BLDC 모터는 기계적으로 훌륭하게 설계되었더라도, 제어기가 로터 위치를 충분히 정확하게 파악하지 못하면 성능이 저하될 수 있습니다.

BLDC 모터는 기계식 브러시 대신 전자식 스위칭을 사용하여 정류를 수행합니다. 컨트롤러는 로터 위치에 따라 각 상에 전류를 공급할 시점을 결정해야 합니다. 이 위치를 어떻게 파악하느냐에 따라 시동 특성, 저속 토크, 속도 안정성, 위치 결정 정확도, 시스템 비용 및 제어 복잡성에 직접적인 영향을 미칩니다.

실제 BLDC 모터 시스템에서는 다음 세 가지 접근 방식이 주로 사용됩니다:

• 홀 센서 피드백
• 인코더 피드백
• 센서리스 제어

어떤 방식이 절대적으로 우월하다고 할 수는 없습니다. 신뢰할 수 있는 정류에는 홀 센서로도 충분하며, 정밀한 동작 정보가 중요한 경우에는 인코더가 더 적합하고, 제로 속도 피드백보다 센서, 배선 및 기계적 복잡성을 줄이는 것이 더 중요할 때는 센서리스 제어가 매력적인 대안이 됩니다.

BLDC 모터에서 로터 위치가 중요한 이유

BLDC 컨트롤러는 로터 위치에 따라 모터 권선을 통과하는 전류를 제어합니다. 잘못된 시점에 정류가 발생하면 모터는 여전히 회전할 수 있지만, 토크 발생 효율은 떨어집니다.

로터 위치 정보가 부정확하면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

• 약한 시동 토크
• 토크 리플
• 불안정한 저속 운전
• 전류 소비 증가
• 추가적인 발열
• 진동 및 소음
• 효율 저하
• 낮은 위치 결정 성능

그러나 필요한 피드백 정확도는 응용 분야에 따라 크게 달라집니다.

수천 rpm으로 지속적으로 작동하는 냉각 팬은, 부하를 몇 분의 1도 단위로 이동시키는 서보 축과 동일한 로터 위치 정보를 필요로 하지 않습니다. 불필요한 피드백 분해능에 비용을 지출하는 것은 기계의 실질적인 성능을 향상시키지 못하면서 비용만 증가시킵니다.

1. 홀 센서 제어

홀 센서는 BLDC 모터에서 가장 널리 사용되는 로터 위치 피드백 방식 중 하나입니다.

3상 BLDC 모터는 일반적으로 로터 감지를 위해 3개의 홀 센서를 사용합니다. 로터 자석이 센서 앞을 지나갈 때 홀 신호의 상태가 변하며, 이를 통해 컨트롤러에 로터의 전기적 위치 정보가 제공됩니다.

기존의 6단계 정류 방식의 경우, 이 정도면 대개 충분합니다.

홀 센서가 뛰어난 성능을 발휘하는 분야

홀 센서의 가장 큰 실용적 장점은 제로 속도 및 극저속에서도 작동한다는 점입니다.

컨트롤러는 위치 정보를 수신하기 전에 로터가 이미 회전하고 있을 필요가 없습니다. 이로 인해 특히 모터가 부하 상태에서 시동해야 할 때 시동 과정이 비교적 간단해집니다.

홀 센서는 신뢰할 수 있는 성능과 합리적인 시스템 비용을 양립시킵니다. 고해상도 엔코더에 비해 저렴하며, 정교한 위치 추정 알고리즘이 필요하지 않습니다. 홀 센서는 다음과 같은 응용 분야에서 널리 사용됩니다:

• 펌프
• 팬 및 송풍기
• 전동 공구
• 소형 전기 자동차
• 액추에이터
• 컨베이어
• 가전제품
• 일반 산업용 구동 장치

이러한 응용 분야의 경우, 정확한 샤프트 각도를 아는 것보다 대략적인 정류 섹터를 아는 것이 더 중요할 수 있습니다.

홀 센서의 한계

홀 센서는 비교적 거친 위치 정보를 제공합니다.

일반적인 6단계 BLDC 시스템에서 홀 센서의 상태는 주로 로터가 어느 정류 구간에 위치해 있는지를 컨트롤러에 알려줍니다. 홀 센서는 서보 피드백 장치에서 기대되는 정밀한 각도 분해능을 제공하지 않습니다.

이는 응용 분야에서 매우 부드러운 저속 회전이나 정확한 위치 제어가 요구될 때 두드러지게 나타납니다.

또한 홀 시스템은 모터에 물리적 구성 요소를 추가하게 됩니다. 센서는 올바르게 배치되고 연결되어야 하며, 온도, 진동, 습기, 오염 및 전기적 간섭으로부터 보호되어야 합니다.

