구동 IC를 통합 마이크로 컨트롤러와 함께 사용하여 신속하게 모터 제어기 설계 구현

자동차, 로봇 공학, 산업 제어, 항공기와 같은 응용 분야에서 모터 사용이 꾸준히 증가하고 있습니다. 하지만 모터 전자 기기는 기본적으로 무겁고, 크고, 비효율적이며, 높은 구동 전압이 수반되므로 작동하기 어렵습니다. 설계자의 입장에서 볼 때 낮은 BOM 비용, 높은 효율, 실장 면적이 작은 전자 기기, 우수한 유연성, 빠른 출시 시간에 대한 요구가 증가함에 따라 높은 수준의 통합과 사용 편의성이 필요하게 되었습니다.

이 기사에서는 마이크로 컨트롤러가 내장된 STMicroelectronics의 STSPIN32F32F060x SiP(시스템 인 패키지) 3상 모터 컨트롤러 제품군을 소개하고, 이 제품군을 사용하여 설계, 비용 및 출시 시간 과제를 해결할 수 있는 방법을 알아봅니다.

3상 모터 구동 방법

3상 모터를 성공적으로 구동하려면 설계 시 다음과 같은 몇 가지 하드웨어 블록을 내장해야 합니다.

• 마이크로 컨트롤러
• 모터 구동 IC
• 고전압 MOSFET 또는 IGBT(실제 스위칭 수행)

기존의 모터 컨트롤러 설계에는 보통 세 블록 모두에 전용으로 사용되는 pc 기판 섹션이 있습니다. 일반적으로 마이크로 컨트롤러는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 모터 구동 IC에 전송합니다. 그러면 모터 구동 IC는 모터 컨트롤러의 출력에서 생성되는 출력 전류 및 전압과 함께 이러한 신호를 모니터링하여 MOSFET을 구동합니다. 또한 마이크로 컨트롤러는 I²C 또는 SPI 버스를 통해 모터 구동 IC와 통신하여 맞춤형 특징 및 기능을 활성화하거나, 6개 정도의 이산 소자 GPIO 신호를 사용하여 브리지 동작을 제어할 수 있습니다.

오늘날 개발 주기에서 외부 브리지 구동기 IC는 비용과 복잡성을 높일 뿐만 아니라 다른 용도로 사용될 수 있는 마이크로 컨트롤러의 입/출력(I/O) 신호는 물론이고, 소중한 pc 기판 공간을 차지한다는 문제점이 있습니다. 그러나 새로운 방식의 통합 마이크로 컨트롤러 및 브리지 회로는 모터 제어기 응용 분야를 간소화하면서, 동시에 BOM 비용을 절감하고 pc 기판 표면적을 최소화하고 있습니다.

STSPIN32F060x를 사용하는 이유

이 클래스는 600V 3중 하프브리지 게이트 구동기를 탑재한 STM32F031x6x7 Arm® Cortex®-M0 마이크로 컨트롤러가 내장된 STMicroelectronics STSPIN32F060x SiP 계열 부품으로 대표됩니다(그림 1). 각 하프브리지를 사용하여 브러시리스 DC(BLDC) 모터의 각 위상에서 MOSFET 또는 IGBT를 구동할 수 있습니다.

그림 1: STM32F060x는 STM32F031 Arm Cortex-M0을 600V 3중 하프브리지 게이트 구동기와 통합하여 비용을 절감하고 pc 기판 공간과 패키지 핀 수를 줄입니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

이 계열은 몇 가지 매우 흥미로운 특징과 보호 기능을 제공합니다. 예를 들어 다음 부품을 포함합니다.

• 과부하 및 과전류로부터 빠르고 효과적으로 보호할 수 있는 고급 스마트 차단(smartSD) 기능을 갖춘 비교기
• 통합 고전압 부트스트랩 다이오드
• 교차 전도 방지 보호
• 부동 시간 보호
• UVLO 보호

내장된 마이크로 컨트롤러는 48MHz에서 작동하며 4Kbytes RAM이 탑재된 32Kbytes 플래시를 포함하여 자속 기준 제어(FOC)를 구현하는 데 적합합니다.

STM32F060x 제품군에는 현재 두 부품 STSPIN32F0601 및 STSPIN32F0602가 포함되어 있습니다. 두 부품 간에 0601은 최대 0.35A의 게이트 구동 전류를 지원하고 0602는 최대 1.0A를 지원할 수 있다는 차이점이 있습니다.

