BLDC 모터의 효과적인 활용 방법

CUI

브러시리스 DC 모터

브러시리스(brushless) DC 모터, 줄여서 BLDC 모터는 브러시 모터와 달리, 외부 모터 컨트롤러에 의한 DC 전원으로 구동되는 전자 정류식 전동기이다. 정류는 모션을 생성하기 위해 모터 위상에서 전류를 스위칭하는 프로세스이다. 브러시 모터는 회전당 두 번의 프로세스를 수행하기 위해 물리적인 브러시가 있으며, BLDC 모터는 이름처럼 그것이 없다. 설계 특성상 정류를 위한 폴 페어(pole pair)를 여러 개 가진다.

BLDC 모터는 기존의 브러시 모터보다 장점이 많다. 일반적으로 효율을 15~20% 증가시킨다. 브러시가 없어 물리적인 마모가 적고, 모든 정격 속도에서 일정한 토크 곡선을 보인다.
BLDC 모터는 새로운 발명은 아니다. 다만 제어가 어렵고 피드백 회로가 필요해 빠르고 광범위하게 채택되지 못했다. 그러나, 최근의 반도체 기술 발전과 영구 자석의 개선, 효율 향상에 대한 요구로 BLDC 모터는 많은 애플리케이션에서 브러시 모터를 대체하게 되었다.

BLDC 모터는 백색 가전과 자동차, 우주 항공, 소비자, 의료, 산업 자동화 장비, 계측기를 포함한 많은 산업 분야에서 틈새시장을 찾았다.
많은 애플리케이션에 BLDC 모터가 필요한 추세이므로 엔지니어들도 이것을 사용하게 될 것이다. 모터 설계의 기본 사항은 같다. 여기에 외부 제어 회로의 추가로 다른 설계 사항을 추가해야 한다. 설계 시 가장 고려할 점은 모터 정류에 대한 피드백을 얻는 방법이다.

모터 정류(Motor Commutation)

BLDC 모터에 대한 피드백 옵션을 너무 깊이 파고들기 전에, 그것이 필요한 이유를 이해해야 한다. BLDC 모터는 단상과 2상, 3상 구성이 있다. 가장 일반적인 구성은 3상이다. 위상의 개수는 고정자의 권선 수와 일치하지만, 회전자 극은 애플리케이션에 따라 임의의 수의 쌍이 된다. 그리고 BLDC 모터의 회전자는 회전하는 고정자 극의 영향을 받으므로 3개의 모터 위상을 효과적으로 구동하려면 그것의 위치를 추적해야 한다. 따라서 모터 컨트롤러를 사용하여 3개의 모터 위상에 6단계 정류 패턴을 생성한다. 이 6단계 정류 패턴은 전자기장을 이동시켜 로터의 영구 자석이 모터 샤프트를 움직인다.

이 표준 모터 정류 시퀀스로, 모터 컨트롤러는 고주파 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 사용하여 모터의 평균 전압을 효과적으로 감소시켜 속도를 변화시킨다. 또한 DC 전압 소스가 모터의 정격 전압보다 훨씬 더 큰 경우에도, 넓은 범위의 모터에 하나의 전압 소스를 사용할 수 있어 설계 유연성을 크게 높인다. 이 시스템이 브러쉬 기술보다 효율성을 유지하려면 모터와 컨트롤러 간의 매우 엄격한 제어 루프가 필요하다.

여기서 피드백 기술이 중요해진다. 모터의 정확한 제어를 위해 컨트롤러는 로터와 관련하여 고정자의 정확한 위치를 항상 알아야 한다. 예상되는 위치와 실제 위치의 불일치나 위상 변화로 바람직하지 않은 동작과 성능 저하가 발생할 수 있다. BLDC 모터의 정류에 대한 피드백을 얻는 가장 일반적인 방법은 홀 효과 센서와 엔코더, 리졸버이다. 일부 애플리케이션에서는 센서리스 정류 기술에 의존한다.

