# 벡터 제어

벡터 제어(Vector Control), 또는 자기장 지향 제어(Field-Oriented Control, FOC)는 전기 모터, 특히 유도 전동기 영구 자석 동기 전기(PMSM) 고성능 제를 위해 널리 사용되는 기입니다. 이 제 방식은 모터의 토크와 자기장을 독립적으로 제어할 수 있도록여, 직류C) 모터와 유사한 응답 특성을 교류(AC) 모터에서도 구현할 수 있게 해줍니다. 자동차, 산업용 드라이브, 전기차(EV), 로봇 등 다양한 분야에서 핵심 기술로 활용되고 있습니다.

## 개요

전기 모터는 전력을 기계적 동력으로 변환하는 장치로, 자동차의 파워트레인, 공장의 생산 라인, 가전제품 등에서 핵심적인 역할을 합니다. 특히 전기차의 등장과 함께 모터 제어 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있으며, 그 중에서도 **벡터 제어**는 고정밀, 고효율 제어를 가능하게 하는 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다.

기존의 V/f 제어(Voltage/Frequency Control) 방식은 간단하고 저렴하지만, 동적인 부하 변화에 대한 응답이 느리고 토크 제어 정밀도가 낮다는 단점이 있습니다. 반면 벡터 제어는 모터 내부의 자기장과 토크 성분을 분리하여 독립적으로 제어함으로써, **고속 응답**, **정밀한 토크 제어**, **넓은 속도 제어 범위**를 실현할 수 있습니다.

## 벡터 제어의 원리

벡터 제어의 핵심은 **모터의 3상 교류 전류를 직류 성분으로 변환하여 마치 DC 모터처럼 제어한다**는 개념입니다. 이를 위해 다음과 같은 수학적 변환이 사용됩니다.

### 1. Clarke 변환과 Park 변환

- **Clarke 변환**: 3상(abc) 교류 신호를 2상 고정 좌표계(α-β)로 변환합니다. 이는 3상 시스템의 대칭성을 활용하여 계산을 단순화합니다.
- **Park 변환**: α-β 좌표계에서 회전하는 동기 좌표계(d-q)로 변환합니다. 여기서:
  - **d축**(direct axis): 자기장 성분을 나타냅니다.
  - **q축**(quadrature axis): 토크 성분을 나타냅니다.

이 변환을 통해 모터의 전류를 **자기장 생성 전류**(Id)와 **토크 생성 전류**(Iq)로 분리할 수 있습니다. 이 두 성분을 각각 제어함으로써 토크와 자기장을 독립적으로 조절할 수 있게 됩니다.

### 2. 제어 구조

벡터 제어 시스템은 일반적으로 다음과 같은 블록 구조를 가집니다:

1. **전류 센서**: 모터의 3상 전류를 측정
2. **좌표 변환**: Clarke 및 Park 변환을 통해 d-q 전류 성분 산출
3. **PI 제어기**: 목표 토크와 실제 토크의 오차를 보정 (Iq 제어), 자기장을 유지 (Id 제어)
4. **역 Park 변환**: 제어된 전압 명령을 α-β 좌표계로 변환
5. **PWM 생성**: 인버터에 입력될 PWM 신호 생성 (예: SVPWM)

## 벡터 제어의 종류

벡터 제어는 자기장을 추정하는 방식에 따라 두 가지 주요 유형으로 나뉩니다.

### 1. 직접 벡터 제어(Direct Vector Control)

- **회전 변압기**(Resolver) 또는 **엔코더**와 같은 위치 센서를 사용하여 모터의 정확한 각도를 측정합니다.
- 자기장 방향을 직접 추정하므로 제어 정밀도가 매우 높습니다.
- 주로 고성능 애플리케이션(예: 전기차, 산업용 로봇)에 사용됩니다.

### 2. 간접 벡터 제어(Indirect Vector Control)

- 센서 없이 모델 기반 추정 또는 전류/전압 정보를 이용해 자기장 방향을 추정합니다.
- 센서가 없어 시스템 비용이 낮고, 유지보수가 쉬우나 정밀도가 직접 방식보다 낮을 수 있습니다.
- 무센서 제어(Sensorless Control) 기술과 결합되어 널리 사용됩니다.

## 자동차 응용 분야

벡터 제어는 전기차의 **모터 드라이브 시스템**에서 핵심적인 역할을 합니다.

### 전기차 추진 모터 제어

- 전기차의 영구 자석 동기 모터(PMSM) 또는 유도 모터는 벡터 제어를 통해:
  - 저속에서 고토크 출력
  - 고속 영역에서의 효율적인 운전
  - 회생 제동 시 정밀한 에너지 회수
- 특히, **가속 응답성**, **주행 안정성**, **배터리 효율 향상**에 기여합니다.

### 열 관리 시스템

- 전기차 내부의 냉각 펌프, 에어컨 컴프레서 등에도 벡터 제어 인버터가 적용되어 효율적인 운전이 가능합니다.

## 장점과 단점

| 항목 | 설명 |
|------|------|
| **장점** | - 고정밀 토크 제어 가능<br>- DC 모터 수준의 동적 응답<br>- 넓은 속도 제어 범위<br>- 높은 효율성 |
| **단점** | - 알고리즘 복잡성 (좌표 변환, PI 제어 등)<br>- 고성능 마이크로컨트롤러 또는 DSP 필요<br>- 센서 기반 시스템은 비용 증가 |

## 관련 기술 및 참고 자료

- **SVPWM**(Space Vector Pulse Width Modulation): 벡터 제어와 함께 사용되는 고효율 PWM 기법
- **무센서 제어**(Sensorless Control): 위치 센서 없이 회전 각도를 추정하는 기술
- **DTC**(Direct Torque Control): 벡터 제어와 유사하지만 자기장과 토크를 직접 제어하는 방식

### 참고 문헌
- Bose, B. K. (2006). *Power Electronics and Motor Drives: Advances and Trends*. Academic Press.
- Kim, T. H., & Ehsani, M. (2004). "Hybrid Electric Vehicles: Driving Mechanism and Control Issues", *IEEE Control Systems Magazine*.
- IEC 60193: Rotating electrical machines – Vector control of variable speed AC drives.

벡터 제어는 현대 자동차, 특히 전기차의 성능과 효율을 결정짓는 핵심 기술로서, 지속적인 연구와 발전이 이루어지고 있습니다.