BLDC 모터의 속도 제어: 개루프, 폐루프 및 PID 설명

BLDC 모터에 능동 속도 제어가 필요한 이유

브러시형 DC 모터는 매우 직접적인 방식으로 속도를 낮추거나 높입니다. 즉, 브러시 전체의 전압을 변경하면 모터가 반응합니다. 브러시리스 DC(BLDC) 모터에는 그런 고급스러움이 없습니다. 브러시와 기계식 정류자가 없으면 어떤 권선에 어떤 순간에 전원이 공급되는지 다른 무언가가 결정해야 하며 동일한 시스템이 결국 속도도 담당하게 됩니다.

그 "다른 것"은 모터 컨트롤러입니다. 모터 회전을 유지하기 위해 올바른 순서로 3상 권선을 통해 전류를 전환하고, 전환이 발생하는 방식을 조정하여 회전자가 회전하는 속도도 설정합니다. 제어 전략이 잘못되면 모터가 원하는 속도에 도달하지 못하거나 안정적으로 유지하는 대신 헌트하고 진동하게 됩니다. 일반적으로 속도 제어 BLDC 드라이브와 쌍을 이루는 허브 모터 라이더가 스로틀 반응이 즉각적이고 선형적으로 느껴지기를 기대하는 전기 자전거 및 소형 EV에서.

개방 루프 속도 제어: PWM 듀티 사이클

BLDC 모터의 속도를 제어하는 가장 간단한 방법은 개방 루프입니다. 컨트롤러는 전력 트랜지스터에 공급되는 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클을 조정하여 권선에 적용되는 평균 전압을 변경하고 이에 따라 속도가 변경됩니다. 더 높은 듀티 사이클, 더 높은 평균 전압, 더 빠른 회전. 피드백 루프는 모터가 실제로 요청된 속도에 도달했는지 여부를 확인하지 않습니다. 컨트롤러는 단지 듀티 사이클을 명령하고 모터가 이를 따르도록 신뢰합니다.

이 접근 방식은 저렴하고 구현이 간단하기 때문에 일반적입니다. 센서형 BLDC 제어에 대한 Texas Instruments의 애플리케이션 지침 특히 입력 속도와 결과 속도 사이의 관계가 예측 가능하고 긴밀한 추적이 중요하지 않은 시스템에서 잘 작동합니다. 피드백이 없으면 갑작스러운 부하 증가로 인해 속도가 느려지고 컨트롤러는 보상이 필요하다는 것을 알 수 없습니다.

폐쇄 루프 속도 제어: 홀 센서 및 피드백

폐쇄 루프 제어는 일반적으로 정류를 위해 이미 존재하는 홀 효과 센서에서, 때로는 전용 인코더에서 피드백 신호를 추가하여 사각지대를 해결합니다. 컨트롤러는 실제 속도를 목표와 지속적으로 비교하고 오류를 계산하며 실시간으로 PWM 듀티 사이클을 조정하여 격차를 줄입니다.

홀 센서는 이미 정류 목적으로 회전자 위치를 보고하므로 홀 상태 전환 사이의 타이밍에서 속도를 도출하면 추가 하드웨어 비용이 거의 추가되지 않습니다. 따라서 홀 기반 폐쇄 루프 제어는 대부분의 상업용 BLDC 애플리케이션에서 기본 선택으로 사용됩니다. 이는 별도의 속도 센서가 필요 없이 부하 변화에 따라 속도를 안정적으로 유지합니다.

PI 및 PID 제어: 폐쇄 루프 정밀도의 알고리즘

폐쇄 루프 제어 내부의 수학은 일반적으로 목표 속도와 실제 속도 사이의 오류에 대해 작동하는 PI 또는 PID 컨트롤러로 귀결됩니다.

PI(비례-적분) 컨트롤러는 현재 오류에 반응하는 비례 항과 시간이 지남에 따라 과거 오류를 누적하는 적분 항을 결합하여 비례 항만으로 남게 되는 작은 정상 상태 오프셋을 제거합니다. 미분 항을 추가하면 이를 전체 PID 컨트롤러로 전환하여 오류의 변화율에도 반응합니다. 이를 지나 진동하지 않고 목표 속도에 빠르게 도달해야 하는 시스템의 오버슈트를 댐핑하는 데 유용합니다.

PI 제어는 전체 PID 루프보다 조정이 더 간단하고 센서 잡음에 덜 민감하기 때문에 범용 속도 조절의 실제 기본값이 되는 경향이 있습니다. PID는 튜닝 단순성보다 새로운 속도에서 빠르고 정확한 정착이 더 중요한 로봇 공학이나 드론과 같은 응용 분야에서 더욱 복잡해집니다.

컨트롤러 선택이 실제 속도 제어 품질에 미치는 영향

제어 알고리즘은 이를 실행하는 하드웨어와 마찬가지로 수행됩니다. 제어 루프가 느리거나 전류 감지가 불량한 컨트롤러는 PID 게인을 잘 조정하더라도 여전히 헌팅 및 지연됩니다. 이는 응답 속도가 소프트웨어 사양뿐만 아니라 하드웨어 사양으로도 중요한 이유입니다. 빠른 속도 보정을 위해 조정된 빠른 응답 컨트롤러 부하 변경과 컨트롤러의 보상 응답 사이의 지연을 단축합니다. 이는 실제로 클린 벤치 테스트가 아닌 실제 부하 스윙에서 모터가 얼마나 안정적인지를 결정합니다.

PWM 스위칭 주파수와 모터 권선과의 상호 작용은 속도 제어의 가청 및 기계적 측면에도 영향을 미칩니다. 잘못 조정된 스위칭 방식은 듀티 사이클이 변경됨에 따라 더 심해지는 윙윙거리는 소리나 진동을 생성할 수 있습니다. 속도에서 PWM 스위칭 잡음을 낮게 유지하는 초저소음 컨트롤러 가청 모터 소음이 원시 성능만큼이나 불만을 불러일으키는 소비자 애플리케이션에서 중요한 문제를 직접적으로 해결합니다.

안정적인 속도 제어를 위해 컨트롤러와 모터의 매칭

잘 설계된 폐쇄 루프 컨트롤러라도 전류 정격, 홀 센서 구성 및 구동하는 모터 간의 불일치를 보상할 수 없습니다. 극 수, 위상 저항 및 센서 타이밍은 모두 컨트롤러가 피드백을 얼마나 깨끗하게 읽고 응답할 수 있는지에 대한 요소이며, 일치하지 않는 페어링은 거친 저속 작동, 과도한 열 또는 결코 안정되지 않는 속도 제어로 나타납니다. 컨트롤러 및 모터 페어링 가이드 이러한 문제가 현장에 나타나기 전에 컨트롤러의 사양이 실제로 구동하려는 모터에 맞는지 확인하는 방법을 다룹니다.

제어 알고리즘 자체가 펌웨어에서 어떻게 구현되는지 더 자세히 알고 싶은 독자를 위해, 최신 모터 컨트롤러 뒤에 있는 소프트웨어 계층에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 이러한 제어 루프가 펌웨어 수준에서 어떻게 구성되고 조정되는지 다룹니다.