브러시리스 모터 컨트롤러 (ESC)에 대한 자세한 설명

 

논의 할 때브러시리스 DC 모터 (BLDC), 우리는 종종 속도, 토크, 전력 밀도 및 기타 하드웨어 매개 변수에 중점을 두지 만 전자 속도 컨트롤러라고도하는 브러시리스 모터 컨트롤러 (전자 속도 컨트롤러, ESC)와 같은 중요한 구성 요소를 간과하는 경향이 있습니다.

 

실제로 브러시리스 모터의 성능을 완전히 활용할 수 있는지 여부는 장착 된 컨트롤러에 따라 다릅니다. ESC는 모터의 뇌 일뿐 만 아니라 전체 시스템의 응답 효율 및 안정성의 결정 요인이라고 말할 수 있습니다.

1. ESC의 기본 정의 : 모터 속도를 제어하는 ​​"뇌"

ESC는 브러시리스 모터 용으로 특별히 설계된 전자 회로 모듈입니다. 핵심 작업은 메인 제어 보드, 원격 제어 또는 호스트 컴퓨터로부터 신호를 수신하여 모터의 3 상 권선에 대한 구동 전압 및 정류 신호로 변환하여 모터 속도, 방향 및 시작\/브레이크의 정확한 제어를 달성하는 것입니다.

 

전원 공급 장치, 브러시리스 모터 및 메인 제어 시스템 사이에 연결되어 브리지 역할을하며 에너지 출력 및 정류 모드를 실시간으로 조정하며 브러시리스 모터 시스템의 필수 부분입니다.

 

2. ESC 핵심 기능 모듈

• 성숙한 ESC는 모터의 기본 시작 및 작동을 완료 할 수있을뿐만 아니라 다음을 포함한 다양한 주요 기능 모듈을 통합 할 수 있습니다.
• 3 상 통근 제어 : 홀 또는 백 -EMF 피드백 신호에 따르면, 로터 위치는 효율적인 정류를 달성하는 것으로 결정됩니다.
• 속도 조절 : PWM\/Alog\/UART와 같은 입력 신호에 따라 구동 주파수 및 듀티 사이클을 조정합니다.
• 전류 및 전압 보호 : 과전류, 저전압 및 단락 위험을 피하기 위해 모터 전류 및 배터리 전압을 감지합니다.
• 스타트 톱 및 브레이크 로직 : 소프트 스타트, 빠른 제동, 리버스 및 기타 제어 전략을 지원합니다.
• 상태 피드백 기능 : 고급 ESC는 폐 루프 제어 시스템의 형성을 용이하게하기 위해 속도, 전류, 온도 및 기타 매개 변수의 실시간 피드백을 제공 할 수 있습니다.

 

3. 모터 컨트롤러가 모터 성능의 상한을 결정하는 이유는 무엇입니까?

모터가 핵심 하드웨어가 아닌가? 컨트롤러가 정말로 중요합니까?

이것은 확실합니다. ESC의 제어 알고리즘 및 응답 정확도는 모터가 "스마트하게"및 "부드럽게"실행되는지 여부를 직접 결정합니다. 간단히 :

• 제어 알고리즘이 정확하지 않은 경우 속도는 변동이 발생하며 효율이 낮습니다.
• 운전 주파수가 높지 않으면 모터는 더 큰 소음과 기계적 응력을 생성합니다.
• FOC와 같은 고차 알고리즘이 지원되지 않으면 모터가 고정밀 토크\/위치 제어를 달성하기가 어렵습니다.

다시 말해, 동일한 브러시리스 모터의 성능은 다른 컨트롤러에 의해 구동 될 때 크게 다를 수 있습니다.

이것이 항공 드론, 로봇 및 의료 장비와 같은 수요가 많은 상황에서 컨트롤러의 선택 및 디버깅이 시스템 개발에 많은 에너지를 차지합니다.

-- 세 가지 공통 제어 방법의 분석

브러시리스 모터 (BLDC)를 제어하는 ​​핵심은 올바르게 회전하도록 "드라이브"하는 방법입니다. 브러시리스 모터 자체에는 브러시와 정류기가 없으므로 로터의 위치에 따라 3 상 코일 에너지 화 시퀀스를 정확하게 제공하기 위해 외부 컨트롤러 (ESC)에 의존해야합니다. 이 과정을 전자 정류라고합니다.

