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2006/04/19 17:33

BLDC Motor 기술

Link: http://sun.uos.ac.kr/info/bldc/bldc.htm

BLDC Motor 기술

서울시립대학교

계측네트워크 실험실

김희식 교수

목차

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

2. BLDC 모터 설계기술

가- 모터설계

(1) 설계기술

(2) 정밀제작기술

(3) 특성기술

나- 구동회로 및 제어기술

(1) 센서제어기술

(2) 센서리스 제어기술

4.BLDC 모터의 장단점

1. BLDC 모터 구성

가- BLDC 모터정의: 브러시리스 모터(Brushless motor)는 DC모터에서 브러시, 정류자 등 기계적인 접촉부를 없애고 이것을 전자적인 정류 기구를 설치한 직류 모터를 말한다. 그래서 브러시리스 모터를 무정류자 모터하고도 한다.

나- BLDC 모터 구성요소 :

a. A Permanent magnet rotor

b. A ststor 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


(그림 1) 브러시리스 모터 구동시스템

브러시리스 서보 모터의 구동시스템은 <그림 1>에서 보는 바와 같이 컨버터, 인버터와 제어기 그리고 서보 모터로 구성되어 있다.
브러시리스 서보 모터는 앞절에서 설명한 바와같이 DC 서보 모터와는 달리 고정자에 3상 전류를 회전자의 자극과 동기시켜 회전시키는 구동방법을 사용하고 있다.

따라서 센서는 서보 모터를 구동하기 위한 회전자의 위치를 검출하여 회전자의 현재 위치에 맞는 전류를 공급하기 위한 위치를 검출할 수 있는 엔코더(Encoder), 혹은 레졸버(Resolver)를 주로 사용한다. 그리고 속도를 검출하는 센서는 타코(Tacho)센서를 주로 사용하나 브러시리스 서보 모터, 즉 AC 서보 모터에서는 회전자의 위치를 검출하여야 함으로 잘 사용하지 않고 내부에서 연산하여 검출한다.
최근에는 센서없이 모터에 흐르는 전류와 모터에서 검출되는 전압을 가지고 구동을 하는 센서없는 구동법, 즉 센서리스 제어방법에 의하여 센서없이도 서보 모터를 구동하기도 한다.
그리고 서보시스템에서는 서보 모터에 흐르는 전류를 제어하여 모터에서 발생하는 토크를 제어하게 된다. 그래서 전류를 검출하기 위한 전류 센서를 가지고 있다. 전류센서로는 홀센서 혹은 선간 저항에 의한 전압 차이를 검출하는 센서를 이용하기도 한다.

(그림 2) 3상 전류 제어용 인버터


<그림 2>은 3상 전류 제어형 PWM 인버터의 단순도로써 6개의 전력 스위칭소자로 구성되어 있다. 인버터는 DC 입력 전원으로부터 3상 AC전원으로 변환하는 전력 변환장치로 전류원 인버터와 전압원 인버터의 두가지 형태가 있는데 서보 모터를 구동하기 위한 인버터는 전압원 인버터가 주로 적용된다.

전압원 인버터는 입력된 DC전원을 이용하여 제어하고자 하는 대상에 주파수를 갖는 펄스 열로써 전압은 인가하여 펄스폭을 변조하여 제어하고자 하는 전압과 전류를 공급하여 줌으로 제어를 하게 된다.
<그림 2>에서 나타낸 바와 같이 AC 서보 모터에 3상의 전력을 공급하기 위해서는 6개의 스위칭소자가 필요하며 이러한 인버터를 3상 풀 브릿지(3-Phase Full Bridge) 인버터라 한다.
컨버터는 AC 전원으로부터 DC 전원을 만들어내는 전력 변환기로 정류회로를 지칭하며 서보 모터를 구동하기 위한 컨버터로는 단순히 입력 AC 전원을 DC 전원으로 변형하는 정류회로가 사용되며 출력되는 DC 전원의 전압을 제어하는 등의 복잡한 형태의 컨버터는 적용되지 않는다.
위에서 설명된 구성회로는 브러시리스 서보 모터 구동시스템의 주요 구성부로써 제어기는 센서로부터 입력되는 속도, 위치, 전류의 데이터를 이용하여 제어기에 주어진 제어명령에 서보 모터가 가장 잘 추종하도록 제어하는 기능을 한다. 이와 같이 구성되어 제어되는 시스템을 서보 모터시스템이라 한다. 이러한 제어구조를 조금 더 자세하게 살펴보면 <그림 3>와 같이 나타낼 수 있다.

