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BLDC(Brushless DC) 모터의 원리와 올바른 사용 방법

조회수: 120     작성자: 사이트 편집자 게시 시간: 2024-10-17 출처: 대지

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가장 기본적인 모터는 'DC 모터(브러시 모터)' 입니다. 코일을 자기장 안에 놓고 흐르는 전류를 통과시키면 코일은 한 쪽의 자극에 의해 반발되고 동시에 다른 쪽의 자극에 끌리게 되며 이 작용에 따라 계속 회전하게 됩니다. 회전하는 동안 코일에 흐르는 전류는 역전되어 코일이 계속 회전하게 됩니다. '조향 기어' 위에 위치하며 회전할 때 계속 움직이는 '브러시'에 의해 구동되는 '정류자'라고 불리는 모터 부분이 있습니다. 브러시의 위치를 ​​변경하면 전류의 방향을 변경할 수 있습니다. 정류자와 브러시는 DC 모터의 회전에 필수적인 구조입니다.


DC 모터(브러시 모터) 작동의 개략도


그림 1: DC 모터(브러시 모터) 작동의 개략도.




정류자는 코일의 전류 흐름을 전환하여 극의 방향을 바꾸어 항상 오른쪽으로 회전하도록 합니다. 브러시는 샤프트와 함께 회전하는 정류자에 전원을 공급합니다.



다양한 분야에서 활약하는 모터



우리는 전원 공급 장치 유형과 회전 원리에 따라 모터를 분류했습니다(그림 2). 각 모터의 특징과 용도에 대해 간략하게 살펴보겠습니다.


주요 모터 유형



그림 2: 주요 모터 유형



간단하고 제어가 용이한 DC모터(브러시드 모터)는 가전제품의 광디스크 트레이 개폐 등의 용도로 많이 사용된다. 또한 전자 거울의 개폐 및 방향 제어와 같은 용도로 자동차에 사용됩니다. 가격이 저렴하고 다양한 분야에 활용이 가능하지만 단점도 있습니다. 정류자는 브러시와 접촉하기 때문에 수명이 짧으며 정기적으로 또는 보증에 따라 브러시를 교체해야 합니다.


스테퍼 모터는 전송된 전기 펄스 수에 따라 회전합니다. 이동량은 전달되는 전기 충격의 수에 따라 달라지므로 위치 조정에 적합합니다.


가정에서 '팩스나 프린터의 급지' 등에 자주 사용됩니다. 팩시밀리의 급지 단계는 사양(조각, 정밀도)에 따라 다르기 때문에 전기 충격수에 따라 회전하는 스테핑 모터입니다. 사용하기가 매우 쉽습니다. 신호가 멈추면 기계가 일시적으로 멈추는 문제를 해결하는 것은 쉽습니다. 전원 주파수에 따라 회전수가 달라지는 동기 모터는 전자레인지용 회전 테이블 등의 용도에 사용됩니다.


모터 세트에는 음식 가열에 적합한 회전 수를 얻기 위해 기어 감속기가 있습니다. 유도전동기는 전원의 주파수에도 영향을 받지만 주파수와 회전수는 일치하지 않습니다. 과거에는 이러한 AC 모터를 선풍기나 세탁기에 사용했습니다.

보시다시피 다양한 분야에서 다양한 모터가 활발히 활동하고 있습니다. BLDC 모터의 특성은 무엇입니까 (브러시리스 모터 )를 활용해 다재다능하게 만들 수 있나요?



BLDC 모터는 어떻게 회전합니까?



'BL'은 BLDC 모터는 '브러시리스'를 의미합니다. 이는 DC 모터(브러시 모터)의 '브러시'가 더 이상 존재하지 않음을 의미합니다. DC 모터(브러시 모터)에서 브러시의 역할은 정류자를 통해 회전자의 코일에 에너지를 공급하는 것입니다. 그렇다면 브러시가 없는 BLDC 모터는 어떻게 로터의 코일에 에너지를 공급합니까? BLDC 모터는 회전자에 영구자석을 사용하고 회전자에는 코일이 없는 것으로 밝혀졌다. 회전자에는 코일이 없기 때문에 모터에 전원을 공급하기 위한 정류자와 브러시가 필요하지 않습니다. 대신 코일이 고정자로 사용됩니다(그림 3).


DC 모터(브러쉬 모터)의 고정 영구자석에 의해 생성된 자기장은 움직이지 않고 내부 코일(로터)에 의해 생성된 자기장을 제어하여 회전합니다. 전압을 변경하면 회전수가 변경됩니다. BLDC 모터의 회전자는 영구 자석이며, 회전자는 주변 코일에 의해 생성된 자기장의 방향을 변경하여 회전합니다. 회전자의 회전은 코일을 통해 흐르는 전류의 방향과 크기를 제어함으로써 제어됩니다.


BLDC 모터의 작동 다이어그램


그림 3: BLDC 모터 작동의 회로도.



   


BLDC 모터의 장점



BLDC 모터에는 고정자에 3개의 코일이 있고 각 코일에는 2개의 와이어가 있어 모터에는 총 6개의 리드 와이어가 있습니다. 실제로는 내부적으로 배선되어 있기 때문에 보통 3개의 전선만 필요하지만, 앞서 설명한 DC 모터(브러시드 모터)에 비하면 여전히 1개 더 많습니다. 배터리 양극과 음극 단자를 연결한다고 해서 순전히 움직이지는 않습니다. 실행하는 방법에 관해서는 BLDC 모터에 대해서는 이 시리즈의 두 번째 기사에서 설명하겠습니다. 이번에는 BLDC 모터의 장점에 대해 집중적으로 살펴보겠습니다.

BLDC 모터의 첫 번째 특징은 '고효율'이다. 회전력(토크)을 제어하여 항상 최대값을 유지할 수 있는 반면, DC 모터(브러시 모터)의 경우 회전 중 한 순간에만 최대 토크가 유지되고 최대값을 유지할 수 없습니다. 항상. DC 모터(브러시 모터)가 BLDC 모터만큼 많은 토크를 얻으려면 자석을 늘리기만 하면 됩니다. 작은 BLDC 모터로도 많은 전력을 생산할 수 있는 이유다.

두 번째 특징은 첫 번째 특징과 연관된 '좋은 제어성'입니다. BLDC 모터는 토크, 회전수 등을 원하는 대로 정확하게 얻을 수 있고, BLDC 모터는 목표 회전수, 토크 등을 정확하게 피드백할 수 있습니다. 정밀한 제어로 모터의 발열과 전력소모를 억제합니다. 배터리 구동의 경우 세심한 제어로 구동시간을 연장할 수 있다. 이 외에도 내구성이 뛰어나고 전기적 노이즈가 적은 것이 특징입니다. 위의 두 가지 점은 브러시리스의 장점입니다.

반면, DC 모터(브러시 모터)는 브러시와 정류자가 장기간 접촉되어 마모되기 쉽습니다. 접촉 부분에서도 스파크가 발생합니다. 특히 정류자의 틈새가 브러시에 닿으면 엄청난 스파크와 소음이 발생합니다. 사용 중 소음이 발생하는 것을 원하지 않는다면 BLDC 모터를 고려해보세요.




BLDC 모터는 이러한 분야에 사용됩니다.



고효율, 다양한 핸들링, 긴 수명을 갖춘 BLDC 모터는 일반적으로 어디에 사용됩니까? 높은 효율과 긴 수명을 활용할 수 있는 제품에 많이 사용되며 지속적으로 사용됩니다. 예를 들어 가전 제품. 사람들은 오랫동안 세탁기와 에어컨을 사용해 왔습니다. 최근에는 선풍기에 BLDC 모터를 채용해 소비전력을 획기적으로 줄이는 데 성공했다.


전력 소모가 줄어든 것은 효율이 높기 때문이다. BLDC 모터는 진공청소기에도 사용됩니다. 어떤 경우에는 제어 방식을 변경하여 회전수의 대폭적인 증가를 실현했습니다. 이 예는 BLDC 모터의 우수한 제어 가능성을 보여줍니다.


BLDC 모터는 중요한 저장매체인 하드디스크의 회전부에도 사용된다. 장시간 구동해야 하는 모터이기 때문에 내구성이 중요합니다. 물론 소비전력을 극도로 억제하려는 목적도 있다. 여기서 높은 효율성은 낮은 전력 소비와도 관련이 있습니다.



BLDC 모터에는 더 많은 용도가 있습니다.

BLDC 모터는 더욱 폭넓은 분야에서 활용될 것으로 예상되며, 소형 로봇, 특히 제조업 이외의 영역에서 서비스를 제공하는 '서비스 로봇'에도 폭넓게 활용될 전망이다. '로봇은 위치 결정이 중요한데, 전기 펄스 수만큼 작동하는 스테핑 모터를 사용해야 하지 않을까?'라고 생각할 수도 있습니다. 그러나 힘 제어 측면에서는 BLDC 모터가 더 적합합니다. 또한, 스테퍼 모터를 사용하는 경우 로봇의 손목과 같은 구조물이 특정 위치에 고정되기 위해서는 많은 양의 전류를 공급해야 합니다. 와 함께 BLDC 모터는 외부 힘과 연동하여 필요한 전력만 공급할 수 있어 전력 소모를 억제합니다.