센서의 정렬도 중요합니다. 홀 센서의 위치가 부정확하면 모터 자체가 기계적으로 정상이라 하더라도 정류 타이밍이 어긋나 모터 성능이 저하될 수 있습니다.

2. 인코더 제어

인코더는 샤프트나 로터의 움직임에 대해 훨씬 더 상세한 정보를 제공합니다.

설계에 따라 인코더는 위치, 속도, 방향, 때로는 절대 샤프트 각도를 제공할 수 있습니다. 일반적인 옵션으로는 증분형 광학 인코더, 자기식 인코더, 절대형 인코더 등이 있습니다.

모터가 단순히 회전 동력원이 아니라 모션 제어 시스템의 일부로 사용되는 응용 분야의 경우, 이러한 추가 정보는 매우 유용할 수 있습니다.

인코더가 더 나은 모션 제어를 제공하는 이유

로봇 관절을 예로 들어 봅시다.

로터가 60도 전기 정류 구역 내 어딘가에 있다는 사실만으로는 충분하지 않습니다. 컨트롤러는 관절이 정확히 얼마나 이동했는지, 명령된 위치에 도달했는지, 그리고 목표 위치에 얼마나 빠르게 접근하고 있는지 파악해야 할 수 있습니다.

인코더는 이를 가능하게 합니다.

더 높은 해상도의 위치 피드백은 다음을 지원합니다:

• 정밀한 속도 제어
• 정확한 위치 결정
• 부드러운 저속 동작
• 서보 제어
• 폐루프 토크 제어
• 빠른 가속 및 감속
• 향상된 외란 보정

이 때문에 인코더는 로봇 공학, CNC 기계, 자동화 장비, 서보 드라이브, 정밀 액추에이터 및 기타 모션 제어 시스템에서 흔히 사용됩니다.

인코더의 분해능이 높다고 해서 무조건 더 좋은 것은 아닙니다

모터 시스템 설계에서 흔히 저지르는 실수 중 하나는 엔코더 분해능이 높을수록 항상 더 우수한 기계를 만들 수 있다고 가정하는 것입니다.

그렇지 않습니다.

고분해능 엔코더는 기계 시스템, 컨트롤러, 베어링, 기어박스, 모터 구조 및 제어 루프가 해당 정보를 활용할 수 있을 때만 유용해집니다.

예를 들어, 기어박스에 상당한 백래시가 있는 경우, 모터 측의 엔코더 해상도가 아무리 정밀하더라도 출력 단에서 발생하는 기계적 모션 손실을 제거할 수 없습니다.

마찬가지로, 환기 팬에 고가의 엔코더를 장착하더라도 해당 애플리케이션에서는 그 정보를 전혀 활용하지 못하는 경우가 대부분입니다.

따라서 피드백 분해능은 독립적인 사양으로 취급하기보다는 시스템 차원에서 선정해야 합니다.

인코더의 장단점

주요 단점은 비용과 복잡성입니다.

인코더를 설치하려면 추가적인 장착 공간, 배선, 커넥터, 신호 처리, 보정 및 제어기 입력이 필요할 수 있습니다. 또한 정렬 불량이나 오염이 일부 인코더 기술에 영향을 미칠 수 있으므로 기계적 설치도 더욱 중요해집니다.

가혹한 환경에서는 피드백 장치를 신중하게 선택해야 합니다.

먼지, 기름 또는 진동으로 인해 광학 감지가 어려운 경우, 자기식 인코더가 매력적인 선택지가 될 수 있습니다. 반면, 광학 인코더는 환경 조건이 제어되는 곳에서 뛰어난 분해능을 제공할 수 있습니다.

따라서 최고의 인코더는 단순히 분해능이 가장 높은 제품이 아닙니다. 정확도, 내환경성, 인터페이스, 속도 성능 및 비용이 해당 기계에 적합한 제품이야말로 최고의 인코더입니다.

3. 센서리스 BLDC 제어

센서리스 제어는 전용 로터 위치 센서를 제거하고 모터 내부의 전기적 특성을 바탕으로 로터 위치를 추정합니다.

일반적인 접근 방식 중 하나는 역기전력(back-EMF)을 감지하는 것입니다. 다른 제어 방법으로는 모터 전류, 전압, 자속 모델, 관측기(observer) 또는 더 진보된 추정 알고리즘을 사용하여 로터 위치를 추정할 수 있습니다.

주요 장점은 분명합니다. 바로 물리적 구성 요소가 적다는 점입니다.