IC에 내장된 STM32F031 마이크로 컨트롤러는 패키지 내부의 여러 GPIO 라인을 통해 게이트 구동기에 연결됩니다. GPIO PA11은 게이트 구동기를 활성화하는 데 사용되고, GPIO PB12는 브리지에 결함이 있는지 감지하는 데 사용됩니다. GPIO PA8 – PA10은 게이트 구동기의 하이사이드 입력에 사용되고, GPIO PB13 – 15는 게이트 구동기의 로우사이드 입력에 사용됩니다. 따라서 개발자가 게이트 구동기를 제어하기 위해 외부 GPIO 핀을 사용할 필요가 없을 뿐 아니라, 별도 IC에 대한 트레이스를 실행하기 위해 pc 기판 공간이 필요하지 않습니다. 두 부품을 통합하면 하드웨어 및 설계 복잡성을 간소화하고 BOM 비용을 대폭 줄일 수 있습니다.

EVSPIN32F0601S1 개발 기판을 통한 개발 가속화

STSPIN32F060x는 STSPIN32F0601 컨트롤러를 사용하여 BLDC 모터를 가동 후 실행하는 데 필요한 모든 전자 기기를 포함하는 완벽한 3상 인버터 시험용 키트인 EVSPIN32F0601S1 개발 기판에서 지원됩니다(그림 2). EVSPIN32F0601S1은 다음과 같은 5개 주요 섹션으로 분할됩니다.

• STSPIN32F0601
• 분리형 STLINK 디버거
• 피드백 네트워크
• 전력 스테이지
• 전원 공급 장치

그림 2: EVSPIN32F0601S1 개발 기판은 STSPIN32F0601 컨트롤러를 사용하여 BLDC 모터를 가동 후 실행하는 데 필요한 모든 전자 기기를 제공합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

원하는 경우 개발 기판에서 pcb STLINK 디버거를 제거할 수 있습니다. 따라서 개발자는 시제품 및 개념 증명(PoC) 인클로저에서 사용할 수 있도록 기판 크기를 축소할 수 있습니다. 또한 개발 기판의 SWD 헤더에 연결하여 외부 STLINK-V3SET(그림 3)를 연결할 수 있습니다.

그림 3: STLINK-V3SET 디버거는 STM32 마이크로 컨트롤러를 사용하여 작성된 응용 제품을 프로그래밍하고 디버깅하는 데 사용할 수 있는 외부 디버거입니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

이 개발 기판에는 센서에서 전압 및 전류 피드백을 제공하는 데 필요한 모터 제어 알고리즘에 사용할 수 있는 피드백 네트워크도 포함되어 있습니다. 많은 최신 설계에서 이 피드백 네트워크를 제거하고 FOC 알고리즘을 사용할 수 있습니다. 이 알고리즘은 BOM 비용과 결과적 pc 기판 크기를 줄일 수 있는 무센서 모터 제어 알고리즘입니다.

전력 스테이지에서는 개발자에게 다양한 모터 권선을 통과하는 전압을 전환하는 데 사용되는 하이사이드 및 로우사이드 MOSFET 또는 IGBT를 제공합니다. 기판 설계에서 흥미롭게도 실장 면적이 DPAK 또는 PowerFlat 패키지에 적합하며, 개발자가 원할 경우 MOSFET 또는 IGBT를 사용하도록 개발 기판을 수정할 수 있습니다.

마지막으로 전원 공급 장치는 50V ~ 280V DC/AC 입력 범위의 전압을 공급할 수 있습니다. 또한 기판 실장 플라이백 변압기는 응용 제품에 사용할 +15V 및 +3.3V 전압을 생성할 수 있습니다.

개발 기판을 실험하려면 BLDC(예: Trinamic Motion Control GmbH의 QBL4208-41-04-006)를 연결해야 합니다(그림 4). BLDC 모터의 각 위상은 적절한 출력 나사 단자를 통해 EVSPIN32F0601S1에 연결됩니다.

