센서리스 BLDC 모터 드라이버 회로

이 게시물에서는 BLDC 모터가 무엇인지 조사한 후 센서리스 BLDC 모터 드라이버 회로의 설계에 대해 배웁니다.

BLDC CPU 팬

CPU, 전압 안정기, DVD 플레이어 및 기타 유사한 장비에서 빠르게 움직이는 팬을 보셨나요?이 팬은 최고의 효율성으로 작동하고 최소한의 공간과 전류를 소비하면서도 특정 장비에 대해 규정 된 중요한 작업을 제공 할 수 있습니다.

예, 이들은 모두 최신 버전의 BLDC 팬 또는 이전의 기존 브러시 모터보다 훨씬 우수한 브러시리스 DC 모터입니다.

이미지 제공 : https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_fan#/media/File:Geh%C3%A4usel%C3%BCfter.jpg

그러나 BLDC 모터에는 정교한 드라이버 회로가 필요하며 모든 CPU 팬에는 이러한 드라이버 모듈이 내장되어 있지만 일반 DC를 사용하여 쉽게 작동 할 수 있지만 내부적으로 시스템에는 이미 스마트 회로가 장착되어 있습니다.

BLDC 모터 드라이버

여기서 우리는 놀라운 효율성으로 작은 BLDC 모터를 구동하기 위해 단일 칩 DRV10963을 사용하는 이러한 스마트 BLDC 모터 구동기 회로에 대해 배우고, 나중에이 IC 회로가 구동을 위해 어떻게 업그레이드 될 수 있는지 살펴볼 것입니다. 강력한 고전류 BLDC는 쿼드 콥터에 사용됩니다.

그러나 그 전에 BLDC 모터에 대해 조금 배우는 것이 흥미로울 것입니다.

브러시 형 DC 모터와 브러시리스 DC 모터의 차이점

브러시 모터와 브러시리스 모터의 차이와 효율은 분명합니다.

브러시 드 모터에는 자석 사이를 이동하는 권 선형 전기자가 있으므로 '브러시'(마찰 접점)를 사용하여 가동 코일 단자가 공급원 자체에 도달 할 필요없이 일관되게 공급 전압을받을 수 있도록해야합니다. 불가능한 일을하고 작전을 위태롭게합니다.

브러시리스 모터에서 코일 또는 권선은 절대 움직이지 않고 일정합니다. 여기서 로터는 영구 자석 세트를 운반하고 주변 권선의 자속의 영향으로 회전합니다.

자석은 모든 번거 로움이없고 전력을 관리하거나 수신하기 위해 터미널을 사용하지 않고도 작동 할 수 있기 때문에 쉽게 이동할 수 있으며, 빠른 속도로 사실상 소음이없는 수준으로 회전 할 수 있습니다.

하지만 여기에 문제가 있습니다. 전자석이 영구 자석의 자속에 반응하도록하려면 자기 위상 또는 극의 일정한 이동이 있어야합니다. 그래야 두 상대가 지속적으로 반응하고 반대되는 힘을 통과하여 필요한 비틀림 힘을 방출 할 수 있습니다. 로터와 그 결과 토크로 회전을 실행하십시오.

브러시 드 모터에서는 외부 펄스 나 처리 없이도 자기 유지 반대 자기력을 생성하고 계속 회전 할 수있는 전기자 코일의 자체 조정 특성으로 인해이 작업이 더 쉬워집니다.

그러나 BLDC에서는 자석 로터가 '단서가없는'상태로 유지되고 우연한 방식이 아닌 의미있는 방식으로 회전하기 위해 권선에서 계산 된 자기 명령이 필요하기 때문에 문제가됩니다.

이것이 바로 모든 BLDC 모터가 모터 내부의 세 가지 개별 권선 세트를 명령하기 위해 모터 드라이버 회로를 필수로 요구하는 이유입니다.

따라서 모든 BLDC는 기본적으로 3 상 모터이며 회 전자에 회전 토크를 생성하기 위해 강제로 3 상이 필요합니다.

센서리스 BLDC 드라이버의 기능

센서리스 BLDC 드라이버 회로는 자기 회전자가 일관된 반대 힘을 통과하여 모터가 지속적인 토크와 회전력을 달성 할 수 있도록 3 세트의 권선을 순차적으로 간단히 전기를 공급합니다.

그러나 회로에 의한 BLDC 권선의 이러한 순차 전원 공급은 무작위로 설정 될 수 없으며, 직렬로 연결되거나 회 전자 자석의 회전 위치에 응답해야합니다. 그렇지 않으면 구현이 불안정해질 수 있으며 모터 샤프트 (회 전자 ) 우연히 회전하는 것, 즉 현명한 회전없이 시계 방향과 시계 반대 방향 사이에서 갑자기 움직이는 것입니다.

