인더스트리 4.0 요구 사항을 충족하는 올바른 모터 제어기 설계 선택 및 구현

인더스트리 4.0 시대와 산업용 사물 인터넷(IIoT)은 기계와 컴퓨터 사이에 현지화된 인텔리전스를 제공하고 인터넷과 상호 연결하여 시스템을 더 스마트하게 만들고 있습니다. 이렇게 연결하는 이유 중 하나는 효율성, 신뢰성 및 안정성을 높이기 위해 생산 시스템과 서브 시스템을 모니터링하고 제어할 수 있기 때문입니다. 산업용 모터는 자동화된 시설의 많은 에너지 자원을 구성하고 자동화 시설의 고장이 전체 생산 라인의 가동 중단으로 이어질 수 있어 현대 사회에 영향을 미칩니다.

모터의 작동 범위에 큰 영향을 미치는 속도와 토크의 측면에서 모터를 효과적으로 제어하는 것이 중요합니다. 이 두 파라미터를 효과적으로 제어하려면 높은 수준의 피드백 정확도가 요구됩니다. 이 정확성을 위해 설계자는 로우사이드, 하이사이드 또는 인라인 전류 감지를 신중하게 선택한 다음 적절한 회로망을 최적의 상태로 구현해야 합니다.

이 기사에서는 이 세 전류 감지 옵션에 대해 간략히 살펴본 다음 인라인 모터 전류 센서에 이상적인 증폭기가 실질적인 전류 위상 정보를 제공하는 방법을 알아봅니다. 그런 다음 Maxim Integrated 양방향 전류 감지 증폭기(CSA)를 펄스 폭 변조(PWM) 제거와 함께 사용하여 보다 효과적인 작동을 지원하도록 3상 모터 시스템을 구성하는 방법을 보여줍니다.

로우사이드, 하이사이드 또는 인라인 전류 감지

로우사이드, 하이사이드, 인라인의 세 가지 감지 옵션은 구현에 따라 매우 다양합니다(그림 1). 로우사이드 모터 전류 센서 설계에서는 접지에 가까운(왼쪽 하단) 감지 저항기 및 증폭기를 사용합니다.

그림 1: 모터 속도 및 토크 감지를 위한 로우사이드, 하이사이드 및 인라인 회로 옵션 (이미지 출처: Analog Devices)

세 옵션 중에서 로우사이드 전류 감지 회로는 가장 직관적이고 간단하며, 비용 효율이 주요 설계 요구 사항 중 하나인 소비자 응용 제품에 적합합니다.

로우사이드 감지 회로망에서는 접지 근처에 증폭기가 위치하여 각 레그의 전류를 지속적으로 캡처합니다. 이 회로망은 게이트 구동 FET 스택 하단에 범용 저비용 연산 증폭기(op-amps)가 있고 공통 모드 전압이 하한에 가까운 감지 저항기(R_S)가 있습니다(그림 2). 부하 전류가 100A에 이르는 이 소형 감지 저항기(R_S)는 일반적으로 pc 기판 트레이스 저항입니다.

그림 2: 이 AC 모터 로우사이드 전류 감지 회로에서는 공통 모드 전압이 증폭기 음수 공급에 도달하는 CMOS 증폭기를 사용합니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

그림 2에서 부하 전류는 한 AC 모터의 FET 스택을 통한 전도를 나타냅니다. 이 회로에서는 증폭기의 공통 모드 입력 범위를 하한까지 확장해야 합니다. 이 증폭기 회로에서는 부하 전류(I_L) 크기의 전압 측정치를 제공하는 R_S를 통해 전압을 얻습니다. 이 전압은 이득이(1 + R_F / R_G)이거나 50V/V 이하인 증폭기의 비반전 입력에 공급됩니다.

Analog Devices AD8691을 증폭기로 사용할 수 있습니다. 이 증폭기는 대역폭이 10MHz인 저비용 일반 연산 증폭기입니다. CMOS 입력 트랜지스터는 0.2pA의 일반 입력 바이어스 전류와 음수 공급 전압보다 작은 -0.3V의 공통 모드 범위를 렌더링합니다.

증폭기의 출력은 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에 공급됩니다. 마이크로 컨트롤러 또는 기타 프로세서에서는 디지털화된 신호를 사용하여 모터의 상태를 결정할 수 있습니다.

