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기획연재 ① BLDC 모터와 이 모터의 구조 및 제어

BLDC Motor 기술

- 서울시립대학교 계측네트워크 실험실 김희식 교수 -

1. BLDC 모터
    가 - BLDC 모터정의
    나 - BLDC 모터 구성요소     

2. BLDC 모터 구조 및 제어
    가 - 회전자 구조
    나 - 마그네트
    다 - BLDC 모터의 구동회로 및 제어기술
           (1) 구동회로
           (2) BLCD 모터의 회전자의 자극위치 검출방법
           (3) 구동방법과 제어

1. BLDC 모터 구성
가- BLDC 모터정의: 브러시리스 모터(Brushless motor)는 DC모터에서 브러시, 정류자 등의 기계적인 접촉부를 없애고 이것에 전자적인 정류기구를 설치한 직류모터를 말한다. 그래서 브러시리스 모터를 무정류자 모터라고도 한다.

나- BLDC 모터의 구성요소:
   a. A Permanent magnet rotor
   b. A stator with a three- ,four-, or more phase winding
   c. A rotor position sensor
   d. An electronic circuit to control the phases of the rotor winding

브러시리스 서보모터의 구동시스템은 <그림 1>에서 보는 바와 같이 컨버터, 인버터와 제어기 그리고 서보모터로 구성되어 있다. 브러시리스 서보모터는 앞 절에서 설명한 바와 같이 DC 서보모터와는 달리 고정자에 3상의 전류를 회전자의 자극과 동기시켜 회전시키는 구동방법을 사용한다.
따라서 센서로는 서보모터를 구동하기 위한 회전자의 위치를 검출해 회전자의 현재 위치에 맞는 전류를 공급하기 위해, 위치를 검출할 수 있는 엔코더(Encoder), 혹은 레졸버(Resolver)를 주로 사용한다. 그리고 속도를 검출하는 센서로는 타코(Tacho) 센서를 주로 사용하지만, 브러시리스 서보모터, 즉 AC서보모터는 회전자의 위치를 검출해야 하므로 타코센서가 잘 사용되지 않고 내부에서 연산해 위치를 검출한다.
최근에는 센서없이, 모터에 흐르는 전류와 모터에서 검출되는 전압으로 구동하는 센서없는 구동법, 즉 센서리스 제어방법으로써 센서없이 서보모터를 구동하기도 한다.
그리고 서보시스템에서는 서보모터에 흐르는 전류를 제어해 모터에서 발생하는 토크를 제어한다. 그래서 이 시스템은 전류를 검출하기 위한 전류센서를 가지고 있다. 전류센서로는 홀센서 혹은 선간저항에 의한 전압의 차이를 검출하는 센서가 이용되기도 한다.
<그림 2>는 3상의 전류제어형 PWM 인버터의 단순도로서 6개의 전력의 스위칭 소자로 구성되어 있다. 인버터는 DC입력전원으로부터 3상의 AC전원으로 변환하는 전력 변환장치로서, 전류원 인버터와 전압원 인버터의 두 가지의 형태가 있는데 서보모터를 구동하기 위한 인버터로는 전압원 인버터가 주로 적용된다.

