고속도로를 질주하는 전기 자동차나 정밀하게 공중에서 기동하는 무선 조종 항공기를 상상해 보세요. 이러한 기술적 경이로움 뒤에는 끊임없이 작동하는 중요한 구성 요소인 전자 속도 제어기(ESC)가 있습니다. 세심한 지휘자와 같이 작동하여 모터 속도를 제어하여 장치가 우리의 명령에 따라 작동할 수 있도록 합니다. 하지만 이 숨겨진 영웅은 정확히 어떻게 작동하며, 다양한 분야에서 그 응용이 얼마나 놀라운가요?
전자 속도 제어기는 모터 속도를 조절하고 제어하는 주요 기능을 가진 전자 회로입니다. 기본적인 속도 조절 외에도 모터 역전 및 동적 제동을 가능하게 하여 보다 유연하고 정밀한 제어를 제공합니다. 소형 무선 조종 모델부터 실제 크기의 전기 자동차까지, ESC는 필수적인 역할을 합니다.
ESC는 스로틀 레버, 조이스틱 또는 기타 수동 입력 장치로부터 속도 참조 신호를 수신한 다음, 전계 효과 트랜지스터(FET) 네트워크의 스위칭 주파수를 변경하여 모터 속도를 조절합니다. 구체적으로, 트랜지스터의 듀티 사이클 또는 스위칭 주파수를 조정하여 모터에 대한 전력 공급을 수정하여 속도를 제어합니다. 저속에서 모터에서 발생하는 높은 톤의 윙윙거리는 소리는 이러한 빠른 전류 스위칭의 결과입니다.
ESC는 브러시드 또는 브러시리스 DC 모터용으로 설계된 다양한 버전으로 제공됩니다. 브러시드 모터의 경우, 전기자에 적용되는 전압을 변경하여 속도 제어가 이루어집니다. 그러나 브러시리스 모터는 다른 제어 전략이 필요합니다. 각 모터 권선에 전달되는 전류 펄스의 타이밍을 수정하여 속도를 조절합니다.
브러시리스 ESC 시스템은 본질적으로 3상 AC 전력을 생성하며, 이는 브러시리스 모터를 작동하는 데 사용되는 가변 주파수 드라이브와 유사합니다. 이러한 모터는 효율성, 전력 출력, 수명 및 경량 구조가 뛰어나 무선 조종 항공기 애호가들 사이에서 선호됩니다. 그러나 브러시리스 DC 모터 컨트롤러는 브러시드 모터 컨트롤러보다 훨씬 더 복잡합니다.
ESC는 일반적으로 모터 권선에서 역기전력을 감지하여 모터의 회전 상태에 따라 전류 위상 전달을 조정해야 합니다. 일부 변형은 별도의 자기(홀 효과) 센서 또는 광학 감지기를 사용합니다. 프로그래밍 가능한 ESC는 종종 저전압 차단 제한, 타이밍, 가속, 제동 및 회전 방향과 같은 사용자 정의 가능한 기능을 제공합니다. 모터 역전은 ESC와 모터 사이의 두 리드를 교환하여 수행할 수도 있습니다.
ESC는 일반적으로 최대 전류 용량(예: 25A)으로 평가됩니다. 일반적으로 더 높은 등급은 더 큰 물리적 치수와 무게에 해당합니다. 이는 항공기 질량과 균형을 계산할 때 중요한 고려 사항입니다. 많은 최신 ESC는 다양한 입력 및 차단 전압으로 니켈-금속 수소화물, 리튬 폴리머 및 리튬 인산철 배터리를 지원합니다.
배터리 제거 회로(BEC)를 선택할 때, 컨트롤러에 통합되었든 독립형 장치로 사용하든, 배터리 유형과 셀 수는 중요한 요소입니다. 선형 레귤레이터는 연결된 배터리 수가 증가함에 따라 전력 등급을 감소시켜 통합 BEC가 지원할 수 있는 서보 수를 줄입니다. 스위칭 레귤레이터를 사용하는 잘 설계된 BEC는 이러한 제한을 피합니다.
