로봇 공학, 드론, 의료 기기 및 산업 시스템과 같은 응용 분야에서 정밀한 모션 제어에 대한 필요성이 증가하고 있습니다. 브러시리스 DC 모터 (BLDC) 및 AC 구동 영구자석 동기 모터(PMSM)는 필요한 정밀도를 제공하는 동시에 소형 폼 팩터에서 높은 효율에 대한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그러나 연결 및 실행이 쉬운 브러시형 DC 모터 및 AC 유도 모터와 달리 BLDC 및 PMSM은 훨씬 더 복잡합니다.
예를 들어, 특히 센서리스 벡터 제어 (필드 지향 제어 또는 FOC라고도 함)와 같은 기술은 뛰어난 효율성과 함께 감지기 비용을 절감하고 신뢰성을 향상시킵니다 설계자의 문제는 센서리스 벡터 제어가 구현하기 복잡하기 때문에이를 사용하면 개발 시간이 연장되고 비용이 추가되고 출시 기간이 누락 될 수 있다는 것입니다.
이 딜레마를 해결하기 위해 설계자는 이미 센서리스 벡터 제어 소프트웨어가 내장 된 개발 플랫폼과 평가 보드로 전환하여 제어 소프트웨어 코딩의 뉘앙스에 얽매이지 않고 시스템 설계 문제에 집중할 수 있습니다. 또한 이러한 개발 환경에는 전체 시스템에 통합 된 모든 모터 컨트롤러 및 전력 관리 하드웨어가 포함되어 출시 시간을 단축합니다.
이 기사에서는 정밀 모션 제어에 대한 몇 가지 요구 사항을 간략하게 설명하고 브러시 DC, AC 유도, BLDC 및 PMSM 간의 차이점을 검토합니다. 그런 다음 Texas Instruments, Infineon Technologies 및 Renesas Electronics의 여러 플랫폼 및 평가 보드를 도입하기 전에 벡터 제어의 기본 사항과 함께 정밀 모션 제어 시스템 개발을 용이하게하는 설계 지침을 요약합니다.
정밀 모션 제어 애플리케이션의 예
드론은 복잡한 모션 제어 시스템이며 일반적으로 XNUMX개 이상의 모터를 사용합니다. 드론이 호버링, 상승 또는 하강하려면 정확하고 조정된 모션 제어가 필요합니다.
그림 1: 드론은 일반적으로 분당 12,000회전(RPM) 이상으로 회전하는 XNUMX개 이상의 모터(일반적으로 BLDC 또는 PMSM)를 사용하고 전자 속도 컨트롤러(ESC)로 구동됩니다. 이 예에서는 ESC를 보여줍니다. 모듈 센서리스 제어 기능을 갖춘 브러시리스 모터를 사용하는 드론. (이미지 출처: 텍사스 인스트루먼트)
호버링하려면 드론을 위로 밀어 올리는 로터의 순 추력이 균형을 이루어야하며 드론을 아래로 당기는 중력과 정확히 동일해야합니다. 로터의 추력 (속도)을 똑같이 높이면 드론이 똑바로 올라갈 수 있습니다. 반대로 로터 추력을 줄이면 드론이 하강합니다. 또한 요 (드론 회전), 피치 (드론을 앞으로 또는 뒤로 비행) 및 롤 (드론을 왼쪽 또는 오른쪽으로 비행)이 있습니다.
정확하고 반복적 인 동작은 많은 로봇 응용 프로그램의 특징 중 하나입니다. 고정형 다축 산업용 로봇은 다양한 무게의 물체를 움직이기 위해 2 차원에서 서로 다른 힘을 전달해야합니다 (그림 XNUMX). 로봇 내부의 모터는 정확한 지점에서 가변 속도와 토크 (회전력)를 제공하며, 로봇의 컨트롤러는 정확한 속도와 위치를 위해 서로 다른 축을 따라 동작을 조정하는 데 사용합니다.
