정밀 모터 제어

제 1 절 기술의 개요

1.1-1 소형 정밀제어모터의 정의

자연 중에 존재하고 있는 에너지를 우리가 쓸모 있는 에너지로 변환하는 장치를 기계(機械) 혹은 기구(器具)라 통칭하는데, 특히

전자장(電磁場)의 현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지와 같은 역학적 에너지(Mechanical Energy)로

변환시켜 주는 에너지 변환장치를 전동기(이하 "모터")라 한다. 전기·기계 에너지의 상호변환 개념은 [그림 1.1-1-1]과 같다.

[그림 1.1-1-1] 모터의 전기적 · 기계적 상호변환도

모터는 사용용도와 구조 등에 따라 다양하게 분류되며, 그 종류에 따라 실용화되고 있는 출력의 범위도 다소 다르다. 예를 들어

정밀제어모터로 많이 사용되는 소형모터에서도 아직까지 소형모터의 출력범위를 규정짓는 세계적으로 통일된 정확한 수치는

없으며, 국내 및 일본의 경우 일반적으로 외경 35[㎜] 이하의 DC 모터와 출력 100[W] 미만의 AC 모터를, 미국 등의 경우 통상 1

마력(750[W]) 미만의 모터를 소형모터로 분류하고 있다.

1.1-2 소형 정밀제어모터의 종류

[그림 1.1-1-2] 모터제어시스템의 구성도

소형 정밀제어 모터는 크게 AC 모터, DC 모터, 브러시리스(Brushless) DC 모터 및 릴럭턴스(Reluctance) 모터로

구분된다.

AC 모터는 신뢰성과 내환경성에서 우수한 특성을 갖고 있어 가전분야와 공작기계를 포함한 산업용 기기분야에서

폭넓은 시장을 형성하고 있으나, 다른 소형 정밀제어 모터에 비해 상대적으로 낮은 효율과 제어의 어려움 때문에

고효율화가 요구되는 가전분야에서 다른 모터(브러시리스 모터 또는 릴럭턴스 모터)로 지속적인 전환이 일어나고 있다.

브러시리스 DC 모터의 경우 고에너지밀도를 갖는 영구자석을 이용함으로써 고 효율화 및 소형화에 유리하고 수명이

길다는 장점을 갖고 있어 90 년대 이후 빠르게 발전한 컴퓨터 산업을 포함한 정보화 산업에 그 적용이 급신장하고

있으며, 최근에는 각종 산업용 및 운송수단의 구동원으로 채용하기 위하여 많은 연구개발이 이루어지고 있다.

릴럭턴스 모터는 크게 스위치드(Switched) 릴럭턴스 모터(이하 "SRM")와 스테핑(Stepping) 모터로 구분할 수 있다.

이러한 모터는 반도체 소자를 이용한 스위칭 제어방식으로 구동되므로 정밀제어가 가능하고 저렴한 가격으로 모터를

구성할 수 있으며, 고 출력밀도 및 고 효율화의 특징을 갖고 있어 산업/사무/계측기기 및 주변기기에 제어용 모터,

구동용 모터로 많은 시장을 형성하고 있으며, 앞으로도 그 용도가 더욱 확대될 전망이다.

이와 같은 모터 외에도 특수모터인 초음파 모터와 리니어(Linear) 모터가 있다. 초음파 모터의 경우 기존의 모터 구조와

다른 구조로 크기의 제한을 탈피할 수 있으며, 저속운전 시 높은 토크를 얻을 수 있어 카메라 등을 포함하는 정밀기기의

구동원으로 그 수요의 증대가 기대되고 있다. 리니어 모터의 경우 기존의 모터 구동원리에 따른 구분이 아니라, 외관상

모터 구동방향이 기존의 모터와 상이함에 따라 분류되는 명칭으로서, 고속/고정밀도의 직선 왕복운동용으로 개발되어

각종 정밀장비 등의 축 구동용으로 그 사용이 증가하고 있다.

[표 1.1-2-1]은 기존의 브러시 타입 DC 소형모터와 소형 정밀제어모터의 특성을 비교한 것이며, 소형 정밀제어모터의

수요 분야를 정리하면 다음의 [표 1.1-2-2]와 같다.

[표 1.1-2-1] 각종 소형 정밀제어모터의 특성 비교

항 목 DC 모터 AC 모터 브러시리스 모터 릴럭턴스 모터

제조 가격 높 음 낮 음 보 통 최 저 가

유지 보수 필 요 불 필 요 불 필 요 불 필 요

신 뢰 성 낮 음 높 음 높 음 높 음

수 명 짧 음 반 영 구 반 영 구 영 구 적

모터 크기 큼 보 통 소 형 소 형

출력 밀도 적 음 보 통 큼 큼

발전 가능 희 박 희 박 높 음 높 음

시장 추세 축 소 하 락 확 대 확 대

[표 1.1-2-2] 소형 정밀제어모터의 분류 및 수요분야

분 류 수요분야 응 용 가 능 기 기

AC 모터 산업기기 소형 ROBOT, 공작기계, 자동화 전용기, …

계측기기 계측기용 FAN 모터, …

가전기기 냉장고, 에어컨, …

브러시리스

DC 모터

A/V 기기 VIDEO, LDP, HEAD-PHONE STEREO, …

정밀기기 시계, 카메라, SLIDE PROJECT, …

가전기기 SHAVER, 전동 BRUSH, VCR, …

사무기기 PRINTER, DATA RECORDER, FDD, HDD, …

릴럭턴스

모 터

산업기기 소형 ROBOT, 공작기계, 조립자동화 기기, …

사무기기 PRINTER, FDD, HDD, FAX, 복사기, …

계측기기 기록계, X-Y PLOTTER, …

특수모터 정밀기기 카메라, 정밀 ACTUATOR, …

1.1-3 모터 드라이브 및 제어기

구동회로의 설계에서는 모터구동상수 및 위치검출기의 종류에 의해 [표 1.1-3-1]과 같이 설계될 수 있으며, 모터의 구동/제어

시 고려할 점은 다음과 같다.

