로봇 공학 및 드론의 효율성을 책임지는 BLDC 모터 및 통합 모터 구동기

1960년대에 개발된 브러시리스 직류(BLDC) 모터는 이전의 브러시형 직류(DC) 모터보다 효율적이며 긴 수명을 갖춘 것으로 입증되어 왔습니다. 고전력 산업용 응용 분야의 경우 동기식 교류(AC) 모터를 사용해 왔지만, 이제 다른 여러 응용 분야에서는 BLDC 모터를 사용합니다.

오늘날에는 BLDC 모터가 생활의 일부가 되었습니다. 드릴과 낙엽 송풍기 같은 배터리로 작동하는 공구, 세탁기와 프린터 등의 가전 제품, 전기 자전거와 전기 자동차에서 BLDC 모터를 사용합니다. 산업 환경에서는 동작 제어 및 자재 관리 응용 제품에 사용되며, 또한 무인 지상 차량(UGV), 드론 및 유사 무인 항공기(UAV), 수술용 로봇 및 보조 외골격 장치에도 BLDC 모터가 동력을 공급합니다.

브러시 DC 모터는 모터 권선에 전력을 전달하기 위해 금속 또는 탄소 정류자 브러시에 의존하는 반면, BLDC 모터는 비접촉식입니다. 마찰과 마모가 적기 때문에 효율성이 높아지고, 유지 보수 요구 사항이 감소되며, 모터의 수명이 연장됩니다. 또한 더 빠른 속도, 더 높은 토크, 더 높은 중량 대비 출력 비율을 제공하므로 더 우수한 성능을 발휘할 수 있습니다. BLDC 모터는 정교한 제어 시스템을 통해 거의 즉각적으로 속도나 토크를 변경하고, 정밀한 위치 지정을 제공하며, 안전성을 보장합니다.

정교한 BLDC 모터 구동기의 역할로 인해, 이러한 모터 및 그 제어 시스템은 소형화, 속도, 정밀도, 안전성, 최소한의 유지 보수가 필요한 최신 로봇 및 드론 응용 제품을 설계하는 엔지니어들이 널리 사용하고 있습니다.

BLDC 모터 기본 사항

BLDC 모터의 세 가지 구성 요소는 단순해 보이지만 실제로는 그렇지 않습니다. 고정식 고정자에는 영구 자석을 포함한 회전자를 둘러싸거나, 회전자에 의해 둘러싸이거나, 혹은 회전자와 평행하게 배치된 원주 방향으로 2 ~ 8개의 구리 권선 세트가 배치되어 있습니다(그림 1). 모터 컨트롤러가 고정자에 연결되어, 위치 데이터에 액세스하고 권선에 전력을 공급합니다.

그림 1: 3상 BLDC 모터의 컨트롤러는 고정자 권선(U, V, W)에 전력이 공급되는 방향과 극성을 전환하여 자기장 방향을 변경합니다. 영구 자석이 포함된 회전자(파란색)는 고정자의 자기장에 맞춰 회전합니다(이미지 출처: Qorvo).

고정자 권선 세트에 전력을 공급하면 자기장이 생성되며, 회전자에 있는 영구 자석이 이에 반응합니다. 반대쪽 자극 사이의 인력으로 인해 회전자가 회전합니다. 회전자가 고정자의 자기장에 정렬되기 전에, 컨트롤러는 전력이 공급되는 권선을 전환하여 자기장의 방향을 바꾸어 회전자가 계속 움직일 수 있도록 합니다.

실제로 컨트롤러가 고정자에 보내는 전류 펄스는 전류를 파형으로 나타낼 수 있는 주파수로 On에서 Off로 바뀌고 극성을 전환합니다. 그림 1에 나오는 스위칭 체계는 사다리꼴 파형으로 표현되어 있습니다. 구조상 BLDC 모터와 유사하지만 변화하는 전류를 사용해 회전자를 동기화시키는 회전 자기장을 형성하는 영구 자석 동기 모터(PMSM)를 포함한 다른 모터들은 정현파 파형을 갖습니다. 이러한 파동의 진폭과 위상을 조정하면 모터의 속도와 사용 가능한 토크가 달라집니다.

