백 EMF를 통한 무센서 BLDC 모터 제어

브러시리스 DC(BLDC) 모터의 인기가 점점 높아지고 있는 이유는 그 이름에서 알 수 있듯이 기존의 모터에서 사용하는 소모되기 쉬운 브러시 대신 장치의 신뢰성을 향상하는 전자 컨트롤러를 사용하기 때문입니다. 또한 BLDC 모터는 동일한 전력 출력을 가진 브러시 유형보다 더 작고 가볍게 만들 수 있으므로 공간이 협소한 응용 제품에 적합합니다.

고정자와 회전자 간에 기계적 또는 전기적 접점이 없으므로 모터 제어를 사용하려면 구성 부품의 상대적 위치를 표시하는 대체 방식이 필요합니다. BLDC 모터는 이를 위해 홀 센서를 이용하거나 백 EMF를 측정하는 두 가지 방법 중에 한 가지를 사용합니다.

이전 기사에서 홀 효과 센서 기반 제어(예: TechZone 기사 'BLDC 시스템의 폐쇄 루프 제어 사용' 참조)에 대해 알아보았습니다. 이 기사는 대체 백 EMF 방법에 대해 상세히 다룹니다.

센서 불필요

BLDC 모터는 기존 장치의 기계적 정류자를 구성하는 소모 부품을 사용하지 않아 안정성이 향상됩니다. 또한 BLDC 모터는 높은 토크/모터 크기 비율, 빠른 작동 응답 및 사실상 무소음 작동을 제공합니다.

BLDC 모터는 고정자와 회전자의 자기장이 동일한 주파수에서 자기장 때문에 동기식 장치로 분류됩니다. 고정자는 내부 주변 장치에 짝수의 권선을 수용하도록 축방향으로 슬롯된 강철 래미네이트로 구성됩니다. 회전자는 2개 ~ 8개의 N극-S극 쌍을 가진 영구 자석으로부터 만들어집니다. 

BLDC 모터의 전자 정류자는 그 주변의 회전자를 ‘드레그’하는 회전 전기장을 생성하는 고정자 코일에 순차적으로 동력을 공급합니다. 정확한 시간에 코일에 동력이 공급되도록 보장하여 효율적인 작동이 이루어집니다. 

센서로도 할 수 있지만 비용이 추가되고 추가 권선으로 인해 복잡성이 증가되며 센서 커넥터가 먼지와 습기로부터 오염되기 쉽기 때문에 안정성이 감소합니다. 무센서 제어는 이러한 단점을 해결합니다.

백 EMF의 이점 사용

권선이 자기장 라인 사이를 통과하면서 전자 모터의 권선은 생성기처럼 작동합니다. 전위는 권선에서 생성되고 전압으로 측정되며 기전력(EMF)이라고 부릅니다. Lenz의 규칙에 따라 이 EMF는 모터를 회전시키는 자속의 초기 변경을 거스르는 보조 자기장을 발생시킵니다. 간단히 말해서 EMF는 모터의 자연적 운동에 저항하고 이를 '백' EMF라 부릅니다. 자속 및 권선 수가 고정된 주어진 모터에 대해 EMF의 강도는 회전자의 각 속도에 비례합니다. 

BLDC 모터의 제조업체는 백 EMF 상수라고 하는 파라미터를 지정하여 주어진 속도에 대한 백 EMF를 예측합니다. 권선에 걸친 전위는 공급 전압에서 백 EMF 값을 빼서 계산할 수 있습니다. 모터는 정격 속도에서 실행될 때 백 EMF 및 공급 전압 간의 전위차 및 공급 전류로 인해 모터가 정격 전류를 내고 정격 토크를 전달하도록 설계되어 있습니다. 

정격 속도를 초과하여 모터를 구동하면 백 EMF를 상당히 증가시키고 권선에 걸쳐 전위차를 감소시켜 전류를 줄이고 토크를 낮추게 됩니다. 모터를 더 빨리 돌게 하면 공급 전압과 정확히 일치하는 백 EMF 및 모터 손실을 초래하여 전류와 토크는 모두 제로가 됩니다.

백 EMF가 모터의 토크를 손상시키기 때문에 때로는 이것을 단점으로 간주하지만 BLDC 모터의 경우에 엔지니어들은 이 현상을 장점으로 전환시켰습니다.

3상 BLDC 모터에 대한 정류 시퀀스의 각 단계는 권선 중에 하나를 양극으로, 두 번째는 음극으로, 세 번째는 개방된 채로 동력을 공급함으로써 이루어집니다. 그림 1은 이 모터의 여섯 단계 정류 시퀀스 중 첫 번째 단계를 나타내는 간단한 회로도입니다.

그림 1: BLDC 모터의 여섯 단계 전기적 주기 중 첫 번째 단계 코일 A는 양극으로 동력이 공급되고 B는 개방되며 C는 음극으로 동력이 공급됩니다(제공: Microchip).