① 코일의 인덕턴스부하를 스위칭시키므로 역기전력에 대한 보호

② 콘덴서등에 의한 스위칭파형을 수정시 위상뒤짐에 의한 역토크발생 방지

③ 위치검출기의 출력레벨차의 보정 및 취부오차

④ 온도상승에 의한 특성변화

⑤ 전원노이즈에 대한 보호

[표 1.1-3-1] 소형 정밀제어모터의 구동회로 종류 및 특징

구동회로 장 점 단 점 구성도 및 출력파형

2 상반파

간단/低가격 구성

초기특성에 대한

高 신뢰성

토크 無발생 존재

低 효율

큰 토크리플

2 상전파

低가격 제작가능

정현파구동에 의해

토크리플 저감가능

±2 전원 필요

코일온도가 증가

3 상반파 비교적 低가격

低 토크리플

전파와 동일성능을

위해서 Turn 수 및

인덕턴스 증가必要

3 상전파

인덕턴스 작음

低토크리플/장수명

온도상승 작음

초기신뢰성의 향상

을 위한 관리必要

高가격 구성

소형 정밀제어모터의 드라이브 및 제어기의 설계·개발 시 중점 기술과제 및 제반 기술내역을 살펴보면 [표 1.1-3-2]와 같다.

[표 1.1-3-2] 드라이브/제어기의 중점기술과제 및 세부기술내역

중점기술과제 제반 기술 내역 세부적인 기술 내역

DSP 제어회로 설계

Full Digital Control 용

DSP 제어 회로 설계

DSP Core 결정

전류 검출부의 설계

속도 검출부 설계

속도 검출 알고리즘 결정

전원회로 및 IGBT 구동회로 설계

SMPS 전원회로 설계 RCC 방식 SMPS 의 설계

SMPS 용 변압기 설계

IGBT 구동 회로 설계 Isolator 의 산정

인버터 / 쵸퍼 설계

정격용량 산정 인버터/쵸퍼의 정격용량산정

인버터의 IGBT 용량 산정 정격전압 산정

정격전류 산정

인버터

스위칭 방식

PWM 방식 연구

정현파 방식 전압 변조 기법

공간벡터 방식 전압 변조 기법

IN-MAX offset 방식의 전압변조기법

스위칭 방식 결정

주파수 분석

스위칭 방식 결정

견인용 구동인버터 출력전압 산정

1.1-4 AC 서보 모터

AC 모터와 DC 모터를 분류하는 경우 학계에서는 전기자 권선에 공급되는 전력이 교류인가 직류인가에 따라 분류하는

방법을 사용한다. 이외의 분류방법으로는 기계적인 브러시와 정류자의 유무에 의한 분류방법이 있으며, 일반적으로는 이

분류방법이 통용되고 있다. 또한, 서보 모터, 스핀들 모터 및 가변속 모터의 구분은 엄밀한 것은 아니나, 제어성능이 가장

높은 것이 서보 모터이고 다음이 스핀들 모터 그리고 가변속 모터 순이다. 그러므로 AC 서보 모터의 정의는 제어성이

높은 위치결정 기능을 갖고 기계적인 브러시와 정류자를 갖지 않는 제어용 모터라고 하면 좋을 것이다. 또한, AC 서보

모터에는 SM(Synchronous Motor)형과 IM(Induction Motor)형이 있으며, 현재 성능면에서 우수한 SM 형 서보

모터가 많이 사용되고 있다.

가. AC 서보 모터 구조와 특성

[그림 1.1-4-1]은 AC 서보 모터의 구조단면이다.

[그림 1.1-4-1] SM 형 AC 서보 모터의 구조 단면

고정자 측 구성은 기계적 지지를 목적으로 하는 원통형의 프레임과 프레임 내경에 원통형의 고정자 코어(Stator Core)

가 있고, 코어에 전기자 권선이 감겨져 있다. 권선 끝단에는 리드선이 나와 있어서 이 리드선으로부터 전류 및 전압이

공급된다. 회전자 측 구성은 샤프트와 샤프트 외경에 자석이 부착되어 있다. 양쪽 브래킷 및 플랜지에는 볼 베어링이

부착되어 있다. SM 형 AC 서보 모터는 DC 서보 모터와 반대로 자석이 회전자에 부착되어 있고 전기자 권선은 고정자

측에 감겨져 있다. 따라서, 브러시나 정류자 없이도 외부로부터 직접 전원을 공급받을 수 있는 구조이기 때문에

브러시리스 DC 서보 모터라고도 한다. SM 형 AC 서보 모터도 DC 서보 모터와 마찬가지로 광학식 인코더나 레졸버를

회전속도 검출기로 사용한다. 동기기형 AC 서보 모터는 회전자에 자석 즉, 페라이트 자속 또는 희토류(rare earth)

자석을 사용하여 계자 역할을 한다.

동기기형 AC 서보 모터는 전기자 전류와 토크의 관계가 선형이므로 제동이 용이하고, 비상 정지 시에 다이내믹

브레이크가 작동한다. 그러나, 회전자에 영구자석을 사용하는 구조이므로 복잡하고 제어 시 회전자 위치를 검출해야 할

필요가 있다. 또한, 드라이버로부터의 전기자 전류에는 고주파 성분이 포함되어 있어서 토크리플(Torque Ripple) 및

진동의 원인이 되는 경우가 있다.

IM 형 AC 서보 모터의 구조는 일반 유도기(Induction Motor)의 구조와 똑같다. 즉, 고정자측은 프레임, 고정자 코어,

전기자 권선, 리드선으로 구성되어 있고, 회전자는 샤프트, 회전자 코어 그리고 코어 외경에 도전체(Conductor)가

조립되어 있다. 컨덕터는 코어 외경에 축 방향으로 경사지게 많은 슬롯이 나있는데 링 형상의 코어 양단면과 슬롯에는

순도 높은 알루미늄 봉이 차 있어서 바구니 모양과 비슷하다. 유도기의 경우, 회전자와 고정자의 상대적인 위치 검출

센서가 필요하지 않다. 유도기형은 회전자 구조가 간단하고, 검출기도 특수한 것이 필요 없다. 그러나, 정지 시에도

여자전류를 계속 흘려야 하므로 이에 따른 발열 손실과 비상 정지 시에 DC 서보 모터와 같이 전기자 권선을 단락하므로

다이내믹 브레이크를 걸어주는 것이 불가능하다는 등의 결점이 있다.

