BLDC 모터 컨트롤러 작동 방식: 정류, PWM 및 실제 튜닝

BLDC 모터 컨트롤러가 어떻게 작동하는지 궁금하신 분은 혼자가 아닙니다. 수십 년 동안 마이크로 모터를 제조하면서 우리는 단순히 컨트롤러에 충분한 주의를 기울이지 않았기 때문에 잘 설계된 모터가 현장에서 실패하는 것을 많이 보았습니다. 브러시리스 DC 모터는 팀 플레이어입니다. 회전자, 고정자, 센서 및 전자 장치는 각각 동일한 리듬으로 작동해야 하며 컨트롤러는 비트를 유지하는 역할을 합니다.

BLDC 모터 컨트롤러는 실제로 어떤 역할을 합니까?

BLDC 모터는 회전자에 영구 자석이 있고 고정자에 코일 세트가 있습니다. 브러시 모터와 달리 전류를 전환하는 기계적 정류자가 없습니다. 컨트롤러는 해당 작업을 전자적으로 수행해야 하며 로터 위치를 기준으로 정확한 순간에 수행해야 합니다.

간단히 말해서 컨트롤러는 회전 자기장을 생성합니다. 이는 DC-3상 인버터, 회전자 위치 감지, 전자 정류, 조절 및 오류 보호를 통해 수행됩니다. 이러한 기능은 함께 고정자 권선으로 전송되는 전류 펄스의 타이밍과 순서를 결정합니다. 이러한 타이밍은 BLDC 모터 컨트롤러 작동 방식의 핵심입니다.

홀 센서 및 6단계 정류

로터가 가리키는 위치를 아는 가장 간단한 방법은 홀 센서를 사용하는 것입니다. 이 작은 자기 스위치는 모터에 장착되어 회전자 자석이 이를 통과할 때 논리 신호를 생성합니다. 3개의 홀 센서는 하나의 전기 혁명을 6개의 섹터로 나눕니다.

사다리꼴 제어라고도 하는 6단계 정류는 전형적인 제어 방법입니다. 각 단계에서 컨트롤러는 세 단계 중 두 단계에 전원을 공급합니다. 하나는 높게, 다른 하나는 낮게, 세 번째는 열린 상태로 유지됩니다. 60도마다 컨트롤러는 홀 센서 패턴을 기반으로 다음 섹터로 이동합니다.

이 간단한 표는 실용적인 알림입니다. 전자 정류 단계를 이해하면 대부분의 배선 및 시동 문제를 진단하기가 더 쉬워집니다.

센서리스 역기전력 제어

홀 센서는 비용이 추가되고 추가 배선이 필요하므로 많은 컨트롤러가 센서리스 제어를 사용합니다. 모터 자체는 회전자가 회전할 때 역기전력 전압을 생성합니다. 컨트롤러는 여기되지 않은 위상에서 이 역기전력의 제로 크로싱을 측정하여 회전자가 어디에 있는지 알아냅니다.

제로 크로싱은 일반적으로 정류 순간이 아닙니다. 6단계 제어에서 컨트롤러는 영점 교차 후 전기적으로 약 30도를 기다린 다음 정류합니다. 더 나은 효율성이나 더 높은 토크를 위해 정확한 각도를 조정할 수 있습니다.

센서리스 제어에는 잘 알려진 한 가지 제한 사항이 있습니다. 속도가 0이면 역기전력이 없습니다. 컨트롤러는 먼저 회전자를 고정 전압 펄스로 정렬한 다음 역기전력이 읽을 수 있을 만큼 강해질 때까지 시간 제한 또는 개방 루프 정류로 모터를 증가시켜야 합니다. 정지 상태에서 최대 토크가 필요한 부하의 경우 홀 센서 버전이 더 나은 선택인 경우가 많습니다.

PWM, 데드타임 및 전류 제어

정류는 연결할 위상을 컨트롤러에 알려주지만 펄스 폭 변조는 적용할 전압의 양을 알려줍니다. 고정 주파수에서 DC 버스 전압을 절단하고 듀티 사이클을 변경함으로써 컨트롤러는 권선에 표시되는 평균 전압을 변경합니다.

PWM은 속도를 직접 설정하지 않습니다. 구동 전압을 설정하고 부하와 함께 모터 속도에 따라 최종 작동 지점이 결정됩니다. 이것이 BLDC 컨트롤러가 전류도 모니터링하는 이유입니다. 부하가 증가하면 전류도 증가하고 좋은 컨트롤러는 권선이 과열되기 전에 이를 제한합니다.

특히 높은 PWM 주파수에서 중요한 세부 사항 중 하나는 데드 타임입니다. 동일한 인버터 분기에 있는 하이 측 스위치와 로우 측 스위치가 동시에 작동해서는 안 됩니다. 컨트롤러는 관통 전류를 방지하기 위해 스위칭 이벤트 사이에 짧은 블랭킹 간격을 삽입합니다.

최신 BLDC 컨트롤러의 제어 루프

전체 드라이브에서 컨트롤러는 일반적으로 여러 개의 중첩 루프를 실행합니다.

