(1) 마이크로 컨트롤러는 기능 및 가격 변경에서 특수 목적 칩보다 우수하고,
(2) 소프트웨어 프로그램은 암호화하기 쉬워 지적 재산권 보호;
(3) 소프트웨어 프로그래밍은 유연하고 사용자 요구에 따라 기능을 늘리고 향상시킬 수 있습니다.
PIC 마이크로 컨트롤러를 제어 코어로 사용하여 주변 구동, 보호 및 출력 회로를 변경하여 전력, 전압 또는 내부 구조가 다른 브러시리스 DC 모터를 제어 할 수 있습니다.
1 제어 코어
PIC16F877 또는 PIC16F876 마이크로 컨트롤러를 사용하는 컨트롤러의 기능 및 인터페이스는 8개의 입력(4개의 입력은 PIC16F876), 10비트 A/D 컨버터, PWM 펄스 폭 변조 출력 포트 CCP1, 10비트 분해능으로 외부 논리 레벨이 변경되면 인터럽트에 응답할 수 있습니다. 핵심 구조는 그림 1과 2에 나와 있습니다.
2 고전압 고전력 컨트롤러의 작동 원리
이 컨트롤러는 고전력 고전압 브러시리스 DC 모터용으로 설계되었습니다. 전원 공급은 정류 및 필터링 후 220V AC 전압에서 생성된 약 300V DC 전압(모터의 전력 범위는 500W~2,000W)으로 지능형 전력 모듈의 출력 부분에 전원을 공급합니다. 하드웨어 회로를 단순화하고 부품 비용을 절감하기 위해 마이크로 컨트롤러 및 관련 제어 회로의 전원 공급은 전압 감소 후 소형 변압기로 제공됩니다. 저전압 전원 공급 장치는 5개의 독립적인 출력을 제공하며, 그 중 하나는 마이크로 컨트롤러에 전원을 공급하고 완전히 절연되어 있습니다. 나머지 4개 그룹은 전원 모듈의 내부 구동 회로에 공급됩니다. 전체 제어 섹션에는 전류가 거의 필요하지 않습니다. 풀 브리지 정류를 사용하는 5V 출력을 제외한 나머지 4개는 단일 다이오드 반파 정류기입니다. 변압기 전력은 약 5W이며 처리 비용이 저렴합니다. 변압기와 기타 구성 요소는 허용 가능한 크기와 무게로 동일한 회로 기판에 납땜됩니다.
회로는 다음과 같이 작동합니다.
마이크로컨트롤러의 전원이 켜진 후 프로그램이 입력 및 출력 포트를 설정합니다. 포트 A는 아날로그 입력용이고 포트 B와 C는 디지털 입력 및 출력용입니다. 설정은 전용 레지스터에 쓰는 방식으로 이루어집니다. 프로그램 초기화가 완료되면 시작/중지 버튼이 감지됩니다. 버튼을 누르면 위치 센서 신호와 속도 포텐셔미터의 전압 값을 확인하는 작업 프로그램으로 들어갑니다. 이러한 데이터는 마이크로컨트롤러에서 처리되어 PWM 펄스 폭을 조정하고 해당 모터 드라이브 제어 신호를 출력합니다.
인터럽트 서비스 프로그램은 작업 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 위치 센서의 세 입력 핀 레벨이 그에 따라 변하면 마이크로 컨트롤러 내부에 인터럽트가 발생하고 인터럽트 서비스 프로그램이 입력과 출력을 디코딩하여 자극 변위를 생성하는 제어 신호를 출력합니다. 이 프로세스는 모터를 구동하는 오버슈팅 위상의 회전 자기장을 지속적으로 생성합니다.
인터럽트 서비스에 들어가지 않을 때 마이크로 컨트롤러는 A/D 변환, A/D 데이터 읽기, 모터 시작-정지 감지, 과전류 감지 등을 설정할 수 있으며, 마이크로 컨트롤러는 실시간으로 작동합니다.
3 저전압 저전력 컨트롤러의 작동 원리
컨트롤러의 전원은 배터리 팩에서 공급되며 배터리 전압은 모터 전력(180W~500W)에 따라 모터 제조업체에서 제공합니다. 모터 전압은 24V, 36V, 48V 및 60V로 나눌 수 있으며 회로에 절연 전원 공급 장치가 없으며 마이크로 컨트롤러 + 5V 전원 공급 장치와 드라이버 회로 + 15V 전원 공급 장치는 버킹 및 조정 후 배터리에서 제공됩니다. 회로에는 6 개의 N 채널 전력 MOS 전계 효과 트랜지스터가 사용되며 드라이버 부분은 특수 집적 회로 IR2102를 사용합니다 (회로의 구동 및 출력 부분에서는 IR2102의 작동 원리에 대해 자세히 설명합니다). 저전압 드라이버에는 지능형 전원 장치 대신 MOSFET 튜브가 사용되어 고속 광 절연, 전력 정류, 전원 공급 장치의 필터링 및 절연을 제거하고 하드웨어 비용을 줄입니다. 저비용 브러시리스 모터 컨트롤러입니다. 사용 중인 전류 과부하와 낮은 배터리 전압을 고려하여 과전류 감지 및 저전압 감지 기능이 회로에 추가되었습니다. 마이크로 컨트롤러의 소프트웨어 부분은 고전력 컨트롤러의 기능 외에도 과전류 및 저전압을 모니터링해야 합니다.