포지션 피드백

브러시리스 모터가 적용되면서 홀 효과 센서는 정류 피드백의 핵심 요소가 되었다. 3상 제어는 3개의 센서만 필요하며 단위당 비용은 매우 저렴하므로, BOM 비용 관점에서만 보면, 정류를 달성하는 데 가장 경제적인 옵션이다.

홀 센서는 모터의 고정자에 내장되어 모터를 구동하는 3상 브리지의 트랜지스터를 전환하는 회전자 위치를 감지한다. 3개의 홀 효과 센서 출력은 일반적으로 U와 V, W 채널로 표시된다. 홀 센서는 BLDC 모터를 정류하는 데 효과적인 솔루션이지만 BLDC 시스템의 요구를 절반만 해결한다.

홀 효과 센서는 컨트롤러로 BLDC 모터를 구동시키지만 유감스럽게도 그것의 속도와 방향을 제한한다. 3상 모터의 경우 홀 효과 센서는 각 전기 사이클 내에서만 각도 위치를 제공한다. 폴 페어의 수가 증가하면 기계적 회전당 전기적 사이클의 수도 증가하고, BLDC 사용이 보다 보편화되므로 더 정확하게 위치를 감지해야 한다. 강력하고 완벽한 솔루션이 되도록 BLDC 시스템은 실시간 위치 정보를 제공해야 하므로 컨트롤러는 속도와 방향은 물론 이동 거리와 각도 위치도 추적한다.

정밀한 위치 정보를 얻기 위한 일반적인 솔루션은 BLDC 모터에 증분형(incremental) 로터리 엔코더를 추가하는 것이었다. 증분형 엔코더는 같은 제어 피드백 루프 시스템 내 홀 효과 센서에 추가된다. 홀 센서는 모터 정류를, 엔코더는 위치와 회전, 속도, 방향을 더 정확하게 추적하는 데 사용된다. 홀 센서는 각 홀의 상태가 변경될 때만 새로운 위치 정보를 제공하므로, 정밀도는 전기적 회전마다 6개 홀의 상태를 제한한다. 2극 모터의 경우에도, 기계적 회전 당 6개의 홀 상태를 제한한다. 수천 PPR(1회전당 펄스 수)의 해상도를 제공하는 증분형 엔코더와 비교하여 4배 많은 상태 변경으로 디코딩하므로, 두 가지는 모두 필요하다.

모터 제조업체는 홀 효과 센서와 증분 엔코더를 모터에 장착해야 하므로, 많은 엔코더 제조업체가 정류 출력을 갖춘 증분 엔코더(정류기 엔코더라고도 함)를 제공하게 되었다. 이 엔코더는 대부분의 BLDC 모터 드라이버에 필요한 표준 U와 V, W 정류 신호와 함께 기존의 쿼드러처(quadrature) A와 B 채널(때때로 한 번만 회전하는 인덱스 펄스 채널 Z)을 제공하도록 설계되었다. 따라서 모터 설계자는 홀 효과 센서와 증분 엔코더를 모두 설치하는 불필요한 단계를 줄일 수 있다.

이러한 접근법은 설득적이지만, 심각한 절충 문제(tradeoff)가 있다. 전술한 바와 같이, BLDC 모터가 효율적으로 정류되기 위해서는 회전자와 고정자 위치를 알아야 한다. 따라서 정류 엔코더의 U/V/W 채널이 BLDC 모터의 위상에 적절하게 정렬되도록 주의해야 한다.

광디스크에 고정 패턴을 가진 광학 엔코더와 수동으로 배치해야 하는 홀 효과 센서의 경우, BLDC 모터의 정렬을 바르게 하는 프로세스는 반복적이며 많은 시간이 소요된다. 여기에는 제2 모터와 오실로스코프 같은 추가 장비가 필요하다. 광학 엔코더나 홀 효과 센서 세트를 정렬하려면 BLDC 모터를 제2 모터에 백드라이브해야 한다. 모터가 제2 모터에 의해 일정 속도로 회전하면, 오실로스코프는 3개의 모터 상 중 역기전력을 모니터하는 데 사용된다.