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전압원 인버터는 입력된 DC전원을 이용해 제어하고자 하는 대상에, 주파수를 갖는 펄스열로써 전압을 인가해, 펄스폭을 변조해 제어하고자 하는 전압과 전류를 공급해 줌으로써 제어한다.
<그림 2>에서 나타나는 바와 같이 AC서보모터에 3상의 전력을 공급하기 위해서는 6개의 스위칭 소자가 필요하며 이러한 인버터를 ‘3상 풀 브릿지(3-Phase Full Bridge) 인버터’라고 한다.
컨버터는 AC전원으로부터 DC전원을 만들어내는 전력변환기로서, 정류회로를 지칭하며, 서보모터를 구동하기 위한 컨버터로는 단순히 입력 AC전원을 DC전원으로 변형하는 정류회로가 사용되고 출력되는 DC전원의 전압을 제어하는 등의 복잡한 형태의 컨버터는 적용되지 않는다.
위에서 설명된 구성회로는 브러시리스 서보모터 구동시스템의 주요한 구성부로서, 제어기는 센서로부터 입력되는 속도, 위치, 전류의 데이터를 이용해, 제어기에 주어진 제어명령에 서보모터가 가장 잘 추종하도록 제어하는 기능을 한다. 이와 같이 구성돼 제어되는 시스템을 서보모터시스템이라고 한다. 이러한 제어구조를 조금 더 자세하게 살펴보면 <그림 3>과 같이 나타낼 수 있다.
<그림 3>에서와 같이 브러시리스 서보모터의 전류제어는, 모터에 인가되는 전류가 검출된 후에 제어기의 전류명령과 전류제어 상변환기의 출력으로 인한 연산전류의 에러값이 구해지고, 제어이득(Control Gain)이 곱해져 인버터에 입력되면, 인버터에서는 DC 전원을 입력받아 PWM 제어를 통해 모터에 전력을 공급하도록 구성된다.
앞에서 언급한 바와 같이 모터의 제어는 모터에 공급되는 전류에 의해 모터에서 발생하는 토크를 제어함으로써 이뤄지게 된다. 따라서 서보모터에서 제어의 핵심이 되는 부분은 전류가 제어되는 전류제어계라고 할 수 있으며, 이를 토크제어라고도 한다.
                                    
2. BLDC 모터 구조 및 제어
가. 회전자의 구조
BLDC 모터는 구조면에서 자계를 만드는 마그네트 회전자의 배치에 따라 자로의 구성방법, 권선의 배치방법이 다르다. <표 1.1>에는 BLDC 모터의 분류와 특징의 개요가 나와 있다.
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<그림 4>는 외부(Outer)의 회전자형 BLDC 모터, <그림 5>는 내부(Inner)의 회전자형 BLDC 모터, <그림 6>은 엑셜갭(Axial gap)형 BLDC 모터의 각 구조의 단면도를 나타낸다. 내부 회전자형의 프레임 구성은, 종래에는 철판프레임으로 전기자의 외주부가 구성됐지만, 최근에는 모터에 대한 진동과 소음의 감소가 요구되고 있으므로 이에 대한 대책의 하나로서 레진재료 일체형으로 몰드된 프레임을 높인 것이 있다.
레진은 폴리에스테르 재료로서 절연성, 열전도성, 열안정성, 내충격성, 내열충격성이 우수하다. 그밖에 레진은 코일을 봉지함으로써 악조건하에서도 절연·열화되지 않는다는 점과 열전도, 열방산성이 우수하기 때문에 체적을 작게할 수 있다는 점이 유리하다.


나. 마그네트
BLDC 모터에 사용되는 마그네트는, 소형모터에게는 이의 대부분이 성능과 가격 면에서 보았을 때 페라이트 마그네트가 주류이지만 최근에는 이보다 한층 더 성능이 좋은 플라스틱 네오듐이 사용돼 체적효율(경박 단소화)을 보다 높이고 있다. 마그네트의 성능은 <그림 7>과 같은 자화특성곡선이 사용돼 평가된다. 이것은 마그네트를 충분히 포화하기까지 자화시킨 경우의 히스테리시스 루프의 제 2상한을 나타낸 것으로서, <그림 7>의 Hc 및 Br에서 각 축에 수직선을 그은 후, 그 교점 P와 원점 O를 연결하는 직선과 자화특성곡선의 교점을 Q라 하고 Q의 각 좌표값을 He 및 Bd라 하면 Bd×Hd의 값이 마그네트의 우열비교를 위해 사용된다. 대표적인 마그네트의 자화특성이 <그림 8>에 나타난다.


마그네트를 고정시킬 때, 마그네트의 자구에 강제적으로 자계를 줘 스핀배향으로 일치시켜 고정시킨 것을 이방성을 갖는 마그네트라 부르고, 이와 같은 공정을 취하지 않은 것을 등방성(무방향성) 마그네트라고 한다.
이방성 마그네트는 등방성 마그네트에 비해 상당한 성능의 개선을 보인다. 등방성은 원통상의 마그네트를 구성할 수 있지만, 이방성의 경우에는 기와모양의 것을 들러붙게 합쳐서 사용해야 하는 문제가 있다.

