자동차, 선박 모터, 고속 열차, 비행기 전기 휠 드라이브와 액추에이터, 포크리프트, 동력 장비, 풍력 에너지 등 기본적으로 인버터로 구동되거나 가변 속도 드라이브가 있는 모든 전기 기계를 포함해 광범위한 용도에서 사용됩니다. 전체 드라이브 트레인 내 모든 작동 지점에서 안전하고, 정확하고, 신속하게 최대 효율을 발휘하도록 설계하여 그 발휘 여부를 테스트하는 것이 관건입니다. 여기에는 인버터, 모터 또는 전기 드라이브의 최적화, 인버터와 모터 매칭, 드라이브 전략이 포함됩니다(그림 1).

인버터와 모터를 잘 맞출수록 효율이 높아집니다. 인버터-모터 매칭을 개선하기 위해서는 모터와 인버터의 특징을 꼼꼼하게 규명해야 하며, 모터 구동 효율을 높일 수 있도록 인버터 알고리즘을 개선해야 하는 경우도 간혹 있습니다. 이 작업은 드라이브 트레인 내 모든 작동 지점에서 원시 데이터를 분석해야만 가능합니다.

전기 구동차에는 다양한 시그널이 사용되는데, 효율을 분석하고 개선하려면 이러한 시그널을 정확하게 기록해야 합니다.  그림 2를 보면 각 시그널에는 최대 1000V의 배터리 전압과 최대 몇 백 암페어의 전류가 포함됩니다. 인버터는 최대 +/-1000V의 펄스 폭 변조 전압(주로 3상, 간혹 그 이상도 거침)과 몇 백 암페어의 전류를 생성합니다. 토크센서는 모터의 토크와 속도를 기록할 수 있으며, 심층 분석을 위해 그 위치도 기록할 수 있습니다. 이러한 각 전류와 전류를 측정하여 배터리의 전력, 인버터의 전력, 모터의 기계 동력을 계산할 수 있습니다. 그 비율을 계산하면 주파수 인버터, 모터 및 전체 전기 드라이브의 효율이 나옵니다.

 

일반적인 테스트 방법

일반적으로 전기구동차의 시그널은 그림 3과 같은 상태에서 측정합니다.

배터리 전압과 전류는 디지털 멀티미터로 측정하고, 인버터 출력은 주로 일반적인 전력 분석기로 측정하며, 신호를 보기 위해 스코프(Scope)가 사용되는 경우가 간혹 있습니다. 기계 출력을 측정할 때는 토크 센서와 일종의 데이터 수집 시스템이 사용됩니다. 아쉽게도 이 경우 몇 가지 문제가 발생합니다.:

  1. 모든 기록 시스템들 사이의 시간이 동기화되지 않아 동일 시점의 기계 신호(토크/속도)와 전기 신호(전압/전류)를 비교하기가 매우 힘듭니다.
     
  2. 로우 데이터(Raw data)가 없기 때문에 심층 분석을 실시할 수 없습니다.
  3. 일반적인 전력 분석기(Power analyzers)는 1초에 몇 번 밖에 계산되지 않아 자동화/제어 시스템에 대한 피드백을 얻기에 부족합니다.
     
  4. 추가 시험과 분석을 요하는 영역인 동적 부하의 변경 시에는 전력계를 신뢰할 수 없습니다.
  5. 로우 데이터(Raw data)가 없어 결과를 확인할 수 없기 때문에 어떤 문제가 생길 경우 다시
    테스트해야 합니다.

    따라서 문제와 오류를 놓고 여러 번 추정해야 하고, 이러한 가정을 토대로 변경한 후에 다시 테스트하기 때문에 시간과 비용이 많이 들게 됩니다.

     

새로운 테스트 방법

그림 4 는 고속 데이터 수집 기능이 있는 전력 분석기를 사용하여 일반적인 테스트 방법의 한계를 극복하는 HBM edrive 테스팅 솔루션 입니다. 장점은 다음과 같습니다.:

  1. 모든 드라이브 트레인 신호를 동시에 기록하기 때문에 기계 트레이스와 전기 트레이스를 정확하게 비교할 수 있고 3상, 6상 또는 12상 기계를 테스트하여 CAN, 온도, 진동 및 변형 같은 더 많은 신호를 수집할 수 있습니다.

  2. 모터 매핑 같은 실시간 심층 분석을 통해 몇 시간 또는 며칠 후가 아니라 바로 결과를 얻을 수 있습니다.

  3. 실시간으로 계산 결과를 EtherCAT을 통해 자동화 시스템으로 전송합니다(초당 1000개).

  4. 동적 부하 변경, 시동 또는 제동 시에도 실시간(Real-time) 동력 계산을 반 주기(Half-cycle) 단위로 실시합니다.

  5. 로우 데이터(Raw data)가 있어 결과를 확인할 수 있기 때문에 어떤 문제가 생겨도 다시 테스트할 필요가 없습니다.

시그널 연결 방법

전기 구동차의 효율을 최고로 달성하려면 측정 정확도가 높아야 합니다. 각 시그널 유형별로 가장 정확하고 적합한 방법을 확인해보겠습니다.

 

전류 측정

전류 측정은 오류가 가장 많이 발생하는 편입니다. 따라서 효율이 더욱 잘 계산되려면 정확한 전류 측정 방법을 숙지하는 것이 중요합니다. 전류 클램프는 정확도가 낮으며, 기껏해야 +/-1% 정도입니다. 변류기의 정확도는 이보다 높은 +/-0.02% 이상입니다.

