BLDC 센서리스 구동 원리

센서리스 구동이 필요한 이유

BLDC 모터(Brushless DC Motor)는 높은 효율과 수명이 장점인 모터로, 드론, 전기자전거, 산업기기 등 다양한 분야에 활용되고 있습니다. 전통적인 구동 방식에서는 홀 센서(Hall Sensor)나 리졸버와 같은 위치 센서를 사용하여 로터의 위치를 감지하고, 이 정보를 바탕으로 정확한 시점에 전류를 인가해 회전을 유도합니다. 하지만 센서는 가격 상승, 회로 복잡도 증가, 고온/고습 환경에서의 신뢰성 저하 등의 문제를 야기합니다. 이를 해결하기 위한 대안으로 ‘센서리스(Sensorless)’ 구동 방식이 등장했고, 오늘날 소형 BLDC 구동 시스템에서는 표준처럼 활용되고 있습니다.

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센서리스 방식의 기본 개념

센서리스 구동은 모터의 회전자 위치를 별도의 물리적인 센서 없이 역기전력(Back-EMF) 또는 기타 전기적 특성을 통해 추정하는 방식입니다. BLDC는 세 개의 위상(U, V, W)으로 구성되며, 이 중 한 위상은 항상 ‘부유(floating)’ 상태로 설정됩니다. 이 부유 위상의 전압을 감지하면, 회전자 자석의 움직임에 따라 생성되는 유도 전압(즉, 역기전력)을 측정할 수 있습니다. 역기전력은 로터 회전 속도에 비례하며, 특정 조건에서 이 전압이 0V를 지나는 Zero-Crossing 시점을 기준으로 다음 위상의 전류 인가 타이밍을 판단할 수 있습니다.

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역기전력 검출 방식의 종류

센서리스 BLDC 구동에서 가장 일반적인 방식은 Trapezoidal Back-EMF Detection입니다. 이 방식은 각 위상에 발생하는 역기전력의 파형이 이상적으로는 계단형(Trapezoidal)이라고 가정하고, 이를 기반으로 Zero-Crossing을 감지합니다. 다른 방식으로는 High-Speed Integration 방식이나 Sliding Mode Observer, Kalman Filter 기반의 센서리스 알고리즘 등이 있으며, 이들은 고속/고정밀 제어를 위한 고급 기법입니다. 하지만 대부분의 상용 MCU 기반 시스템에서는 하드웨어 단순성과 신뢰성을 이유로 Trapezoidal 방식이 주로 선택됩니다.

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Zero-Crossing과 정류 타이밍 계산

센서리스 제어의 핵심은 역기전력의 제로 크로싱(Zero Crossing) 시점을 정확히 포착하고, 이를 기반으로 다음 정류 시점을 계산하는 것입니다. 실제 전류 인가는 Zero Crossing이 발생한 시점보다 약간 이후에 이루어져야 최적의 토크를 발생시킬 수 있습니다. 이 시간 차는 보통 ‘Commutation Delay’로 표현되며, 로터의 속도에 따라 동적으로 조정되어야 합니다. 이를 위해 MCU는 PWM 타이머, 입력 캡처 기능, 비교기 등을 활용하여 실시간으로 역기전력을 분석하고 적절한 시점에 다음 위상으로 전류를 전환합니다.

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센서리스 구동의 한계와 극복 방안

센서리스 구동은 특정 상황에서 한계를 가집니다. 가장 대표적인 경우가 ‘정지 상태’ 또는 ‘저속 회전’입니다. 역기전력은 로터가 회전할 때만 발생하기 때문에, 정지 시에는 위치 정보를 추정할 수 없습니다. 이를 해결하기 위해 Pre-Positioning, Open-Loop Startup, Align & Kick 등 다양한 기동 알고리즘이 사용됩니다. 예를 들어, 모터에 짧은 시간 동안 정방향 전류를 인가한 후, 생성된 역기전력을 분석하여 초기 위치를 추정하는 방식이 일반적입니다. 또한 일부 시스템에서는 고속 영역에서만 센서리스를 적용하고, 저속 구간에서는 센서를 병행 사용하는 하이브리드 방식도 채택됩니다.

 

 

 

하드웨어 구현에서의 고려 사항

센서리스 구동 회로를 구성할 때는 전압 검출을 위한 분압 저항, 역기전력 신호를 MCU로 전달하기 위한 필터 회로, 그리고 입력 보호 회로 등을 포함한 설계가 필요합니다. 특히 부유 위상의 전압은 노이즈의 영향을 쉽게 받기 때문에, RC 필터 또는 저역 통과 필터를 삽입하여 신호를 안정화시켜야 합니다. MCU 입력으로는 ADC 또는 비교기(CMP)를 사용할 수 있으며, 비교기를 사용하는 경우에는 하드웨어에서 직접 Zero Crossing을 감지할 수 있어 반응 속도가 빠릅니다.

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소프트웨어 제어 루틴과 타이밍 최적화

MCU 펌웨어는 센서리스 제어의 두뇌 역할을 하며, 정류 타이밍 계산, PWM 제어, 속도 조절, 보호 기능 등을 모두 포함해야 합니다. 특히 타이머 인터럽트와 ADC 트리거, 비교기 인터럽트를 조합하여 각 위상의 전압을 정확히 측정하고 처리하는 구조가 필수입니다. 속도가 빨라질수록 정류 주기가 짧아지기 때문에, 소프트웨어 루틴은 가능한 한 빠르고 간결하게 동작해야 하며, 연산 지연이 전체 제어 성능을 떨어뜨리지 않도록 구조화되어야 합니다. 또한 속도 루프와 전류 루프를 독립적으로 구성하는 다단 제어 구조도 실현 가능합니다.

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고속 회전과 고부하 조건에서의 안정성 확보

센서리스 방식은 고속 영역에서 유리하지만, 부하가 급격히 변하거나 모터가 순간적으로 멈출 위기에 처할 때 제어 루프가 불안정해질 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 속도 피드백을 이용한 PID 제어를 적용하거나, 전류 제한 기능을 함께 사용하는 방식이 활용됩니다. 또한, 과전류, 과전압, 과온도 보호 루틴은 반드시 포함되어야 하며, 모터가 일정 시간 이상 정류에 실패하면 자동 정지하거나 재기동하는 소프트웨어 구조도 필요합니다. 이러한 보호 기능은 전체 시스템의 안정성과 신뢰성을 보장하는 핵심 요소입니다.

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센서리스 BLDC의 설계 적용 전략

센서리스 BLDC 구동 방식은 센서를 제거하여 비용과 회로 복잡도를 줄이면서도 높은 신뢰성과 효율을 유지할 수 있는 설계 전략입니다. 특히 소형 가전, 팬, 펌프, 드론, 전기 툴 등에 적합하며, MCU와 비교기, 몇 개의 외부 부품만으로 구현할 수 있어 경제성도 뛰어납니다. 하지만 그만큼 정류 타이밍, 신호 필터링, 고속 응답 등의 설계 완성도가 필요하며, 다양한 환경 조건에서도 안정적으로 작동하도록 충분한 시뮬레이션과 실측 테스트가 병행되어야 합니다. 센서리스 제어는 단순한 제어기술을 넘어, 전력전자와 펌웨어 최적화의 복합적인 설계 결과물입니다.