산업 분야에서 전기 구동 모터의 효율성은 제어 회로에 따라 결정됩니다. 모터 제어에 중요한 부분은 전력 전자 장치 블록이고, 전력 전자 장치 블록에 중요한 부분은 전류, 전압 및 위치를 측정하는 센서입니다. Analog Devices의 이번 기사에서는 전류 피드백 및 DC 버스 전압 측정이 전기 모터 제어 회로의 일부가 될 수 있는 방법에 대해 살펴보겠습니다.
전력 인버터와 전력 전자 장치 블록은 모든 모터 구동 장치의 핵심입니다. 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있도록 모터에 대한 전력 조절을 지원하는 제어형 전력 요소를 제공합니다. 따라서 인버터의 제어는 전반적인 구동 장치 작동에 매우 중요합니다.
모든 폐쇄 루프 제어 시스템의 경우, 일반적으로 제어 루프가 이들 간의 차이에 응답할 수 있도록 지정점(예: 원하는 작동 지점)과 이를 비교할 측정 변수(피드백이라고 함)가 필요합니다. 구동 장치에서 주요 측정 변수는 일반적으로 전동기 전류와 전동기 위치입니다. DC 버스 전압과 같은 다른 변수는 제어 루프 작동에 유용합니다. 아래 아키텍처 다이어그램에 다시 표시된 대로 인버터 단계에서 발생하는 전류 피드백과 DC 버스 전압의 측정을 살펴보겠습니다.
그림 1: 서보 드라이브 아키텍처 다이어그램
전류 피드백 경로에서 중요한 점은 고주파수 전환 전류 리플이 피드백 경로에 도입되지 않도록 측정이 PWM 주기와 동기화된다는 것입니다. 이를 위해서는 전류 샘플링이 파형의 중간 지점에서 샘플링되도록 정확한 타이밍이 필요합니다. 파형의 이 지점에서 순간 전류는 PWM 주기 평균과 동일하며, 측정에는 PWM 전환 리플 전류가 포함되지 않습니다.
이는 그림 2에 간단하게 설명되어 있습니다. 여기서는 위상 전류 파형의 샘플링 지점이 PWM 상측 전환 파형에 대한 상대 정렬 및 전환 기간 Tsw와 함께 표시됩니다. 이 시나리오에서 PWM_SYNC 펄스는 전류 샘플링이 트리거되어야 하는 지점을 나타냅니다(단일 지점 샘플이 아닌 시그마-델타 ADC 유형 샘플링이 사용되는 경우에는 디지털 필터의 중심 지점이 될 수 있음, [1] 참조).
그림 2: 전동기 전류 중간 지점 샘플링
최소 두 개의 위상을 동시에 샘플링해야 하며, 일반적으로 14~16비트 측정 해상도면 충분하고 마이크로초 수준의 대기 시간으로 제어 루프가 PWM 주기 시간(Tsw) 내 또는 더 높은 주기 시간의 절반 내에 응답할 수 있습니다.
전류 측정을 구현하는 방법(그림 3에 나와 있음)에는 몇 가지가 있습니다. 아래 표에 20A 응용 분야용 방식을 구현하기 위한 몇 가지 부품 번호 예시가 함께 설명되어 있습니다. 전동기 전류를 측정하는 가장 정확한 위치는 실제 모터 위상인 인버터의 출력 라인입니다. 단, 이러한 노드에 있는 고전압으로 인해 일반적으로 전기적 격리가 필요합니다. 전동기 전류 측정은 인버터 레그, DC 버스 양극 또는 음극 레일과 같은 다른 위치에서 추론할 수 있습니다. 그러나 이러한 측정 위치는 구현 비용이 저렴하지만 이와 관련된 다른 단점도 있을 수 있습니다.
그림 3: 현재 피드백 옵션
| 설명 | 의견 | 예시 부품(20A) | |
| 1 | 직렬 션트 저항기 + 높은 공통 모드 전압(CMV) 연산 증폭기 + 동시 샘플링 ADC(SSADC) | 일반적으로 높은 CMV 연산 증폭기는 이 범위에 대해 정격이 지정되므로 100V 미만의 분야에 사용됩니다. | CFN1206AFXR010(Bourns) AD8410(ADI) MAX11195(ADI) |
| 2 | 직렬 션트 저항기 + 격리 ADC | 소음 내성, 크기 및 성능을 위한 최고의 솔루션입니다. 비트스트림 출력 - 디지털 필터 필요 | CFN1206AFXR010(Bourns) ADuM7701-8 |
| 3 | 격리형 전류 센서 + 연산 증폭기 + SSADC | 션트 저항기가 너무 비효율적인 더 높은 전류 수준에 적합한 솔루션 | HMSR 20-SMS(LEM) AD8515(ADI) AD7380 (ADI) |
| 4 | 레그 션트 저항기 + 연산 증폭기 + SSADC | 컨트롤러가 DC 버스에 접지된 경우 격리가 필요하지 않으므로 가장 저렴한 솔루션입니다. 동상 션트보다 정확성이 떨어짐 | CFN1206AFXR010(Bourns) MAX4477(ADI) MAX11195(ADI) |
높은 정확도, 정밀도, 전류 피드백은 인버터의 전체 제어 루프에 중요한 부분입니다. 이는 전체 제어 광역폭과 토크 리플에 큰 영향을 미칩니다. 광역폭은 모터 제어의 더 빠른 과도 성능으로 해석되며, 집기 및 배치 기계와 같은 분야에서 매우 중요할 수 있습니다. 토크 리플은 연삭, 절단, 연마와 같은 분야에서 가공 품질 및 마감 공차와 같은 효과로 이어집니다.
전류 피드백은 인버터에서 제어기에 이르는 가장 중요한 피드백 변수이지만, DC 버스 전압은 제어 피드포워드 변수로도 중요할 수 있습니다. 제어된 양으로 사용되지 않지만 DC 버스 전압의 변화가 전류 제어 루프의 역학에 영향을 미치기 때문에, 전체 전류 제어기의 역학을 향상시키는 피드포워드 변수로 사용될 수 있습니다. 이에 대한 최종 결과는 그림 4와 같습니다.
그림 4: 전류 제어기 블록 다이어그램
DC 버스 전압 감지 신호는 제어기 접지가 DC 버스 음극 상태인 경우에 DC 버스의 전압 분압기에서 직접 파생되거나 전압 분압기 출력에 연결된 격리 증폭기 또는 ADC(예: 앞서 언급한 ADuM7701)를 사용하여 파생될 수 있습니다.
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