FOC(Field-Oriented Control)는 3상 모터의 전류를 회전자 자속과 함께 도는 좌표계로 바꿔 자속 성분과 토크 성분을 따로 제어하는 방법입니다. BLDC와 PMSM을 쓰는 로봇 관절에서 빠른 전류·토크 루프의 중심이 됩니다. 전류 센서, 회전자 전기각, 모터 파라미터와 PWM 지연이 맞지 않으면 같은 알고리즘도 진동과 발열을 만듭니다.
FOC는 자속 전류와 토크 전류를 분리한다
3상 전류는 고정된 a·b·c 축에서 시간에 따라 변합니다. FOC는 Clarke 변환으로 이를 고정 2축으로, Park 변환으로 회전자와 함께 도는 d·q축으로 바꿉니다. 표면형 PMSM에서는 보통 q축 전류가 토크를, d축 전류가 자속을 주로 담당합니다.
제어기는 목표 d·q 전류와 측정값의 오차를 PI 제어하고, 역변환과 공간벡터 PWM으로 인버터 스위치 시간을 만듭니다. 이 과정이 위치·속도 루프보다 훨씬 빠르게 반복돼야 상위 제어가 요청한 토크가 지연 없이 만들어집니다.
전류 측정에서 모터 토크까지 이어지는 폐루프
상전류 측정에서는 두 개 또는 세 개의 전류 센서로 모터 상전류를 샘플링합니다. 전기각 계산에서는 엔코더 기계각과 극쌍 수, 오프셋으로 회전자 자속 방향을 구합니다. 좌표 변환에서는 Clarke·Park 변환으로 전류를 d축과 q축 성분으로 나눕니다.
전류 제어에서는 PI 제어기가 목표 자속·토크 전류에 맞는 전압 명령을 계산합니다. PWM 출력에서는 역변환과 인버터가 3상 전압을 만들고 모터 토크가 다시 전류에 반영됩니다.
서보모터 안에서 FOC가 맡는 위치
서보모터 내부에는 모터와 기어, 위치 피드백이 함께 있습니다. FOC는 기어를 직접 제어하지 않고 모터 전류와 토크를 빠르게 만들며, 감속기 뒤 관절 각도는 더 바깥 위치·속도 루프에서 다룹니다.
모터 엔코더와 출력 엔코더가 모두 있는 관절에서는 FOC가 모터측 전기각을 사용하고 상위 제어는 출력측 오차를 사용할 수 있습니다. 두 좌표계와 기어비를 혼동하면 방향과 스케일 오류가 생깁니다.
Clarke·Park 변환을 물리적으로 이해하는 방법
전기각에서는 기계각에 극쌍 수를 곱하고 영점 오프셋을 더해 자속 방향을 맞춥니다. q축 전류에서는 자석 자속과 직교하는 전류 성분이 주 토크를 만듭니다.
d축 전류에서는 표면형 PMSM에서는 보통 0 근처로 두고 고속 약계자에서 음의 값을 사용할 수 있습니다. 전압 여유에서는 속도가 올라 역기전력이 커지면 버스 전압 한계가 전류 추종과 최대 속도를 제한합니다.
육스텝 구동과 FOC는 토크 리플에서 차이가 난다
육스텝 구동은 구현이 단순하지만 상전환마다 토크 리플이 커질 수 있습니다. FOC는 계산과 센서 요구가 늘어나는 대신 저속 토크와 소음, 효율을 정교하게 다룹니다.
로봇 관절처럼 저속에서 큰 토크와 부드러운 움직임이 필요한 경우 FOC가 일반적입니다. 팬처럼 토크 리플 영향이 작은 부하는 단순 구동이 비용 면에서 유리할 수 있습니다.
| 기준 | 육스텝 구동 | FOC | 로봇 관절 영향 |
|---|---|---|---|
| 전류 파형 | 구간별 상전환 | 회전 좌표계 연속 제어 | 저속 부드러움 차이 |
| 토크 리플 | 상대적으로 큼 | 센서·모델이 맞으면 작음 | 진동·소음·촉각 품질 |
| 필요 정보 | 홀 센서 등 단순 위치 | 정밀 전기각·전류 | 엔코더와 보정 필요 |
| 계산·튜닝 | 단순 | 변환·PI·PWM 동기화 | 실시간 제어기 성능 요구 |
FOC 사양과 로그에서 확인할 값
FOC 성능은 제어 주파수 하나로 설명되지 않습니다. 전류 센서 대역폭과 오프셋, PWM과 ADC 샘플링 시점, 엔코더 지연을 함께 봐야 합니다.
토크 상수는 모터 데이터시트 값과 실제 조립 후 값이 다를 수 있습니다. 감속기 마찰과 열을 분리하려면 모터축과 출력축 시험을 나눕니다.
| 항목 | 확인 값 | 이상 징후 | 검증 방법 |
|---|---|---|---|
| 전류 루프 | 주기·대역폭·위상 여유 | 고주파 진동·추종 지연 | 전류 계단·주파수 응답 |
| 전기각 | 극쌍·방향·오프셋 | 토크 저하·과전류·발열 | 저전류 정렬·역기전력 비교 |
| 전류 센서 | 오프셋·게인·샘플 시점 | 0토크 전류·상별 불균형 | 무전류 영점·기준 계측기 |
| 전압 여유 | 버스 전압·변조율 | 고속 토크 급락 | 속도별 전류 추종 로그 |
전기각과 모터 파라미터를 맞추는 순서
배선과 방향 확인에서는 상순서·엔코더 방향·기계각 증가 방향을 낮은 전압에서 맞춥니다. 전류 센서 보정에서는 PWM을 끈 상태에서 오프셋과 상별 게인을 측정합니다. 전기각 정렬에서는 정해진 d축 전류로 회전자를 정렬하고 오프셋·극쌍을 확인합니다.
