DC 모터는 우수한 토크 특성으로 운동 제어 분야에서 광범위하게 응용되었다. 그러나 일반 DC 모터는 기계적 교체와 브러시가 필요하며 신뢰성이 떨어지므로 자주 유지 관리해야 합니다. 전환 과정에서 전자기 간섭 및 소음이 발생하여 제어 시스템에서 DC 모터의 추가 적용에 영향을 줍니다. 기계 교환의 단점을 극복하기 위해 기계 교환대신 전자교환이 이루어지는 브러시리스 모터가 등장했다. 1955 년 미국인 D. Harrison 등이 기계식 브러시 대신 트랜지스터 교환 회로를 사용하는 특허를 처음으로 신청한 것은 현대 브러시리스 모터의 탄생을 상징한다. 1978 년, 클래식 MAC 는 브러시리스 DC 모터와 그 드라이브를 사용하여 나왔고, 전자전환은 브러시리스 DC 모터로 실제 실용단계에 들어갔다. 이후 세계에서 브러시리스 DC 모터에 대한 심도 있는 연구가 진행돼 구형파 브러시리스 모터와 사인파 브러시리스 DC 모터로 발전했다. 최근 20 년 동안 새로운 영구 자석 재료, 마이크로 전자 기술, 자동 제어 기술 및 전력 전자 기술, 특히 고전력 스위치 장치의 발전으로 브러시리스 모터가 큰 발전을 이루었습니다. 브러시리스 DC 모터는 전자 정류 DC 모터일 뿐만 아니라 브러시 DC 모터 외부 특성을 가진 전자 교환 모터 [1] 이기도 합니다.
브러시리스 DC 모터는 기존 DC 모터의 우수한 동적 정적 속도 조절 기능을 유지할 뿐만 아니라 구조가 간단하고 조작이 편리하며 제어가 용이합니다. 그 응용은 최초의 군사공업에서 항공 우주, 의료, 정보, 가전제품, 공업 자동화로 급속히 발전했다.
구조적으로 브러시리스 DC 모터와 달리 브러시리스 DC 모터의 고정자 권선은 전기자로 사용되고, 여자 권선은 영구 자석 재질로 대체됩니다. 전기자 권선으로 유입되는 전류 파형에 따라 DC 브러시리스 모터는 구형파 DC 모터 (BLDCM) 와 사인파 DC 모터 (PMSM) 로 나눌 수 있습니다. BLDCM 은 원래 DC 모터의 기계적 방향을 전자로, 영자석을 회전자로 사용하여 브러시를 없앴습니다. 한편, PMSM 은 동기 모터 회전자의 자기권선을 영구 자석으로 대체하여 자기권선, 슬립 링, 브러시를 없앴습니다. 같은 조건에서 구동 회로는 구형파를 더 쉽게 얻을 수 있고 제어가 간편하기 때문에 브러시리스 DC 모터는 PMSM 보다 훨씬 광범위하게 사용됩니다 [2].
브러시리스 DC 모터는 일반적으로 전자 정류 회로, 회전자 위치 감지 회로 및 모터 본체의 세 부분으로 구성됩니다. 전자 정류 회로는 일반적으로 제어 부분과 구동 부분으로 구성되며, 회전자 위치 감지는 일반적으로 위치 센서에 의해 수행됩니다. 작동 시 컨트롤러는 위치 센서에서 측정한 모터 회전자의 위치에 따라 구동 회로의 각 전원 튜브를 순차적으로 전환하여 DC 모터 [3] 를 구동합니다. 이 기사에서는 브러시리스 모터의 개발을 세 부분으로 분석합니다.
2 각 구성 요소의 발전 상황
2. 1 모터
브러시리스 DC 모터의 전자기 구조는 기본적으로 브러시리스 DC 모터와 동일하지만, 그 전기자 권선은 고정자에 놓여 있으며, 회전자가 사용하는 무게는 구조를 단순화하고 성능을 개선하며 제어력을 높인다. 브러시리스 모터의 개발은 영구 자석 재료의 개발과 분리 될 수 없습니다. 자성 재료의 발전 과정은 기본적으로 알루미늄 니켈 코발트, 철산소 자성 재료, 텅스텐과 같은 몇 단계를 거쳤다. 텅스텐은 일종의 고자기 에너지 제품으로, 그것의 출현은 자성 재료의 혁명을 불러일으켰다. 3 세대 플루토늄 영구 자석 재료의 응용은 모터용 구리의 양을 더욱 줄이고 브러시리스 모터를 고효율 소형화 에너지 절약 방향으로 발전시켰다 [4].
현재, 모터의 전력 밀도를 높이기 위해 가로자장 영자모터가 생겨났고, 고정자 슬롯과 전기자 코일은 공간적으로 서로 수직이며, 모터의 주자속은 모터 축을 따라 흐른다. 이 구조는 에어 갭 자기밀도를 높여 기존 모터보다 훨씬 큰 출력 토크 [5] 를 제공합니다. 이런 유형의 모터는 연구 개발 단계에 있다.