대부분의 최신 ESC는 입력 신호를 해석하고 내장된 프로그램 또는 펌웨어를 통해 모터를 제어하는 마이크로컨트롤러를 통합합니다. 일부는 특정 응용 분야에 맞게 ESC를 조정하기 위해 공장 펌웨어를 오픈 소스 대안으로 교체할 수 있습니다. 특정 모델은 즉시 사용자 업그레이드 가능한 펌웨어를 지원하는 반면, 다른 모델은 프로그래머 연결을 위해 납땜이 필요합니다. 2014년 스웨덴 엔지니어 Benjamin Vedder가 시작한 VESC 프로젝트는 고급 사용자 정의 옵션과 프리미엄 ESC에 비해 상대적으로 저렴한 제작 비용으로 주목을 받았습니다.
대형 고전류 ESC는 닛산 리프, 테슬라 로드스터(2008), 모델 S/X/3, 쉐보레 볼트와 같은 전기 자동차에 광범위하게 사용됩니다. EV 에너지 소비는 일반적으로 킬로와트 단위로 측정됩니다. 닛산 리프의 160kW 모터는 최대 340Nm의 토크를 생성합니다. 대부분의 생산 EV는 관성 주행 또는 제동 중에 에너지를 포착할 수 있는 ESC를 사용하여 차량의 속도를 줄이기 위해 모터를 발전기로 사용합니다.
이 회생 제동 시스템은 포착된 에너지를 배터리를 재충전하여 주행 거리를 늘립니다. 테슬라와 같은 차량에서는 이 방법이 매우 효과적이어서 기존 브레이크는 매우 낮은 속도에서만 필요합니다. 닛산 리프와 같은 다른 차량은 관성 주행 중에 약간의 저항을 보이며, ESC는 기존 브레이크와 협력하여 완전 정지를 위해 에너지 포착을 조절합니다.
생산 EV ESC는 일반적으로 양방향 모터 작동을 허용하는 역방향 기능을 갖추고 있습니다. 일부 단일 기어 EV는 단순히 모터 방향을 반전시키는 반면, DC 모터 장착 모델은 역전을 위해 전기 스위치를 사용합니다. 다른 모델은 기존 변속기를 사용하여 역전을 위해 일정한 모터 회전 방향을 유지합니다. 특히 원래 구동계를 유지하는 개조된 차량에 편리합니다.
높은 초기 토크가 필요한 E-자전거 모터는 종종 속도 측정을 위해 홀 효과 센서를 사용합니다. 해당 컨트롤러는 일반적으로 브레이크 작동 센서, 페달 회전 센서 및 전위차계 조절 가능한 속도 설정을 통합합니다. 일부는 비례 모터 지원을 위해 페달 토크 센서를 구현하는 반면, 다른 모델은 회생 제동을 지원합니다. 이는 드문 제동과 낮은 차량 질량으로 제한됩니다. Zilog의 백서는 E-자전거용 200W, 24V 브러시리스 DC 허브 모터 컨트롤러 구현에 대해 자세히 설명합니다.
무선 조종 모델에서 ESC는 수신기 스로틀 채널에 연결되는 독립형 장치이거나 장난감 등급 RC와 같은 수신기에 통합될 수 있습니다. 일부 제조업체는 보급형 차량을 위해 두 가지를 단일 회로 기판에 결합합니다.
RC ESC는 종종 별도의 수신기 배터리를 제거하여 수신기 전압을 조절하는 BEC를 포함합니다. 이들은 1ms(모터 꺼짐)에서 2ms(최대 속도)까지의 펄스 폭을 가진 표준 50Hz PWM 신호를 허용합니다. 자동차 전용 ESC는 전기적으로 전기자를 로드하여 역방향 작동 또는 동적 제동을 특징으로 할 수 있습니다. 헬리콥터 ESC는 제동을 생략하지만(일방향 베어링으로 인해 비효율적임) 역전 기능을 유지할 수 있습니다.
