스마트한 당신의 선택, 브러시리스 DC 모터
스마트한 당신의 선택, 브러시리스 DC 모터
  • MSD
  • 승인 2016.08.09 14:53
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응용사례가 고속과 저 소음, 낮은 EMI 그리고 긴 수명을 원한다면 브러시리스 DC(BLDC) 기술이 모범답안이다. 브러시리스 모터 기술에는 많은 장점이 있는데, 그 중 하나로 빠른 속도가 있다. 브러시리스 모터는 브러시와 정류자로 인한 기계적인 제한이 없어 속도가 보다 빠르다. 

글 | George Hunt, MICROMO Application Engineer(www.micromo.com)

브러시리스 DC 모터의 장점은 또 있다. 브러시리스 DC 모터는 브러시 모터라면 일반적으로 경험했을법한 아크 전류와 전기 부식 등의 문제 역시 발생하지 않는다. 여기에 보다 효율이 높고, EMI의 발생량이 낮다(이는 RF 관련 응용사례에서 쌍수를 들 만한 특성이다). 
 
BLDC 모터는 브러시 모터 대비 열 특성이 우수한데, 고정자(스테이터) 위에 권선이 감겨있기 때문이다.
고정자는 모터 케이스에 연결되어 있고, 따라서 열 방출이 보다 효율적으로 일어난다. 결과적으로 브러시리스 모터의 유지보수는 사실상 불필요하다.

선택 시 주의사항
높은 제조비용으로 인해 많은 응용사례에서 BLDC 기술 도입을 포기하고 있다. 브러시리스 모터에 두 배에 가까운 돈을 지불하고도 브러시 모터 특유의 단순함을 놓치고 마는 경우도 어렵지 않게 볼 수 있다. 
제어 및 구동에 필요한 전자장치를 수용할 만한 공간을 확보해야 한다는 사실 역시 잊으면 안 된다. 전자장치들이 모터 내부에 있지 않다면 결국 장치 외부 어딘가에 부착해야 한다. 
 
또 하나 제약사항이 있다면 드라이브를 모터와 지나치게 먼 곳에서 마운트하기 어렵다는 점. 이러한 문제를 보상하기 위해 위상 회로(Phase Leads)를 꼬고, 피드백으로부터 차폐함으로써 노이즈를 줄이는 방법이 있다.

브러시리스 모터 역시 브러시 모터와 마찬가지로 마찰이라는 난제를 극복해야 한다. 마찰은 속도에 의존하지 않는 토크 손실의 합으로 정의할 수 있다. 동마찰이 속도에 의존적인 것과 대조적이다.

BLDC 모터에 있어 동 토크 마찰은 속도에 비례해 토크 손실을 야기하는 유일한 요소다. 작동 속도(mNm/rpm 등) 측면에서 동 마찰은 볼 베어링의 점성 마찰과, 자석의 자기장이 회전하면서 생성된 고정자의 와전류(Eddy Currents)에 의해 발생한다. 동 토크 마찰이 발생했을 경우 속도 토크 곡선을 활용해 BLDC 모터의 우수한 선형성을 확인할 수 있다.
 
브러시리스 마이크로 모터 구동
브러시 DC 모터와 달리 브러시리스 기술은 직류 전압과 직접 연결할 수 없다. 브러시리스 모터가 전자 전류(Electronic Commutation)을 활용한다는 점을 상기하자. 다시 설명하자면, 브러시리스 모터에는 정류자와 물리적으로 직접 연결되는 브러시가 없다. 
 
영구자석 회전자는 고정자 권선의 전류에 의해 유도되는 회전 자계(Revolving Magnetic Field)를 따라 동작을 개시한다. 회전자의 동작은 전자장치에 의해 종료되는데, 펄스폭 변조 혹은 PWM이라고 부르는 온/오프 신호가 움직임을 멈추는 역할을 맡는다. 일반적으로 비교 측정기(Comparator)에 의해 공급받게 되는 PWM 신호는 사인파 명령 신호와 톱니 캐리어(Saw Tooth Carrier) 혹은 초퍼 주파수(Chopper Frequency)의 결과로 전압을 생성한다.

PWM 신호는 명령한 값이 캐리어(초퍼 주파수 혹은 스위칭 주파수)보다 더 클 때 높아진다. 초퍼 주파수가 낮을수록 전류가 진폭을 얻기까지 긴 시간이 걸린다. 모터는 계속해서 가속하고, 전류 밀도의 증가와 함께 감속한다. 

이처럼 진폭이 큰 폭으로 변화하면 보다 잦은 리플 출력 현상을 만들고, 나아가 모터 수명을 줄이는 원인이 된다. 따라서 스위치 주파수를 충분히 높게 제공하는 것이 중요하다.

개별적인 On/Off 상태는 6반도체 스위치에 의해 제어된다. 이를 통해 증폭된 전류와 상응한 신호를 올바른 단계를 거쳐 전송한다. 반도체 스위치에 의해 전류가 반전하는 경우 고정자 권선이 보다 유용하게 활용된다. 많은 권선을 통해 전류를 공급할 수 있기 때문이다.

적시에 On/Off 상을 변환하기 위해서는 드라이브에 피드백이 필요하다. 드라이브에 작용하는 피드백은 전류(Commutation)의 각도를 이상적 각도인 90° 가량으로 유지하는 데 도움을 준다. 

브러시리스 모터는 일반적으로 폐 루프(서보) 시스템과 궁합이 좋다. 또 대부분 디지털 홀 효과를 적용하곤 하는데, BLDC 모터에 적절한 피드백을 제공함과 동시에 원활한 정류를 시행하기 위함이다. 보다 부드럽고 매끄러운 동작을 원하는 경우 정현파 정류(선형 홀 효과)를 사용하기도 한다.

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