[2021 Motor Controller Study 03] - Main principles to control BLDC motor 02

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2021.07.12 - [Projects/2021 Motor Controller] - [2021 Motor Controller Study 02] - Main principles to control BLDC motor 01

[2021 Motor Controller Study 02] - Main principles to control BLDC motor 01

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1. Feedback methods

 BLDC motor의 position control은 기본적으로 폐루프 제어 방식을 택한다. 

 이 폐루프 제어 방식에도 크게 세 가지가 있는데, 하나는 Hall-effect sensor 세 개를 BLDC의 stator에 등간격(60도 혹은 120도)으로 부착하는 방식, 다음은 Rotary encoder를 사용하는 방식 그리고 마지막 하나는 별도의 센서 없이 EMF(ElectroMotive Force)를 측정하는 방식이다.

1. Hall-Effect Sensor

 Hall-effect sensor에 대해 언급하기 전에 Hall-effect가 무엇인가 집고 넘어갈 필요가 있다.

• Hall-Effect:

Hall-effect는 전도체에 흐르는 전류와 이에 수직하게 작용하는 자기장 의해 전도체에 발생하는 전압차를 의미한다. 이를 그림으로 나타내면 다음과 같다.

<Fig. 1> Configuration hall-effect

 전도체 평판에 위와 같이 전압원에 의해 전류가 흐른다고 가정하자. 전류는 전형적으로 전하운반자들(전자, 정공, 이온)의 움직임을 내포한다. 위의 그림은 이 중 전자의 움직임을 전류의 흐름으로 보았다. 이때 평판에 수직하강방향으로 자기장이 걸리면 'Lorentz force'에 의해 전자움직임이 직선방향에서 오른쪽으로 치우친 방향으로 변화한다. 이에 의해 B-B' 에 전자가 쌓이고 평판에는 A-A'와 B-B' 사이에 전압차가 발생한다. 이 전압차를 활용한 것이 Hall-effect sensor이다. 

 Sensor가 내장되어 있는 BLDC motor는 각각의 hall-effect sensor가 switch와 결합되어있다. 이 switch는 'Logic high(특정 자극에서)' 혹은 'Logic low(특정 자극의 반대에서)' 신호를 생성한다. Commutation sequence는 hall-effect sensor 나오는 logic signal들의 조합으로 결정된다. 다음 그림은 Hall-effect sensor의 부착위치를 나타내기 위한 그림(U상이 High, V상이 Low 그리고 W상이 Float일 때)과 60도 간격으로 설치된 hall-effect sensor(a,b,c)의 BLDC motor 반시계회전에 따른 타이밍 선도이다.

<Fig. 2> Schematic diagram of the BLDC motor w/ Hall-effect sensor(a,b,c)

<Fig. 3> Hall-effect sensor logic switch output and winding status timing diagram for three-phase BLDC motor driven anti-clockwise [1]

2. Quadrature encoder

 Quadrature encoder는 Rotary encoder(혹은 Shaft encoder; Electro-mechanical device의 일종. Shaft나 axle의 각위치 혹은 움직임을 아날로그 혹은 디지털 신호로 변환.) 중 'Incremental encoder'에 해당한다. 참고로 rotary encoder는 'Absolute encoder'와 'Incremental encoder' 이렇게 크게 나뉜다. Incremental encoder는 실시간 위치 정보를 보장하므로 rotary encoder 중에서 널리 사용되는 encoder이다. 

<Fig. 4> Output form of the quadrature encoder for each direction [2]

 위의 그림과 같이 quadrature wave form으로 신호가 생성되므로 Quadrature encoder라고 부른다. 이 encoder는 두가지 신호를 내보내는데 만약에 시계방향으로 도는 경우 Channel A의 신호가 Channel B의 신호보다 앞섦을 통해 현재 모터가 시계방향으로 돌고 있음을 체크할 수 있다. 그리고 wave length를 통해 어떠한 속도로 돌고 있는지도 알 수 있다. 

 Absolute encoder는 정확히 어느 각도에 있는지 알 수 있는 반면 incremental encoder 자체로는 정확한 각도를 알 수 없다. 이를 보완하기 위해 'Bi-directional electronic encoder'를 포함하여 절대적인 각도를 트랙킹한다.

3. EMF 

 EMF는 'ElectroMotive Force'의 약자이다. BLDC에서 발생하는 EMF는 전자기 유도에 의해 발생하므로 'Induced Electromotive force(유도기전력)'라고 부르는 것이 더 정확하다. 

<Fig. 5> Induced EMF [3]

 위의 그림을 보면 전류원이나 전압원이 없는 코일 도선에 자석을 가까이 하면서 자기력선속의 변화를 주면 이를 상쇄시키는 방향으로 유도전류가 발생한다. 이 전류를 EMF에 의해 생성된 전기에너지이다. 이를 설명하는 법칙은 'Lenz의 법칙'이다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Lenz%27s_law

Lenz's law - Wikipedia

 EMF는 motor의 회전을 방해하는 경향이 있어서 'Back' EMF라고 불러진다. Winding 수와 magnetic flux(rotator의 PM)가 일정하다면 EMF는 rotor의 각속도에 비례한다. 이 back EMF를 monitoring함으로써 stator와 rotor의 위치를 hall-effect sensor 없이 알 수 있다. 이 방식은 sensor를 부착하는 것이 아니므로 motor 설계를 단순화하고 연결선의 추가가 필요하지 않아 비용을 줄일 수 있다. 이는 곧 신뢰성을 향상시킨다. 하지만 정지되어있는 motor는 back EMF를 생성하지 않아 motor 동작시작점에서의 위치를 알기 어렵다. 이를 해결하기 위한 방법으로 충분한 EMF가 발생하기 전까지는 개루프로 동작을 시작하고 이후에 EMF측정을 이용한 폐루프 제어를 하는 것이 있다.

<Fig. 6> Hall-effect sensor logic switch output compared with windind Back EMF for a BLDC motor driven anti-clockwise [1]

 위의 그림은 이전에 알아본 BLDC motor가 반시계방향으로 회전시 Hall-effect sensor의 출력값과 Back EMF 출력값을 비교한 타이밍 선도이다. 

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2. BLDC motor controlling system design

<Fig. 7> A complete closed-loop control system for sensored three-phase BLDC motor [1]

 Sensor 부분에서 언급했듯 BLDC motor는 폐루프제어에 의해 작동한다. 위의 그림은 BLDC motor 폐루프제어 설계의 한 예시이다. Speed control input에서 설정된 아날로드 신호를 MSP430이 ADC를 이용하여 디지털 신호로 변환하고 해당 아날로그 값에 해당하는 BLDC motor의 속도를 만들기 위한 폐루프제어를 MSP430이 처리하는 system이다. 

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[1] 'How to power and control brushless DC motor' - Digi-key's North American editors, Digi-key, 2016.12.07
[2] 'Quadrature encoder overview' - DYNAPAR
[3] '유도기전력(induced electromotive force)이란?' - 네이버블로그'한국순환학회, 인아랑, 순환법칙, 사상물리학/화학', applepop, 2016.04.11