더욱 작고, 단순하며, 사용하기 쉬운 전동 제품에 대한 고객 요구가 계속해서 증가하고 있습니다. 고전력 모터 제어(최대 140W), USB PD 기능, 최소한의 외부 부품 필요성을 결합하는 것은 달성하기 어려운 일이었지만, Infineon의 최신 제품은 이를 실현합니다. 이 문서에서는 Infineon EZ-PD™ PMG1-S3 모터 컨트롤러를 사용하여 브러시를 사용하지 않은 DC 모터를 제어하는 방법을 알아봅니다.
EZ-PD™ PMG1 소개
Infineon의 EZ-PD™ PMG1은 고전압 USB-C 전원 공급(PD) MCU 제품군입니다. 이 칩에는 아날로그 및 디지털 주변기기와 함께 Arm® Cortex®-M0/M0+ CPU 및 USB-C PD 컨트롤러가 포함되어 있습니다. EZ-PD™ PMG1은 고전압 USB-C PD 포트에 전력을 공급하거나 소비하고 MCU를 활용하여 추가 제어 기능을 제공하는 모든 임베디드 시스템을 대상으로 합니다. PMG1 MCU 제품군은 USB PD 및 Type-C 표준을 완벽하게 준수합니다. 표 1은 EZ-PD™ PMG1-Sx 제품군에 속하는 다양한 MCU의 특징을 비교한 것입니다.
표 1: 다양한 EZ-PD™ PMG1-Sx 제품군 MCU의 특징 비교
| 하위 시스템 또는 제품군 | 항목 | PMG1-S0 | PMG1-S1 | PMG1-S2 | PMG1-S3 |
|---|---|---|---|---|---|
| CPU 및 메모리 하위 시스템 | 코어 | Arm® Cortex®-M0 | Arm® Cortex®-M0 | Arm® Cortex®-M0 | Arm® Cortex®-M0+ |
| 최대 주파수(MHz) | 48 | 48 | 48 | 48 | |
| 플래시(KB) | 64 | 128 | 128 | 256 | |
| SRAM(KB) | 8 | 12 | 8 | 32 | |
| 전원 공급 | PD 포트 | 1 | 1 | 1 | 48-QFN용 포트 1개 97-BGA용 포트 2개 |
| 역할 | 싱크 | DRP | DRP | DRP | |
| MOSFET 게이트 드라이버 | PFET 2개 | PFET 2개 | NFET 2개 | 유동적 NFET 2개 | |
| 결함 방지 | VBUS OVP 및 UVP | VBUS OVP, UVP 및 OCP SCP 및 RCP(소스 구성에만 해당) |
VBUS OVP, UVP 및 OCP | VBUS OVP, UVP 및 OCP SCP 및 RCP(소스 구성에만 해당) |
|
| USB | 빌보드 클래스를 지원하는 통합 최대 속도 USB 2.0 기기 | 아니요 | 아니요 | 예 | 예 |
| 전압 범위 | 공급(V) | VDDD (2.7~5.5) VBUS(4~21.5) |
VSYS(2.75~5.5) VBUS(4~21.5) |
VSYS(2.7~5.5) VBUS(4~21.5) |
VSYS(2.8~5.5) VBUS(4~28) |
| 입출력(V) | 1.71~5.5 | 1.71~5.5 | 1.71~5.5 | 1.71~5.5 | |
| SCB(I2C/UART(범용 비동기화 송수신기)/SPI로 구성 가능) | 2 | 4 | 4 | 48-QFN용 7개(이 중 5개는 SPI 및 UART(범용 비동기화 송수신기)로 구성 가능) 97-BGA용 8개 |
|
| TCPWM 블록(타이머, 카운터 또는 펄스 대역폭 변조기로 구성 가능) | 4 | 2 | 4 | 48-QFN용 7개 97-BGA용 8개 |
|
