BLDC 모터의 구동


PWM (Pulse Width Modulation)

 

일반적으로 Remote Control에 사용되는 Controller ECS에서는 PWMupdate rate는 사양마다 다른 대역폭을 갖는다. 하지만 표준적으로 50Hz , 20ms를 표준으로 하는데. 모터의 최소 구동에 필요한 rateHIGH 1ms이고,


최대 구동에 필요한 rateHIGH 2ms이다. 하지만 쿼드콥터의 모터출력에 관해서는 최소 400Hz 이상 인가해야 update rate의 주기가 짧아져 더 빠른 속도의 모터 제어를 가능할 수 있도록 한다. 이러한 이유는 PID, 자이로 센싱에서 빠른 속도의 update rate로 모터제어를 가능하게 한다.

 



사용된 BLDC 모터




모터의 스펙


Model

2830-11

Motor size

Ф28*30mm

Shaft size:

Ф3.17*45mm

Weight

52g

KV(rpm/v)

1000

Max Power

210W

Battery

2-4Li-Po

Prop

10x7/8x4

Ri(M )

0.127

ESC

30A



BLDC 모터 드라이버




Input voltage

DC 6-16.8V(2-4S Lixx)

BEC

5V 2amp

Running current

30A(Output: Continuous 30A, Burst 40A up to 10 Secs.)

Size

36mm (L) * 26mm (W) * 7mm (H).

Weight

32g.





최소 PWM 출력 파형


최대 PWM 출력 파형



function generator로 PWM 400Hz 출력 동영상

(오실로스코프말고 아래 function generator 파형입니다.)



스위치를 이용한 모터 출력 제어 테스트

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루션이

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BLDC 파헤치기.


DC / BLDC의 차이점.




어릴적 남자들은 한번쯤 가지고 놀아봤다는 미니카를 잘 생각해보면 친숙한 광경일 것이다. 바로 이것! 소위 똥모터라고 불리는 친숙한 소형 DC 모터이다.

모터 내부에는 권선에 전류를 흘릴수 있는 브러쉬가 존재 한다. 이 브러쉬가 회전자의 회전금속 접점 사이의 마찰로 인해 브러쉬가 마모된다. brush가 마모되어 더 이상 동력을 얻을 수 없는 경우가 발생한다어릴때 간혹 모터가 탔다 라는 얘기가 권선자가 탔다기 보단 브러쉬가 마모되어서 더이상 회전하지 못하는 경우가 더 많았다. 권선이 타버리면 이상한 음식썩은내가 나고 브러쉬가 탈 경우 탄내가 나는 것 같다. 



BLDC모터는 이러한 문제를 해결하기위해 브러쉬의 역할을 전자적으로 제어를 하도록 하여 반 영구적으로 사용할 수 있도록 구현하였다. 단 전자적 스위칭을 통해 제어를 하기 때문에 제어회로가 필요하다. 기동 토크가 크며인가전압에 대하여 회전 특성이 직선으로 비례한다.입력 전류에 대하여 출력 토크가 직선적으로 비례하며출력 효율이 양호하다는 장점으로 인하여 제어의 어려움이라는 단점이 발생한다


 고속 회전에 용이하다는 장점 때문에 쿼드로터 회전체의 동력으로 BLDC 모터를 사용한다



좌측 DC모터 우측 BLDC모터 사진




BLDC


 

BLDC의 동작원리





위치검출


홀센서

홀 센서의 신호에 따라 각각 다른방향으로 전류를 흘려주게 되면 권선에 흐르는 전류 때문에 자성이 생겨 영구자석에 의해 토크가 발생하여 회전하게 된다.

홀 센서가 현재 위치를 파악하여 다음 스테이트로 넘어 갈수 있도록 한다.


센서리스



전압을 인가하면 발생하는 역기전력 Back EMF의 제로크로싱 포인트를 검출하여 지정된 스테이트에 따라 홀센서와 유사한 방법으로 동작시킨다.


BLDC 동작 방법


이러한 방법을 통하여 쿼드콥터에는 ESC라는 전자변속기를 통헤 BLDC를 제어하게 된다.


모터에서 검출된 신호를 통해 U,V,W 상에 각각 전류를 흘려보낸다.

단, 일반적으로 RC계에서 쓰는 주파수가 비공식적으로 50Hz로 정해져 있기 때문에 ESC는 이 특성에 따라 제작이 되어서 이 기준에 맞추어 동작을 시키도록 한다.


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루션이

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1. 부품 리스트

-MCU STM32F103RBT6

-센서 10DOF GY-86

-모터 RCtimer A2830-11 1000KV

-프레임 & 프롭 R450 & 10x4.6 Carbon reinforce

-ESC SimonK

-배터리 11.1V 3S 30C 2250mAh

-조종기


2. 부품선정


-MCU

72Mhz 클럭을 낼 수있으며 , 이에 따라 처리속도가빨라짐 -> 처리속도가 빠를수록 쿼드콥터의 자세 제어 or 컨트롤이 smooth 하다.

(성능이 좀 낮은 컴퓨터로 중 하옵션의 게임을 돌리느냐, 최신 컴퓨터로 최상옵의 게임을 돌리느냐의 차이 라고 생각하면 된다. 물론 다른 부가적인 기능도 있다.)

