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모터 칼럼Brushless 모터에서 위치 센서의 역할과 배치 시 주의점

2021.10.13

이번에는 지난 「Brushless 모터의 센서 탑재와 센서레스 구동의 특징과 사용 용도」 편에서 다룬 「위치 센서 탑재 구동」 시 주의점으로서, 「위치 센서의 역할과 배치」에 대해 설명하겠습니다.

위치 센서는 일반적으로 자기 센서 (홀 소자, 홀 IC)가 사용됩니다. 하기 그림은 모터의 구조와 센서의 위치를 나타낸 모식도입니다. 이 모터는 3상 Brushless 모터 (아우터 로터 타입)이며, 기본 구조는 자석이 구비된 rotor와 전기자 (권선, 철심)의 Stator로 구성되어 있습니다.

위치 센서 (홀 소자, 홀 IC)는 모터의 회전 위치를 고정밀도로 검출하는 역할을 담당합니다. 구체적으로는 그림과 같은 부분에 설치되어, 회전하는 rotor의 자속 Φg를 고정밀도로 검출해야 합니다. 그러나, 모터는 rotor의 자속이 쇄교 (鎖交 / Interlinkage)하는 전기자에 전류가 흐름으로써 토크가 발생합니다. 이렇게 토크가 발생하면, 전기자에 흐르는 전류로 인해 자속 Φa가 발생합니다.

위치 센서는 회전하는 rotor의 자속 Φg를 고정밀도로 검출하기 위해, 되도록 자속 Φa를 검출하지 않도록 해야 합니다. 또한, 위치 센서 출력 신호에 포함되는 노이즈 제거를 위해 히스테리시스 (홀 IC 및 컨트롤러의 특성), 그리고, 무엇보다 위치 센서의 배치 각도 정밀도 (오른쪽 그림)가 매우 중요합니다.

이와 같이, 위치 센서의 검출 오차를 어떻게 최소한으로 억제할지가, Brushless 모터 위치 센서의 배치 설계에서 주의해야 하는 중요 포인트입니다.

For Beginners

홀 소자 / 홀 IC: 홀 효과를 이용한 자기 센서로, 자속 밀도에 따라 전압을 출력한다. 홀 효과란, 고체에 전류를 흘려 고체 표면에 대해 수직으로 자계를 형성하는 경우, 전류 방향 및 자계 방향 각각에 수직 방향 (직교)의 전압이 발생하는 현상. 홀 IC (홀 센서라고도 함)는 OP Amp나 디지타이저 (Digitizer) 등을 조합한 것이다.
아우터 로터 (Outer Rotor) 타입: 내측 코일을 고정하고 외측 자석의 요크 (yoke)가 회전하는 구조. 회전축의 관성 모멘트가 크고, 자석의 소형화 필요성이 적고, 코일을 감기 쉽다는 특징이 있다. 반대되는 구조로서, 외측의 요크를 고정하고 내측의 영구 자석이 회전하는 이너 로터 (Inner Rotor) 타입이 있다.
히스테리시스: 홀 IC 등에는 자속 밀도 판정에 사용하는 임계치 (Threshold)에 동작 자속 밀도 (ON)와 복귀 자속 밀도 (OFF)가 있으며, 이 임계치의 차이를 히스테리시스라고 한다. 임계치가 하나일 경우, 임계치 부근에서 미세한 자속 변화 (노이즈 등도 포함)로 인해 출력이 변동될 수 있어, 이를 방지하기 위해 히스테리시스를 두어 설계한다.

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