모터 제어 알고리즘: 6단계, FOC 및 센서리스 방법 설명

사양 시트에는 모터 컨트롤러가 48V 및 60A를 처리한다는 사실이 나와 있지만, 걷는 속도에서 모터가 어떻게 소리를 내는지, 로봇 섀시가 얼마나 많은 토크 리플을 느끼는지, 모터가 가파른 언덕에서 계속 당겨질 수 있는지 여부는 알려주지 않습니다. 이러한 동작은 펌웨어에 내장된 모터 제어 알고리즘에 의해 결정됩니다. BLDC(브러시리스 DC) 및 PMSM(영구자석 동기 모터) 제어는 6단계 정류, FOC(자속 기준 제어), 센서리스 관찰자 방법 등 세 가지 제품군이 지배합니다. 대부분의 새로운 차량 및 자동화 프로그램의 경우 센서 없는 관찰자를 갖춘 FOC가 실질적인 기본값인 반면, 단순 부하의 경우 6단계가 여전히 저렴한 선택입니다. 아래 섹션에서는 이러한 알고리즘이 어떻게 다른지, 그리고 컨트롤러를 선택할 때 그 차이점이 무엇을 의미하는지 설명합니다.

모터 제어 알고리즘이 실제로 수행하는 작업

모든 모터 제어 알고리즘은 동일한 기본 루프를 실행합니다. 이는 회전자 위치를 읽거나 추정하고, 측정된 위상 전류를 명령된 토크 또는 속도와 비교하고, 해당 오류를 닫는 전압 벡터를 계산하고, 이를 전력단을 보호하면서 인버터에 적용합니다. 또한 알고리즘은 램프 속도, 전류 제한, 회생 제동 및 오류 감지를 관리합니다.

알고리즘 선택에 따라 토크 부드러움, 음향 소음, 효율성 및 동적 응답의 상한선이 설정됩니다. 강력한 마이크로컨트롤러는 제대로 구조화되지 않은 제어 루프를 수정할 수 없으며, 간단한 알고리즘으로 인해 까다로운 차량 애플리케이션에서는 좋은 컨트롤러가 투박하게 느껴질 수 있습니다.

오늘날 사용되는 주요 알고리즘 계열

6단계(사다리꼴) 정류

6단계 정류는 3개의 모터 위상 중 2개를 동시에 활성화하고 6개의 스위칭 상태를 단계별로 진행합니다. 구현이 간단하고 프로세서 시간을 거의 사용하지 않으며 홀 센서와 자연스럽게 작동합니다. 단점은 각 정류점에서의 토크 리플과 저속에서 가청 소음이 발생한다는 것입니다. 6단계는 가격보다 부드러움이 덜 중요한 펌프, 팬 및 저가 견인 드라이브에 여전히 합리적인 선택입니다.

자속기준제어

자속 기준 제어는 고정자 전류를 두 개의 독립적인 구성 요소, 즉 토크를 생성하는 구성 요소와 자기장을 제어하는 구성 요소로 처리합니다. Clarke 및 Park 변환 후 두 개의 PI 컨트롤러가 이러한 구성 요소를 조절하고 공간 벡터 변조가 결과를 다시 3상 전압으로 변환합니다. FOC는 정지 상태를 포함한 모든 속도 범위에서 거의 일정한 토크, 저소음, 높은 효율성을 제공합니다.

FOC에는 6단계보다 더 많은 계산이 필요하지만 최신 마이크로 컨트롤러에서는 더 이상 이것이 제약이 되지 않습니다. 이는 전기 오토바이, 로봇 드라이브, 해양 선외기 및 예측 가능한 토크가 필요한 대부분의 애플리케이션에 대한 기본값입니다.

센서리스 관찰자

센서리스 알고리즘은 별도의 위치 센서가 아닌 측정된 전압 및 전류로부터 회전자 위치를 추정합니다. 역기전력 감지는 가장 간단한 접근 방식이며 수백 rpm 이상에서도 잘 작동합니다. 슬라이딩 모드 관찰자는 매개변수 오류 및 측정 노이즈에 대한 견고성을 추가합니다. 확장된 칼만 필터는 교란 시 정확한 추정치를 제공하지만 세심한 조정이 필요합니다. 고주파 주입은 모터의 자기 돌출성을 자극하고 0 및 매우 낮은 속도에서 위치 정보를 제공합니다.

실질적인 균형은 비용, 저속 성능 및 외란 제거 사이에 있습니다. 홀 센서 및 인코더 배선을 제거하면 비용이 절감되고 신뢰성이 향상되지만, 듀티 사이클이 추정기가 해당 작업을 수행할 수 있는 경우에만 가능합니다.

스칼라 V/Hz 제어

스칼라 제어는 전압과 주파수 간의 고정 비율을 유지하며 주로 AC 유도 모터에 사용됩니다. 간단하고 위치 피드백이 필요하지 않지만 토크 응답이 약합니다. 이러한 시스템은 FOC 또는 6단계가 더 나은 결과를 생성하는 BLDC 또는 PMSM 모터를 사용하기 때문에 소형 차량 구동계에서는 이러한 현상이 덜 자주 나타납니다.

애플리케이션별 알고리즘 비교

다른 듀티 사이클은 다른 알고리즘을 선호합니다. 전기 오토바이는 대부분의 시간을 수백 rpm 이상에서 소비하므로 역기전력 추정 기능이 있는 무센서 FOC는 순항 성능을 저하시키지 않으면서 비용을 절감합니다. 언덕 출발과 저속 기동으로 인해 설계자는 홀 센서로 되돌아갑니다. 로봇 섀시는 정밀하게 앞뒤로 움직여야 하며, 이를 위해서는 위치 센서나 고주파 주입이 필요합니다. 플랫폼이 배달로봇이거나 이동형 조작기지인 경우, 빠른 응답의 브러시리스 DC 모터 컨트롤러 지연이 느껴지는 드라이브와 명령을 즉시 추적하는 드라이브의 차이일 수 있습니다.

