브러시리스 DC 모터의 속도를 제어할 좋은 방법이 필요할 때, 몇 가지 확실한 선택 사항이 있습니다.

• PWM 속도 제어

• 전압 제어

• 폐쇄 루프 피드백

• 역기전력을 이용한 센서리스 제어

• PID 제어

많은 회사가 이러한 방식을 선택하는 이유는 브러시리스 DC 모터가 현재 모든 모터 유형의 64.7%를 차지하기 때문입니다. 브러시리스 DC 모터는 성능이 뛰어나고 사람들이 더 높은 정확도를 원하기 때문에 이 분야는 빠르게 성장하고 있습니다. 다음 옵션들을 살펴보고 자신에게 가장 적합한 방법을 찾아보세요.

주요 요점

• PWM 속도 제어는 모터 속도를 정밀하게 조절할 수 있게 해줍니다. 모터의 출력을 약화시키지 않으면서 오히려 모터의 성능을 향상시키고 수명을 연장시켜 줍니다. 또한, 추가 부품도 많이 필요하지 않습니다.

• 전압 제어를 통해 속도를 빠르게 변경할 수 있습니다. 모터에 공급되는 전압을 변경하면 됩니다. 모터가 잘 작동하도록 전압을 잘 관리하세요. 또한, 모터가 과열되는 것도 방지할 수 있습니다.

• 폐루프 피드백 제어는 센서를 사용하여 속도를 확인합니다. 이를 통해 모터는 적정 속도를 유지할 수 있습니다. 부하가 변하더라도 효과적으로 작동하며, 높은 정확도를 제공하고 안정적인 작동을 보장합니다.

• 센서리스 제어는 역기전력을 사용하여 회전자 위치를 찾습니다. 이를 통해 설계가 용이하고 비용이 절감됩니다. 고속 모터에 적합하며, 추가 센서가 필요하지 않습니다.

• PID 제어는 적절한 속도를 설정하는 데 도움이 됩니다. 목표 속도와 실제 속도 사이의 오차를 보정합니다. PID 설정을 정확하게 설정해야 모터가 최상의 성능을 발휘하고 안정적으로 유지됩니다.

1. PWM 속도 제어

PWM이 속도를 제어하는 ​​방법

PWM 속도 제어는 브러시리스 DC 모터에 매우 흔하게 사용됩니다. PWM은 펄스 폭 변조를 의미합니다. 이 방식은 각 주기에서 전력을 공급하는 시간을 조절하여 모터 속도를 변경합니다. 모터는 짧은 시간 동안 전력을 순간적으로 공급받는데, 이 순간적인 전력 공급이 길어질수록 모터 회전 속도가 빨라집니다. PWM을 사용하면 토크 손실 없이 속도를 정밀하게 변경할 수 있습니다.

많은 회사들이 PWM을 선호하는 이유는 브러시리스 모터와 잘 작동하기 때문입니다. PWM은 모터의 작동을 더욱 부드럽고 원활하게 만들어 줍니다. 또한 모터의 수명도 길어집니다. 추가 부품이 많이 필요하지 않기 때문에 작은 디자인이나 더 긴 배터리 수명을 원할 때 유용합니다.

PWM 속도 제어가 브러시리스 DC 모터에 적합한 선택인 이유는 다음과 같습니다.

• 속도를 잘 조절합니다.

• 전압과 전류 리플이 낮아져 모터가 더 잘 작동합니다.

• 추가 부품이 많이 필요하지 않아 작은 디자인을 만드는 데 도움이 됩니다.

아래 표는 브러시리스 DC 모터에 대한 PWM 속도 제어의 주요 이점을 보여줍니다.

구현 팁

다음 단계에 따라 브러시리스 DC 모터의 PWM 속도 제어를 설정할 수 있습니다.

1. 충분히 강력한 마이크로컨트롤러를 선택하세요. ARM Cortex M0 이상은 하드 속도 제어 작업에 적합합니다.

