센서리스 벡터제어란? 엔코더 없이 속도와 토크를 어떻게 제어할까?

인버터로 유도전동기를 운전할 때 단순히 주파수만 바꾸는 것보다 더 정밀하게 속도와 토크를 제어해야 하는 경우가 있다. 이때 많이 사용하는 방식 가운데 하나가 센서리스 벡터제어다.

센서리스라는 말 때문에 아무런 센서도 사용하지 않는다고 생각하기 쉽지만 정확한 의미는 조금 다르다. 모터축에 엔코더 같은 기계식 속도센서를 달지 않고, 인버터가 측정한 전압과 전류 그리고 모터의 전기적 파라미터를 이용해 회전자속도와 자속상태를 추정한다는 뜻이다.

V/f 제어와 무엇이 다를까?

V/f 제어는 주파수를 바꾸면서 전압도 함께 조절해 전동기 자속을 적절하게 유지하는 방식이다. 구조가 비교적 단순하고 팬·펌프처럼 정밀한 토크제어가 필요하지 않은 설비에서는 매우 유용하다.

하지만 부하가 갑자기 커지면 실제 회전속도가 떨어지고 슬립이 증가한다. 인버터가 출력하는 주파수만으로는 회전자가 실제로 어느 속도로 돌고 있는지 정확히 알 수 없다. 센서리스 벡터제어는 전류와 전압을 이용해 모터 내부상태를 추정하고 필요한 토크성분을 더 적극적으로 조절한다.

속도센서가 없는데 회전속도를 어떻게 알까?

인버터는 자신이 출력하는 전압지령을 알고 있고 각 상에 흐르는 전류도 측정할 수 있다. 여기에 고정자 저항, 인덕턴스, 정격전류, 정격주파수, 정격속도 같은 모터 정보를 이용하면 전동기 내부의 자속과 회전자 상태를 수학적으로 추정할 수 있다.

유도전동기의 동기속도는 Ns = 120f / P이고 실제속도는 N = (1-s)Ns로 나타낼 수 있다. 여기서 s는 슬립이다. 센서리스 벡터제어에서는 부하와 전류상태를 이용해 필요한 슬립과 회전자 자속을 계속 추정해 실제 회전속도에 가까운 값을 계산한다.

자속전류와 토크전류를 나누는 이유

3상 고정자전류는 자속을 만드는 역할과 토크를 만드는 역할을 동시에 한다. 벡터제어에서는 좌표변환을 통해 이 두 성분을 분리해 다룬다. 회전자 자속기준 제어에서는 보통 d축 전류를 자속성분, q축 전류를 토크성분으로 해석한다.

부하가 갑자기 증가했을 때 자속을 크게 흔들지 않으면서 q축 전류를 빠르게 증가시키면 필요한 토크를 빠르게 만들 수 있다. 그래서 단순한 스칼라 제어보다 부하변화에 대한 속도응답과 저속토크 특성을 개선할 수 있다.

저속에서 왜 어려워질까?

센서리스 제어가 모든 속도에서 똑같은 성능을 내는 것은 아니다. 특히 아주 낮은 속도에서는 회전에 의해 만들어지는 전압정보가 작아지고 고정자 저항 전압강하의 비중은 커진다. 모터 파라미터가 실제값과 조금만 달라도 자속과 속도추정 오차가 커질 수 있다.

그래서 매우 낮은 속도에서 큰 토크를 계속 요구하거나 0rpm 부근에서 정확한 토크를 유지해야 하는 설비에서는 엔코더가 있는 폐루프 제어가 더 적합할 수 있다.

오토튜닝과 명판정보가 중요한 이유

센서리스 벡터제어는 모터모델에 의존하기 때문에 입력한 모터정보가 중요하다. 전동기 명판의 정격전압·전류·주파수·회전속도를 정확하게 입력해야 한다.

많은 인버터에는 오토튜닝 기능이 있다. 모터의 고정자 저항과 일부 전기적 파라미터를 측정하거나 추정해 제어모델을 실제 모터에 가깝게 맞추는 과정이다. 같은 kW의 모터라도 제조사와 설계에 따라 파라미터가 다를 수 있으므로 모터를 교체했다면 설정을 다시 확인하는 것이 좋다.

토크와 출력은 무한히 만들 수 있는 것이 아니다

센서리스 벡터제어가 토크응답을 개선한다고 해서 인버터와 모터의 정격을 넘어 무제한으로 토크를 만들 수 있는 것은 아니다. 속도와 토크·출력의 관계에서 보듯 허용전류, 냉각조건, 기준주파수 이상의 약계자 영역을 함께 고려해야 한다.

센서리스 제어에서 실제로 추정하는 값은 무엇일까?

센서리스 벡터제어는 단순히 회전수 하나만 계산하는 기능이 아니다. 제어기 내부에서는 전류와 전압을 이용해 고정자 자속 또는 회전자 자속의 크기와 방향, 슬립 주파수, 전기각 속도 같은 상태를 함께 추정한다. 이 값들이 서로 맞아야 d축과 q축을 올바른 방향으로 정렬할 수 있고, 토크를 만드는 전류와 자속을 만드는 전류를 의도대로 분리할 수 있다. 그래서 모터 파라미터가 잘못 입력되면 속도표시만 조금 틀리는 것이 아니라 토크응답과 전류분포까지 함께 흐트러질 수 있다.