BLDC 모터에 센서가 사용되는 이유

따라서 많은 BLDC 모터 변형 내부에 위치한 센서를 소개합니다. 이러한 센서 (일반적으로 홀 효과 센서)는 회 전자 자석의 자극 위치 변화를 '이해'하고 연결된 프로세서 회로에 해당 권선에 전기를 공급하고 회전 운동을 실행하도록 지시합니다. 최적의 토크로.

홀 효과 센서는 비교적 크기가 큰 대부분의 BLDC 모터에 효과적으로 사용되지만 CPU 팬, CPU 드라이브, DVD 플레이어, 소형 배기 팬과 같은 소형 모터의 경우 쿼드 콥터에 사용되는 모터의 경우 홀 효과 센서가 부적절해질 수 있습니다. 따라서 대체 센서리스 접근법이 구현됩니다.

여기에는 관련 권선 세트를 처리하고 전기를 공급하고 회전 토크를 실행하기위한 기준 소스로 사용되는 권선 고유의 역기전력 전기를 이용하는 것이 포함됩니다.

BLDC 로터 움직임 시뮬레이션

위의 조잡한 시뮬레이션에서 방출 된 역기전력을 기준으로 삼아 후속 권선 세트에 대한 시퀀싱 펄스를 생성하여 중앙 영구 자석 회 전자에 회전 토크를 부과하는 방법을 시각화 할 수 있습니다. 시뮬레이션은 정확한 복제가 아닐 수 있지만 작동 원리에 대한 대략적인 아이디어를 제공합니다.

자석의 N / S가 정확히 권선 코어의 중심에있을 때 펄스가 전환되어 권선이 펄스 극성에 따라 N 또는 S로 에너지를 공급하고 끌어 당김 및 반발을 생성한다는 점은 흥미 롭습니다. N / S 자석에 힘을 가하여 가능한 최대 수준에서 필요한 토크를 생성합니다.

그리고 이것은 이전 권선의 스위칭을 통해 해제 된 역기전력 때문에 가능해진다.

위의 논의는 BLDC 모터가없는 센서의 작동을 명확하게합니다. 이제 지정된 회로가 위의 복잡한 3 상 스위칭 실행을 처리하는 방법을 알아 보겠습니다.

BLDC 드라이버 DRV10963

인터넷 검색을 한 후 구성에서 무시할 수있는 양의 부품을 사용하면서도 의도 한 작업에 대해 정교한 처리를 구현할 수있는 단일 칩 DRV10963을 사용하는이 센서리스 BLDC 드라이버 회로를 발견했습니다.

DRV10963은 모터 권선에서 역기전력을 예측하고 권선에 대한 정확한 명령을 전달하고 로터에서 최적의 회전 토크를 달성함으로써 센서없는 BLDC 모터를 작동하도록 특별히 설계된 최첨단 칩입니다.

회로도

위의 이미지는 IC 자체 만 포함하는 단순한 회로 레이아웃을 보여줍니다.

다양한 핀아웃은 모터의 PWM 속도 제어, 방향 제어 등과 같은 지정된 기능을 수행하기 위해 할당됩니다. 관련 핀아웃에 외부 소스에서 지정된 데이터를 간단히 공급하면됩니다.

다음 이미지는 10 핀 DIL IC처럼 보이는 칩 패키지를 보여줍니다. 동일한 다양한 핀아웃 기능은 다이어그램 아래 제공된 데이터에서 연구 할 수 있습니다.

제안 된 센서리스 BLDC 드라이버 회로의 회로도 참조 이전 기사와 위의 칩 이미지에 제시된대로 핀 배치 세부 사항은 다음과 같이 이해할 수 있습니다.

IC 핀아웃 세부 사항

FG = 모터 속도 표시기 핀 (출력)이며 내부 BJT를 사용하여 오픈 컬렉터 모드로 리깅됩니다.

개방형 컬렉터는이 핀아웃의 출력이 개방형 컬렉터와 접지에서 싱킹 로직을 통해 음의 PWM을 생성 함을 의미하므로 유효한 판독 값을 얻으려면 사용자가이 개방형 컬렉터와 양의 전원 (5V )이 핀아웃에서 속도 표시를 수행합니다.

FGS = 속도 표시기 선택기 입력입니다. 이는 표시기 핀 FG를 ON / OFF하기 위해 여기에 로직 하이 또는 로우가 도입 될 수 있음을 의미합니다.

Vcc = 작동을 가능하게하는 IC에 대한 양극 공급은 5V를 초과하지 않아야합니다.

W, U 및 V는이 IC를 통해 작동해야하는 BLDC 모터의 3 상 출력입니다. 이것은 또한 모터 코일의 동기화 된 스위칭에 필요한 모터 EMF 펄스를 감지하기위한 입력처럼 작동합니다.

GND = Vdd 핀에 대한 IC의 네거티브 공급 핀아웃을 나타냅니다.

