인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요, 답변 남겨드립니다.

모터 드라이버의 동작 원리는 크게 보면 H-Bridge 구조를 기반으로 하고, 세부적으로는 MOSFET 스위칭 동작과 전류 센싱, 보호 회로가 결합된 형태입니다. 사용자가 말씀하신 “PWM 제어”는 실제로 모터의 속도를 제어하는 핵심 기법이고, 그 아래 단계에서는 MOSFET 스위칭 동작이 이루어집니다. 이를 단계적으로 설명드리겠습니다.

먼저, 모터 드라이버의 기본은 H-Bridge입니다. H-Bridge는 네 개의 MOSFET이 H자 형태로 배치되어 있으며, 상단 두 개는 High-side, 하단 두 개는 Low-side라고 부릅니다. 예를 들어 오른쪽 상단과 왼쪽 하단 MOSFET을 켜면 모터는 정방향으로 회전하고, 반대로 왼쪽 상단과 오른쪽 하단을 켜면 역방향으로 회전합니다. 여기서 PWM 신호는 MOSFET의 게이트에 인가되어, ON/OFF 비율(Duty Cycle)에 따라 모터에 걸리는 평균 전압을 조절합니다. 평균 전압이 높을수록 모터 속도가 빨라지고, 낮을수록 느려집니다.

그 다음은 전류 센싱 부분입니다. 대부분의 모터 드라이버는 Source 단에 저항(센스 저항, Rsense)을 두고, 그 저항 양단의 전압 강하(V = I × R)를 통해 모터 전류를 측정합니다. 예를 들어 Rsense = 0.1Ω이고 모터 전류가 2A라면, 0.2V 전압이 발생합니다. 이 값은 내부 증폭기(Op-Amp)를 통해 확대되어 컨트롤러(MCU 또는 내부 Comparator)로 전달됩니다. MCU는 이 값을 읽어 과전류(Over-current) 상태를 감지하거나, 피드백 제어에 활용할 수 있습니다.

마지막으로 보호 및 제어 로직입니다. 모터 드라이버 IC 내부에는 보통 아래 기능들이 들어 있습니다.

• Shoot-through 방지 회로: High-side와 Low-side MOSFET이 동시에 켜져 단락되는 상황을 방지하기 위해 Dead-time을 삽입합니다.

• 전류 제한(Current Limit): 센싱된 전류가 특정 값 이상일 경우 PWM을 강제로 끊거나 Duty를 줄여서 MOSFET과 모터를 보호합니다.

• 과열 보호(Thermal Shutdown): Junction 온도가 예를 들어 150℃ 이상으로 올라가면 회로를 자동 차단합니다.

• Undervoltage Lockout (UVLO): 전원 전압이 일정 기준 이하로 내려가면 MOSFET 게이트 구동이 불완전해지므로, 안전을 위해 동작을 중지합니다.

정리하면, 동작 원리는 “MCU가 PWM을 발생 → MOSFET 게이트 스위칭 → 모터 권선에 평균 전압 인가 → 전류는 센스 저항을 통해 감지 → 증폭/비교 후 보호 및 피드백 제어”의 순서로 이해하시면 됩니다.

예를 들어 ST의 L6205 같은 드라이버를 보면, 데이터시트에 Rsense 핀과 내부 비교기가 있어 2.5V 레퍼런스를 기준으로 전류 제한을 수행합니다. Rsense=0.1Ω일 때 임계 전류가 약 2.5V / 0.1Ω = 25A가 되고, 이 값을 넘으면 자동으로 PWM 신호를 클램핑합니다. 이런 방식으로 모터, 드라이버, PCB가 모두 안전하게 동작하게 되는 것입니다.

안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. 박진호님.

모터 드라이버의 동작 원리, 특히 PWM(펄스 폭 변조) 방식에 대해 궁금해 하시는 것 같습니다. 모터 드라이버는 MOSFET을 사용하여 PWM 신호를 통해 모터의 속도 및 방향을 제어합니다.

모터 드라이버 동작 원리

1. PWM 신호 생성:

   • PWM은 펄스의 폭을 조절하여 전력의 평균값을 변화시키는 방식입니다. 이를 통해 모터의 속도를 제어할 수 있습니다. PWM 신호는 마이크로컨트롤러에서 생성되어 MOSFET 게이트에 인가됩니다.
     

2. MOSFET 작동:

   • MOSFET는 전력 트랜지스터로, PWM 신호에 따라 스위칭됩니다. ON 상태에서는 전류가 흐르게 하고, OFF 상태에서는 전류를 차단하여, 전압을 제어합니다.
     
   • MOSFET의 Drain-Source 사이의 전류를 제어함으로써 모터에 공급되는 전력을 조절합니다. 이는 모터 회전 속도를 직접적으로 제어하는 역할을 합니다.
     

3. 전류 센싱 및 증폭:

   • MOSFET을 통해 흐르는 전류는 종종 센싱 됩니다. 전류 센싱은 과부하 보호 및 피드백 목적으로 사용됩니다. 저항 등을 사용하여 전류를 감지하고, 이 값을 OP 앰프 등을 통해 증폭하여 측정 및 모니터링하게 됩니다.
     

4. 모터 속도 및 방향 제어:

   • PWM 신호의 듀티 사이클(펄스의 ON 시간 비율)에 따라 모터의 속도가 조절됩니다. 듀티 사이클이 높으면 모터에 더 많은 전력이 전달되어 빠르게 회전하고, 낮으면 더 느리게 회전합니다.
     
   • 방향 제어는 H-브리지 회로나 2개의 MOSFET을 사용하여 전압의 극성을 바꾸어 수행할 수 있습니다.
     

5. 소전류 센싱:

   • 직접적 모터 제어 외에, 소전류를 센싱하여 시스템의 상태를 모니터링하고 이상이 생길 경우 보호 조치를 취합니다. 센싱된 전류 정보는 시스템 상태의 피드백으로도 사용될 수 있습니다.
     

모터 드라이버는 복잡한 회로 설계를 필요로 하며, 출력 전력, 전압 및 시스템 안정성을 고려한 설계가 중요합니다.

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• 모터 드라이버 회로 설계 및 PWM 제어에 대한 질문 및 답변
  

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