홀 센서를 사용하는 BLDC 모터는 MCU로 제어되고 구동기를 통해 작동하는 장치의 출력을 사용하여 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 또는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 전환함으로써 정확하고 순차적으로 코일에 동력을 공급하도록 합니다. 홀 센서 출력이 상태를 변경하면 트랜지스터가 트리거되고 코일에 동력이 공급됩니다.¹

무센서 BLDC 모터의 경우 홀 효과 센서가 없습니다. 대신 모터가 회전하면서 3개 코일의 백 EMF는 그림 2에 표시된 사다리꼴 파형(긴 파선)으로 변합니다. 비교를 위해 비슷하게 구성한 모터의 홀 센서 출력도 같은 그림에 표시되어 있습니다.

그림 2: 3상 BLDC 모터에 대한 홀 센서 출력과 백 EMF 비교. 홀 센서 출력을 전환하는 방법은 무센서 모터에서 제로점을 교차하는 해당 코일의 백 EMF와 일치합니다(제공: Microchip).

모든 3개 코일의 제로 교차점의 결합은 코일 동력 공급 시퀀스를 결정하는 데 사용됩니다. 기존의 BLDC 모터에서 출력을 변경하는 개별 홀 센서와 30도의 무센서 장치에서 개별 코일에 대한 백 EMF 제로 교차점 간에 위상차가 있습니다. 따라서 무센서 모터 제어 회로에서는 제로 교차점이 감지된 후 동력 공급 시퀀스의 다음 작동이 활성화되기 전에 30도 위상 지연이 펌웨어에 내장되어 있습니다. 그림 2에서 짧은 파선은 코일의 전류를 나타냅니다.

그림 3은 무센서 3상 BLDC 모터의 제어 회로를 나타냅니다. 이 경우, 회로는 마이크로칩 PIC18FXX31 8비트 MCU를 사용하여 펄스폭 변조(PWM) 출력을 생성함으로써 3상 인버터 브리지에서 IGBT 또는 MOSFET을 트리거합니다. MCU는 백 EMF 제로 교차 감지 회로의 입력에 반응합니다.

그림 3: 무센서 3상 BLDC 모터의 제어 회로(제공: Microchip).

백 EMF 감지 방법

백 EMF를 측정하는 다양한 기술이 있습니다. 가장 간단한 방법은 비교기를 사용하여 절반의 DC 버스 전압을 백 EMF와 비교하는 것입니다. 그림 4a는 그러한 시스템의 회로도를 나타냅니다. 이 경우 비교기는 코일 B에 연결되고 전체 시스템은 모든 코일에 비교기가 연결됩니다. 그림에서 코일 A는 양극으로 동력이 공급되고 코일 C는 음극으로 동력이 공급되며 코일 B는 개방되어 있습니다. 이 위상에 대한 동력 공급 시퀀스가 구현됨에 따라 백 EMF가 상승하고 하강합니다. 

이 간단한 비교기 방법의 주요 단점은 3개의 권선이 동일한 특성을 가지고 있지 않을 수 있으므로 실제 제로 교차점에서 정위상 또는 역위상 이동이 발생할 수 있습니다. 모터는 계속 실행되지만 과도한 전류가 소모될 수 있습니다.

솔루션은 모터 권선과 병렬로 연결된 3개의 저항기 네트워크를 사용하여 그림 4b에 표시된 것처럼 가상 중성점을 생성하는 것입니다. 그런 다음 백 EMF를 가상 중성점과 비교합니다.

세 번째 방법은 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 사용하는 것입니다(그림 4c). BLDC 모터 제어용으로 사용 가능한 여러 MCU에는 이 용도에 적합한 고속 ADC가 포함됩니다. 이 방법을 사용하면 백 EMF는 MCU로 직접 공급될 수 있도록 감쇠됩니다. 신호는 ADC를 통해 샘플링된 다음 제로점에 대응하는 디지털 값과 비교됩니다. 두 값이 일치하면 코일 동력 공급 시퀀스는 다음 단계로 색인합니다. 이 기법은 디지털 필터를 사용하여 백 EMF 신호의 고주파 스위칭 부분을 제거할 수 있도록 허용하는 등 몇 가지 이점을 제공합니다.² 

그림 4a: 백 EMF를 측정하기 위한 간단한 비교기 회로(제공: Microchip).

그림 4b: 간단한 비교기 회로는 가상 중성점을 구현하여 향상할 수 있습니다(제공: Microchip).

그림 4c: 신호는 ADC를 통해 샘플링된 다음 제로점과 대응하는 디지털 값과 비교됩니다(제공: Microchip).

무센서 BLDC 모터 제어의 주요 단점 중 한 가지는 모터가 움직이지 않을 때 백 EMF를 생성하지 않으므로 MCU가 고정자 및 회전자 위치에 대한 정보를 얻을 수 없다는 것입니다.

솔루션은 미리 결정된 시퀀스로 코일에 동력을 공급하여 개방 루프 구성에서 모터를 시작하는 것입니다. 효율적으로 작동하지는 않겠지만 모터는 회전을 시작하게 됩니다. 결국에는 제어 시스템이 정상 및 효율적인 폐쇄 루프 실행으로 전환될 수 있을 만큼 백 EMF가 생성되도록 속도가 적당해질 것입니다. 