(그림 3) 브러시리스 모터의 전류 제어 블럭도

<그림 3>에서와 같이 브러시리스 서보 모터의 전류 제어는 모터에 인가되는 전류를 검출하고 제어기 전류 명령과 전류 제어 상변환기의 출력을 연산 전류 에러값을 구하고 제어이득(Control Gain)을 곱하여 인버터에 입력되면 인버터에서는 DC 전원을 입력받아 PWM 제어를 통하여 모터에 전력을 공급하도록 구성된다.
앞에서 언급한 바와 같이 모터의 제어는 모터에 공급되는 전류에 의하여 모터에서 발생하는 토크를 제어함으로 이루어지게 된다. 따라서 서보 모터에 있어서 제어의 핵심이 되는 부분은 전류를 제어하는 전류 제어계라고 할 수 있으며, 이를 토크 제어라고도 한다.

1. BLDC 모터 구성

. 회전자의 구조

BLDC 모터는 구조면에서 자계를 만드는 마그네트 회전자의 배치에 따라 자로의 구성방법, 권선의 배치방법이 다르다. [표 1.1]에 BLDC 모터의 분류와 특징의 개요를 나타내었다.

[표 1.1] BLDC 모터의 구조와 특징

공극부

회전자·
전기자 구조

특징

용도 예

공극의 위치

자석회전자의 위치

구조상 특징

사용장소

radial gap type

(원주방향 갭)

- 모터의 외주측으로 회 전자를 배치(outer rotor)

- 모터의 내주측으로 회전자계를 생성

- 회전자의 관성모멘트가 크므로 정속도 운전에 유리

- 마그네트를 비교적 크게 할 수 있으므로 고효율, 고토크화하기 쉽다.

- 권선의 1코일 평균길이가 짧게 되어 손실저감

- 회전자 지지기구가 복잡하다.

- 밀폐 구조로 하기 어렵다

- 복사기 드럼구동용 등 고토크에서 정속운전을 필요로 하는 곳

- 모터의 내주측으로 회전자를 배치(inner rotor)

- 모터의 외주측으로 회전가계를 생성

- 회전자의 관성모멘트가 outer rotor에 비하여 작다

- 모터구조를 비교적 간단하게 구성할 수 있다.

- 자동문 구동장치, 복사기의 원고 자동 운반장치 등 비교적 민감한 제어성을 요하는 곳

axial gap type

(축방향 갭)

- 축방향의 두께를 비교적 얇게 한 원판상의 모터

- 회전자의 전기자를 축방향으로 나열한 구조

- 축수간 간격이 짧기 때문에 공작의 정확을 요함, 축수구조도 복잡

- 권선과 전기자를 분리 슬롯리스 구조로 함

- 회전율을 저감시킬 필요가 있는 곳에서 많이 사용되고 있지만 권선의 배치정도와 권선형상의 밸런스를 작게 하여야 할 필요가 있다.