2.2 전자 정류 회로
제어 회로: 브러시리스 DC 모터는 구동 회로의 전원 스위치 장치를 제어하여 모터의 속도, 회전 및 토크를 제어하고 과전류, 과압 및 과열 보호를 포함한 모터를 보호합니다. 제어 회로는 처음에 아날로그 회로를 채택하여 제어가 비교적 간단하다. 회로를 디지털화하면 많은 하드웨어 작업을 소프트웨어로 직접 수행할 수 있고, 하드웨어 회로를 줄이고, 신뢰성을 높이고, 제어 회로의 간섭 방지 기능을 향상시킬 수 있으므로 제어 회로가 아날로그 회로에서 디지털 회로로 발전했습니다.
현재 제어 회로에는 일반적으로 ASIC, 마이크로프로세서 및 디지털 신호 프로세서의 세 가지 형태가 있습니다. 모터 제어에 대한 요구가 높지 않은 경우 전문 집적 회로로 제어 회로를 구성하는 것은 간단하고 실용적인 방법이다. 디지털 신호 프로세서는 연산 속도가 빠르고, 주변 회로가 적으며, 시스템 구성이 간단하고, DC 브러시리스 모터의 구성이 크게 단순화되고, 성능이 크게 향상되며, 모터의 소형화와 지능화에 도움이 되기 때문에 디지털 신호 프로세서는 제어 회로의 발전 방향 [6] 입니다.
구동 회로: 구동 회로 출력 전력, 구동 모터의 전기자 권선, 제어 회로 제어. 구동 회로는 고전력 스위치 장치로 구성됩니다. 사이리스터의 출현으로 DC 모터가 브러시에서 브러시로 도약한 것이다. 그러나 사이리스터는 반제어 스위치 장치로, 전도를 제어하는 능력만 있고, 자체 차단 기능이 없고, 스위치 주파수가 낮아 브러시리스 DC 모터의 성능을 더욱 향상시킬 수 없습니다. 전력 전자 기술의 급속한 발전으로 GTO (끄기 트랜지스터), 전력 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET), 금속 게이트 바이폴라 트랜지스터 IGBT 모듈, 통합 게이트 트랜지스터 전환 사이리스터 (IGCT) 및 새로 개발된 전자 주입 강화 게이트 트랜지스터 (IEGT) 를 포함한 전체 제어 전력 스위치 장치가 계속 등장하고 있습니다. 이러한 전력 장치의 성능이 지속적으로 향상됨에 따라 해당 브러시리스 모터 구동 회로도 빠르게 발전하고 있습니다. 현재, 전제어 스위치 장치는 회로가 복잡하고, 부피가 크고, 기능 지표가 낮은 일반 사이리스터를 대체하고 있다. 구동 회로는 선형 증폭 상태에서 펄스 폭 변조 스위치 상태로 변경되고, 해당 회로 구성은 전력관 분리 회로에서 모듈식 집적 회로로 변경되어 구동 회로의 지능, 고주파 및 소형화를 위한 조건을 만듭니다.
2.3 회 전자 위치 검출 회로
영구 자석 브러시리스 모터는 전자 스위치 회로의 정류 신호로 회 전자 극 위치 신호를 사용하는 폐쇄 루프 메카트로닉스 시스템입니다. 따라서 회전자 위치를 정확하게 감지하고 회전자 위치에 따라 전력 부품을 적시에 전환하는 것이 브러시리스 DC 모터의 정상적인 작동의 열쇠입니다.
위치 센서를 회전자의 위치 감지 장치로 사용하는 것이 가장 직접적이고 효과적인 방법입니다. 위치 센서는 일반적으로 회전자의 축에 설치되므로 회전자의 위치를 실시간으로 감지할 수 있습니다. 가장 초기의 위치 센서는 자전식이었고, 육중하고 복잡하여 이미 도태되었다. 현재 브러시리스 DC 모터에는 자기민 홀 위치 센서와 광전 위치 센서가 광범위하게 사용되고 있습니다. 위치 센서의 존재는 브러시리스 DC 모터의 무게와 구조 크기를 증가시켜 모터의 소형화에 불리하다. 회전 시 센서가 불가피하게 마모되어 유지 관리가 어렵습니다. 동시에 센서의 설치 정확도와 감도는 모터의 작동 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 반면에 전송선이 너무 많기 때문에 간섭 신호를 쉽게 도입할 수 있습니다. 신호가 하드웨어에 의해 수집되었기 때문에 시스템의 실현 가능성을 더욱 낮췄다. 브러시리스 모터의 진일보한 발전에 적응하기 위해 위치없는 센서가 생겨났다. 일반적으로 전기자 권선으로 감응된 역기전력을 이용하여 간접적으로 회전자 자기극의 위치를 얻는다. 직접 탐지법에 비해 위치 센서를 없애고 모터의 구조를 단순화하여 좋은 효과를 거두고 널리 응용한다. (윌리엄 셰익스피어, 위치 센서, 위치 센서, 위치 센서, 위치 센서, 위치 센서, 위치 센서, 위치 센서, 위치 센서, 위치 센서) 하지만 * 역기전력 위치를 감지하는 센서리스 브러시리스 모터의 경우, 정지 시 역기전력이 발생하지 않기 때문에 어떻게 부드럽게 시동할 것인가는 해결해야 할 문제입니다.
