브러시리스 모터의 센서리스 제어

많은 애플리케이션이 센서가 없는 브러시리스 모터로 혜택을 받을 것입니다. 이를 실현하기 위한 다양한 옵션이 있습니다. 맥슨에서 개발한 방식은 이제 정확도와 신뢰성에 대한 새로운 표준을 설정하고 있습니다.

브러시리스 모터의 구동에는 정확한 정류를 위한 제어 전자 장치가 필요합니다. 그러나 제어 전자 장치가 항상 회전자의 정확한 위치를 “아는” 경우에만 가능합니다. 이 정보는 전통적으로 센서에 의해 제공되었습니다. 즉, 모터 내부에 설치된 홀 센서입니다. 그러나 다른 방식으로 수행할 수 있게 되었습니다. 센서리스 제어 방식이 모터로부터 전류 및 전압 정보를 사용하여 회전자의 위치를 결정합니다. 그러면 모터 속도는 회전자의 위치 변화로부터 파생될 수 있으며, 이 정보를 속도 제어에 사용할 수 있습니다. 보다 개선된 센서리스 제어 방식은 전류(토크)와 위치도 제어할 수 있습니다. 센서를 제외하는 경우 케이블, 커넥터 및 민감한 전자 회로가 불필요해지므로 비용 절감 및 공간 절약과 같은 다양한 이점이 있습니다.

맥슨의 센서리스 컨트롤러는 맥슨 BLDC 모터에 특별하게 적용된 세 가지 기본 원리를 사용합니다.

원리 1: 제로 크로싱 EMF 방식

제로 크로싱을 결정하는 EMF 방식은 블록 정류 시 무전원 위상에서 유도 전압(또는 EMF)을 사용합니다. 제로 크로싱은 정류 간격의 중앙에서 발생합니다(그림 1). 다음 정류 지점으로의 시간 지연은 이전 정류 단계에서 추정이 가능합니다.

제로 크로싱 EMF 방식은 EMF가 정지 상태에서 제로가 되므로 속도가 충분히 높을 때만 작동합니다. 모터 시동에는 스텝 모터 제어와 유사한 특별 프로세스가 필요하고 별도로 구성해야 합니다. 진정한 센서리스 정류는 모터 속도가 500~1000rpm 이상인 경우에만 가능합니다. 정류 스텝 주파수가 속도 제어에 사용됩니다. 제한된 피드백 정보는 추정 방식을 제어 알고리즘(관찰자, 칼만 필터 등)으로 통합함으로써 개선할 수 있지만 모터 역학에 약간의 제약을 가합니다. 제로 크로싱 EMF 방식에는 다음과 같은 다양한 이점도 있습니다: 모든 브러시리스 모터 모델에서 작동하고, 견고하며 비용 효율적입니다. 이 접근 방식은 맥슨 ESCON Module 50/4 EC-S와 같은 많은 표준 제품에 사용되고 있습니다.

그림 1: 제로 크로싱 EMF 방식의 센서리스 정류에 대한 개략도. 예로서 위상 3을 사용하여 표시됨.

원리 2: 관찰자 기반 EMF 방식

관찰자 또는 모델 기반 EMF 방식은 모터 전류에 대한 정보를 사용하여 회전자의 위치와 속도를 결정합니다. 모델 기반 접근 방식은 회전자 위치의 훨씬 더 높은 분해능을 산출합니다. 이로써 사인파 정류(또는 FOC, 필드 지향 제어)가 가능하며 다음의 모든 이점을 포함합니다: 더 높은 효율, 낮은 열 발생, 적은 진동 및 소음. 그러나 관찰자 기반 EMF 방식 또한 정확하게 작동하려면 몇 백 rpm의 최저 속도가 필요합니다.

원리 3: 자기 이방성 방식

자기 이방성 기반 방식은 회전자와 고정자의 자기 흐름이 자기 복귀에서 평행할 때 최소인 모터 인덕턴스로부터 회전자의 위치를 추론합니다(그림 2). 측정은 모터의 움직임을 발생시키지 않는 짧은 전류 펄스를 통해 수행됩니다. EMF 기반 방식과 달리, 이 방식은 정지 상태 또는 매우 낮은 속도에서도 작동하고, 사인파 정류를 허용합니다. 측정된 신호는 모터 유형에 따라 크게 달라집니다. 회전자의 위치는 모터의 모델로 결정되며 각 모터에 대해 매개변수화 및 조정되어야 합니다. 따라서 자기 이방성 기반 컨트롤러는 매우 특정한 제품입니다. “플러그 앤드 플레이”는 옵션이 아닙니다. 회전자의 위치 평가에 필요한 컴퓨테이션 노력도 최대 속도를 제한합니다.

