영구자석 DC 모터는 어떻게 제어할까?1 | 전기 파워트레인 제작실습 02앞서 창작자동차 경진대회를 위한 차량의 모터를 영구자석 DC 모터로 채택했기 때문에 이 모터를 제어하는 방법에 대해서 설명해 보겠다. 혹시 3상 모터를 채택하였다면 다른 게시글에 시리즈로 해두었으므로 참고하면 된다. 2020.08.13 - [유용한 지식/모터 제어] - 전기자동차의 모터는 어떻게 제어할까? (1) | 모터 전류 제어 2020.10.04 - [유용한 지식/모터 제어] - 전기자동차의 모터는 어떻게 제어할까? (2) | 공간벡터전압 우리는 운전할 때 패달을 밟는 세기에 따라 차량을 가속시키는 힘의 정도를 조절한다. 즉 전기자동차의 모터는 패달의 세기에 따라 비례하여 토크를 발생시켜야 한다. 이는 궁극적으로 우리는 영구자석 DC 모터의 토크 제어를 구현해야 함을 의미한다.  영구자석 DC 모터에서 토크는 다음과 같은 관계식으로 표현될 수 있다. τ = Φ · i 여기서 τ 와 Φ, i 는 각각 토크와 영구자석의 자속, 전류를 의미한다. 이 식에 의하면 영구자석의 자속은 상수이므로 토크와 전류는 선형적으로 비례한다고 할 수 있다. 따라서 모터에 흐르는 전류의 세기를 조절할 수 있으면 결국 토크도 이에 선형적으로 제어될 수 있음을 알 수 있다. 즉 영구자석 DC 모터의 토크 제어는 결국 전류 제어와 똑같다. 그런데 우리가 가지고 있는 것은 배터리 뿐이라 기본적으로 모터에 우리는 오로지 전압만 인가할 수 있다. 그러므로 원하는 전류를 제어하기 위해서는 이에 알맞은 전압을 인가해주는 식으로 제어를 해야한다. 전압 제어그러므로 가장 먼저 구현해야하는 것은 전압 제어이다. 원하는 전압을 인가하기 위해 가장 널리 생각할 수 있는 방법은 고등학교 과학 시간에 배운 전압 분배법칙을 이용하는 방법일 것이다. 이 방법의 예를 들기 위해 10 V 전원으로 R만큼의 저항값을 갖는 부하를 가정하여 보자. 이 부하에 2 V의 전압을 인가하기 위해서는 다음과 같이 4R의 저항값을 갖는 저항체를 부하와 직렬로 연결하여 전압을 분배하면 될 것이다. 만약 이 저항체를 가변저항으로 만든다면 저항을 가변함으로써 부하에 인가되는 전압값을 조절할 수 있다. 이는 실제로 라디오 다이얼과 같이 간단한 신호용 회로에서 많이 사용된다. 그러나 모터와 같이 전류가 많이 흐르는 회로에서는 이 저항체에서 소비되는 전력이 매우 커지게 된다. 이 전력은 시스템 입장에서는 손실이므로 효율이 매우 떨어진다. 더욱이 저항으로 태운 전기에너지는 모두 열에너지로 전환되므로 방열을 위한 큰 시스템이 추가로 요구된다. 이에 높은 전류에서도 원하는 전압값을 인가하기 위하여 스위치를 이용한 방법들이 연구되었다. 이상적인 스위치는 off 상태에서 전류가 흐르지 않는다. 즉 off 상태 동안 소비하는 전력은 0이다. 또한 이상적인 스위치의 on 상태에서는 스위치의 저항 값이 0이므로 오로지 부하에서만 전력을 소비한다. 앞서 가정한 상황에서 부하와 스위치를 직렬로 연결시켜 보자. 여기서 스위치를 1초 중 0.2초 간만 on 시키고 나머지 0.8초 동안은 off 시킨다. 그럼 1초 동안 부하에 인가되는 전압의 평균 값은 2 V가 된다. 여기서 스위칭 주기 당 on을 시킨 시간의 비율을 듀티 비(D)라고 한다. 만약 듀티 비는 일정하게 하면서 스위칭 주기를 1초가 아니라 0.1초, 0.001초 등 더 짧은 주기로 실행한다면 전압을 더 정밀하게 제어할 수 있다. 이처럼 전압을 제어하기 위해 듀티의 비율을 조절하는 것은 마치 펄스파의 폭을 조절하는 모양과 같기 때문에 이를 Pulse Width Modulation (PWM) 방식이라 부른다. 위 상황에서 부하를 모터로 바꾸기만 하면 모터에 원하는 전압을 인가할 수 있는 회로를 만들 수 있다. 그러나 이 경우 모터에는 항상 양의 전압 값만 인가되기 때문에 자동차를 후진시키기 위한 역방향 토크를 발생시키지 못한다는 사소한 단점이 있다. 후진 기어를 통해 해결한다 해도 제어 시 원하는 값을 추종하는데 걸리는 시간인 제어의 응답성도 상대적으로 느리다. 