운송에도 사용할 수 있습니다. 단순 DC 모터는 예전부터 전기차나 노인용 골프카트 등에 사용됐으나 최근에는 제어성이 좋은 고효율 BLDC 모터가 채택되고 있다. BLDC 모터는 드론에도 사용됩니다. 특히 다축랙을 갖춘 무인항공기의 경우 프로펠러의 회전수를 변화시켜 비행자세를 제어하기 때문에 회전을 정밀하게 제어할 수 있는 BLDC 모터가 유리하다.


어때요? BLDC 모터는 고효율, 우수한 제어력, 긴 수명을 갖춘 고품질 모터입니다. 그러나 BLDC 모터의 출력을 극대화하려면 적절한 제어가 필요합니다. 어떻게 해야 합니까?


연결만으로는 회전할 수 없습니다


Inner Rotor Type BLDC 모터는 BLDC 모터의 대표적인 형태로, 그 외관과 내부는 아래와 같습니다(그림 1). 브러시 DC 모터(이하 DC 모터라 함)는 회전자에 코일이 있고 외부에 영구자석이 있는 반면, BLDC 모터는 회전자에 영구자석이 있고 외부에 코일이 있으며 BLCD 모터는 회전자에 코일이 없는 영구 자석이므로 회전자에 전원을 공급할 필요가 없습니다. 이에 따라 통전용 브러시가 없는 '브러시리스 타입'을 실현하는 것이 가능해졌습니다.


반면, DC 모터에 비해 제어가 더욱 어려워집니다. 단순히 모터 케이블을 전원 공급 장치에 연결하는 문제가 아닙니다. 케이블 개수도 다릅니다. '양극(+) 단자와 음극(-) 단자를 전원 공급 장치에 연결'하는 것과는 다릅니다.


BLDC 모터의 외관 및 내부 구조


그림 1: BLDC 모터의 외부 및 내부


BLDC 모터 회전 원리

그림 2-A: BLDC 모터 회전 원리



BLDC 모터에는 코일 1개가 120도 간격으로 배치되어 총 3개의 코일이 통전되는 위상 또는 코일의 전류를 제어합니다.


그림 2-A에 표시된 것처럼 BLDC 모터는 3개의 코일을 사용합니다. 이 세 개의 코일은 전원이 공급될 때 자속을 생성하는 데 사용되며 이름은 U, V, W입니다. 이 코일에 전원을 공급해 보세요. 코일 U(이하 '코일')의 전류 경로는 U상, V는 V상, W는 W상으로 기록됩니다. 다음으로 U상을 살펴보겠습니다. U상에 전기를 인가하면 그림 2-B와 같이 화살표 방향으로 자속이 발생한다. 그러나 실제로는 U, V, W 상이 U 상과 동일하지 않습니다.


그러나 실제로는 U, V, W의 케이블이 모두 연결되어 있어 U상에만 통전하는 것은 불가능하다. 여기서 U상에서 W상으로 통전하면 그림 2-C와 같이 U상과 W상에 자속이 생성됩니다. U와 W의 두 자속은 그림 2-D에 표시된 더 큰 자속으로 합성됩니다. 영구 자석은 이 합성된 자속이 중앙 영구 자석(회전자)의 N극과 동일한 방향이 되도록 회전합니다.


BLDC 모터의 회전 원리


그림 2-B: BLDC 모터의 회전 원리



플럭스는 U상에서 W상으로 에너지가 공급됩니다. 첫째, 코일의 U부분에만 주목하면 화살표와 같이 자속이 발생하는 것을 알 수 있다.


BLDC 모터의 회전 원리 - 그림 3


그림 2-D: BLDC 모터의 회전 원리 U상에서 W상으로 전기를 전달하는 것은 합성된 두 개의 자속을 생성하는 것으로 생각할 수 있습니다.


합성자속의 방향이 바뀌면 영구자석도 바뀐다. 영구자석의 위치에 따라 U상, V상, W상에 통전되는 위상을 전환하여 합성자속의 방향을 변경합니다. 이 동작을 연속적으로 수행하면 합성된 자속이 회전하게 되어 자기장이 발생하고 회전자가 회전하게 된다.


무화과. 그림 3은 활성화된 위상과 합성 자속 사이의 관계를 보여줍니다. 이 예에서는 에너지 공급 모드를 1-6에서 순서대로 변경하면 합성 자속이 시계 방향으로 회전합니다. 합성된 자속의 방향을 바꾸고 속도를 조절함으로써 회전자의 회전속도를 조절할 수 있다. 이러한 6가지 통전 모드를 전환하여 모터를 제어하는 ​​방식을 '120도 통전 제어'라고 합니다.



회전자의 영구자석은 마치 합성자속에 이끌린 것처럼 회전하고, 그 결과 모터의 축이 회전하게 됩니다.



그림 3: 회전자의 영구 자석은 마치 합성 자속에 끌려가는 것처럼 회전하고 결과적으로 모터의 샤프트가 회전합니다.



사인파 제어를 사용한 부드러운 회전


다음으로, 합성된 자속의 방향은 120도 통전 제어 하에 회전되지만, 서로 다른 방향은 6개 뿐이다. 예를 들어, 그림 3의 '에너지 공급 모드 1'을 '에너지 공급 모드 2'로 변경하면 합성 자속의 방향이 60도 변경됩니다. 그러면 로터가 끌어당겨진 것처럼 회전하게 됩니다. 다음으로, '에너지화 모드 2'에서 '에너지화 모드 3'으로 변경하면 합성 자속의 방향이 다시 60도 변경됩니다. 로터는 이 변화에 다시 끌릴 것입니다. 이런 현상은 반복될 것입니다. 움직임이 뻣뻣해지게 됩니다. 때로는 이 작업으로 인해 소음이 발생할 수도 있습니다.


120도 통전제어의 단점을 보완하고 원활한 회전을 구현한 것이 바로 '사인파 제어'입니다. 120도 전력 제어에서는 합성 자속이 6방향으로 고정됩니다. 지속적으로 변하도록 제어됩니다. 그림 2-C의 예에서 U와 W에 의해 생성된 플럭스는 동일한 크기를 갖습니다. 그러나 U상, V상, W상을 더 잘 제어할 수 있다면 코일 각각에서 서로 다른 크기의 자속을 생성할 수 있고, 합성된 자속의 방향도 정밀하게 제어할 수 있다. U상, V상, W상 각각의 전류 크기를 조정함으로써 합성 자속이 동시에 생성됩니다. 이 자속의 지속적인 생성을 제어함으로써 모터가 원활하게 회전합니다.


사인파 제어 - 모터


그림 4: 사인파 제어 사인파 제어



3상 전류를 제어하여 합성 자속을 생성하여 원활한 회전이 가능합니다. 120도 통전 제어에서는 생성할 수 없는 방향으로 합성 자속 생성 가능




인버터를 사용하여 모터 제어



U, V, W 각 상의 전류는 어떻게 되나요? 이해하기 쉽도록 120도 활성화 제어를 다시 생각하고 살펴보십시오. 그림 3을 다시 살펴보십시오. 전원 공급 모드 1에서는 전류가 U에서 W로 흐릅니다. 통전 모드 2에서는 전류가 U에서 V로 흐릅니다. 보시다시피 전류가 흐르는 코일의 조합이 바뀔 때마다 합성 자속 화살표의 방향도 변경됩니다.


다음으로 통전 모드 4를 살펴보겠습니다. 이 모드에서는 통전 모드 1과 반대 방향으로 전류가 W에서 U로 흐릅니다. DC 모터에서는 이와 같은 전류 방향의 전환이 정류자와 브러시의 조합으로 이루어집니다. 그러나 BLDC 모터는 이러한 접촉식 방식을 사용하지 않습니다. 전류의 방향을 바꾸기 위해 인버터 회로가 사용됩니다. 인버터 회로는 일반적으로 BLDC 모터를 제어하는 ​​데 사용됩니다.


인버터 회로는 각 상에 인가되는 전압을 변경하여 전류값을 조정합니다. 전압 조정에는 일반적으로 PWM(PulseWidthModulation = Pulse Width Modulation)이 사용됩니다. PWM은 펄스 ON/OFF의 시간 길이를 조정하여 전압을 변경하는 방식으로, 중요한 것은 비율(듀티 사이클)의 변경입니다. ) ON 시간과 OFF 시간 사이. ON 비율이 높으면 전압을 높이는 것과 같은 효과를 얻을 수 있습니다. ON 비율이 감소하면 전압 감소와 동일한 효과가 나타납니다(그림 5).


