Start up with BLDC(PMSM) - variable inductive sense

https://e2e.ti.com/blogs_/b/motordrivecontrol/archive/2015/02/19/start-your-bldc-journey-with-motor-startup-part-iii-initial-position-detection-ipd

초기 위치 감지(initial position detection; IPD)는 회전이 시작하기 전에 모터 위치를 감지하는 방법입니다. BEMF(back electromotive force)에 연관된 방법은 모터가 스타트 하기 전에는 불가능하기 때문에 우리는 모터 위치의 함수인 또 다른 모터 특성을 찾을 필요가 있습니다. 모터 권선 인덕턴스 (포화)는 이 요구를 만족시킬 수 있습니다.

모터 고정자 권선의 등가회로는 저항과 직렬 연결된 인덕터(inductor)입니다. 권선에 자기장(magnetic field)은 상이 전류로 구동될 때 증가합니다.

권선 코어 재질인 규소(silicon) 강판에 자기장은 인가된 전류가 증가하는 것만큼 빠르게 증가할 수 없는 곳에 포화지점(saturation point)을 갖습니다. 이 포화지점은 재질의 자화 곡선(BH curve)에 의해서 결정됩니다.

BLDC 모터의 영구 자석은 권선 코어에 자기장을 생성하는데, 이 자기장은 상전류에 의해서 생성된 자기장에 중복될 수 있습니다.

여기에 이 원리를 입증하는 간단한 실험입니다:

1) 스위치를 켭니다. 12V 전원은 인덕터에 에너지를 축적하기 시작합니다.

2) 인덕터 전류가 1.6A에 도달했을때 스위치를 끕니다.

3) 전류 파형을 캡쳐합니다.

4) 영구자석을 인덕터 가까히 위치시킵니다.

5) 인덕터 코어에 여분의 자기장을 공급합니다.

6) 테스트를 반복합니다.

결과:

자석이 가까히 존재할 때 인덕터는 포화되고 전류는 빠르게 증가합니다.

또한 강한 영구 자석을 선택할수록 전류가 임계값(threshold)에 도달하는데 더 빠릅니다.

우리는 이 개념을 모터에 적용할 수 있습니다. 모터의 3상 중의 두 상에 전압을 이런 식으로 순차적으로 공급합니다: VW WV UV VU WU UW. 전류가 임계값에 도달했을 때 모터에 걸린 전압은 멈추게 됩니다. 전압이 공급된 후로부터 전류 임계치에 도달할 때까지 걸린 시간을 측정합니다. 이 시간은 모터 권선에 인덕턴스의 함수로서 변하게 됩니다.

가장 짧은 시간을 갖는 상태는 최소 인덕턴스를 갖는 상태(마치 minimum inductive kick과 같은)를 나타냅니다. 최소 인덕턴스는 이들 특별한 구동 상태에서 위 그림에서와 같이 모터의 N극에 정렬되었기 때문입니다. 정확한 IPD 결과를 얻기 위해서 다음의 파라미터가 적절히 선택되어야 합니다.

1. IPD current threshold

2. IPD clock

3. IPD release mode

전류가 임계치에 도달하였을 때 모터에 공급되는 전압을 중단하는데는 2가지 방법이 있는데 recirculate 모드와 하이 임피던스 모드입니다. 하이 임피던스 모드에서 전류는 출력 MOSFET의 body diode를 통해서 전원으로 흐르게 됩니다. 하이 임피던스 상태에서 상전류는 보다 빠른 settle-down 시간을 갖지만 VCC에 서지(surge)를 초래할 수 있습니다. 그러므로 하이 임피던스 모드를 적용하기 위해서는 적당한 클램프 회로나 VCC와 GND 사이에 충분한 커패시턴스가 요구됩니다.