모터드라이버, 모터 제어기, 모터 컨트롤러는 모터를 제어하는 제품이다.
DC모터, BLDC 모터, STEP 모터등을 구동하기 위해서는 각 모터 종류에 맞는 모터 드라이버를 사용하여 컨트롤 할 수 있다.
DC 모터나 유도 모터를 돌리기 위해서는 제어장치 없이 단순히 전기를 연결하기만 하면 동작하지만, BLDC 모터 STEP모터 등은 모터 드라이버가 없으면 동작 하지 않는다.
모터 드라이버를 사용하면 토크제어, 속도제어, 전압제어, 전류제어, 위치제어 등을 정확하게
할 수 있고, 모터 보호 기능 또한 할 수 있다.
출처-http://article2.tistory.com/241
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DC 모터의 경우 Pin 은 2개 밖에 없습니다.
위 그림에서 모터의 Pin에 +와 -를 연결하는 방법에 따라 모터의 방향이 달라집니다.
이를 정방향과 역방향을 합쳐 ‘정역제어’라고 합니다.
이는 소프트웨어적으로 해결 할 수 없는 문제 이므로 회로를 만들어서 물리적으로 모터에 가해지는 전압의 극성을 바꾸어 주어야 합니다.
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모터를 정방향 역방향으로 제어 할 수 있도록 하드웨어 적으로 구성된 정역 제어 회로입니다.
생긴 모양이 알파벳 H와 같다고 하여 이 회로를 H-Bridge 회로라고 합니다.
이 정역 제어 회로를 사용하게 되면 소프트웨어적으로 모터의 회전 방향 제어 뿐만 아니라 모터의 On/Off 제어도 가능합니다.
FET 또는 TR의 스위칭 기능을 사용하여 모터의 2단자 만으로도 정회전 역회전을 구현할 수있습니다.
모터의 속도는 DC 전압을 제어하면 속도를 바꿀 수 있습니다. 전압이 커지면 속도가 증가하고, 전압이 작으면 속도가 감소합니다. 하지만 DC 전압을 손쉽게 제어하기 힘들기 때문에 PWM (Pulse Width Modulation) 제어를 사용합니다. PWM 제어의 예로 DC 모터의 속도제어와 LED의 밝기 등을 조절하는 용도로 많이 쓰입니다. 위 H-Bridge 회로처럼 MOSFET을 빠른 주기로 스위칭을 하게 되면 duty의 평균값에 해당하는 전류가 흐르게 되는 것이 PWM으로 속도 제어를 하는 원리입니다. 예를 들어 duty ratio가 50%에 해당하는 pulse를 주면 DC의 절반에 해당하는 전류가 흘러 속도가 반으로 감소합니다. 이는 모터의 권선이 인덕터로 되어 있기 때문에 고주파는 차단하고 저주파만 통과시키는 현상 때문에 사용할 수 있는 기법 입니다. 참고로 모터는 20kHz~80kHz 정도의 주파수에 해당하는 PWM 제어가 소음과 효율 측면에서 우수합니다.
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모터 드라이버를 선택할때는 각 모터에 맞는 모터 드라이버를 사용 하여야 합니다.
일반적인 DC모터, BLDC모터, STEP 모터, PMSM모터 등 모터 종류마다 모터 드라이버의 종류 또한 많습니다.
모터 드라이버를 선택하시기 이전에 먼저 모터 선택 부터 하여야 합니다.
사용 하려는 목적에 맞게 모터의 종류를 선택 해야 합니다.
모터마다 특성이 다르므로 알맞는 모터를 선택하여야 합니다
모터가 어느 정도의 힘을 버티는지 고려하여야 합니다.
토크와 모터의 속도는 반비례합니다.
모터는 입력 전압에 비례하여 힘과 속도가 달라집니다.
힘을 강하게 하고 싶다고 정격 전압을 넘기게 된다면 모터가 상하게 되므로, 정상적인 동작을 원한다면 정격 전압 및 정격 전류를 지켜야 합니다.
Buck converter는 입력 전압에 대해 출력전압을 낮춰서 사용하기 위한 회로로서 강압형 컨버터, step-down converter라고도 부릅니다.