바퀴 달린 이동 로봇의 경우 정밀 차동 구동 시스템을 사용하여 동작의 속도와 방향을 모두 제어 할 수 있습니다. 두 개의 모터는 하중 균형을 맞추기 위해 하나 또는 두 개의 캐스터 휠과 함께 동작을 제공하는 데 사용됩니다. 두 모터는 회전과 방향 변경을 위해 서로 다른 속도로 구동되는 반면, 두 모터에 대해 동일한 속도는 전진 또는 후진 직선 운동을 생성합니다. 모터 컨트롤러는 기존의 스티어링 시스템과 비교할 때 더 복잡하지만이 접근 방식은 더 정확하고 기계적으로 더 간단하므로 더 신뢰할 수 있습니다.
모터 선택
기본 DC 모터 및 AC 유도 모터는 상대적으로 저렴하고 구동이 간단합니다. 진공 청소기에서 산업 기계, 크레인 및 엘리베이터에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 저렴하고 운전하기 쉽지만 로봇, 드론, 의료 기기, 정밀 산업 장비와 같은 애플리케이션에 필요한 정밀 작동을 제공 할 수 없습니다.
간단한 브러시 DC 모터는 정류자와 브러시를 사용하여 회전에 맞춰 전류의 방향을 기계적으로 전환하여 토크를 생성합니다. 브러시 드 DC 모터의 단점은 브러시 마모로 인한 유지 보수의 필요성과 전기적 및 기계적 소음의 발생입니다. 펄스 폭 변조 (PWM) 드라이브를 사용하여 회전 속도를 제어 할 수 있지만 브러시 DC 모터의 본질적인 기계적 특성으로 인해 정밀 제어 및 고효율이 어렵습니다.
BLDC는 브러시 DC 모터의 정류자와 브러시를 제거하고 고정자의 권선 방식에 따라 PMSM이 될 수도 있습니다. BLDC 모터에서는 고정자 코일이 사다리꼴로 감겨 있으며, 생성된 역기전력(EMF)은 사다리꼴 파형을 갖는 반면, PMSM 고정자는 정현파로 감겨 정현파 역기전력(Ebemf)을 생성합니다.
BLDC 및 PMSM 모터의 토크는 전류 및 역기전력의 함수입니다. BLDC 모터는 구형파 전류로 구동되는 반면 PMSM 모터는 정현파 전류로 구동됩니다.
BLDC 모터 특징 :
- XNUMX 단계 구형파 DC 전류로 더 쉽게 제어
- 상당한 토크 리플 생성
- PMSM보다 비용과 성능이 낮습니다.
- 홀 효과 센서 또는 센서리스 제어로 구현 가능
PMSM 기능 :
- 보다 복잡한 제어 세 단계 정현파 PWM
- 토크 리플 없음
- BLDC보다 높은 효율성, 토크 및 비용
- 샤프트 인코더 또는 센서리스 제어로 구현 가능
벡터 제어 란?
벡터 제어는 XNUMX 상 전기 모터의 고정자 전류를 벡터로 시각화 할 수있는 두 개의 직교 구성 요소로 식별하는 가변 주파수 모터 구동 제어 방법입니다. 한 구성 요소는 모터의 자속을 정의하고 다른 구성 요소는 토크를 정의합니다. 벡터 제어 알고리즘의 핵심에는 두 가지 수학적 변환이 있습니다. Clarke 변환은 XNUMX 상 시스템을 XNUMX 좌표 시스템으로 수정하는 반면 Park 변환은 XNUMX 상 고정 시스템 벡터를 회전 시스템 벡터와 그 역으로 변환합니다.
Clarke 및 Park 변환을 사용하면 제어 할 수있는 고정자 전류를 회 전자 도메인으로 가져옵니다. 이렇게하면 모터 제어 시스템이 동적으로 변화하는 부하에서 토크를 최대화하기 위해 고정자에 공급해야하는 전압을 결정할 수 있습니다.