다. BLDC 모터의 구동회로 및 제어기술
(1) 구동회로
BLDC 모터의 구동회로는 반도체 기술의 발달로 인해 소용량의 것은 IC화되어 사용되고 있다. <그림 9>는 회로구성을 나타낸 것이고, <그림 10>은 실제품의 블록도를 나타낸다.


제어 IC의 입력으로 인한 속도지령의 신호를 인가하면 홀 센서로부터 자극의 위치 정보를 얻고 IC내에서 PWM 파형을 생성해 인버터의 스위치를 온·오프한다. 여기에는 과전류보호기도 내장돼 있고 DC 전압도 300V급까지 인가할 수 있다.

(2) BLDC 모터의 회전자의 자극위치 검출방법
회전자의 자극위치 검출방법을 <표 1.2>에 나타냈다. 현재에는 비교적 구성이 간단한 홀 소자인 포토커플러를 이용한 광학적인 방법이 많이 사용된다.


(3) 구동방법과 제어
BLDC 모터는 인가전압이 일정한 경우에 부하토크에 대한 회전속도가 DC모터와 같은 부하특성을 갖고, 속도-토크가 거의 직선의 관계를 이루므로 인가전압에 의해 용이하게 속도가 제어되는 특징이 있다. BLDC 모터의 회전력의 발생은 DC모터와 같고, 동일한 형태의 속도-토크의 특성을 갖는다.
BLDC 모터를 사용해 일정속도로 제어하는 방식의 예로는 F/V(frequency to voltage) 방식과 PLL(phase locked loop) 방식을 들 수 있다. F/V 방식은 모터의 회전오차가 1% 이하의 정밀도가 필요한 경우에 잘 사용된다. <그림 11>은 블록도를 나타낸다. FDD의 스핀들 모터에 적용된 경우에, 프린트 기판 상에 제어회로와 파워회로가 원칩화된 LSI 및 홀 센서, 속도검출용 FG(frequency generator) 파형, 전기자권선 등이 실장되며, 모터의 회전오차는 0.3%이하다.


F/V 방식의 경우에, 속도의 결정이 저항, 콘덴서로 정해지기 때문에 높은 회전정밀도가 얻어지지 않는다. 이와 같은 이유로써 PLL 방식이 고려됐다. <그림 12>는 블록도를 나타낸다. 이 경우에 속도의 설정은 외부의 수정발진자에 의해 행해지므로 매우 높은 회전수 및 회전수 변동의 정밀도가 얻어진다.

<그림 13>은 3.5" FDD의 스핀들 모터에 사용된 예를 나타낸 블록도이며, 모터의 구동은 원칩 LSI로 행해진다. 속도의 제어부에 마이크로프로세서가 사용돼 PWM이 제어되는 전력변환기가 조합됨으로써 여러가지의 특징을 갖는 BLDC 모터가 만들어진다.
3.5" FDD 스핀들의 구동방식으로서 DD(direct drive)와 ID(indirect drive) 방식이 있지만 최근에는 박형화된 ID방식이 채용되고 있다. 여기에 수반해 모터도 박형화가 요구되는 경향이지만 DD방식용 모터는 ID방식에 비해 감속비분만큼 큰 토크를 필요로 하기 때문에 가격면에서 보았을 때, 불리하다.

BLDC 모터에도 센서리스 방식이 연구되고 있고, 한 예를 기술한다. <그림 14>에 나타난 것과 같이 120°의 위상차를 가진 각 코일에 유기되는 전압과 점선으로 표시된 각 유기전압의 정의 반주기를 반전하는, 1/2 크기로 된 전압을 비교기로 비교해서 전류를 흐르게 한 다음, 다이오드에 대응한 각상의 구동 트랜지스터가 온으로 돼, 고정자의 코일에 전류가 흐르게 된다. 이것에 의해 마그네트와 요크로 구성된 회전자에 전류가 흘러, 이 회전자는 여자된 고정자에 의해 동기로 회전한다. 이와 같이 센서리스 모터는 유기전압과 비교되는 것에 의해 전류가 흐르는 시간이 정해지므로, 이 모터에는 일반적으로 필요한 자극검출용의 홀센서가 불필요하고 신뢰성도 향상된다. 

자료제공 | 서울시립대 계측네트워크 연구실(sun.uos.ac.kr)


  기자 : 편집부 
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  날짜 : 2016-04

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