 

다른 제어 방법은 운동의 효율, 노이즈, 실행 부드러움 및 모터의 응답 속도에 영향을 미칩니다. 현재 6 단계 제곱 파동 제어, 사인파 제어 및 필드 방향 제어 (FOC)의 세 가지 주류 브러시리스 모터 제어 방법이 있습니다. 그들을 하나씩 살펴 보겠습니다.

 

1. 6 단계 제곱파 제어 : 경제적이고 실용적이며 빠른 응답

6 단계 제곱파 제어 (사다리꼴 파동 컨트롤 또는 트랩 제어라고도 함)는 현재 가장 일반적이고 가장 저렴한 제어 방법이며 전동 공구, 드론, 냉각 팬 및 기타 제품에 널리 사용됩니다.

 

원칙:

한 번의 전기주기에서, 컨트롤러는 모터의 3 상인 권선을 고정 시퀀스로 6 개의 상태로 나누고 전원을 차례로 순환시켜 (2 상을 켜고 1 단계마다 단순한 회전 자기장을 형성 함) 로터가 움직이게한다.

 

이점:

• 알고리즘은 간단하며 하드웨어 요구 사항이 낮습니다
• 즉각적인 가속\/감속 시나리오에 적합한 빠른 응답
• 대규모 소비자 응용 프로그램에 적합한 저렴한 비용

 

결점:

• 위상을 전환 할 때 전류가 갑자기 변경되어 전자기 소음 및 진동을 쉽게 생성 할 수 있습니다.
• 효율은 사인파 제어, 특히 저속에서는 좋지 않습니다.
• 소음 및 진동에 대한 엄격한 요구 사항이있는 장비에는 적합하지 않습니다.

2. 사인파 제어 : 매끄럽고 조용합니다

사인파 제어는 이름에서 알 수 있듯이 3 상 전류 파형을 가능한 한 사인파에 가깝게 만듭니다. 이는보다 연속적이고 안정적인 회전 자기장을 생성 할 수 있습니다. 그것은 사각형 파동 조절보다 더욱 발전하며 의료 장비, 전기 자동차, 산업용 팬 등과 같은 안정성 및 소음 제어가 필요한 장비에 널리 사용됩니다.

 

원칙:

테이블을 찾거나 실시간 계산을 수행함으로써 컨트롤러는 매 순간에 로터 위치에 따라 3 상 전류를 정확하게 조절하여 120 도의 위상 차이로 사인파를 형성하여 회전기를 부드럽게 회전시킵니다.

 

이점:

• 정류 중 현재 돌연변이를 줄이고 소음과 진동을 크게 줄입니다.
• 편안함 요구가 높은 애플리케이션에 적합한 매끄러운 스타트 스톱 프로세스
• 특히 중간 및 저속 범위에서 고효율

 

결점:

• 현재 파형 제어에 대한 높은 요구 사항, 컨트롤러 복잡성 및 비용 증가
• 정확한 위치 감지는 기본입니다 (일반적으로 홀 센서 또는 인코더가 필요함)

3. FOC Control (Field Oriented Control) : 고성능 시스템의 첫 번째 선택

현장 지향 제어라고도하는 FOC는 고급 모터 제어 기술입니다. 전류 및 자기장을 정확하게 동기화하여보다 효율적이고 정확한 토크 제어를 달성 할 수 있습니다. FOC는 산업 서보 시스템, 로봇 및 전기 자동차 드라이브의 주류 솔루션이되었습니다.

 

원칙:

FOC는 수학적 변환 (Clarke & Park 변환)을 통해 직사각형 좌표계에서 3 상 전류를 D 축 및 Q 축 성분으로 변환 한 다음,보다 정확한 자기장 제어를 달성하기 위해 토크 전류 및 여기 전류를 독립적으로 제어합니다. 그런 다음 컨트롤러는 역 변환을 통해 PWM 신호 출력을 생성합니다.

 

이점:

• 매우 정확한 토크 제어 및 속도 제어를 달성 할 수 있습니다.
• 빠른 시스템 응답, 탁월한 동적 성능, 매끄러운 스타트 업
• 현재 파형은 정현파이어서 효율성을 향상시키고 에너지 소비를 줄입니다.
• 포지셔닝 제어를 달성하기 위해 인코더와 함께 폐쇄 루프 서보 시스템에서 사용할 수 있습니다.