FR = 모터의 방향을 선택하거나 명령하는 데 도움이되며, 시스템에 전원이 공급되면 언제든지 외부 로직 하이 또는 로직 로우를 도입하여 동적으로 변경할 수 있습니다.

PWM = PWM 제어 입력을 의미합니다. 외부 PWM 파형 발생기.

이 PWM 입력은 연결된 BLDC 모터의 원하는 속도 제어를 구현하기 위해 가변적 일 수 있습니다.

칩 중앙의 점선 공간은 열 패드를 나타냅니다. 열 패드는로드 된 BLDC 모터와 함께 사용되는 동안 칩에서 발생할 수있는 열을 가라 앉히기 위해 방열판으로 클램핑하거나 누를 수 있습니다.

위의 설명에서는 센서리스 BLDC 모터 드라이버 칩 DRV10963의 핀아웃 또는 연결 세부 정보를 설명합니다. 이제 다음 사항을 사용하여 칩의 내부 구성과 기능을 자세히 분석해 보겠습니다.

장치 설명

DRV10963은 내장형 전력 MOSFET (3 상 H 브리지)이있는 3 상 센서리스 전기 모터 오퍼레이터입니다. 생산성 향상, 소음 감소 및 최소 2 차 자재 개수 모터 드라이브 기능을 위해 맞춤화되었습니다. 독점적 인 센서리스 창 -Iess 180 ° 사인 곡선 관리 체계는 소음없는 모터 통근 효율성을 제공합니다.

스마트 잠금 감지 기능으로 구성된 DRV10963은 보안 성능을 달성하기 위해 추가 내장 보안 회로와 함께 제공됩니다. DRV10963은 덮개가없는 열 매트가있는 열 효율적인 10 핀 USON 패킹에서 찾을 수 있습니다.

IC 작동 원리

DRV10963 제품은 파워 MOSFET이 주입 된 3 상 센서리스 모터 오퍼레이터입니다.
우수한 성능, 감소 된 공명 및 최소 표면 부품 수 모터 드라이브 기능을 위해 특별히 제작되었습니다.

주요 센서리스 창없는 180 ° 사인 곡선 제어 계획은 전기적으로 자극 된 토크 리플 공칭을 유지하여 무소음 모터 기능을 제공합니다. 초기화시 DRV10963 장치는 FR 입력 핀을 통해 지정된 과정에서 모터를 돌립니다.

DRV10963 칩은 정현파 제어 계획을 사용하여 3 상 BLDC 모터로 작동합니다.

사용 된 정현파 위상 전압의 중요성은 PWM 핀의 듀티 사이클에 따라 다릅니다. 모터가 움직이는 동안 DRV10963 IC는 FG 핀에서 속도 데이터를 전달합니다.

DRV10963 장치는 스마트 잠금 감지 기능으로 구성됩니다. 모터가 외부 압력에 의해 방해를받는 경우 프로그램은 잠금 문제를 식별하고 모터와 함께 자체적으로 보호 조치를 취합니다.

잠금 감지 회로의 특정 절차는 잠금 감지에 자세히 설명되어 있습니다. DRV10963 IC는 또한 과전류 보호, 과전압 보호, 저전압 보호 및 과열 보호와 같은 여러 내장 안전 회로를 포함합니다.

특징 설명

속도 입력 및 제어

DRV10963은 위상 간 정현파 파형의 표준 비율을 가질 수있는 3 상 25-kl-lz PWM 출력을 제공합니다. 접지와 관련하여 사이클이 결정된 경우 감지 된 파형은 그림 2와 같이 3 차 고조파와 결합 된 PWM 보호 정현 파일 가능성이 높습니다.

이 코딩 전략은 0과 동등 할 수있는 하나의 위상 출력이있을 수 있기 때문에 드라이버 사양을 간소화합니다.

결과 진폭은 공식 1에 정의되고 그림 3에 강조 표시된대로 공급 전압 (VCC) 및 필수 PWM 듀티 사이클 (PWM)에 따라 달라집니다. 지시 된 PWM 듀티 사이클이 100 PERCENT이면 최적 진폭이 구현됩니다.

Vphpk = PWMdc>

모터 속도는 모터에 사용되는 위상 전압의 진폭을 조정하기 위해 PWM 순서를 사용하여 직접 조정되지 않습니다.

“변류기란 무엇인가 ”

PWM 입력의 듀티 사이클은 9 비트 디지털 수량 (0 ~ 511)으로 수정됩니다.

규정 해상도는 1/512 == 0.2 %입니다. 듀티 사이클 분석기는 입력 듀티 사이클과 9 비트 디지털 수치 간의 초기 주문 교환 작업을 용이하게합니다.

이것은 r = 80ms 인 그림 4에서 강조됩니다.