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| 그림. 1 Buck converter의 회로도 |
Buck converter는 그림 1과 같이 스위칭 소자가 빠른 주파수로 스위칭하며, LC 필터를 거쳐 출력됩니다. Buck converter는 일반 선형 전원회로와는 다르게 다이오드가 연결되어 있으며, 다이오드는 스위치 소자가 빠르게 on/off 되었을 때 인덕터에 의해 발생되는 관성 전류가 빠져나갈 수 있게 해주는 역할을 합니다. 빠른 주파수로 동작하기 때문에 쇼트키 다이오드(Schottky diode)나 Fast recovery diode를 사용합니다.
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| 그림. 2 Buck converter에서 스위칭 소자가 on/off 될 때 전류의 흐름 |
Buck converter의 동작 원리를 살펴보면 스위칭 소자가 ON 상태일 때는 전류가 흐르게 되는데 LC 회로에 의해 고주파 부분은 GND로 빠져나가고 저주파 부분만 통과하게 됩니다. 스위칭 소자가 OFF 상태가 될 때는 LC 회로에 의해 전류가 더디게 감소합니다. 결과적으로 약간의 전류 리플은 존재하겠지만 구형파를 DC 전압이 나올 수 있게 해주는 동작을 합니다.
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| 그림. 3 Buck converter의 동작 상태 |
그림 3에서 inductor voltage를 통해 Buck converter의 입출력 관계식을 유도할 수 있습니다.
그림 3의 inductor current를 살펴 보면 정상상태에서 주기를 가지고 인덕터 전류가 리플이 발생하는 것을 확인할 수 있습니다.
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| 식.1 |
식 1에 의해 Voltage-sec 평형 조건을 적용하면 그림 3의 inductor voltage에서 ON일 때 넓이와 OFF 일 때 넓이가 같아야합니다.
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| 식.2 |
따라서 식 2와 같이 정리하면 입력 전압과 출력 전압의 관계를 결정할 수 있습니다. 다시 말해, duty ratio가 크면 큰 전압을 출력하고, duty ratio가 작으면 작은 전압을 출력하게 됩니다. 또한 buck converter의 효율까지 고려하여 표현할 수 있습니다.
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| 식.3 |
식 1을 변형 시키면 Buck converter의 인덕터는 식 3과 같은 관계식으로 선정할 수 있습니다. 인덕턴스가 커지면 전류 리플이 작아지고, 스위칭 주파수가 커져도 전류 리플이 작아지는 관계가 있습니다. 하지만 인덕턴스가 커지면 인덕터 소자가 커지고 스위칭 주파수를 높이는 것 역시 노이즈 등에 취약해지기 때문에 적절한 인덕턴스와 스위칭 주파수를 선정해야 합니다.
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| 식.4 |
적절한 용량의 다이오드를 선정하기 위해서는 다이오드에 흐르는 전류와 걸리는 전압을 통해 power를 계산해야 합니다. 먼저 다이오드는 스위칭이 off 된 경우만 전류가 지나가기 때문에 식 5와 같이 표현할 수 있습니다.
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| 식.5 |
다이오드의 용량은 식 6과 같이 계산할 수 있겠습니다.
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| 식.6 |
전압과 커패시터의 관계는 식 7과 같이 나타낼 수 있으며 충전량은 그림 3의 커패시터 전류 넓이로 구할 수가 있습니다.
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| 식.7 |
전압 리플은 커패시터의 관계뿐만 아니라 ESR, ESL의 관계로도 표현할수가 있습니다.
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| 식.8 |
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출력 전압 리플은 커패시터 자체에 의한 저항, LC 회로에 의한 충방전 현상, 커패시터의 인덕턴스 영향 등에 의해 결정됩니다. 따라서 출력 전압 리플은 적절한 커패시터를 선정하여 줄이는 방향으로 설계해야 합니다.
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| 그림. 4 Synchronous buck converter의 회로도와 작동 원리 |
그림. 4는 Synchronous buck converter로서 buck converter의 다이오드 대신에 Low-side MOSFET을 사용한 것입니다. 상용 정류 다이오드보다 MOSFET의 다이오드가 열 손실이 더 적기 때문에 Synchronous buck converter가 효율이 조금 더 좋습니다.