고성능 속도 및 / 또는 위치 제어는 위상 여기 펄스를 로터 위치에 동기화하기 위해 로터 샤프트 위치 및 속도에 대한 실시간 정밀 지식이 필요합니다. 이 정보는 일반적으로 모터 축에 부착 된 앱솔루트 엔코더 및 자기 리졸버와 같은 센서에 의해 제공됩니다. 이러한 센서에는 낮은 신뢰성, 소음에 대한 민감성, 더 많은 비용과 무게, 더 높은 복잡성 등 몇 가지 시스템 단점이 있습니다. 센서리스 벡터 제어는 속도 / 위치 센서가 필요하지 않습니다.
고성능 마이크로 프로세서와 디지털 신호 프로세서 (DSP)를 통해 현대적이고 효율적인 제어 이론을 고급 시스템 모델링에 구현하여 실시간 모터 시스템에 대한 최적의 전력 및 제어 효율성을 보장합니다. 계산 능력이 증가하고 마이크로 프로세서 및 DSP의 비용이 감소함에 따라 센서리스 제어는 센서가있는 벡터 제어를 거의 보편적으로 대체 할뿐만 아니라 단순하지만 성능이 낮은 단일 변수 스칼라 V / f (V / f)를 대체 할 것으로 예상됩니다. ) 제어.
산업용 및 소비자 용 로봇 공학을위한 XNUMX 상 PMSM 및 BLDC 모터 구동
벡터 제어의 복잡성을 해결하기 위해 설계자는 기성 평가 보드를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 Texas Instruments의 DRV8301-69M-KIT는 설계자가 100상 PMSM/BLDC 모터 구동 솔루션을 개발하는 데 사용할 수 있는 DIMM4 controlCARD 기반 마더보드 평가 모듈입니다(그림 8301). 여기에는 이중 전류 션트 증폭기와 벅을 갖춘 DRVXNUMX XNUMX상 게이트 드라이버가 포함되어 있습니다. 조정기및 InstaSPIN 지원 Piccolo TMS320F28069M 마이크로컨트롤러(MCU) 보드가 있습니다.
DRV8301-69M-KIT는 InstaSPIN-FOC 및 InstaSPIN-MOTION입니다. Texas Instruments technology8301상 PMSM 및 BLDC 모터 회전을 위한 기반 모터 제어 평가 키트입니다. InstaSPIN을 사용하는 DRV69-XNUMXM-KIT를 사용하면 개발자는 XNUMX상 모터를 신속하게 식별, 자동 조정 및 제어할 수 있어 "즉시" 안정적이고 기능적인 모터 제어 시스템을 제공할 수 있습니다.
InstaSPIN 기술과 함께 DRV8301-69M-KIT는 더 빠른 시장 출시를 위해 개발 속도를 높이는 고성능, 전력 효율적, 비용 효율적인 센서리스 또는 인코더 센서 지원 FOC 플랫폼을 제공합니다. 응용 분야에는 펌프, 게이트, 리프트 및 팬을 구동하기위한 60V 미만 및 40A (A) 동기 모터는 물론 산업 및 소비자 용 로봇 공학 및 자동화가 포함됩니다.
DRV8301-69M-KIT 하드웨어 기능 :
- DIMM100 제어 카드를 수용하는 인터페이스가있는 XNUMX 상 인버터베이스 보드
- 최대 8301V 및 1.5A 연속을 지원하는 DRV60 40 상 인버터 통합 전원 모듈 (통합 XNUMXA 벅 컨버터 포함)베이스 보드
- TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC 및 InstaSPIN-MOTION 카드
- MotorWare 지원 TMDXCNCD28054MISO (별도 판매) 및 TMDSCNCD28027F + 외부 에뮬레이터 (별도 판매)와 함께 작동하는 기능
고성능, 고효율 PMSM 및 BLDC 모터 드라이브
Infineon Technologies의 EVAL-IMM101T는 IMM101T Smart IPM (통합 전원 모듈)이 포함 된 완전한 기능을 갖춘 스타터 키트로, 완전히 통합 된 턴키 방식의전압 설계자가 고성능, 고효율 PMSM / BLDC 모터와 함께 사용할 수있는 모터 드라이브 솔루션 (그림 5). EVAL-IMM101T에는 또한 정류기 및 EMI 필터 단계와 같은 IMM101T 스마트 IPM의 "즉석"평가에 필요한 기타 필요한 회로와 PC에 대한 USB 연결이있는 격리 된 디버거 섹션이 포함되어 있습니다.