이를 해결하기 위해 고안된 회로 디자인이 바로 다음 그림과 같이 생긴 H-Bridge Converter이다. 보통 Full-Bridge Converter라고도 불리기도 한다. 이 회로를 동작시키는 방법은 여러가지가 있지만 가장 간단한 방법을 설명하도록 하겠다. S1과 S4를 동시에 키고 S2와 S3를 동시에 꺼보자. 그럼 모터에 인가되는 전압은 +10 V이다. 반대로 S1과 S4를 동시에 끄고 S2와 S3을 동시에 켜보자. 그럼 모터에 인가되는 전압은 -10 V이다. 이번에도 전압을 제어하기 위해 이 두 가지 전압을 이용하여 PWM 방식을 적용할 수 있다. 다음과 같이 2 V의 전압을 인가하려면 듀티 비를 0.6으로 하면 될 것이다. 이처럼 다른 전압들도 4개의 스위치를 2개씩 묶어 상보적으로 키고 끄며 조절할 수 있다. 삼각파 비교그런데 이 듀티 비를 계산하는 과정이 여간 귀찮은게 아니다. 여기 삼각형의 닮은 비를 이용하여 듀티 비를 구하는 직관적인 방법이 있다. 앞서 설명한 상황에서 위 그림과 같이 스위칭 주기 동안 모터에 인가할 수 있는 전압의 범위인 -10 V ~ +10 V를 지나는 삼각파형을 생각해보자. 여기에 원하는 전압 값 2 V와 비교하면 손쉽게 우리가 원하는 듀티 비를 구할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 아래 게시글에서 자세히 설명해 놓았다. 2020.09.08 - [유용한 지식/모터 제어] - PWM(Pulse Width Modulation) 제어 원리1 이로써 내가 원하는 전압을 만들 PWM 신호를 만들기 위하여 단순하게 전압 지령 값과 삼각파만을 비교하면 되도록 구현할 수 있게 되었다. 즉 원하는 전압 값을 입력하면 그에 맞는 PWM 신호가 스위치로 인가되게 되고 이에 따라 모터에 원하는 전압이 인가된다. 다음 게시글에선 이제 원하는 전류를 만들기 위한 전압을 구하는 방법에 대해서 이야기 해보도록 하겠다. 안녕하세요. 엠투플러스(M2Plus)의 리모를 찾아서 입니다. 모터들 중 주위에서 가장 많이 사용되고 있는 모터, 속도 및 방향 제어 등을 쉽게 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있는 모터, 바로 ' DC 모터 (DC Motor) ' 인데요. ' DC 모터 (DC Motor) 란?고정자로 영구자석을 사용하고, 회전자(전기자)로 코일을 사용하여 구성한 것으로, 전기자에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써 자력의 반발, 흡인력으로 회전력을 생성시키는 모터입니다. 일반적으로 DC모터는 회전 제어가 쉽고, 제어용 모터로써 아주 우수한 특성을 가지고 있습니다. 큰 토크를 가지고 회전자 관성을 줄이기 위하여 회전자가 가늘고 긴 구조를 가지며 영구자석으로 여자속을 만들어 크기를 줄이고 작으면서도 큰 토크를 만들 수 있습니다. 예를 들면 급격한 가속성, 큰 기동 토크, 전압 변화에 대한 선형 수하 특성, 출력 토크 대 입력 전류의 선형성 등이 있습니다. 이 것은 제어용 모터에 요구되는 매우 중요한 사항이고 거의 모든 특성을 겸비한 모터라고 보시면 되겠습니다. 브러쉬에 전류를 흘려주면 스프링 힘에 의해 브러쉬는 정류자에 전류를 전달하고, 정류자에 연결된 코일에 자기장이 생기면 로렌츠 힘에 의해 코일이 감긴 로터가 회전하는 것이 기본적인 DC 모터의 원리입니다. " DC 모터의 특징 & 특성 "
