DC 모터는 브러쉬를 통한 기계적인 접촉 구조이냐 아니냐에 따라 Brushed DC 모터와 Brushed less DC 모터로 구분합니다.
Brushed DC 모터는 2개의 전선으로만 구성되어 있으며 전동기를 구동시키기 위한 드라이버의 설계 및 제어가 용이하다는 장점이 있지만, Brush의 접촉을 통해서 회전에 따라 전기자 전류의 극성이 바뀌게 되므로, 기계적 소음과 전기적 잡음이 심하며 내구성이 떨어집니다.
반면, BLDC 모터는 Brush가 제거된 형태입니다. 위 그림 에서 보이듯 BLDC 모터는 가운데 영구자석으로 되어있는 회전자, 고정자의 이빨에 권선이 감겨있는 형태입니다. 또한 BLDC 모터의 영구자석(회전자)을 회전 시키기 위해서는 영구자석의 위치 및 극성에 따라 회전자에서 정확한 시점과 정확한 방향으로 자속을 발생시켜야 합니다. 따라서 영구자석의 위치를 검출하기 위해 홀센서 3개가 필요합니다. 그리고 Brush DC 모터는 전류를 스위칭하는 전선이 2개인 것과 다르게, BLDC 모터는 3상을 스위칭하여 제어하기 때문에 3개의 전선이 필요합니다.
BLDC 전동기를 구동시키기 위해서는 회전자(영구자석)가 회전하도록 영구자석의 위치에 따라 고정자의 권선에 전류를 흘려서 자속을 발생시킬 권선을 순시적으로 바꾸어 주어야 합니다.
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| 그림. 1 BLDC 전동기의 회전 순서 |
윗 그림과 같이 3상 2극의 BLDC 전동기를 예로 들어 보겠습니다. 가운데 영구자석이
회전하고 고정자에는 3개의 고정자 상이 존재합니다. 이때 각각의 상을 U, V, W 상이라고
합니다. 그리고 3개의 홀센서는 HA, HB, HC 혹은 HU, HV, HW라고 합니다.
가정 1 : 고정자의 권선에 + 방향으로 전류를 흘리면 N 극이 되고 -방향으로 전류를
흘리면 S 극이 된다고 가정.
가정 2 : 홀센서가 자석의 S 극이 다가올 때는 LOW (0), N 극이 다가올 때는
HIGH (1) 라고 가정.
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| 그림. 2 BLDC 전동기의 순서 차트 |
그림 1에서 얻어낸 홀센서 신호의 조합과 그에 따른 U, V, W 상의 조합을 순서 차트로 나타내면 그림 2와 같습니다. 현재의 홀센서 신호를 알고, U, V, W 상에 어떤 전류를 보내야 할지 알고 있으므로 연속적으로 회전이 가능한 것입니다.
전동기의 순서 차트를 보시면 다음과 같은 특징을 발견할 수 있습니다.
1. 홀센서는 6개의 조합을 나타내기 위해 000과 111을 제외한 조합을 사용하며, glitch 현상이 일어나지 않도록 grey code로 이루어져 있습니다.
2. 한 step에서 3개 상의 상태는 모두 다릅니다. 다시 말해, 한상은 +방향의 전류, 한상은 -방향의 전류, 한상은 float 상태가 되겠습니다. 2개의 상만 스위칭하는 것을 2상 여자 방식이라 부릅니다.
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| 그림 3. BLDC 전동기의 구동 과정 |
그림 3을 보면 권선 3개가 각각 U 상, V 상, W 상에 해당하는 권선입니다. 그리고 각 권선마다 MOSFET (스위칭 소자)가 2개씩 총 6개로 구성되어있습니다. 위쪽에 MOSFET 3개가 각 상마다 +방향으로 전류를 흘려주게 하는 역할을 하고, 아래쪽 MOSFET 3개가 각 상 마다 -방향으로 전류를 흘려주게 합니다.
그림 1 또는 2에서 step1의 U, V, W 상의 상태는 U 상은 +방향 V 상은 float, W 상은 -방향으로 전류가 흐르면 됩니다. 다시 말해, V 상은 전류가 흐르지 않고 U 상에서 W 상으로 전류가 흐르면 되는 것입니다. 따라서 U 상의 윗단 MOSFET와 W 상의 아랫단 MOSFET를 스위칭 시켜 주면 됩니다. Step 2의 경우는 V 상에서 W 상으로 전류가 흘러야 하므로 V 상의 윗단 MOSFET와 W 상의 아랫단
MOSFET를 스위칭하여 전류를 흘려줍니다.
이러한 방식으로 6 step 모두 홀센서의 조합에 따라 MOSFET를 스위칭하여 원하는 권선에
전류를 흘려주어 원하는 자속을 발생시켜 BLDC 전동기가 회전하게 됩니다.
마지막으로 홀센서의 신호 조합과 MOSFET의 스위칭 조합을 진리표로 나타내면 다음과 같습니다.
BLDC 전동기의 전류파형과 역기전력 파형에 대해 살펴 보겠습니다.
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| 그림. 1 BLDC 전동기의 상전류 파형과 역기전력 파형 |
BLDC 전동기는 MOSFET과 같은 switching 소자에 의해 ON/OFF 되는 형태이기 때문에 float 상태와 같이 switching 소자가 OFF인 경우는 전류가 흐르지 않게 됩니다. 따라서 그림 1과 같이 상전류는 준구형파(quasi-square waveform)가 나타나게 됩니다.
그리고 BLDC 전동기의 큰 특징중에 하나가 역기전력 파형이 사다리꼴(trapezoidal)형태로 나타난다는 것입니다.
그림 1은 각각 U, V, W 상에서 나타나는 상전류와 역기전력 파형을 나타낸 것입니다.
사다리꼴 형태의 역기전력을 설명하기 위해 잠깐 BLDC 전동기와 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)을 비교하고 넘어가겠습니다.
BLDC 전동기와 PMSM을 구분할 수 있는 가장 큰 특징이 역기전력의 파형을 비교하는 것입니다.
BLDC 전동기는 역기전력이 사다리꼴 형태로 나타나는 한편 PMSM은 역기전력이 사인파 형태로 나타납니다.
| BLDC motor | PMSM | |
|---|---|---|
| Back-EMF | Trapezoidal | Sinusoidal |
| Phase Current | Quasi-square waveform | Sinusoidal |
| Driving method | -Two-phase excitation method -Rotor position is detected by hall sensors |
-Torque control in vector control -High resolution position sensor is needed |
| Torque ripple | Moderate | Low |
| Cost | Low | High |
먼저 영구자석의 착자 방향에 따라 역기전력의 형태가 달라집니다.
BLDC 전동기는 방사 형태로 균일한 자속이 발생하도록 착자 되어있는 반면 PMSM은 평행으로 착자 되어있습니다. 이는 상전류의 파형과 연관이 있습니다. BLDC 전동기의 경우 상전류가 준구형파인데 평평한 구간을 같은 평평한 파형으로 일치시키기 위해서 역기전력은 사다리꼴 형태가 발생하게 착자한 것이고, PMSM의 경우 상전류가 사인파이기 때문에 이와 형태를 일치시키기 위해 사인파 형태로 착자한 것입니다.