 

전압 측정

높은 전압을 측정하는 방법이 여러 개 있지만 가장 중요한 고려사항이 안전이고 그 다음이 정확도이어야 합니다. 절연 증폭기는 가격이 비싼 편이지만 사용자와 장비 모두에게 가장 안전한 고전압 측정 방법입니다. 절연 증폭기도 정확도가 높습니다. 대체로 +/-0.02%입니다. 그 외의 방법은 정확도가 낮고 크게 안전하지도 않습니다. 전압 트랜스듀서, 즉 변압기는 정확도가 약 +/-1%이고 차동 프로브는 약 +/-2%입니다.

토크, 속도 및 각도 측정

토크, 속도 및 각도를 측정하려면 정확도가 0.05% ~ 0.01%로 높은 정확도와 동적 범위가 큰 토크 트랜스듀서를 사용해야 합니다. 거친 테스트 셀 환경에서 발생하는 노이즈를 없앨 수 있도록 토크 트랜스듀서의 모든 신호를 디지털로 연결해야 합니다.

신속한 분석

주기 감지(Cycle Detection)

전력 결과가 정확히 계산되려면 분석기가 들어오는 신호의 "주기"를 식별해야 합니다. 고급 알고리즘을 사용하여 주기를 간단하게 감지하여 그림 8과 같이 표시할 수 있습니다. 일반적인 전력 분석기는 PLL을 사용하는데, 이것은 동적 부하 변경 시에 문제가 생깁니다. 디지털 주기 감지 기능을 사용하면 시동, 제동 또는 부하 변동 시에 측정이 가능합니다.

그림 9는 혹처럼 보이는 여러 동적 부하 변경이 있는 파형을 묘사한 것입니다. 전기구동차에 제동 또는 부하가 가해질 때 이런 파형이 나타납니다. 이러한 파형 결과와 로우 데이터(Raw data)를 함께 표시하면 인버터 특성을 추가로 분석할 수 있습니다.

심층 분석

모든 로우 데이터(Raw data)를 사용할 수 있기 때문에 실시간으로 계산하고 자동 시스템으로 스트리밍하여 표시할 수 있는 고급 맞춤 공식을 만들 수 있습니다. 이 시스템은 다상(Multi-phase) 모터, 하이브리드 드라이브, 멀티레벨 인버터 등 일반적인 분석기로 해결하지 못하는 광범위한 용도에 맞게 간단하게 조정할 수도 있습니다.

 

신속한 전기구동차 효율 맵핑(Mapping)

일반 분석기로는 3시간 가량 걸리는 기계 효율 매핑을 1000개의 설정점을 사용하여 약 100초에 실시할 수 있어 일반 분석기보다 100배나 빨라 그림 10과 같이 시간과 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 100초 이내에 테스트를 실시하므로 요소 중 하나인 모터 온도를 고려할 필요가 없습니다. 일반 분석기는 기본 주파수 변경 시 안정적인 결과가 나올 수 있도록 안정되기까지 상당 시간이 걸리기 때문에 약 10초마다 설정점 1개만 가능합니다. 디지털 주기 감지 기능을 사용하면 반주기마다 계산할 수 있습니다. 기계 각도와 몇 가지 고급 공식을 사용하여 고급 모터 맵을 생성할 수도 있어, 토크와 속도 함수로서의 구리 손실 맵과 철-기계 손실 맵 그리고 기계의 최고 작동 상태를 d 및 q 전류 함수로 표현하는 MTPA(암페어당 최대 토크)인 궤적 맵 등으로 기계의 특성을 추가로 파악할 수 있습니다.

 

공간 벡터(Space Vector) 변환

클락 또는 공간 벡터 변환 시간도 단축할 수 있습니다. 3상 시스템의 세 가지 엔티티 a, b, c를 나타내는 공간 벡터를 생성된 토크와 자속을 나타내는 독립된 두 가지 선형 엔티티 α와 β로 변환할 수 있습니다. iα 파형과 iβ 파형을 XY 도표로 나타내어 모든 시스템 불균형과 제어 거동을 간단하게 표시할 수 있습니다.

파크 (dq0) 변환

파크 또는 dq0 변환은 제어 알고리즘을 간단하게 확인합니다. 일반 분석기로 계산하면 몇 시간, 며칠이 걸리는 경우가 종종 있습니다. 그러나 새로운 테스트 방법은 계산 후 결과를 바로 표시하므로 시간과 비용이 크게 절감됩니다. 결과로 나오는 id 파형과 iq 파형은 토크와 자속의 현재 구성요소를 나타냅니다. 0(제로) 요소는 시스템의 대칭과 균형을 나타내는 척도입니다. 모터의 균형이 완벽할 경우 0(제로) 요소가 0입니다. 따라서 인버터가 id와 iq 결과를 토대로 결정하기 때문에 제어 알고리즘을 확인하기가 더욱 쉬우며, 이러한 알고리즘은 인버터 전자장치에 의해 전압과 전류로 변환된 후 테스트 도구가 측정한 모터로 전송됩니다. 따라서 인버터 알고리즘 엔지니어가 모터로 전송된 것과 모터의 실제 작동 상태를 파악하기가 쉽습니다. 이후 더 좋은 결과를 얻고 효율을 높일 수 있도록 알고리즘을 개선할 수 있습니다.

 

결론

앞에서 설명한 새로운 효율 테스트 방법에서 몇 시간이나 며칠이 아닌 몇 초 안에 전기 모터, 인버터, 드라이브 트레인을 분석하여 시간과 비용을 크게 줄여주는 획기적인 도구를 확인했습니다. 따라서 훨씬 더 효율적인 전기 모터, 인버터, 드라이브 트레인을 신속하게 확보하여, 인버터로 구동되거나 가변 속도 드라이브가 있는 전기 기계를 포함하는 모든 용도에서 생산성을 높이고, 기능을 개선하며, 연구개발을 촉진할 수 있습니다.

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