PWM을 실현하기 위해 전용 하드웨어를 탑재한 마이크로컴퓨터가 출시되었습니다. 사인파 제어를 수행하려면 3개의 위상 전압을 제어해야 하므로 소프트웨어는 2개의 위상에만 전원이 공급되는 120도 전원 제어보다 약간 더 복잡합니다. 인버터는 BLDC 모터를 구동하는데 필요한 회로이다. AC 모터에도 인버터가 사용되는데, 소위 '인버터형' 가전제품에는 거의 모든 BLDC 모터가 사용된다고 짐작할 수 있다.


PWM 출력과 출력 전압의 관계


그림 5: PWM 출력과 출력 전압 간의 관계


특정 시간에 ON 시간을 변경하면 전압의 RMS 값이 변경됩니다.


ON 시간이 길수록 RMS 값은 100% 전압 인가 시(ON 시간) 전압에 가까워집니다.



위치 센서를 이용한 BLDC 모터 위는 코일에서 생성된 합성 자속의 방향을 변경하여 그에 따라 회전자의 영구 자석을 변경시키는 BLDC 모터의 제어에 대한 개요입니다.


사실, 위의 설명에서 언급되지 않은 또 다른 점이 있습니다. 즉, BLDC 모터에 센서가 있다는 것입니다. BLDC 모터는 회전자(영구자석)의 위치(각도)에 연동하여 제어됩니다. 따라서 회전자의 위치를 ​​파악하기 위한 센서가 필요하다. 영구자석의 방향을 알 수 있는 센서가 없으면 로터가 예상치 못한 방향으로 회전할 수 있습니다. 정보를 제공하는 센서가 있는 경우에는 그러하지 아니하다.


표 1은 BLDC 모터의 위치 감지를 위한 주요 센서 유형을 보여줍니다. 제어 방식에 따라 다양한 센서가 필요합니다. 120도 통전 제어를 위해 60도마다 신호를 입력할 수 있는 홀 효과 센서를 장착하여 어느 상에 통전할지 결정합니다. 한편, 합성 자속을 정밀하게 제어하는 ​​'벡터 제어'(다음 섹션에서 설명)에는 코너 센서나 광전 인코더와 같은 고정밀 센서가 더 효과적입니다.


이러한 센서를 사용하면 위치 감지가 가능하지만 몇 가지 단점이 있습니다. 센서는 먼지에 대한 저항력이 약하므로 유지 관리가 필수적입니다. 사용할 수 있는 온도 범위도 줄어듭니다. 이러한 목적으로 센서를 사용하거나 배선을 추가하면 비용이 상승하며, 고정밀 센서는 본질적으로 비용이 많이 듭니다. 이로 인해 '무센서' 방법이 도입되었습니다. 위치 감지를 위해 센서를 사용하지 않으므로 비용을 절감하고 센서 관련 유지 관리가 필요하지 않습니다. 다만, 원리를 설명하기 위해 위치 센서로부터 정보를 얻은 것으로 가정한다.


센서 유형 주요 응용 형질
홀 효과 센서 120도 활성화 제어 60도마다 신호를 획득합니다. 저렴한 가격. 내열성이 없습니다.
광학 인코더 사인파 제어, 벡터 제어 증분형(원래 위치에서 이동한 거리를 알 수 있음)과 절대형(현재 위치의 각도를 알 수 있음)의 두 가지 유형이 있습니다. 해상도는 높지만 방진 기능이 약합니다.
각도 센서 사인파 제어, 벡터 제어 고해상도. 거칠고 열악한 환경에서도 사용할 수 있습니다.




표 1: 위치 감지에 특화된 센서의 종류와 특성



벡터 제어로 항상 고효율 유지



사인파 제어는 3상을 통전하여 합성 자속의 방향을 부드럽게 변경하므로 로터가 원활하게 회전합니다. 120도 통전 제어는 U상, V상, W상 2개를 전환하여 모터를 회전시키는 반면, 정현파 제어는 3상 전류를 정밀하게 제어해야 합니다. 더욱이 제어값은 항상 변하는 AC값이기 때문에 제어하기가 더욱 어렵다.

여기서 벡터 제어가 등장합니다. 벡터 제어는 좌표 변환을 통해 3상의 AC 값을 2상의 DC 값으로 계산하여 제어를 단순화합니다. 그러나 벡터 제어 계산에는 고해상도의 로터 위치 정보가 필요합니다. 위치 검출에는 광전 엔코더나 코너 센서 등의 위치 센서를 이용하는 방법과 각 상의 전류값을 추정하는 센서리스 방법의 두 가지 방법이 있습니다. 이러한 좌표변환을 통해 토크(회전력)에 따른 전류값을 직접 제어할 수 있어 과잉 전류 없이 효율적인 제어가 가능합니다.


그러나 벡터 제어에는 삼각 함수나 복잡한 계산 처리를 사용한 좌표 변환이 필요합니다. 따라서 제어용 마이크로컴퓨터로는 FPU(부동소수점 장치)를 탑재한 마이크로컴퓨터 등 연산 능력이 높은 마이크로컴퓨터를 사용하는 경우가 대부분이다.


전자 정류 모터(ECM 또는 EC 모터) 또는 동기식 DC 모터라고도 알려진 브러시리스 DC 모터(BLDC: BrushlessDirectCurrentMotor)는 직류(DC) 전원을 사용하는 동기 모터의 일종입니다.


브러시리스 DC 모터(BLDC: Brushless Direct Current Motor)는 본질적으로 DC 전원 입력과 인버터를 사용하여 3상 AC 전원 공급 장치로 변환하는 위치 피드백을 갖춘 영구 자석 동기 모터입니다. 에이 브러시리스 모터 (BLDC: Brushless DirectCurrent Motor)는 자체 정류형(자기 방향 전환)이므로 제어가 더 복잡합니다.


https://www.holrymotor.com/brushless-motors.html


BLDC 모터(BrushlessDirectCurrentMotor) 제어에는 모터가 정류되고 조종되는 회전자 위치와 메커니즘에 대한 지식이 필요합니다. 폐쇄 루프 속도 제어의 경우 회전자 속도/또는 모터 전류 측정과 모터 속도 전력을 제어하기 위한 PWM 신호라는 두 가지 추가 요구 사항이 있습니다.

BLDC 모터(BrushlessDirectCurrentMotor)는 애플리케이션 요구 사항에 따라 측면 정렬 또는 중앙 정렬 PWM 신호를 사용할 수 있습니다. 속도 변경 작업만 필요한 대부분의 애플리케이션은 6개의 개별 측면 정렬 PWM 신호를 활용합니다. 이는 가장 높은 해상도를 제공합니다. 애플리케이션에 서버 위치 지정, 에너지 제동 또는 전력 반전이 필요한 경우 중앙 정렬된 보조 PWM 신호가 권장됩니다.


회전자 위치를 감지하기 위해 BLDC 모터(BrushlessDirectCurrentMotor)는 홀 효과 센서를 사용하여 절대 위치 감지를 제공합니다. 이로 인해 더 많은 전선을 사용하고 비용도 높아집니다. 센서리스 BLDC 제어에서는 홀 센서가 필요 없으며 대신 모터의 역기전력(기전력)을 사용하여 회전자 위치를 예측합니다. 팬 및 펌프와 같은 저가형 가변 속도 애플리케이션에는 센서리스 제어가 중요합니다. BLDC 모터(Brushless Direct Current Motors)를 사용하는 냉장고, 에어컨 압축기에도 센서리스 제어가 필요하다.


모든 종류의 모터가 있으며, BLDC 모터는 오늘날 사용할 수 있는 가장 이상적인 속도 모터입니다. 이는 DC 모터와 AC 모터의 장점과 DC 모터의 우수한 조정 성능, 간단한 구조, 정류 스파크 없음, 안정적인 작동 및 손쉬운 유지 관리와 같은 AC 모터의 장점을 결합합니다. 따라서 시장에서 매우 인기가 높으며 자동차, 가전 제품, 산업 장비 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.

브러시리스 DC 모터는 브러시 DC 모터의 본질적인 결함을 극복하고 기계식 정류자를 전자 정류자로 대체하므로 브러시리스 DC 모터는 속도 조절 성능이 좋은 DC 모터의 특성을 가지며 구조가 간단하고 정류가 없는 AC 모터의 장점도 갖습니다. 스파크, 안정적인 작동 및 쉬운 유지 관리.


브러시리스 DC 모터(BrushlessDirectCurrentMotor)는 오늘날 가장 이상적인 속도 제어 모터입니다. 이는 DC 모터와 AC 모터의 장점과 DC 모터의 우수한 조정 성능 및 간단한 구조, 정류 스파크 없음, 안정적인 작동 및 손쉬운 유지 관리와 같은 AC 모터의 장점을 결합합니다.



브러시리스 직류 모터(BrushlessDirectCurrentMotor) 개발 이력



브러시리스 DC 모터는 브러시 모터를 기반으로 개발되었으며 그 구조는 브러시 모터보다 더 복잡합니다. 브러시리스 DC 모터는 모터 본체와 드라이버로 구성됩니다. 브러시리스 DC 모터(BrushlessDirectCurrentMotor)는 브러시드 DC 모터와 달리 기계식 브러시 장치를 사용하지 않고 구형파 자체 제어 영구자석 동기 모터를 채택하고 카본 브러시 정류자를 홀 센서로 대체하며 네오디뮴-철-붕소를 사용한다. 회전자의 영구자석 재료. (지난 세기 전기 모터가 탄생할 당시 등장한 실제 모터는 브러시리스 형태였다는 점에 유의해야 합니다.)