PC 기판 요구 사항

설계 간소성만 보고 로우사이드 전류 감지 회로를 판단하면 오해를 일으킬 수 있습니다. pc 기판을 사용하여 R_S를 생성할 경우 감지 저항기 값에 의도치 않게 추가하여 측정 오류가 발생하기 쉽습니다. R_S 값이 정확한지 확인하려면 R_S의 상단 또는 양극 단자를 비반전 op-amp 단자에 직접 연결해야 합니다. 또한 R_S의 하단(음극) 단자에 직접 접지 연결이 있어야 합니다. 이 두 번째 pc 기판 설계 요구 사항은 감지 저항기의 음극 단자와 증폭기 이득 저항기의 하단(R_G)에 대한 직접 연결을 보장합니다.

전류가 pc 기판의 접지면을 통해 흘러서 전압 차이를 생성합니다. 정상적인 환경에서는 이는 문제가 되지 않습니다. 로우사이드 센서 회로에서는 낮은 R_S 저항을 사용하여 회로가 pc 기판을 통한 접지 전압 강하에 극도로 민감합니다.

구리 저항 온도 계수는 약 0.4%/°C이며, R_s 값은 온도에 따라 크게 달라질 수 있습니다. pc 기판 저항은 온도 변화가 큰 시스템에서 온도에 따른 오류를 발생하여 불안정성을 야기합니다. 따라서 긴 트레이스를 회피하여 R_S 오류를 최소화하는 것이 좋습니다. 또한 센서 저항기에서 로우사이드 센서 설계를 사용하면 원치 않는 동적 전압 강하를 추가하여 전자파 장해(EMI) 잡음 문제가 발생합니다.

하이사이드 전류 감지

하이사이드 모터 전류 센서는 최소 EMI로 저항기의 동적 AC 전압 영향을 최소화합니다. 하지만 이 설계에서는 고전압 처리를 위해 강력한 증폭기가 필요합니다.

로우사이드 전류 센서 회로에서는 3개의 단일 연산 증폭기를 사용하여 각 AC 모터 레그의 전류를 감지합니다. 이 방식은 기생 pc 기판 저항과 인접 접지 측정 오류(R_S 전압 접지 오류라고도 함)로 인해 오류가 발생하기 쉽습니다.

하이사이드 전류 센서 회로에서는 공통 모드 전압이 공급 장치에 근접한 차동 증폭기를 사용합니다. 로우사이드 전류 센서 회로의 일부 제한 사항을 대조하기 위해 이 구성은 접지 교란의 영향을 받지 않고 부하 부족을 감지할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: AC 모터 하이사이드 전류 감지 회로에서는 두 PNP 입력 단계의 공통 모드 전압이 증폭기 양수 및 음수 공급을 초과하는 증폭기를 사용합니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

연산 증폭기는 레일 투 레일 입력을 사용하고 R_S 단자의 공통 모드 전압이 V_SUPPLY 이상으로 커야 합니다. 이렇게 하려면 감지 증폭기에 최소한 V_SUPPLY와 같은 확장 전압 소스가 필요하므로 어려움이 있습니다. 따라서 하이사이드 감지 구성에서는 증폭기의 입력 공통 모드가 공급 전압(V_SUPPLY)만큼 높아야 합니다.

이 응용 분야에서 설계자는 Analog Devices의 ADA4099-1로 전환할 수 있습니다. 이 장치는 V-에서 V+ 이상까지 작동하는 입력의 견고하고 정밀한 단일 레일 투 레일 입출력 연산 증폭기입니다. 후자를 규격서에서는 OTT(Over-The-Top)라고 합니다.

이 장치는 40μV 미만의 오프셋 전압 및 10nA 미만의 입력 바이어스 전류(IB)를 제공하고, 3.15V ~ 50V 범위의 단일 또는 분할된 공급 장치에서 작동합니다. ADA4099-1은 채널당 1.5mA의 정동작 전류를 공급합니다.

저항기 정합

그림 3의 하이사이드 전류 감지 회로에서 외부 저항기의 정확도(R₁, R₂, R₃, R₄)에 따라 측정 정확도가 직접 결정됩니다. 방정식 1은 그림 3의 차동 이득을 계산하는 데 사용됩니다.

방정식 1

방정식 2는 그림 3의 공통 모드 이득 오차를 계산하는 데 사용됩니다.

방정식 2

방정식 3은 그림 3의 출력 전압을 계산하는 데 사용됩니다.

방정식 3

R₁ ~ R₄가 1% 저항기인 경우 전체 오차에 대한 최악 허용 오차 범위는 5%보다 큽니다. 이 5% 오차에서는 고가의 엄격한 허용 오차 범위 저항기를 사용해야 합니다. 이 방식은 높은 공통 모드 전압으로 인한 오차 민감도를 해결하기 위해 R₄/R₃ 및 R₂/R₁ 비율 값에 대한 허용 오차 범위가 엄격한 정밀 저항기가 필요하여 비용이 추가된다는 단점이 있습니다.

