BLDC 모터의 원리

그림 1 간단한 형태의 BLDC 모터 내부 구조

그림 1은 BLDC 모터의 간단한 구조를 나타내고 있다. BLDC 모터는 영구 자석으로 된 회전자와 권선으로 되어 있는 스테이터 폴들로 이루어져있다. 영구 자석 회전자와 전류가 인가된 권선으로부터 생성되는 자기장 사이의 관계에 의해 전기 에너지는 회전자를 회전시킴으로써 기계적인 에너지로 변환된다.
그림 왼쪽에는 간단한 형태의 BLDC 모터의 내부를 나타내고 있으며, 오른쪽은 stator의 전기적인 구성을 나타내고 있다. 오른쪽 그림에서 ( A – a – com – b – B )의 순서로 전류가 흐르는 1번의 경우를 생각해보자. 그러면 왼쪽 그림에서처럼 해당 stator의 극성이 정해진다. 영구 자석으로 되어 있는 rotor의 N극은 ( A – a ) stator와 ( com – b ) stator 사이에 위치하고, S극은 ( b – B ) stator와 ( a – com ) stator 사이에 위치하게 된다. 여기서 ( A – a – com )으로 흐르는 전류량과 ( com – b – B )로 흐르는 전류는 BLDC 모터에 연결되어 있는 MOSFET 소자에 의해 스위칭 되어 A, B, C에 공급된다.

 

앞에서 설명한 구조는 내부 rotor가 하나의 N, S극 이루어진 단순한 형태의 BLDC 내부 구조이다. 만약, rotor가 2 pole이 아니라 4 pole이라면, 내부 둘레의 stator의 개수도 6개가 아닌 12개가 된다. 그렇게 되면, stator에 인가되는 전류의 상이 바뀔 때, 60도씩 움직이는 것이 아니라 30도씩 움직이게 된다.

그림 2 3상 브리지 회로

그림 2는 3상 브리지 회로를 보여주고 있다. High 시그널이 입력되는 P-channel MOSFET소자와 Low 시그널이 입력되는 N-channel MOSFET 소자로 구성되어 있다. 각각의 MOSFET 소자 사이가 모터의 A, B, C(U, V, W)에 연결되어 모터를 구동시키기 위한 전류를 공급하게 된다. 각각의 드라이브 컨트롤은 MOSFET에 High와 Low 시그널을 조합, 입력하여, A, B, C 터미널에 High 드라이브, Low 드라이브, Floating 드라이브가 걸리게 된다.
한가지 주의해야 할 점은 이런 형태의 회로에서는 모터전류 공급을 위한 하나의 드라이빙 회로에서 High MOSFET과 Low MOSFET을 동시에 활성화 시키면 안 된다는 것이다. 또한 마이크로 컨트롤러에서의 신호를 즉시 인식시킬 수 있도록 드라이버 입력단에 반드시 풀-업과 풀-다운 저항을 연결해 주어야 한다. High, low 양쪽 드라이버를 동시에 활성화 시키지 못하게 하는 dead time control이라고 하는 방법은 low 쪽 드라이버가 활성화 되기 전에 high 쪽 드라이버를 적당한 시간만큼 미리 비활성화 시키는 것이다. 일반적으로 드라이버는 on 될 때보다 off 될 때 시간이 더 많이 소요된다. 따라서 동시에 드라이버가 활성화 되지 않도록 이 시간 차이만큼의 여유를 가져야 한다.
하지만, BLDC 모터 제어를 위한 드라이빙 순서는 high 쪽과 low 쪽이 스위칭이 이루어지기 전에 floating 상태를 거치기 때문에 자연적으로 dead time이 존재하게 된다. 따라서 이런 순서에서는 일부러 dead time을 고려하지 않아도 된다.

 

그림 3 드라이브 타이밍 순서

그림 3은 BLDC 모터의 3상 드라이브에 대한 입력 순서는 나타내고 있다. 홀센서는 두 가지 버전으로 나눌 수 있다. 상이 60도 시프트 되는 것과 120도 시프트 되는 것이 그것이다. 이에 근거하여 모터 제조회사에는 상 변화 순서를 정의해서 판매가 되며, 우리는 이에 따라 모터를 제어하면 된다. 홀센서는 파워 소스를 필요로 하는데, 대략 4~24V의 전압을 요구하며, 5~15mA의 전류를 소모한다. 모터 제어회로를 설계할 때 이 점을 유의해야 한다. 홀센서는 보통 open-collector 타입으로 컨트롤러 쪽에 풀업 저항이 필요하다.

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