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BLDC 모터를 정류하는 보다 효과적인 방법

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글/Jeff Smoot, CUI Devices

브러시리스 직류 전기 모터(BLDC)는 외부 모터 제어기를 통해 DC 전원에서 전력을 공급받는 전기 정류 모터이다. 브러시 직류 전기 모터와는 다르게, BLDC 모터는 외부 컨트롤러에 의존하여 정류를 수행한다. 정류는 동작을 생성하기 위해 모터 위상의 전류를 스위칭하는 프로세스이다. 브러시 모터는 물리적 브러시를 사용하여 이 공정을 회전당 두 번 수행하지만, BLDC 모터는 그렇지 않으며 설계 특성으로 인해 정류를 위한 극 쌍을 얼마든지 가질 수 있다. 이 기사에서는 BLDC 모터 기본 사항을 검토하고 BLDC 모터 정류를 위한 일반적인 방법을 살펴보며 위치 피드백을 수집하기 위한 새로운 솔루션을 소개한다.

BLDC 모터 통신 기본 사항

BLDC 모터의 가장 일반적인 구성은 3상이다. 회전자 극은 응용 제품에 따라 쌍 개수가 달라질 수 있지만, 위상 개수는 고정자에 있는 권선 개수와 일치해야 한다. BLDC 모터의 회전자가 회전 고정자 극의 영향을 받으므로, 3상 모터를 효과적으로 사용하려면 고정자 극의 위치를 추적해야 한다. 따라서 3개 모터 위상의 6단계 정류 패턴을 생성하기 위해 모터 컨트롤러가 사용된다. 이러한 6단계 또는 정류 위상이 전자기장을 움직이면 회전자의 영구 자석이 모터 샤프트를 움직인다(그림 1).

컨트롤러가 모터를 효율적으로 정류하려면 항상 회전자의 위치에 대한 정확한 정보가 있어야 한다. 홀 효과 센서는 브러시리스 모터가 시작된 이후 정류 피드백에 인기 있는 선택지였다. 일반적인 시나리오에서 3상 제어에는 3개 센서가 필요하다. 홀 효과 센서는 모터의 고정자에 내장되어 회전자의 위치를 감지하며, 모터를 구동하는 3상 브리지에서 트랜지스터를 전환하는 데 사용된다. 3개의 센서 출력은 일반적으로 U, V, W 채널로 알려져 있다. 안타깝게도 이 위치 피드백 방법에는 몇 가지 결점이 있다. 홀 효과 센서의 BOM 비용은 낮지만 이러한 센서를 BLDC에 통합하는 비용은 총 모터 비용의 두 배에 달할 수 있다. 또한, 컨트롤러는 홀 효과 센서에서 모터 위치의 부분적인 그림만 가져오므로, 올바른 작동을 위해 정확한 위치 피드백을 필요로 하는 시스템에서 문제를 일으킬 수 있다.

매우 뛰어난 정밀도를 제공하는 인코더

오늘날의 세계에서 BLDC 모터를 필요로 하는 시스템은 그 어느 때보다 위치 측정 시 훨신 더 높은 정밀도를 요구한다. 이를 달성하기 위해 홀 효과 센서에 더해 증분식 인코더를 BLDC 모터에 연결할 수 있다. 이는 향상된 위치 피드백을 제공하는 시스템을 제시하지만, 이제 모터 제조업체는 조립 후 증분식 인코더와 함께 모터에 두 홀 센서를 추가해야 한다. 홀 효과 센서를 모두 건너뛰고 증분식 인코더를 정류 인코더로 교체하는 것이 더 현명한 선택이다. 이러한 정류 인코더(예: CUI Devices의 AMT31 계열 또는 AMT33 계열)는 모터의 특정 극 구성과 일치하는 정류 출력과 함께 정밀 위치 추적에 대해 증분식 출력을 제공한다. 디지털 방식의 CUI Devices 정류 인코더는 극 개수, 분해능, 방향을 비롯한 이러한 파라미터를 프로그래밍할 수 있도록 한다. 이는 시제품 제작 및 테스트 동안 엔지니어에게 유연성을 제공할 뿐만 아니라 여러 설계에 걸쳐 인코더 SKU 개수를 감소시킨다.

