Linear 모터 제어

Linear 모터 제어

 

 

 

혼다 블로워 모터 제어기

 

리니어 모터 제어는 설정된 고정 속도만 제어 가능한 저항 제어와 달리 FET 전압을 연속적으로 제어가능하여 모터의 속도 제어가 가능하다. 이 방법은 운전자의 요구에 맞는 부드러운 속도제어가 가능하지만 저렴한 가격에 구현 필요한 차량의 블로워 모터 같은 곳에서 사용하고 있다. 

 

• 동작 방법

제어기 내에 있는 마이크로프로세서에서 목표 전압 (속도)를 지령한다. 이 값과 모터의 양단 전압을 측정한 실제 전압의 차이를 이용해서 파워 FET의 게이트 입력 신호로 이용한다. 이 때 파워 FET는 saturation 영역이 아니고 linear 영역에서 동작하기 때문에 gate 입력 전압에 비례해서 drain-source 전압이 결정된다. FET의 drain-source 전압이 결정되면, 배터리 전압에 의해서 모터에 인가되는 전압을 선형적으로 변경 가능하다.

 

• 결론

선형 모터 제어기는 제어 단수가 있는 저항제어나 릴레이 제어와 다르게 FET의 Linear 영역을 활용하여 원하는 속도를 부드럽게 제어할 수 있는 제어 할 수 있는 방법이다. FET가 저항과 같은 역할을 하기 때문에 전자파 노이즈가 많이 발생하는 PWM제어와 같이 구형 파형이 없어서 EMI노이즈가 매우 작다. 그러나 FET가 Linear 영역에서 동작하기 때문에 항상  Vds X Id 만큼의 전력 소모가 FET에 발생한다. 이 손실을 열로 발산하기 위해서 매우 큰 사이즈의 heatsink가 부착되어 있다. 또한 회로가 PWM 제어기 대비 간단하기 때문에 원가가 작다. 그러나 일반 차량에서 전력 소비 감소와 EV 또는 자율차량에서 주행거리 향상을 위해서 PWM제어로 전환이 이루어 지고 있다.

 

 

• 이론적 설명

Toshiba 2SK2313 Vds vs ID curve

 

 

MOSFET는 세 가지 주요 작동 영역이 있습니다.

• Cut-off 영역(OFF 상태)
  • 전도 없음;  VGS < Vth
  • MOSFET Off
• Ohmic(Linear) 영역 (가변 저항 동작)
  • MOSFET은 가변 저항처럼 작동
  • 조건: VDS < VGS - Vth
  • 전류 ID는 VDS에 비례함
  • 선형 모터 제어와 같은 아날로그 전압 제어 애플리케이션에서 사용된다. 
• Saturation(active) 영역 (전류 소스 동작)
  • MOSFET이 완전히 켜지고 전류는 VDS가 아닌 게이트 전압에 의해 제한된다.
  • 조건: VDS ≥ VGS - Vth
  • PWM 제어에 사용되는 일반적인 스위칭 모드

PWM 모터 제어에서는 MOSFET 차단(OFF) 영역과 포화(ON) 영역 사이를 전환한다. 그러나 선형 제어는 MOSFET가 가변 저항기로 작동하여 선형 영역에서 작동한다. 이를 통해 모터의 전압 및 속도를 점진적으로 제어 가능하다.

• Ohmic(Linear) 영역의 주요 특성:
  • MOSFET은 저항 RDS처럼 작동하여 모터에 대한 전압을 조절한다.
  • VDS는 VGS에 비해 낮다.
  • 드레인 전류 ID는 VDS에 대략 비례한다.
  •  MOSFET은 RDS에 걸친 전압 강하로 인해 열로 상당한 전력을 소모한다.
• Ohmic(Linear)  제어 사용 이유
  • 정밀 전압 제어: 빠르게 ON/Off를 전환하는 PWM과 달리 선형 제어는 매끄러운 전압 조정을 제공한다.
  • 낮은 전기적 노이즈(EMI): 고주파 스위칭이 없으므로 EMI 노이즈가 매우 작다.
  • 단순성: 회로 설계는 PWM 기반 속도 제어기보다 단순하다.
  • 그러나 주요 단점은 MOSFET의 전력 소모입니다. 가변 저항기 역할을 하므로 과도한 전력을 열로 변환하여 PWM 제어에 비해 비효율적이다. 전력 손실은  다음과 같다.

 

 

※ 참고자료

https://www.youtube.com/watch?v=9teJFYfhUdk 혼다 블로워 모터 리니어 제어기