2. PWM 신호 주파수를 설정하세요. 대부분의 브러시리스 모터는 20kHz에서 잘 작동합니다. 인덕턴스가 낮은 모터는 더 높은 주파수가 필요합니다.

3. 고속 ADC와 게이트 드라이버를 갖춘 특수 모터 컨트롤러를 사용하세요. 이를 통해 속도를 더 효과적으로 제어하고 모터를 더 부드럽게 작동시킬 수 있습니다.

4. 구동 주파수를 20kHz에서 80kHz 사이로 변경하세요. 주파수가 높을수록 속도를 더 세밀하게 조절할 수 있지만, 더 나은 하드웨어가 필요합니다.

5. 제어 주파수를 1kHz에서 5kHz 사이로 설정하세요. 이는 ADC 및 제어 방식에 따라 달라집니다.

전원이나 마이크로컨트롤러 설정에 문제가 있는 경우 Qorvo PAC5556과 같은 컨트롤러를 사용해 보세요. 속도 제어가 더욱 쉽고 안정적으로 이루어질 수 있습니다.

PWM 속도 제어는 많은 브러시리스 DC 모터에 적합합니다. 이 방식은 우수한 속도 제어를 제공 하고 모터를 안정적으로 작동시킵니다. 브러시리스 모터 프로젝트에서 높은 효율과 뛰어난 속도 제어를 원한다면 PWM을 믿고 사용해 보세요.

2. 전압 제어 방식

속도에 따른 전압 조정

브러시리스 DC 모터의 회전 속도를 높이려면 전압을 높여야 합니다 . 반대로 전압을 낮추면 모터 회전 속도가 느려집니다. 모터의 회전 속도는 공급되는 전압에 따라 달라지기 때문에 속도가 변하는 것입니다. 모터 작동 중에 전압이 떨어지면 동일한 설정값을 사용하더라도 회전 속도가 느려집니다.

무인 항공기(UAV)에 사용되는 브러시리스 모터에 대한 연구에 따르면, 전압 강하는 동일한 제어 조건에서도 모터 회전 속도를 변화시킬 수 있습니다. 특히 모터에 부하가 걸릴 때는 전압 변화를 주의 깊게 살펴봐야 합니다. 전자 속도 제어기(ESC)는 전압을 설정하여 속도를 일정하게 유지하는 역할을 합니다. 마이크로컨트롤러를 사용하여 원하는 전압에 맞는 PWM 신호를 생성할 수도 있습니다 . 전류를 점검하면 모터가 과열되는 것을 방지하여 속도 변화를 막는 데 도움이 됩니다.

다음은 전압 제어를 사용할 때 시스템의 다양한 부분이 어떻게 속도를 변경할 수 있는지 보여주는 표입니다.

장단점

브러시리스 DC 모터에 전압 제어를 사용하면 다음과 같은 장점이 있습니다.

1. 모터는 에너지를 덜 사용하므로 효율적입니다.

2. 모터의 수명이 길어서 더욱 안정적입니다.

3. 모터의 소음이 적어서 더 조용합니다.

4. 디자인이 작고 가벼워서 좁은 공간에도 잘 맞습니다.

5. 모터는 속도를 빠르게 바꿀 수 있습니다.

6. 모터는 속도와 토크 균형이 더 좋습니다.

7. 모터가 더 빠른 속도로 작동할 수 있습니다.

8. 모터의 수명이 길어져 비용을 절감할 수 있습니다.

하지만 이 방법에도 몇 가지 한계가 있습니다.

• 역기전력 감지가 작동하려면 특정 속도가 필요합니다.

• 부하가 갑자기 변하면 모터의 작동 방식에 영향을 미칠 수 있습니다.

• 전압이 떨어지면 모터 속도가 느려지고 제대로 작동하지 않게 됩니다.