최근 몇 년 동안, 새로운 유형의 센서리스 브러시리스 모터가 제안되었습니다. 역기전력을 사용하여 회 전자 위치를 감지하는 것이 아니라 회 전자 표면에 부착 된 비 전도성 재료 및 고정자 권선의 고주파 스위치를 사용하여 비 전도성 재료에 대한 와전류 효과를 사용하여 개방 위상 전압이 회 전자 위치에 따라 변하도록 하여 개방 위상 전압을 감지하여 회 전자 위치를 결정합니다. 이 센서리스 브러시리스 모터는 일반적인 센서리스 브러시리스 모터의 시동 및 저속 작동 문제를 극복하지만이 방법에는 특수 모터가 필요합니다.
3 연구해야 할 문제
3. 1 토크 변동
현재 브러시리스 DC 모터의 주요 문제는 토크 맥동이다. 토크 맥동의 존재로 인해 AC 서보 시스템에서 브러시리스 DC 모터의 적용이 제한됩니다. 특히 직접 구동 응용 프로그램의 경우 토크 맥동이 모터의 속도 제어 특성을 떨어뜨립니다. 브러시리스 DC 모터, 특히 시청각 장비, 영화 기계 및 컴퓨터용 브러시리스 모터는 원활하고 소음이 없어야 합니다. 따라서 토크 펄스를 억제하거나 제거하는 것이 서보 시스템의 성능을 향상시키는 열쇠가 됩니다.
토크 맥동의 주요 원인은 슬롯 효과와 자속 왜곡으로 인한 토크 맥동입니다. 고조파에 의한 토크 리플; 전기자 등가 인덕터의 영향으로 정류 전류로 인한 토크 맥동. 현재 고교와 과학연구기관은 토크 맥동을 심도 있게 연구하고, 여러 가지 원인에 따라 토크 맥동을 억제하거나 약화시키는 다양한 방법을 제시하여 브러시리스 모터의 성능을 높인다. 그러나 이 연구들은 원래 구조와 방안을 약화시키거나 보상하는 방법을 제시했고, 원리적으로나 근본적으로 토크 맥동을 제거하지 않았다. 따라서 토크 리플은 더 많은 연구가 필요하다.
3.2 위치 센서리스 회 전자 위치 검출
위치 센서가없는 회 전자 위치 검출 방법은 주로 역기전력 법, 리플 로우 다이오드 법, 인덕턴스 법 및 상태 관찰법을 포함한다. 그 중에서도 역기전력법은 가장 흔하고 가장 널리 사용되는 방법이다. 그러나 전기자 반응을 무시하는 기초 위에서 이 방법은 원칙적으로 오차가 있다. 고전력 브러시리스 모터의 경우, 전기자 반응이 에어 갭 자기밀도에 미치는 영향이 더욱 두드러지고 오차도 더 크다. 반면, 모터가 가동되고 저속할 때 역기전력은 0 이거나 작기 때문에 역기전력을 통해 회전자 위치를 감지하기가 어렵고 위치 센서가 없는 브러시리스 모터에는 시동 문제가 있습니다 [9]. 따라서 고전력 브러시리스 모터의 역기전력법으로 인한 회전자 위치 신호 오차를 어떻게 보상할 수 있는지, 역기전력법에서 모터의 시동 문제를 어떻게 극복할 수 있을지는 시급히 해결해야 할 문제다. 부팅 문제의 경우 일반적으로 다른 방식으로 부팅한 다음 센서가 없는 작동 모드로 전환합니다.
4 브러시리스 DC 모터 개발 방향
전자 기술 및 제어 기술이 발전함에 따라 칩 매칭에 적합한 알고리즘을 통해 위치 감지를 실현할 수 있습니다. 고속 마이크로프로세서, DSP 부품 및 전용 제어 칩의 출현으로 운영 속도와 처리 능력이 크게 향상되었습니다. DSP 고유의 컴퓨팅 기능을 사용하여 브러시리스 모터에 센서리스 제어 [10] 를 구현할 수 있습니다. DSP 를 이용한 무센서 제어는 이미 연구 핫스팟이 되었으며, 저비용 DSP 무센서 무브러시 모터는 이미 무브러시 DC 모터의 발전 방향이 되었다.