[표 1.1-4-1]에 각 서보 모터의 장단점 및 기타 특성을 종합해서 정리해 놓았다. 표에 나타난 바와 같이 DC 서보 모터,

동기형 AC 서보 모터, 유도형 AC 서보 모터는 각각 장단점을 갖고 있어, 사용목적과 요구되는 특성, 취부환경, 제작비용

등을 고려하여 선택되어져야 한다.

[표 1.1-4-1] 서보 모터의 특성

구 분 DC 서보 모터 SM 형 AC 서보 모터 IM 형 AC 서보 모터

장점

- 정전시 발전제동

가능

- 컨트롤러의 구성

간단

- 소 용량형은 저가격

- 높은 Power Rate

- 응답성 좋음

- 유지보수 간편화

- 뛰어난 내환경성

- 고속 대토오크 가능

- 정전시 발전제동 가능

- 소형경량

- 높은 Power Rate

- 유지보수 간편화

- 뛰어난 내환경성

- 고속 대토오크 가능

- 대용량에 효율 좋음

- 견고한 구조

단점

- 정류자 보수 필요

- 정류면에서 고속 대

토오크 사용가능

- 마모분의 발생

- 자기기동 기능 없음

- 모터, 제어기 1:1 대응要

- 컨트롤러가 다소 복잡

- 소용량은 효율 나쁨

- 온도 특성 변화

- 정전 시 제동불가

- 제어기가 다소 복잡

적정용량 - 수 W-수 kW - 수십W-수 kW - 수백W 이상

전류파형 - 직류 - Sine 파 or 구형파 - Sine 파 or 구형파

자극센서 - 불필요 - 홀소자, 광 인코더

- 레졸버 - 불필요

속도센서 - DCTG

TG:타코제네레이터

- 브러시레스 DCTG

- 광인코더, 레졸버

- 브러시레스 DCTG

- 광인코더, 레졸버

수명 - 브러시 수명 - 베어링 수명 - 베어링 수명

모터상수

- 브러시 전압으로

제약

- 고압 저 전류 가능

- 모터의 구조에 따라 저속

대토오크 가능

- 고압 저전류 가능

- 정출력 특성 양호 (약한

계자제어)

고속회전 - 부적당 - 적용가능 - 최적

비상제동

- 다이내믹 브레이크 토오크

大 - 다이내믹 브레이크 토오크 中

- DC 전원이 필요

- 다이내믹 브레이크

토오크 小

내환경성 - 나쁨 - 양호 - 양호

영구자석 - 있음 - 있음 - 없음

AC 서보 모터 구조기술은 코일 권선용 치부철심과 자로 형성용 철심 2 가지로 분할한 코어를 코

일의 권선 후에 조합하여 고정자를 완성하는 제작방법이 개발되고 있다. 이렇게 하면 권선이 쉬워지고 점적률도

향상되어 효율이 높은 모터를 만들 수 있다. 케이스의 소재로는 원래 주물프레임이 많이 쓰였으나, 작고 가볍고 진동이

적은 모터를 만들기 위하여 동판 프레임이나 몰드형 모터가 만들어지고 있다.

나. AC 서보 모터의 권선

모터에서 권선은 모터의 기능과 불가분의 관계에 있는 동시에 모터의 특성에 지대한 영향력을 미친다. 권선의 역할은

전자석으로서 자극을 만드는 것도 있지만, 보다 중요한 것은 권선에 전류를 온·오프 형태로 흘리는 것이다. 따라서

어떠한 형태로 권선을 감을 것인가, 어떠한 방법에 따라 교류전류를 흘릴 것인가가 모터의 성능과 깊은 관계가 있다.

권선을 감는 방법에는 크게 집중권(concentrated winding), 분포권(distributed winding) 두 종류로 구분된다.

일반적으로 교류모터, BLDC 모터, DC 모터에는 대개의 경우 분포권으로 하고, 스테핑모터에는 집중권이 사용된다.

분포권은 한극을 형성하는 권선을 몇 개의 코일로 분할하여 자속분포를 가능한 한 정현파에 가깝도록 하는데 목적이

있다. 분포권에도 여러 종류가 있고, 교류모터와 DC 모터에 있어서도 다르다. 분포권에는 중권과 파권이 있다.

[그림 1.1-4-2] 집중권

[그림 1.1-4-3] 3 상 4극 분포권을 갖는 권선배열

AC 서보 모터도 고정자와 회전자로 구성되고, 고정자에는 고정자권선이 감겨지고, 회전자는 종류마다 형태가 다르고

각각의 특성도 상이하다. 농형권선을 갖는 농형유도모터, 고정자와 동일한 모양의 권선을 갖는 권선형 유도모터,

릴럭턴스형 동기모터, 영구자석의 자극을 갖는 영구자석동기모터, 자극에 여자권선을 갖는 동기모터 등이 있다. 그러나,

고정자권선은 동일하다. AC 서보 모터 권선도 직류전기자 권선을 기준으로 환상권을 사용하지 않고 중권의 2층권이

사용된다. 파권은 대형 권선형 모터의 회전자권선에 이용되지만 소형모터에는 사용되지 않는다. 또한, 교류전원의

종류에 따라 권선도 3 상, 2 상 및 단상으로 분류된다.

교류전원으로 여자하는 경우에 자속은 자기저항에는 관계하지 않고 전압주파수 및 코일의 권회수에 따라 결정되고,

공극의 대소, 철심 포화도의 대소, 자기저항의 대소에 의해서는 변하지 않는다. 자기저항이 증가하면 그에 따라 필요한

AT (Ampere Turns)는 증가하지만, 자동적으로 전류가 증가해서 필요한 AT를 보상하게 된다. 코일의 전선 사이즈가

변화해도 턴수가 동일하면 여자전류도 변하지 않고 자속도 변하지 않는다. 그때의 자속에 대해서 각 부분의 자속밀도를

구하고 필요한 AT 를 각 재료의 자화곡선에서 구할 수 있다. 여기서 각 자로의 길이를 곱해서 합산된 필요 AT 에

상응하는 전류가 여자전류로서 자동적으로 코일에 흐르게 되는 것이다. 따라서, 코일에는 그 전류가 흐르기에 충분한

사이즈의 전선이 필요하게 된다.