EVAL-IMM101T는 IMM101T 스마트 IPM으로 애플리케이션을 개발하는 첫 단계에서 설계자를 지원하기 위해 개발되었습니다. 평가 보드에는 센서리스 FOC를위한 모든 어셈블리 그룹이 장착되어 있습니다. 여기에는 모터 연결을위한 단상 AC 커넥터, EMI 필터, 정류기 및 XNUMX 상 출력이 포함되어 있습니다. 전력 단에는 전류 감지를위한 소스 션트와 DC 링크 전압 측정을위한 전압 분배기가 포함되어 있습니다.
Infineon의 IMM101T는 소형 12 x 12mm (1.3mm) 표면 실장 패키지로 PMSM / BLDC 드라이브 시스템을위한 다양한 제어 구성 옵션을 제공하여 외부 부품 수와 인쇄 회로 기판 (PC 기판) 면적을 최소화합니다. 이 패키지는 방열판을 사용하거나 사용하지 않고 잘 작동 할 수 있도록 열적으로 향상되었습니다. 패키지는 표면 실장을 용이하게하고 시스템의 견고성을 높이기 위해 패키지 아래의 고전압 패드 사이에 XNUMXmm의 연면 거리를 제공합니다.
IMM100 시리즈는 500V FredFET 또는 650V CoolMOS를 통합합니다. 이끼. 힘에 따라 MOSFET 패키지에 채택 된 IMM100 시리즈는 정격 출력 전력이 25W (W) ~ 80W (500V / 600V 최대 DC 전압) 인 애플리케이션을 다룹니다. 600V 버전에서 Power MOS 기술의 정격은 650V이고 게이트 드라이버의 정격은 600V로 시스템의 최대 허용 DC 전압을 결정합니다.
24V 모터 제어 평가 시스템
24V PMSM / BLDC 모터 드라이브 설계자는 RX0T 마이크로 컨트롤러를위한 Renesas의 RTK0006EM01212S23BJ 모터 제어 평가 시스템을 사용할 수 있습니다 (그림 6). RX23T 장치는 복잡한 인버터 제어 알고리즘을 처리하는 데 사용할 수있는 내장 부동 소수점 장치 (FPU)가있는 단일 인버터 제어에 적합한 32 비트 마이크로 컨트롤러입니다. 이는 소프트웨어 개발 및 유지 관리에 필요한 공수를 크게 줄이는 데 도움이됩니다.
또한 코어로 인해 소프트웨어 대기 모드(RAM 보존 포함)에서 소비되는 전류는 0.45μA에 불과합니다. RX23T 마이크로컨트롤러는 2.7~5.5V 범위에서 작동하며 핀 배열 및 소프트웨어 수준에서 RX62T 라인과 호환성이 높습니다. 키트에는 다음이 포함됩니다.
- 24V 인버터 보드
- PMSM 제어 기능
- XNUMX 분로 전류 감지 기능
- 과전류 보호 기능
- RX23T 마이크로 컨트롤러 용 CPU 카드
- USB 미니 B 케이블
- PMSM
결론
BLDC 및 PMSM은 컴팩트하고 매우 효율적인 정밀 모션 제어 솔루션을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. BLDC 및 PMS 모터와 함께 센서리스 벡터 제어를 사용하면 센서 하드웨어를 제거하는 이점이 추가되어 비용이 절감되고 신뢰성이 향상됩니다. 그러나 이러한 애플리케이션에서 센서리스 벡터 제어는 복잡하고 시간이 많이 걸리는 프로세스가 될 수 있습니다.
그림과 같이 설계자는 센서리스 벡터 제어 소프트웨어와 함께 제공되는 개발 플랫폼 및 평가 보드로 전환 할 수 있습니다. 또한 이러한 개발 환경에는 전체 시스템에 통합 된 모든 모터 컨트롤러 및 전력 관리 하드웨어가 포함되어 출시 시간을 단축합니다.