모터제어
8. 센서리스 FOC 제어 – 센서 없이 똑똑하게 모터를 돌리는 기술
motorcontrol
2025. 4. 12. 15:19
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센서리스 FOC 제어 – 센서 없이 똑똑하게 모터를 돌리는 기술
“센서 없이도 정확히 돌아간다고요?”
센서리스(Field-Oriented) 제어는 FOC의 진화를 상징합니다.
📌 왜 센서 없이 제어할까?
FOC(Field-Oriented Control)는 정밀한 제어를 위해 로터의 위치를 정확히 알아야 합니다.
보통은 **홀 센서(Hall sensor)**나 **엔코더(Encoder)**를 이용해 회전자 각도 θ\theta를 측정하죠.
하지만 센서를 없애면 다음과 같은 이점이 생깁니다:
장점설명
💸 비용 절감 | 센서 부품 제거로 원가 절감 |
📦 구조 단순화 | 배선, 마운트 없이 더 작고 가볍게 설계 가능 |
⚙️ 내구성 향상 | 센서 고장 가능성 제거, 유지보수 감소 |
🌡️ 고온 환경 대응 | 센서 없이 극한 환경에서도 안정적으로 구동 가능 |
🎯 센서리스 FOC의 핵심 – 전류로 위치를 추정하라!
센서가 없다면, 로터 위치는 어떻게 알 수 있을까요?
답은 전류와 전압의 반응(역기전력, BEMF) 속에 있습니다.
📐 센서리스 원리 요약
센서리스 FOC는 다음과 같은 원리로 동작합니다:
✅ 1. 정지/저속 구간:
- 이 구간에서는 역기전력(BEMF)이 너무 작아 직접 측정이 어렵기 때문에
- 모델 기반 추정(예: 슬라이딩 모드 옵저버, EKF) 등을 이용합니다.
✅ 2. 중속~고속 구간:
- 모터가 회전하면, 코일에서 자연스럽게 생성되는 역기전력(BEMF)을 이용해 위치를 추정합니다.
⚡ BEMF 기반 위치 추정 수식
🔍 대표적인 센서리스 기법
기법설명장점단점
BEMF 제어 | 중속 이상에서 주로 사용 | 구조 단순 | 저속에 약함 |
슬라이딩 모드 옵저버(SMO) | 비선형 제어 기반 위치 추정 | 저속 대응 가능 | 노이즈에 민감 |
Extended Kalman Filter (EKF) | 확장 칼만 필터 | 정확도 높음 | 연산 복잡도 큼 |
MRAS | 모델 참조 기반 | 적응성 있음 | 설계 난이도 ↑ |
🧱 실제 적용 흐름 예시
void SensorlessFOC_Loop() {
// 전류 및 전압 측정
float ia, ib, va, vb = Measure_PhaseSignals();
// 역기전력 계산 및 필터링
float e_alpha, e_beta = Estimate_BEMF(ia, ib, va, vb);
// 위치각 추정
float theta = atan2f(e_beta, e_alpha);
// FOC 적용 (Park/Clarke 변환 → PID → SVPWM)
Apply_FOC(theta, ia, ib);
}
// 전류 및 전압 측정
float ia, ib, va, vb = Measure_PhaseSignals();
// 역기전력 계산 및 필터링
float e_alpha, e_beta = Estimate_BEMF(ia, ib, va, vb);
// 위치각 추정
float theta = atan2f(e_beta, e_alpha);
// FOC 적용 (Park/Clarke 변환 → PID → SVPWM)
Apply_FOC(theta, ia, ib);
}
📉 센서리스 한계와 고려사항
- 정지 또는 극저속에서는 정확한 위치 추정이 어려움
- 정확도는 필터 설계, 노이즈 환경, 전류 센싱 품질에 좌우
- 회로 및 펌웨어 설계 경험이 중요
그래서 일부 시스템에서는 다음처럼 혼합 제어 방식도 사용됩니다:
정지
저속: 센서 기반 제어고속: 센서리스로 전환 (Hybrid FOC)
중속
✅ 정리하면
항목내용
💡 개념 | 로터 위치 센서 없이 FOC 수행 |
🧠 원리 | 전류·전압 → 역기전력 → 위치각 추정 |
🧩 활용 | 드론, 가전, EV, 펌프, 산업기기 등 |
🔧 고려사항 | 정확한 전류 측정, 고속 MCU, 필터 설계 역량 필요 |
센서리스 FOC는 하드웨어 비용을 줄이면서도 고성능 제어를 가능하게 만드는 기술입니다.
특히 소형 드론, 저비용 EV, 내구성이 중요한 산업 모터 제어에서 점점 더 많이 사용되고 있어요.
다음 편에서는 센서리스 알고리즘별 비교와 실제 적용 예시, 또는 센서리스 FOC 시뮬레이션 진행해볼게요
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