산업 응용 분야에서 BLDC 모터의 토크와 속도를 정확히 제어하는 방법

브러시리스 DC(BLDC) 모터는 산업 생산 현장의 필수 요소이며, 서보, 액추에이션, 포지셔닝 및 가변 속도 응용 분야에 주로 사용됩니다. 이러한 응용 분야에서는 정밀한 동작 제어와 안정적인 작동이 매우 중요합니다. BLDC는 움직이는 자기장의 원리에 따라 작동하여 모터의 토크를 생성하므로 산업용 BLDC 시스템을 설계할 때 주요 제어 과제는 모터의 토크와 속도를 정확히 측정하는 것입니다.

BLDC 모터의 토크를 캡처하려면 다중 채널 동시 샘플링 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 사용하여 세 유도 상전류 중 둘을 동시에 측정해야 합니다. 적합한 알고리즘을 갖춘 마이크로 컨트롤러가 세 번째 순간 상전류를 계산합니다. 이 프로세서에서는 모터의 상태를 보여주는 정확한 순간 스냅샷을 찍습니다. 이는 강력한 고정밀 모터 토크 제어 시스템 개발의 주요 단계입니다.

이 기사에서는 필수 션트 저항기를 구현하는 비용 효율적인 방법을 비롯하여 정밀한 토크 제어와 관련한 문제를 간략히 살펴봅니다. 그런 다음 Analog Devices의 AD8479 정밀 차동 증폭기와 AD7380 이중 샘플링 연속 근사화 레지스터 ADC(SAR-ADC)를 소개하고, 강력한 시스템 설계를 위해 이러한 장치를 사용하여 정확한 위상을 측정하는 방법을 보여줍니다.

BLDC 모터 작동 방법

BLDC 모터는 역기전력(EMF) 파형을 사용하는 영구 자석 동기식 모터입니다. 관찰된 단자 역 EMF는 일정하지 않으며 회전자의 속도와 토크에 따라 변경됩니다. DC 전압원은 BLDC 모터를 직접 구동하지 않지만 기본 BLDC 작동 원리는 DC 모터와 비슷합니다.

BLDC 모터에는 영구 자석이 달린 회전자와 유도 권선을 포함하는 고정자가 있습니다. 이 모터 유형은 기본적으로 브러시와 정류자를 제거한 후 권선을 제어 전자 기기에 직접 연결하여 뒤집어 놓은 DC 모터입니다. 제어 전자 기기가 정류자 기능을 대체하고 필요한 동작을 위해 권선에 올바른 순서로 동력을 공급합니다. 동력이 공급된 권선은 고정자 주위를 동기화되고 균형된 패턴으로 회전합니다. 구동된 고정자 권선은 회전자 자석을 리드하고 회전자가 고정자에 정렬되면 전환됩니다.

BLDC 모터 시스템은 모터의 세 권선에서 전류를 생성하는 3상 센서리스 BLDC 모터 구동기가 필요합니다(그림 1). 3상 센서리스 구동기에 안정적인 전력을 공급하는 유입 전류 제어를 사용하여 디지털 역률 보정(PFC) 단계를 통해 회로를 공급합니다.

그림 1: 모터 제어 시스템은 전력 안정화를 위한 PFC, BLDC 모터 권선용 3상 센서리스 구동기, 션트 저항기, 전류 감지 증폭기, 동시 증폭기 ADC, 마이크로 컨트롤러로 구성됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

세 여기 전류는 각각 권선에 동력을 공급하여 위상을 생성하고, 각각 최대 360°를 더하는 상이한 위상을 사용하여 BLDC 모터를 구동합니다. 상이한 위상 값은 중요합니다. 세 레그의 여기 합계가 360°로 유지되므로 360°로 균등하게 균형 조정됩니다(예: 90° + 150° + 120°).

시스템의 세 권선 전류가 항상 모두 알려져 있어야 하지만 균형된 시스템에서는 이를 위해 세 권선 중 두 개의 전류만 측정해야 합니다. 세 번째 권선은 마이크로 컨트롤러를 사용하여 계산합니다. 두 권선은 션트 저항기와 전류 감지 증폭기를 사용하여 동시에 감지됩니다.

신호 경로의 끝에는 디지털 측정 데이터를 마이크로 컨트롤러에 전송하는 이중 동시 샘플링 ADC가 필요합니다. 각 여기 전류의 크기, 위상 및 타이밍에 따라 정밀 제어에 필요한 모터 토크 및 속도 정보가 제공됩니다.