다. 구동회로 및 제어기술

AC 서보 모터에는 다상(일반적으로 3 상이기 때문에 이하 3 상)의 전압형 PWM (Pulse Width Modulation) 인버터가

사용된다. 이러한 전력변환회로의 목적은 서보 모터에 공급하는 전력을 서버모터에 적합한 형태로 변환하여 제어하는데

있다. 당연히 AC 서보 모터는 3 상 교류전력을 공급하지만 서보 모터에는 정확하고도 고속의 토크 제어가 이루어져야

하므로 각 상 전류의 크기 및 위상이 정확하고 고속으로 제어 가능한 전력변환회로가 요구된다. 이것을 만족하는

전력변환회로가 전압형 PWM 인버터이다.

(1) 전압형 인버터

인버터는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환회로이다. 입력단은 대개 다이오드 정류기로 구성되고

직류링크단에는 평활 콘덴서가 있다. 서보 모터에서 흐르는 전류 변화의 속응성이 토크응답, 결국은 속도응답을

결정한다. 인버터의 주회로 소자는 정격용량과 스위칭 속도에서 우수한 특성을 갖는 IGBT(Insulated Gate Bipolar

Transistor)가 주로 사용되고 있다.

[그림 1.1-4-4] 3 상 전압원 PWM 인버터

전압원 인버터는 부하측에서 본 임피던스를 영으로 하고 부하에서 보아 전압원으로 동작하는 것이다. 직류 평활용

콘덴서는 정류된 직류전압의 평활작용, 모터의 인덕턴스에 의해 생기는 무효전류 흡수작용, 감속운전시에 생기는 모터와

그 부하관성이 가지는 기계에너지의 흡수작용을 한다. 콘덴서의 정전용량이 작으면 직류전압의 맥동이 커지며, 이에

따라 모터 전류도 맥동한다. 이 결과 모터가 난조되거나, 과전류 보호동작이 순시값 동작이기 때문에 낮은 실효값 레벨로

보호가 작용하거나, 전자 서멀 시한특성이 저하하는 등 출력전류로 사용한 제어특성이 악화된다.

PWM 제어방식은 인버터의 스위칭 소자의 온·오프 시간 비율을 변화시킴으로써 평균적으로 변화시키는 것이지만,

스위칭 1 주기를 짧게 하면 전압을 빠르게 변화시키는 것이 가능하며, 따라서 1 주기의 평균전압을 조금씩 변화시키면서

등가적으로 정현파 전압을 출력하는 것이다. 이러한 PWM 제어방법 중 현재 많이 사용되는 방법이 공간전압벡터를

이용한 스위칭 기법이다. 공간전압벡터는 인버터의 가능한 스위칭 상태를 8 개의 벡터로 분류하고 전압 고조파 성분을

줄이면서 정현파 전압을 출력하기 위한 최적의 전압벡터가 선택되며, 전압벡터의 스위칭 시간은 선택된 벡터의 시간적인

대수합이 지령전압이 되도록 정해진다.

전압형 인버터는 각 상에 직렬로 접속된 2 개의 스위칭 소자가 짧은 시간이라도 동시에 온되면, 직류전원에서 단락이

생기고, 스위칭 소자는 소손된다. 이것을 방지하기 위해 2 개의 스위치가 동시에 온되는 것을 막는 데드타임(Dead

Time)을 설정해야 하며, 이 데드타임은 출력전압에 영향을 주게 된다. 따라서, 전압형 인버터에서는 데드타임을

보상하는 방법이 제시되고 있다.

(2) 제어기술

AC 서보 모터는 전력을 동력으로 변환하는 모터, 모터를 제어하기 위해 적절한 형태로 전력을 공급하는 전력변환기,

모터에 흐르는 전류와 모터의 출력 측의 속도, 위치를 검출하는 센서, 지령 및 오차를 제어하는 제어기로 구성된다.

제어계의 안정성을 얻기 위하여 [그림 1.1-4-5]와 같이 제어계가 구성된다.

마이너 루프의 차단주파수를 외부루프의 차단주파수보다 높게 하면 외부 루프의 제어기 설계가 용이하다. 또한,

마이너루프에 있는 전류와 속도의 제한이 용이하다. 한편, 제어계의 회로구성은 아날로그회로와 디지털회로로 구분된다.

디지털 IC 의 발전에 따라 위치제어, 속도제어, 전류제어 순으로 디지털화가 진행되고 있으며, 고성능 마이크로

프로세서와 DSP 의 출현으로 모든 제어를 디지털화한 전 디지털 서보가 가능하게 되었다. 프로세서를 사용하는 경우

제어를 소프트웨어로 실행하는 것을 소프트웨어 서보라 부른다.

[그림 1.1-4-5] 제어계의 구성

AC 서보 모터는 고정자 전류 중에 DC 모터의 계자전류와 전기자전류에 상당하는 2 개의 성분이 포함되어 있다. 그 2

개의 성분을 직교 벡터로 분류해서 제어하는 새로운 제어이론, 즉 벡터제어이론이 AC 서보 모터에 사용되고 있다.

토크제어는 BLDC 서보 모터에 비해서 복잡하지만 모터가 갖는 강인함의 이점이 있어 서보 모터로서는 비교적 큰 용량인

수백 와트 이상에서 사용된다. 벡터제어를 간단히 언급하면 AC 모터를 타여자 DC 모터처럼 제어하는 것이다. 이러한

개념이 [그림 1.1-4-6]에 나타나 있다.

[그림 1.1-4-6] 벡터제어에서 유도모터와 타여자 DC 모터의 유사성

AC 기기의 벡터제어의 기본적인 구현개념도가 [그림 1.1-4-7]에 있다. 인버터는 생략되어 있지만 이상적인 3 상전류를

출력한다고 가정한 것이다. 3 상전류는 3 상/2 상 변환에 의해 정지된 좌표축 축과 축의 2 상 성분으로 변환되고

단위벡터 와 에 의해 동기좌표로 회전하는 회전좌표계의 양으로 변환된다.

