57강. 모터인데 왜 전압제어를 하나요 ?

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네, 여기서는 “토크는 전류로 결정되는데 왜 PWM으로 전압을 제어하느냐”를 먼저 구분해서 이해하시면 됩니다.

모터의 토크가 전류와 밀접한 관계가 있는 것은 맞습니다. 하지만 모터 권선에 전류를 흐르게 만들기 위해서는 먼저 전압을 인가해야 합니다. 모터 권선을 단순화하면 저항 RR, 인덕턴스 LL, 그리고 회전에 의해 발생하는 역기전력 EE가 있기 때문에 대략

V=Ri+L*di/dt+E

관계로 볼 수 있습니다.

즉 인버터가 직접 만들어서 모터에 줄 수 있는 물리량은 전압이고, 그 전압을 인가한 결과로 권선 전류가 변하고, 그 전류에 의해 토크가 발생합니다.

현재 전동킥보드 강의의 BLDC 6-step 제어에서는 전류를 측정해서 목표 전류와 비교하는 폐루프 전류제어를 하지 않습니다. 각 Commutation 구간에서 어떤 MOSFET을 켤지 결정하고, PWM Duty를 조절해서 모터에 인가되는 평균 전압을 조절하는 오픈루프 방식입니다.

예를 들어 Duty를 높이면 평균적으로 더 큰 전압이 인가되고, 일반적으로 더 많은 전류가 흐를 수 있기 때문에 토크도 증가하는 방향으로 동작합니다. 다만 전류를 직접 피드백해서 일정한 값으로 제어하는 구조는 아닙니다.

정밀하게 토크를 제어하려면 실제 모터 전류를 측정하고,

전류 측정 → 목표 전류와 비교 → PI 전류제어기 → 전압 지령 → PWM → 인버터

와 같은 폐루프가 필요합니다.

PMSM의 FOC에서는 3상 전류를 d-q축으로 변환한 뒤 d축,q축 전류를 각각 제어합니다. 특히 q축 전류가 토크와 직접적으로 관계되기 때문에 원하는 토크를 훨씬 정밀하게 제어할 수 있습니다. 이 과정은 PMSM 벡터제어 강의에서 자세히 다룹니다.

다만 한 가지는 정정할 필요가 있습니다. 6-step 방식에서도 전류제어 자체가 불가능한 것은 아닙니다. DC Link 전류나 상전류를 측정해서 Current Limit이나 폐루프 전류제어를 구성할 수도 있습니다. 하지만 정밀도가 매우 높고 난이도도 높은 편이라 이번 강의에서는 구조를 단순화하기 위해 그 단계까지 구현하지 않고 오픈루프로 진행한다고 이해하시면 됩니다.

그리고 두 번째 질문의 MOSFET 전류 방향은 개념을 조금 수정해야 합니다.

N-MOSFET에서 Source에서 Gate로 모터 전류가 흐르는 구조는 아닙니다. Gate는 절연되어 있기 때문에 정상상태에서는 Gate로 지속적인 전류가 흐르지 않습니다. Gate Driver가 Gate-Source 사이의 전압 를 만들어 MOSFET을 ON/OFF시키는 역할을 합니다.

MOSFET이 정상적으로 ON되어 모터를 구동할 때 주 전류는 일반적으로

Drain → Source

방향으로 흐릅니다.

예를 들어 Low-side N-MOSFET이라면 모터 상에서 들어온 전류가

모터 권선 → Drain → Source → GND

방향으로 흐르게 됩니다.

물론 모터는 인덕티브 부하이기 때문에 PWM OFF 구간이나 회생제동 상태에서는 전류가 반대 방향으로 흐를 수도 있습니다. MOSFET의 채널이나 Body Diode를 통해 Source → Drain 방향의 전류가 형성되는 경우도 있습니다.

하지만 Source → Drain으로 전류가 흐른다고 해서 무조건 배터리로 에너지가 돌아가는 것은 아닙니다. 모터의 역기전력, 전류 방향, 인버터의 스위칭 상태가 적절하게 형성되어 DC Link 쪽으로 실제 전력이 전달될 때 회생제동이 이루어집니다.

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안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. 윤남경님.

모터의 토크가 전류에 의해 결정되는데 왜 전압 제어(PWM)를 사용하는지에 대한 질문은 아래 기존 답변과 관련이 있습니다.

V/F 전압 제어

모터의 전류는 인버터가 전압을 인가하면 모터의 저항·인덕턴스·역기전력에 의해 결정됩니다. 따라서 일반적인 PWM 방식에서는 PWM의 듀티비를 조절해 모터에 인가되는 평균 전압을 바꾸고, 그 결과 모터 전류와 토크를 간접적으로 조절합니다.

• PWM 듀티비 증가 → 평균 인가 전압 증가
  
• 평균 전압 증가 → 모터 전류 증가
  
• 전류 증가 → 토크 증가
  

다만 정확한 전류 제어가 필요한 경우에는 전류 센서로 실제 전류를 측정하고, PI 제어기 등을 이용해 목표 전류가 흐르도록 PWM 전압을 조절하는 전류 폐루프 제어를 사용합니다. 즉 PWM 전압 제어와 전류 제어는 서로 반대 개념이라기보다는, 전압을 조절하는 PWM이 전류를 제어하기 위한 수단으로 사용되는 관계입니다.

또한 MOSFET의 게이트로 지속적인 부하 전류가 흐르는 것은 아닙니다. 게이트는 절연되어 있으므로 스위칭 순간에 게이트 커패시터를 충·방전하는 전류가 잠시 흐를 뿐입니다. 모터 전류는 MOSFET의 드레인-소스 경로를 통해 흐릅니다.

모터가 인덕터처럼 동작하기 때문에 MOSFET이 꺼지는 순간에도 전류가 갑자기 0이 될 수 없습니다. 이때 전류는 인버터의 바디 다이오드나 별도의 프리휠 경로를 통해 계속 흐르며, 회로 구성과 전류 방향에 따라 배터리 쪽으로 에너지가 되돌아갈 수도 있습니다. 하지만 모든 전류가 항상 배터리로 들어가는 것은 아니며, 배터리의 전압과 제어 방식에 따라 모터의 저항·스위칭 소자에서 소모되거나 회생 에너지로 반환됩니다.

추가로 아래 답변에서는 전압 인가와 전류·토크의 관계, 그리고 V/F 실습에서 전압을 조절하는 이유를 설명하고 있습니다.

하프브릿지와 풀브릿지 인버터의 전류제어성에 대해 질문이이 있습니다.

저는 질문자님의 이해를 돕고자 지식공유자님의 기존 답변을 참고하여 유사한 답변 링크를 추천해드리고 있습니다.
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