전류 PI 튜닝에서는 모터 저항·인덕턴스와 제어 주기를 기준으로 작은 계단부터 조정합니다. 토크·속도 확장에서는 부하 장치에서 속도와 토크 범위를 넓히며 전압 포화와 열을 확인합니다.
소음·발열·진동으로 나타나는 설정 오류
극쌍 수 오류에서는 전기각이 실제 자속과 어긋나 토크가 작고 전류만 커집니다. ADC 시점 오류에서는 스위칭 노이즈 구간에서 전류를 읽어 루프가 흔들립니다. PI 과도 설정에서는 지연과 인버터 포화를 무시해 고주파 소음과 과전류가 생깁니다.
상전류 오프셋에서는 0토크에서도 q축 전류가 남아 관절이 서서히 움직이거나 뜨거워집니다. 전압 포화 무시에서는 고속에서 PI 적분이 쌓여 토크 복구 때 큰 과도 응답이 생깁니다.
오실로스코프와 토크 센서로 검증하는 방법
무부하 영점에서는 토크 명령 0에서 상전류와 관절 드리프트를 확인합니다. 전류 계단에서는 작은 q축 명령의 상승 시간·오버슈트·정착을 기록합니다. 토크 상수에서는 로드셀 토크와 q축 전류 관계를 여러 온도에서 측정합니다.
속도 스윕에서는 역기전력과 전압 포화가 시작되는 지점을 찾습니다. 열 포화에서는 대표 작업 주기에서 권선·드라이버 온도와 토크 저하를 확인합니다.
전류 루프가 위치·속도 제어를 받치는 구조
FOC의 q축 전류 명령은 바깥 속도 루프 또는 토크 제어기에서 옵니다. 안쪽 전류 루프가 충분히 빠르고 정확해야 위치·임피던스·전신 제어가 예상한 관절 토크를 얻을 수 있습니다.
도식은 센서에서 변환, PI 제어, PWM과 모터로 이어지는 한 주기의 경로를 보여 줍니다. 각 블록 사이의 지연과 스케일을 기록하면 소프트웨어와 하드웨어 오류를 구분하기 쉽습니다.
센서리스 FOC를 모든 관절에 적용하기 어려운 이유
BLDC와 PMSM이라는 이름은 역기전력 파형과 구동 방식 맥락에서 다르게 쓰일 수 있습니다. 실제 모터의 자석 배치와 역기전력, 제조사 권장 제어를 확인해야 합니다.
고전압·대전류 인버터 시험은 감전과 화재, 예기치 않은 회전 위험이 있습니다. 전류 제한, 기계 고정, 비상 정지와 절연 계측을 갖춘 환경에서 진행해야 합니다.
모터와 관절 제어 글로 이어 읽기
이 주제를 더 넓게 이해하려면 로봇 프레임리스 모터, 위치·속도·토크 제어, 관절 액추에이터 성능 시험를 함께 읽는 편이 좋습니다. 각 글은 부품, 제어, 데이터 계층을 서로 다른 질문으로 나누어 설명합니다.
본문의 기술 범위는 다음 1차 자료를 기준으로 확인했습니다. Microchip PMSM FOC 안내은 PMSM의 FOC 구성과 모터 제어 자료를 제공합니다. TI DesignDRIVE 모터 제어 자료은 실시간 전류 제어와 산업용 인버터 구현 자료를 제공합니다. SimpleFOC 오픈소스 문서은 Clarke·Park 변환과 전압·전류 FOC 흐름을 공개 구현과 함께 설명합니다. 수치와 적용 범위는 각 자료의 시험 조건을 벗어나 일반화하지 않았습니다.
FOC 모터 제어에서 자주 묻는 질문
FOC가 토크 제어와 같은 말인가요?
FOC는 모터 전류를 자속·토크 축으로 제어하는 안쪽 방법입니다. 관절 토크 제어는 감속기와 센서, 상위 루프까지 포함합니다.
BLDC도 FOC로 제어할 수 있나요?
가능합니다. 실제 역기전력과 자석 구조, 센서 정보를 확인하고 사인파 전류 제어가 적합한지 판단합니다.
엔코더 없이 FOC를 할 수 있나요?
센서리스 추정이 가능하지만 정지·저속에서 관측성이 떨어질 수 있어 로봇 관절에는 별도 위치 센서를 쓰는 경우가 많습니다.
d축 전류는 항상 0인가요?
표면형 PMSM의 기본 운전에서는 0 근처가 흔하지만 매입형 자석 모터의 최대 토크 제어나 고속 약계자에서는 달라질 수 있습니다.
FOC 튜닝에서 가장 먼저 볼 것은 무엇인가요?
전류 센서 오프셋과 상순서, 전기각 방향·극쌍·영점을 먼저 맞춘 뒤 전류 PI를 조정해야 합니다.
마지막 확인: 2026년 7월 25일. 본문은 FOC의 일반 구조를 설명하며 특정 인버터의 전기 안전 절차를 대신하지 않습니다. 실제 시험은 제조사 정격과 고전압 안전 절차를 따라야 합니다.