1740년대: 전기 모터 발명의 시작



전기 모터의 초기 모델은 스코틀랜드 과학자 Andrew Gordon의 연구를 통해 1740년대에 처음 등장했습니다. 마이클 패러데이(Michael Faraday)와 조셉 헨리(Joseph Henry)와 같은 다른 과학자들은 전자기장을 실험하고 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 방법을 발견하면서 초기 모터를 계속 개발했습니다.

1832년: 최초의 정류자 DC 모터 발명


기계를 구동하는 데 충분한 전력을 제공할 수 있는 최초의 DC 모터는 1832년 영국의 물리학자 William Sturgeon에 의해 발명되었지만 낮은 전력 출력으로 인해 적용이 심각하게 제한되었으며 여전히 기술적으로 결함이 있었습니다.



1834년: 최초의 실제 전기 모터가 제작되었습니다.


Sturgeon의 뒤를 이어 미국 버몬트 주 Thomas Davenport는 1834년에 최초의 공식 배터리 구동 전기 모터를 발명하여 역사를 만들었습니다. 이는 작업을 수행할 수 있는 충분한 전력을 갖춘 최초의 전기 모터였으며 그의 발명품은 작은 자동차에 전력을 공급하는 데 사용되었습니다. 인쇄기. 1837년 Thomas Davenport와 그의 아내 Emily Davenport가 DC 모터에 대한 최초의 특허를 받았습니다.


실용적인 DC 모터의 발명 - 1


Homas와 Emily Davenport의 특허 모터



1886년: 실용적인 DC 모터의 발명    


1886년에는 가변 중량으로 일정한 속도로 작동할 수 있는 최초의 실용적인 DC 모터가 출시되었습니다. FrankJulian Sprague가 발명가였습니다.



실용적인 DC모터의 발명_


Frank Julian Sprague의 '유틸리티' 모터

유틸리티 모터는 AC 농형 비동기 모터의 브러시리스 형태였으며 권선 단자에서 스파크와 전압 손실을 제거했을 뿐만 아니라 일정한 속도로 전력을 전달할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 그러나 비동기 모터는 극복할 수 없는 결함이 많아 모터 기술의 발전이 더뎠다.


1887년: AC 유도 전동기 특허 획득

1887년 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)는 AC 유도 모터(ACinductionmotor)를 발명했고, 1년 후 특허를 취득했습니다. 이는 도로 차량에 사용하기에는 적합하지 않았지만 나중에 Westinghouse 엔지니어에 의해 채택되었습니다. 1892년에 최초의 실용적인 유도 모터가 설계되었으며, 이어서 회전하는 막대 권선 로터가 설계되어 모터가 자동차 응용 분야에 적합해졌습니다.


1891년: 3상 모터 개발

1891년에 General Electric은 3상 유도 전동기(Threephasemotor) 개발을 시작했습니다. 권선형 로터 설계를 활용하기 위해 GE와 Westinghouse는 1896년에 교차 라이센스 계약을 체결했습니다.


1955년: DC 브러시리스 모터 시대의 시작

1955년에 미국 d. Harrison 등은 브러시 DC 모터 기계식 브러시 특허 대신 트랜지스터 정류 라인을 처음으로 적용하여 공식적으로 현대 브러시리스 DC 모터(BrushlessDirectCurrentMotor)의 탄생을 알렸습니다. 그러나 당시에는 모터 회전자 위치 감지 장치가 없어 모터를 시동할 수 있는 기능도 없었습니다.


1962년: 1960년대 초 고체 기술의 발전 덕분에 최초의 BLDC(브러시리스 DC) 모터가 발명되었습니다. 1962년에 TGWilson과 PHTrickey는 '고체 정류 DC 모터'라고 불리는 최초의 BLDC 모터를 발명했습니다. 의 핵심 요소는 브러시리스 모터는 물리적 정류자가 필요하지 않다는 점에서 컴퓨터 디스크 드라이브, 로봇 및 비행기에 가장 널리 사용됩니다.


그들은 홀 요소를 활용하여 회전자 위치를 감지하고 권선 전류의 위상 변화를 제어하여 브러시리스 DC 모터를 실용화했지만 트랜지스터 용량과 상대적으로 낮은 모터 전력으로 인해 제한되었습니다.



1970년대부터 현재까지: 브러시리스 DC 모터 애플리케이션의 급속한 발전

1970년대 이후 새로운 전력반도체 소자(GTR, MOSFET, IGBT, IPM 등)의 등장과 함께 컴퓨터 제어기술(마이크로컨트롤러, DSP, 새로운 제어이론)의 급속한 발전과 고성능 희토류 영구자석 재료(사마륨 코발트, 네오디뮴-철-붕소 등), 브러시리스 직류 모터(BrushlessDCMotor)가 급속히 개발되었습니다. BrushlessDirectCurrentMotor)가 빠르게 개발되어 용량이 증가하고 있습니다. 1978년 mac 클래식 브러시리스 DC 모터 및 드라이버 출시와 구형파 연구 개발을 통한 기술 중심 산업 발전 80년대에 브러시리스 모터 와 사인파 브러시리스 DC 모터가 등장하면서 브러시리스 모터는 실제로 실용 단계에 진입하기 시작했고 급속한 발전을 이루었습니다.


Brushless DC 모터 전체 구조 및 원리

브러시리스 DC 모터(BrushlessDirectCurrentMotor)는 동기 모터와 드라이버로 구성되는 대표적인 메카트로닉 제품이다. 동기 모터의 고정자 권선은 대부분 3상 대칭 스타 연결로 만들어지며 이는 3상 비동기 모터와 매우 유사합니다.

BLDCM 제어 시스템의 구조는 모터 본체, 구동 회로 및 제어 회로의 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 작업 과정에서 모터 전압, 전류 및 회전자 위치 정보는 제어 회로에 의해 수집 및 처리되어 해당 제어 신호를 생성하고, 구동 회로는 제어 신호를 수신한 후 모터 본체를 구동합니다.


브러시리스 DC 모터(BrushlessDirectCurrentMotor)는 주로 코일 권선이 있는 고정자, 영구 자석 재질의 회전자 및 위치 센서로 구성됩니다. 필요에 따라 위치 센서를 구성하지 않은 채로 둘 수도 있습니다.



고정자


BLDC 모터의 고정자 구조는 유도 모터의 고정자 구조와 유사합니다. 이는 권선용 축 방향 홈이 있는 적층형 강철 적층으로 구성됩니다. BLDC의 권선은 기존 유도 모터의 권선과 약간 다릅니다.


BLDC 모터 고정자


BLDC 모터 고정자



일반적으로 대부분의 BLDC 모터는 별 모양 또는 'Y' 모양(중립 없음)으로 연결된 3개의 고정자 권선으로 구성됩니다. 또한, 코일 상호 연결에 따라 고정자 권선은 사다리꼴 모터와 정현파 모터로 더 구분됩니다.


BLDC 모터의 역기전력


BLDC 모터 역기전력

사다리꼴 모터에서는 구동 전류와 역기전력이 모두 사다리꼴 모양(정현파 모터의 경우 정현파)을 갖습니다. 일반적으로 48V(또는 그 이하) 정격의 모터는 자동차 및 로봇 공학(하이브리드 자동차 및 로봇 암)에 사용됩니다.



축차


BLDC 모터의 회전자 부분은 영구 자석(보통 네오디뮴(Nd), 사마륨 코발트(SmCo), 네오디뮴 철 붕소(NdFeB)과 같은 희토류 합금 자석)으로 구성됩니다.

응용 분야에 따라 극 수는 N극(N)과 S극(S)을 교대로 배치하여 2개에서 8개까지 다양할 수 있습니다. 아래 다이어그램은 자극의 세 가지 다른 배열을 보여줍니다.



(a) 자석은 회전자 주변에 위치합니다.


(b) 회전자의 코어에 직사각형 영구자석이 매설되어 있는 전자매립형 회전자라고 불리는 회전자.


(c) 자석이 회전자의 코어에 삽입됩니다. 


BLDC 모터 회전자 위치 센서(홀 센서)




BLDC 모터 회전자 위치 센서(홀 센서)

BLDC 모터에는 브러시가 없으므로 정류는 전자적으로 제어됩니다. 모터를 회전시키려면 고정자 권선에 순차적으로 전원을 공급해야 하며 특정 고정자 권선 세트에 정확하게 전원을 공급하려면 회전자의 위치(즉, 회전자의 북극과 남극)를 알아야 합니다.

홀 센서를 사용하는 위치 센서(홀 효과 원리로 작동)는 일반적으로 회전자의 위치를 ​​감지하고 이를 전기 신호로 변환하는 데 사용됩니다. 대부분의 BLDC 모터는 회전자의 위치를 ​​감지하기 위해 고정자에 내장된 3개의 홀 센서를 사용합니다.


