BLDC와 PMSM은 무엇이 다를까?

BLDC와 PMSM을 공부하다 보면 한 가지 이상한 점을 발견하게 된다.

두 모터 모두 회전자에 영구자석을 사용한다.

고정자에는 여러 상의 권선이 있다.

인버터가 고정자전류를 제어한다.

회전자는 고정자에서 만들어지는 회전자계와 동기해서 회전한다.

구조만 놓고 보면 상당히 비슷하다.

그런데 어떤 제품은 BLDC라고 부르고 어떤 제품은 PMSM이라고 부른다.

그렇다면 두 모터는 실제로 완전히 다른 전동기일까?

결론부터 말하면 그렇지 않다.

BLDC와 PMSM은 전자기적인 기본원리가 매우 가까운 영구자석 동기형 전동기다.

전통적으로 가장 큰 차이는

어떤 역기전력 파형을 갖도록 설계했는가

그리고

그 파형에 맞춰 어떤 전류를 공급하고 어떻게 전자정류하는가

에 있다.

대표적으로 BLDC는 사다리꼴에 가까운 역기전력과 6스텝 전자정류를 사용하는 방식으로 설명한다.

PMSM은 정현파에 가까운 역기전력과 정현파 전류를 사용하고 FOC와 같은 벡터제어를 적용하는 방식으로 설명한다.

하지만 실제 산업현장에서는 이 경계가 완벽하게 나뉘지는 않는다.

같은 영구자석 모터를 어떤 인버터와 제어방식으로 구동하느냐에 따라 BLDC와 PMSM이라는 명칭이 서로 겹쳐 사용되기도 한다.

그래서 두 모터의 차이를 이해할 때는 이름보다 모터의 자속분포, 역기전력, 전류파형과 제어방식을 보는 것이 더 정확하다.

먼저 두 모터의 공통점부터 보자

BLDC와 영구자석 동기전동기(PMSM)에는 상당히 많은 공통점이 있다.

대표적으로 둘 다 회전자에 영구자석을 사용한다.

영구자석이 회전자 자계를 만들기 때문에 일반적인 직류여자형 동기전동기처럼 회전자 계자권선에 지속적으로 직류전류를 공급할 필요가 없다.

고정자에는 보통 3상 권선이 설치된다.

인버터가 이 고정자권선에 전류를 공급하면 회전자계가 만들어진다.

회전자 영구자석은 고정자에서 만들어지는 자계와 상호작용하면서 토크를 발생시킨다.

정상운전에서는 회전자와 고정자 회전자계가 평균적으로 같은 전기적인 속도로 움직인다.

따라서 두 모터 모두 유도전동기처럼 정상토크를 만들기 위한 지속적인 슬립을 필요로 하지 않는다.

둘 다 브러시가 없다

BLDC라는 이름에 Brushless가 들어가지만 PMSM 역시 일반적으로 기계식 정류자와 브러시를 사용하지 않는다.

두 모터 모두 전력용 반도체가 들어 있는 인버터를 이용해 고정자전류를 제어한다.

따라서 브러시 직류전동기에서 발생하는

브러시 마모,

정류자 마모,

브러시 분진,

기계적 정류에 따른 스파크

등의 문제를 줄일 수 있다.

그렇다고 유지보수가 필요 없는 것은 아니다.

베어링과 절연, 냉각계통, 위치센서와 인버터 등은 여전히 점검해야 한다.

그렇다면 왜 이름이 따로 존재할까?

가장 큰 이유는 전통적으로 두 모터를 설계하고 구동해온 방법이 달랐기 때문이다.

BLDC는 브러시 직류전동기의 기계식 정류를 반도체를 이용한 전자정류로 바꾼다는 관점에서 발전했다.

반면 PMSM은 정현파 교류전류로 구동하는 동기전동기의 회전자 계자를 영구자석으로 바꾼다는 관점으로 이해하면 쉽다.

결과적으로 구조는 비슷해졌지만

역기전력 파형,

전류파형,

토크 발생방식의 해석,

인버터 제어방법

에서 전통적인 차이가 만들어졌다.

가장 대표적인 차이를 먼저 정리해보자

전통적인 BLDC에서는 각 상의 역기전력을 사다리꼴에 가깝게 설계한다.

그리고 사다리꼴의 평평한 구간에 맞춰 구형파에 가까운 전류를 흘린다.

대표적으로 120도 통전방식과 6스텝 전자정류를 사용한다.

