1960년대 성공적인 개발 이후, 브러시리스 직류(BLDC) 모터는 이전 브러시 직류(DC) 모터보다 더 효율적이고 더 긴 수명을 갖는 것으로 입증되었습니다. 고전력 산업용 애플리케이션에서 동기식 교류(AC) 모터로의 전환과 함께 다른 많은 애플리케이션에서도 BLDC 모터를 사용하기 시작했습니다.
이제 BLDC 모터는 소비자의 일상생활 곳곳에 침투해 있습니다. 드릴, 송풍기 등 배터리 구동 공구, 세탁기, 프린터 등 가전제품, 전기 자전거, 자동차 등에서 찾아볼 수 있습니다. 산업 환경에서 BLDC 모터는 모션 제어 및 자재 취급 애플리케이션에 사용되었습니다. BLDC 모터는 또한 무인 지상 차량(UGV), 드론 및 유사한 무인 항공기(UAV)는 물론 수술용 로봇 및 보조 외골격에도 전력을 공급합니다.
브러시형 DC 모터는 금속 또는 탄소 정류자 브러시를 사용하여 모터 권선에 전기 에너지를 전달하는 반면, BLDC 모터는 비접촉식입니다. 마찰과 마모가 없기 때문에 더 효율적이고 유지 관리가 덜 필요하며 모터 수명이 더 깁니다. BLDC의 성능은 더 빠른 속도, 더 큰 토크, 더 높은 중량 대비 출력 비율로 더 좋습니다. 고급 제어 시스템의 도움으로 BLDC 모터는 거의 즉각적으로 속도나 토크를 변경하고 정확한 위치 지정을 제공하여 안전을 보장합니다.
고급 BLDC 모터 드라이버가 보여주는 탁월한 성능 덕분에 이러한 모터와 해당 제어 시스템은 일반적으로 소형화, 고속, 고정밀, 높은 안전성, 낮은 유지 관리 요구 사항 등의 기능이 필요한 최신 로봇 및 드론 애플리케이션을 설계하는 엔지니어에게 매우 매력적입니다.
BLDC 모터의 기본 원리
BLDC 모터는 믿을 수 없을 정도로 단순한 3부분 구조를 가지고 있습니다. 고정 고정자에는 영구 자석이 장착된 회전자에 둘러싸여 있거나 평행하게 원주에 분포된 2~8개 세트의 구리 권선이 장착되어 있습니다(그림 1). 모터 컨트롤러는 고정자에 연결되어 위치 데이터를 얻고 권선에 전원을 공급합니다.
3상 BLDC 모터용 컨트롤러
그림 1: 3상 BLDC 모터 컨트롤러는 고정자 권선(U, V, W 위상)의 전류 공급 상태와 전류 극성을 전환하여 고정자 자기장의 방향을 변경합니다. 영구자석이 내장된 회전자(파란색 부분)가 이에 따라 회전하여 고정자 자기장과 동일한 방향을 유지합니다. (이미지 출처: 코르보)
고정자의 권선 세트에 전기를 가하면 자기장이 생성되고 회전자의 영구 자석은 이 자기장에 반응합니다. 반대쪽 자극 사이의 인력으로 인해 로터가 회전합니다. 회전자를 고정자 자기장과 정렬하기 전에 컨트롤러는 활성화된 권선을 전환하고 자기장의 방향을 변경하며 회전자가 계속 회전하도록 유지합니다.
실제로 컨트롤러에서 고정자로 전송되는 전류 펄스는 전도에서 분리로 변경되고 특정 주파수에서 극성을 전환하여 특정 파형을 사용하여 전류를 나타냅니다. 그림 1에 표시된 스위칭 방식은 사다리꼴파로 표시됩니다. 영구자석 동기 모터(PMSM)를 포함한 다른 유형의 모터에는 사인파가 있습니다. 이 유형의 모터는 구조적으로 BLDC 모터와 유사하지만 다양한 전류를 통해 회전하도록 자기장을 구동하고 회전자는 자기장과 동기화되고 고정된 상태를 유지합니다. 이러한 파동의 진폭과 위상을 조정하면 모터의 속도와 사용 가능한 토크가 변경될 수 있습니다.
컨트롤러는 홀 효과 센서나 광전 인코더와 같은 위치 센서로부터 지속적인 피드백 정보를 받을 수도 있습니다. 센서리스 BLDC 모터에서는 역기전력(BEMF)(비활성 권선의 활성화된 권선에 의해 생성된 자기장에 의해 생성된 전류)의 측정 값을 사용하여 회전자의 위치를 결정할 수 있습니다.
모터 드라이버 개발
BLDC 모터의 모니터링, 전원 공급 및 제어에는 복잡한 구조가 필요하다는 점을 감안할 때 산업 환경에서 고체 전자 장치를 사용하는 구식 BLDC 모터 컨트롤러에는 모터를 연결하기 위해 독립된 캐비닛 공간과 부피가 큰 전원 및 데이터 케이블이 필요하다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 점점 더 정교해지는 집적 회로(IC)는 인쇄 회로 기판(PCB)에 통합될 수 있을 때까지 모터 컨트롤러의 지속적인 소형화를 주도하고 있습니다. 소형화에도 불구하고 오늘날 모터 컨트롤러의 기능은 계속해서 확장되고 있습니다.
예를 들어 Qorvo의 ACT72350 3상 BLDC 모터 드라이버가 있습니다(그림 2). 이 드라이버는 구성 가능한 AFE(아날로그 프런트 엔드), 다양한 전원 구성에 맞게 조정된 전원 관리 모듈, 전용 모터 드라이버(ASPD)를 9mm x 9mm QFN(평면 무연) 표면 실장 장치에 통합합니다.
Qorvo ACT72350 통합 3상 BLDC 모터 드라이버
그림 2: ACT72350 통합 3상 BLDC 모터 구동기는 AFE 회로망과 구성 가능한 전력 관리 기능을 콤팩트한 표면 실장 패키지에 통합합니다. (이미지 출처: 코르보)
ACT72350의 구성 가능 AFE에는 차동 프로그래밍 가능 이득 증폭기 3개, 단일 종단 프로그래밍 가능 이득 증폭기 4개, 10비트 아날로그-디지털 변환기 2개, 비교기 10개가 장착되어 있어 센서와 제어 회로를 연결하는 브리지 역할을 합니다. 이 AFE는 SPI(직렬 주변 장치 인터페이스)를 통해 외부 MCU(마이크로 컨트롤러)로부터 펄스 폭 변조(PWM) 제어 신호를 수신할 수도 있습니다.
구성 가능한 전원 관리 모듈을 통해 ACT72350은 최대 20초의 배터리 용량(완전 충전 시 공칭 전압 72V 또는 84V)을 포함하여 25V ~ 160V 범위의 DC 입력 전압을 수용할 수 있습니다. 이 모듈의 고전압 스위칭 전원 공급 장치는 안정적인 12V 또는 15V 출력 전압을 제공할 수 있으며 ACT72350 모듈 및 MCU에 안정적인 5V, 200mA 전원 공급 장치도 제공할 수 있습니다.
ACT72350의 ASPD는 하프 브리지, H 브리지 또는 3상 아키텍처를 사용하여 모터를 구동할 수 있습니다(그림 3). 160V 전압의 3개 고전압 측 게이트 드라이버와 20V 전압의 3개 저전압 측 게이트 드라이버, 각 드라이버는 2A(풀링 전류)/2A(유출 전류)의 게이트 구동 성능을 갖추고 있어 빠른 스위칭 성능을 달성하여 모터 속도를 향상시킬 수 있습니다.