PWM 전압 제어 - PWM jeon-ab jeeo

안녕하세요 BROTHER GTR 입니다.

BROTHER GTR의 라인업 중 BLDC 모터가 있죠.

이 BLDC의 속도를 제어 하는 방법은 총 다섯가지가 있는데요.

오늘은 그 중에 PWM제어 라는 것을 알아보려고 해요.

PWM이란(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조) 효율적인 스위칭 제어의 기본이 되는,

디지털 출력으로 아날로그 회로를 제어 하는 기술입니다.

초기에는 통신용으로 개발 된 기술 이었으나, 전류, 전압 제어용으로 탁월한 방식이었기 때문에,

현재는 통신보다는 DC쪽 전력제어나 모터 제어 기술로 사용되고 있습니다.

간단히 설명하자면, 일정한 주기 내에서 Duty비를 변화 시켜서 평균 전압을 제어하는 방법!! 입니다.

기본적으로 아래와 같은 구성를 가지고 있습니다.

PWM 신호 발생기의 구성

콤퍼레이터(전압비교회로)의 +입력에 삼각파를 입력하고, - 입력에 제어 신호를 입력합니다.

그러면 콤퍼레이터의 출력에는 입력 신호의 레벨 변화에 따라서 펄스 폭이 다른 출력이 나타나게 됩니다.

입력에 따른 PWM 출력 신호

PWM은 주기가 일정하고, 제어입력 신호에 따라서 펄스 폭의 듀티비가 변화하는 것을 의미 합니다.

출력 트랜지스터가 ON하고 있는 동안에만 모터에 전류가 흐르게 됩니다.

듀티비가 클 수록 모터에 전류가 흐르는 전체 시간이 길어지겠지요.

DC 모터 등의 속도제어를 입력 신호의 변화 만으로 간단히 할 수 있는 것입니다.

(모터가 빠른 주파수의 변화에 기계 반응을 하지 않는다는 것을 이용하는 것입니다.)

다양한 듀티비의 PWM신호 (10% / 50% / 90%)

DC모터나 LED 같은 경우 위와 같이 신호를 인가하면 실제로 속도나 밝기가 변하는 것을 확인 할 수 있습니다.

......참 쉽죠?

다시한번!! 더 쉽게 이야기 하면 ON/OFF를 계~~~~속 반복하는데,

ON시간을 길게 하느냐, OFF시간을 길게하느냐에 따라, 모터의 속도나 LED의 밝기의 변화를 확인 할 수 있는 것입니다.

DC모터의 경우는 전압 변화에 기계적 반응이 느리기 때문에,

LED의 경우는 인간의 눈으로 인지할 수 있는 속도보다 빠르게 On/Off 되기 때문에,

속도 / 밝기가 조절 되는 것이지요.

오늘은 PWM에 대해서 알아 봤습니다.

BROTHER GTR 에도 PWM으로 제어할 수 있는 BLDC 모터가 있다는 사실!

꼭 기억해주시구요.

다음 시간에 다시 찾아 뵙겠습니다.

이상 BROTHER GTR이었습니다.

스위칭 레귤레이터의 기본으로서, 전압 제어 방법에 대해 설명하겠습니다. 스위칭 레귤레이터뿐만 아니라, 전압 레귤레이터 기능은 안정화된 출력전압을 생성하는 것입니다. 이를 위해서 출력전압을 제어 회로에 피드백하여 루프 제어를 실행한다는 것은 「피드백 제어 방식」 편에서 설명했습니다. 본 편에서는 예를 들어 입력전압을 5V로 조정하기 위해서 어떻게 제어해야 하는지, 전압 제어 방식에 대해 설명하겠습니다.

스위칭 레귤레이터는 명칭 그대로, 입력전압을 스위칭 (ON / OFF)함으로써 원하는 출력전압으로 변환합니다. 이는 「동작 원리」 편에서 설명한 바와 같으며, 간단히 표현하자면 입력의 전압을 설정한 출력전압에 적합하도록 나누어 평균화합니다. 이러한 입력전압의 평균화에는 주로 2가지 방법이 있습니다.

・PWM 제어 (펄스 폭 변조)

PWM은 가장 일반적인 전압 제어 방법입니다. 일정한 주기에서, 출력이 필요로 하는 만큼의 전력을 스위치 ON하여 입력으로부터 공급받습니다. 따라서, 필요한 출력전력에 따라 ON / OFF의 비율, 듀티 사이클 (duty cycle)이 달라집니다.

주파수가 일정하므로 발생하는 스위칭 노이즈를 예측할 수 있어, 필터링 처리가 용이하다는 장점이 있습니다. 단점으로는 주파수가 일정하므로 중부하 시나 경부하 시에도 스위칭 횟수가 동일하여 자기 소비전류가 변하지 않기 때문에, 경부하 시에는 이러한 스위칭 손실로 인해 효율이 저하됩니다.

●주파수가 일정하고, 듀티 사이클을 통해 출력전압을 조정

주파수가 일정하므로, 노이즈 필터링이 용이하다.
주파수가 일정하므로, 경부하 시에는 스위칭 손실로 인한 효율 악화가 현저하다.

・PFM 제어 (펄스 주파수 변조)
PFM은 고정 ON 시간 타입과 고정 OFF 시간 타입이 있습니다. 고정 ON 시간 타입을 예로 들면 (하기 그림 참조), ON 시간은 일정하고 OFF 시간이 변합니다. 다시 말하자면, 다시 ON되기까지의 시간이 달라지는 것입니다. 부하가 커지면, 시간 내의 ON 횟수를 늘려 부하에 대응합니다. 즉, 중부하 시에는 주파수가 높아지고, 경부하 시에는 주파수가 낮아집니다.

장점으로는 경부하 시에는 전력의 추가가 그다지 필요하지 않으므로, 스위칭 주파수가 낮아지고 스위칭 횟수가 줄어 스위칭 손실이 감소하기 때문에, 경부하 시에도 고효율을 유지할 수 있습니다. 단점으로는 주파수가 변하므로 스위칭에 관련된 노이즈가 일정하지 않아 필터링이 어려워집니다. 즉 노이즈 제거가 어려워집니다. 또한, 주파수의 경우 20kHz가 되면 가청대역이 되므로, 링잉이 발생하거나 오디오 기기에서는 S/N에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 이러한 의미에서는 PWM이 더 취급하기 쉽다고 할 수 있습니다.

●ON (또는 OFF) 시간을 일정하게 하여, OFF (또는 ON) 시간을 조정