PC 기판 구리 저항기를 사용하여 전류 감지

이런 정밀한 측정 및 데이터 취득 설계에서 고려해야 할 많은 사항이 있지만, 공정은 프런트 엔드에서 BLDC 모터 권선 신호를 감지하는 효과적이고 경제적인 방법을 개발하는 것에서 시작됩니다. 이렇게 하려면 값이 작은 인라인 PC 기판 저항기(R_SHUNT)를 배치하고 전류 감지 증폭기를 사용하여 이 소형 저항기를 통한 전압 강하를 감지합니다(그림 2). 저항기 값이 충분히 낮다고 가정하면 전압 강하도 낮으므로 측정 전략이 모터 회로에 미치는 영향이 최소화됩니다.

그림 2: 전류 션트 저항기(R_SHUNT)를 사용하여 고정밀 증폭기로 순간 모터 위상을 측정하는 모터 위상 감지 시스템, 예: Analog Devices의 AD8479 및 고분해능 ADC(AD7380). (이미지 출처: DigiKey)

그림 2에서 전류 감지 증폭기는 I_PHASE x R_SHUNT의 순간 전압 강하를 캡처합니다. 그러면 SAR-ADC에서 이 신호를 디지털화합니다. 션트 전류 저항기 선택 값에는 R_SHUNT, V_SHUNT, I_SHUNT 및 증폭기 입력 오차 간의 상호 작용이 포함됩니다.

R_SHUNT가 증가하면 V_SHUNT도 증가합니다. 따라서 증폭기의 전압 오프셋(V_OS) 및 입력 바이어스 전류 오프셋(I_OS) 오차의 중요도가 감소합니다. 하지만 큰 R_SHUNT에서 I_SHUNT x R_SHUNT 전력 손실로 인해 시스템의 전력 효율이 감소됩니다. 또한 I_SHUNT x R_SHUNT 내전력이 자가 가열 조건을 생성하여 공칭 R_SHUNT 저항이 변경될 수 있으므로 R_SHUNT의 전력 등급이 시스템의 신뢰성에 영향을 줍니다.

R_SHUNT의 경우 다양한 벤더에서 특수 목적 저항기를 제공하고 있습니다. 하지만 경제적인 대안은 레이아웃 기술을 신중하게 사용하여 R_SHUNT에 대한 PC 기판 트레이스 저항을 제조하는 것입니다(그림 3).

그림 3: 신중한 PC 기판 레이아웃 기술은 적절한 R_SHUNT 값을 생성하는 비용 효율적인 방법입니다. (이미지 출처: DigiKey)

R_SHUNT에 대한 PC 기판 트레이스 계산

산업 응용 분야에서는 온도가 극단적일 수 있으므로 기판 션트 저항기 설계에서 온도를 고려하는 것이 중요합니다. 그림 3에서 20°C일 때 구리 PC 기판 트레이스 션트 저항기의 온도 계수(α₂₀)는 약 +0.39%/°C입니다(계수는 온도에 따라 달라짐). 길이(L), 두께(t), 폭(W) 및 저항성(rñ)에 따라 PC 기판 트레이스 저항이 결정됩니다.

PC 기판에 1oz 구리(Cu)가 함유되어 있고, 두께(t)는 1인치의 1370분의 1이고, 저항성(r)은 인치당 0.6787µW인 경우 PC 기판 트레이스 면적은 트레이스 정사각형(•)으로 측정됩니다. 즉 L/W의 면적입니다. 예를 들어, 폭이 0.25인치인 2인치 트레이스는 8 • 구조입니다.

위의 변수를 적용할 때 실내 온도에서 PC 기판 1oz Cu 트레이스 저항 R_•은 (방정식 1)을 사용하여 계산합니다.

방정식 1

T = 저항기의 온도

예를 들어, 1oz에서 BLDC 모터 레그당 1A(최대값) 전류부터 시작합니다. R_SENSE 길이(L)가 1인치이고 트레이스 폭이 50mil(0.05in.)인 Cu PC 기판의 20°C에서 R_SHUNT는 방정식 2 및 3을 사용하여 계산할 수 있습니다.

방정식 2

방정식 3

1A 션트 전류에서 이 저항기의 내전력은 방정식 4를 사용하여 계산합니다.