고급 헬리콥터 ESC는 CCPM 기반 비행 및 쿼드콥터에 특히 유용한 고정 모터 속도를 유지하는 거버너 모드를 제공합니다. 항공기 ESC는 저전력 상황에서 제어 표면 작동의 우선 순위를 지정하여 활공 또는 저전력 복구를 가능하게 하는 안전 기능을 통합합니다.
해양 ESC는 소형, 공기 포집 하우징으로 방수 구조가 필요하며 냉각을 위해 물 순환 또는 프로펠러 유도 진공에 의존합니다. 자동차 ESC와 마찬가지로 제동 및 역방향 기능을 갖추고 있습니다.
최신 쿼드콥터(및 모든 멀티로터)는 모터에 고주파, 고해상도 3상 AC를 전달하는 소형, 고전력 ESC에 의존합니다. 광범위한 속도 제어를 통해 모든 비행 기동이 가능합니다. 표준 50Hz RC 신호와 달리 쿼드콥터 ESC는 Oneshot, Multishot 및 DShot과 같은 더 빠른 프로토콜을 지원합니다. DShot은 우수한 해상도, CRC 체크섬 및 보정 없이 발진기 안정성을 제공하는 디지털 프로토콜입니다. 최신 ESC 프로토콜은 37.5kHz 이상으로 통신할 수 있으며, DSHOT2400 프레임은 단 6.5μs 내에 완료됩니다.
대부분의 모형 기차는 트랙 또는 오버헤드 라인에서 전력을 얻는 반면(ESC를 외부에서 배치), 하나의 트랙에서 여러 기차를 허용하는 디지털 제어 시스템에는 온보드 속도 컨트롤러가 필요합니다. 더 큰 탑승형 모델(5" 또는 7" 게이지)은 일반적으로 배터리와 속도 컨트롤러를 탑재합니다.
고속도로를 질주하는 전기 자동차나 정밀하게 공중에서 기동하는 무선 조종 항공기를 상상해 보세요. 이러한 기술적 경이로움 뒤에는 끊임없이 작동하는 중요한 구성 요소인 전자 속도 제어기(ESC)가 있습니다. 세심한 지휘자와 같이 작동하여 모터 속도를 제어하여 장치가 우리의 명령에 따라 작동할 수 있도록 합니다. 하지만 이 숨겨진 영웅은 정확히 어떻게 작동하며, 다양한 분야에서 그 응용이 얼마나 놀라운가요?
전자 속도 제어기는 모터 속도를 조절하고 제어하는 주요 기능을 가진 전자 회로입니다. 기본적인 속도 조절 외에도 모터 역전 및 동적 제동을 가능하게 하여 보다 유연하고 정밀한 제어를 제공합니다. 소형 무선 조종 모델부터 실제 크기의 전기 자동차까지, ESC는 필수적인 역할을 합니다.
ESC는 스로틀 레버, 조이스틱 또는 기타 수동 입력 장치로부터 속도 참조 신호를 수신한 다음, 전계 효과 트랜지스터(FET) 네트워크의 스위칭 주파수를 변경하여 모터 속도를 조절합니다. 구체적으로, 트랜지스터의 듀티 사이클 또는 스위칭 주파수를 조정하여 모터에 대한 전력 공급을 수정하여 속도를 제어합니다. 저속에서 모터에서 발생하는 높은 톤의 윙윙거리는 소리는 이러한 빠른 전류 스위칭의 결과입니다.
ESC는 브러시드 또는 브러시리스 DC 모터용으로 설계된 다양한 버전으로 제공됩니다. 브러시드 모터의 경우, 전기자에 적용되는 전압을 변경하여 속도 제어가 이루어집니다. 그러나 브러시리스 모터는 다른 제어 전략이 필요합니다. 각 모터 권선에 전달되는 전류 펄스의 타이밍을 수정하여 속도를 조절합니다.