또한 컨트롤러는 홀 효과 센서나 광학 인코더와 같은 위치 센서로부터 지속적인 피드백을 받습니다. 센서가 없는 BLDC 모터에서는 통전된 권선에서 생성된 자기장에 의해 무전원 권선에서 생성되는 전류인 역기전력(BEMF)을 측정하여 회전자의 위치를 결정합니다.

모터 구동기 개발

BLDC 모터를 모니터링하고 전원을 공급하며 제어하는 데 필요한 복잡한 아키텍처를 고려할 때, 산업 환경에서 반도체 전자 장치를 사용하는 구형 BLDC 모터 컨트롤러에는 자체 캐비닛 공간 및 모터로 연결되는 두꺼운 전력 케이블 및 데이터 케이블이 반드시 필요했습니다. 점점 더 정교해지는 집적 회로(IC)로 인해, 모터 컨트롤러는 점점 얇아져 인쇄 회로 기판(PCB)에 탑재될 수 있게 되었습니다. 모터 컨트롤러는 소형화되고 있지만, 그 기능은 계속 확장되고 있습니다.

한 가지 예로, 구성 가능한 아날로그 프런트 엔드(AFE), 다양한 전원 구성에 맞게 조정되는 전력 관리 모듈, 특정 응용 제품용 모터 구동기(ASPD)를 단일 9mm x 9mm 쿼드 평면 무연(QFN) 표면 실장 장치에 결합한 Qorvo의 ACT72350 3상 BLDC 모터 구동기(그림 2)를 들 수 있습니다.

그림 2: ACT72350 통합 3상 BLDC 모터 구동기는 소형 표면 실장 패키지에 AFE 회로와 구성 가능한 전력 관리를 결합합니다(이미지 출처: Qorvo).

ACT72350의 구성 가능한 AFE에는 3개의 차동 프로그래밍 가능 이득 증폭기, 4개의 싱글 엔드 프로그래밍 가능 이득 증폭기, 2개의 10비트 디지털-아날로그 컨버터, 센서와 제어 회로 사이의 브리지 역할을 하는 10개의 비교기가 포함되어 있습니다. 또한 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 통해 외부 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)로부터 펄스 폭 변조(PWM) 제어 신호를 수신합니다.

구성 가능한 전원 관리 모듈을 통해 ACT72350은 최대 20S 표준(완충 시 공칭 72V 또는 84V)의 배터리 전원을 포함하여 25V ~ 160V 사이의 DC 입력 전압을 수용할 수 있습니다. 고전압 스위칭 공급 장치를 통해 12V 또는 15V의 안정적인 출력 전압을 제공합니다. 또한 ACT72350의 모듈과 MCU에 안정적인 5V, 200mA 전력을 공급합니다.

ACT72350의 ASPD는 하프 브리지, H 브리지 또는 3상 아키텍처로 모터를 구동할 수 있습니다(그림 3). 160V의 하이사이드 게이트 구동기 3개와 20V의 로우사이드 게이트 구동기 3개는 각각 2A(소스)/2A(싱크) 게이트 구동 기능을 갖추고 있어, 모터 속도를 높이기 위한 빠른 스위칭이 가능합니다.

그림 3: ACT72350 ASPD 모듈의 블록 다이어그램은 하이사이드 및 로우사이드 게이트 구동기를 보여줍니다. nBRAKE 핀은 외부 컨트롤러에 의해 활성화되어 안전을 위해 모터의 회전을 중지시킵니다(이미지 출처: Qorvo).

ACT72350은 BLDC 모터를 제어하는 데 필요한 전자 부품의 수를 줄여줍니다. 이 장치는 아날로그 신호 입력을 관리하고, 전력 입력을 수용 및 표준화하며, 모터를 구동하는 모듈을 하나의 소형 표면 실장 패키지에 결합한 제품입니다. 그와 동시에, ACT72350은 선택한 모든 MCU가 SPI를 통해 제어 신호를 제공할 수 있도록 하여 설계 유연성을 유지합니다.

드론 배포

드론 항공기나 기타 UAV와 같이 공간과 무게가 중요한 응용 제품의 경우, 설계의 핵심은 BLDC 모터의 제어 전자 장치를 하나의 통합 패키지와 MCU로 단순화하는 것입니다. 이러한 시스템의 설계자는 1제곱밀리미터의 공간과 1그램의 무게를 최대한 활용하기 위해 BLDC 모터를 선택하며, 모터 구동기는 그 목적에 부합해야만 합니다. BLDC 모터의 높은 중량 대비 토크 비율은 해당 모터가 드론 회전기나 프로펠러에 제공하는 동력에 비해 상대적으로 가벼움을 의미합니다. 85%이상의 에너지 효율을 제공하기 때문에, 한 번의 배터리 충전으로 더 많은 페이로드를 운반하거나 더 오랫동안 비행할 수 있습니다.