- VTR용 실린더, FDD용 모터 등 모터 이외의 기능을 복합화 하여 기계적 정도를 요하는 곳

[그림 1.1]은 외부(Outer) 회전자형 BLDC 모터, [그림 1.2]는 내부(Inner) 회전자형 BLDC 모터, [그림 1.3]에는 엑셜갭(Axial gap)형 BLDC 모터에서의 각 구조 단면도를 나타낸다. 내부 회전자형의 프레임 구성에 있어서, 종래에는 철판 프레임으로 전기자 외주부를 구성하였으나, 최근에는 모터에 대한 진동과 소음의 감소를 요구하므로 이에 대한 대책의 하나로서 레진재료 일체형으로 몰드된 프레임을 높인 것이 있다. 레진의 일례는 폴리에스테르재료로 절연성, 열전도성, 열안정성, 내충격성, 내열 충격성이 우수하다. 그밖에 레진으로 코일을 봉지함에 의해서 악조건하에서도 절연 열화되지 않는다는 점과 레진열전도, 열방산성이 우수하기 때문에 체적을 작게 할 수 있다는 점이 유리하다.

[그림 1.1] outer rotor 형 [그림 1.2] inner rotor 형

[그림 1.3] axial gap형

. 마그네트

BLDC 모터에 사용되는 마그네트는 소형 모터에 있어서는 그 대부분이 성능과 가격면에서 페라이트 마그네트가 주류이지만 최근에는 그보다 한층 더 성능이 좋은 플라스틱 네오듐을 사용하여 체적효율(경박 단소화)을 보다 높이고 있다. 마그네트의 성능은 [그림 1.4]와 같은 자화특성곡선을 사용한다. 이것은 마그네트를 충분히 포화하기까지 자화시킨 경우의 히스테리시스 루프의 제2상한을 나타낸 것이므로 [그림 1.4]의 Hc 및 Br에서 각 축에 수직선을 그어서 그 교점 P와 원점 O를 연결하는 직선과 자화특성곡선의 교점을 Q라 하고 Q의 각 좌표값을 Hd 및 Bd라 하면 Bd×Hd의 값이 마그네트의 우열비교를 할 때 사용된다. 대표적인 마그네트의 자화특성을 [그림 1.5]에 나타내었다.

[그림 1.4] 자화특성곡선

[그림 1.5] 대표적인 자석의 자화특성

마그네트의 이방성에 있어서는 마그네트를 고정시킬 때 마그네트의 자구에 강제적으로 자계를 주어서 스핀배향으로 일치시켜 고정시킨 것을 이방성을 갖는 마그네트라 부르고, 이와 같은 공정을 취하지 않은 것을 등방성(무방향성) 마그네트라 한다. 이방성 마그네트는 등방성 마그네트에 비해 상당한 성능 개선을 보인다. 등방성은 원통상 마그네트를 구성할 수 있지만 이방성의 경우는 기와 모양의 것을 들러붙게 합쳐서 사용해야 하는 문제가 있다.

. BLDC 모터의 구동회로 및 제어기술

(1) 구동회로

BLDC 모터의 구동회로는 반도체 기술의 발달로 소용량의 것은 IC화되어 사용되고 있다. [그림 1.6]은 회로구성의 일례를 보인 것이고, [그림 1.7]은 실제품의 블록도를 나타낸다.

[그림 1.6] BLDC 모터 구동 기본 회로 구성 예

[그림 1.7] BLDC 모터 제어 IC 블록도

제어 IC 입력으로 속도지령 신호를 인가하면 Hall 센서로부터 자극의 위치 정보를 얻고 IC내에서 PWM 파형을 생성하여 인버터의 스위치를 온·오프한다. 과전류보호기도 내장되어 있으며 DC 전압도 300V급까지 인가할 수 있다.

(2) BLDC 모터의 회전자의 자극위치 검출방법

회전자 자극 위치 검출 방법을 [표 1.2]에 나타내었다. 현재 비교적 구성이 간단한 Hall 소자 포토 커플러를 이용한 광학적인 방법이 많이 사용된다.