반면 전통적인 PMSM에서는 역기전력이 정현파에 가깝게 나타나도록 설계한다.

고정자에는 정현파에 가까운 3상 전류를 공급한다.

그리고 회전자 자석의 위치를 기준으로 전류벡터를 연속적으로 제어한다.

대표적인 방법이 FOC다.

따라서 아주 간단하게 정리하면

BLDC → 사다리꼴 역기전력 + 6스텝·구형파 계열 전류

PMSM → 정현파 역기전력 + 정현파 전류 + 벡터제어

라는 구분에서 출발할 수 있다.

다만 이것은 대표적인 구분이지 모든 제품에 예외 없이 적용되는 절대적인 정의는 아니다.

파형을 보면 차이가 가장 직관적이다

모터가 회전하면 고정자권선에는 역기전력이 발생한다.

회전자 영구자석이 만들어내는 자속이 고정자권선을 지나가기 때문이다.

이때 자석의 형상과 자속분포, 권선배치에 따라 역기전력 파형이 달라진다.

전통적인 BLDC는 역기전력이 가능한 한 사다리꼴에 가깝게 만들어지도록 설계하는 경우가 많다.

반면 PMSM은 공간적인 자속분포와 권선을 이용해 역기전력이 정현파에 가까워지도록 설계하는 경우가 많다.

이 차이가 어떤 전류를 흘리는 것이 유리한지에도 영향을 준다.

왜 BLDC에서는 사다리꼴 역기전력을 사용할까?

3상 전동기의 전자기적인 변환전력은 각 상의 역기전력과 전류를 이용해 개념적으로

Pem = eaia + ebib + ecic

와 같이 생각할 수 있다.

여기서

ea, eb, ec는 각 상의 역기전력,

ia, ib, ic는 각 상의 전류다.

전자기토크는 기계적인 각속도 ωm과 연결해

Te = Pem / ωm

로 생각할 수 있다.

따라서 각 상의 역기전력이 큰 구간에서 적절한 방향과 크기의 전류를 흘리면 일정한 전자기출력과 토크를 만들 수 있다.

전통적인 BLDC에서는 사다리꼴 역기전력의 비교적 평평한 구간과 직사각형에 가까운 전류를 조합한다.

이상적으로 잘 맞는다면 비교적 일정한 토크를 만들 수 있다.

BLDC의 6스텝 제어는 어떻게 동작할까?

3상 BLDC의 대표적인 6스텝 제어에서는 한 전기주기를 여섯 구간으로 나눈다.

따라서 전기각 약 60도마다 인버터의 스위칭 상태가 변경된다.

대표적인 120도 통전에서는 특정 순간에 두 상이 주된 전류경로를 만들고 나머지 한 상은 비통전상으로 둘 수 있다.

예를 들어

A상 +, B상 –

A상 +, C상 –

B상 +, C상 –

B상 +, A상 –

C상 +, A상 –

C상 +, B상 –

와 같은 순서로 전류경로가 바뀔 수 있다.

이 과정이 반복되면서 고정자의 자계방향이 단계적으로 이동한다.

회전자 영구자석은 이 자계를 따라간다.

왜 이것을 전자정류라고 할까?

브러시 직류전동기에서는 정류자와 브러시가 회전자 위치에 따라 전기자전류 방향을 기계적으로 바꾼다.

BLDC에서는 같은 목적을 인버터가 수행한다.

제어기는 회전자 위치를 판단한다.

그 위치에 맞는 반도체 스위치를 켠다.

다음 정류위치가 되면 스위칭 조합을 바꾼다.

따라서 전류가 흐르는 권선과 방향이 계속 변경된다.

기계적인 접점 대신 반도체가 정류를 담당하기 때문에 전자정류라고 부른다.

PMSM에서는 왜 정현파 전류를 사용할까?

PMSM은 일반적으로 공극의 자속분포와 역기전력이 정현파에 가깝도록 설계한다.

그렇다면 고정자에도 정현파에 가까운 3상 전류를 흘려주는 것이 자연스럽다.

A상, B상, C상에 서로 120도 위상차를 가진 정현파 전류를 공급하면 비교적 부드럽게 회전하는 자계를 만들 수 있다.

이 회전자계가 회전자 영구자석 자계와 상호작용하여 토크를 만든다.

전류와 자속의 공간적인 관계를 연속적으로 조절할 수 있기 때문에 정밀한 토크제어에 유리하다.