-센서

3축 자이로 센서 3축 가속도 센서를 보상필터를 통해 목표각도를 설정하고 pid 제어를 이용하여 자세제어 및 호버링이 가능하다.

하지만 , 10축 자유도 센서를 사용하는 이유는 3축 지자기 센서로 yaw 축의 방향제어를 통해 보다 정밀한 자세제어를 가능하도록 한다. 

또한, 1 축 기압 센서를 통해서 고도홀드 기능을 이용하여 공중에서 호버링 홀드가 가능하도록 한다.


-모터

Model: 2830-11
Motor size: Ф28*30mm
Shaft size: Ф3.17*45mm
Weight: 52g
KV(rpm/v): 1000
Max Power: 210W
Prop: 10x7/8x4
Ri(M Ω): 0.127


 DC모터에서 극성을 바꿔줄때 브러쉬 라는 마모성 부품이 있는데 , 그부분을 전기적으로 

 컨트롤 할 수 있도록 구현한것이 BLDC 라고 생각하자.

프롭의 구동을 이용하기 위해 선정, 프롭 사이즈마다 추력이 달라진다.

우리가 사용할 BLDC는  1볼트당 1000RPM  즉, 3S배터리를 사용하였을 경우           11100 RPM(1000 x 11.1) 이 나온다. KV는 (RPM/V)이다. 

최대 전력이 210W이므로 최대 전력을 넘어가는 순간 에나멜 코일이 타버리는 현상이 발생하므로 이점 주의하자.  



-프레임 & 프롭 셋트



www.rctime.com 에서 판매되는 R450의 프레임이다 패키지로 구매하였다.

180mm~부터 1000mm까지 다양한 프레임이 있다. 자신이 기체를 가지고 물체를 매달거나 다른 목적에 맞게 기체의 사이즈를 정하는 것이 좋다. 보통 450mm사이즈 이상 기체에 카메라를 다는데 그 이하 기체에서는 프레임구조와 추력상 무게를 버티지 못하는 이유인 것 같다



프롭의 크기는 사진과 같이 정해진다. 각 프롭의 사이즈마다 모터와 결합해서 낼 수 있는 추력이 다르다. 무조건 프롭이 크다고 해서 더 높은 추력을 발생시키는 것은 아니다.

모터의 사이즈와 알맞은 프롭을 선정했을 경우 좋은 성능을 낼 수있다.

위 사진의 프롭 사이즈는 10x4.6이다.

-ESC



전자변속기 ESC는 MCU에서 나오는 PWM 신호를 받아서 BLDC의 3상 U V W 에 각각 신호를 전달하여 상변환을 일으켜 모터가 회전할 수 있도록 하는 장치이다.

일반적으로 ESC에 5V output pin이 있는데 회로가 타거나 오작동을 하는 경우가 많으므로 가급적 사용을 자제한다.

SimonK 의 ESC 펌웨어는 정밀하기로 유명하다.

최대 30A 까지 허용


-리튬 폴리머 배터리 



        -전압/셀의 수(Voltage /Cell Count)

LiPo 배터리의 기본전압은 3.7V 이다. 하지만 우리가 쿼드콥터에 사용할 전압은 약 11.1V이다. 

 11.1V를 만들기 위해서는 전기회로 시간에 배운것을 응용해보면 쉽게 이해 할 수 있다. 

LiPo 배터리 2개를 직렬로 연결하여 사용하면 7.4V , 3개를 직렬로 연결하여 사용하면 11.1V를 얻을 수 있다. LiPo 배터리에 표기된 2S, 3S는 LiPo 배터리 몇개를 직렬로 연결했는지 표기해 놓은 것이다.(2S : 2 cells in Series , 3S : 3 cells in Series)


  - 방전특성(Discharge Rating, C-Rating, Burst Rating)

C-Rating 이란, 배터리가 폭발이나 셀의 손상을 받지 않으면서 방전할수 있는 최대의 양을 말한다. Burst Rating 은 순간 방전율을 말하는데, 배터리 상태가 매우 양호할때 나타나는 방전율이다.

35C= 35 x 배터리 용량 2250mAh = 78.75A 를 연속적으로 흘릴수 있다.

 

   - 용량(Capacity)

mAh는 시간당 얼마만큼의 전류를 흐르게 할 수 있는지 나타내는 단위이다. 당연히 배터리의 용량이 크면 클수록 쿼드콥터를 오래 날릴 수 있다. 

10000mAh짜리를 하나 사서 달아놓고 1시간넘게 비행하면 되지않냐 하는 생각을 할 수 있겠지만, 용량이 커지면 그만큼 무게도 무거워지기 때문에 모터가 낼수 있는 추력이 쎄야하거나 (= 전기를 많이먹음) 다른 쪽에서 무게를 줄여야 하는 부분이 발생 할수있다. 따라서 적당한 용량의 배터리를 선정햐는 것이 중요하다.


-조종기

저렴한 가격의 조종기는 10만원선이고 비싼 조종기는 몇백만원을 넘나든다.

조종기에 스틱의 조종 말고 Status LCD 또는 페일 세이프 기능 , GPS, AV, 기능의 여부에

 따라 가격이 결정된다.

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