브러시리스 ESC 시스템은 본질적으로 3상 AC 전력을 생성하며, 이는 브러시리스 모터를 작동하는 데 사용되는 가변 주파수 드라이브와 유사합니다. 이러한 모터는 효율성, 전력 출력, 수명 및 경량 구조가 뛰어나 무선 조종 항공기 애호가들 사이에서 선호됩니다. 그러나 브러시리스 DC 모터 컨트롤러는 브러시드 모터 컨트롤러보다 훨씬 더 복잡합니다.
ESC는 일반적으로 모터 권선에서 역기전력을 감지하여 모터의 회전 상태에 따라 전류 위상 전달을 조정해야 합니다. 일부 변형은 별도의 자기(홀 효과) 센서 또는 광학 감지기를 사용합니다. 프로그래밍 가능한 ESC는 종종 저전압 차단 제한, 타이밍, 가속, 제동 및 회전 방향과 같은 사용자 정의 가능한 기능을 제공합니다. 모터 역전은 ESC와 모터 사이의 두 리드를 교환하여 수행할 수도 있습니다.
ESC는 일반적으로 최대 전류 용량(예: 25A)으로 평가됩니다. 일반적으로 더 높은 등급은 더 큰 물리적 치수와 무게에 해당합니다. 이는 항공기 질량과 균형을 계산할 때 중요한 고려 사항입니다. 많은 최신 ESC는 다양한 입력 및 차단 전압으로 니켈-금속 수소화물, 리튬 폴리머 및 리튬 인산철 배터리를 지원합니다.
배터리 제거 회로(BEC)를 선택할 때, 컨트롤러에 통합되었든 독립형 장치로 사용하든, 배터리 유형과 셀 수는 중요한 요소입니다. 선형 레귤레이터는 연결된 배터리 수가 증가함에 따라 전력 등급을 감소시켜 통합 BEC가 지원할 수 있는 서보 수를 줄입니다. 스위칭 레귤레이터를 사용하는 잘 설계된 BEC는 이러한 제한을 피합니다.
대부분의 최신 ESC는 입력 신호를 해석하고 내장된 프로그램 또는 펌웨어를 통해 모터를 제어하는 마이크로컨트롤러를 통합합니다. 일부는 특정 응용 분야에 맞게 ESC를 조정하기 위해 공장 펌웨어를 오픈 소스 대안으로 교체할 수 있습니다. 특정 모델은 즉시 사용자 업그레이드 가능한 펌웨어를 지원하는 반면, 다른 모델은 프로그래머 연결을 위해 납땜이 필요합니다. 2014년 스웨덴 엔지니어 Benjamin Vedder가 시작한 VESC 프로젝트는 고급 사용자 정의 옵션과 프리미엄 ESC에 비해 상대적으로 저렴한 제작 비용으로 주목을 받았습니다.
대형 고전류 ESC는 닛산 리프, 테슬라 로드스터(2008), 모델 S/X/3, 쉐보레 볼트와 같은 전기 자동차에 광범위하게 사용됩니다. EV 에너지 소비는 일반적으로 킬로와트 단위로 측정됩니다. 닛산 리프의 160kW 모터는 최대 340Nm의 토크를 생성합니다. 대부분의 생산 EV는 관성 주행 또는 제동 중에 에너지를 포착할 수 있는 ESC를 사용하여 차량의 속도를 줄이기 위해 모터를 발전기로 사용합니다.
이 회생 제동 시스템은 포착된 에너지를 배터리를 재충전하여 주행 거리를 늘립니다. 테슬라와 같은 차량에서는 이 방법이 매우 효과적이어서 기존 브레이크는 매우 낮은 속도에서만 필요합니다. 닛산 리프와 같은 다른 차량은 관성 주행 중에 약간의 저항을 보이며, ESC는 기존 브레이크와 협력하여 완전 정지를 위해 에너지 포착을 조절합니다.