백 EMF는 회전 속도에 비례하기 때문에 무센서 BLDC 모터는 매우 느린 속도가 필요한 응용 제품에는 좋은 옵션이 아닐 수 있습니다. 이 경우 홀 효과 센서를 갖춘 BLDC 모터가 더 좋은 선택이 될 수 있습니다. 

무센서 BLDC 모터 제어 시스템

무센서 BLDC 모터의 인기 증가는 반도체 공급업체가 그러한 장치를 제어하고 구동하는 작업을 위해 특별히 설계된 칩을 개발하는 데 기폭제 역할을 했습니다. 무센서 BLDC 모터의 제어 시스템은 일반적으로 IGBT 또는 MOSFET 구동기를 갖춘 MCU로 구성됩니다. 

무센서 BLDC 모터 제어에 사용 가능한 MCU는 간단한 저가형 8비트 장치에서 모터를 구동하는 데 필요한 최소의 주변 장치를 모두 지원하는 고성능 16비트 및 32비트 장치에 이르기까지 다양합니다. 이 주변 장치에는 3상 PWM, ADC 및 과전류 보호용 비교기가 포함됩니다.³ 

Zilog에서 무센서 BLDC 모터 제어를 위한 16비트 MCU인 Z16FMC 제품군을 제공합니다. Zilog는 이 작업을 위해 실시간으로 PWM 업데이트를 처리하기 위해 빠른 인터럽트 응답을 갖춘 MCU가 필요하다고 말합니다. Z16FMC는 ADC와 타이머 간 및 비교기와 PWM 출력 간에 자동화된 연동을 제공합니다. 그림 5는 Zilog 모터 제어 MCU의 제품 구성도를 나타냅니다.

그림 5: Zilog Z16FMC 모터 제어 MCU 제품 구성도. 또한

Microchip PIC18F2431은 무센서 BLDC 모터 제어에 대한 인기있는 MCU입니다. 이 칩은 8비트 프로세서를 사용하고 최대 16MIPS의 속도에서 작동할 수 있습니다. PIC18F 제품군의 변형은 3상 모터 제어 PWM 주변 장치를 최대 8개의 출력 및 10 또는 12비트 ADC와 통합합니다.

이를 위해 Texas Instruments(TI)는 3상 BLDC 장치에 대한 모터 제어 평가 키트를 제공합니다. TI에 따르면 DRV8312 PWM 모터 구동기를 기반으로 한 DRV8312-C2-KIT(그림 6)는 더 빠른 시장 출시를 위해 개발을 가속화하는 무센서 자속 기준 제어(FOC) 및 센서/무센서 사다리꼴 정류 플랫폼입니다. 응용 분야에는 의료용 펌프, 게이트, 리프트 및 소형 펌프를 구동하기 위한 서브 50V 및 7A 브러시리스 모터뿐만 아니라 산업용 및 가정용 로봇 공학과 자동화가 포함됩니다.

그림 6: TI의 3상 BLDC 모터 평가 키트는 DRV8312 PWM 모터 구동기를 기반으로 합니다.

다양한 응용 분야

무센서 BLDC 모터는 홀 효과 센서를 사용하는 장치에 비해 더 간단하고 특히 응용 제품이 먼지와 습한 환경에 놓인 경우 잠재적으로 더 안정적입니다. 모터는 올바른 코일 동력 시퀀스가 구현될 수 있도록 고정자와 회전자의 상대적 위치를 결정하는 데 백 EMF의 측정에 의존합니다.

한 가지 단점은 모터가 정지되면 백 EMF가 생성되지 않기 때문에 시동은 개방 루프의 작동에 의해 영향을 받습니다. 따라서 이 모터는 짧은 시간에 안정될 수 있고 효율적으로 실행할 수 있습니다. 두 번째 단점은 느린 속도에서는 백 EMF가 작고 측정이 어려워 비효율적으로 작동할 수 있습니다. 이러한 응용 제품에서는 센서 장착 BLDC 모터 사용을 고려해야 합니다.

하지만 여러 기타 응용 제품에서 엔지니어는 콤팩트하고 강력한 무센서 BLDC 모터의 이점을 사용할 수 있습니다. 작업을 위해 특별히 설계된 MCU 및 IGBT 또는 MOSFET 구동기 칩을 사용하면 쉽게 설계할 수 있습니다. 입증된 무센서 BLDC 모터 솔루션에 대해 기준 회로를 제공하는 주요 공급업체 평가 키트의 이점을 활용하면 개발을 더욱 간소화할 수 있습니다.

참고 자료:

1. “브러시리스 DC(BLDC) 모터 기본(영문)”, Padmaraja Yedamale, Microchip Technology 응용 참고 사항 AN885, 2003.
2. “무센서 BLDC 모터 제어를 위한 PIC18F2431 사용(영문)”, Padmaraja Yedamale, Microchip Technology 참고 사항 AN970, 2005.
3. “무센서 BLDC 응용 제품에서 자율 주변 장치 연동 필요성(영문)”, Dave Coulson, Zilog 백서 WP002003-0111, 2011.