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절대 위치 감지: 정교한 브러시리스 DC 모터 제어의 핵심

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글/노우드 브라운(Norwood Brown), 스태프 FAE, ams

모터 특성이 예측불가능하다거나 불안정 또는 불규칙한 것을 거의 또는 전혀 용납하지 않는 모터 구동 애플리케이션이 있다. 물론 모든 모터 구동 제품이 그러한 것은 아니다. 일례로 전동칫솔이나 배터리로 동작하는 장남감 등은 보통 BoM(bill of materials)에 맞춰 모터 비용을 최소화하기 위해 합리적인 수준에서 절충하여 약간의 오차가 있는 모터 특성을 허용하기도 한다. 하지만 다른 모터 구동 애플리케이션은 매우 높은 수준의 동작을 요구한다.
전동 공구는 신뢰할 수 있고 예측 가능한 모터 성능이 절대적으로 요구되는 제품 종류의 하나이다. 전동 톱을 사용한 절단 작업을 상상해 보라. 사용자가 전동 톱을 잠시 멈추었다가 다시 시동을 걸 때, 톱이 뒤쪽이나 앞쪽으로 ‘튀는’ 현상이 발생한다면, 사용자가 다치거나 몹시 놀랄 수 있다. 전기 드릴이나 유사한 전동 공구 역시 마찬가지다. 사용할 때마다 토크나 가속이 달라진다면 그러한 제품은 시장에서 빠르게 퇴출될 것이다.
이와 같이 성능이 중요시되는 모터 시스템 제조업체들은 사용자의 요구사항을 명확히 인식하고, 주로 다양한 부하를 관리하면서 시동 시 정류 및 전체 토크 유지 성능이 입증된 기능을 제공하는 브러시드(brushed) DC 모터를 사용함으로써 이러한 요구를 만족시켰다. 그러나 브러시드 DC 모터는 효율이 비교적 낮은 데다, 기본적으로 브러시가 기계적 마모나 화학적 오염으로 인해 다른 부품보다 일찍 고장이 발생한다는 단점이 있다.
이에 반해 브러시리스 DC(brushless DC, BLDC) 모터는 다음과 같은 여러 측면에서 브러시드 DC 모터보다 매우 탁월하다.
• 효율성
• 전기적 마모가 없다
• 동작이 매끄럽다
BLDC 모터 제어 시스템 설계자가 주로 마주치게 되는 곤란은 실시간의 정확한 절대 회전 위치(absolute rotary position) 데이터가 없는 상태에서 정류자(commutator)를 작동시킬 때 모터에 튐 현상과 불규칙한 토크 및 가속이 발생한다는 점이다. 과거에는 절대 위치 감지가 매우 고가의 센서에만 사용되었으며, 대부분의 모터 시스템 제조업체가 BoM 예산에 맞춰 제작한 저가의 감지 솔루션은 이러한 요구사항을 제대로 만족할 수 없었다.
전동 공구와 그 밖에 성능이 중요한 최종 제품에서는 효율적이고 신뢰할 수 있는 BLDC 모터 기술을 쉽게 찾아볼 수 없다. 하지만 이 글에서는 전동 공구 제조업체 및 이와 유사한 요구사항을 갖는 업체들이 반도체 제품 유형의 자기 위치 센서(magnetic position sensor) IC를 이용함으로써 BLDC 모터를 채택할 수 있다는 것을 소개하고자 한다. 이 IC는 간단한 자석과 함께 절대 위치 데이터를 제공하고 낮은 시스템 비용으로 손쉽게 모터 시스템에 조립됨으로써 BLDC 모터가 언제나 최적의 정류를 유지할 수 있게 해준다.

BLDC 모터 제어를 위한 위치 센서 선택

BLDC 모터 제어 시스템은 매끄럽게 시동이 걸려야 하고, 연속적인 정류를 유지하며, 가능한 최고의 효율을 달성하고, 가용 전력으로부터 최대 토크를 추출해야 한다. 이러한 모든 목표를 달성하는 열쇠는 고정자에 대한 회전자의 위치를 아는 데 있다. 이것은 모터 제어 시스템 설계자가 견고한 전기 구동 관리 솔루션을 구현할 수 있게 하는 정보이다(그림 1 참조).
특히 절대 위치 데이터를 사용하면 모터는 어느 위치에서나 매끄럽게 시동할 수 있다. 이와 반대로 디스크리트 센서나 그밖에 다른 제어 기술을 사용하는 시스템은 정상적인 동작을 시작하기 전에 고정자에 대한 시작 지점을 계산하기 위해 시동 시 점프 또는 ‘튐’ 현상이 나타날 수 있다. 그림 2는 부정확한 위치 데이터로 인한 토크 저하를 보여준다.
안타깝게도 현재까지 BLDC 모터 설계자가 이용할 수 있는 가장 단순하고 저렴한 위치 감지 시스템은 정확한 절대 위치 정보를 제공하지 못한다.
정류를 위한 역 기전력(Back-EMF) 위치 감지가 가능하기 위해서는 감지를 위해 자기장을 유도할 수 있도록 모터가 동작해야 한다. 이는 모터가 정렬 지점으로 물리적으로 미리 이동되지 않는다면 역 기전력 시스템은 정적 모터에 대한 위치 데이터를 갖지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 동작은 사용자와 무관하게 모터가 정렬 지점으로 앞쪽 또는 뒤쪽으로 이동하게 한다. 따라서 구동을 멈추거나 걸림 현상 후 일정하게 다시 시작하기 위해서는 이러한 과정을 반복해야 한다. 모든 경우 모터가 정류 잠금 지점에 도달할 때까지 모터는 절대 회전자/고정자 위치 정보에 대한 데이터가 없는 상태에서 토크 저하와 전력이 공급되는 문제를 갖게 된다...(중략)