수요일, 2월 5, 2025
최근:

ACUSYS :: 어큐시스 주식회사

A New Paradigm for Measurement & Automation

TechIssue Technology 

BLDC(Brushless DC) 모터 제어를 위한 PWM Control

acusys

Pulse Width Modulation (PWM) Control은 전기 모터 및 다양한 전자 시스템에서 전압 또는 전류를 제어하기 위한 기본적인 기술입니다. PWM은 일정한 주파수에서 **펄스 폭(Duty Cycle)**을 조정하여 출력 전력의 크기를 제어하는 방식입니다. 이 기술은 간단하면서도 효율적이기 때문에 BLDC(Brushless DC), AC Induction Motor, DC Motor 제어에서 널리 사용됩니다.

PWM Control의 기본 원리

PWM은 일정한 주파수를 가진 신호에서 펄스의 **높은 상태(High)**가 차지하는 시간의 비율(Duty Cycle)을 조정하여 출력 전력을 조절합니다.

1. Duty Cycle 정의

  • Duty Cycle은 펄스 신호에서 High 상태가 전체 주기에서 차지하는 비율을 의미하며, 퍼센트(%)로 표현됩니다.

Duty Cycle (%)=(On TimePeriod)×100\text{Duty Cycle (\%)} = \left( \frac{\text{On Time}}{\text{Period}} \right) \times 100

  • 예:
    • Duty Cycle 50%: 신호의 절반은 High, 절반은 Low.
    • Duty Cycle 75%: 신호의 75%는 High, 나머지 25%는 Low.

2. 출력 전력 제어

  • PWM 신호의 평균 출력 전압은 Duty Cycle에 비례합니다:

Vout=Vin×Duty CycleV_{\text{out}} = V_{\text{in}} \times \text{Duty Cycle}

  • Duty Cycle이 0%이면 출력 전압은 0V, 100%이면 입력 전압과 동일.

PWM Control의 동작 방식

1. PWM 생성

PWM 신호는 타이머 또는 PWM 제어 회로를 통해 생성됩니다. 마이크로컨트롤러(MCU)나 디지털 신호 처리기(DSP)를 사용하여 구현할 수 있습니다.

2. 전압 제어

PWM 신호는 모터 또는 부하에 공급되는 전압의 평균값을 조절하여 속도, 토크, 또는 밝기 등을 제어합니다.

3. 필터링 효과

모터나 부하는 일반적으로 **저역 필터(Low Pass Filter)**와 같은 역할을 하여 PWM 신호의 고주파 성분을 제거하고 평활한 출력 전압으로 변환합니다.

PWM Control의 주요 구성 요소

1. PWM 신호 생성기

  • 타이머:
    • 일정 주기와 Duty Cycle을 생성.
    • MCU 내부 또는 외부 PWM 제어 IC에서 제공.
  • 주파수:
    • 주파수는 애플리케이션에 따라 다르며, 일반적으로 수 kHz ~ 수백 kHz 범위.
    • BLDC 모터 제어에서는 보통 20kHz 이상 사용(청각 소음 방지).

2. 전력 스위칭 소자

  • PWM 신호는 전력 스위칭 소자(MOSFET, IGBT 등)를 통해 부하에 전압을 공급.
  • 고속 스위칭 소자가 필요하며, 스위칭 손실 최소화가 중요.

3. 제어 회로

  • 전류, 속도, 또는 위치를 제어하기 위해 피드백 루프와 결합.
  • PI 또는 PID 제어기를 사용하여 원하는 값으로 안정화.

PWM Control의 장점

  1. 높은 효율
    • 스위칭 소자는 On 또는 Off 상태에서만 동작하므로 열 손실이 적음.
  2. 정밀한 제어
    • Duty Cycle을 세밀하게 조정하여 출력 전압 및 전력을 정밀하게 제어 가능.
  3. 단순한 구현
    • PWM 신호 생성은 MCU 또는 PWM 제어 IC를 통해 비교적 간단히 구현 가능.
  4. 범용성
    • 모터 제어, 조명 제어, 오디오 신호 처리 등 다양한 분야에 사용 가능.