 

결점:

• 알고리즘은 복잡하고 컨트롤러에는 강력한 처리 능력 (예 : 고성능 MCU)이 필요합니다.
• 디버깅이 어렵고 초기 개발 비용과 시간 투자가 높습니다.

 

요약 : 다른 제어 방법은 다른 응용 프로그램 시나리오에 적합합니다.

제어 방법	특징	해당 시나리오
6 단계 제곱파 제어	간단하고 빠른 응답, 저렴한 비용	드론, 전동 공구, 팬
사인파 제어	저음, 좋은 안정성	의료 장비, 전기 자동차, 가전 제품
초점 제어	높은 정밀도 및 고효율	산업용 서보, 로봇, 자동화 장비

 

올바른 제어 방법을 선택하는 것은 응용 프로그램 요구 사항, 예산 및 시스템 성능에 대한 기대에 따라 다릅니다. 제어 정확도, 작동 효율성 또는 저음 경험을 찾고 있다면 제어 방법 선택이 모터 자체보다 훨씬 중요합니다.

 

브러시리스 모터 컨트롤러 (ESC)의 제어 로직을 이해 한 후에도 내부 구조와 외부 장치와 통신하는 방법을 이해해야합니다. 이러한 컨텐츠는 제품 개발자에게 도움이 될뿐만 아니라 사용자가 컨트롤러가 응용 프로그램에 적합한 지 여부를 결정하는 데 도움이됩니다.

 

1. 컨트롤러의 핵심 구성 요소

시장에는 많은 유형의 브러시리스 모터 컨트롤러가 있지만 대부분의 ESC의 기본 구조는 주로 다음 코어 모듈을 포함하여 거의 동일합니다.

(1) 메인 제어 칩 (MCU)

메인 제어 칩은 컨트롤러의 "뇌"이며, 지침을 수신하고, 정류 알고리즘을 처리하고, 출력 신호를 조절하는 등을 담당합니다. 공통 칩은 STM32, TI C2000, NXP 등을 포함합니다. 칩 성능은 제어력, 지원 알고리즘 유형 (예 : 통신 기능) 등을 결정합니다.

 

(2) 운전 회로

드라이브 회로는 메인 제어 칩에 의해 보낸 PWM 제어 신호를 증폭시키고 MOSFET 또는 IGBT 장치를 구동하여 3 상 권선에 고전력 전압을 제공합니다. 이 부분을 "파워 스테이지"라고도합니다.

 

(3) 전류 및 전압 감지 모듈

모터 작동 중에 실시간 전류 및 전압을 모니터링하는 데 사용됩니다. 전류가 너무 높거나 전압이 너무 낮 으면 컨트롤러는 모터가 연소되거나 제어하는 ​​것을 방지하기 위해 제 시간에 보호 조치를 취할 수 있습니다. 홀 전류 센서 또는 분로 저항은 일반적으로 전류를 감지하는 데 사용됩니다.

 

(4) 전력 관리 모듈

고전압 주전 전력 (예 : 12V, 24V, 48V 등)을 제어 회로에서 요구하는 저전압 (예 : 3.3V 또는 5V)으로 변환합니다. 일반적으로 시스템의 안정적인 작동을 보장하기 위해 DC-DC 컨버터 및 전압 조정기와 같은 구성 요소가 포함됩니다.

 

(5) 신호 인터페이스 및 보호 회로

입력 명령 및 피드백 상태 신호를 포함하여 외부 장치와 통신 할 책임이 있습니다. 또한 ESC는 종종 과전압 보호, 오버온 보호 보호, ESD 정전기 보호 및 기타 회로로 시스템 신뢰성을 향상시킵니다.

2. 공통 신호 입력 방법 및 통신 프로토콜

ESC는 외부 장치 (예 : 메인 제어 보드, 리모컨, PLC)에 의해 전송 된 신호를 기반으로 모터를 구동하는 방법을 결정해야합니다. 따라서 여러 입력 방법 및 통신 프로토콜을 지원해야합니다. 다음은 현재 주류입니다.

 

(1) PWM 신호 (가장 일반적)

• 원리 : 높은 수준의 시간 비율을 변경하여 속도 제어 (듀티 사이클)
• 응용 프로그램 : 원격 제어 모델, 팬 제어, 전기 스케이트 보드 등
• 특징 : 사용하기 쉽고 강력한 호환성이지만 복잡한 지침을 전달할 수 없습니다.