PMSM의 FOC는 무엇이 다른가?

FOC는 Field Oriented Control, 즉 자속기준제어 또는 벡터제어라고 한다.

3상 전류를 그대로 바라보면 각각 계속 변화하기 때문에 제어가 복잡해 보인다.

그래서 좌표변환을 이용한다.

3상 전류를 정지좌표계로 바꾸고 다시 회전자와 함께 회전하는 d-q 좌표계로 변환한다.

그러면 회전자 영구자석의 자속방향을 기준으로 전류를 나누어 볼 수 있다.

d축 전류는

id

q축 전류는

iq

로 나타낸다.

이렇게 하면 토크와 자속에 영향을 주는 전류를 보다 직접적으로 제어할 수 있다.

PMSM에서 q축 전류가 중요한 이유

표면부착형 PMSM을 단순화해 생각하면 영구자석 자속이 이미 회전자에 존재한다.

이때 q축 방향의 전류를 공급하면 영구자석 자계와 상호작용해 토크를 만들 수 있다.

단순한 SPMSM에서는 정상적인 기본속도 영역에서

id ≈ 0

로 운전하면서 iq를 조절해 토크를 제어하는 경우를 생각할 수 있다.

그래서

iq 증가 → 토크 증가

라는 비교적 직관적인 제어가 가능하다.

IPMSM에서는 조금 더 복잡해진다

매입형 영구자석 동기전동기인 IPMSM은 d축과 q축의 자기회로가 서로 다르다.

따라서

Ld ≠ Lq

가 된다.

PMSM의 대표적인 토크식은

Te = (3/2)p[λm iq + (Ld – Lq)id iq]

와 같이 표현할 수 있다.

여기서

p는 극쌍수,

λm은 영구자석에 의한 자속쇄교,

Ld와 Lq는 d축과 q축 인덕턴스다.

첫 번째 항은 주로 영구자석 자속과 q축 전류에 의한 자석토크다.

두 번째 항은 d축과 q축의 인덕턴스 차이에서 발생하는 릴럭턴스 토크다.

따라서 IPMSM에서는 전류벡터를 적절하게 배치해 두 토크를 함께 활용할 수 있다.

BLDC에는 d축과 q축이라는 개념이 없을까?

그렇게 단정하면 안 된다.

BLDC도 영구자석 동기형 전동기이기 때문에 적절한 모델을 사용하면 회전자 좌표계에서 분석할 수 있다.

같은 모터 하드웨어를 정현파 전류와 FOC 방식으로 구동하는 것도 가능하다.

다만 전통적인 BLDC의 대표적인 6스텝 제어에서는 굳이 d-q 좌표변환까지 사용하지 않고 회전자 위치구간에 따라 통전할 두 상을 결정하는 비교적 단순한 제어방식을 사용할 수 있다.

따라서

BLDC에는 d-q가 존재하지 않는다

가 아니라

전통적인 BLDC 6스텝 구동은 d-q 연속전류제어를 반드시 필요로 하지 않는다

라고 이해하는 것이 정확하다.

토크리플에는 어떤 차이가 있을까?

이론적인 사다리꼴 역기전력과 이상적인 구형파 전류가 완벽하게 맞는다면 BLDC도 일정한 토크를 만들 수 있다.

하지만 실제 모터에서는 그렇게 완벽하지 않다.

정류시점에서 한 상의 전류가 감소하고 다른 상의 전류가 증가해야 한다.

권선에는 인덕턴스가 있기 때문에 전류가 즉시 바뀌지 않는다.

DC 링크 전압에도 한계가 있다.

역기전력 파형도 완벽한 사다리꼴이 아니다.

이 때문에 정류구간에서 토크가 흔들릴 수 있다.

이를 정류 토크리플이라고 한다.

PMSM은 토크리플이 전혀 없을까?

아니다.

정현파 전류를 사용하는 PMSM도 실제로는 토크리플이 발생할 수 있다.

슬롯과 자석 사이의 코깅토크,

역기전력의 고조파,

전류제어 오차,

인버터 데드타임,

자기포화,

센서오차

등이 영향을 준다.

다만 잘 설계된 PMSM에 정밀한 정현파 전류제어를 적용하면 6스텝 방식에 비해 부드러운 토크특성을 얻기 유리한 경우가 많다.

따라서

PMSM은 토크리플 0

이라고 표현하면 안 된다.

진동과 소음에도 영향을 줄까?