홀 센서(Hall Sensor)는 홀 효과(Hall Effect)를 기반으로 한 센서의 일종으로 1879년 미국 물리학자 홀(Hall)이 금속 재료에서 처음 발견했으나 금속 재료의 홀 효과가 너무 약해 사용되지 않았다. 반도체 기술의 발달과 함께 반도체 재료를 사용하여 홀 부품을 생산하기 시작했는데, 홀 효과가 크기 때문에 응용 및 개발이 이루어지고 있습니다. 홀 센서는 교류 자기장이 지나갈 때 출력 전압 펄스를 생성하는 센서입니다. 펄스의 진폭은 여기 자기장의 장 강도에 의해 결정됩니다. 따라서 홀 센서에는 외부 전원 공급 장치가 필요하지 않습니다.


홀 센서의 출력은 로터의 북극이 남극인지 아니면 북극 근처인지에 따라 높거나 낮습니다. 세 센서의 결과를 결합하여 정확한 전원 공급 순서를 결정할 수 있습니다.


고정자와 회전자가 완전히 반전되어 고정자 측에 전기자 권선이 설정되고 회전자 측에 고품질 영구 자석 재료가 설정되는 브러시 DC 모터와 달리 BLDCM의 모터 본체 구조는 고정자 전기자 권선으로 구성됩니다. , 영구자석 회전자, 위치 센서, 3상 권선은 각각 120°의 위상 간 전기각 차이를 두고 모터의 고정자 공간에 균일하게 배열됩니다. 이 구조는 순수 브러시드 DC 모터와는 다르며, AC 모터의 고정자 권선 구조와 유사하지만, 모터 작동 시 구동 회로에 의해 구형파 AC 전원이 모터에 공급됩니다.


BLDCM은 풀 브리지, 3상, 스타 결선, 6상태, 2x2 전도 모드를 선택합니다. 이 모드에서는 2개의 MOSFET이 구동 회로에서 동시에 전원이 공급되고 그에 따라 2상이 활성화됩니다. 모터 본체의 고정자 권선은 직렬로 통전됩니다. 모든 전자 위상 변화는 한 번, 고정자 자기 동적 전위 Fa는 60° 공간 전기 각도로 바뀌고, 자기 동적 전위는 단계적으로 60° 시간 전기 각도 간격으로 Fa가 점프합니다. 회전자는 연속적으로 회전하지만 고정자 자기운동량 회전모드는 스테핑형으로 실제 AC동기전동기 회전자기운동량과 다르다. BLDCM의 Fa와 회전자 자기운동량 Ff 공간각은 항상 60°~120° 범위에 있다. ° 주기적인 변화 범위, 평균값 90 °는 고정자와 회 전자 자기 운동량 Fa, Ff 상호 작용을 보장하여 평균 최대 전자기 토크 T, 강한 항력 영구 자석 회 전자 연속 회전을 보장합니다.


작동 원리 브러시리스 DC 모터는 브러시 DC 모터와 유사합니다. 로렌츠의 힘 법칙은 전류가 흐르는 도체가 자기장 안에 있는 한 힘을 받는다고 말합니다. 반력으로 인해 자석은 동일하고 반대되는 힘을 받게 됩니다. 코일에 전류가 흐르면 고정자의 자극에 의해 구동되는 자기장이 생성되며, 동극성은 서로 밀어내고 이방성 극은 서로 끌어당깁니다. 코일의 전류 방향이 연속적으로 변경되면 회 전자에 유도되는 자기장의 극도 연속적으로 변경되고 회 전자는 자기장의 작용에 따라 항상 회전합니다.


BLDC 모터에서는 영구 자석(회전자)이 움직이고 전류가 흐르는 도체(고정자)는 고정되어 있습니다.


BLDC 모터 작동 다이어그램


BLDC 모터 작동 다이어그램

고정자 코일은 전원으로부터 전원을 공급받으면 전자석이 되어 공극에 균일한 자기장을 생성하기 시작합니다. 스위치는 전원 공급 장치가 DC임에도 불구하고 사다리꼴 모양의 AC 전압 파형을 생성합니다. 회전자는 전자기 고정자와 영구자석 회전자 사이의 상호 작용력으로 인해 계속 회전합니다.


권선을 높은 신호와 낮은 신호로 전환하면 해당 권선이 북극과 남극으로 여자됩니다. 남극과 북극이 있는 영구 자석 회전자는 고정자 극과 정렬되어 모터가 회전합니다.


단극 및 2극 BLDC 모터의 BLDC 모터 작동 다이어그램



단극 및 2극 BLDC 모터의 BLDC 모터 작동 다이어그램



브러시리스 DC 모터는 단상, 2상, 3상 등 세 가지 구성으로 제공됩니다. 그 중 3상 BLDC가 가장 일반적이다.


(3) 브러시리스 DC 모터 구동 방법

운전방식은 브러시리스 DC 모터는 다양한 범주에 따라 다양한 구동 방법으로 나눌 수 있습니다.

구동 파형에 따르면 구형파 구동 방식은 구현이 편리하고 위치 센서 제어 없이 모터를 구현하기 쉽습니다.

정현파 구동: 이 구동 방법은 모터 구동 효과를 향상시키고 출력 토크를 균일하게 만들 수 있지만 구현 프로세스가 상대적으로 복잡합니다. 동시에 이 방법에는 SPWM과 SVPWM(공간 벡터 PWM)이 있으므로 SVPWM이 SPW보다 우수합니다.


(4) Brushless DC 모터의 장점과 단점

장점:

  고출력

▷ 작은 크기와 무게 

▷ 방열성이 좋고 효율이 높습니다. 

▷ 작동 속도 범위가 넓고 전기적 노이즈가 적습니다. 

▷ 높은 신뢰성과 낮은 유지보수 요구사항. 

▷ 높은 동적 응답 

▷ 낮은 전자파 간섭


불충분함:

▶ 이 모터를 제어하는데 필요한 전자제어장치는 고가이다 

▶ 복잡한 구동회로가 필요함 

▶ 별도의 위치센서 필요 (FOC 미사용)



5) 브러시리스 DC 모터 적용

브러시리스 DC 모터는 산업 제어(브러시리스 DC 모터는 섬유, 야금, 인쇄, 자동화 생산 라인, CNC 공작 기계 등과 같은 산업 생산에서 중요한 역할을 함), 자동차(모터는 와이퍼, 파워 도어, 자동차 에어컨, 파워 윈도우 및 자동차의 기타 부품에서 발견됩니다.), 항공, 자동화 시스템(실생활에서 일반 프린터, 팩스 기계, 복사기, 하드 디스크 드라이브, 플로피 디스크 드라이브, 영화 카메라 등 ., 스핀들 및 보조 운동 구동 제어에서는 모두 브러시리스 DC 모터 .) 또한 의료 장비(브러시리스 DC 모터의 사용이 더 보편화되었으며 인공 심장의 소형 혈액 펌프를 구동하는 데 사용할 수 있음; 국내에서는 고속 원심분리기용 수술용 고속 장치) , 적외선 레이저 변조기의 열화상 및 온도 측정은 브러시리스 DC 모터를 사용합니다.) 정하중 및 위치 결정 응용 분야와 같은 분야에서 다양한 부하.


브러시리스 DC 모터와 브러시 DC 모터의 차이점



프로젝트 카테고리


브러시리스 DC 모터


브러시 DC 모터



구조



회전자로 영구 자석, 고정자로 전기 구동


회전자로 영구 자석, 고정자로 전기 구동


권선 및 코일 링크


브러시 모터 특성, 긴 수명, 간섭 없음, 유지 관리 없음, 저소음, 높은 가격.



열 방출


좋은



가난한


정류


전자 회로를 갖춘 전자 스위칭 정류자



브러시와 정류기 사이의 기계적 접촉



로터 위치 센서


홀 요소, 광학 인코더 등 또는 역전위 발생기



브러시에 의한 자체 전파


브러시에 의한 자체 전파


반전



전자 조향 기어의 전환 순서 변경



단자 전압 극성 변경



장점과 단점 비교



우수한 기계적 및 제어 특성, 긴 수명, 간섭 없음, 낮은 음성, 더 높은 비용.


우수한 기계적 특성 및 제어, 높은 소음, 전자기 간섭



브러시리스 DC 모터와 브러시 DC 모터 비교


글로벌 BLDC 모터 주류 제조업체(Top10)


현재 BLDC 업계의 상위 기업으로는 ABB, AMTEK, Nidec, Minebea Group, Textronic, United Motion Technologies, Baldor Electronics, North American Electric Company, Schneider Electric 및 RegalBeloit Corporation이 있습니다.


브러시리스 DC 모터 소개


BLDC(Brushless DC Motor)는 고정자에서 발생하는 자기장과 회전자에서 발생하는 자기장의 주파수가 동일한 동기 모터의 일종이다. 높은 출력 전력, 낮은 전기 잡음, 높은 신뢰성, 높은 동적 응답, 적은 전자기 간섭 및 더 나은 속도 토크 등의 장점으로 인해 널리 사용됩니다.


