역기전력 설명: 역기전력이 모터 컨트롤러 설계를 형성하는 방법

브러시리스 모터가 최고 속도로 회전하다가 전력단이 갑자기 꺼지는 것을 상상해 보십시오. 로터는 계속 회전하며 모터 단자에는 여전히 전압이 표시됩니다. 그 전압은 흔히 역기전력(back EMF)이라고 불리는 역기전력입니다. 발전기 역할을 하고 전류 흐름을 제한하는 반대 전압을 생성하는 것은 모터입니다. 설계 엔지니어 및 조달 팀의 경우 역 EMF는 이론적 각주가 아닙니다. 최대 속도를 설정하고 정류 타이밍에 영향을 미치며 컨트롤러의 견고성을 결정합니다.

역기전력이란 무엇입니까?

역기전력은 패러데이의 유도 법칙을 따릅니다. 고정자 권선에 전류가 흐르면 자기장이 생성됩니다. 회전자가 권선을 지나 움직일 때 권선을 연결하는 자속이 변하고, 이 변화는 전압을 유도합니다. 렌츠의 법칙에 따르면 유도 전압은 운동을 생성한 전류와 반대 방향으로 작용합니다. 로터가 더 빠르게 회전할수록 이 반대 전압은 더 높아집니다. 역기전력이라는 용어도 사용되는데, 이는 유도 전압이 말 그대로 인가 전압에 반대되기 때문입니다.

수학적 형식에서 역기전력은 다음과 같습니다. E = 케 × Ω 여기서 Ke는 역기전력 상수이고 Ω는 각속도입니다. Ke는 권선 회전, 자석 강도 및 모터 형상에 따라 달라집니다. 영구 자석 모터에서 Ke는 일반적으로 V/krpm으로 표시되며 모터와 컨트롤러를 페어링할 때 가장 먼저 비교하는 값 중 하나입니다.

모터 드라이브 설계에서 역기전력이 중요한 이유

역기전력은 모터 드라이브의 거의 모든 부분에 영향을 미칩니다. 이는 전환 시기, 모터 작동 속도, 무센서 정류 가능 여부를 컨트롤러에 알려줍니다.

역기전력 및 정류

브러시리스 DC 모터에서는 3상 중 2상만 순간적으로 전원이 공급됩니다. 컨트롤러는 전류를 다음 권선 쌍으로 전환할 시기를 알아야 합니다. 센서 설계에서는 홀 센서가 해당 타이밍을 제공합니다. 센서리스 설계에서 컨트롤러는 전원이 공급되지 않는 단계에서 역 EMF의 제로 크로싱을 감지합니다. 저속에서는 이 신호가 작습니다. 고속에서는 강하다. 이것이 바로 무센서 정류가 수백 RPM 이상에서는 쉬운 반면, 정지 상태에서 시작하려면 다른 전략이 필요한 이유입니다.

많은 최신 센서리스 드라이브는 모터 개방 루프를 시작한 다음 신호가 안정되면 역 EMF 감지로 전환합니다. 이 접근 방식은 우리의 고효율 브러시리스 DC 모터 컨트롤러 , 이는 넓은 속도 범위에서 효율적인 스위칭을 유지합니다.

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역기전력 및 속도 제한

단순화된 등가 회로에서 공급 전압은 권선 저항 강하와 역기전력을 더한 값과 같습니다. 속도가 증가함에 따라 역기전력(back EMF)이 증가하고 권선을 통해 전류를 공급하는 데 필요한 전압이 줄어듭니다. 부하가 없을 때 모터는 역기전력이 버스 전압과 거의 같고 전류가 거의 0인 속도로 작동합니다. 예를 들어, Ke가 10V/krpm인 48V 모터는 역기전력이 버스 전압과 동일해지기 전에 부하가 없을 때 대략 4,800rpm에 도달합니다. 더 빠르게 진행하려면 버스 전압을 높이거나 Ke를 줄여야 합니다. 따라서 높은 Ke 모터가 항상 바람직한 것은 아니며 컨트롤러가 약계자를 적용할 수 없으면 고속 성능이 제한됩니다.

센서리스 제어의 역기전력

영구 자석 동기 모터의 경우 역기전력은 정현파입니다. 센서리스 제어는 관찰자를 사용하여 역 EMF 벡터에서 회전자 위치를 추정하므로 기계적 센서가 필요하지 않습니다. 이렇게 하면 비용이 절감되고 신뢰성이 높아지지만 관찰자를 주의 깊게 조정해야 합니다. 갑작스러운 부하 변경 중에 역 EMF 추정치는 실제 신호와 보조를 맞춰야 합니다. 다음과 같이 대기 시간이 짧은 전류 루프를 갖춘 컨트롤러 빠른 응답의 브러시리스 DC 모터 컨트롤러 , 관찰자에게 따라야 할 더 명확한 신호를 제공합니다.