방정식 4

순간 샘플링 ADC 변환

그림 2에서 ADC는 위상 주기의 한 지점에서 전압을 디지털 표현으로 변환합니다. 세 권선의 순간 상전압이 모두 이 측정에 포함되어야 합니다. 앞서 언급한 데로 세 권선 중 두 개만 측정해야 하는 균형된 시스템이므로, 외부 마이크로 컨트롤러는 세 번째 권선의 상전압을 계산합니다.

이 모터 제어 시스템에 적절한 ADC는 AD7380 이중 순간 샘플링 SAR-ADC입니다(그림 4).

그림 4: 빠른 저잡음 이중 순간 샘플링 SAR-ADC(예: AD7380)는 두 모터 권선의 순간 사진을 캡처할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 4에서 AD8479는 3상 센서리스 구동기의 폭넓은 전류 구동 과도 출력을 견디기 위해 매우 높은 입력 공통 모드 전압 범위(±600V)를 지원하는 정밀 차동 증폭기입니다. AD8479의 특성은 전기적 분리가 필요하지 않은 응용 제품에서 고가의 절연 증폭기를 대체할 수 있다는 점입니다.

또한 AD8479의 주요 특성에는 낮은 오프셋 전압, 낮은 오프셋 전압 드리프트, 낮은 이득 드리프트, 낮은 공통 모드 제거율 드리프트, 신속한 모터 변경을 수용하는 탁월한 공통 모드 제거율(CMRR)이 포함됩니다.

AD7380/AD7381은 최대 4Msamples/s의 처리 속도를 제공하는 각각 16비트/14비트 이중 순간 샘플링 고속 저전력 SAR-ADC입니다. 차동 아날로그 입력에서는 폭넓은 공통 모드 입력 전압을 허용합니다. 버퍼링된 내부 2.5V 레퍼런스(REF)가 포함되어 있습니다.

토크와 속도를 정밀하게 제어하기 위해 이중 순간 샘플링 SAR-ADC 구조에서는 전류 감지 증폭기의 출력에 대한 순간 캡처를 수행합니다. 이를 위해 AD7380/AD7381에는 순간적으로 클록되는 두 개의 동일한 내부 ADC가 있습니다. 또한 각 ADC에는 정전 용량 전하 재배포 네트워크를 사용하는 정전 용량 입력 단계가 있습니다(그림 5).

그림 5: AD7380의 두 채널 중 하나에 대한 ADC 변환 단계를 보여줍니다. S_W3이 열리고 S_W1 및 S_W2가 닫히면 신호 취득이 시작됩니다. 그러면 C_S 통과 전압이 A_INx+ 및 A_INx-로 변경되어 비교기 입력이 불균형 상태가 됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 5에서 V_REF 및 접지는 샘플링 커패시터 C_S를 통과하는 초기 전압입니다. S_W3를 열고 S_W1 및 S_W2를 닫아서 신호 취득을 시작합니다. S_W1 및 S_W2가 닫히면 샘플링 커패시터 C_S를 통과하는 전압이 A_INx+ 및 A_INx-의 전압에 따라 변경되어 비교기 입력이 불균형 상태가 됩니다. 그러면 SW1 및 SW2가 열리고 C_S를 통과하는 전압이 캡처됩니다.

C_S 전압 캡처 공정에는 디지털 아날로그 컨버터(DAC)가 포함됩니다. DAC는 C_S에서 고정된 양의 전하를 더하고 빼서 비교기를 다시 균형된 상태로 전환합니다. 그러면 변환이 완료되고 S_W1 및 S_W2가 열리고 S_W3이 닫혀서 잔류 전하를 제거하고 다음 샘플링 주기를 준비합니다.

DAC 변환 시간 동안 제어 논리는 ADC 출력 코드를 생성하고 직렬 인터페이스를 통해 장치에서 데이터에 액세스합니다.

결론

BLDC 모터 토크와 속도를 정확히 측정하려면 가장 먼저 정확한 저비용 션트 저항기가 필요합니다. 위에서 살펴본 바와 같이 PC 기판 트레이스를 사용하여 비용 효율적으로 구현할 수 있습니다.

설계자는 AD8479 전류 감지 증폭기 및 AD7380 순간 샘플링 SAR-ADC 조합에 션트 저항기를 추가하여 환경적으로 열악한 제어 응용 분야를 위한 강력한 고정밀 토크 및 속도 제어 시스템 측정 프런트 엔드를 생성할 수 있습니다.