• 전류 또는 토크 루프는 가장 안쪽 루프입니다. 위상 전류를 측정하고 토크 명령을 따르도록 PWM 듀티 사이클을 조정합니다.
• 속도 루프는 측정된 속도를 목표 속도와 비교하고 토크 레퍼런스를 출력합니다.
• 위치 루프는 다음과 같은 서보 애플리케이션에 사용됩니다. 산업용 로봇 . 이는 속도 루프에 수정해야 할 위치 오류를 제공합니다.
• 스타트업 루프는 정렬, 개방 루프 램핑 및 폐쇄 루프 무센서 작동으로의 전환을 처리합니다.

이러한 루프는 하나의 목표를 공유합니다. 즉, 고정자 자기장과 회전자 자기장이 함께 작동하여 모터가 부드럽고 효율적인 토크를 생성하도록 유지하는 것입니다.

정현파 제어 및 자속기준 제어

6단계 제어는 간단하고 저렴하지만 전류가 급격하게 전환되기 때문에 토크 리플과 소음이 발생합니다. 두 가지 더 부드러운 대안에 주목할 가치가 있습니다.

정현파 제어는 위상 전압을 점진적으로 변화시켜 고정자 전류를 더욱 정현파로 만듭니다. FOC라고도 불리는 자속 기준 제어는 더 나아가 3상 전류를 토크와 자속과 관련된 두 가지 구성 요소로 변환하여 독립적으로 제어합니다. FOC는 매우 부드러운 저속 작동, 조용한 음향 및 빠른 동적 응답을 제공합니다.

많은 사람들에게 선풍기 및 펌프 용도에서는 6단계가 여전히 허용됩니다. 그러나 소음이나 효율성이 중요한 경우, 고성능 컨트롤러 전략은 모터 자체의 변화보다 더 큰 차이를 만들 수 있습니다.

컨트롤러를 모터에 일치시키기

하드웨어 제한이 잘못되면 완벽한 제어 알고리즘도 실패합니다. 확인할 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

• 정격 전압 및 컨트롤러의 최대 작동 전압.
• 정지 전류를 포함한 연속 및 피크 전류 정격.
• 전류가 얼마나 빨리 형성되는지에 영향을 미치는 위상 저항 및 인덕턴스.
• 센서 기반 제어를 위한 홀 센서 정렬.
• 특히 저인덕턴스 모터의 경우 PWM 주파수 및 데드 타임.
• 과전류, 과열, 부족전압 차단과 같은 보호 기능.

경험에 따르면 모터와 컨트롤러를 일치하는 세트로 선택하면 디버깅 시간이 몇 주 절약됩니다. 한 컨트롤러 유형용으로 설계된 모터는 다른 컨트롤러 유형과 매우 다르게 작동할 수 있습니다.

실제 테스트 및 문제 해결

BLDC 모터가 떨리거나 과열되거나 동기화가 끊어지는 경우 모터가 아닌 컨트롤러 설정에 결함이 있는 경우가 많습니다. 짧은 테스트 루틴이 도움이 됩니다.

1. 각 모터 리드 쌍 사이의 DC 저항을 측정합니다. 세 가지 판독값은 대략 균형을 이루어야 합니다.
2. 로터를 천천히 회전시키고 홀 센서 시퀀스를 기록합니다. 예상되는 6개 섹터 패턴과 일치해야 합니다.
3. 오실로스코프와 전류 프로브를 사용하여 위상 전류를 관찰합니다. 깨끗한 사다리꼴 또는 정현파 파형을 확인합니다.
4. 무부하 상태에서 모터를 작동한 다음 부하를 걸어 작동시킵니다. 컨트롤러는 과도한 전류 없이 속도를 유지해야 합니다.

모터가 떨리고 시동되지 않으면 홀 배선과 시동 램프를 확인하십시오. 부하가 걸린 상태에서 동기화가 끊어지면 공급 전압이 떨어지거나 타이밍이 올바르지 않게 진행되는지 확인하세요. 과열되면 전류 제한을 줄이고, PWM 주파수를 조정하거나 냉각을 개선하십시오.

우리 워크샵에서 귀하의 제품까지

30년 넘게 마이크로 모터를 제작해 온 우리는 컨트롤러 동작이 모터 설계의 일부라는 것을 알게 되었습니다. 컨트롤러는 와이어 게이지, 자석 등급 및 베어링 시스템과 동일한 주의를 기울여 선택해야 합니다. 잘 감긴 모터와 적절하게 튜닝된 전자 컨트롤러를 결합하면 안정적이고 조용하게 작동하는 제품을 얻을 수 있습니다.

한 가지 좋은 예는 드론 애플리케이션을 위한 소형 브러시리스 모터입니다. 신속한 정류와 엄격한 전류 제한을 처리할 수 있는 센서리스 컨트롤러와 자연스럽게 결합됩니다. 모터와 컨트롤러는 전기적으로 통신해야 하며, 연결이 최대한 간단하도록 합니다.

펌프, 팬, 로봇 또는 도구를 설계하는 경우 컨트롤러가 시스템의 두뇌라는 점을 기억하십시오. BLDC 모터 컨트롤러의 작동 방식을 이해하면 올바른 질문을 하고, 올바른 모터를 선택하고, 보다 신뢰할 수 있는 제품을 시장에 출시하는 데 도움이 됩니다.