ACT72350과 같은 공간 효율적인 모터 구동기는 다양한 기능을 작은 패키지에 결합하면서도 고품질의 모터 성능을 제공합니다. 드론 및 UAV 설계자는 제어 캐비닛과 두껍고 무거운 케이블 대신 여러 개의 ACT72350, 배터리 팩, 원하는 MCU를 모두 차량에 배치할 수 있습니다. ACT72350의 고전압 게이트 구동기는 원활한 작동을 위한 고속 스위칭을 지원하여, 비행 제어 기판의 MCU가 상위 수준의 비행 제어 명령을 처리할 수 있도록 해 줍니다.

UGV에서는 공간과 무게 효율성이 그다지 중요하지 않을 수 있지만, BLDC 모터가 추진 응용 제품에서는 높은 토크 성능, 조향 응용 제품에서는 정밀한 동작을 제공하므로, 이러한 제품을 제작하는 설계자들에게 여전히 인기가 높습니다. 또한 BLDC 모터가 이러한 응용 제품에서 각광받는 이유는 유지 보수가 필요 없다는 점으로, 이는 실외 환경에서 특히 중요한 고려 사항입니다.

로봇 공학의 재구상

유지 보수의 필요가 적은 BLDC 모터는 로봇 공학 분야에서도 유리한데, 이는 고주기 응용 제품에서 장기적인 신뢰성을 제공하기 때문입니다. BLDC 모터는 산업용 로봇 팔, 외골격 장치, 재료 그리퍼 및 매니퓰레이터, 의수, 휴머노이드 컴패니언 로봇의 관절이 움직이도록 합니다.

이러한 모든 응용 제품에서, 가벼운 소형 설계의 BLDC 모터는 제품의 효율적인 작동, 높은 정밀도 및 허용 동작 범위 확장을 지원합니다. 드론에 유리한 높은 중량 대비 토크 비율 덕분에, BLDC 모터는 무게나 부피의 증가 없이 로봇 공학에 동력을 공급할 수 있습니다. 최대 2A의 소스 및 싱크 구동 기능을 각각 제공하는 통합 AFE를 갖춘 ACT72350은 여러 회전자 위치 센서의 신호를 수신하거나 BEMF를 측정하도록 설정되어, 로봇 응용 제품에서 정밀한 속도 제어를 보장합니다.

사람 근처나 고가의 물건 또는 장비 근처에서 작동하는 장비의 경우 안전이 무엇보다 중요합니다. 시스템은 AFE를 통해 전자 제품이나 주변에 있는 사람에게 위협이 될 수 있는 과열, 과전압, 과전류 조건에 즉각적으로 대응할 수 있습니다. 또한 ACT72350은 ASPD의 nBRAKE 핀을 통해 비상 제동 기능을 제공할 수도 있습니다. MCU 또는 이중화 안전 MCU에서 nBRAKE 핀으로 50µsec 신호를 보내면, 모든 하이사이드 게이트 구동기가 비활성화되고 로우사이드 게이트 구동기는 제동을 수행하며 PWM 입력은 무시됩니다.

결론

설계자는 의료, 소비자 가전 제품, 자동차, 레크리에이션, 산업 등 다양한 분야의 응용 제품을 위해 BLDC 모터를 선택합니다. 설계자가 BLDC 모터의 효율성, 토크 기능, 고속, 정밀도, 낮은 유지 보수 요구 사항이 제공하는 이점을 최대한으로 활용하려면, 아날로그 센서 입력, MCU의 디지털 명령, 다양한 전압 및 전류의 전원, 모터 권선에 전력을 공급하는 데 필요한 빠르게 전환되는 전류 펄스의 복잡한 조합을 처리할 수 있는 모터 구동기를 선택해야 합니다. 이러한 기능을 소형 패키지에 결합한 Qorvo의 ACT72350과 같은 모터 컨트롤러는 고급 응용 제품에서 BLDC 모터가 그 역할을 잘 할 수 있도록 지원합니다.