엔코더나 홀 센서에서 발생하는 U/V/W 신호는 오실로스코프에 표시된 역기전력 파형으로 확인해야 한다. U/V/W 채널과 역기전력 파형 간에 차이가 있으면 조정해야 한다. 이 과정은 모터당 20분 이상 소요되며 대규모의 실험 시설이 필요하다. BLDC 모터 사용을 방해하는 주요 원인이기도 하다. 광학 정류기 엔코더는 하나의 기술만 설치하는 데 큰 부담이 된다. 그러나 다양성 부족이 광학 정류기 엔코더의 단점이기도 하다.

광학 엔코더는 광디스크에 고정 패턴을 사용하므로 주문 전에 모터 극 수와 쿼드러처 해상도, 모터 샤프트 크기를 알아야 한다.

용량성 정류 엔코더(Capacitive Commutation Encoder)

CUI Inc는 AMT 제품군에서 사용되는, 특허받은 용량성 기술을 바탕으로 향상된 정류기 엔코더로 두 가지 문제를 해결했다.
광학 엔코더는 특정 간격의 노치(notch)가 있는 디스크에 아주 작은 LED로 빛을 전송하여 출력 패턴을 생성한다. AMT AMT 엔코더는 방식은 유사하지만, LED의 빛 대신 전기장이 전송된다. 광디스크의 위치에는 전기장을 변조하는 정현파 패턴의 금속 트레이스가 포함된 PCB 로터가 있다. 변조된 신호의 수신 단은 송신기로 다시 전달되며, 독점 ASIC을 통해 원본과 비교된다.

이 기술은 확실성과 정확성을 인정받은 버니어 디지털 캘리퍼스(Vernier digital caliper)와 같은 원리를 사용한다.
AMT31 시리즈 정류기 엔코더는 증분 출력 A/B/Z와 정류 출력 U/V/W를 제공한다. 용량성 ASIC과 온보드 MCU를 포함한 설계로 인코더는 디지털 출력을 생성한다. 사용자는 버튼을 한 번만 눌러도 엔코더의 영점 위치를 디지털 방식으로 설정할 수 있다.

BLDC 모터를 원하는 상태나 영점으로 잠그고, AMT One Touch Zero™ 모듈이나 AMT Viewpoint™ 프로그래밍 GUI로 AMT31 인코더를 제로로 설정하기만 하면 된다. 따라서 모터를 백드라이브하거나 오실로스코프로 출력 신호를 보지 않고도 효과적으로 조립 공정 시간을 20분 줄일 수 있다.

또한 용량성 기술로 직교 분해능과 정류 출력을 동적으로 조정할 수 있다. 사용자는 AMT View Encoder를 AMT Viewpoint GUI에 연결하고 20개의 쿼드러처 해상도(최대 4096PPR)와 7개의 표준 폴 페어 옵션(최대 20극) 목록에서 선택하고 ‘프로그램’을 누르기만 하면 된다. 이는 엔지니어가 프로토타입을 빠르고 쉽게 변경할 수 있어 개발 시 장점이 된다. 또한, SKU(단일 재고 보관 단위)를 다른 해상도나 BLDC 극 수가 다중인 모터 제어에 사용할 수 있어 생산 공급망 관리에도 도움이 된다.

일반적으로 사용되는 모터 축 직경에 적합한 여러 장착 옵션과 슬리브 크기를 제공하므로, 다중 해상도와 폴 페어 수를 지원하는 개별 장치와 더불어, 엔코더 하우징은 쉽게 조립할 수 있도록 설계되었다.

자료 제공: CUI(http://www.cui.com)