브러시리스 DC 모터 드라이브

정의

브러시리스 DC 모터 드라이브는 사인파형 영구자석 교류(PMAC) 모터를 사용하는 자기 제어 가변 주파수 드라이브로 정의됩니다. 이 유형의 드라이브는 여러 눈에 띄는 장점을 제공합니다. 실제로 유지 관리가 거의 필요하지 않으며, 긴 수명을 자랑하여 다양한 응용 분야에서 신뢰할 수 있는 선택이 됩니다. 또한 회전 관성과 마찰이 적고 저주파 특성을 가지고 작동하며, 최소한의 라디오 주파수 간섭과 소음을 발생시키므로 부드럽고 조용한 작동이 가능합니다. 그러나 단점도 있습니다. 주요 한계는 상대적으로 높은 비용과 낮은 시작 토크입니다.

응용 분야

브러시리스 DC 모터 드라이브는 다양한 산업 및 기기에서 광범위하게 사용됩니다. 소비자 전자 제품에서는 레코드 플레이어, 녹음기용 테이프 드라이브, 컴퓨터 하드 디스크의 스피ンド르 드라이브 등에 사용됩니다. 또한 컴퓨터 주변기기와 제어 시스템에서 저전력 드라이브로 활용됩니다. 소비자 전자 제품을 넘어서 항공 우주 산업에서는 신뢰성과 저소음 작동이 필수적인 경우에 사용되며, 의료 생물학 분야에서는 정밀하고 깨끗한 작동으로 다양한 의료 기기에 적합합니다. 또한 효과적이고 조용한 환기 시스템을 제공하기 위해 냉각 팬을 구동하는 데에도 널리 사용됩니다.

모터 구조

아래 그림은 브러시리스 DC 모터 드라이브의 핵심 구성 요소인 3상 2극 사다리꼴 PMAC 모터의 단면도를 보여줍니다. 모터는 넓은 극 아크를 가진 영구자석 로터를 특징으로 하여 효율적인 작동을 가능하게 합니다. 스테이터에는 각각 120도씩 이격된 3개의 폴 와인딩이 장착되어 있으며, 이 특정 와인딩 구성을 통해 균형 잡힌 전기 작동과 부드러운 토크 생성이 가능해집니다. 각 위상 와인딩은 양쪽으로 60도를 차지하여 모터 내의 자기장 상호작용을 최적화하고 속도 및 성능을 정밀하게 제어할 수 있게 합니다.

모터의 3상에서 유도되는 전압은 아래 그림에 나타나 있습니다. 사다리꼴 파형의 생성은 로터와 스테이터 사이의 특정 상호작용 때문입니다. 로터가 반시계 방향으로 회전하면서 참조 위치로부터 초기 120도 회전 동안 A 위상의 모든 상부 도체가 자기장의 남극과 상호작용하며, A 위상의 모든 하부 도체는 북극과 상호작용합니다.

이 각 범위 내에서 일관된 자기 결합은 비교적 안정적인 유도 전압을 생성하여 사다리꼴 파형의 평평한 상단 부분을 형성합니다. 로터가 계속 회전하면 변화하는 자기장 방향으로 인해 유도 전압이 전환되면서 결국 브러시리스 DC 모터 드라이브의 적절한 작동과 제어에 필요한 특징적인 사다리꼴 형태를 형성합니다.

로터가 120도 회전하는 동안 A 위상에서 유도되는 전압은 상대적으로 일정합니다. 회전이 120도를 초과하면 A 위상의 일부 상부 도체가 북극과 연결되기 시작하며 다른 도체는 여전히 남극과 상호작용합니다. 하부 도체에서도 같은 현상이 발생합니다. 결과적으로 다음 60도 회전 동안 A 위상에서 유도되는 전압은 선형적으로 역전됩니다. 이 전압 변화 패턴은 B 위상과 C 위상에서도 반영되어 모터 작동에 필요한 조화된 전기 행동을 생성합니다.

아래 그림에 표시된 바와 같이, 브러시리스 DC 모터 드라이브 시스템은 사다리꼴 PMAC 모터와 병렬로 연결된 전압 소스 인버터로 구성됩니다. 모터의 스테이터 와인딩은 Y 연결로 구성됩니다. 그림은 또한 위에서 설명한 고유한 전압 유도 동역학을 반영하는 사다리꼴 PMAC 모터의 특징적인 위상-전압 파형을 보여줍니다. 이 파형은 브러시리스 DC 모터 드라이브의 효율적인 제어 및 작동을 가능하게 하며, 부드러운 토크 생성과 정밀한 속도 조절을 촉진합니다.

브러시리스 DC 모터의 스테이터 와인딩에는 전류 펄스가 공급됩니다. 각 펄스는 120 전기 도의 지속 시간을 가지며 유도 전압이 일정하고 최대값에 도달하는 영역 내에 정확히 위치합니다. 중요한 점은 이러한 전류 펄스의 극성이 유도 전압의 극성과 일치하여 전기 입력과 모터가 생성하는 자기장 사이의 조화로운 상호작용을 보장한다는 것입니다.

모터 내의 에어갭 플럭스는 일정한 수준을 유지하며, 유도 전압의 크기는 로터의 회전 속도와 직접적으로 비례합니다. 이 관계는 모터의 작동에 근본적이며, 속도에 따라 유도되는 전압을 기반으로 모터의 성능을 정확하게 제어하여 효율적인 전력 전송과 다양한 작동 조건에서의 부드러운 작동을 가능하게 합니다.