[표 1.2] BLDC 모터의 위치 검출 방식

방 식

특 징

비 고

Hall 소자 방식

위치검출기구가 간단

Hall 소자의 재질에 따라 GaAs, InSb 계로 분류

광학적 방식

포토커플러를 주로 이용

판재식과 투과식으로 대별

고주파 유도방식

코일의 인덕턴스의 변화를 검출

고주파 발진제어 방식

발전기의 Q (공진의 첨예도) 발진을 온·오프함

Lead Switch 방식

구조 간단

자기저항 소자방식

자전변환 소자를 이용 Hall 소자방식과 동등

(3) 구동방법과 제어

BLDC 모터는 인가전압이 일정한 경우 부하 토크에 대한 회전속도가 DC 모터와 같이 부하특성을 갖고, 속도-토크가 거의 직선 관계를 이루므로 인가전압에 의해서 용이하게 속도를 제어할 수 있는 특징이 있다. BLDC 모터의 회전력의 발생은 DC 모터와 같고, 동일한 형태의 속도-토크 특성을 갖는다.

BLDC 모터를 사용하여 일정속도로 제어하는 방식의 예는 F/V(frequency to voltage) 방식과 PLL(phase locked loop) 방식이 있다. F/V 방식은 모터의 회전 오차가 1% 이하의 정밀도가 필요한 경우에 잘 사용된다. [그림 1.8]에 블록도를 나타낸다. FDD의 스핀들 모터에 적용한 경우 프린트 기판 상에 제어회로와 파워회로가 원칩화된 LSI 및 Hall 센서, 속도검출용 FG(frequency generator) 파형, 전기자권선 등이 실장되며 모터 회전 오차는 0.3%이하이다.

[그림 1.8] F/V BLDC 모터 블록도

F/V 방식의 경우 속도의 결정이 저항, 콘덴서로 정해지기 때문에 높은 회전 정밀도가 얻어지지 않는다. 이와 같은 이유에서 PLL 방식이 고려되었다. [그림 1.9]에 블록도를 나타낸다. 이 경우 속도의 설정은 외부의 수정발진자에 의해 행해지므로 매우 높은 회전수 및 회전수 변동 정밀도가 얻어진다.

[그림 1.9] PLL 방식의 BLDC 모터 블록도

[그림 1.10]은 3.5" FDD의 스핀들 모터에 사용한 예를 블록도이며, 모터 구동이 원칩 LSI로 행해진다. 속도제어부에 마이크로프로세서를 사용해서 PWM 제어되는 전력변환기를 조합시킴으로써 여러 가지 특징을 갖는 BLDC 모터가 만들어진다.

3.5" FDD 스핀들 구동방식으로서 DD(direct drive)와 ID(indirect drive) 방식이 있지만 최근에는 박형화된 ID방식이 채용되고 있다. 여기에 수반하여 모터도 박형화가 요구되는 경향이지만 DD 방식용 모터에서는 ID 방식에 비해 감속비분만큼 큰 토크를 필요로 하기 때문에 가격면에서 불리하다.

[그림 1.10] FDD 스핀들 모터용 원칩 LSI 블록도

BLDC 모터도 센서리스 방식이 연구되고 있으며 한 예를 기술한다. [그림 1.11]에 나타낸 것과 같이 120°의 위상차를 가진 각 코일에 유기되는 전압과 점선으로 표시된 각 유기전압의 정의 반주기를 반전하는 1/2 크기로 한 전압을 비교기로 비교해서 전류를 흘리게 한 다이오드에 대응하여 각상의 구동 트랜지스터가 온으로 되어 고정자 코일에 전류가 흐르게 된다. 이것에 의해 마그네트와 요크로 구성된 회전자는 전류가 흘러 여자된 고정자에 동기로 회전한다. 이와 같이 센서리스 모터는 유기전압과 비교하는 것에 의해 전류가 흐르는 시간을 정하므로 일반적으로 필요로 하는 자극검출용의 홀센서가 불필요하게 되고 신뢰성도 향상된다.

[그림 1.11] 전류(轉流)회로의 동작

3.1-3 BLDC 모터


가. 모터 설계

BLDC 모터의 설계기술관련 특허로는 설계기술특허, 정밀제작기술특허, 특성기술특허로 구분할 수 있다.

