48V Dual Motor Driver System

48V 듀얼 모터 드라이버 시스템 — 컨트롤 + 파워 보드

⚠️ Private — 직무 프로젝트 기록용

48V 환경에서 로터·스테이터를 구동하는 듀얼 모터 드라이버 시스템. PC 통신·전원 분배를 담당하는 ESP32 컨트롤 보드와, 게이트 드라이버·MOSFET로 실제 전류를 구동하는 파워 보드로 구성됩니다. (V1 → V2 스펙업 설계)

시스템 구성

PC ──USB──▶ [ESP32 컨트롤 보드] ──제어·전원──▶ [파워 보드] ──▶ 모터 (로터/스테이터)

1. ESP32 컨트롤 보드

PC와 통신해 제어 파라미터를 주고받고, 파워 보드로 제어 신호와 전원을 분배.

• PC 인터페이스: USB로 파라미터 입출력
• 전원 관리: 12V → LM2596으로 5V 스텝다운, ESP32 공급
• 전원 분배: 파워 보드로 12V / 3.3V 공급 (A89500 · ACS37220용)
• 전원 충돌 방지: USB·외부전원 동시 인가 시 ESP32 손상 → 몰렉스 스위치로 전원 소스 택일

앞면	뒷면

스키매틱	PCB

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2. 파워 보드 (모터 컨트롤)

게이트 드라이버 + MOSFET로 실제 모터 전류를 구동. A/B상 풀브리지로 양방향 구동·전류 센싱.

구성

• 게이트 드라이버: A89500 ×4
• 파워 MOSFET: IRFB4115 ×8 (풀브리지)
• 전류 센서: ACS37220 ×2 (위상별)
• 출력: XT90 (A+/A-/B+/B-), 벌크 커패시터
• 기판: 4-layer PCB

부품 선정 근거

V4 모터의 권선 저항(0.50.6Ω) 기준, 48V 구동 시 기동·인러시 구간에서 80100A가 요구됨. 정상 운전 시 BEMF로 실 전류는 낮아지나, 최악 조건 대응을 위해 V1 대비 주요 부품을 스펙업.

게이트 드라이버 — A89500 (Allegro)

• 하프브리지 통합(HS+LS) + 부트스트랩 내장 → N채널만으로 H-브리지 구성
• 슛스루 방지 + 슈미트 트리거 입력 내장 → 기존 로직 게이트(SN74HCS14) 제거, BOM 간소화
• RESETn(FAULT)로 비상 정지 / 3.3V 로직 → ESP32-S3 직결
• 기존 1EDN8550(싱글 로우사이드, 하이사이드 외부회로 필요) 대비 통합도↑ 부품수↓ 안전성↑

파워 MOSFET — IRFB4115

항목	기존 IRFZ44N	신규 IRFB4115
VDSS	55V	150V (48V 대비 3배 마진)
ID	49A	104A
RDS(on)	17.5mΩ	9.3mΩ
Qg	67nC	150nC

• IRFZ44N은 내압 마진 1.15배뿐 → 역기전력 시 위험으로 48V 부적합
• IRFB4115로 마진 확보 + 저발열, 빠른 스위칭(A89500 조합)

전류 센서 — ACS37220

항목	기존 ACS712	신규 ACS37220	효과
측정 범위	최대 30A	±150A	80~100A 측정 가능
발열(100A)	12W	1W	약 1/12
ESP32 연결	5V→분압 필요	3.3V 직결	회로 간소화
과전류 보호	SW(느림)	HW FAULT 3µs	즉각 보호
응답 속도	80kHz	150kHz	PWM 측정 정확도↑

• ACS712는 80~100A 측정 자체 불가 → ACS37220으로 범위·발열·보호 모두 개선

설계 포인트

• 레이어 수 결정: 6-layer 검토했으나 구조상 4-layer로 충분하다 판단 → 과설계·비용 배제
• 신호-전력 물리 분리: 신호선을 PCB 트레이스로 라우팅하지 않고 점퍼선(하네스)으로 컨트롤 보드-칩 직접 연결 → 파워부 노이즈 유입 물리적 차단, 디버깅·교체 유연성 확보
• EMI 최소화: 신호선이 파워 MOSFET부와 닿지 않도록 배선 최소화 + GND 가드링

완성된 보드

앞면	뒷면

회로 설계

PCB 레이아웃 (4-Layer)

Layer 1 (Top)	Layer 2

Layer 3	Layer 4 (Bottom)

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설계 회고

• V1(BTS7960, 12V) → V2(A89500 + IRFB4115 + ACS37220, 48V) 스펙업 설계
• 부품 선정을 마진·발열·보호·통합도 기준으로 비교 검토 후 결정
• 제어(MCU)와 구동(파워)을 분리한 2-보드 시스템 아키텍처
• 고전류 환경의 노이즈를 4층 구조 + 하네스 분리 + GND 가드링으로 관리