수요일, 2월 5, 2025
최근:

ACUSYS :: 어큐시스 주식회사

A New Paradigm for Measurement & Automation

TechIssue Technology 

BLDC(Brushless DC) 모터 제어를 위한 Vector Control

acusys

Vector Control은 전기 모터의 속도와 토크를 정밀하게 제어하기 위한 고급 제어 기법으로, **FOC (Field-Oriented Control)**와 동일하거나 유사한 방식으로 간주됩니다. 이 방식은 모터의 전류를 벡터(Vector) 형태로 변환하여, 자속(Flux)와 토크를 독립적으로 제어합니다. 특히, BLDC(Brushless DC) 및 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) 모터와 같은 고성능 애플리케이션에서 널리 사용됩니다.

Vector Control의 기본 원리

Vector Control은 전기 모터의 3상 전류를 로터 자속 방향에 따라 정렬된 회전 좌표계(d-q 축)로 변환하여 제어하는 방식입니다.

1. 전류 분리

  • 모터의 전류를 다음 두 가지 성분으로 분리하여 제어:
    1. d축 전류 (Flux Producing Current):
      • 자속(Flux)을 생성하는 전류.
    2. q축 전류 (Torque Producing Current):
      • 토크를 생성하는 전류.

2. 좌표 변환

  • 고정된 3상 좌표계(abc)를 **정지 좌표계(α-β)**로 변환한 후, 다시 로터 자속 방향에 정렬된 **회전 좌표계(d-q)**로 변환합니다.
  • 이를 통해 d축과 q축 전류를 독립적으로 제어할 수 있습니다.

Vector Control의 단계별 작동

1. 3상 전류 측정

  • A상, B상, C상의 전류를 샘플링합니다.

2. 클라크 변환 (Clarke Transformation)

  • 3상 전류(abc)를 2개의 정지 좌표계 전류(α, β)로 변환: iα=iAi_\alpha = i_A iβ=13(iA+2iB)i_\beta = \frac{1}{\sqrt{3}} (i_A + 2i_B)

3. 파크 변환 (Park Transformation)

  • 정지 좌표계(α-β)를 로터 자속 방향에 정렬된 회전 좌표계(d-q)로 변환: id=iαcos⁡(θ)+iβsin⁡(θ)i_d = i_\alpha \cos(\theta) + i_\beta \sin(\theta) iq=−iαsin⁡(θ)+iβcos⁡(θ)i_q = -i_\alpha \sin(\theta) + i_\beta \cos(\theta)
    • θ\theta: 로터의 자속 위치각 (엔코더 또는 센서리스 방법으로 측정).

4. PI 제어기

  • d축 및 q축 전류를 목표값과 비교하여 PI 제어기를 통해 보정:
    • d축 전류: 자속 제어.
    • q축 전류: 토크 제어.

5. 역 파크 변환 (Inverse Park Transformation)

  • 제어된 d축 및 q축 전압을 다시 정지 좌표계(α-β)로 변환: vα=vdcos⁡(θ)−vqsin⁡(θ)v_\alpha = v_d \cos(\theta) – v_q \sin(\theta) vβ=vdsin⁡(θ)+vqcos⁡(θ)v_\beta = v_d \sin(\theta) + v_q \cos(\theta)

6. 역 클라크 변환 (Inverse Clarke Transformation)

  • 정지 좌표계(α-β)를 3상 전압(abc)으로 변환하여 모터의 3상에 공급: vA=vαv_A = v_\alpha vB=−12vα+32vβv_B = -\frac{1}{2} v_\alpha + \frac{\sqrt{3}}{2} v_\beta vC=−12vα−32vβv_C = -\frac{1}{2} v_\alpha – \frac{\sqrt{3}}{2} v_\beta

7. PWM 신호 생성

  • 3상 전압을 PWM 신호로 변환하여 인버터를 통해 모터에 공급.

Vector Control의 주요 특징

장점

  1. 높은 효율
    • d축과 q축 전류를 독립적으로 제어하여 에너지 효율 극대화.
  2. 정밀한 제어
    • 속도, 위치, 토크를 매우 정밀하게 제어 가능.
  3. 부드러운 동작
    • 토크 리플(Torque Ripple)이 거의 없고, 소음과 진동이 적음.
  4. 저속 및 고속에서 안정적
    • 전속도 범위에서 안정적인 성능 제공.
  5. 다양한 모터 지원
    • BLDC, PMSM, AC Induction Motor에서 사용 가능.

단점

  1. 복잡한 구현
    • 수학적 변환과 제어 알고리즘이 복잡.
    • 고속 연산을 지원하는 DSP나 고성능 MCU가 필요.
  2. 센서 의존
    • 로터 자속 위치를 측정하기 위해 엔코더나 홀 센서 필요.
    • 센서리스 구현 시 복잡성이 추가.
  3. 고비용
    • 하드웨어와 소프트웨어 설계 비용이 높음.

Vector Control의 응용 분야

  1. 전기 자동차 (EV)
    • 고속 및 저속에서 안정적인 제어와 높은 효율 제공.
  2. 산업용 로봇
    • 정밀한 위치와 토크 제어가 필요한 로봇 팔 및 자동화 장비.
  3. 항공 및 드론
    • 소음이 적고 부드러운 동작이 필요한 애플리케이션.
  4. 가전제품
    • 세탁기, 냉장고, 에어컨 등에서 에너지 효율 및 저소음 요구.
  5. 풍력 발전
    • 동기식 발전기의 속도 및 전력 제어.

Vector Control과 다른 제어 방식 비교

특징 Vector Control (FOC) Six-Step Commutation DTC (Direct Torque Control)
효율성 매우 높음 낮음 높음
소음 및 진동 매우 적음 높음 중간
응답 속도 빠름 느림 매우 빠름
저속 성능 우수 부족 제한적
복잡성 매우 높음 낮음 중간

Vector Control의 발전

Vector Control은 최근 센서리스 제어(Sensorless Control) 기술과 결합되어 발전하고 있습니다. Back-EMF 또는 자속 관찰기(Flux Observer)를 사용하여 로터 위치를 추정함으로써 센서를 제거하면서도 높은 성능을 유지할 수 있습니다.

요약

Vector Control은 전류를 벡터 형태로 변환하여 자속과 토크를 독립적으로 제어하는 고급 모터 제어 기법입니다. 높은 효율, 정밀도, 부드러운 동작을 제공하며, 전기 자동차, 산업용 로봇 등 고성능 애플리케이션에 적합합니다. 하지만 복잡성과 비용이 높아 저비용 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 센서리스 기술과의 결합을 통해 더 많은 영역에서 사용되고 있습니다.

Post Views: 28