로봇 공학 및 자동화 분야에서 BLDC(브러시리스 DC) 모터의 이점
BLDC(브러시리스 DC) 모터는 브러시 모터에 비해 많은 이점을 제공하므로 로봇 공학 및 자동화 응용 분야에서 선호되는 선택입니다. BLDC 모터에는 정밀한 속도 및 토크 조절을 위한 제어 시스템이 필요하지만 추가적인 복잡성보다 이점이 더 큽니다. BLDC 모터의 주요 장점은 다음과 같습니다.
- 향상된 효율성: BLDC 모터는 더 높은 에너지 효율성을 제공하며, 이는 전기 모터로 인한 상당한 전 세계 전력 소비를 고려할 때 중요한 요소입니다.
- 정확한 제어: BLDC 모터는 정확한 속도 및 토크 제어를 가능하게 하여 다양한 부하 조건에서 최적화된 성능을 허용합니다. 이 수준의 제어는 정밀한 움직임과 반응이 필요한 로봇 공학 및 자동화에 필수적입니다.
- 향상된 내구성: 브러시 마모 및 아크로 인해 성능이 저하되는 브러시 모터와 달리 BLDC 모터는 시간이 지나도 성능을 유지합니다. 이러한 수명은 로봇 시스템의 전반적인 신뢰성과 수명에 기여합니다.
- 저소음 작동: BLDC 모터는 조용히 작동하여 로봇 애플리케이션에서 소음 발생을 최소화합니다. 이 특성은 사용자 경험을 개선하거나 규정 표준을 충족하기 위해 소음 수준을 줄여야 하는 환경에서 특히 중요합니다.
- 감소된 전자기 간섭(EMI): BLDC 모터는 낮은 수준의 전자기 간섭을 생성하여 로봇 시스템 내의 다른 전자 부품 또는 통신 시스템에 대한 중단을 최소화합니다.
- 소형 및 경량 설계: BLDC 모터는 소형 및 경량으로 설계되어 공간 또는 중량 제한이 있는 응용 분야에 적합합니다. 이러한 이점은 소규모 장치에서 대규모 산업 자동화 설정에 이르기까지 다양한 로봇 시스템에서 BLDC 모터의 통합을 용이하게 합니다.
탁월한 효율성, 정밀한 제어, 내구성, 저소음 작동, EMI 감소, 컴팩트한 디자인으로 BLDC 모터는 광범위한 응용 분야에서 없어서는 안 될 요소가 되었습니다. 컴퓨터 하드 드라이브에서 전기 자동차, 소규모 로봇 공학에서 대규모 산업 자동화에 이르기까지 BLDC 모터는 로봇 공학 및 자동화 산업 전반에서 효율성과 성능의 발전을 지속적으로 주도하고 있습니다.
BLDC 모터의 한 가지 단점은 복잡한 제어입니다. 회로 그리고 그에 따른 비용 상승. 전자 스위칭 기술에는 정확한 타이밍의 전기 신호가 필요하며 이를 생성할 수 있는 드라이버 회로가 필요합니다.
그럼에도 불구하고 현대 설계자들은 이제 BLDC 모터 드라이버용으로 특별히 설계된 전력 장치를 광범위하게 상용화할 수 있다는 이점을 가지고 있습니다. 이러한 장치는 독립형 형태로 제공되거나 마이크로컨트롤러(컨트롤러)와 통합되어 설계 프로세스를 간소화하고 솔루션의 전체 비용을 줄입니다.
컨트롤러
속도와 토크를 조절하는 것 외에도 모터의 회전을 시작, 정지 및 반전시키는 데 중요한 역할을 합니다. 두 가지 방법을 통해 로터 위치 정보를 얻을 수 있습니다. 감지기-컨트롤러가 이 데이터를 직접 수신하는 유형 제어 또는 컨트롤러가 펌웨어 또는 하드웨어 수준에서 구현된 적절한 알고리즘을 사용하여 위치를 추론하는 센서리스 제어. 전력 MOSFET에 적용되는 전기 신호는 진폭 및 지속 시간 측면에서 회전자의 위치에 따라 결정됩니다.