생산 EV ESC는 일반적으로 양방향 모터 작동을 허용하는 역방향 기능을 갖추고 있습니다. 일부 단일 기어 EV는 단순히 모터 방향을 반전시키는 반면, DC 모터 장착 모델은 역전을 위해 전기 스위치를 사용합니다. 다른 모델은 기존 변속기를 사용하여 역전을 위해 일정한 모터 회전 방향을 유지합니다. 특히 원래 구동계를 유지하는 개조된 차량에 편리합니다.
높은 초기 토크가 필요한 E-자전거 모터는 종종 속도 측정을 위해 홀 효과 센서를 사용합니다. 해당 컨트롤러는 일반적으로 브레이크 작동 센서, 페달 회전 센서 및 전위차계 조절 가능한 속도 설정을 통합합니다. 일부는 비례 모터 지원을 위해 페달 토크 센서를 구현하는 반면, 다른 모델은 회생 제동을 지원합니다. 이는 드문 제동과 낮은 차량 질량으로 제한됩니다. Zilog의 백서는 E-자전거용 200W, 24V 브러시리스 DC 허브 모터 컨트롤러 구현에 대해 자세히 설명합니다.
무선 조종 모델에서 ESC는 수신기 스로틀 채널에 연결되는 독립형 장치이거나 장난감 등급 RC와 같은 수신기에 통합될 수 있습니다. 일부 제조업체는 보급형 차량을 위해 두 가지를 단일 회로 기판에 결합합니다.
RC ESC는 종종 별도의 수신기 배터리를 제거하여 수신기 전압을 조절하는 BEC를 포함합니다. 이들은 1ms(모터 꺼짐)에서 2ms(최대 속도)까지의 펄스 폭을 가진 표준 50Hz PWM 신호를 허용합니다. 자동차 전용 ESC는 전기적으로 전기자를 로드하여 역방향 작동 또는 동적 제동을 특징으로 할 수 있습니다. 헬리콥터 ESC는 제동을 생략하지만(일방향 베어링으로 인해 비효율적임) 역전 기능을 유지할 수 있습니다.
고급 헬리콥터 ESC는 CCPM 기반 비행 및 쿼드콥터에 특히 유용한 고정 모터 속도를 유지하는 거버너 모드를 제공합니다. 항공기 ESC는 저전력 상황에서 제어 표면 작동의 우선 순위를 지정하여 활공 또는 저전력 복구를 가능하게 하는 안전 기능을 통합합니다.
해양 ESC는 소형, 공기 포집 하우징으로 방수 구조가 필요하며 냉각을 위해 물 순환 또는 프로펠러 유도 진공에 의존합니다. 자동차 ESC와 마찬가지로 제동 및 역방향 기능을 갖추고 있습니다.
최신 쿼드콥터(및 모든 멀티로터)는 모터에 고주파, 고해상도 3상 AC를 전달하는 소형, 고전력 ESC에 의존합니다. 광범위한 속도 제어를 통해 모든 비행 기동이 가능합니다. 표준 50Hz RC 신호와 달리 쿼드콥터 ESC는 Oneshot, Multishot 및 DShot과 같은 더 빠른 프로토콜을 지원합니다. DShot은 우수한 해상도, CRC 체크섬 및 보정 없이 발진기 안정성을 제공하는 디지털 프로토콜입니다. 최신 ESC 프로토콜은 37.5kHz 이상으로 통신할 수 있으며, DSHOT2400 프레임은 단 6.5μs 내에 완료됩니다.
대부분의 모형 기차는 트랙 또는 오버헤드 라인에서 전력을 얻는 반면(ESC를 외부에서 배치), 하나의 트랙에서 여러 기차를 허용하는 디지털 제어 시스템에는 온보드 속도 컨트롤러가 필요합니다. 더 큰 탑승형 모델(5" 또는 7" 게이지)은 일반적으로 배터리와 속도 컨트롤러를 탑재합니다.
