모터 칼럼PWM 구동에 의한 모터의 정전류 동작

모터의 대표적인 구동 방법으로 전압 구동, 전류 구동, PWM 구동이 있습니다. 이번에는 PWM 구동에 의한 정전류 동작에 대해 설명하겠습니다.

PWM 구동에 의한 모터의 정전류 동작이란?

모터를 일정한 전류로 구동하면, 어떻게 동작할까요? 정전류 구동의 경우, 일정한 토크 (torque)로 모터를 회전시킬 수 있습니다. 모터의 토크는 토크 정수에 모터 전류를 곱한 값입니다. 즉, 모터 토크는 전류에 비례하므로, 전류가 일정하다면 토크도 일정해집니다.

그림 1은 PWM 구동에 의해 정전류 동작을 하는 회로 예입니다. 4개의 스위치, 예에서는 MOSFET를 사용하는 H 브릿지를 출력단으로 한 모터 드라이버 회로입니다.

PWM 구동은 기본적으로 펄스의 ON / OFF에 따라 필요한 전력을 공급하는 방법입니다. 펄스의 크기 (전압)와 주기는 일정하고, ON 시의 펄스 폭 (시간)을 조정하여 공급하는 전력을 제어합니다.

이제부터는 상기 회로 예가 실제로는 어떻게 동작하는지 설명하겠습니다.

그림 1에서 정회전을 전제로 할 경우, MOSFET Q1=ON, Q2=OFF일 때 OUT1은 전원전압 Ea에 접속하여 모터의 정극에 전류를 흘립니다. 동시에 Q3=OFF, Q4=ON일 때 OUT2는 드라이버 RNF 단자의 Rs를 통해 GND로 연결됩니다. 이것으로 전원에서 모터로 전류가 흐르는 통전 상태가 됩니다.

여기에서는 정전류 동작을 목적으로 하므로, 전류를 일정하게 제어할 필요가 있으며, 이러한 제어는 Rs와 콤퍼레이터가 담당합니다. Rs는 전류 검출 저항입니다. Rs×모터 전류에서 발생하는 전압을, 콤퍼레이터를 통해 기준전압 단자 Vref로 인가하는 기준전압과 비교합니다. 기준전압은 원하는 정전류치×Rs로 설정합니다.

통전에 의해 모터의 전류는 서서히 증가하고, Rs의 검출 전압이 Vref를 초과하면 콤퍼레이터가 Q1을 OFF하여 (Q2는 OFF / ON 모두 무방) 모터로의 통전을 정지합니다.

통전이 정지되면, 모터의 전류는 전류를 계속 흘리려고 하지만, 점차 감소합니다. 그리고 일정 시간 후에 다시 Q1을 ON하여 모터를 통전하면, 모터의 전류는 다시 증가하기 시작하고, Rs의 검출 전압이 Vref를 초과하면 다시 Q1을 OFF하여 통전을 정지하는 사이클을 반복합니다. 그림 1의 드라이버는 OSC (발진기)의 주파수를 검출하여, 임의의 OFF 시간 (toff)을 설정합니다. 그림 2는 이러한 동작의 파형입니다.

이러한 반복 동작을 통해 Vref를 Rs로 나눈 값의 전류치를 정점으로 하는 삼각파의 전류가 흐릅니다. Q1의 OFF 시간 (toff)을 충분히 작게 설정하면, 거의 일정한 전류가 흐르는 동작, 즉 정전류 동작이 가능해집니다.

지금까지 PWM 구동에 의한 모터의 정전류 동작에 대해 설명했습니다. 실제 구동 시에는 조금 더 세밀한 제어가 필요합니다. 예를 들어, 통전을 정지하여 회생 전류가 흐르는 구간에는 Rs에 전류가 흐르지 않으므로, 통전 재개 시 Rs에서의 전류 변화가 커지게 됩니다. 어쩔 수 없이 기생 인덕턴스가 존재하므로, 이러한 전류의 ON / OFF에 의해 RNF 단자에는 상기 파형과 같이 큰 전압 노이즈가 발생하거나 (그림 2의 예시), MOSFET가 지닌 기생 용량을 충전하는 전류가 흘러 Vref 전압을 초과하는 경우가 있습니다. 이러한 전압 노이즈로 인해 잘못된 OFF 동작을 하지 않도록, 단시간의 피크 전류는 무시하고 반응하지 않는 시간 (tblnk)을 설정하거나, 필터를 통해 노이즈를 제거하는 등의 대처가 필요합니다.