[그림 1.1-4-7] 기기모델에서 벡터제어의 구현 기법

이 단위벡터 신호인 와 를 어떻게 얻느냐에 따라 벡터제어에는 직접벡터제어와 간접벡터제어가 있다.

직접벡터제어는 측정 또는 추정에 의하여 자속의 속도와 위치로 단위벡터를 알아내는 것이며, 간접벡터제어는 회전자

주파수와 슬립주파수를 더하여 를 만든다. 간접벡터제어는 회전자 자속 기준제어, 고정자 자속 기준제어로 다시

구분되며, 회전자 자속 기준제어가 현재 많이 사용되고 있다. 여기서, 회전자 자속 기준제어는 모터의 파라미터를 정확히

알아야 벡터제어를 행할 수 있는 단점이 있으나, 고정자 자속 기준제어는 파라미터의 변화에 둔감한 장점이 있다.

따라서, 회전자 자속 기준제어를 위해 모터의 파라미터를 추정하여 벡터제어에 사용하는 제어기법들이 많이 발표되고

있다. 또한, 간접벡터제어를 위해서 정확한 속도를 검출할 필요가 있기 때문에 속도 검출기가 반드시 존재해야 한다.

[그림 1.1-4-8]은 전압원 인버터의 직접벡터 제어방법을 보여준다. 여기서, 회전자 누설 인덕턴스는 무시한다.

[그림 1.1-4-8] 전압원 인버터의 직접 벡터 제어 블록도

주요한 제어 대상 파라메터인 와 는 직류량이고, 자속신호로부터 생성되는 cos ՙet 와 sin ՙet 에 따라

정지좌표계로 변환된다. 정지좌표계에서 합성된 신호는 인버터의 상전류의 지령치로 변환된다. 상변환에 필요한 수식은

사각형안에 표시되어 있다. 정밀한 자속제어를 위해 자속제어루프가 추가되어 있는 형태이며 자속 지령치 는

자속제어 루프에서 발생된다. 토크 지령치 전류 는 외부루프에 속도제어 루프를 갖는다고 하면 토크 제어

루프에서 발생된다. 직접벡터제어는 공극자속으로부터 단위벡터 신호를 발생시키는 방법에 따라 나눌 수 있다. 즉

공극자속 신호는 직접 측정될 수도 있고, 혹은 고정자 전압, 전류로부터 추정될 수도 있다. 전류 와 는

단위벡터를 사용하여 회전좌표계의 d 축과 q 축에 투영된다. 단위벡터는 다음과 같이 얻을 수 있다.

간접벡터제어의 페이저 도는 [그림 1.1-4-9]에 있다.

[그림 1.1-4-9] 간접벡터제어에 대한 페이저 다이어그램

축은 고정자에 맞춰 있으며, 축은 동기각속도 로 회전한다. 어떤 순간에 축은 정지된 축에

대해서 전기각 의 위치에 있다. 각 는 회전자의 각 위치 과 슬립각 위치 의 합이다. 간접벡터제어는

회전자 자속을 회전하는 d 축에 고정시키고, 모터의 동기모델 방정식으로 슬립주파수와 토크분 전류와의 관계를

얻어내며, 다음 식으로 표시된다.

따라서, 회전자의 속도 을 검출하면 위 식의 을 더하여 를 얻어낼 수 있다. [그림 1.1-4-10]은

간접벡터제어로 이루어진 위치제어 시스템을 보여준다.

[그림 1.1-4-10] 간접벡터제어를 갖는 위치제어 시스템

최근 속도센서를 부착하기 어려운 환경이나 고정밀 제어를 요하지 않는 경우, 속도센서를 필요로 하지 않는 센서리스

벡터제어가 행해지고 있다. 속도 센서리스 벡터제어는 디지털 제어기의 발달과 더불어 직접벡터제어 구현으로 행해지고

있으며, 센서를 사용하는 벡터제어 만큼 고성능은 아니지만 유도전동기의 토크를 제어할 수 있고, 비교적 넓은 범위에서

최대 토크가 얻어지는 장점이 있다. [그림 1.1-4-11]은 센서리스 벡터제어의 블록도를 나타낸다. 센서리스 벡터제어는

모터에 인가되는 전압과 모터에 흐르는 전류를 측정하고, 좌표변환하여 T 축, M 축의 전압 , 전류

으로 변환한다. T 축, M 축의 전압, 전류검출값과 미리 설정한 전동기 상수에 의해 유기전압의 T 축 성분과 M 축 성분을

연산한다. 제어기와 유도전동기의 자속의 축이 일치하고 있는 경우 M 축 유기전압은 영이다. 따라서, 축이 어긋났을 때

M 축 유기전압에 의해 1차 각 주파수를 보정하는 루프를 부가시키고, 유기전압의 크기에서 직접 1차 주파수를

연산한다.

[그림 1.1-4-11] 센서리스 벡터 제어 인버터의 제어 블록도

1.1-5 PMDC 모터

가. PMDC 모터의 구조

[그림 1.1-5-1] PMDC 모터의 단면도

PMDC 모터의 구조는 [그림 1.1-5-1]에서 보는 바와 같이 고정자 측 구성은 자로 및 기계적 지지를 목적으로 하는

원통형의 프레임과 프레임 내경에는 자석이 부착되어 있다. 회전자 측 구성은 샤프트와 샤프트 외경에 정류자 및

회전자 철심이 부착되어 있고, 회전자 철심 내에 전기자 권선(coil)이 감겨져 있다. 전기자 권선에 정류자를 통하여

전기를 공급하는 브러시 및 브러시 홀더가 부착되어 있다. 브래킷과 플랜지에는 볼 베어링이 회전자를 받쳐주고

있다. 브래킷 뒤쪽에는 회전속도 신호를 검출하는 검출기가 회전자와 연결되어 있는데 광학식 인코더 혹은 타코

제너레이터를 많이 사용한다. PMDC 모터는 토크와 전류가 비례하여 선형제어계의 구성이 가능하므로 비교적

간단한 회로로 안정된 제어계 설계가 가능하다.