센서 장착 BLDC 모터는 모터의 정확한 위치를 즉시 알 수 있기 때문에 부하 상태에서 모터를 시동해야 하는 애플리케이션에 일반적으로 사용됩니다. 위치를 결정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.
- 홀 효과 자기 센서: 이 센서는 복원력이 뛰어나고 자동차 애플리케이션과 같은 열악한 조건에서도 효과적으로 작동할 수 있습니다.
- 회전식 인코더: 이 장치는 기계적 동작을 전기 충격으로 변환하고 위치, 속도, 방향과 같은 중요한 데이터를 제공합니다. 에 따라 technology 사용되는 인코더는 광학식, 용량성 또는 자기식일 수 있습니다.
- 가변 릴럭턴스 센서: 이 센서는 코일과 관련하여 자기 전도성 또는 투과성 물체의 변위에 해당하는 전기 신호를 생성합니다.
센서리스 제어기는 회전자의 현재 위치를 감지하기 위해 회전 전기자에 의해 고정자 권선에 발생하는 역기전력(EMF)을 추정하는 기술을 사용합니다. 백 EMF를 측정함으로써 컨트롤러는 로터의 위치를 결정할 수 있으며 백 EMF가 높을수록 자석이 더 가깝다는 것을 나타냅니다.
컨트롤러의 설계나 선택은 세심한 정확성이 요구되는 중요한 작업입니다. 모터 컨트롤러가 수행하는 주요 기능은 다음과 같습니다.
- 속도 및 방향 조절: 컨트롤러는 모터의 속도를 조절하고 회전 방향을 제어합니다.
- 토크 조절: 적용된 부하를 모니터링함으로써 컨트롤러는 최적의 모터 성능을 달성하기 위해 적절한 토크 값을 결정합니다.
- 시작 및 정지 단계 관리: 컨트롤러는 정확한 가속 및 감속 프로파일에 따라 모터를 점진적으로 시작 및 정지합니다.
- 과전압 또는 과전류에 대한 보호: 컨트롤러는 과도한 전류를 감지하고 이에 대응하여 모터를 보호합니다. 전압 또는 현재 수준.
- 모터 효율성 최적화: 컨트롤러는 다양한 엔진 매개변수를 관리하여 전반적인 효율성을 극대화합니다.
과거에는 제어 알고리즘으로 펌웨어를 실행하는 마이크로컨트롤러와 함께 개별 구성 요소를 사용하여 컨트롤러를 구축했습니다. 그러나 현재 추세는 전력 및 제어 기능을 단일 칩에 결합하는 고도로 통합된 솔루션을 선호합니다.
광범위한 응용 분야를 찾는 BLDC(브러시리스 DC) 모터
BLDC(브러시리스 DC) 모터는 유리한 구성 특성으로 인해 다양한 산업 및 시스템에서 광범위하게 적용됩니다. 향상된 전류 관리, 증가된 토크, 정확한 속도 제어 및 전반적인 모터 성능 향상과 같은 전자 정류에서 파생된 이점은 널리 사용되는 데 기여합니다. BLDC 모터의 주목할만한 응용 분야는 다음과 같습니다.
- 산업용 애플리케이션: BLDC 모터는 펌프, 압축기, 컨베이어 및 공작 기계와 같은 산업용 기계 및 장비에 활용되어 효율적이고 안정적인 작동을 제공합니다.
- 전기 자동차(EV) 및 e-모빌리티: BLDC 모터는 높은 효율성, 전력 밀도 및 향상된 범위로 인해 자동차, 오토바이, 스쿠터 및 자전거를 포함한 전기 자동차의 필수 부품입니다.
- 무인 항공기(UAV) 및 드론: BLDC 모터는 경량 설계, 고효율 및 정밀 제어를 위해 UAV 및 드론에 일반적으로 사용되어 안정적인 비행 및 기동성을 제공합니다.