로터 피드백을 위해 모터 내부나 외부에 홀 센서나 인코더가 없습니다.

이를 통해 다음을 줄일 수 있습니다:

• 센서 비용
• 커넥터
• 배선
• 조립 단계
• 센서 고장 가능성
• 모터 패키징의 복잡성

대량 생산의 경우, 소수의 부품만 제거해도 전체 시스템 비용에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

센서리스 기술의 주요 과제: 저속

역기전력은 모터의 회전에 따라 달라집니다.

로터가 정지해 있을 때는 기존 감지 방식에 활용할 수 있는 유용한 역기전력이 사실상 없습니다. 매우 낮은 속도에서는 신호도 약하여 스위칭 노이즈나 기타 전기적 영향으로부터 신호를 분리하기 어려울 수 있습니다.

이는 기존 센서리스 BLDC 제어의 근본적인 과제를 야기합니다. 즉, 컨트롤러는 모터를 제어하기 위해 로터 위치 정보가 필요하지만, 위치를 추정하는 데 사용되는 정보 중 일부는 모터가 회전을 시작한 후에야 유용해집니다.

따라서 시동 시에는 종종 다른 전략이 필요합니다.

컨트롤러는 먼저 로터를 정렬한 후, 개방 루프 정류 시퀀스를 적용하고, 모터를 사용 가능한 속도까지 가속시킨 다음, 폐쇄 루프 센서리스 작동 모드로 전환할 수 있습니다.

이는 많은 응용 분야에서 매우 잘 작동합니다. 하지만 모터가 정지 상태에서 즉시 정밀하게 제어된 토크를 발생시켜야 하는 경우에는 이 방법이 그다지 적합하지 않습니다.

센서리스 제어가 적합한 경우

센서리스 제어는 모터가 일반적으로 최소 속도 이상에서 작동하고, 정밀한 제로 속도 위치 결정이 필요하지 않은 경우에 특히 적합합니다.

대표적인 예로는 다음이 있습니다:

• 냉각 팬
• 송풍기
• 압축기
• 원심 펌프
• 고속 스핀들
• 일부 가전제품
• 일부 전동 공구

팬이 좋은 예입니다.

로터가 가속되면 전기적 위치 추정 방식이 안정적으로 작동할 수 있으며, 물리적 센서를 제거함으로써 모터 조립이 단순화됩니다. 일반적으로 팬이 정지해 있을 때의 정확한 축 위치는 응용 분야에서 크게 중요하지 않습니다.

로봇 관절의 경우는 사정이 매우 다릅니다.

관절은 정지 상태에서 알려진 위치를 유지해야 할 수도 있고, 제어된 토크로 천천히 움직여야 하며, 즉시 방향을 전환해야 하고, 정확한 각도 정보를 유지해야 할 수도 있습니다. 이 경우 인코더 피드백이 일반적으로 훨씬 더 적합합니다.

홀 센서 vs 인코더 vs 센서리스 제어

요인	홀 센서	인코더	센서리스
로터 피드백	직접	직접	추정
제로 속도 위치 감지	양호	매우 우수	기존 방식으로는 제한적
저속 제어	양호	매우 우수	더 까다로움
위치 분해능	낮음	높음 ~ 매우 높음	추정 방법에 따라 다름
위치 제어	제한적	매우 우수	일반적으로 제한적
부하 상태에서의 시동	양호	매우 우수	응용 프로그램에 따라 다름
하드웨어 비용	낮음–중간	중~높음	낮음
배선 복잡도	보통	높음	낮음
제어 알고리즘의 복잡도	낮음–중간	중간	중–높음
센서 고장 위험	존재	존재	제거됨
고속 연속 회전	양호	양호	매우 적합
서보 애플리케이션	제한적	매우 우수	일반적으로 첫 번째 선택은 아님

이 표는 중요한 점을 강조합니다. 센서를 제거한다고 해서 로터 위치 정보의 필요성이 사라지는 것은 아닙니다. 단지 그 정보의 출처가 바뀔 뿐입니다.

홀 센서나 인코더를 사용할 때는 위치를 물리적으로 측정합니다. 센서리스 제어의 경우, 제어기는 전기 신호와 모터 동작 모델을 바탕으로 위치를 재구성해야 합니다.

따라서 센서리스 하드웨어는 더 단순해질 수 있는 반면, 소프트웨어는 더욱 정교해집니다.

시동 동작이 선택의 결정적 요인이 되는 경우가 많음

이러한 기술들을 비교할 때, 시동 과정은 일반적으로 받는 것보다 더 많은 주의를 기울여야 합니다.