전류와 토크가 급격하게 변하면 전자기력이 가진 고조파성분도 증가할 수 있다.

이 힘이 고정자 철심과 하우징을 가진하면 소음과 진동으로 나타날 수 있다.

대표적인 6스텝 BLDC는 정류시점과 고조파 때문에 특정 속도에서 전자기적인 소음이 두드러질 수 있다.

정현파 PMSM 제어는 자계와 토크를 보다 연속적으로 만들 수 있어 저진동·저소음 설계에 유리할 수 있다.

하지만 실제 소음은 베어링과 팬, 구조공진, PWM 주파수 등에도 영향을 받는다.

모터 이름 하나만으로 소음 수준을 단정할 수는 없다.

회전자 구조만으로 BLDC와 PMSM을 나눌 수 있을까?

그것도 정확하지 않다.

PMSM에는 대표적으로 SPMSM과 IPMSM이 있다.

SPMSM은 영구자석을 회전자 표면에 배치한다.

IPMSM은 영구자석을 회전자 철심 내부에 매입한다.

BLDC 역시 회전자에 영구자석을 사용하며 여러 형태의 회전자 구조를 사용할 수 있다.

따라서

자석이 표면에 있으면 BLDC

자석이 내부에 있으면 PMSM

이라고 구분할 수 없다.

SPMSM과 IPMSM은 자석 위치에 따른 회전자 구조의 분류다.

BLDC와 PMSM의 전통적인 구분은 역기전력과 전류파형, 구동방식에 더 가깝다.

서로 다른 기준의 분류인 셈이다.

같은 모터를 BLDC와 PMSM 방식으로 모두 돌릴 수 있을까?

경우에 따라 가능하다.

모터 하드웨어가 영구자석 동기형 구조라면 인버터가 어떤 전류를 만들어주는가에 따라 구동특성이 달라질 수 있다.

예를 들어 원래 6스텝 방식으로 구동하던 영구자석 모터에 정현파 전류를 공급하고 위치정보를 이용해 벡터제어를 적용할 수도 있다.

반대의 경우도 기술적으로 생각할 수 있다.

하지만 모터의 권선분포와 자석형상, 역기전력 파형이 특정 구동방식에 최적화되어 있다면 다른 방식으로 구동했을 때 토크리플이나 효율, 최대토크 등의 성능이 최적이 아닐 수 있다.

따라서 가능하다는 것과 최적이라는 것은 구분해야 한다.

그래서 실제 제품명만 보면 헷갈릴 수 있다

어떤 제조사는 영구자석 동기모터를 모두 BLDC 계열이라고 부를 수 있다.

어떤 분야에서는 정현파 FOC로 구동하면 PMSM이라는 이름을 더 많이 사용할 수 있다.

특히 소형 팬이나 가전제품에서는 BLDC라는 이름이 널리 쓰이고, 산업용 서보와 전기자동차 구동에서는 PMSM이라는 표현을 많이 접할 수 있다.

하지만 이름만으로 내부 파형과 제어방식을 완벽하게 판단해서는 안 된다.

정확히 알고 싶다면 데이터시트와 드라이브 제어방식을 확인해야 한다.

BLAC라는 표현도 볼 수 있다

일부 자료에서는 BLDC와 구분해 BLAC라는 표현을 사용하기도 한다.

Brushless AC Motor라는 의미로 정현파 영구자석 동기모터를 가리키는 경우가 있다.

즉

BLDC → 사다리꼴 역기전력과 전자정류

BLAC 또는 PMSM → 정현파 역기전력과 정현파 제어

처럼 구분하기도 한다.

하지만 이 명칭 역시 산업분야와 제조사에 따라 사용방식이 달라질 수 있다.

결국 가장 확실한 방법은 이름보다 실제 전동기의 전자기 설계와 제어방식을 확인하는 것이다.

위치센서에도 차이가 있을까?

대표적인 BLDC 6스텝 제어에서는 회전자를 60도 전기각 단위의 구간으로 구분할 수 있으면 정류시점을 결정할 수 있다.

그래서 3개의 홀센서를 이용한 비교적 단순한 위치검출이 많이 사용된다.

반면 정밀한 PMSM FOC에서는 전류벡터를 회전자 자석축에 맞춰 연속적으로 제어해야 한다.

따라서 보다 정밀한 회전자 전기각 정보가 유리하다.

엔코더,

리졸버,

고해상도 홀센서,

센서리스 위치추정

등을 사용할 수 있다.

