영구자석 동기전동기 속도 제어 프로세스에 대해 알아보기

영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)는 고성능 고효율 전동기 중 하나로, 주로 정밀한 속도 제어가 필요한 제품에서 사용됩니다. 통상적으로 사용되는 제어기인 PI 제어기와 함께 영구자석 동기전동기의 속도 제어 프로세스에 대해 알아보겠습니다.

 

영구자석 동기전동기의 속도 제어 프로세스는 다음과 같은 핵심 구성 요소로 이루어집니다.

 

피드백 센서(위치센서, 속도센서)

영구자석 동기전동기 회전자 자석의 현재 위치 및 회전 속도를 측정하는 센서를 의미하며, 일반적으로 엔코더 또는 홀 센서가 사용됩니다. 이 정보는 PI 제어기의 입력값이 되어 오차값 계산에 이용됩니다.

 

PI 제어기

PI 제어기는 속도 제어에서 주로 사용되는 일반적인 제어 알고리즘 중 하나로, 피드백 센서의 정보를 기반으로 현재 속도와 목표 속도 간의 오차를 계산하고 비례 및 적분 제어를 사용하여 제어 입력을 생성합니다.

Proportional(비례) 제어

PI 제어의 비례 제어 요소는 현재 속도와 지령 속도 간의 오차를 계산하고 이 오차에 비례하여 제어 입력을 조절합니다. 오차가 크면 더 강한 제어 입력을 생성하며, 오차가 작아지면 제어 입력이 줄어듭니다. 이를 통해 초기 오차를 빠르게 감소시키는 역할을 합니다. 만약, 이득값이 너무 크다면 오히려 제어기의 불안정을 야기할 수 있습니다.

Integral(적분) 제어

PI 제어의 적분 제어 요소는 잔류 오차를 제거해주는 역할을 해줍니다. 비례제어만 존재할 때, 오차 값은 완벽한 0이 될 수 없습니다. 반면에, 적분 제어는 오차의 누적값을 계산하고 시스템이 오차 없이 안정적으로 동작하도록 도와주기 때문에, 완벽한 속도 제어가 이루어지는 데 필수적입니다.

 

3상 인버터

3상 인버터는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 장치로, 영구자석 동기전동기에 전원을 제공하는 역할을 하게 됩니다. 전류 PI 제어기에서 생성한 직류 전원을 입력으로 받아오며, SVPWM이나 SPWM 등의 PWM 제어 방식을 통상적으로 사용해 직류 전원을 3상 교류 전원으로 출력해내어 영구자석 동기전동기에 전달합니다. 인버터는 스위칭 반도체 소자들의 과열을 방지할 수 있는 구동 회로가 필요하며,  스위칭 주기 사이에 Deadtime을 부여함으로써 PWM 제어 시 인버터 회로를 안정적으로 유지할 수 있습니다.

 

속도 제어 프로세스

엔코더나 홀 센서 같은 피드백 센서로부터 영구자석 동기전동기의 회전 속도나 회전자의 위치 정보를 받아 PI 제어기가 지령 속도와 현재 속도 간의 오차를 계산하게 됩니다. 이후, PI 제어기는 계산된 값을 인버터에 전달하고, 인버터는 스위칭 ON/OFF를 통한 PWM 제어를 통해 전동기에 필요한 3상 전력을 공급하고 회전 속도를 조절하게 됩니다. 이 과정을 지속적으로 반복함으로써, 영구자석 동기전동기의 정밀한 속도 제어가 이루어지게 됩니다. 

 

오늘은 고성능 고효율의 특징을 가지고 다양한 산업군에서 사용되는 영구자석 동기전동기 속도 제어 프로세스에 대해 알아보았습니다. 다음 포스팅은 더욱더 유익한 정보로 돌아오겠습니다. 감사합니다.