브러시리스 DC 모터 내부 구조

의 구조 DC 브러시리스 모터는 아래와 같습니다(예: 슬롯형, 외부 로터, 센서리스 모터).


위의 브러시리스 모터는 전면 커버, 센터 커버, 자석, 실리콘 스틸 웨이퍼, 에나멜 와이어, 베어링, 회전 샤프트 및 후면 커버로 구성됩니다.


브러시리스 모터는 전면 커버, 중간 커버, 자석, 실리콘 강판, 에나멜 와이어, 베어링, 회전 샤프트 및 후면 커버로 구성됩니다. 그 중 자석, 베어링 및 회전축은 모터의 회전자를 구성합니다. 모터의 고정자는 실리콘 강판과 에나멜 와이어로 구성됩니다. 전면 커버, 중간 커버 및 후면 커버는 모터 쉘을 구성합니다. 중요한 구성 요소는 다음 표에 설명되어 있습니다.



구성요소 설명


축차


자석

브러시리스 모터의 중요한 구성 요소입니다. 브러시리스 모터의 성능 매개변수 대부분은 이와 관련되어 있습니다.
회전축 로터의 직접 응력을 받는 부분.


베어링

원활한 모터 작동을 보장합니다. 현재 대부분의 브러시리스 모터는 깊은 홈 볼 베어링을 사용합니다.


축차

실리콘 강판 실리콘 강판은 슬롯형 브러시리스 모터의 중요한 부분이며, 주요 기능은 자기 저항을 줄이고 자기 회로 작동에 참여하는 것입니다.
에나멜선 코일 권선의 통전 도체로서; 전류의 교류 주파수와 파형을 통해 고정자 주위에 자기장이 형성되어 회전자가 회전하도록 구동됩니다.


로터 설명

로터는 BLDC( 브러시리스 DC 모터 )는 N극과 S극(극쌍 매개변수 포함)에 따라 교대로 배열된 여러 쌍의 극이 있는 영구 자석으로 만들어집니다.



로터 자석 단면



로터 자석 단면


고정자 설명

고정자는 브러시리스 DC 모터 (BLDC)는 내부 축을 따라 축 방향으로 절단된 슬롯에 고정자 권선이 배치된 실리콘 강판(아래 그림)으로 구성됩니다(코어 극의 매개변수 수(슬롯 수 N)가 포함됨). 각 고정자 권선은 서로 연결된 여러 개의 코일로 구성됩니다. 일반적으로 권선은 3개로 연결된 별 패턴으로 분포됩니다.


브러시리스 DC 모터(BLDC)의 고정자는 실리콘 강판으로 구성됩니다.


삼중 연결 스타 권선 코일


삼중 연결 스타 권선 코일은 코일이 연결된 방식에 따라 고정자 권선을 사다리꼴 권선과 정현파 권선으로 나눌 수 있습니다. 둘 사이의 차이점은 주로 생성된 역기전력의 파형입니다. 이름에서 알 수 있듯이 사다리꼴 고정자 권선은 사다리꼴 역기전력을 생성하고 정현파 권선은 정현파 역기전력을 생성합니다. 이는 아래 그림에 나와 있습니다.   


사다리꼴 기전력 - 정방향 및 역방향 기전력


추신: 모터에 무부하 전원을 공급하면 오실로스코프를 통해 파형을 측정할 수 있습니다.


02 Brushless DC 모터의 분류


브러시리스 DC 모터 분류 설명

브러시리스 DC 모터 (BLDC)는 로터 분포에 따라 내부 로터 모터, 외부 로터 모터로 나눌 수 있습니다. 구동 단계에 따라 단상 모터, 2상 모터, 3상 모터(가장 일반적으로 사용됨)로 나눌 수 있습니다. 센서가 감각 모터와 비감각 모터로 구분되는지 여부 등에 따라; 모터의 분류가 많기 때문에 공간적 이유 때문에 여기에 관심이 있는 형제들을 설명하기 위해 여기에 있지는 않습니다.


내부 및 외부 로터 모터 설명

브러시리스 모터는 회전자와 고정자의 열 구조에 따라 외부 회전자 모터와 내부 회전자 모터로 나눌 수 있습니다(아래 그림 참조).



모터
설명


외부 로터 모터

내부 활성화 코일 권선은 고정자 역할을 하고 영구 자석은 회전자 역할을 하여 하우징에 결합됩니다. 일반적인 용어로: 회전자는 외부에 있고 고정자는 내부에 있습니다.


내부 로터 모터

내부 영구 자석은 회전자 역할을 하는 샤프트, 활성화된 코일 권선 및 고정자 역할을 하는 쉘에 연결됩니다. 일반적으로: 내부 회전자, 외부 고정자;


내부 로터 모터와 외부 로터 모터의 차이점


다양한 회전자 및 고정자 순서 외에도 내부 회전자 모터와 외부 회전자 모터 사이에는 다음과 같은 차이점이 있습니다.



형질



내부 로터 모터

                   

외부 로터 모터


전력 밀도                                


더 높은   

                   


낮추다   

                   


속도



더 높은

                   

낮추다

낮은 안정성

                   

낮추다

                   

더 높은

                   


비용

                   

상대적으로 높다 상대적으로

낮추다

                   


열 방출

                   

평범한

더 나쁨  


극 쌍

                   

더 적은

                   

                   


03 DC 브러시리스 모터 매개변수



브러시리스 모터 매개변수



매개변수 설명
정격전압 브러시리스 모터의 경우 매우 광범위한 작동 전압에 적합하며 이 매개변수는 지정된 부하 조건에서의 작동 전압입니다.
KV 값 물리적 의미: 1V 작동 전압에서 분당 속도, 즉: 속도(무부하) =KV 값 * 크기 사양이 있는 브러시리스 모터의 작동 전압: 1. 권선 회전 수가 크고 KV 값이 낮으며 최대 출력 전류는 작고 토크는 큽니다. 2. 권선 회전 수가 적고 KV 값이 높으며 최대 출력 전류, 토크가 작습니다.
토크와 속도 토크(모멘트, 토크): 모터의 회전자에 의해 생성된 구동 토크는 기계적 부하를 구동하는 데 사용될 수 있습니다. 속도: 분당 모터 속도;
최대 전류 견딜 수 있고 안전하게 작동할 수 있는 최대 전류
여물통 구조 코어 폴 수(슬롯 수 N) : 고정자 실리콘 강판의 슬롯 수; 자기 강철 극 수(극 수 P): 회전자에 있는 자기 강철 극 수.
고정자 인덕턴스

정지상태의 모터 고정자 권선 양단의 인덕턴스

고정자 저항 20℃에서 모터의 각 상 권선의 DC 저항
20℃에서 모터의 각 상 권선의 DC 저항 지정된 조건에서 모터 권선이 개방되었을 때 전기자 권선에서 단위 속도당 생성된 선형 유도 기전력의 값



BLDC 모터 제어

BLDC 모터 제어 알고리즘




BLDC 모터 제어 알고리즘

브러시리스 모터는 자체 정류형(자기 방향 전환)이므로 제어가 더 복잡합니다.

BLDC 모터 제어에는 모터가 정류 조향을 수행하는 메커니즘과 회전자 위치에 대한 지식이 필요합니다. 폐쇄 루프 속도 제어의 경우 두 가지 추가 요구 사항이 있습니다. 즉, 회전자 속도/또는 모터 전류에 대한 측정과 모터 속도 전력을 제어하기 위한 PWM 신호입니다.

BLDC 모터는 애플리케이션 요구 사항에 따라 측면 정렬 또는 중앙 정렬된 PWM 신호를 가질 수 있습니다. 대부분의 애플리케이션에는 속도 변경 작업만 필요하며 6개의 개별 측면 정렬 PWM 신호를 활용합니다.


이는 가장 높은 해상도를 제공합니다. 애플리케이션에 서버 위치 지정, 에너지 제동 또는 전력 반전이 필요한 경우 중앙 정렬된 보조 PWM 신호가 권장됩니다. 회전자 위치를 감지하기 위해 BLDC 모터는 홀 효과 센서를 사용하여 절대 위치 감지 기능을 제공합니다. 이로 인해 더 많은 전선을 사용하고 비용도 높아집니다. 센서리스 BLDC 제어에서는 홀 센서가 필요 없으며 대신 모터의 역기전력(기전력)을 사용하여 회전자 위치를 예측합니다. 팬 및 펌프와 같은 저가형 가변 속도 애플리케이션에는 센서리스 제어가 중요합니다. BLDC 모터를 사용하는 경우 냉장고 및 에어컨 압축기에도 센서리스 제어가 필요합니다.


무부하 시간 삽입 및 보완

대부분의 BLDC 모터에는 보완적인 PWM, 무부하 시간 삽입 또는 무부하 시간 보상이 필요하지 않습니다. 이러한 기능이 필요할 수 있는 유일한 BLDC 애플리케이션은 고성능 BLDC 서보 모터, 사인파 여기 BLDC 모터, 브러시리스 AC 또는 PC 동기 모터입니다.