하지만

BLDC는 홀센서만 사용하고 PMSM은 엔코더만 사용한다

는 식으로 구분하면 안 된다.

두 모터 모두 다양한 센서방식을 사용할 수 있다.

센서리스 방식도 둘 다 가능하다

BLDC에서는 비통전상의 역기전력 영점교차를 검출해 다음 정류시점을 계산하는 방식이 대표적이다.

PMSM에서는 역기전력이나 자속, 전류모델을 이용한 관측기와 추정 알고리즘을 사용할 수 있다.

하지만 역기전력은 회전속도와 관련되어 있기 때문에 정지상태나 매우 낮은 속도에서는 신호가 작다.

따라서 저속·정지에서의 센서리스 위치추정은 별도의 기술이 필요할 수 있다.

고주파 신호주입이나 다양한 관측기법 등이 사용되는 이유다.

속도제어 방식은 무엇이 다를까?

단순한 BLDC 구동에서는 PWM 듀티를 조절하면서 정류순서를 바꾸는 방식으로 속도를 제어할 수 있다.

회전자 위치구간에 맞춰 통전상을 정하고 PWM으로 전류 또는 평균전압을 조절한다.

PMSM FOC에서는 일반적으로 외부 속도제어기가 필요한 토크지령을 만들고 내부 전류제어기가 id와 iq를 빠르게 조절한다.

개념적으로

속도오차

→ 토크지령

→ iq 지령

→ d-q 전류제어

→ PWM 전압명령

→ 인버터 스위칭

과 같은 구조를 사용할 수 있다.

그래서 PMSM FOC는 제어구조가 더 복잡하지만 정밀한 토크와 속도제어에 유리하다.

PMSM의 제어가 항상 더 복잡한 것은 아닐까?

일반적으로 정밀한 FOC는 6스텝 제어보다 많은 계산이 필요하다.

좌표변환,

전류제어,

회전자 위치 또는 위치추정,

PWM 생성

등이 필요하기 때문이다.

하지만 현대의 마이크로컨트롤러와 DSP 성능은 크게 향상되어 이런 계산을 실시간으로 처리할 수 있다.

그래서 과거에는 비용문제로 6스텝 BLDC를 사용하던 영역에서도 정현파 제어와 FOC가 널리 적용되고 있다.

결과적으로 제어방식의 경계가 과거보다 더 흐려지고 있다.

효율은 어느 쪽이 더 높을까?

BLDC와 PMSM이라는 이름만으로 어느 한쪽의 효율이 반드시 높다고 말할 수는 없다.

효율은

모터의 철심설계,

권선저항,

자석,

공극자속,

전류파형,

PWM 방식,

운전속도,

부하,

인버터 손실

등에 의해 결정된다.

6스텝 구동에서 발생하는 고조파전류는 추가 손실을 만들 수 있다.

정현파 제어는 고조파를 줄이는 데 유리할 수 있다.

하지만 특정 운전점과 설계에서는 결과가 달라질 수 있다.

따라서 실제 효율은 모터와 인버터 전체의 효율맵이나 시험데이터로 판단해야 한다.

출력밀도도 PMSM이 항상 높을까?

이것도 이름만으로 결정되지 않는다.

두 모터 모두 영구자석을 사용하기 때문에 높은 출력밀도를 얻을 수 있다.

자석재료와 냉각방식, 권선의 슬롯충전율, 전류밀도, 회전자 구조와 최대속도가 더 직접적인 영향을 준다.

IPMSM처럼 자석을 회전자 내부에 넣으면 고속에서 자석을 기계적으로 보호하는 데 유리한 설계를 할 수 있고 릴럭턴스 토크도 활용할 수 있다.

하지만 이것은 BLDC와 PMSM이라는 이름 자체보다는 구체적인 회전자 설계의 차이다.

고속에서는 왜 PMSM의 FOC가 유리할까?

속도가 높아지면 영구자석으로 인해 발생하는 역기전력도 증가한다.

결국 인버터의 DC 링크 전압으로 원하는 전류를 더 이상 공급하기 어려운 영역에 접근한다.

PMSM에서는 이때 d축에 음의 전류를 흘려 영구자석 자속이 고정자에서 보이는 효과를 줄이는 약계자제어를 사용할 수 있다.

이를 통해 기본속도 이상의 영역까지 운전범위를 넓힐 수 있다.

