BLDC 모터의 센서리스 제어에 대해 알아보자

BLDC 모터는 모터 단가를 줄이기 위해 센서를 없앤 센서리스 제어를 활용하고 있습니다. 최근 몇년간, 센서리스 제어에 관련한 많은 연구가 진행이 되었으며, 전동화 기반 산업이 발전하고 있는 현재와 미래에도 꾸준히 연구될 것입니다. 오늘은 센서리스 제어의 원리를 비롯해 장점과 단점에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

원리

BLDC 모터의 센서리스 제어는 모터 내부에서 생성되는 역전압(Back EMF)을 활용합니다. 역전압은 모터가 회전할 때, 각 상에서 생성되며, 이 역전압의 크기와 모양은 회전자의 위치와 모터의 회전 속도와 관련이 있습니다. 이 역전압 데이터를 활용해서 모터의 위치 제어나 속도 제어를 진행할 수 있습니다.

 

역전압 검출

BLDC 모터에서 검출되는 역전압은 모터 내부에서 발생하며, 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 생성됩니다. BLDC 모터는 전기각 60도마다 여자되는 2개의 상이 변화되는 2여자 방식을 활용하고 있습니다. 이때, 여자되지 않은 비여자상의 역기전력은 항상 0을 통과하게 되는데, 이 지점을 ZCP(Zero Crossing Point)라고 부릅니다. ZCP로부터 전기각으로 30도 지난 후 여자되는 상을 변환하는 상전환이 이루어집니다. 정리해보면, 역전압을 검출함으로써 ZCP를 찾을 수 있게 되고, ZCP를 찾음으로써 상전환 시점을 정하여 모터의 인가 전류를 제어할 수 있게 됩니다.

 

주파수 변환

BLDC 모터의 센서리스 제어에서 주파수 변환은 시간 영역의 역전압 신호를 주파수 도메인으로 변환하는 푸리에 변환을 활용합니다. 주파수 변환은 역전압 신호의 주기성을 분석합니다. 주기성은 신호가 일정한 주기로 반복되는 특성을 의미하며, 신호가 빠른 주기로 검출이 된다면 모터가 빠른 속도로 회전하고 있음을 의미하며, 신호가 느린 주기로 검출된다면, 모터가 느린 속도로 회전하고 있음을 의미합니다.

 

PWM 제어

BLDC 모터의 센서리스 제어는 모터를 원하는 방향과 원하는 속도로 구동시키기 위해 PWM 제어를 사용합니다. PWM 제어는 디지털 신호를 사용하여 모터에 가해지는 전압과 전류를 변조하는 방법으로, 듀티를 조절하여 모터의 속도와 토크를 조절할 수 있습니다. 

듀티(Duty)

PWM 제어는 주기적으로 스위치를 ON/OFF 함으로써 신호의 평균값을 만들어내게 되는데, 듀티는 스위치가 ON 상태로 유지되는 시간의 비율을 의미합니다. 예를 들어, 30% 듀티는 전체 신호 주기에서 스위치 ON된 상태가 30%임을 의미합니다.

 

장점

BLDC 모터에서 센서리스 제어를 활용함으로써 홀센서같은 위치 센서를 사용하지 않을 수 있습니다. 따라서, 하드웨어 부품 수를 줄여 모터 단가 저감의 이점을 얻을 수 있으며, 모터 사이징을 간소화시킬 수 있게 되어 모터 범용성 증가의 효과를 볼 수 있습니다. 또한, 기존 센서의 고장이나 기계적 결함 및 오차로 인한 문제를 피하여 모터의 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

 

단점

모터의 역기전력은 모터의 회전 속도와 비례하기 때문에, 저속 영역에서는 역기전력이 잘 검출되지 않습니다. 따라서, 저속 영역에서 센서리스 제어를 활용하는데 제약사항이 있고, 이를 해결하기 위해선 회전자의 초기 위치를 강제 정렬 후 기동하거나, 별도의 방법으로 초기 위치를 검출 후 기동시켜야 합니다. 또한,  고속에서는 상 인덕턴스 성분에 따라 전류의 지연 현상이 발생할 수 있어 여자되지 않아야 할 구간에 여자가 될 수 있습니다. 이러한 문제들을 해결하기 위해선, 신뢰성 높은 센서리스 알고리즘 개발이 필수적입니다.

 

오늘은 BLDC 모터 제어의 센서리스 제어에 대해 알아보았습니다. 최근, UAM이나 전기자동차를 포함한 신기술에 BLDC 모터가 사용되고 있는데, 이러한 센서리스 제어를 활용한다면 BLDC 모터의 범용성이 더욱 증가할 수 있을 것입니다. 오늘도 긴 글 읽어주셔서 감사드리고, 다음엔 더욱 알찬 포스팅으로 찾아뵙겠습니다. 감사합니다.