| 하드웨어 인증 블록(암호화) | 아니요 | 아니요 | 예(AES-128/192/256, SHA1, SHA2-224, SHA2-256, PRNG, CRC) | 예(AES-128, SHA2-256, TRNG, 벡터 장치) | |
| 아날로그 | ADC | 8비트 SAR 2개 | 8비트 SAR 1개 | 8비트 SAR 2개 | 8비트 SAR 2개 12비트 SAR 1개 |
| 온칩 온도 센서 | 예 | 예 | 예 | 예 | |
| 직접 메모리 액세스(DMA) | DMA | 아니요 | 아니요 | 아니요 | 예 |
| GPIO | 최대 입출력 수 | 12개(10개+OVT 2개) | 17개(15개+OVT 2개) | 20개(18개+OVT 2개) | 48-QFN용 26개(24개+OVT 2개) 97-BGA용 50개(48개+OVT 2개) |
| 충전 표준 | 충전원 | - | BC 1.2, AC | BC 1.2, AC | BC 1.2, AC, AFC 및 Quick Charge 3.0 |
| 충전 싱크 | BC 1.2, Apple 충전(AC) | BC 1.2, AC | BC 1.2, AC | BC 1.2, AC | |
| ESD 방지 | ESD 방지 | 예(최대 ±8kV 접촉 방전, 최대 ±15kV 기중 방전, 인체 모델 및 충전된 기기 모델) | 예(인체 모델 및 충전된 기기 모델) | 예(최대 ±8kV 접촉 방전, 최대 ±15kV 기중 방전, 인체 모델 및 충전된 기기 모델) | 예(인체 모델 및 충전된 기기 모델) |
| 패키지 | 패키지 옵션 | 24-QFN(4 × 4mm, 0.5mm 피치) | 40-QFN(6 × 6mm, 0.5mm 피치) 42-CSP(2.63 × 3.18mm, 0.4mm 피치) |
40-QFN(6 × 6mm, 0.5mm 피치) | 48-QFN(6 × 6mm, 0.5mm 피치) 97-BGA(6 × 6mm, 0.5mm 및 0.65mm 피치) |
브러시를 사용하지 않은 DC 모터 소개
브러시를 사용하지 않은 DC(BLDC) 모터는 영구 자석으로 만들어진 회전자와 구리 코일로 만들어진 3상 권선을 수용하는 고정자로 구성된 광범위한 영구 자석 동기 기계의 범주에 속합니다. 탄소 접촉 브러시를 사용하여 기계적으로 정류되는 브러시 모터와 달리 브러시를 사용하지 않은 모터는 정류가 마이크로컨트롤러를 사용하여 전자식으로 처리되므로 브러시가 필요하지 않습니다. 브러시를 사용하지 않은 모터는 고정자와 회전자 사이에 전기적 접촉이 없기 때문에 브러시 모터에 비해 여러 가지 이점이 있습니다. 그중 일부를 예로 들자면 더 높은 효율성, 높은 토크 및 속도, 적은 유지 관리, 낮은 소음 작동, 높은 토크 대 중량비가 있습니다.
AC 동기 모터, AC 유도(비동기) 모터, 스테퍼 모터, 영구 자석 동기 모터(PMSM)를 비롯한 여러 다른 유형의 모터는 브러시를 사용하지 않는 형태이지만, BLDC 모터를 규정하는 주요 특징은 모터가 회전할 때 후면 전자계가 사다리꼴 모양으로 생성된다는 것입니다. 이는 주로 고정자의 권선 방식 때문입니다. 3상 각각을 통과하는 전류 흐름은 고정자에서 회전 자기장을 생성하는 마이크로컨트롤러를 사용하여 특정 순서에 따라 전환됩니다. 영구 자석을 포함하는 회전자는 이들 사이의 자속 결합에 의해 이러한 회전 자기장을 추적하려고 하므로 고정자 자기장 뒤에서 회전하며, 바로 이것이 브러시를 사용하지 않은 모터가 작동하는 주요 원리를 형성합니다.