특히 IPMSM에서는 자석토크와 릴럭턴스 토크, 약계자특성을 함께 활용할 수 있다.

BLDC에서는 약계자운전이 불가능할까?

그렇지 않다.

BLDC라는 이름 때문에 약계자운전을 전혀 할 수 없다고 생각하면 안 된다.

영구자석 모터에서는 제어방식에 따라 전류위상이나 정류시점을 조정하여 고속영역을 확장하는 방법을 사용할 수 있다.

또 같은 영구자석 모터를 FOC 방식으로 제어할 수도 있다.

따라서

PMSM만 약계자가 가능하다

고 단정할 수 없다.

다만 정현파 FOC에서는 d-q 전류로 자속성분과 토크성분을 나누어 다루기 때문에 약계자제어를 체계적으로 구현하기 좋다.

저속토크에는 어떤 차이가 있을까?

위치정보를 정확하게 알고 충분한 전류를 공급할 수 있다면 두 모터 모두 정지에 가까운 저속에서도 토크를 만들 수 있다.

문제는 센서리스 방식이다.

단순한 역기전력 검출형 BLDC 센서리스 제어는 정지에서 역기전력이 없기 때문에 처음부터 정확한 회전자 위치를 알아내기 어렵다.

PMSM 센서리스 역시 저속에서는 어려움이 있다.

따라서 저속·정지토크가 중요한 서보시스템에서는 위치센서를 사용하거나 고급 센서리스 추정법을 사용할 수 있다.

BLDC는 소형모터이고 PMSM은 대형모터일까?

그렇게 구분할 수도 없다.

BLDC라는 명칭이 팬과 드론, 소형펌프 등에 많이 등장하기 때문에 소형전동기로 생각하기 쉽다.

PMSM은 서보모터나 전기자동차 등에서 많이 접하기 때문에 더 큰 전동기처럼 느껴질 수 있다.

하지만 크기는 본질적인 구분기준이 아니다.

작은 PMSM도 만들 수 있고 큰 BLDC 방식의 영구자석 모터도 설계할 수 있다.

토크식도 서로 완전히 다를까?

전통적인 BLDC는 각 상의 역기전력과 전류의 곱을 이용한 전력관점이 직관적이다.

Te = (eaia + ebib + ecic) / ωm

으로 토크를 이해할 수 있다.

PMSM은 정현파 모델과 d-q 좌표계를 이용해

Te = (3/2)p[λm iq + (Ld – Lq)id iq]

로 표현하는 것이 제어에 편리하다.

하지만 두 식이 서로 다른 자연법칙을 의미하는 것은 아니다.

둘 다 전자기적으로 변환되는 전력과 토크를 다른 좌표와 모델로 표현한 것이다.

같은 에너지변환 현상을 다른 방식으로 해석하는 것이다.

실제 모터를 보면 어떻게 구분해야 할까?

모터 외관만 보고 구분하기 어려운 경우가 많다.

둘 다 3상 전원선이 나올 수 있다.

둘 다 홀센서나 엔코더 배선이 있을 수 있다.

둘 다 영구자석 회전자를 사용한다.

정확한 판단을 위해서는

제조사 명칭,

역기전력 파형,

권선방식,

권장 인버터,

전류파형,

제어알고리즘

등을 함께 확인해야 한다.

특히 드라이버가 6스텝 정류를 사용하는지 FOC를 사용하는지를 보면 구동방식의 차이를 이해하는 데 도움이 된다.

정비할 때도 진단방식이 달라질 수 있다

6스텝 BLDC 시스템에서 기동불량이나 심한 진동이 발생하면

3상 권선상태,

홀센서 순서,

홀센서 전원,

상순서,

전자정류 순서,

인버터 출력스위치

등을 확인할 필요가 있다.

정류위치와 실제 회전자 위치가 맞지 않으면 모터가 심하게 떨거나 과전류가 발생할 수 있다.

PMSM FOC에서는 무엇을 봐야 할까?

FOC 시스템에서는 위치센서의 전기적 영점이 매우 중요하다.

엔코더나 리졸버가 실제 회전자 자석축과 잘못 정렬되어 있으면 제어기가 잘못된 d축과 q축을 계산하게 된다.

그러면 같은 전류를 흘려도 토크가 부족하거나 불필요한 d축 전류가 생길 수 있다.

심한 경우 과전류와 진동이 발생할 수도 있다.