- 하드 드라이브: BLDC 모터는 정확하고 안정적인 스핀들 모터 제어를 달성하여 정확한 데이터 읽기/쓰기 작업을 보장하기 위해 하드 디스크 드라이브에 사용됩니다.
- 가전제품: BLDC 모터는 팬, 에어컨, 냉장고, 세탁기와 같은 다양한 가전제품에서 볼 수 있으며 에너지 효율, 조용한 작동 및 수명 연장을 제공합니다.
- 로봇 및 산업 자동화: BLDC 모터는 정밀한 동작 제어, 높은 토크 및 내구성을 위해 로봇 시스템 및 자동화 장비에 광범위하게 활용됩니다. 보다 안전하고 효율적인 프로세스를 가능하게 하여 산업 생산성을 향상시킵니다.
특히 산업용 로봇 팔은 작업자 안전을 개선하고 생산을 가속화하며 생산성을 높여 제조 공정을 혁신하고 있습니다. 이 다재다능하고 프로그래밍 가능한 로봇 팔은 공장, 창고, 심지어 농업 환경에서도 활용됩니다. BLDC 모터는 신뢰성, 내구성 및 전자기 방사에 대한 내성과 함께 정확한 속도 및 토크 조절을 제공함으로써 로봇 팔에서 중요한 역할을 합니다.
요약하면 BLDC 모터는 정밀한 속도 제어, 높은 토크, 내구성 및 전자파 간섭에 대한 내성을 제공하므로 산업용 기계에서 전기 자동차 및 로봇에 이르기까지 다양한 응용 분야에 매우 적합합니다.
설계
BLDC 컨트롤러를 설계하려면 하드웨어 및 소프트웨어 측면 모두에 대한 전문 지식이 필요합니다. 상용 통합 솔루션은 대부분의 애플리케이션 요구 사항을 충족할 수 있지만 맞춤형 솔루션이 필요한 경우가 있습니다.
운전기사: 전자 정류를 용이하게 하기 위해 일반적으로 고전압 및 전류에 견딜 수 있는 전력 트랜지스터가 사용됩니다. 이러한 트랜지스터의 예로는 실리콘(Si) MOSFET이 있습니다. IGBTs, 탄화규소(SiC) MOSFET, 질화갈륨(GaN) HEMT.
BLDC 컨트롤러에 대한 기존 접근 방식에는 하프 브리지 토폴로지가 포함됩니다. 이 토폴로지는 두 개의 스위치를 사용하며 하나는 트랜지스터 전체 H-브리지 솔루션과 달리 하이 사이드와 로우 사이드에 하나씩 있습니다. 부터 세 단계 BLDC 모터는 단상 또는 이중 위상 변형에 비해 뛰어난 성능과 효율성으로 인해 로봇 공학 및 산업 자동화 응용 분야에서 일반적으로 사용되며, 일반적인 컨트롤러 체계는 3개의 하프 브리지로 구성됩니다. 그림 XNUMX은 세 단계 고집적 게이트 드라이버를 채용한 드라이버.
제어 세 단계 BLDC 모터는 XNUMX개의 고정자 권선 모두에 전원을 공급하기 위해 완전한 정류 주기를 구성하는 XNUMX단계를 포함합니다. 이는 하이 사이드 및 로우 사이드 트랜지스터를 순차적으로 켜고 끄는 방식으로 이루어집니다.
하이 사이드 스위치는 일반적으로 펄스 폭 변조(PWM) 기술. PWM은 DC 입력을 변환합니다. 전압 조절된 구동 전압으로 변환되어 특히 모터 시동 중에 보다 효율적인 관리가 가능하고 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
PWM 주파수의 선택은 중요한 고려 사항입니다. 설계자는 종종 고주파에서 더 두드러지는 스위칭 손실과 주로 저주파에서 생성되는 리플 전류 사이의 균형을 목표로 합니다. GaN(질화갈륨) 장치를 사용하면 고주파에서도 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있습니다.
PWM 주파수를 신중하게 최적화하고 GaN 기술을 활용함으로써 설계자는 XNUMX상 BLDC 모터를 제어할 때 향상된 효율성과 성능을 달성할 수 있습니다.