PMDC 모터는 최고속도와 그 점에서의 허용 토크는 정류 불꽃에 의해 제약을 받는다. PMDC 모터의 구동 방식은

트랜지스터에 의한 펄스폭 변조방식이 주류를 이룬다. 이 방식은 상용 주파수 전원을 정류하여 직류를 얻고, 이 직류

전원이 모터에 인가되는 시간폭을 주파수의 반송파에 의해 변화시켜 가변 전압을 만들어 모터의 속도 제어를 행하는

방식이다. 이런 방식의 제어는 응답성이 좋고 부하 마찰 토크가 국부적으로 변화하므로 다관절 로봇과 같이 자세에

의한 모터 축 환산부하 관성이 크게 변하는 계에서도 충분히 안정된 제어를 행할 수 있다.

PMDC 모터는 전기자 구조에 의해 (a) 슬롯이 없는 슬롯리스(slotless) 전기자, (b)철심없는 가동코일(moving-coil)

형, (c)철심없는 평판상 프린터 코일형, (d)전기자 권선을 보강한 컵형 및 (e)철심이 있고 홈이 없는 전기자의 다섯

가지 형태로 나누어진다. [그림 1.1-5-2]에는 PMDC 모터에 사용되는 각종 영구자석의 자극구조에 관한 예를

나타낸다.

[그림 1.1-5-2] 각종 마그네트 자극의 계자 구조

슬롯리스는 강도, 출력, 과부하내량 등의 면에서는 이상적인 구조이지만, 응답성(관성) 및 정류라는 면에서는 다른

구조에 비해 열세이다. 전기적 시정수가 작고 코깅이 없는 것이 특징이다. 서보 모터에 있어 초고속 응답성을

이루도록 관성모멘트를 작게 하기 위해 가동부가 철심을 제외하고 코일만으로 한 구조의 것을 가동코일이라 한다.

용량면에서 수십 W 이하이고 열용량은 작다. (c)의 프린터 모터형도 (b)와 거의 같은 형태이지만 수백 W 이하를

대상으로 하고 있다. 회전길이가 크기 때문에 의외로 응답성이 낮다. (d)의 컵 모터 방식은 보다 더 큰 kW 급을

대상으로 하기 때문에 전기자 권선을 구조적으로 보강하고 있다. 철심이 없으므로 정류조건이 좋고 순시의 과부하,

피크 토크에 잘 견딘다. (e)는 (b)의 용량을 증대하기위한 것으로 자로겸 구조물인 강자성체의 축상에 전기자 권선을

배치하고 길고 가는 형상이 가능하므로 초저관성이고 동시에 정류를 용이하게 한다.

나. DC 모터의 권선 종류

DC 모터는 전기자(회전부)와 계자(고정자), 두개의 권선이 있고, 고정자에는 주계자권선, 보극권선, 보상권선 등이

있지만 소형 모터는 주 계자권선만이 있고 다른 것은 생략되어 있다. PMDC 모터에는 계자권선은 없다. 회전부에는

전기자권선이 있고 이것은 분류방법에 따라 다음과 같이 분류할 수도 있다.

전기자 권선에서 환상권은 권선의 인덕턴스가 커서 정류가 곤란하고 철심 내부에 있는 권선은 회전력을 발생하지

않으며 내부저항을 증가시키는 단점이 있고 권선공작상에도 문제가 있어서 사용되지 않는다. 이와 같은 이유로 현재

사용되는 권선은 전부 고상권이다. 고상권은 모든 권선이 회전력을 발생시키며 브러시로 단락되어 있는 권선의

리액턴스가 적으므로 환상권에 비하여 정류가 용이하며 형권권선(former-wound coil)을 사용할 수가 있어서

권선의 공작도 쉽고 절연도 충분하게 할 수 있다. 권선의 임의의 한 점에서부터 출발하여 권선도체를 순차적으로

따라가면 재차 출발점으로 돌아오게 되는 권선을 폐로권이라 한다. 개로권은 독립권선이 있고 외부회로에 접속되어

폐회로가 되는 권선이다.

[표 1.1-5-1] 전기자 권선의 종류

중권은 [그림 1.1-5-3]에 표시된 것과 같이 각 코일의 양단이 정류자편에 접속하도록 감는 방식으로 정류자 측에서

교차하지 않는 경우는 진권, 교차하는 경우는 후권이라 한다. 중권내부의 회로 수는 자극수와 같고 각 극 자속의

불균일에 의해 유기전압이 같지 않게 되고 내부 순환전류가 흐르게 되며 정류 불량을 일으키기도 한다

.

[그림 1.1-5-3] 4극 중권의 예

이 때문에 4극 이상의 중권의 경우는 2 자극 피치마다 등전위점을 도체로 접속한다. 이 접속 도체 군을 균압환 또는

균압 코일이라 한다. 4극 이상에서는 중권의 경우 균압 코일이 필요하기 때문에 소형 모터에서는 파권을 이용한다.

파권은 [그림 1.1-5-4]와 같이 각 코일의 양단이 2 자극 피치 떨어진 정류자편에 접속되는 권선으로 전기자를 일주한

후 인접한 정류자편에 연결된다. 출발점을 통과하여 앞선 정류자편에 접속되는 것을 전권, 하나 뒤진 정류자편에

접속되는 것을 후권이라 한다.

[그림 1.1-5-4] 4극 파권의 예

파권의 특징은 전 코일이 직렬로 접속되어 극수에 관계없이 병렬회로 수는 2 개이다. 같은 극성의 브러시는 전부

중성점 부근에 있는 권선에 접속되어 있기 때문에 브러시의 수는 최저 2 개이다. 중권과 달리 균압 코일이 필요 없다.

파권이 되기 위해서는 정류자편수 , 자극수 , 슬롯수 , 슬롯의 코일수 사이의 관계는 다음의 관계가

필요하다. ( 은 정수) 소형모터에서는 보통 2극부터 4극이 많고 2극의 경우는 중권, 4

극의 경우는 파권을 이용하지만 이어서 가 기수가 되어야 한다.