(1) 설계기술

'85년 Papst-Motoren에서 출원하여 '88년 등록된 미국특허 4730136호는 고정자 구조에서 공극을 균일하지 않게 함으로 기동토크를 향상시켰고, '93년 Papst Licensing에서 출원하여 '95년 등록된 미국특허 5418416호는 3상 코일과 위치센서가 특별한 위치로 연관되도록 하여 고정자 전류에 따라 정류시점이 이동하는 것을 방지하였다.

BLDC 모터의 주요한 특성중 하나인 토크리플의 저감과 관련된 특허로서, '82년 Fuji Photo Film Co.에서 출원하여 '85년 등록된 미국특허 4551645호는 디스크형 BLDC 모터로서 전기자 권선을 중첩시키지 않고 권선수를 증가시켜 모터의 상수를 증가시키고 토크리플을 감소시켰고, 이후 '92년 Sankyo Seiki에서 출원하여 '93년 등록된 미국특허 5194771호는 권선과 자기센서 위치를 개선하여 토크리플을 감소시켰다.

한편, 효율 향상과 관련해서는, '85년 Sanyo Electric Co.에서 출원하여 '87년 등록된 미국특허 4668884호는 축방향의 공극을 갖도록 하여 효율을 향상시키고 그에 따라 소비전력을 감소시켰다. 그리고, '87년 Shicoh Engineering Co.에서 출원하여 '89년 등록된 미국특허 4804873호는 하나의 위치검출장치만을 가지며 저소음과 효율이 높은 BLDC 모터에 대한 특허이다.

그리고, 소형화와 관련해서는, '91년 Matsushita Electric Ind.에서 출원하여 2000년 등록된 일본특허 3106582호는 기판상에 IC를 배치하여 모터의 소형화를 달성하는 기술이며, '91년 Nippon Densan Co.에서 출원하여 2000년 등록된 일본특허 3128282호는 큰 자속밀도변화를 얻음으로 코어의 단면적을 줄일 수 있어 모터의 소형화를 달성하는 기술이다.

위 기술들에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 미국특허 4730136호는 고정자 구조에 있어서, 공극이 균일하지 않도록 완전한 원통형에서 약간 벗어나는 형태의 외주면을 갖는 전기자 극편을 포함하는 원통형 공극을 가지는 모터에 관한 것으로, 건조 마찰에서도 신뢰성 있게 기동할 수 있도록 하였다.

미국특허 4551645호[그림3.1]은 다수의 전기자 권선과 계자석으로 구성된 디스크형 브러시리스 모터에 관한 것으로서, 전기자 권선을 서로 중첩시키지 않고 모터의 전기자 권선의 수를 증가시킴으로써, 모터의 상 수가 증가하여, 토크 리플이 크게 감소하고 매끄럽게 회전하도록 하는 기술이다.

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  1. Favicon of http://blog.naver.com/hama5079 BlogIcon 토마스 2006/06/16 11:27 address edit & del reply

    BLDC를 공부하는중인데 여기있는 자료를 보고 도움이되어 개인블로그에 스크랩해갑니다 괜찮으신지모르겠어서 글남깁니다 만약 저작권등 위반되는사항이면 방문하셔서 글남겨주시면 삭제하도록하겠습니다 글도움많이 되어감사드립니다 ^^

  2. Favicon of http://blog.naver.com/lastfrog BlogIcon lastfrog 2007/01/29 10:33 address edit & del reply

    담아갑니다.

  3. Favicon of http://blog.naver.com/carryonmyway BlogIcon carryonmyway 2007/05/05 10:39 address edit & del reply

    BLDC 모터에 관해 공부중인데 많은 도움이 될것같습니다.
    윗 분처럼 스크랩 해가는데 문제가 되면 블로그에 글 남겨주시면 삭제토록 하겠습니다. 자료 감사합니다.