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FUNWORLD | 펀월드 수식 설명

센서리스 3상 BLDC 제어

Back-EMF · Zero-Crossing · 6-Step · PI Control

1. 동작 원리

센서리스 BLDC는 Hall 센서 없이 구동하지 않는 Floating 상의 역기전력(Back-EMF)을 측정해 회전자 위치를 추정합니다. 6-Step 구동은 전기각 60°마다 상 조합을 전환합니다.

역기전력의 영교차(Zero Crossing)를 검출하면 정상 속도에서 약 30° 전기각 이후 다음 스텝으로 전환합니다. 이 문서는 실제 구동기가 아닌 학습용 개념 시뮬레이터입니다.

2. 실시간 시뮬레이터

회전속도 600 RPM
극쌍 수 7
PWM Duty 40%

1 / 6Step
70 Hz전기 주파수
2.38 ms60° 소요시간
1.19 msZCD → 전환

3상 구동 상태

U
V
W

회전자 전기각

3상 역기전력 (정규화)

U: 청색 · V: 주황색 · W: 녹색 · 흰색: 현재 전기각

6-Step 스위칭 표

Step High Low Floating 전기각

3. 펀월드 수식 설명: 역기전력

vᵤ = R iᵤ + L (diᵤ/dt) + eᵤ
vᵥ = R iᵥ + L (diᵥ/dt) + eᵥ
v𝓌 = R i𝓌 + L (di𝓌/dt) + e𝓌

R: 상 저항, L: 등가 인덕턴스, i: 상전류, e: 역기전력. 상호 인덕턴스를 생략한 단순화 식입니다.

e = Kₑ ω

역기전력은 회전속도에 비례합니다. Kₑ는 전압 및 속도 기준에 따라 정의가 달라집니다. 정지 시 역기전력이 거의 없어 별도 시동이 필요합니다.

4. 펀월드 수식 설명: 전기각·ZCD

θₑ = p θₘ ,  fₑ = p · RPM / 60
T₆₀ = 1/(6fₑ),  T₃₀ = 1/(12fₑ)

p는 극쌍 수, fₑ는 전기 주파수입니다. 정상속도에서 ZCD 이후 전기각 30°를 기다리는 시간은 60° 구간의 절반입니다.

5. 펀월드 수식 설명: PI 속도 제어

eω[k] = ωref[k] − ω̂[k]
I[k] = I[k−1] + Kᵢ Tₛ eω[k]
Duty[k] = sat(Kₚ eω[k] + I[k])

목표 RPM과 ZCD 기반 추정 RPM의 오차를 PI 제어하여 PWM Duty를 조절합니다. 실제 시스템에는 Duty 제한, 적분 포화 방지, 전류 제한 및 Dead-time이 필요합니다.

이 시뮬레이션에서 RPM과 Duty는 독립 설정입니다. Duty 변화에 따른 실제 모터 가속도·전류·토크 동역학은 구현하지 않았습니다.

6. MCU 구현 순서

  1. 3상 MOSFET 인버터 및 게이트 드라이버 구성, 상전압·DC 버스·전류 측정.
  2. 전류를 제한한 회전자 초기 정렬(Alignment).
  3. Open-loop 6-Step 가속 및 역기전력 신호 확보.
  4. Floating 상의 Zero-Crossing 검출 (PWM 잡음 블랭킹/필터).
  5. ZCD 후 전기각 30°에 해당하는 시간 지연 후 Commutation.
  6. ZCD 간격으로 RPM 추정 후 PI 속도 제어.
  7. 시동 실패, ZCD 누락, 스톨, 과전류·과전압·과열 시 안전 정지.

추천 학습 순서: 6-Step → ZCD → PI → Clarke/Park → Sensorless FOC.