브러시리스 DC 모터와 ESC 작동 원리: 기술적 개요

이 튜토리얼에서는 브러시리스 모터와 ESC가 어떻게 작동하는지 배워보겠습니다. 이 기사는 다음 비디오의 1부로, 브러시리스 DC 모터와 ESC(전자 속도 제어기)의 작동 원리를 배우고, 2부에서는 아두이노로 BLDC 모터를 제어하는 방법을 배웁니다.

아래 비디오를 시청하거나 작성된 튜토리얼을 읽어보세요.

작동 원리

BLDC 모터는 고정자(stator)와 회전자(rotor) 두 주요 부분으로 구성됩니다. 이 설명에서 회전자는 2극 영구 자석이고, 고정자는 아래 그림과 같이 배치된 코일들로 구성됩니다.

코일에 전류를 흘리면 자기장이 생성되고 자기장 선 또는 극성은 전류 방향에 따라 달라진다는 건 잘 알려져 있습니다.

적절한 전류를 가하면 코일이 회전자 영구 자석을 끌어당기는 자기장을 생성합니다. 이제 각 코일을 차례로 활성화하면 영구 자석과 전자석 사이의 힘 상호작용으로 회전자가 계속 회전합니다.

모터 효율을 높이기 위해 두 반대쪽 코일을 단일 코일로 감아 회전자 극에 반대 극을 생성하면 인력이 두 배가 됩니다.

이 구성으로 세 개의 코일 또는 위상(phase)만으로 고정자에 6개 극을 생성할 수 있습니다. 두 코일을 동시에 활성화해 효율을 더 높일 수 있습니다. 한 코일은 끌어당기고 다른 코일은 밀어내 회전자를 움직이게 합니다.

회전자가 완전한 360도 사이클을 돌려면 6단계 또는 구간이 필요합니다.

전류 파형을 보면 각 구간마다 한 위상은 양전류, 한 위상은 음전류, 나머지 한 위상은 꺼져 있음을 알 수 있습니다. 이는 세 위상의 자유 단점을 연결해 전류를 공유하거나 단일 전류로 두 위상을 동시에 활성화할 수 있다는 아이디어를 줍니다.

예를 들어 위상 A를 하이(High)로 풀업하거나 MOSFET 같은 스위치로 양의 DC 전압에 연결하고, 다른 쪽에서 위상 B를 그라운드에 연결하면 전류가 VCC → 위상 A → 중성점 → 위상 B → 그라운드로 흐릅니다. 단일 전류 흐름으로 네 개의 서로 다른 극을 생성해 회전자를 움직이게 합니다.

이 구성으로 모터 위성의 스타 연결(star connection)을 가지게 되며, 중성점은 내부적으로 연결되고 위상의 다른 세 단자가 모터 밖으로 나와 브러시리스 모터에서 세 가닥 와이어가 나오는 이유입니다.

회전자가 완전한 사이클을 돌려면 6개 구간 각각에서 올바른 두 MOSFET을 활성화하면 되고, 이것이 ESC의 핵심입니다.

ESC 작동 원리 (전자 속도 제어기)

ESC(Electronic Speed Controller)는 적절한 MOSFET을 활성화해 회전 자기장을 생성함으로써 브러시리스 모터 움직임이나 속도를 제어합니다. 주파수가 높거나 ESC가 6개 구간을 더 빨리 통과할수록 모터 속도가 빨라집니다.

하지만 여기서 중요한 질문이 나옵니다: 언제 어떤 위상을 활성화할지 어떻게 알까요? 답은 회전자 위치를 알아야 하며, 회전자 위치를 결정하는 두 가지 일반적인 방법이 있습니다.

첫 번째 일반적인 방법은 고정자에 내장된 홀 효과 센서를 사용하는 것으로, 120도 또는 60도 간격으로 균등하게 배치됩니다.

회전자의 영구 자석이 회전하면 홀 효과 센서가 자기장을 감지하고 한 자기극에 대해 로직 "하이", 반대 극에 대해 로직 "로우"를 생성합니다. 이 정보에 따라 ESC는 다음 정류 시퀀스 또는 구간을 언제 활성화할지 압니다.

두 번째 일반적인 방법은 역기전력(back EMF) 감지를 통한 회전자 위치 결정입니다. 역기전력은 자기장 생성의 정반대 과정, 즉 움직이거나 변하는 자기장이 코일을 통과할 때 코일에 전류가 유도되는 결과로 발생합니다.

회전자의 움직이는 자기장이 비활성화된 자유 코일을 통과하면 코일에 전류 흐름이 유도되고 그 결과 해당 코일에 전압 강하가 발생합니다. ESC는 발생하는 전압 강하를 포착해 이를 기반으로 다음 구간이 언제 일어나야 할지 예측하거나 계산합니다.

이것이 브러시리스 DC 모터와 ESC의 기본 작동 원리이며, 회전자와 고정자 양쪽의 극 수를 늘려도 동일합니다. 여전히 3상 모터이며, 완전한 사이클을 위해 구간 수만 늘어날 뿐입니다.

여기서 BLDC 모터는 인러너(inrunner) 또는 아웃러너(outrunner)일 수 있다고 언급할 수 있습니다. 인러너 브러시리스 모터는 영구 자석이 전자석 안에 있고, 아웃러너는 그 반대입니다. 다시 말하지만 같은 작동 원리를 사용하며 각각 장단점이 있습니다.

이론은 이쯤 하고 이제 실제로 우리가 위에서 설명한 것을 시연해 보겠습니다. 브러시리스 모터의 세 위상을 오실로스코프에 연결합니다. 3개 저항을 한 점에 연결해 가상 중성점을 만들고 다른 쪽을 BLDC 모터의 세 위상에 연결했습니다.

여기서 가장 먼저 눈에 띄는 건 세 개의 사인파입니다. 이 사인파들은 비활성화될 때 위상에서 생성되는 역기전력입니다.

모터 RPM을 변경하면 사인파 주파수와 진폭도 변합니다. RPM이 높을수록 역기전력 사인파의 주파수와 진폭이 높아집니다. 하지만 실제로 모터를 구동하는 것은 이 피크들로, 활성 위상들이 변화하는 자기장을 생성합니다.

각 구간마다 두 위상이 활성이고 한 위상이 비활성임을 알 수 있습니다. 예를 들어 여기선 위상 A와 B가 활성, 위상 C 비활성. 그 다음 위상 A와 C 활성, 위상 B 비활성, 이런 식입니다.

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어쨌든 이것이 브러시리스 모터의 기본 작동 원리입니다. 더 많은 실생활 예제와 아두이노로 브러시리스 모터 제어 방법을 배우고 싶다면 이 튜토리얼 2부를 확인하세요.

이 튜토리얼을 즐기시고 새로운 것을 배우셨길 바랍니다. 댓글 섹션에서 자유롭게 질문해 주시고 저의 아두이노 프로젝트 모음도 확인해 보세요.