4 지능형 전력 모듈(출력부)
고전력 컨트롤러의 출력부는 미쓰비시의 지능형 전력 출력 모듈 PMXXCSJ060을 선택합니다. 기존의 IGBT 전력 출력 튜브에 비해 이 칩은 절연 기판 기술을 사용하여 게이트 레벨 드라이브 및 보호 회로가 내장된 성숙한 3세대 고주파 IPM 통합 장치에 속합니다. 모터 출력에 따라 정격 전류가 다른 모듈을 선택할 수 있습니다. 예를 들어 20A 내전압 600V 전원 장치 모델 PM20CSJ060에서 20은 정격 전류 20A, 060은 내전압 600V를 나타냅니다. 자세한 내용은 Mitsubishi 웹 사이트에서 확인할 수 있습니다.
5 전용 MOS 드라이버 칩 IR2102
저전압 컨트롤러 드라이버 칩 IR2102는 MOSFET 또는 IGBT를 구동할 수 있는 국제 정류기의 제품으로 이 칩을 적용하면 드라이버 회로 설계를 간소화할 수 있습니다. IR2102에서는 그림 3과 같이 부트 스트랩 기술을 사용하여 플로팅 전원 공급 장치를 설계하여 1 상 2 N 채널 인버터 브리지 출력 회로의 제어를 달성합니다. 작동 원리는 다음과 같습니다.
IR2102는 8핀 칩, HIN 및 LIN은 하이엔드 MOS 튜브 및 로우엔드 MOS 튜브의 드라이브 입력(액티브 로우), C는 부트스트랩 커패시터, D는 충전 다이오드입니다. 출력 브리지 암이 단락되는 것을 방지하기 위해 HIN과 LIN이 동시에 낮은 레벨이 되는 것은 금지되어 있습니다. HIN이 높고 LIN이 낮으면 출력 LO가 낮은 레벨보다 15V 더 높고 MOS 튜브가 전도됩니다. 반면, HIN이 낮고 LIN이 높을 때 HO는 처음에 VS보다 15V 높습니다(참고: 이 전압은 커패시터 충전의 결과입니다). 시간이 지남에 따라 커패시터는 저항 R13 및 R27을 통해 방전되어 지속적인 전압 강하를 생성하며, Q1의 온타임은 커패시터 C의 용량과 관련이 있으며 펄스 폭 변조 주파수가 5kHz 이상일 때 0.1μF F로 선택할 수 있습니다. IR2102에 대한 자세한 정보는 www.IRF.com.cn的网站上找到 에서 확인할 수 있습니다.
6 소프트웨어 설계
위치 센서가 있는 브러시리스 모터의 경우 대부분의 모터 위치 센서 상태는 60도 및 120도로 나뉩니다. 전기 각도를 알 수 없는 경우 디지털 로직 분석기를 사용하여 위치 상태의 세 가지 출력을 측정할 수 있습니다. 측정하는 동안 모터 로터는 일정한 속도로 회전하며 측정된 출력 파형은 그림 4에 나와 있습니다. 이 과정은 6개의 상태마다 하나의 전기 각도 주기로 반복됩니다. 측정 결과를 바탕으로 모터의 시계 방향 및 시계 반대 방향 회전에 대한 6가지 상태의 입력 및 출력 테이블 열이 프로그래밍 중에 원시 데이터로 프로그램에 기록됩니다.
프로그램의 내용은 다음과 같습니다.
(1) 초기화 설정
관련 포트(포트 A, B, C, E)를 설정하는 것은 전용 레지스터를 작성하여 이루어집니다.
(2) 주요 프로그램 내용
마이크로컨트롤러의 내부 기능 모듈에는 모터 정회전 및 역회전 입출력 테이블의 데이터를 지정된 메모리 셀에 기록하는 A/D 컨버터와 PWM 기능 설정이 포함되어 있습니다. 정방향 및 역방향 회전 상태를 확인하기 위해 인터럽트가 켜지고 모터 시작/정지 버튼의 레벨이 주기적으로 감지됩니다.
(3) 인터럽트 서비스 절차
모터 구동 위치(6가지 상태 중 하나)가 변경되면 MCU는 인터럽트에 응답하여 인터럽트 서비스 절차에 들어가 입출력 디코딩을 완료하고 오류 코드를 필터링하며 B0 포트 레벨의 인터럽트 모드 등을 조정합니다.
(4) 서브 루틴
서브 루틴에는 시간 지연 절차, Rbo 입력 인터럽트 레벨 조정 절차, A/D 변환 절차가 있습니다.
소프트웨어 흐름도는 그림 5에 나와 있습니다.
브러시리스 DC 모터의 응용 분야는 최근 몇 년 동안 빠르게 발전하여 대체 불가능한 장점이 많다는 것이 입증되었으며 다양한 유형의 컨트롤러가 적용되었습니다. 고효율과 넓은 속도 조절 범위를 추구한다는 전제하에 컨트롤러의 높은 신뢰성은 모터 애플리케이션의 인기를 제한하는 핵심 요소입니다. 한편으로는 새로운 지능형 전력 장치가 계속 등장하여 설계자에게 더 나은 하드웨어 기반을 제공하고 있으며, 다른 한편으로는 소프트웨어 설계도 신뢰성 향상에 중요한 부분입니다. 좋은 소프트웨어 설계는 하드웨어 설계의 부족함을 상당 부분 보완할 수 있으며, 이는 많은 엔지니어와 기술자가 추구하는 목표이기도 합니다.