 

(2) PPM 신호 (다 채널 합성)

• 원리 : 원격 제어 시스템에 적합한 여러 PWM 신호를 전송을 위해 한 줄로 결합합니다.
• 응용 프로그램 : 멀티 로터 UAV, 원격 제어 시스템
• 특징 : 다 채널 제어에 적합한 케이블 저장

 

(3) UART 직렬 커뮤니케이션

• 원칙 : 텍스트 형식의 지침 및 데이터 (예 : 속도, 모드, 매개 변수) 전송
• 응용 프로그램 : 산업 자동화, 로봇 개발
• 특징 : 디버깅 및 상태 피드백에 편리한 양방향 통신 지원

 

(4) 캔 버스 (컨트롤러 영역 네트워크)

• 원리 : 여러 장치가 버스를 공유하고 프레임 구조를 사용하여 지침 및 피드백 정보를 전송합니다.
• 응용 프로그램 : 자동차, 산업 로봇, AGV 차량
• 특징 : 안정적이고 신뢰할 수있는 강력한 반 간섭, 복잡한 시스템에서 다중 노드 제어에 적합합니다.

 

(5) I²C 커뮤니케이션

• 원리 : 마스터 슬레이브 구조, 양방향 통신을 완료하기위한 2 개의 신호 라인
• 응용 프로그램 : 소규모 스마트 장치, 센서 통합 시스템
• 특징 : 핀이 적고, 적당한 전송 속도를 차지하지만, 거리가 너무 멀지 않아야합니다.

 

(6) 아날로그 전압 입력

• 원리 : 05V 또는 03.3V 아날로그 신호를 통한 속도 조정
• 응용 프로그램 : 간단한 산업 장비, 오래된 제어 시스템
• 특징 : 제어 정확도가 낮고 통합하기 쉬운 경우에 적합합니다.

 

3. 트렌드 : 인텔리전스, 네트워킹 및 다중 보호 콜 지원

Modern ESC는 제어 지침을 실행하는 "집행자"일뿐 만 아니라 지능적 판단, 매개 변수 자체 조정 및 운영 상태 피드백과 같은 점점 더 많은 기능을 가지고 있습니다. 예를 들어:

• 상태 모니터링 피드백 : 실시간 속도, 전류, 전압, 온도 등의 피드백
• 원격 구성 : Serial Port 또는 CAN을 통해 온라인으로 PID 매개 변수 및 제어 전략 조정
• 다중 프로콜콜 호환성 : 하나의 ESC는 PWM 및 UART를 모두 지원하여 다양한 시스템의 호환 가능한 통합을 용이하게합니다.

산업 또는 지능형 로봇 애플리케이션에서 이러한 유형의 "스마트"컨트롤러가 주류가되고 있습니다.

 

-- 맞춤형 드라이브 및 전 세계적으로 신뢰할 수있는 제조 기능

고품질을 찾고 있다면브러시리스 모터 제조업체, VSD 모터가 당신의 선택입니다.우리는 브러시리스 DC 모터 (BLDC)의 연구 개발 및 생산에 중점을 둡니다.다양한 산업, 로봇 공학, 의료 장비 및 기타 응용 시나리오에 안정적이고 신뢰할 수있는 전력 솔루션을 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다.

 

우리의 핵심 기능은 다음과 같습니다.

다양한 구조 옵션 : 내부 로터, 외부 로터, 평평한 유형 및 기타 설계를 사용할 수 있습니다.

고정밀 제조 공정 : 자동 와인딩, 동적 밸런싱 조정 및 전체 검사 및 테스트 프로세스

신뢰할 수있는 품질 관리 : 제품은 CE 및 ROHS 인증을 받았으며 엄격한 노후화 테스트를 거칩니다.

맞춤형 서비스 : 크기, 샤프트 길이, 설치 방법, 배선 하네스 인터페이스 등을 필요에 따라 조정할 수 있습니다.

 

VSD의 제품은 유럽, 북미, 동남아시아 및 기타 지역으로 수출되었으며 전 세계 고객들에 의해 널리 인정됩니다. 또한 세분화 된 시나리오에 적합한 자동차 제품을 공동으로 개발하기위한 OEM\/ODM 협력을 환영합니다.