DC모터의 속도를 pwm으로 어떻게 조절하는가?

모든 모터의 속도를 조절하는 것이 다 그렇지만 직류 전기로 모터 속도를 조절하는 것도 상당히 어려운
기술중의 하나 입니다.
간단하게 DC 모터의 속도를 조절 하는 것으로는 전원과 모터로의 중간에 가변 저항기를 넣어서
이 저항(보륨)을 조절하면 모터로 흐르는 전류가 가변되게 되므로 모터의 속도 역시 조절되게 됩니다.
그러나 이런 방식은 예를들어 배터리의 전기를 모터에 50%의 전력만 공급 되게 할때 모터는 보륨의 조절에
의해서 50%의 출력을 내게되나 나머지 50%의 전력은 어디로 가는가 하면 보륨의 저항에 의한 열 손실로
소비 되 버리고 맙니다.

이럴때 결과적으로 소스에서 내보낸 100%의 전력 중에서 50%는 보륨에서 열로 손실되고
모터는 50%의 출력을 내게 되므로 전력을 매우 비 효율적으로 사용하는 것으로 됩니다.
보륨을 끝까지 돌렸을때는 100%의 효율로 모터가 가동되나 10%의 출력만을 내고자 할때는 90%의 전력이
보륨에서 낭비 되게 되므로 이런 간단한 방식의 조절 방법은 안 되는 것으로
PWM 방식 이라는 어려운 제어 방법을 쓰게 됩니다.

PWM 방식이라는 것은 Puls Width Modulation 의 약자로 펄스폭 변조를 말 합니다.
여기에서 모터에 전류를 공급하는 과정이. t1 의 시간 동안은 스위치를 on. t2 의 시간 동안은 스위치를 off
보륨 등의 가변으로 인한 외부의 소스 전압에 따라 t1의 시간이 조절되게 되는데 조절되는 정도는 t1 의 시간이
0~100% 까지 조절 되도록 되어 있고 t1 이 on/off 1주기 중에서 5%의 기간이라면 그 평균치는 5%이고
100%가 열려 있다면 당연히 100%가 됩니다. t1 의 시간 동안에 배터리에서 모터로 대 전류를 공급/차단하는
역할을 하는 FET 라는 반도체 소자를 제어하게 됩니다.

이런 식으로 모터에 흐르는 전류를 주기적으로 시간에(t1+t1) 변화하는 t1 의 %에
해당하는 만큼만 모터에 전력을 공급 하게되면 순간적으로는 모터에 100%의 전기를 공급하는 것이긴 하나
t1+t2 의 1주기는 약 20khz 의 주파수로 사람의 가청 대역을 벗어나는 높은 주파수로 되어 있고 그 시간이
매우 빠르기 때문에 모터가 반응하는 속도는 기계적으로 한계가 있으므로 t1 의 평균치에 해당하는 많큼의
출력을 일정하게 나타내게 되고 전자적인 스위치의 on/off 동작만을 반복하게 되므로 보륨 저항과 같이
열 손실이 없이 반도체의 극히 미약한 내부 저항에 의한 열 손실만으로모터속도 조절의 목적을 달성하게 됩니다
이때의 컨트롤러에서의 제어 효율은 모터속도 0~100% 까지의 전 영역에 걸쳐서 95% 이상의 높은 효율을
나타내게 됩니다.

여기에서 발생되는 문제점은 제어하는 회로가 비교적 복잡하고 가격이 비싸게 되고 모터 전류를 단속 하면서
고압의 펄스가 발생 되므로 노이즈를 발생키도 하고 모터의 코일과 철심의 재료가 좋지 않을 경우 모터에서
pwm으로 변조된 고주파를 받아 들이는 과정에서 공급된 전력의 일부가 철손 동손으로 손실 되기는 하지만
그 정도는 그리 크지 않다고 할수 있습니다.