다. PMDC 모터의 구동회로 및 제어기술

PMDC 모터의 제어는 기능으로 정리하면 전류제어, 속도제어, 위치제어로 구분된다. 전력변환기는 DC/DC 컨버터인

모터를 사용하여 PWM 제어에 의해 모터에 인가되는 전압을 제어한다. 마이너 루프는 전류 제어 루프이다. 일례를

[그림 1.1-5-5]에 나타낸다. 이 전류제어는 모터의 유기전압과 전원의 변동 등에 대하여 전류의 변동을 최대한

억제할 수 있다.

[그림 1.1-5-5] PMDC 서보 모터의 전류제어루프

위치제어에 대한 PMDC 서보 시스템의 블록도는 [그림 1.1-5-6]과 같다. 전압증폭률은 A 로 한다. 이와 같이 해서

얻어진 블록선도에서 안정 판별을 하면 이득을 올리면 불안정하게 된다. 따라서 위상 보상 요소를 필요로 하지만

속도 피드백을 동시에 행하여 안정화시킨다. 한 예로 타코 제너레이터 출력의 일부 또는 전부를 동시에 부궤환시키는

방법으로 시스템을 안정화한다. [그림 1.1-5-7]에 이것을 나타내었다.

[그림 1.1-5-6] PMDC 모터의 위치제어 블록도

[그림 1.1-5-7] 속도의 피드백 제어에 의한 안정화

[그림 1.1-5-8] 트랜지스터용 1 방향 제어 PMDC 서보 제어기

현재 정밀 모터 제어에 현재 사용되고 있는 회로가 [그림 1.1-5-8]과 [그림 1.1-5-9]에 있다. [그림 1.1-5-8]은

전력용 트랜지스터를 사용한 1 방향 제어 PMDC 모터 제어기의 블록도를 나타내고, [그림 1.1-5-9]는 MOSFET 를

사용한 2 방향 제어 PMDC 모터 제어기의 블록도를 나타낸다.

[그림 1.1-5-9] 전력용 MOSFET 를 사용한 2 방향 제어 PMDC 서보 제어기

1.1-6 BLDC 모터

가. 회전자의 구조

BLDC 모터는 구조면에서 자계를 만드는 마그네트 회전자의 배치에 따라 자로의 구성방법, 권선의 배치방법이 다르다. [표

1.1-6-1]에 BLDC 모터의 분류와 특징의 개요를 나타내었다.

[표 1.1-6-1] BLDC 모터의 구조와 특징

공극부 회전자·

전기자 구조 특징 용도 예

공극의 위치 자석회전자의 위치 구조상 특징 사용장소

radial gap type (원주방향 갭)

- 모터의 외주측으로 회

전자를 배치(outer

rotor)

- 모터의 내주측으로

회전자계를 생성

- 회전자의 관성모멘트가 크므로

정속도 운전에 유리

- 마그네트를 비교적 크게 할 수

있으므로 고효율, 고토크화하기

쉽다.

- 권선의 1 코일 평균길이가 짧게

되어 손실저감

- 회전자 지지기구가 복잡하다.

- 밀폐 구조로 하기 어렵다

- 복사기 드럼구동용 등 고토크에서

정속운전을 필요로 하는 곳

- 모터의 내주측으로

회전자를 배치(inner

rotor)

- 모터의 외주측으로

회전가계를 생성

- 회전자의 관성모멘트가 outer

rotor 에 비하여 작다

- 모터구조를 비교적 간단하게

구성할 수 있다.

- 자동문 구동장치, 복사기의 원고

자동 운반장치 등 비교적 민감한

제어성을 요하는 곳

axial gap type (축방향 갭)

- 축방향의 두께를

비교적 얇게 한 원판상의

모터

- 회전자의 전기자를

축방향으로 나열한 구조

- 축수간 간격이 짧기 때문에

공작의 정확을 요함, 축수구조도

복잡

- 권선과 전기자를 분리

- VTR 용 실린더, FDD 용 모터 등

모터 이외의 기능을 복합화 하여

기계적 정도를 요하는 곳

슬롯리스 구조로 함

- 회전율을 저감시킬 필요가

있는 곳에서 많이 사용되고

있지만 권선의 배치정도와

권선형상의 밸런스를 작게

하여야 할 필요가 있다.

[그림 1.1-6-1]은 외부(Outer) 회전자형 BLDC 모터, [그림 1.1-6-2]는 내부(Inner) 회전자형 BLDC 모터, [그림 1.1-6-3]

에는 엑셜갭(Axial gap)형 BLDC 모터에서의 각 구조 단면도를 나타낸다. 내부 회전자형의 프레임 구성에 있어서, 종래에는

철판 프레임으로 전기자 외주부를 구성하였으나, 최근에는 모터에 대한 진동과 소음의 감소를 요구하므로 이에 대한 대책의

하나로서 레진재료 일체형으로 몰드된 프레임을 높인 것이 있다. 레진의 일례는 폴리에스테르재료로 절연성, 열전도성,

열안정성, 내충격성, 내열 충격성이 우수하다. 그밖에 레진으로 코일을 봉지함에 의해서 악조건하에서도 절연 열화되지

않는다는 점과 레진열전도, 열방산성이 우수하기 때문에 체적을 작게 할 수 있다는 점이 유리하다.

[그림 1.1-6-1] outer rotor 형 [그림 1.1-6-2] inner rotor 형

[그림 1.1-6-3] axial gap 형

나. 마그네트

BLDC 모터에 사용되는 마그네트는 소형 모터에 있어서는 그 대부분이 성능과 가격면에서 페라이트 마그네트가 주류이지만

최근에는 그보다 한층 더 성능이 좋은 플라스틱 네오듐을 사용하여 체적효율(경박 단소화)을 보다 높이고 있다. 마그네트의

성능은 [그림 1.1-6-4]와 같은 자화특성곡선을 사용한다. 이것은 마그네트를 충분히 포화하기까지 자화시킨 경우의

히스테리시스 루프의 제 2 상한을 나타낸 것이므로 [그림 1.1-6-4]의 Hc 및 Br 에서 각 축에 수직선을 그어서 그 교점 P 와

원점 O 를 연결하는 직선과 자화특성곡선의 교점을 Q 라 하고 Q 의 각 좌표값을 Hd 및 Bd 라 하면 Bd×Hd 의 값이

마그네트의 우열비교를 할 때 사용된다. 대표적인 마그네트의 자화특성을 [그림 1.1-6-5]에 나타내었다.