제어 알고리즘


BLDC 모터 제어를 제공하기 위해 다양한 제어 알고리즘이 사용됩니다. 일반적으로 전력 트랜지스터는 모터 전압을 제어하기 위한 선형 레귤레이터로 사용됩니다. 이 접근 방식은 고전력 모터를 구동할 때 실용적이지 않습니다. 고전력 모터는 PWM으로 제어되어야 하며 시작 및 제어 기능을 제공하려면 마이크로컨트롤러가 필요합니다.



제어 알고리즘은 다음 세 가지 기능을 제공해야 합니다.



모터 속도 제어를 위한 PWM 전압


모터를 정류하고 정류하는 메커니즘


역기전력 또는 홀 센서를 이용한 회전자 위치 예측 방법


펄스 폭 변조는 모터 권선에 가변 전압을 적용하는 데에만 사용됩니다. 유효 전압은 PWM 듀티 사이클에 비례합니다. 적절한 정류기 정류가 이루어지면 BLDC의 토크-속도 특성은 다음 DC 모터의 특성과 동일합니다. 가변 전압을 사용하여 모터의 속도와 가변 토크를 제어할 수 있습니다.


BLDC 모터 전력 트랜지스터


전력 트랜지스터의 정류를 통해 고정자의 적절한 권선이 회전자 위치에 따라 최상의 토크를 생성할 수 있습니다. BLDC 모터에서 MCU는 회전자의 위치를 ​​알고 적시에 정류할 수 있어야 합니다.




BLDC 모터 사다리꼴 정류



가장 간단한 방법 중 하나 DC 브러시리스 모터는 사다리꼴 정류를 사용하는 것입니다.


BLDC 모터용 래더 컨트롤러의 단순화된 블록 다이어그램



BLDC 모터용 래더 컨트롤러의 단순화된 블록 다이어그램 이 개략도


이 회로도에서 전류는 한 번에 한 쌍의 모터 단자에 의해 제어되는 반면, 세 번째 모터 단자는 항상 전원 공급 장치에서 전자적으로 분리되어 있습니다.    


대형 모터에 내장된 3개의 홀 장치는 60도 섹터에서 회전자 위치를 측정하는 디지털 신호를 제공하고 이 정보를 모터 컨트롤러에 제공하는 데 사용됩니다. 전류 흐름은 한 번에 두 개의 권선에서 동일하고 세 번째 권선에서는 0이므로 이 방법은 6개의 방향 중 하나만 공통된 전류 공간 벡터를 생성합니다. 모터가 조향됨에 따라 모터 단자의 전류는 회전 60도당 한 번씩 전기적으로 전환(정류 정류)되므로 전류 공간 벡터는 항상 모터의 90도 위상 편이에 가장 가깝습니다.


사다리꼴 제어 - 정류 시 구동 파형 및 토크


30도 위치



사다리꼴 제어: 정류기의 파형 및 토크 구동

따라서 각 권선의 전류 파형은 0에서 시작하여 양의 전류, 0, 음의 전류로 이어지는 사다리꼴입니다. 이는 로터가 회전할 때 6개의 서로 다른 방향으로 올라가면서 균형 잡힌 회전에 접근하는 전류 공간 벡터를 생성합니다.


에어컨, 냉장고와 같은 모터 애플리케이션에서는 홀 센서의 사용이 일정하지 않습니다. 연결되지 않은 권선에 유도된 역전위 센서를 사용하여 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.


이러한 사다리꼴 구동 시스템은 제어 회로가 단순하기 때문에 매우 일반적이지만 정류 중에 토크 리플 문제가 발생합니다.


BLDC 모터의 정현파 정류

사다리꼴 정류기 정류는 균형 잡히고 정확한 BLDC 모터 제어를 제공하는 데 충분하지 않습니다. 이는 주로 3상에서 생성되는 토크 때문입니다. 브러시리스 모터 (정현파 역기전력 포함)는 다음 방정식으로 정의됩니다.


회전축 토크 = Kt[IRSin(o)+ISSin(o+120)+ITSin(o+240)]


여기서: o는 회전 샤프트의 전기각입니다. Kt는 위상 전류가 정현파인 경우 위상 전류에 대한 모터 IR, IS 및 IT의 토크 상수입니다. IR = I0Sino; IS = I0Sin(+120o); IT = I0Sin (+240o)


다음을 얻게 됩니다: 회전 샤프트 토크 = 1.5I0 * Kt(회전 샤프트 각도와 무관한 상수)


정현파 정류형 브러시리스 모터 컨트롤러는 모터 회전에 따라 정현파로 부드럽게 변하는 3개의 전류로 3개의 모터 권선을 구동하려고 합니다. 이들 전류의 연관된 위상은 불변성을 갖는 회전자에 직교하는 방향으로 회전자 전류의 매끄러운 공간 벡터를 생성하도록 선택됩니다. 이는 북쪽 방향 조향과 관련된 토크 리플 및 조향 펄스를 제거합니다.


모터가 회전할 때 모터 전류의 원활한 정현파 변조를 생성하려면 회전자 위치를 정확하게 측정해야 합니다. 홀 장치는 회전자 위치에 대한 대략적인 계산만 제공하므로 이 목적에는 충분하지 않습니다. 이러한 이유로 인코더 또는 유사한 장치의 각도 피드백이 필요합니다.


BLDC 모터 사인파 컨트롤러의 단순화된 블록 다이어그램




BLDC 모터 사인파 컨트롤러의 단순화된 블록 다이어그램


권선 전류는 매끄럽고 일정한 회전자 전류 공간 벡터를 생성하기 위해 결합되어야 하고 각 고정자 권선은 120도 간격으로 위치하므로 각 와이어 뱅크의 전류는 사인 곡선이어야 하며 120도 위상 편이를 가져야 합니다. . 인코더의 위치 정보는 두 사인파 사이에 120도 위상 편이가 있는 두 개의 사인파를 합성하는 데 사용됩니다. 그런 다음 사인파의 진폭이 필요한 토크에 비례하도록 이러한 신호에 토크 명령을 곱합니다. 결과적으로 두 개의 정현파 전류 명령은 적절하게 위상이 조정되어 직교 방향으로 회전하는 고정자 전류 공간 벡터를 생성합니다.


정현파 전류 명령 신호는 두 개의 적절한 모터 권선의 전류를 변조하는 한 쌍의 PI 컨트롤러를 출력합니다. 세 번째 회전자 권선의 전류는 제어된 권선 전류의 음의 합이므로 별도로 제어할 수 없습니다. 각 PI 컨트롤러의 출력은 PWM 변조기로 전송된 다음 출력 브리지와 두 개의 모터 터미널로 전송됩니다. 세 번째 모터 단자에 적용되는 전압은 각각 120도 간격으로 떨어진 세 개의 정현파 전압에 적절하게 사용되는 처음 두 권선에 적용되는 신호의 음의 합에서 파생됩니다.


결과적으로 실제 출력 전류 파형은 정현파 전류 명령 신호를 정확하게 추적하고 결과 전류 공간 벡터는 부드럽게 회전하여 정량적으로 안정화되고 원하는 방향으로 향하게 됩니다.


일반적으로 사다리꼴 정류기 조향으로는 안정된 제어의 정현파 조향 결과를 얻을 수 없습니다. 그러나 낮은 모터 속도에서는 효율성이 높기 때문에 모터 속도가 높으면 분리됩니다. 이는 속도가 증가함에 따라 전류 반환 컨트롤러가 증가하는 주파수의 정현파 신호를 추적해야 한다는 사실 때문입니다. 동시에 속도가 증가함에 따라 진폭과 주파수가 증가하는 모터의 역기전력을 극복해야 합니다.

PI 컨트롤러는 유한한 이득과 주파수 응답을 가지므로 전류 제어 루프에 대한 시불변 교란으로 인해 모터 전류에 위상 지연과 이득 오류가 발생하고 속도가 높아질수록 증가합니다. 이는 회전자에 대한 현재 공간 벡터의 방향을 방해하여 직교 방향에서 변위를 유발합니다.


이 경우 일정량의 전류로 더 적은 토크를 생성할 수 있으므로 토크를 유지하려면 더 많은 전류가 필요합니다. 효율성이 감소합니다.


이 감소는 속도가 증가함에 따라 계속됩니다. 어느 시점에서 전류의 위상 변위는 90도를 초과합니다. 이런 일이 발생하면 토크는 0으로 감소됩니다. 정현파 조합을 통해 위 지점에서의 속도는 음의 토크를 발생시키므로 실현할 수 없습니다.



AC 모터 제어 알고리즘

스칼라 제어

스칼라 제어(또는 V/Hz 제어)는 명령 모터의 속도를 제어하는 ​​간단한 방법입니다.

기술 획득을 위해 명령 모터의 정상 상태 모델이 주로 사용되므로 과도 성능은 불가능합니다. 시스템에는 전류 루프가 없습니다. 모터를 제어하기 위해 3상 전원 공급 장치는 진폭과 주파수만 변경됩니다.