정류 모터 정렬

전류가 모터에 인가되면 모터가 회전하고, 반대로 모터를 회전시키면 전류가 생성된다. BLDC 모터를 회전할 경우 아래의 그림 2와 같이 3상에서 출력이 나타날 수 있다. BLDC 모터에 대해 정류 인코더 또는 홀 효과 센서를 적절하게 정렬하려면 결과로 나타나는 정류 파형을 역 EMF에 맞게 정렬해야 한다. 일반적으로, 이렇게 하면 첫 번째 모터를 구동하기 위한 두 번째 모터와 파형을 관측하기 위한 오실로스코프를 필요로 하는 반복 프로세스가 야기된다. 이는 시간이 많이 소요될 수 있으며 제조 공정 동안 상당한 비용이 추가될 수 있다.

AMT 정전 용량 방식 인코더를 사용하면 정렬 프로세스가 거의 즉각적이며 전원 공급 장치만 있으면 된다. 인코더가 실장되면 사용자는 AMT 인코더의 원하는 시작 위치에 해당하는 2상에 전력을 인가하고 정렬 명령을 보내기만 하면 된다. 그렇게 하면서 사용자는 기본적으로 인코더의 정류 파형과 모터의 역 EMF 파형의 시작 위치를 설정했다.

정렬 용이성 외에도 AMT 인코더의 정류 신호는 모터 극에 훨씬 더 정밀하게 정렬된다. 모터에 정류 인코더를 정렬하면 시작 위치(예: 정류 파형이 시작되는 위치)만 설정된다. 올바르게 수행될 경우 정류 파형이 모터의 역 EMF 파형과 완벽하게 일치한다. 그러나, 항상 이렇게 구현할 수 있는 것은 아니다. 홀 센서 또는 광학 인코더에 대한 일반적인 정렬은 대략적으로 ±1 전기 각도이다. 반면 AMT 인코더는 일반적으로 ±0.1 전기 각도 내의 훨씬 더 뛰어난 정밀도를 달성할 수 있다. AMT 인코더의 파형은 U와 W가 모두 High일 때 시작된다(위 파형의 세 번째 상태). 모터 제조업체에 적절한 역 EMF 다이어그램을 문의하여 정렬 중에 활성화되어야 하는 위상을 결정한다.

AMT 정류 인코더에 대한 직접 설정

프로그래밍 가능한 극 수 및 분해능 기능과 함께 AMT 계열은 대부분의 다른 정류 인코더 제조업체에서 제공하지 않는 고유한 옵션인, 정류 응용 제품에 대한 방향 설정을 제공한다. 간단히 설명하자면, 방향은 정류 신호가 진행되기 위해 인코더 샤프트가 어느 방향으로 회전해야 하는지 알려준다. 일반적으로 정류 인코더는 모터의 백 샤프트에 배치된다. 이 시나리오에서 정류 신호는 모터가 시계 반대 방향으로 회전할 때(모터 뒤에서 볼 때) 상태를 통해 진행된다. 

그러나 인코더를 프런트 샤프트에 배치하면 본질적으로 인코더를 거꾸로 뒤집은 것이므로 이제 모터를 시계 반대 방향으로 회전할 때(뒤에서 볼 때), 인코더 샤프트는 실제로 시계 방향으로 회전한다(인코더에서 위에서 아래로 볼 때). 즉, 아래 그림 3과 같이 모터의 극이 인코더의 극과 반대 방향으로 회전하고 있음을 의미한다. 이 프로그래밍 가능 옵션을 포함하지 않는 다른 기술은 동일한 작업을 수행하기 위해 인코더 디스크 또는 U, V, W 채널의 물리적 스와핑이 필요하다. 방향 요구 사항이 다양한 여러 BLDC 모터를 사용하는 응용 제품의 경우 이 프로그래밍 가능 기능이 특히 유용할 수 있다.

[그림 3] 역 EMF와 반대로 진행되는 정류 파형 (이미지 출처: CUI Devices)

결론

BLDC 모터는 사용이 계속 증가하고 있으며 긴밀한 제어 루프와 고정밀 위치 감지 피드백이 제공될 때 많은 응용 분야에서 탁월할 수 있다. 홀 효과 센서는 BOM 비용이 낮기 때문에 수년 동안 가장 많이 사용되는 솔루션이었지만 증분식 인코더와 페어링하지 않는 한 모터 위치에 대한 완전한 그림을 제공하는 데 부족한 경우가 많다. 그러나 CUI Devices의 AMT 정류 인코더는 홀 효과 센서와 증분형 인코더가 모두 필요하지 않은 일체형 솔루션을 제공한다. CUI Devices의 AMT31 또는 AMT33 정류 인코더는 유연한 프로그래밍 기능과 간단한 설치 덕분에 시장에서 가장 다능한 옵션이다. 이 기사에 설명된 대로 정류 인코더 원리에 대한 기본적인 이해는 향후 BLDC 모터 프로젝트에 대한 매력적인 옵션이 될 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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