권선온도가 올라가면 추정오차가 커질 수 있는 이유

구리 권선의 저항은 온도가 올라가면 증가한다. 센서리스 제어가 냉간 상태에서 측정한 고정자 저항을 그대로 사용한다면 장시간 운전 후 실제 저항과 모델값 사이에 차이가 생길 수 있다. 특히 저속에서는 인가전압 자체가 작기 때문에 저항 전압강하의 비중이 커져 이 오차가 더 민감하게 나타날 수 있다. 최근 인버터는 운전 중 저항을 보정하거나 모델을 갱신하는 기능을 사용하는 경우도 있지만, 제품마다 방식과 정확도가 다르므로 제조사 설정항목을 확인해야 한다.

시운전할 때 어떤 순서로 확인하면 좋을까?

먼저 모터 명판값과 결선방식이 실제와 일치하는지 확인한다. 그다음 오토튜닝을 실시하고 무부하에서 회전방향과 전류, 속도표시가 자연스러운지 본다. 이후 낮은 주파수에서 작은 부하를 걸어 토크가 끊기거나 헌팅하지 않는지 확인하고, 실제 운전부하에서 전류와 속도변동을 비교한다. 저속에서만 문제가 나타난다면 무조건 인버터 용량을 의심하기보다 모터 파라미터, 토크부스트, 최소 운전주파수와 냉각조건을 함께 봐야 한다.

센서리스라는 이름 때문에 자주 생기는 오해

센서리스는 제어가 단순하다는 뜻이 아니다. 오히려 실제 속도센서를 없애는 대신 모터모델과 추정알고리즘이 그 역할을 대신한다. 또한 모든 센서가 없는 것도 아니다. 인버터 내부에는 출력전류를 측정하기 위한 전류센서와 DC 링크 전압을 감시하는 회로가 사용된다. 따라서 센서리스 벡터제어는 ‘센서가 없는 제어’보다 ‘축에 속도센서를 달지 않는 벡터제어’라고 이해하는 편이 정확하다.

부하가 갑자기 커질 때 추정값은 어떻게 흔들릴까?

컨베이어가 빈 상태로 돌다가 자재가 한꺼번에 올라오면 실제 축속도는 잠깐 떨어지려 한다. 센서리스 제어기는 전압·전류의 변화를 읽고 자속과 속도를 다시 추정해 토크전류 지령을 높인다. 이 과정은 순간적으로 일어나지만 추정값이 실제 기계상태를 따라가는 데에는 시간이 필요하다.

같은 설정에서 무부하 회전은 안정적인데 자재가 올라오는 순간에만 속도가 출렁인다면 속도지령만 볼 것이 아니라 실제 출력전류, 토크추정값, 주파수, 전류제한 동작을 같은 시각으로 기록해야 한다. 전류가 상한에 걸린 상태라면 추정 알고리즘의 문제가 아니라 필요한 토크가 구동계의 한계를 넘는 것일 수 있다.

반대로 충분한 전류 여유가 있는데 저속에서만 속도추정이 크게 흔들린다면 모터 명판값, 오토튜닝 결과, 권선온도, 제어모드의 적용 범위를 차례로 확인한다. 제조사마다 관측 가능한 내부 값과 명칭이 다르므로 한 수치만으로 고장을 단정하지 않는 편이 좋다.

센서리스 제어를 선택할 때 확인할 운전조건

팬처럼 속도를 천천히 바꾸고 정지상태에서 큰 토크가 필요하지 않은 부하와, 저속에서 무거운 물체를 정밀하게 움직여야 하는 부하는 요구조건이 다르다. 후자에서는 아주 낮은 주파수의 토크, 속도오차 허용범위, 정지 유지 필요 여부를 먼저 정해야 한다.

센서리스 벡터제어가 저속 성능을 높여도 0속도에서 무기한 정격토크를 낼 수 있다는 뜻은 아니다. 모터 자체 냉각이 줄어드는 조건에서는 전류와 권선온도의 연속 허용범위도 함께 확인해야 한다. 장시간 정지 유지가 핵심이라면 별도의 브레이크나 엔코더 피드백이 필요한지 설계 단계에서 검토한다.

그림의 네 단계는 제어 신호의 개념적인 흐름이다. 실제 드라이브는 전류제어, 자속추정, 속도제어를 빠르게 반복하고, 내부 모델은 모터 종류와 제조사에 따라 달라진다.

마무리

센서리스 벡터제어의 핵심은 엔코더 대신 전압·전류와 모터 파라미터를 이용해 자속과 회전자속도를 추정하고, 전류를 자속성분과 토크성분으로 나누어 제어하는 데 있다.

일반적인 V/f 제어보다 저속토크와 부하응답을 개선할 수 있지만 아주 낮은 속도에서는 추정오차가 커질 수 있다. 결국 센서리스 벡터제어는 엔코더 설치 없이 벡터제어의 장점을 상당 부분 활용하기 위한 방식이라고 이해하면 된다.