|
수십 년 동안, 대다수 모터 컨트롤 애플리케이션은 비용이 저렴하고 구현이 간단하다는 점 때문에 보편적인 브러시 DC 및 스텝 모터(stepper motor)에 의존하여 왔다. 하지만 오늘날 마이크로컨트롤러(MCU) 아키텍처의 지속적인 혁신과 통합으로 개발자들은 한층 복잡하고 지능적인 모터 종류와 컨트롤 메커니즘을 사용하여 모터 정밀도, 성능, 전력 효율 및 모터 수명을 비용 효과적으로 개선할 수 있게 되었다
고급 모터의 종류
- AC 인덕션(ACI) 모터는 백색가전, 펌프, 팬 및 컴프레서(즉, 냉장고와 HVAC 시스템)를 포함하는 광범위한 고성능 애플리케이션에 아주 적합하다. ACI 모터의 작동은 전류 변화로 컨트롤되는 모터 내부의 고정자와 회전자가 각기 다른 속도로 회전하는 비동기식이다. 속도 및 토크 컨트롤이 뛰어난 ACI는 강건하고, 고속에서 효율적이며 비용이 저렴하다. ACI의 가장 큰 단점은 가변 속도 및 저속에 대하여 효율을 유지하기 위한 복잡한 피드백 및 컨트롤 메커니즘이 필요하다는 점이다.
- 브러시리스 DC(BLDC) 모터는 동기식이며 전류 변화로 고정자 플럭스(flux)를 제어하는 반면에 회전자 플럭스는 영구 자석이나 전류 공급 코일에 의해 고정되어 있다. 동기식 컨트롤은 아주 우수한 위치 정확도와 더 나은 전력 효율을 제공할 수 있다 (즉 자석 본래의 플럭스로, 모터 구동에 더 적은 전류가 소요된다). BLDC 모터는 정해진 수의 상태를 이용하여 위치를 컨트롤한다 (그림 1 참조). 더 많은 상태를 지원할수록, 더욱 정밀하게 위치를 컨트롤할 수 있지만 더욱 복잡한 프로세싱을 요하게 된다. BLDC는 브러시가 없기 때문에 유지보수와 마모가 총 소유비용에 영향을 미치는 애플리케이션에 적합하다. 가장 급격하게 늘어나고 있는 모터 종류 중의 하나인 BLDC는 중~고 토크에 대하여 효율적이고 안정적으로 작동하고, 높은 전력 밀도를 제공하며, 자동화, 견인, 정밀 애플리케이션과 백색가전의 가연성 환경에 사용할 수 있다. BLDC는 간단한 커뮤테이션(commutation) 기술을 사용하기 때문에 시스템이 덜 복잡하고 경량이므로, 크기가 작고 비용 효율성이 우수하며, 가변 속도 및 저속에서 탁월한 성능을 발휘할 수 있다.
그림 1: 브러시리스 DC(BLDC) 모터는 정해진 수의 상태를 이용하여 컨트롤 복잡도를 경감한다. 더 많은 상태를 지원할수록, 보다 정밀하게 위치를 컨트롤할 수 있지만 그만큼 더욱 복잡한 프로세싱을 요하게 된다.
- 영구자석 동기식 모터(PMSM)는 “연속식” 제어 방식을 취한다는 점이 BLDC 모터와 다르다 (그림 2 참조). 그러므로, PMSM은 작동 시 잡음이 적고, 커뮤테이션시의 토크 리플(torque ripple)이 아주 작으며, 저렴한 분포권(distributed winding)에서 제 기능을 발휘한다. 더 높은 최대 도달 속도와 더불어 더 높은 효율과 토크를 지원하므로, PMSM은 견인, 정밀 자동화(로봇공학), 하이브리드/전기 자동차 등과 같이 정밀 위치 컨트롤, 고속의 높은 토크를 요하는 애플리케이션에 매우 적합하다.
그림 2: PMSM은 “연속식” 제어 방식을 취하여, 위치 컨트롤 정밀도를 향상시킨다. 작동 시 잡음이 적고 커뮤테이션 시의 토크 리플(torque ripple)이 아주 작은 PMSM은 정밀 위치 컨트롤, 고속의 높은 토크를 요하는 애플리케이션에 아주 적합하다.
지능형 컨트롤 메커니즘
개발자에게는 모터가 효율적이어야 할 작동 범위(즉, 저/고속의 높은 토크)와 요구되는 정밀도(즉, 위치, 속도, 토크)에 따라 각 종류의 모터를 제어하는 방법에 대한 여러 가지 옵션이 있다. 각각의 컨트롤 메커니즘은 비용, 전력 효율, 정확도와 성능 간에 균형을 취한다.
- 단순 스칼라(scalar) 컨트롤(V/f 또는 볼트/헤르츠라고도 함)는 구현이 간편하여 프로세싱 요구사항이 낮아 ACI 모터 구동에 널리 쓰이는 방법이다. 모터 구동에 쓰이는 정현파의 주파수를 변경하여 속도를 제어하며, 전류를 제어하거나 토크를 최적화할 필요가 없다. 그러나, 단순 스칼라 컨트롤은 저속 및 고속에서 토크가 비효율적이고, 동적 성능이 떨어지며, 변화에 대한 반응이 느리며, 설정점이 오버슈트(overshoot) 되며, 저속에서 내부 전력 손실이 큰 경향이 있다.