PWM Control의 단점

  1. 전자기 간섭(EMI)
    • 고속 스위칭으로 인해 전자기 간섭이 발생할 수 있으며, 필터링이 필요.
  2. 스위칭 손실
    • 스위칭 주파수가 높을수록 전력 스위칭 소자의 손실이 증가.
  3. 리플 전압
    • 필터링이 불충분하면 부하에서 전압 리플이 발생할 수 있음.
  4. 복잡한 전류 제어
    • 모터와 같은 유도성 부하에서는 전류 제어가 어려울 수 있음.

PWM Control의 응용 분야

1. BLDC 및 DC 모터 제어

  • 속도 및 토크 제어를 위해 PWM 신호를 사용하여 전압을 조정.

2. LED 밝기 제어

  • LED의 평균 전류를 제어하여 밝기를 조절.

3. 오디오 증폭

  • Class D 오디오 증폭기에서 PWM 신호를 사용하여 고효율 오디오 출력을 생성.

4. 전원 공급 장치

  • 스위칭 모드 전원 공급기(SMPS)에서 출력 전압 및 전류를 제어.

5. 온도 제어

  • 히터나 냉각 팬의 전력을 조절하여 온도를 유지.

PWM Control의 구현 예제

1. DC 모터 속도 제어

아래는 DC 모터의 속도를 PWM으로 제어하는 간단한 코드 예제입니다:

코드 (C 언어)

#include <avr/io.h>

void PWM_Init() {
    // 타이머1 초기화 (8비트 PWM 모드, 1kHz 주파수)
    TCCR1A = (1 << WGM10) | (1 << COM1A1);
    TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS11);  // 분주율 8
    DDRB |= (1 << PB1);                   // PWM 핀 출력 설정
}

void PWM_SetDutyCycle(uint8_t dutyCycle) {
    OCR1A = (dutyCycle * 255) / 100;      // Duty Cycle 설정
}

int main() {
    PWM_Init();

    while (1) {
        PWM_SetDutyCycle(50);             // Duty Cycle 50%
        _delay_ms(1000);
        PWM_SetDutyCycle(75);             // Duty Cycle 75%
        _delay_ms(1000);
    }
}

2. BLDC 모터 제어

BLDC 모터에서는 PWM을 각 상의 전압 제어에 사용하여 속도와 방향을 조절:

  • FOC(Field-Oriented Control) 또는 Six-Step Commutation과 결합하여 사용.

PWM Control의 특징 요약

항목 설명
제어 방식 Duty Cycle을 조정하여 출력 전력을 제어.
효율성 스위칭 소자를 사용하여 열 손실 최소화.
주파수 수 kHz ~ 수백 kHz (BLDC 모터는 일반적으로 20kHz 이상).
장점 간단한 구현, 높은 효율, 정밀한 제어 가능.
단점 EMI 발생 가능, 스위칭 손실, 전압 리플 문제.
응용 분야 모터 제어, LED 제어, 전원 공급, 오디오 증폭, 온도 제어 등.

PWM Control vs 다른 제어 방식 비교

특징 PWM Control Linear Control
효율성 매우 높음 낮음 (연속적인 에너지 소모).
구현 복잡성 낮음 낮음
정밀도 높음 중간
발열 낮음 높음

요약

Pulse Width Modulation (PWM) Control은 전력의 크기를 제어하는 간단하면서도 효율적인 방식으로, 다양한 전기 및 전자 애플리케이션에서 널리 사용됩니다. 특히, BLDC 및 DC 모터에서 속도와 토크를 제어하거나 LED의 밝기를 조절하는 데 필수적인 기술입니다. 하지만 EMI와 같은 부작용을 줄이기 위해 필터링 및 적절한 설계가 요구됩니다.

Post Views: 24