레졸버 센서

왜 배우는가: 레졸버는 전기자동차와 하이브리드자동차 구동모터의 회전자 위치를 검출하는 대표적인 센서이다. 진동과 온도 변화가 큰 구동 환경에서도 위치 신호를 안정적으로 얻어야 하므로 실무에서 원리와 특징을 함께 알아 둘 필요가 있다. 세 문항이 모두 같은 센서의 원리와 역할을 묻기 때문에 시험에서 반복하여 출제되는 개념이다.

출제 이력: 제137회 1교시 1번, 제128회 1교시 6번, 제119회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

레졸버는 회전체의 회전각과 위치를 아날로그 교류 신호로 검출하는 위치센서이다.

레졸버(Resolver)는 모터 회전자가 어느 각도에 놓여 있는지를 전기 신호로 알려 주는 회전각 검출기이다. 전기자동차와 하이브리드자동차에서는 구동모터 회전자의 위치 정보를 제어기에 전달하여, 인버터가 모터에 흘려 줄 전류의 시기와 크기를 정하도록 한다. 따라서 레졸버의 위치 신호는 구동모터 토크 제어의 출발점이 된다.

답안을 쓸 때 다음 키워드를 빠뜨리지 않는다.

• 레졸버: 회전각과 위치를 검출하는 센서 그 자체이다.
• 회전 트랜스: 고정 측과 회전 측 사이에서 접촉 없이 신호를 전달하는 구조이다.
• 스테이터(고정자): 여자 권선과 출력 권선이 배치되는 고정 측 부분이다.
• 로터: 회전 측에서 출력 권선이 감기는 회전 부분이다.
• 여자 권선: 교류 여자 전류가 흘러 회전 자계의 기준이 되는 권선이다.
• 위상차: 두 권선 신호 사이의 전기적 각도 차이이다.
• 아날로그 검출: 위치를 연속적인 전압이나 위상의 변화로 나타내는 방식이다.

2. 개념 풀이

레졸버의 정식 정의는 고정자(스테이터), 회전자(로터), 회전 트랜스의 세 요소로 구성되어 회전각에 따른 교류 신호를 출력하는 회전각 검출기이다. 이 정의의 핵심은 출력이 디지털 펄스의 수가 아니라 연속적인 아날로그 신호라는 점이다. 인코더가 변위량을 디지털 양으로 바꾸는 것과 달리, 레졸버는 같은 위치 정보를 아날로그 양으로 바꾼다.

원리는 다음과 같다. 스테이터 쪽 여자 권선에 교류 여자 전류를 흘리면 권선이 만드는 자속이 로터의 출력 권선에 전압을 유도한다. 스테이터의 여자 권선은 전기적으로 90도 위상차가 나는 2상 구조이고, 권선의 자속 분포는 각도에 대해 정현파가 되도록 배치된다. 그 결과 로터가 회전하면 출력 신호의 진폭과 위상이 회전각에 따라 바뀐다.

레졸버는 출력 신호의 위상을 측정하여 각도 변위를 구하는 방식이다. 신호 처리 단계에서는 두 출력 성분의 크기 관계로부터 회전각을 계산한다. 이 계산 과정 때문에 레졸버는 신호처리 회로가 복잡해진다는 특징을 가진다고 정리한다. 로터의 출력 권선은 단권선이나 2상 권선으로 용도에 따라 감기며, 단상 출력 형식은 하나의 출력 신호만 뽑아 쓰는 방식이다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

회전 트랜스는 회전 측과 고정 측 사이의 전자기 결합으로 신호를 주고받는 변압기 구조이다. 이 구조 덕분에 브러시를 쓰지 않는 브러시리스 형식의 레졸버를 만들 수 있다.

여자 권선은 교류 여자 전류를 받아 자속을 만드는 고정 측 권선이다. 여자 권선이 만드는 자속이 출력 권선의 신호를 결정하므로 여자 전류의 크기와 주파수가 신호 품질에 영향을 준다.

위상차는 두 권선 신호 사이의 전기적 각도 차이로, 레졸버 구조를 결정하는 핵심 변수이다. 같은 위치에서도 위상차가 달라지면 계산되는 각도가 달라지므로 위상 관계를 정확히 맞추는 것이 중요하다.

아날로그 검출은 위치를 연속량으로 표현하는 방식으로, 펄스를 세는 디지털 검출과 구분해야 한다. 레졸버를 디지털 엔코더와 같은 방식으로 생각하는 오류이다. 레졸버는 펄스 수를 세지 않고 신호의 진폭과 위상으로 각도를 얻는다.

3. 등장 배경과 필요성

구동모터를 정밀하게 제어하려면 회전자의 위치를 실시간으로 알아야 한다. 위치 정보가 정확하지 않으면 전류를 알맞은 시점에 흘리지 못하여 토크와 효율이 떨어진다. 이 필요성 때문에 위치센서는 모터 제어의 기본 구성으로 쓰인다.

위치센서로는 인코더와 레졸버가 대표적으로 쓰인다. 자기 인코더와 광학식 인코더는 디지털 펄스를 만들어 분해능이 높지만, 먼지나 결빙, 강한 외부 자계와 자성 분진의 영향을 받는다. 반면 레졸버의 특징은 다음과 같다.

• 진동과 충격에 강하여 자동차처럼 가혹한 구동 환경에 적합하다.
• 사용 온도 범위가 넓어 고온에서도 동작할 수 있다.
• 장거리 전송이 가능하고 형상을 소형화하기 쉽다.
• 신호처리 회로가 복잡하고 로터리 인코더에 비해 고가이다.