주요 장점과 한계를 비교한 표는 다음과 같습니다.

PWM 제어는 속도와 토크를 향상시키는 데 도움이 되지만, 제대로 설정하지 않으면 모터 온도가 상승하고 수명이 단축될 수 있습니다. 전압 제어는 효율적이고 모터 수명을 연장하는 데 도움이 되지만, 전압 강하와 급격한 변화에 주의해야 합니다.

브러시리스 DC 모터의 속도를 쉽게 제어하려면 전압 제어가 효과적입니다. 전압 제어는 여러 가지 방법으로 사용할 수 있지만, 모터가 원활하게 작동하도록 전압 변화를 항상 확인하세요.

3. 폐쇄 루프 피드백 제어

속도 측정을 위한 센서 사용

폐루프 제어는 브러시리스 DC 모터가 적정 속도를 유지하도록 도와줍니다. 이 방식은 센서를 사용하여 모터를 관찰하고 컨트롤러로 신호를 보냅니다. 홀 센서 와 엔코더가 이러한 용도에 가장 일반적으로 사용되는 센서입니다.

• 홀 센서는 회전자의 위치를 ​​알려줍니다. 이를 통해 모터가 적절한 시기에 전원을 전환하는 데 도움이 됩니다.

• 인코더는 더욱 정확한 피드백을 제공합니다. 모터를 매우 정확하게 제어하는 ​​데 도움이 됩니다.

• 홀 센서는 제어기에 신호를 보냅니다. 제어기는 이 신호를 사용하여 모터에 전원을 공급하는 방식을 선택합니다.

• 인코더는 서보 시스템에서 잘 작동합니다. 매우 정확한 속도 제어가 필요할 때 사용하세요.

• 홀 효과 센서는 6단 정류 시스템에 사용됩니다. 이러한 시스템은 브러시리스 DC 모터에서 흔히 사용됩니다.

• 인코더는 유연해서 높은 정확도가 필요한 다양한 곳에 사용할 수 있습니다.

브러시리스 DC 모터의 폐루프 속도 제어 에는 홀 위치 센서가 가장 적합합니다 . 가격이 저렴하고 대부분의 용도에 잘 작동합니다. 엔코더와 리졸버도 선택 가능하지만, 홀 센서는 구조가 간단하고 성능이 뛰어납니다.

정밀도 유지

폐루프 피드백은 속도를 일정하고 정확하게 유지하는 데 도움이 됩니다. 컨트롤러는 센서 신호를 확인하고 필요에 따라 모터의 출력을 조절합니다. 이를 통해 부하가 변하거나 모터가 과도하게 작동하더라도 더 나은 제어가 가능합니다.

아래 표는 다양한 PWM 방식이 무브러시 DC 모터의 속도 제어를 어떻게 바꾸는지 보여줍니다.

PID 변환기를 사용하여 속도를 제어할 수 있습니다. MATLAB 테스트 결과, 폐루프 제어는 모터의 입력 전류와 역기전력을 양호한 수준으로 유지하는 것으로 나타났습니다. 속도가 일정하거나 변할 때 속도와 토크를 확인할 수 있습니다.

폐루프 제어는 높은 효율과 안정적인 속도를 제공합니다. 이 방식은 다양한 브러시리스 DC 모터 프로젝트에서 정확한 모터 제어를 위해 신뢰할 수 있습니다.

4. 역기전력을 이용한 센서리스 제어

역기전력이 속도 제어를 가능하게 하는 방식

센서 없이 브러시리스 DC 모터의 속도를 변경할 수 있습니다. 이 방법은 역기전력(Back EMF)이라고 하는 역기전력을 이용합니다. 역기전력은 회전자가 회전할 때 모터 권선에 나타나는 전압입니다. 이 전압을 통해 회전자의 위치를 ​​파악할 수 있으며, 모터의 전류를 언제 전환해야 할지 판단하는 데에도 도움이 됩니다.