벡터 제어 또는 자기장 방향 제어

모터의 토크는 고정자와 회전자 자기장의 함수에 따라 달라지며 두 자기장이 서로 직교할 때 최고조에 이릅니다. 스칼라 기반 제어에서는 두 자기장 사이의 각도가 크게 달라집니다.


벡터 제어는 AC 모터에서 다시 직교성을 생성합니다. 토크를 제어하기 위해 각각은 생성된 자속으로부터 전류를 생성하여 DC 기계의 응답성을 달성합니다. AC 명령 모터의 벡터 제어는 별도로 여자된 DC 모터의 제어와 유사합니다.

DC 모터에서 여자 전류 IF에 의해 생성된 자기장 에너지 ΦF는 전기자 전류 IA에 의해 생성된 전기자 자속 ΦA와 직교합니다. 이러한 자기장은 서로 분리되어 안정화됩니다. 결과적으로 토크를 제어하기 위해 전기자 전류를 제어할 때 자기장 에너지는 영향을 받지 않고 더 빠른 과도 응답이 실현됩니다.


3상 AC 모터의 자속 기준 제어(FOC)는 DC 모터의 작동을 모방하는 것으로 구성됩니다. 모든 제어 변수는 수학적으로 AC 대신 DC로 변환됩니다. 목표 독립 제어 토크 및 자속.


자계 방향 제어(FOC)에는 두 가지 방법이 있습니다. 직접 FOC: 회전자 자기장의 방향(Rotorfluxangle)을 자속 관측기에 의해 직접 계산합니다. 간접 FOC: 회전자 자기장의 방향(Rotorfluxangle)을 추정하여 간접적으로 얻습니다. 또는 로터 속도 및 슬립(슬립) 측정.


벡터 제어에는 회전자 자속의 위치에 대한 지식이 필요하며 단자 전류 및 전압에 대한 지식을 사용하는 고급 알고리즘으로 계산할 수 있습니다(AC 유도 모터의 동적 모델 사용). 그러나 구현 관점에서는 계산 리소스의 필요성이 매우 중요합니다.


벡터 제어 알고리즘을 구현하기 위해 다양한 접근 방식을 사용할 수 있습니다. 피드포워드 기술, 모델 추정 및 적응형 제어 기술은 모두 응답과 안정성을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.



AC 모터의 벡터 제어: 더 깊은 이해

벡터 제어 알고리즘의 핵심에는 Clark 변환, Park 변환 및 그 역이라는 두 가지 중요한 변환이 있습니다. Clark 및 Park 천이를 사용하면 회전자 전류를 회전자 영역으로 제어할 수 있습니다. 이를 통해 로터 제어 시스템은 동적으로 변화하는 부하에서 토크를 최대화하기 위해 로터에 공급되어야 하는 전압을 결정할 수 있습니다.


Clark 변환: Clark 수학적 변환은 3상 시스템을 2좌표 시스템으로 수정합니다.


Clark 변환 - Clark 수학적 변환은 3상 시스템을 2좌표 시스템으로 수정합니다.


여기서 Ia와 Ib는 직교 데이텀의 구성 요소이고 Io는 중요하지 않은 동평면 구성 요소입니다.


3상 회전자 전류 대 회전 기준 시스템


3상 회전자 전류 대 회전 기준 시스템


3상 회전자 전류 대 회전 기준 시스템


Park 변환: Park 수학적 변환은 양방향 정적 시스템을 회전 시스템 벡터로 변환합니다.

2상 α,β 프레임 표현은 Clarke 변환에 의해 계산된 다음 회전자 에너지에 연결된 d,q 프레임에 맞게 각도 θ를 회전시키는 벡터 회전 모듈에 입력됩니다. 위의 방정식에 따르면 각도 θ의 변환이 실현됩니다.



AC 모터의 자기장 중심 벡터 제어의 기본 구조

Clarke 변환은 3상 전류 IA,IB를 사용하고 고정좌표 고정자 위상의 IC를 Isd 및 Isq로 변환하여 Park 변환 d,q의 요소가 됩니다. Clarke 변환은 모터 자속 모델을 기반으로 합니다. 모터 자속 모델로부터 계산된 전류 Isd, Isq 및 순간 자속 각도 θ는 AC 유도 전동기의 전기 토크를 계산하는 데 사용됩니다.



벡터 제어 AC 모터의 기본 사항



AC 모터 벡터 제어의 기본



이렇게 파생된 값은 서로 비교되고 기준 값과 비교되며 PI 컨트롤러에 의해 업데이트됩니다.



표 1: 모터 인라인 제어와 벡터 제어의 비교:


제어 매개변수 V/Hz 제어 야리 컨트롤 센서리스 시상 제어
속도 조정  1%  0 001% 0 05%
토크 조정  가난한  +/- 2%  +/-5%

모터 모델

하지 않다 수요 정확한 모델이 필요합니다
MCU 처리 능력 낮은  높은 높은 +DSP



벡터 기반 모터 제어의 고유한 장점은 동일한 원리를 사용하여 적절한 수학적 모델을 선택하여 다양한 유형의 AC, PM-AC 또는 BLDC 모터를 개별적으로 제어할 수 있다는 것입니다.


BLDC 모터의 벡터 제어

BLDC 모터는 자계 지향 벡터 제어를 위한 주요 선택입니다. FOC를 갖춘 브러시리스 모터는 최대 95%의 더 높은 효율을 달성할 수 있으며 고속 모터에도 매우 효율적입니다.


스테퍼 모터 제어


스테퍼 모터 제어



스테퍼 모터 제어는 일반적으로 양방향 구동 전류를 채택하고 모터 스테핑은 권선을 순차적으로 전환하여 실현됩니다. 일반적으로 이러한 종류의 스테퍼 모터에는 3개의 구동 시퀀스가 ​​있습니다.


  1. 단상 풀스텝 드라이브:


이 모드에서는 권선에 AB/CD/BA/DC 순서로 전원이 공급됩니다(BA는 권선 AB에 반대 방향으로 전원이 공급된다는 의미입니다). 이 시퀀스를 단상 풀스텝 모드 또는 파동 구동 모드라고 합니다. 추가 요금은 언제든지 1회만 발생합니다.



2. 듀얼 페이즈 풀 스텝 드라이브:


이 모드에서는 두 위상이 함께 충전되므로 로터는 항상 두 극 사이에 있습니다. 이 모드를 바이페이즈 풀 스텝(biphase full step)이라고 하며, 이 모드는 바이폴라 모터의 일반적인 구동 시퀀스이며 최대 토크를 출력할 수 있습니다.



3. 반단계 모드:


이 모드는 단상 단계와 2단계 단계를 함께 전력을 공급합니다. 단상 전력, 이중 전력 추가, 그리고 단상 전력... 따라서 모터는 반단계 증분으로 작동합니다. 이 모드를 반단계 모드라고 하며, 여자당 모터의 유효 스텝 각도가 절반으로 줄어들고 출력 토크도 낮아집니다.


위 3가지 모드는 반대방향(반시계방향)으로 회전하는데 사용할 수 있으나, 순서가 반대인 경우에는 사용할 수 없습니다.


일반적으로 스테퍼 모터는 스텝 각도를 줄이기 위해 여러 극을 갖지만 권선 수와 구동 순서는 일정합니다.


일반 DC 모터 제어 알고리즘

일반 모터 속도 제어, 특히 모터의 두 회로 사용: 위상 각도 제어 PWM 초퍼 제어


위상각 제어

위상각 제어는 일반 모터의 속도를 제어하는 ​​가장 간단한 방법입니다. 속도는 TRIAC의 포인트 아크 각도를 변경하여 제어됩니다. 위상각 제어는 매우 경제적인 솔루션이지만 효율이 낮고 EMI(전자기 간섭)가 발생하기 쉽습니다.



범용 모터용 PWM 초퍼 제어

일반 모터의 위상각 제어

위에 표시된 다이어그램은 위상 각도 제어의 메커니즘을 보여 주며 TRIAC 속도 제어의 일반적인 응용 프로그램입니다. TRIAC 게이트 펄스의 위상 이동은 효율적인 전압을 생성하여 다양한 모터 속도를 생성하며 제로 크로스 감지 회로는 게이트 펄스를 지연시키기 위한 타이밍 기준을 설정하는 데 사용됩니다.

PWM 초퍼 제어

PWM 제어는 일반 모터 속도 제어를 위한 고급 솔루션입니다. 이 솔루션에서 전력 MOFSET(IGBT)은 고주파 정류 AC 라인 전압을 켜서 모터에 대한 시변 전압을 생성합니다.



범용 모터의 위상각 제어





일반 모터용 PWM 초퍼 제어



스위칭 주파수 범위는 일반적으로 잡음을 제거하기 위해 10-20KHz입니다. 이 범용 모터 제어 방법은 더 나은 전류 제어와 더 나은 EMI 성능을 제공하므로 효율성이 더 높습니다.


























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