따라서

위치센서 오프셋,

상순서,

전류센서,

모터 파라미터,

극쌍수

등이 정확해야 한다.

모터 파라미터가 왜 중요할까?

PMSM FOC에서는 제어기에

고정자저항,

Ld,

Lq,

영구자석 자속 또는 역기전력상수,

극쌍수

같은 모터 파라미터가 사용될 수 있다.

이 값이 실제 모터와 크게 다르면 전류제어와 위치추정 성능이 나빠질 수 있다.

특히 센서리스 방식에서는 모터모델을 이용하는 경우가 많기 때문에 파라미터 오차의 영향이 커질 수 있다.

BLDC의 단순 6스텝 구동에서는 이런 세부 파라미터 의존성이 상대적으로 작을 수 있지만 정류시점과 전류제한 등은 여전히 중요하다.

둘 다 회생제동을 할 수 있다

BLDC와 PMSM 모두 영구자석 회전전기기계다.

외부에서 회전자를 돌리고 인버터가 적절한 반대토크를 만들면 발전운전이 가능하다.

즉 기계에너지를 전기에너지로 바꿔 DC 링크로 돌려보낼 수 있다.

배터리 시스템이라면 조건이 허용될 때 에너지를 배터리에 저장할 수 있고, 회생형 전력변환장치가 있으면 전원측으로 돌려보낼 수도 있다.

따라서 회생제동 가능여부는 BLDC냐 PMSM이냐보다 전체 전력변환시스템이 양방향 에너지흐름을 지원하는지가 중요하다.

두 모터 모두 자석온도가 중요하다

BLDC와 PMSM의 회전자에는 영구자석이 사용된다.

영구자석은 온도에 따라 자기특성이 달라진다.

지나치게 높은 온도와 강한 반대자계가 함께 작용하면 불가역적인 감자가 발생할 수도 있다.

자력이 감소하면

토크상수,

역기전력,

출력특성

이 변할 수 있다.

따라서 모터를 관리할 때는 고정자권선의 온도뿐 아니라 회전자 자석의 허용온도도 고려해야 한다.

고장이 나면 둘 다 모터만 보면 안 된다

브러시 직류전동기는 비교적 모터 자체의 전기회로를 직접 확인하기 쉽다.

BLDC와 PMSM은 정상운전에 인버터와 제어기가 필수적이다.

그래서 모터가 돌지 않는다고 반드시 모터 권선불량이라고 단정하면 안 된다.

모터,

인버터,

DC 링크,

위치센서,

전류센서,

제어기,

통신

을 하나의 구동시스템으로 봐야 한다.

특히 현대의 영구자석 모터에서는 전동기와 드라이브를 분리해서 진단하기 어려운 경우가 많다.

어느 쪽이 더 좋은 모터일까?

BLDC와 PMSM 가운데 한쪽이 모든 용도에서 더 좋은 것은 아니다.

비교적 단순하고 비용을 줄인 전자정류가 중요하다면 6스텝 BLDC 방식이 적합할 수 있다.

정밀한 토크제어와 저속제어, 낮은 토크리플, 넓은 속도영역이 중요하다면 PMSM과 FOC 조합이 유리할 수 있다.

하지만 현대에는 BLDC라고 판매되는 모터에도 정현파제어나 FOC를 적용하는 경우가 있기 때문에 이름만 보고 판단해서는 안 된다.

결국 중요한 것은 요구되는 성능이다.

실제 선정에서는 무엇을 봐야 할까?

모터를 선정할 때 단순히 BLDC인지 PMSM인지만 보지 않는 것이 좋다.

필요한

정격토크,

최대토크,

속도범위,

저속운전성능,

토크리플,

소음,

효율,

회생운전,

위치정밀도,

냉각,

인버터 전압과 전류,

센서방식

을 함께 봐야 한다.

그리고 모터와 인버터가 실제로 어떤 방식으로 매칭되는지를 확인해야 한다.

한눈에 정리하면

BLDC와 PMSM의 공통적인 기반은 같다.

둘 다 영구자석 회전자와 고정자 다상권선을 이용한다.

둘 다 인버터가 필요하다.

둘 다 동기형 전동기다.

둘 다 회생운전이 가능하다.

전통적인 차이는 다음과 같이 생각할 수 있다.

BLDC는

사다리꼴에 가까운 역기전력,

120도 통전,

6스텝 전자정류,

비교적 단순한 위치구간 제어

가 대표적이다.