브러시를 사용하지 않은 모터 구조
브러시를 사용하지 않은 모터는 그림 1과 같이 물리적으로 영구 자극을 포함하는 회전자 강철 코어, 3상 권선을 수용하는 고정자 강철 코어의 두 부분으로 구성됩니다. 회전자는 고정자 내부에 위치(인러너)하거나 고정자 외부에 위치(아웃러너)할 수 있습니다. 두 경우 모두 회전자와 고정자 사이에 전기적 접촉이 없습니다. 고정자의 3상 권선은 그림 1과 같이 스타(와이) 또는 델타 방식으로 연결될 수 있습니다. 이는 모터의 토크 및 속도와 같은 특성을 결정하지만, 섹션 4에서 설명할 제어 전략에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 마찬가지로 회전자의 자극 쌍 수와 고정자의 슬롯 수도 생성 토크에 영향을 미칩니다. 일반적으로 회전자의 자극 수가 많을수록 생성되는 토크가 높아집니다. 그림 1은 회전자 극 8개(극 쌍 4개)와 고정자 슬롯 9개가 있는 BLDC 모터를 보여 줍니다.
브러시를 사용하지 않은 모터 드라이브 방식
브러시를 사용하지 않은 모터는 그림 1과 같이 브러시를 사용하지 않은 모터 권선의 A, B, C 세 단자에 전류를 공급하는 3상(A, B, C)을 생성하는 3상 인버터 회로에서 전력을 파생합니다. AC 구동 드라이브에서는 3상 AC 전압이 모터 단자에 직접 공급됩니다. 그러나 DC 전원으로 구동되는 브러시를 사용하지 않은 DC(BLDC) 모터의 경우 3상 인버터 회로는 직류를 3상 전압으로 변환하는 역할을 하며, 3상 전압은 마이크로컨트롤러에 의해 특정 순서로 연속적으로 전환됩니다. 이 전환 순서는 고정자에 대한 회전자의 위치 변경에 따라 달라집니다. 따라서 BLDC 모터는 회전자의 현재 위치를 결정하기 위해 위치 피드백 신호를 사용하여 폐쇄 루프로 작동되는 경우가 많습니다. 이로 인해 제어 체계는 센서형 제어와 무센서 제어라는 두 가지 범주로 나뉩니다.
센서형 BLDC 모터 제어
센서형 제어 기술에서는 적절한 유형의 위치 센서(대부분 홀 효과 센서)가 회전자의 원주를 따라 배치되는 경우가 많습니다. 회전자에 있는 영구 자극에 의해 발생하는 자기장 상호 작용은 홀 센서의 출력 단자에 해당 전압을 생성하며, 이 전압은 마이크로컨트롤러에서 판독되어 홀 센서에 대한 회전자 극 전이(N에서 S로 또는 S에서 N으로)를 결정합니다. 이 전환점을 기준으로 위상이 정류됩니다. 고정자 주위의 회전자 움직임에 대한 전체 정보를 판독하기 위해 홀 센서 3개가 60도 또는 120도의 전기적 각도로 떨어져 배치됩니다. 센서형 제어의 가장 큰 장점은 회전자가 정지한 상태에서도 회전자 위치를 알 수 있다는 것입니다. 그러나 센서형 제어 방식은 시스템의 견고성에 영향을 미칠 수 있으므로 열악한 환경에서는 사용하지 않는 것이 좋습니다.
무센서 BLDC 모터 제어
이름에서 알 수 있듯이 무센서 제어는 회전자의 위치를 결정하는 데 센서 인터페이스를 사용하지 않습니다. 회전자 위치에 관한 정보는 회전자가 움직일 때 각 3상 권선에서 생성된 후면 전자계 신호를 통해서만 알 수 있습니다. 고정자의 위상 권선의 특성에 따라 후면 전자계 프로파일의 모양이 결정됩니다. 일반적으로 사다리꼴 후면 전자계 파형이 BLDC 모터의 특징입니다. 무센서 제어를 사용할 때의 주요 이점은 제어 전략에 섬세한 센서를 사용하지 않기 때문에 견고성이 우수하다는 것입니다. 그러나 후면 전자계의 순간 크기는 회전자 속도와 사용된 정류 기술 유형에 따라 달라지며, 다음 방정식을 통해 계산됩니다.