출력 최대 진폭과 함께 PWM 주문 듀티 사이클 간의 교환 성능은 DRV10963 장치에서 가변적입니다.

결과 최대 진폭은 PWM 명령> 최소 기능 듀티 사이클 인 경우 방정식 1에서 설명합니다. 최저 작동 듀티 사이클은 종종 OTP 설정 (MINOP_DC1 : 0)에 의해 13 %, 10 %, 5 % 또는 제한 없음으로 설정됩니다.

표 1은 최소 작동 듀티 사이클에 권장되는 구성을 보여줍니다.

PWM 지시 듀티 사이클이 최저 작동 듀티 사이클보다 적고 1.5 % 이상일 때마다 출력은 최소 작동 듀티 사이클로 조정됩니다. 입력 듀티 사이클이 1.5 % 미만이면 DRV10963 장치가 출력을 실행하지 않고 대기 모드로 전환됩니다.

이것은 그림 6에서 설명 할 수 있습니다.

회전 구성

DRV10963은 그림 7에 자세히 설명 된 기술을 통해 모터를 시작합니다.

모터 초기화 그래프는 개방 루프에서 폐쇄 루프 전환 제한 (HOW.), 정렬 시간 (TAHQH) 및 가속 속도 (RACE)에 대한 장치 구성 가능한 대안으로 구성됩니다.

로터를 정류 로직에 맞추기 위해 DRV10963은 GND에서 위상 U를 제어하는 ​​동시에 위상 V 및 W에서 x % 듀티 사이클을 실행합니다.

이 시나리오는 TAIign 초 동안 유지됩니다. x % 중요성은 VCC 전압 (표 2 참조)으로 식별되어 다양한 공급 전압에 대해 충분한 회전 토크를 유지합니다.

정렬 시퀀스가 ​​완료되면 모터는 표 2에 설명 된 피크 레벨의 정현파 위상 전압을 적용하고 정류 수준이 Hom으로 증가 할 때까지 RACE로 표시되는 확장 속도로 정류 범위를 통해 부스트하여 속도를 높여야합니다. ., Hz.

이 한계에 도달하자마자 DRV'l0963은 폐쇄 루프 모드로 전환되어 내장 제어 알고리즘에 의해 정류 드라이브 진행이 인식되고 사용 전압은 PWM 필수 듀티 사이클 입력으로 식별됩니다.

폐쇄 루프 전환 제한 (Hom), 정렬 시간 (TAHQH) 및 가속 속도 (RACE)에 대한 개방 루프는 OTP 구성을 통해 구성 할 수 있습니다.

핸드 오프 임계 값 (HOW)의 선택은 일반적으로 시행 착오 평가를 통해 승인됩니다. 목표는 가능한 한 작을 수있는 핸드 오프 허용 오차를 선호하고 모터가 개방 루프 가속과 폐쇄 루프 가속간에 쉽고 충실하게 전환 할 수 있도록하는 것입니다.

일반적으로 증가 된 속도 모터 (최대 속도)는 증가 된 속도 모터가 감소 된 Kt를 포함하므로보다 저렴한 BEMF를 포함하므로 우수한 핸드 오프 허용 오차가 필요합니다.

표 3은 핸드 오프 허용 오차에 대한 구성 가능한 기본 설정을 보여줍니다. 전기 Hz의 최고 속도는 특정 제출에 대해 바람직한 핸드 오프 속도를 선택하는 데 도움이되는 참고 자료로 입증되었습니다.

정렬 시간 (TAHQH) 및 가속 률 (RACE)의 선택은 시행 착오 검사에 따라 달라질 수 있습니다.

관성이 더 큰 모터는 일반적으로 더 빠른 가속 비율과 함께 더 짧은 정렬 시간을 요구하는 낮은 관성을 가진 모터에 비해 더 긴 정렬 시간과 더 느린 속도 향상 속도를 요구합니다. 프로그램 트레이드 오프는 회전 기간이 아닌 출시 안정성을 활용하기 위해 구현되어야합니다.

TI는 최대 이행률을 지원하기 위해 토크 업 시간을 타협하기 위해 덜 강렬한 구성 (느린 RACE 및 상당한 Tmign)을 결정하는 것으로 시작하도록 보증합니다.

장비가 성실하게 작동하는 것으로 확인되는 즉시 추가로 강력한 구성 (더 큰 RACC 및 더 적은 TAHQH)을 사용하여 턴업 순간을 줄이고 동시에 이행률을 신중하게 추적 할 수 있습니다.

표 4는 TA'g 및 RACE에 대한 구성 가능한 설정을 보여줍니다.

이 센서리스 BLDC IC에 대한 설명의 나머지 부분이 제공됩니다. 이 원본 데이터 시트에서

위에서 설명한 센서리스 BLDC 모터 드라이버 회로 세부 사항에 대해 자세히 알아보십시오.

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