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해양 선외기는 몇 시간 동안 일정한 속도로 작동하므로 효율성과 열 안정성이 과도 응답보다 더 중요합니다. ATV 또는 UTV는 거친 지형에서 갑작스러운 부하 변화를 확인하므로 견고한 관찰자와 넉넉한 전류 헤드룸이 유리합니다. 아래 표에는 일반적인 장단점이 요약되어 있습니다.

표를 평결이 아닌 출발점으로 삼으십시오. 잘 설계된 컨트롤러는 전류 루프와 관찰자가 함께 조정되므로 이러한 격차를 많이 줄일 수 있습니다. 이것이 바로 컨트롤러 공급업체의 실제 차량 듀티 사이클 경험이 데이터시트의 알고리즘 이름만큼 중요한 이유입니다.

알고리즘 선택이 컨트롤러 선택에 미치는 영향

알고리즘은 임베디드 소프트웨어에 있으므로 하드웨어와 펌웨어를 함께 설계해야 합니다. MOSFET 병렬화는 전류가 위상 간에 얼마나 균등하게 분할되는지를 결정합니다. 전류 감지 정확도는 FOC 전류 루프의 최소값을 설정합니다. 게이트 드라이브 강도는 스위칭 손실과 전자기 간섭에 영향을 미칩니다. 열 설계는 컨트롤러가 최대 토크를 유지할 수 있는 기간을 결정합니다. 실리콘은 좋지만 펌웨어가 제대로 조정되지 않은 컨트롤러에서는 토크 리플과 소음이 나타납니다. 펌웨어는 우수하지만 전류 감지가 약한 컨트롤러는 작동하거나 감소합니다. 이것이 바로 오늘날 엔지니어링에 많은 관심이 집중되는 이유입니다. 현대 모터 제어에서 소프트웨어의 역할 .

모터 자체에도 동일한 논리가 적용됩니다. 고정자 저항, 위상 인덕턴스 및 역기전력 상수는 컨트롤러가 수행할 수 있는 작업과 수행할 수 없는 작업을 정의합니다. 60A 등급의 컨트롤러는 제대로 일치하지 않는 모터를 효율적으로 작동시키지 않으며 공격적인 FOC 튜닝은 낮은 열 질량으로 모터를 과열시킬 수 있습니다. 검증된 모터-컨트롤러 페어링을 요청하는 것은 구매 과정의 일부이며 나중에 고려하는 것이 아닙니다.

하드웨어 측면에서는 T 시리즈 고성능 모터 컨트롤러 e-오토바이, e-ATV 및 e-아웃보드용 전력 스테이지와 넓은 전압 FOC 펌웨어를 페어링합니다. 이는 제어 알고리즘과 인버터를 같은 집에서 개발한 설계의 예이므로 펌웨어는 하드웨어의 한계를 알고 있습니다.

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모터 컨트롤러의 실제 평가 기준

컨트롤러를 비교할 때 피크 전류 수치 뒤를 살펴보세요. 다음 사항은 종이 위에서 작동하는 컨트롤러와 이동 중에 작동하는 컨트롤러를 구분합니다.

• 펌웨어가 실제로 어떤 알고리즘을 실행하는지 확인하세요. 일부 저가형 컨트롤러는 FOC를 광고하지만 계산 제한을 숨기기 위해 고속에서는 6단계로 전환합니다.
• FOC 구현이 센서리스인지, 홀 기반인지, 전환 가능한지 확인하세요. 센서리스는 배선을 줄이지만 고주파 주입 없이 매우 낮은 속도에서는 어려움을 겪을 수 있습니다.
• 전류 루프가 어떻게 조정되는지 물어보십시오. 서로 다른 위상 인덕턴스를 가진 모터에는 서로 다른 게인이 필요하며 자동 튜닝을 통해 가동 중에 시간이 절약됩니다.
• 전류 제한, 열 경감 및 오류 복구를 포함한 과부하 동작을 검토합니다. 이러한 세부 사항에 따라 차량이 안전하게 정지할지 또는 탑승자가 발을 묶을지 여부가 결정됩니다.
• 음향 소음을 고려하십시오. 제품이 전기오토바이나 사람 근처에서 운행하는 배달로봇이라면 소음이 장점이다. 는 매우 조용한 브러시리스 DC 모터 컨트롤러 A6 초저소음 브러시리스 DC 모터 컨트롤러 공급업체, 공장 - Shanghai APT P APT는 중국의 A6 초저소음 브러시리스 DC 모터 컨트롤러 공급업체이자 도매 A6 초저소음 브러시리스 DC 모터 컨트롤러 공장입니다. 제품보기 → 는 정류 잡음을 낮게 유지하는 정현파 중심 설계의 실제 예입니다.

모터 제어 알고리즘은 블록 다이어그램에서만 선택해서는 안 됩니다. 차량의 듀티 사이클, 속도 범위, 소음 예산 및 저속 요구 사항을 먼저 설정한 다음 컨트롤러를 해당 목표와 비교하십시오. 6단계는 팬에 완벽하게 적합하고, FOC는 대부분의 트랙션 애플리케이션에 적합한 시작점이며, 센서 없는 관찰자는 속도 범위가 허용하는 경우 비용 절감 도구입니다. 최고의 컨트롤러는 알고리즘, 전력단, 애플리케이션 지원이 제품의 실제 작동 프로필과 일치하는 컨트롤러입니다.