그림 2: 인덕턴스 이방성의 개략도. 전기 180도의 거리에서 거의 동일한 두 개의 최소값을 보여줍니다.

왜 센서리스 제어인가요?

센서리스 모터를 가격에 민감한 애플리케이션에 사용하면 비용을 줄일 수 있습니다. 홀 센서, 인코더, 케이블 및 커넥터가 필요하지 않습니다. 이 분야의 일반적인 애플리케이션은 팬, 펌프, 스캐너, 밀, 드릴 및 엄격하게 제어되는 시동이 필요하지 않은 비교적 적당한 제어 성능을 가진 기타 고속 회전식 애플리케이션입니다. 대량의 경우에는 EMF 기반 컨트롤러의 맞춤형 버전이 적합합니다.

높은 제어 성능을 위한 비용의 최적화

비용 절감은 센서리스 제어를 선택하는 유일한 이유가 아닙니다. 도어 드라이브 또는 자전거 드라이브와 같은 애플리케이션에는 높은 컨트롤러 성능이 필요합니다. 소음 방지용의 높은 역학 및 사인파 정류와 마찬가지로 제로 rpm에서 저크 프리 모터 제어가 중요합니다. 이 모두는 값비싼 인코더를 사용하지 않으면서 구현되어야 합니다. 지난 몇 년 동안, 맥슨의 새로운 고성능 센서리스 컨트롤(HPSC, 아래 참조)을 포함하여 등방성 방식 기반의 고품질 센서리스 컨트롤러가 확립되었습니다. 그러나 모델 매개변수 조정에 필요한 엔지니어링의 노력은 수백 개 이상의 수량에 대해서만 정당화할 수 있습니다.

거친 주변 조건

센서리스 제어는 취약한 센서 전자 장치를 모터에서 피해야 하는 상황에서도 필요할 수 있습니다. 사례에는 매우 높거나 낮은 주변 온도에서의 응용, 의료 기술의 세척 및 살균, 우주, 핵 시설 또는 의료 환경의 이온화 방사선이 포함됩니다. 적은 수의 모터 커넥터는 또한 공간이 제한된 경우 더 쉽게 통합할 수 있게 합니다.

필요한 제어 품질은 응용 분야에 따라 다릅니다. 어떤 센서리스 방식이 가장 알맞지는 사례별로 결정해야 합니다. 예를 들어, 드릴링 또는 연삭용의 휴대용 치과 도구는 고속이어야 하지만, 수술에서 나사를 고정하기 위해서는 더 낮은 속도와 제어된 토크가 필요합니다.

결론

센서리스 제어 선택의 세 가지 주요 이유는 다음과 같습니다: 비용 절감, 공간 절약 및 센서에 불리한 환경에서의 작동. 제로 크로싱 결정 EMF 방식은 고속에서 구동되고 비용에 민감한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 정지 상태 및 저속에서 센서리스 제어에는 보다 개선된 방식이 필요합니다. 구현의 노력은 더 크고, 모델링 및 매개변수화를 포함합니다. 비용 절감은 부차적인 것입니다. 필드 지향 제어는 더 높은 효율성, 적은 열 축적, 낮은 진동 및 소음 수준을 제공합니다. 이러한 모든 장점은 특히 휴대용 의료 기기에서 발생합니다.

맥슨 센서리스 컨트롤러

__HPSC Module 24/5(고성능 센서리스 제어)는 맥슨의 새로운 개발로서 하드웨어 및 고객별 소프트웨어 플랫폼입니다. HPSC는 항상 맞춤형 솔루션이므로 카탈로그 제품이 아닙니다. 이 개발에 대한 특별 사항: 정지 및 저속에서 자기 이방성 기반 제어 기술이 먼저 사용됩니다(원리 3). 속도가 더 높아지면 관찰자 기반 EMF 방식(원리 2)으로 원활하게 전환됩니다. 모듈의 펌웨어는 모든 드라이브 시스템에 따라 주문 제작됩니다. 특별 튜닝 프로세스에서 120개 이상의 매개변수가 각 모터의 “지문”에 따라 자동 조정됩니다. HPSC 사용의 예는 최근 맥슨에서 개발된 휴대용 의료 도구입니다.

__ESCON Module 50/4 EC-S는 제품 카탈로그(EMF 방식 및 제로 크로싱 결정 기반 블록 정류)에 나열된 맥슨의 유일한 센서리스 컨트롤러입니다. 센서리스 컨트롤러 24/1은 가장 작은 EC 모터(직경은 최대 약 10mm)를 위한 대안입니다. 그러나 카탈로그 또는 e-shop에는 등록되어 있지 않습니다.