역기전력을 이용한 센서리스 제어의 작동 원리는 다음과 같습니다.

• 역기전력 적분법은 전기적 역기전력 신호를 확인하여 회전자의 위치를 ​​알아냅니다.

• 컨트롤러는 전원이 공급되지 않는 상의 역기전력을 측정합니다. 이를 통해 전류를 전환할 적절한 시점을 결정합니다.

• 이 방법은 다양한 속도에서 작동합니다. 모터 회전 속도가 빨라지거나 느려지더라도 역기전력 곡선 아래의 면적은 동일하게 유지됩니다.

역기전력을 측정하려면 다음을 사용할 수 있습니다.

• 전압 레벨을 확인하는 비교기.

• 저항기로 만든 가상 중성점.

• 디지털 제어를 위한 아날로그-디지털 변환기(ADC).

좋은 결과를 얻으려면 빠른 ADC와 비교기 회로가 필요합니다 . 모터가 정지해 있을 때는 역기전력이 발생하지 않습니다. 센서리스 제어를 사용하기 전에 모터를 개루프 방식으로 시동해야 합니다.

센서리스 방식의 이점

센서리스 제어는 브러시리스 DC 모터 프로젝트에 여러 가지 이점을 제공합니다. 추가 센서가 필요하지 않아 설계가 간단하고 안정적입니다. 또한 비용 절감과 센서 문제 발생 가능성도 줄어듭니다.

센서 기반 방식과 센서 없는 방식을 비교한 표는 다음과 같습니다.

센서리스 제어는 여러 곳에서 사용됩니다.

• 냉각 팬과 HVAC 시스템은 일정한 속도를 위해 이를 사용합니다.

• 드론과 무인 항공기는 이를 이용해 무게를 줄이고 강력한 역전자기파 신호를 얻습니다.

• 센서를 설치할 수 없는 곳에서는 펌프와 압축기에 사용됩니다.

• 전기 자동차와 전자 자전거는 고속에서도 높은 효율을 얻기 위해 이를 사용합니다.

백 EMF를 이용한 센서리스 제어를 통해 브러시리스 DC 모터의 속도를 안정적으로 유지하고 비용을 절감하며 설계를 간소화할 수 있습니다.

5. PID 속도 제어 방법

안정적인 속도를 위한 PID

PID 컨트롤러는 브러시리스 DC 모터 의 속도를 제어하는 ​​데 도움을 줍니다 . 목표 속도와 실제 속도를 비교하여 차이가 발생하면 모터의 출력을 조절합니다. 이를 통해 속도 오차를 보정할 수 있습니다. 많은 공장에서 이 방식을 사용하고 있으며, 부하 변동에 관계없이 모터를 적정 속도로 유지할 수 있도록 합니다.

PID 제어기는 세 부분으로 구성됩니다. 비례 부분은 속도 오차를 빠르게 수정하고, 적분 부분은 오랫동안 지속되는 작은 오차를 제거합니다. 미분 부분은 모터가 목표 속도를 초과하지 않도록 합니다.

PID 제어는 모터를 부드럽고 안정적으로 작동시킵니다. 또한 브러시리스 모터의 소음과 진동을 줄이는 데 도움이 됩니다.

다음은 PID 제어가 브러시리스 DC 모터 속도에 어떻게 도움이 되는지 보여주는 표입니다.

PID 컨트롤러는 더 빠른 속도, 더 낮은 소음, 더 부드러운 모터 움직임을 얻는 데 도움이 됩니다.

튜닝 팁

PID 제어기를 최적의 속도로 조정해야 합니다. 먼저, 모터의 움직임을 관찰하기 위해 모션 트레이스를 설정합니다. 제어기가 모터를 새로운 위치로 빠르게 이동하도록 합니다. 작은 비례 이득(Kp)으로 시작합니다. 적분 이득(Ki)과 한계값(Ilim)을 0으로 설정합니다. 미분 이득(Kd)을 Kp의 5배로 설정합니다.