푣퐵퐸푀퐹 = E x F(휃푒)
퐸 = 휔퐾푒
설명:
E = 후면 전자계의 최대값
F(Θe) = 함수(사용된 정류 기술에 따라 달라짐)
Ke = 모터의 후면 전자계 상수(mV-s/rad로 표시)
ω = 회전자의 각속도(단위: rad/s)
Θe = 회전자의 순간 전기 각도 위치(단위: rad)
그러나 회전자가 정지 상태일 때 또는 회전자의 RPM이 매우 낮을 때 후면 전자계의 진폭이 0이거나 매우 낮아 감지할 수 없다는 점에서 이 기술은 이러한 경우 회전자 위치를 알 수 없다는 큰 문제를 안고 있습니다. 따라서 제어 장치는 후면 전자계 신호 레벨을 판독할 수 있는 임계값 RPM에 도달할 때까지 개방 루프에서 모터를 구동해야 합니다.
응용 분야 개요
BLDC 모터 응용 분야는 기존 AC 유도 및 브러시 DC 모터에 비해 수많은 이점 덕분에 가전 시장에서 인기를 얻고 있습니다. 현재 BLDC 모터로 작동되는 많은 저전력 소비자 전자 제품은 고정 AC-DC 전원 어댑터를 입력 전원으로 사용합니다. 브러시 AC 모터나 AC 유도 모터를 사용하여 벽면 플러그에서 직접 AC 전원을 공급받는 다른 솔루션은 거의 없습니다. 그러나 BLDC 모터의 에너지 효율성과 제어성, 전자 분야의 급속한 성장을 고려할 때 시장에서 BLDC 모터로 전환하는 경향이 보이고 있습니다.
이외에도 USB 전원 공급(PD) 시장의 현재 성장 추세로 인해 모터 제어를 위한 USB PD 통합 솔루션에 대한 수요가 창출되었습니다. 이러한 솔루션이 많은 소비자 전자 기기에 이상적인 방안이기 때문입니다. Infineon의 EZ-PD™ PMG1 기기는 USB 전원 공급 기능을 갖춘 고전압 마이크로컨트롤러 제품군으로, 이러한 통합 솔루션 개발에 알맞게 설계되었습니다. 따라서 이 응용 분야 참고 사항에서는 EZ-PD™ PMG1-S3 기기를 사용하여 최대 140W USB PD 구동 무센서 BLDC 모터를 제어하는 통합 단일 칩 솔루션을 보여 줍니다.
솔루션 예시
그림 2의 블록 다이어그램은 EZ-PD™ PMG1-S3 기기를 기반으로 개발되어 USB PD 구동 무센서 BLDC 모터 제어를 지원하는 통합 솔루션을 보여 줍니다. 이 솔루션은 USB PD 소스를 범용 DC 전원으로 사용해 표준 USB Type-C 케이블을 통해 최대 140와트의 전력을 제공하여 다양한 전동 장치를 실행하는 것을 목표로 합니다. 이 솔루션은 EZ-PD™ PMG1-S3 MCU 외에 모터 제어에 최소한의 외부 부품을 사용합니다. 여기서 PMG1-S3은 USB PD 컨트롤러와 BLDC 모터 컨트롤러 역할을 모두 수행합니다. BLDC 모터 제어를 위한 외부 인터페이스에는 BLDC 모터를 구동하기 위한 전원 회로의 3상 MOSFET 인버터 회로와 게이트 드라이버 ASIC이 포함됩니다. 또한 수동 전자 부품은 필터 및 전압 분배기 회로의 필수 부분을 형성합니다.
이 문서의 나머지 부분을 읽고 Infineon 솔루션을 사용하여 USB PD 무센서 브러시를 사용하지 않은 DC(BLDC) 모터 컨트롤러를 설정하는 프로세스를 심층적으로 이해하려면 아래를 클릭하여 다운로드하십시오.