영구자석 동기전동기 회전 원리 알아보기

영구자석 동기전동기는 전기 에너지를 기계적인 회전 운동으로 변환하는 기계입니다. 최근, 전동화를 기반으로 다양한 산업이 발전하고 있으며, 이와 함께, 높은 효율을 가진 영구자석 동기전동기의 기술적인 발전도 이루어지고 있습니다. 오늘은 영구자석 동기전동기의 회전 원리에 대해 알아보겠습니다.

 

위치 센서 및 데이터 수집

영구자석 동기전동기의 회전엔 위치 센서가 중요한 역할을 합니다. 위치 센서는 영구자석 회전자의 현재 위치를 감지하고 이 정보를 제어 시스템에 전송합니다. 위치 센서는 일반적으로 엔코더, 레졸버, 홀센서로 구현됩니다.

 

제어 시스템

제어 시스템은 위치 센서로부터 받은 데이터를 기반으로 영구자석 동기전동기를 제어합니다. 실제 위치 정보와 지령 위치 정보를 비교하여 두 값의 차이인 오차값을 바탕으로 최적의 제어가 가능하도록 설계되어 있으며, 주로 PID(Proportional-Integral-Derivative) 컨트롤러 또는 다른 제어 알고리즘을 사용합니다.

PID 컨트롤러

PID는 Proportional, Integral, Derivative의 줄임말입니다. 즉, PID 제어기는 비례제어기, 적분제어기, 미분제어기가 합쳐진 제어기를 의미합니다. 비례제어기의 비례 이득은 제어기의 응답성을 개선하며, 적분제어기는 제어기의 잔류 오차를 없애주는 역할을 합니다. 마지막으로, 미분제어기는 제어기의 급격한 변화를 방지하는 역할을 하게 되며, 이를 통해 오버슛(Overshoot)을 방지할 수 있게 됩니다.

 

전류 공급 프로세스

영구자석 동기전동기는 3상 전류 공급을 필요로 합니다. 전류는 고정자에 인가되며, 인가 전류로 인해 고정자의 권선이 전자석의 역할을 하게 되며 회전자계가 생성됩니다. 제어 시스템은 회전 속도 및 위치 오차에 따라 적절한 전류를 공급하고 유지합니다. 전류 공급은 3상 인버터같은 전력 공급 장치를 통해 이루어집니다. 만약, 회전 속도를 줄이거나 전동기의 출력 토크 값을 줄이고 싶다면 인버터 ON 스위치의 Duty 값을 줄이는 PWM 제어를 통해 구현할 수 있으며, 인버터의 과열 방지를 위해 전류 제한 및 보호 기능이 포함된 전원 공급 장치를 사용합니다.

 

상호작용 및 회전

고정자의 회전자계와 회전자의 영구 자석이 상호작용하며 회전합니다. 회전자계는 회전자의 자석을 향해 힘을 발생시키고, 이 힘은 회전자 영구자석을 회전시킵니다. 영구자석 동기전동기에서 '동기'가 의미하는 것은 회전자의 회전 속도가 고정자에서 발생한 회전자계의 회전속도와 정확하게 일치하는 것을 의미합니다. 이러한 동기화 원리를 통해 영구자석 동기전동기는 전류를 제어함으로써 회전 속도와 위치를 제어할 수 있게 됩니다.

 

오늘은 영구자석 동기전동기의 회전 원리와 함께 PID 제어기에 대해 알아보았습니다. 다음 포스팅은, 영구자석 동기전동기의 속도 제어를 비롯한 제어 프로세스에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 감사합니다.