모터가 일반적으로 부하가 거의 없는 상태에서 시동되는 펌프를 구동한다고 가정해 봅시다. 짧은 개방 루프 시동 기간은 완전히 수용 가능할 수 있습니다. 센서리스 제어는 실용적인 해결책이 될 수 있습니다.

이제 부하가 걸린 컨베이어를 구동하는 모터를 고려해 봅시다.

제어기는 의미 있는 움직임이 시작되기 전에 신뢰할 수 있는 회전자 위치 정보를 필요로 할 수 있습니다. 홀 센서 피드백은 제어기에 즉각적인 정류 정보를 제공하며, 부하가 걸린 상태에서의 시동을 더 예측 가능하게 만들 수 있습니다.

정밀 위치 결정 축의 경우 요구 사항은 더 까다로워집니다. 제어기는 정류 정보뿐만 아니라 정확한 기계적 위치 정보도 필요로 할 수 있습니다. 이 경우 인코더가 당연한 선택이 됩니다.

이를 통해 다음과 같은 유용한 선택 순서를 도출할 수 있습니다:

모터가 정지 상태에서 제어된 토크가 필요한가요?

아니라면, 센서리스 제어를 진지하게 고려해 볼 가치가 있습니다.

그렇다면, 기본적인 정류 정보만으로도 충분한지 판단하십시오.

충분하다면, 홀 센서만으로도 충분할 수 있습니다.

정확한 샤프트 위치 및 동작 피드백도 필요한 경우, 일반적으로 인코더가 더 나은 해결책입니다.

전체 구동 시스템을 고려하십시오

피드백 방식은 모터 사양만 보고 선택해서는 안 됩니다.

컨트롤러 역시 그만큼 중요합니다.

고해상도 인코더가 장착된 모터라도 구동 전자 장치, 전류 감지, 제어 루프 대역폭, 튜닝 및 기계적 전달 장치가 제대로 설계되지 않았다면 자동으로 뛰어난 서보 성능을 발휘하지는 않습니다.

마찬가지로, 센서리스 제어는 컨트롤러의 추정 방법과 모터의 전기적 특성에 크게 좌우됩니다.

저항, 인덕턴스, 역기전력 특성, 극수, 작동 속도 범위, 부하 거동과 같은 모터 매개변수는 센서리스 알고리즘이 로터 위치를 얼마나 쉽게 추정할 수 있는지에 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 모터와 컨트롤러는 하나의 구동 시스템으로 간주되어야 합니다.

신뢰성은 센서 개수보다 더 복잡한 문제입니다

센서리스 시스템은 센서 수가 적기 때문에 항상 더 신뢰성이 높다고 말하고 싶은 유혹이 있습니다.

때로는 그렇기도 합니다.

홀 센서, 인코더 어셈블리, 커넥터 및 피드백 배선을 제거하면 잠재적인 하드웨어 고장 지점 여러 곳이 사라집니다. 이는 진동, 열, 습기 또는 유지보수가 어려운 환경에 노출된 모터에서 특히 유용할 수 있습니다.

하지만 신뢰성이란 전체 작동 범위에서 예측 가능한 작동을 의미하기도 합니다.

특정 부하 조건에서 재시동이 어려운 센서리스 모터는 단순히 구성 요소가 적다는 이유만으로 더 신뢰할 수 있다고 할 수 없습니다.

올바른 비교에는 다음 요소가 포함되어야 합니다:

하드웨어 신뢰성 + 시동 신뢰성 + 제어 안정성 + 환경 조건 + 유지보수 요구 사항.

올바른 피드백 방식 선택

가장 실용적인 선택 기준은 간단명료합니다.

모터에 안정적인 시동과 저속 정류 기능이 필요하지만 정밀한 축 위치 제어가 필요하지 않은 경우에는 홀 센서를 선택하십시오. 홀 센서는 비용, 단순성, 사용 가능한 성능 사이에서 뛰어난 균형을 제공합니다.

정밀한 속도, 위치 및 모션 제어가 필요한 경우에는 인코더를 사용하십시오. 정밀도가 기계 성능에 직접적인 영향을 미치는 경우, 추가 비용은 충분히 정당화됩니다.

모터가 작동 시간의 대부분을 중속 또는 고속에서 보내고, 정확한 정지 위치가 필요하지 않으며, 하드웨어, 배선, 크기 또는 제조 비용을 줄이는 것이 실질적인 이점을 제공하는 경우에는 센서리스 제어를 선택하십시오.

많은 제품의 경우, 결정 기준은 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

홀 센서 = 실용적인 정류 피드백

인코더 = 정밀한 모션 피드백

센서리스 = 전자적으로 위치를 추정하는 간소화된 하드웨어