인라인 전류 감지

다른 솔루션도 사용되지만, 기본적인 방식은 인라인(또는 직접 권선) 모터 전류 센서입니다. 이 방식은 실질적인 전류 위상 정보를 제공하므로 정착 시간을 줄이고 공통 모드 과도 상태 제거율을 높일 수 있습니다. 인라인 측정에 적합한 증폭기는 이러한 문제를 해결하기 위해 PWM 제거 기능이 있는 양방향 CSA입니다. 이 증폭기는 정착 시간이 빠르고, 대역폭이 높고, 공통 모드 과도 상태를 제거합니다.

효과적인 모터 작동을 위해 시스템 프로세서는 주어진 모든 시점의 세 모터 위상에 대한 전류 데이터를 알고 있습니다(그림 4).

그림 4: 모터 제어를 위한 인라인 전류 감지에서 프로세서는 모든 시점의 세 모터 위상에 대한 전류 데이터를 알고 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 4에서 MCU는 Analog Devices의 MAX40056 양방향 CSA를 사용하여 세 모터 레그를 동시에 샘플링하여 각 레그의 여기 상태 간에 위상 관계를 유지합니다. 이상적인 인라인 증폭기는 PWM의 공통 모드 과도 상태를 제거하면서 각 모터 레그의 차동 신호를 얻습니다. 강력한 PWM 제거는 가장 빠른 정착 시간과 높은 정확도를 촉진하고 설계자가 PWM 듀티 사이클을 최소화하여 0%에 가깝게 유지할 수 있도록 지원합니다.

MAX40056은 -0.1V ~ +65V의 높은 공통 모드 입력 범위를 지원하는 단일 공급 고정밀 양방향 CSA입니다. 입력 단계에서 -5V ~ +70V 범위의 유도성 킥백과 전압 스파이크로부터 보호합니다. ±5μV(typ) 입력 오프셋 전압 및 0.05%(typ) 이득 오차는 낮은 시스템 오류를 보장합니다(그림 5).

그림 5: 고속 PWM 제거 회로망으로 인한 MAX40056 CSA의 교란 억제 기능은 모터 권선과 같은 유도성 부하에 대한 위상 내 전류를 모니터링하는 데 적합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 5에서 입력 단계는 모터 제어 응용 분야에 일반적인 고속 PWM 신호 교란을 억제하도록 특별히 설계되었습니다. 따라서 MAX40056은 PWM 신호에 의해 구동되는 모터 권선 및 솔레노이드와 같은 유도성 부하에 대한 위상 내 전류를 모니터링하는 데 적합합니다. MAX40056은 -40°C ~ +125°C의 전체 온도 범위와 +2.7V ~ +5.5V의 공급 전압 범위에서 동작합니다.

MAX40056은 500V/µs 이상의 PWM 에지에서 500ns PWM 에지 복구를 지원합니다. MAX40056 및 경쟁사 벤치 데이터는 PWM 공통 모드 내성의 중요한 차이점을 보여줍니다(그림 6).

그림 6: 50V PWM 주기 PWM 에지 제거를 사용한 경쟁력 비교에서는 MAX40056가 PWM 공통 모드 일시 내성과 관련하여 분명한 이점이 있는 것으로 나타났습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 6에서 MAX40056 CSA의 아날로그 출력은 낮은 수준의 범프를 보여주고 500ns 이내에 복구되는 반면에 경쟁 장치는 복구하는 데 약 2µs가 걸립니다. CSA의 특허받은 PWM 제거 입력은 과도 상태를 억제하고 명확한 차동 신호 측정치를 제공합니다.

결론

인더스트리 4.0 및 IIoT는 모두 개별 모터 레벨에 도달해야 하는 높은 수준의 생산 효율성과 안정성을 강조하고 있습니다. 안정상, 신뢰성 및 에너지 효율을 보장하는 속도와 토크를 충족하는 AC 모터 구동 시스템을 구축하는 데 적합한 회로 설계를 찾는 것은 복잡할 수 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 적합한 증폭기를 탑재한 인라인 모터 전류 센서는 실질적인 전류 위상 정보를 제공합니다. 이 방식과 WPM 제거 기능이 있는 MAX40056 양방향 CSA를 사용하여 설계자는 3상 AC 모터 시스템에서 토크와 속도를 정확히 측정하여 모터 효율, 신뢰성 및 안정성을 보장하는 3상 모터 시스템을 구성할 수 있습니다.