그림 4: QBL4208-41-04-006 BLDC 모터는 4000 RPM으로 가동되며 EVSPIN32F0601S1 개발 기판에서 다양한 응용 제품을 개발하는 데 사용될 수 있습니다. (이미지 출처: Trinamic Motion Control GmbH)

EVSPIN32F0601S1 개발 기판에는 BLDC 모터를 구동하는 데 필요한 모든 하드웨어가 포함되어 있지만, 3상 모터는 소프트웨어도 필요합니다. 모터를 성공적으로 구동하기 위해 개발자는 STMicroelectronics의 X-CUBE-MCSDK 모터 제어기 소프트웨어 개발 키트를 활용할 수 있습니다. 이 라이브러리를 소프트웨어 패키지(예: ST32CubeIDE 및 ST32CubeMx)에서 사용하여 모터 제어기 솔루션을 쉽게 구성할 수 있습니다.

소프트웨어를 사용하여 BLDC 모터 구동

X-CUBE-MCSDK 소프트웨어 패키지에는 두 상위 수준 응용 제품, 즉 Motor Control Workbench 및 Motor Profiler가 포함되어 있습니다. 개발자는 Motor Control Workbench를 사용하여 모터를 쉽게 구동하기 위한 모터 제어기 프로젝트를 생성할 수 있습니다. FOC를 비롯한 다양한 모터 알고리즘과 다음과 같은 다양한 피드백 토폴로지를 사용하여 모터를 구동할 수 있습니다.

• 션트 저항기 1개
• 션트 저항기 3개
• 절연된 전류 센서 2개

Motor Profiler를 사용하면 개발자가 일반 모터 파라미터를 입력한 다음 모터를 완벽히 프로파일링할 수 있습니다. 이 프로파일링에서는 FOC와 같은 알고리즘에서 모터를 성공적으로 구동하는 데 필요한 일반 모터 파라미터를 제공합니다.

Motor Control Workbench에서 프로젝트를 생성하는 것은 간단합니다. 개발자가 Motor Control Workbench를 연 다음 새 프로젝트를 선택해야 합니다. 그런 다음 그림 5와 같이 파라미터를 입력할 수 있습니다.

• 응용 제품 유형
• 제어할 모터 수
• 제어기 및 전력 구성
• 모터 파라미터(예: 극 수, 속도, 전압, 공칭 전류)

그림 5: 개발자는 Motor Control Workbench 프로젝트 구성을 사용하여 하드웨어에 대한 프로젝트 설정을 맞춤 지정할 수 있습니다. (이미지 출처: Beningo Embedded Group)

프로젝트에 대한 정보를 선택한 후 개발자는 확인을 클릭하여 Motor Control Workbench에 제공할 수 있습니다(그림 6). Workbench에서 개발자는 응용 제품의 동작 방식을 맞춤 설정할 수 있습니다. 여기서 다음을 구성할 수 있습니다.

• 펌웨어 설정(예: 시작 프로파일, 구동 설정, 감지 옵션)
• 디지털 I/O 설정(예: 인코더 인터페이스, 홀 센서, 직렬 통신, 시작 및 정지 버튼)
• 디지털 아날로그 컨버터(DAC) 기능
• 위상 전류, 버스 전압, 온도 및 PFC 스테이지의 피드백에 대한 아날로그 입력 및 보호 설정

그림 6: Motor Control Workbench를 사용하면 개발자가 펌웨어를 맞춤 설정하고, MCU, 클록 주파수, 디지털 I/O, DAC 및 아날로그 입력 보호를 조정할 수 있습니다. (이미지 출처: Beningo Embedded Group)

개발자는 확인란을 클릭하여 다음과 같은 설정을 활성화 및 비활성화할 수 있습니다.

• 버스 전압 감지
• 온도 감지
• 과전류 보호를 통한 전류 감지
• 속도 감지

개발자는 API 또는 코드 줄을 확인하지 않고도 모터 제어기 응용 제품을 완벽히 구성할 수 있습니다.

결론

개발자 및 모터 제어기 시스템 설계자는 비용 절감, 효율성 향상, 전자 기기의 실장 면적 축소에 대한 부담감이 증가하고 있습니다. 앞서 살펴본 바와 같이 3상 BLDC 모터 컨트롤러 응용 분야를 위한 STSPIN32F060x SiP는 BOM 비용을 절감하면서 pc 기판 공간과 시스템의 복잡성을 줄입니다. 또한 개발자가 모터 제어기 응용 제품으로 빠르고 쉽게 가동 후 실행하도록 설계된 개발 기판 및 소프트웨어를 비롯한 효과적인 에코시스템을 제공합니다.