작동 중 각 60도 간격마다 전류는 모터의 스테이터 와인딩의 한 위상으로 들어가고 다른 위상으로 나옵니다. 이러한 교류 전류 흐름 패턴은 브러시리스 DC 모터의 작동의 주요 특징입니다. 따라서 이러한 60도 간격 동안 모터에 공급되는 전력은 다음과 같은 공식으로 표현될 수 있으며, 이는 와인딩 위상 내의 전압과 전류 간의 상호작용을 고려합니다.

모터에서 발생하는 토크

브러시리스 DC 모터 드라이브의 토크 파형은 아래 그림에 나타나 있습니다. 모터에서 생성되는 토크의 크기는 DC 전력 링크를 통과하는 전류와 직접적으로 비례합니다. 이 관계는 모터의 동적 거동과 성능 특성을 이해하는 데 근본적입니다.

이 드라이브 시스템에서 재생 제동은 위상 전류를 역전함으로써 이루어집니다. 위상 전류가 역전되면 DC 전류 원 Id의 방향도 함께 변경됩니다. 이 역전은 모터에서 시작하여 인버터를 거쳐 DC 소스로 돌아가는 전력 흐름을 시작합니다. 이 과정에서 모터는 발전기 역할을 하여 부하로부터 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력 공급에 다시 공급합니다. 이렇게 하면 모터의 감속뿐만 아니라 에너지의 회수와 재사용도 가능하여 시스템의 전체 효율을 향상시킵니다.

드라이브 시스템의 회전 속도가 역전되면 모터 내의 유도 전압의 극성도 뒤집힙니다. 이 전압 극성의 변화는 재생 제동 작동을 트리거하여 드라이브가 움직이는 부하의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력 공급에 다시 공급할 수 있게 합니다.

반대로 모터의 와인딩을 통과하는 전류의 방향을 역전시키면 모터 작동이 시작되어 모터가 원하는 방향으로 회전합니다. 이러한 서로 다른 작동 모드(재생 제동과 모터 작동)에 해당하는 전류 파형은 아래 그림에 명확하게 표시되어 있어 다양한 조건 하에서 드라이브 시스템의 전기 거동을 시각적으로 나타냅니다.

브러시리스 DC 모터 드라이브의 종류

브러시리스 DC 모터 드라이브는 주로 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 저가형 브러시리스 DC 모터 드라이브와 단일 위상 브러시리스 DC 모터 드라이브입니다. 각 유형은 고유한 특성과 작동 원칙을 가지고 있으며, 아래에 자세히 설명됩니다.

저가형 브러시리스 DC 모터 드라이브

저가형 브러시리스 DC 모터 드라이브는 단순성과 저렴함을 목표로 설계되었습니다. 3개의 트랜지스터와 3개의 다이오드 컨버터로 구성된 최소한의 구성을 특징으로 합니다. 이 구성은 3상 모터에 오직 양의 전류 또는 전압만 공급하도록 제한합니다.

작동 중 유도 전압과 전류는 모터의 모터링과 제동 기능 모두에서 중요한 역할을 합니다. 120도 양의 전류 펄스가 모터에 공급되면 모터링 작동이 시작되어 모터가 반시계 방향으로 회전합니다. 반면에 이러한 전류 펄스가 60도로 180도까지 이동하면 모터는 제동 상태로 전환됩니다. 이 전류 펄스의 타이밍 변화는 전기 입력과 모터의 자기장 간의 상호작용을 효과적으로 변경하여 회전 운동에서 제동 메커니즘으로 전환합니다.

저가형 브러시리스 DC 모터 드라이브: 전류 제어 메커니즘

저가형 브러시리스 DC 모터 드라이브에서 A 위상의 전류는 트라이애커 Tr1과 다이오드 D1에 의해 정밀하게 제어됩니다. Tr1이 활성화(켜짐)되면 소스 전압 Vd가 A 위상 와인딩에 연결됩니다. 이 연결은 IA의 변화율을 양수로 만들어 A 위상의 전류가 증가하기 시작합니다. 반면 Tr1이 비활성화(꺼짐)되면 전류 iA는 다이오드 D1을 통해 자유 회전 상태로 들어갑니다. 이 자유 회전 과정에서 iA의 변화율은 음수가 되고, 전류는 점차 감소합니다.

0-120º 시간 동안 Tr1은 번갈아가며 켜지고 끌 수 있습니다. 이 켜짐-꺼짐 스위칭 전략은 실제 전류 IA가 직사각형 참고 전류 iA를 밀접하게 추적하도록 하여 그들 사이의 차이가 미리 정의된 히스테리시스 대역 내에 있도록 합니다. 이 정밀한 제어는 모터의 안정적인 작동과 효율적인 전력 전송을 유지하는 데 도움이 됩니다.

단일 위상 브러시리스 DC 모터 드라이브

단일 위상 브러시리스 DC 모터 드라이브의 구성을 아래 그림에 나타냈습니다. 분석을 위해 모터가 반교차 단일 위상 컨버터로 구동되고, 그림에 표시된 것처럼 모터에 직사각형 전류 파형이 공급되는 것으로 가정합니다. 이 특정 전류 파형은 모터의 성능 특성과 작동 거동을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

모터에서 발생하는 토크는 토크 리플이라 불리는 유의미한 변동을 나타냅니다. 그러나 모터가 고속으로 작동할 때, 모터-부하 시스템의 관성은 자연스러운 필터 역할을 합니다. 이 고유한 관성은 토크 변동을 매끄럽게 하여 토크 리플이 존재하더라도 모터가 비교적 균일한 회전 속도를 유지할 수 있게 합니다.