PMSM은

정현파에 가까운 역기전력,

정현파 3상 전류,

FOC,

d-q 전류제어

가 대표적이다.

그러나 실제 제품에서는 이 경계가 서로 겹칠 수 있다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, BLDC와 PMSM은 전혀 다른 원리의 전동기가 아니다.

둘 다 영구자석 동기기라는 공통적인 기반을 가진다.

둘째, BLDC는 단순히 직류가 계속 흐르는 모터가 아니다.

인버터가 고정자 각 상의 전류를 전자적으로 바꾼다.

셋째, 전통적인 BLDC는 사다리꼴 역기전력과 6스텝 전자정류를 대표적인 특징으로 한다.

넷째, PMSM은 정현파에 가까운 역기전력과 정현파 전류제어를 대표적으로 사용한다.

다섯째, PMSM의 FOC에서는 d축과 q축으로 전류를 나눠 자속과 토크를 제어한다.

여섯째, BLDC도 FOC 방식으로 제어할 수 있다.

따라서 FOC를 사용한다고 모터의 물리적인 구조가 갑자기 다른 모터로 바뀌는 것은 아니다.

일곱째, SPMSM과 IPMSM은 BLDC와 PMSM을 나누는 분류와 다른 기준이다.

SPMSM과 IPMSM은 자석이 회전자의 어디에 배치되었는지를 기준으로 나눈다.

여덟째, PMSM이라고 토크리플이 완전히 없는 것은 아니다.

BLDC라고 반드시 효율이 낮은 것도 아니다.

아홉째, 홀센서는 BLDC에만 사용하고 엔코더는 PMSM에만 사용하는 것이 아니다.

필요한 제어성능에 따라 다양한 센서를 사용할 수 있다.

열째, 실제 제품을 구분할 때는 명칭 하나보다 역기전력 파형과 전류파형, 인버터 제어방식을 함께 확인하는 것이 정확하다.

마무리

BLDC와 PMSM의 차이를 가장 정확하게 이해하려면 먼저 두 모터가 상당히 가까운 친척이라는 사실부터 받아들이는 것이 좋다.

둘 다 회전자에 영구자석이 있다.

둘 다 고정자에는 다상권선이 있다.

둘 다 인버터가 전류를 만들어준다.

그리고 둘 다 회전자 영구자석과 고정자 회전자계가 동기해서 회전한다.

전통적인 차이는 모터 내부의 기본원리보다 자속과 역기전력 파형을 어떻게 설계하고 그에 맞춰 어떤 전류를 공급할 것인가에서 나타난다.

BLDC는 대표적으로 사다리꼴 역기전력과 120도 통전, 6스텝 전자정류를 이용한다.

PMSM은 대표적으로 정현파 역기전력과 정현파 전류를 이용하고 FOC를 통해 d축과 q축 전류를 연속적으로 제어한다.

이 차이 때문에 BLDC의 전통적인 6스텝 제어는 비교적 단순하게 구현할 수 있는 반면 정류구간에서 토크리플과 고조파가 나타날 수 있다.

PMSM의 정현파 FOC는 제어가 더 복잡하지만 부드러운 토크와 정밀한 제어를 얻는 데 유리하다.

하지만 현대의 전동기 구동기술에서는 이 경계가 점점 흐려지고 있다.

BLDC라고 불리는 모터를 FOC로 구동할 수도 있고 같은 영구자석 모터가 산업분야나 제조사에 따라 서로 다른 이름으로 불릴 수도 있다.

따라서

BLDC냐 PMSM이냐

라는 이름만 보는 것보다

회전자의 자석구조는 어떤가, 역기전력은 어떤 파형인가, 어떤 전류를 흘리는가, 인버터는 어떤 알고리즘으로 제어하는가

를 보는 것이 훨씬 중요하다.

결국 두 모터의 차이를 한 문장으로 정리하면 다음과 같다.

BLDC와 PMSM은 같은 영구자석 동기기 계열이지만, 전통적으로 역기전력과 전류파형 그리고 전자정류·제어방식에서 차이를 두어 구분한다.

다음 글에서는 이제 모터의 종류 자체보다 제어시스템의 개념으로 넘어가 서보모터와 일반 모터는 무엇이 다를까?를 살펴본다.

서보모터가 특별한 한 종류의 모터를 뜻하는 것인지, 아니면 모터와 센서·드라이브·제어기를 결합한 시스템을 뜻하는 것인지부터 자세히 알아본다.