PID 컨트롤러를 조정하려면 다음 단계를 따르세요.

1. 모터 명령, 원하는 위치, 실제 위치에 대한 동작 추적을 설정합니다.

2. 컨트롤러를 한 단계 움직이게 하세요.

3. 모터의 동작 방식에 따라 Kp, Kd, ​​Ki를 변경합니다.

4. 움직임이 너무 많거나 움직임이 느린지 주의하세요. 게인 값을 변경하여 이를 수정하세요.

PID 설정이 잘못되었거나, 전원이 불안정하거나, 구동 회로에 문제가 있는 경우 문제가 발생할 수 있습니다. PID 설정을 변경하고 전원 및 구동 회로를 점검하여 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.

튜닝을 위한 간단한 가이드는 다음과 같습니다.

• 모터의 반응을 더 빠르게 하려면 비례 설정을 높이세요. 하지만 움직임이 너무 심하지 않도록 주의하세요.

• 적분 설정을 사용하여 작은 오류를 수정하고 속도를 목표에 가깝게 유지합니다.

• 미분 설정을 변경하여 과도한 움직임을 막고 모터를 안정적으로 유지합니다.

브러시리스 DC 모터 프로젝트 에는 PID 제어를 사용할 수 있습니다 . 이 방법은 속도를 일정하게 유지하여 모터의 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

브러시리스 DC 모터 속도를 제어하는 ​​다섯 가지 효과적인 방법을 알아보았습니다. PWM, 전압 제어, 폐루프 피드백, 센서리스 제어, PID 등 각 방법은 안정적이고 정확한 결과를 얻는 데 도움이 됩니다. 연구에 따르면 PID는 오버슈트를 71%에서 거의 0%까지 낮출 수 있습니다. 디지털 프로세서를 사용한 PWM은 모터의 성능을 향상시킵니다. 방법을 선택할 때는 다음과 같은 중요한 사항을 고려하세요.

더 자세히 알아보려면 센서리스 방식, 역기전력 감지, 신경망과 같은 스마트 도구를 확인해 보세요. 이러한 도구는 프로젝트 효율성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.

FAQ

브러시리스 DC 모터 속도를 제어하는 ​​가장 쉬운 방법은 무엇입니까?

PWM 속도 제어를 사용할 수 있습니다. 대부분의 컨트롤러와 호환됩니다. 마이크로컨트롤러와 모터 드라이버만 있으면 됩니다. PWM은 부드럽고 정확한 속도 변경을 제공합니다.

모든 브러시리스 DC 모터에 전압 제어를 사용할 수 있나요?

전압 제어는 많은 모터에 사용할 수 있습니다 . 일부 모터는 역기전력 감지를 위해 최소 속도가 필요합니다. 전압 제어를 선택하기 전에 항상 모터 데이터시트를 확인하십시오.

폐쇄 루프 제어에 센서가 필요한 이유는 무엇입니까?

센서는 모터를 적절한 속도로 유지하는 데 도움이 됩니다. 홀 센서와 인코더는 컨트롤러에 신호를 보냅니다. 센서를 사용하면 정확도와 안정성이 향상됩니다.

센서리스 제어는 고속 모터에 대해 신뢰할 수 있습니까?

센서리스 제어는 고속에서도 잘 작동합니다. 추가 센서가 필요하지 않습니다. 많은 드론과 팬이 간편하고 안정적인 속도 관리를 위해 센서리스 제어를 사용합니다.

모터 속도에 맞춰 PID 컨트롤러를 어떻게 조정하나요?

낮은 비례 이득으로 시작하세요. 천천히 증가시키세요. 모터의 응답을 테스트한 후 적분 및 미분 이득을 설정하세요. 오버슈트를 주의 깊게 살펴보고 속도가 일정하게 유지되도록 이득을 조정하세요.