[그림 1.1-6-4] 자화특성곡선

[그림 1.1-6-5] 대표적인 자석의 자화특성

마그네트의 이방성에 있어서는 마그네트를 고정시킬 때 마그네트의 자구에 강제적으로 자계를 주어서 스핀배향으로

일치시켜 고정시킨 것을 이방성을 갖는 마그네트라 부르고, 이와 같은 공정을 취하지 않은 것을 등방성(무방향성)

마그네트라 한다. 이방성 마그네트는 등방성 마그네트에 비해 상당한 성능 개선을 보인다. 등방성은 원통상 마그네트를

구성할 수 있지만 이방성의 경우는 기와 모양의 것을 들러붙게 합쳐서 사용해야 하는 문제가 있다.

다. BLDC 모터의 구동회로 및 제어기술

(1) 구동회로

BLDC 모터의 구동회로는 반도체 기술의 발달로 소용량의 것은 IC 화되어 사용되고 있다. [그림 1.1-6-6]은 회로구성의

일례를 보인 것이고, [그림 1.1-6-7]은 실제품의 블록도를 나타낸다.

[그림 1.1-6-6] BLDC 모터 구동 기본 회로 구성 예

[그림 1.1-6-7] BLDC 모터 제어 IC 블록도

제어 IC 입력으로 속도지령 신호를 인가하면 Hall 센서로부터 자극의 위치 정보를 얻고 IC 내에서 PWM 파형을 생성하여

인버터의 스위치를 온·오프한다. 과전류보호기도 내장되어 있으며 DC 전압도 300V 급까지 인가할 수 있다.

(2) BLDC 모터의 회전자의 자극위치 검출방법

회전자 자극 위치 검출 방법을 [표 1.1-6-2]에 나타내었다. 현재 비교적 구성이 간단한 Hall 소자 포토 커플러를 이용한

광학적인 방법이 많이 사용된다.

[표 1.1-6-2] BLDC 모터의 위치 검출 방식

방 식 특 징 비 고

Hall 소자 방식 위치검출기구가 간단 Hall 소자의 재질에 따라 GaAs, InSb

계로 분류

광학적 방식 포토커플러를 주로 이용 판재식과 투과식으로 대별

고주파 유도방식 코일의 인덕턴스의 변화를 검출

고주파 발진제어 방식 발전기의 Q (공진의 첨예도) 발진을 온·오프함

Lead Switch 방식 구조 간단

자기저항 소자방식 자전변환 소자를 이용 Hall 소자방식과 동등

(3) 구동방법과 제어

BLDC 모터는 인가전압이 일정한 경우 부하 토크에 대한 회전속도가 DC 모터와 같이 부하특성을 갖고, 속도-토크가 거의

직선 관계를 이루므로 인가전압에 의해서 용이하게 속도를 제어할 수 있는 특징이 있다. BLDC 모터의 회전력의 발생은 DC

모터와 같고, 동일한 형태의 속도-토크 특성을 갖는다.

BLDC 모터를 사용하여 일정속도로 제어하는 방식의 예는 F/V(frequency to voltage) 방식과 PLL(phase locked loop)

방식이 있다. F/V 방식은 모터의 회전 오차가 1% 이하의 정밀도가 필요한 경우에 잘 사용된다. [그림 1.1-6-8]에 블록도를

나타낸다. FDD 의 스핀들 모터에 적용한 경우 프린트 기판 상에 제어회로와 파워회로가 원칩화된 LSI 및 Hall 센서,

속도검출용 FG(frequency generator) 파형, 전기자권선 등이 실장되며 모터 회전 오차는 0.3%이하이다.

[그림 1.1-6-8] F/V BLDC 모터 블록도

F/V 방식의 경우 속도의 결정이 저항, 콘덴서로 정해지기 때문에 높은 회전 정밀도가 얻어지지 않는다. 이와 같은 이유에서

PLL 방식이 고려되었다. [그림 1.1-6-9]에 블록도를 나타낸다. 이 경우 속도의 설정은 외부의 수정발진자에 의해

행해지므로 매우 높은 회전수 및 회전수 변동 정밀도가 얻어진다.

[그림 1.1-6-9] PLL 방식의 BLDC 모터 블록도

[그림 1.1-6-10]은 3.5" FDD 의 스핀들 모터에 사용한 예를 블록도이며, 모터 구동이 원칩 LSI 로 행해진다. 속도제어부에

마이크로프로세서를 사용해서 PWM 제어되는 전력변환기를 조합시킴으로써 여러 가지 특징을 갖는 BLDC 모터가

만들어진다.

3.5" FDD 스핀들 구동방식으로서 DD(direct drive)와 ID(indirect drive) 방식이 있지만 최근에는 박형화된 ID 방식이

채용되고 있다. 여기에 수반하여 모터도 박형화가 요구되는 경향이지만 DD 방식용 모터에서는 ID 방식에 비해

감속비분만큼 큰 토크를 필요로 하기 때문에 가격면에서 불리하다.

[그림 1.1-6-10] FDD 스핀들 모터용 원칩 LSI 블록도

BLDC 모터도 센서리스 방식이 연구되고 있으며 한 예를 기술한다. [그림 1.1-6-11]에 나타낸 것과 같이 120°의 위상차를

가진 각 코일에 유기되는 전압과 점선으로 표시된 각 유기전압의 정의 반주기를 반전하는 1/2 크기로 한 전압을 비교기로

비교해서 전류를 흘리게 한 다이오드에 대응하여 각상의 구동 트랜지스터가 온으로 되어 고정자 코일에 전류가 흐르게

된다. 이것에 의해 마그네트와 요크로 구성된 회전자는 전류가 흘러 여자된 고정자에 동기로 회전한다. 이와 같이 센서리스

모터는 유기전압과 비교하는 것에 의해 전류가 흐르는 시간을 정하므로 일반적으로 필요로 하는 자극검출용의 홀센서가

불필요하게 되고 신뢰성도 향상된다.

[그림 1.1-6-11] 전류(轉流)회로의 동작