- FOC(Field-Oriented Control)는 단순 스칼라 컨트롤에 비해 보다 지능적인 컨트롤 메커니즘이며, 복잡도가 다소 증가하는 대신에 애플리케이션에 따라 비교적 상당한 비용 절감, 전력 효율, 보다 우수한 정밀도와 성능을 제공할 수 있다. 벡터 컨트롤(Vector Control)로도 알려진 FOC는 ACI 및 PMSM 모터의 전체 토크 및 속도 범위에 대하여 최적으로 제어한다. (표 1 참조). FOC는 기동 토크를 향상시킬 뿐만 아니라 토크 리플을 최소화하며, 그 효율은 모든 속도에서 최대 토크를 지원한다. 변화에 대한 반응이 빠르며 전부하(full load)에서 영속(zero speed)을 유지할 수 있으므로, 모터의 전체 속도 범위에 대하여 성능이 안정적이다. FOC는 전류 컨트롤 방식이므로, 개발자는 전력 인버터 회로와 모터의 크기를 특정 애플리케이션에 최적화시킬 수 있다. 
표 1: FOC(Field-Oriented Control)는 전체 토크 및 속도 범위에 대하여 완전한 컨트롤을 제공하면서 설정점이나 부하의 변화에 대하여 신속하게 응답한다.
- 사다리꼴(Trapezoidal) 및 정현파(Sinusoidal) 컨트롤은 BLDC 모터 컨트롤의 두 가지 기본적인 선택이다. 사디리꼴 컨트롤은 단순성과 저렴한 비용 때문에 예로부터 널리 선택되는 방법이었다. 그러나, 다수 개발자들이 보다 원활한 작동, 보다 우수한 토크 응답과 더 낮은 전기적 잡음을 얻기 위하여 정현파 컨트롤로 옮겨지고 있다. 그에 따른 성능 및 효율 이득과 더불어 분포권에서 제 기능을 발휘하고 고속에서의 컨트롤이 보다 우수하여, 제도업체들이 자사의 시스템을 차별화할 수 있게 되었다. 예를 들면, 사디리꼴 컨트롤의 EMI가 클수록 모터 시스템이 더욱 불안정해지므로, 심각한 성능 저하와 거슬리는 가청 잡음을 유발할 수 있다.
피드백
속도, 위치/각도, 전류, 플럭스, 토크 등을 조절하는 피드백 루핑(feedback looping)을 이용하여 고급 컨트롤 메커니즘의 성능(복잡도 포함)을 일부 증대시킬 수 있다. FOC는 회전자와 고정자간의 각도와 속도를 측정해야 한다. 사디리꼴 및 정현파 컨트롤은 속도, 위치와 전류를 측정해야 한다.
개발자는 센서/무센서 방식 모두를 이용하여 피드백을 구현할 수 있다. ACI 모터에 기초한 애플리케이션의 경우, 회전속도계(tachometer)를 사용하여 직접 속도를 측정할 수 있다. PMSM에 기초한 설계는 인코더나 리졸버를 이용하여 위치를 추적하면서 시간에 따른 위치 변화를 측정하여 속도를 산출할 수 있다. 센서는 시스템에 비용과 부품을 늘리지만 종종 고정밀 시스템에서 이미 요구되고 있다.
대신 무센서 방식은 슬라이딩 모드 및 MRAS(Model Reference Adaptive System)와 같은 “상태 관측기(State Observer)”를 이용하는 실시간 전류 및 전압 측정치에 기초하여 모터의 속도와 각도를 모델링(예측)한다. 여기서의 트레이드오프(trade-off)는 전류 및 전압 센서가 위치 센서에 비해 훨씬 저렴하지만 (단일 DC 션트를 이용하여 저렴하게 안정적으로 전류를 측정할 수 있음), 시스템 마이크로컨트롤러에서 수리적인 모터 모델을 구현하기 위해서는 정해진 수의 MIPS가 필요하게 된다.?
통합 모터 컨트롤
최근 경향의 시스템 온칩(system-on-chip) 통합은 개발자들의 모터 컨트롤 방식에 변화를 가져오고 있다. 지능형 컨트롤 메커니즘을 구현할 수 있는 MCU를 2달러 미만으로 구입할 수 있으며, 다수의 저비용 애플리케이션의 경우 얻게 되는 성능, 효율 및 정밀도의 차이를 상쇄하고도 남는다. 예를 들면, TI의 저비용 C2000™ 피콜로™ MCU는 단일 칩 상에서 두 대의 모터를 제어하면서 역률 보정(PFC)과 같은 여타 고가치 기능에 대한 충분한 여유를 가질 수 있다. 또한, 이러한 마이크로컨트롤러는 여러 하드웨어 기반 기능을 통합하여 성능과 효율을 더욱 향상시킨다: ? 엑셀러레이터: 하드웨어 기반 프로세싱은 주 MCU의 부하를 경감하고, 산출을 단축하며 전반적인 설계를 간소화한다. 예를 들면, CLA(Control Law Accelerator)는 전체 폐쇄 루프 FOC 시스템의 프로세싱의 부하를 완전히 덜 수 있다. 더욱 정밀한 모터 컨트롤이 이루어지는 외에도, 엑셀러레이터는 프로세싱 여유를 증대시켜, 개발자가 추상화(abstraction)를 통해 설계를 간소화할 수 있으므로, 한층 고급 알고리즘/저비용 MCU 사양을 구현할 수 있다.