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역 EMF를 해석하는 소프트웨어 계층을 이해하는 것은 하드웨어만큼 중요합니다. 자세히 살펴보면 현대 모터 컨트롤러에서 소프트웨어의 역할 드라이브 로직이 어떻게 발전하고 있는지 보여줍니다.

실제로 역 EMF를 측정하는 방법

역기전력은 단순히 계산된 값이 아닙니다. 직접 측정할 수 있습니다. 오실로스코프를 사용하여 중성점을 기준으로 모터 위상을 조사하고 모터를 회전시킨 다음 피크 전압을 읽습니다. 모터가 컨트롤러에 의해 구동되는 경우 스위칭 소음을 방지하기 위해 PWM 오프 타임 동안 단자 전압을 캡처하십시오. 여러 속도에서 전압을 기록하면 기울기가 Ke인 선형 곡선이 생성됩니다.

Ke를 측정하려면 모터를 1,000rpm으로 회전하고 피크 라인-중성선 전압을 읽습니다. 범위에 12V가 표시되면 Ke는 해당 권선 구성에 대해 약 12V/krpm입니다. 라인 간 측정의 경우 판독값을 √3으로 나누어 위상별 값을 얻습니다.

PMSM 드라이브가 어떻게 발전하고 있는지에 관심이 있는 독자를 위해 영구 자석 동기 모터 기술의 지속적인 발전 새로운 제어 방법에 대한 유용한 컨텍스트를 제공합니다.

컨트롤러 선택을 위한 실제 설계 고려 사항

전압 마진 및 과전압 보호

모든 모터 컨트롤러에는 최대 버스 전압 정격이 있습니다. 회생 제동 또는 급속 감속 중에 역기전력은 버스 전압을 공급 레일 위로 밀어낼 수 있습니다. 컨트롤러에 보호 기능이 없으면 버스 커패시터나 전력 MOSFET이 손상될 수 있습니다. 잘 설계된 드라이브는 재생 전류를 제한하거나 초과 에너지를 저항기에 쏟아 붓습니다. 공격적인 속도 변화가 있는 애플리케이션의 경우 고성능 모터 컨트롤러 전용 보호 로직을 사용하면 일반 드라이브보다 더 안전하게 백 EMF 과도 현상을 처리합니다.

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컨트롤러를 모터에 일치시키기

역기전력 상수 Ke는 컨트롤러 전압 정격 및 애플리케이션 속도 범위와 일치해야 합니다. 저속 토크에 최적화된 모터는 RPM당 높은 전압을 생성하는 높은 Ke를 갖는 경우가 많습니다. 동일한 모터가 고속에 도달해야 하는 경우 컨트롤러는 더 높은 전압을 처리하거나 약화계자를 사용해야 합니다. 저Ke 모터는 더 빠르게 작동할 수 있지만 동일한 토크에 대해 더 많은 전류를 소비합니다. 페어링을 잠그기 전에 항상 정격 전압, Ke 및 피크 전류 제한을 비교하십시오.

온도는 계산을 더욱 복잡하게 만듭니다. 강한 자석은 가열되면서 작은 비율의 자속을 잃어 Ke를 줄이고 역 EMF를 낮춥니다. 그러면 모터는 동일한 전압에서 더 빠르게 작동하지만 암페어당 토크는 더 적습니다. 열 제한을 포함하는 컨트롤러는 보상할 수 있지만 시스템의 고속 동작은 여전히 ​​변화합니다.

결론: 역기전력은 설계 입력입니다

역기전력은 평균을 내는 데 방해가 되지 않습니다. 이는 회전자 속도, 스위칭 타이밍 및 필요한 전압 마진을 보고하는 물리적 신호입니다. 모터 컨트롤러를 평가할 때 저속, 고속 및 재생 중에 EMF를 어떻게 샘플링하는지 물어보십시오. 올바른 모터와 컨트롤러 페어링은 효율성, 신뢰성 및 수명을 결정합니다.

로서 모터 드라이브 공급업체 , Shanghai APT Power Technology는 이러한 현실을 중심으로 브러시리스 DC 및 PMSM 컨트롤러를 구축합니다. 새로운 드라이브트레인을 지정하는 경우 당사 제품군의 모터와 컨트롤러를 검토하고 Ke, 버스 전압 및 역기전력이 실제 작동 범위에서 어떻게 상호 작용하는지 고려하십시오.