" DC 모터의 단점은 BLDC 모터로 "DC 모터는 브러쉬가 있는 일반 DC모터와 브러쉬가 없는 BLDC(Brushless DC) 모터로 나뉩니다. 일반적으로 사용하는 모터는 대부분 브러쉬가 있는 일반 DC모터로 전통적인 DC모터는 마찰 때문에 시간이 지남에 따라 마모되어 유지 보수가 필요하고 브러쉬의 마모에 의한 분진이나 흑연이 발생하거나 브러쉬를 통하여 권선에 전류가 흐르면서 발생하는 전기적인 스파크와 노이즈로 인하여 여러 가지 문제점을 야기할 수 있습니다. 긴 수명과 신뢰성을 요구하는 작업에서는 사용 제한이 있어 이러한 문제점들을 보완하고자 제작된 모터가 BLDC 모터입니다. " BLDC 모터 (Brshless DC Motor) "BLDC 모터가 보다 친숙하게 다가온 이유는 드론의 고속 회전 모터에 BLDC 모터가 사용되면서 입니다. BLDC 모터는 브러쉬 및 정류자가 없으므로 소형화가 가능하며 코어리스 및 평면 대향형으로 하면 박형화도 가능합니다. BLDC 모터는 정류자와 접촉하는 브러쉬가 없기 때문에 수명이 길고 효율이 높다는 장점을 지니고 있습니다. 직접 접촉하는 것이 아니기 때문에 고속회전도 가능합니다. 속도 및 방향 제어가 DC 모터에 비해 까다로운 단점을 가지고 있었으나, ESC와 같은 BLDC 모터 드라이버가 많이 개발되면서 손쉽게 제어가 가능해졌습니다. 계자가 영구자석이므로 계자자속을 제어할 수 없는 것을 제외하면 DC모터와 유사한 속도 및 토크 제어가 가능합니다. 일반 DC모터에 비하여 브러쉬의 전압강하나 마찰 손실이 없으며 전기적(불꽃 발생) 자기적 잡음이나 기계적 소음이 거의 없습니다. 고속 운전이 물론 가능하며 순가 허용 최대 토크와 정격 토크의 비가 큽니다. " BLDC 모터 (Brushless Motor) 의 종류 "브러시리스 모터를 로터 구조에 의하여 분류하면 아우터 로터형, 이너 로터형, 디스크 로터형으로 나눌 수 있습니다. 아우터 로터형은 스테이터부가 내측에 있고 이것을 둘러싸는 것처럼 마그넷 로터가 그 외측에 배치되어 있습니다. 즉, 구조상 그 외측에 로터가 있으므로 이너셔가 상당히 커지게 됩니다. 따라서 급격한 동작을 빈번히 반복하는 용도에는 부적합 합니다. 용도 예로서는 레코드 플레이어의 턴 테이블 구종, VTR의 실린더 모터, 레이저 프린터의 스캐너 모터 등이 있습니다. 모두 정속 제어에 속합니다. 1. 이너 로터형 이너 로터형은 원주형 마그넷에 회전축을 장착하고 이것을 구동 코일내에서 회전하는 구조로 되어 있습니다. 이 모터의 특징은 그 구조상 이너셔가 낮아 제어성에 뛰어나므로 위치 결정 장치에 많이 사용됩니다. 즉, 정 역전을 빈번이 반복하는 용도에 적합합니다. 2. 외관 형상에 의한 분류 외부 형상에 따라 플랫형, 원통형, 리니어형, 빌트인형, 시스템형 등으로 나눌 수 있습니다. 플랫형은 모터의 축 방향에 대하여 외경 치수가 훨씬 큰 것을 말하고 그 내부 구조는 디스크형 로터가 일반적이고 플랫형 모터를 편평형 모터라고도 합니다. 3. 위치 센서에 의한 분류 브러시리스화 방법에는 광 센서를 사용하는 방법과 자기 센서를 사용하는 방법이 있습니다. 광 센서를 사용하는 방법에는 발광 다이오드와 포토 트랜지시트에 의한 포토인터럽터 방식이 있습니다. 자기 식에는 홀 소자, 홀 IC, MR소자, 기타의 자기 포화 소자에 의한 방법이 있습니다. 브러시리시 모터는 로터가 영구자석으로 구성되어 있어 홀 소자를 자극의 검출에 사용할 경우 그대로 신호를 보낼 수 있습니다. 즉, 홀 소자를 자극의 센서로 사용하면 다른 보조 부재를 필요로 하지 않는 것입니다. 이에 대하여 다른 방법으로는 모두 마그넷 로터의 자극 검출을 위하여 보조 재료를 사용할 필요가 있습니다. 저희 엠투플러스(M2Plus)의 리니어모터를 더 자세히 알아보고 싶으신 분들은 유튜브채널 : https://www.youtube.com/channel/UCEthooIvQiHrcn-TiNAUG9w 엠투플러스 초소형/초정밀 간편하게 사용 가능한 리니어서보 스테이지와 컨트롤러를 전문적으로 취급합니다. www.youtube.com 홈페이지주소 : http://www.m2plus.kr/ M2Plus 초소형 모터 정밀 제어 전문가 엠투플러스입니다. www.m2plus.kr 전화번호 : 02-2083-1611~2 E-mail : 로 문의하시면 보다 자세하게 상담 도와드리도록 하겠습니다. 감사합니다. |
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