- 모터 컨트롤 특유의 주변장치: MCU 상의 통합 주변장치는 시스템 비용을 낮추고, 설계 정밀도와 속도를 향상시킨다. 예를 들면, 고분해능 동기식 ADC는 MCU가 ADC 샘플링을 CPU 인출과 동기화시켜, 낮은 지연으로 정확한 전류 측정이 가능하게 한다. 개선된 기능을 탑재한 하드웨어 기반의 프로그래머블 PWM은 ADC 샘플링이 PWM 스위칭과 일치하지 않도록 하여 효율과 성능을 최적화할 수 있다. 마지막으로, CAP/QEP 센서 인터페이스와 같은 통합 인터페이스는 설계를 간소화하여, 부품을 제거하며 비용을 절감한다.
- 실시간 디버그 지원: 모터 컨트롤 특유의 한 가지 문제는 시스템을 디버깅하면서 모터를 정지하지 않고 인터럽트를 계속 제공해야 한다는 점이다. 이를 위해서는, 개발자에게 내부 마이크로컨트롤러 자원에 대한 직접적인 비침입 액세스를 제공할 하드웨어 기반의 실시간 디버깅 회로가 필요하다. 아울러, 하드웨어 기반의 디버깅은 이미 배치되어 있는 시스템의 현장 고장 수리를 지원한다.
개발 기간 단축
개발 기간의 최소화를 위한 필수적인 요소는 설계와 디버깅을 용이하게 하는 하드웨어와 소프트웨어의 가용성이다. 예를 들면, 공통 하드웨어 플랫폼을 이용하면 개발자들이 간단한 모터 애플리케이션에서 하이엔드, 고정밀 애플리케이션에 이르기까지 소프트웨어를 재사용하고 설계를 확장할 수 있다. 광범위한 모터 컨트롤 기반 라이브러리를 갖춘 시각적인 개발 툴은 또한 플랫폼의 가치를 확대하여, 개발자들이 기존 프레임워크를 활용함으로써 높은 수준의 작업이 가능하며 특정 애플리케이션에 대하여 신속하게 동조시킬 수 있다 (그림 3 참조). 
그림 3.: 시각적인 개발 툴을 이용하면, 개발자들이 기존 프레임워크를 활용함으로써 높은 수준의 작업이 가능하며 특정 애플리케이션에 대하여 신속하게 동조시킬 수 있다. 여기에 실려있는 것은 듀얼 무센서 FOC 기반 PMSM 시스템의 증분 빌드(incremental build)이다. 이 시점에서, 개발자는 독립적인 타깃 모듈(target-independent module), 듀티 사이클, PWM 업데이트 등을 검증할 수 있다. 모터 작동상태를 모델링할 수 있는 기능을 이용하여, 개발자는 우발적인 단전(blow out)을 방지하기 위해 모터를 분리시킨 채로 PWM 작동을 검증할 수 있다.
종종 개발자는 고정소수점 MCU를 이용하여 시스템 비용을 절감할 수 있지만 수리 정밀도와 분해능을 수동으로 관리하는 부담을 안아야 한다. TI의 IQMath와 같은 라이브러리를 이용하여 알고리즘 설계를 추상화하면, MCU 뿐만 아니라 애플리케이션, 컨트롤 메커니즘과 모터 종류에 대하여 알고리즘 코드를 이식할 수 있게 된다. 추상화는 또한 써드파티 모터 컨트롤 소프트웨어 및 개발 플랫폼(즉, 매스웍스의 임베디드 타깃과 비주얼 솔루션의 VisSim)과의 통합을 간소화하며, 코드 재사용을 촉진하며, 심지어 부동소수점 및 고정소수점 MCU 간의 “상향 및 하향” 코드 이동성을 부여한다.
모터 컨트롤 애플리케이션 전용으로 설계된 고집적 MCU의 가용성은 개발자가 기존 시스템의 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 보다 지능적인 컨트롤 메커니즘을 이용하여 시스템 성능, 효율 및 정밀도를 향상시킬 수 있게 한다. 자신이 선택할 수 있는 여러 모터 종류와 컨트롤 방법을 이해하면 개발자는 쉽게 확장할 수 있으며, 광범위한 부가가치 기능을 지원하고 장기적으로 코드 투자를 활용하는 강건한 시스템을 구축하기에 적절한 방식과 수준의 컨트롤 인텔리전스를 선택할 수 있다.
여러 가지 모터 컨트롤 시스템 기술과 구현에 관한 보다 자세한 정보는 www.ti.com/c2motorcontrol-prc-lp 참조. |
샘플 및 장바구니
