ST마이크로일렉트로닉스
이들 시장 분야는 전력 정격, 수명, 연결성 등의 측면에서 모터 구동에 대해 요구하는 것이 각기 다르다. 그렇지만 에너지 절감의 측면에서 가정용 에어콘과 제지 산업의 컨베이어는 유사성을 갖고 있다. 이들 장비를 하루 24시간 작동한다고 했을 때 모터와 구동 장치에서 얻을 수 있는 효율성은 상당한 수치의 kWh를 절감해 줄 것이다.
글: 벵상 옹드(Vincent Onde) 애플리케이션 엔지니어
ST마이크로일렉트로닉스
구동 효율은 여러 가지 방법으로 향상시킬 수 있다. 만약(고정 속도 기계 제어 프로세스를 가변 속도 제어로 교체하는 것과 같은) 프로세스 차원의 향상을 포기해야 한다면 모터 토폴로지가 가장 우선적이다. 브러쉬리스 모터가 현재로서 가장 선호되고 있으며 고효율 형태의 3상 AC 유도(우수한 사례일 경우에 약 80% 효율)나 우수한 영구 자석 동기 모터는 90% 이상의 효율을 달성할 수 있다.
마지막 유형은 널리 이용되지는 않으나 우수한 전력 대비 크기 비율과 스타트업 시의 높은 토크(torque)에 의해서 시장에서 채택이 늘어나고 있으며 또한 부분적으로는 급등하고 있는 구리 가격에 덜 영향을 받기 때문에 가격 경쟁력이 향상되고 있다(이는 AC 유도 모터에 비해서 적은 양의 구리를 필요로 하기 때문이다. 자석으로부터 로터 플럭스가 제공되며 그러므로 스테이터 권선으로 유도할 필요가 없다).
단점은 이 모터는 기본적으로 6개 스위치와 이들을 실시간으로 제어할 수 있는 프로세서로 구성된 전력 스테이지(인버터)를 포함하는 복잡한 구동 회로를 필요로 한다는 점이다. 스위칭 소자(전력 MOSFET, IGBT 등)의 동적 및 전도 손실을 줄이기 위해 많은 연구들이 이루어져 왔으며 첨단 전력 컨버터는 통상적인 작동 조건으로 95% 이상의 효율을 달성한다.
최종적인 단계는 특정 드라이브 및 모터를 부하에 적합하게 적응시키고 가장 적합한 제어 전략을 선택하는 것이다. 이 시점에서 프로세서가 중요하며 알고리즘 및 소프트웨어 개발로 하드웨어 기법을 보완할 수 있다. 3상 AC 모터 용으로 가변 속도 동작을 달성하기 위한 가장 간단한 방법은 소위 말하는 전압/주파수 제어(혹은 스칼라 제어)를 달성하는 것이며 이의 원칙은 모터에 적용되는 주파수 및 전압 사이에 일정한 비율을 유지하는 것이다.
그럼으로써 일정한 스테이터 플럭스를 발생시키며 로터 축 상에서 공칭 모터 토크를 이용할 수 있다. 이는 저가형 드라이브에 가장 널리 이용되는 제어 기법으로서 잘 알려진 부하 특성을 이용하며 제어 대역폭 측면에서 그렇게 까다롭지 않은 애플리케이션에 적합하다(일부 HP 펌프 및 팬 등). 하지만 모든 애플리케이션이 이러한 간단한 제어 및 제한점을 수용하지는 못한다.
이는 안정 상태 모터 공식을 기반으로 하므로 트랜션트 동작 시에 최적의 모터 동작(토크, 효율)을 보장하지 못한다. 이러한 제한점들을 해결하기 위해서 모터의 동적 특성들을 고려한 제어 전략들이 개발되었다.
FOC(field-oriented control, 벡터 제어라고도 함)가 가장 널리 이용되는 것이다. 이 기법은(유도 및 영구 자석 기반의) 어떠한 AC 머신이나 2개의 분리된 제어 변수를 이용해서(이하 Id 및 Iq라 함) 개별적으로 작동되는 DC 머신과 같은 방식으로 구동이 가능하다. 자화 전류 Id는 DC 메인 플럭스에 상응한다. Iq는 DC 모터에서 전기자 전류가 하는 것과 같은 방식으로 토크를 제어한다.
FOC는 부하가 변화할 때 정밀하고 신속한 속도 제어를 가능하게 하며 스테이터 및 로터 플럭스를 완벽하게 직각위상으로 유지함으로써 트랜션트 동작 시라 하더라도 최적화된 효율을 보장한다. 그런 다음 낮은 부하 조건일 경우에 자화 플럭스를 통상적으로 60% 미만 부하 토크로 낮춤으로써 벡터 제어 위에 에너지 최적화 제어 전략을 추가할 수 있다 [1].
벡터 제어 알고리즘은 최종 애플리케이션의 대역폭에 따라서 1kHz에서 20kHz 사이의 속도로 연속적으로 재연산해야 하며 삼각법 함수나 PID 컨트롤러 등의 수치 연산을 집중적으로 필요로 한다. 센서리스 동작이 필요할 경우에는 비용이나 신뢰성 이유에서 작업이 더욱 더 복잡해진다. 이 점이 바로 과거에 컨트롤러로서 디지털 신호 프로세서, MPU, FPGA 등이 이용되던 이유이다.
ST마이크로일렉트로닉스는 새로운 32비트 MCU 제품군으로서 STM32를 제공하고 있다. 이는 산업 표준 ARM 코어의 모든 이점과 표준 MCU의 가격 상의 이점을 제공함으로써 고효율 드라이브에 이상적으로 적합하다.
Harvard 아키텍처를 기반으로 한 Cortex-M3 CPU는 32비트 RISC로서 16비트 및 32비트 명령으로 이루어진 Thumb2 명령 셋을 이용해서 순수 32비트 코드에 비해서 코드 밀도를 대폭적으로 향상시킨다. 고효율 모터 드라이브는 우수한 실시간 응답성(낮은 인터럽트 지연시간), 순수 프로세싱 성능(단일 사이클 곱셈, HW 나눗셈 등), (조건부 분기 및 비순차 실행 플로우를 위해서) 우수한 제어 성능을 제공해야 한다. 코어의 연산 성능을 자세히 논하는 것은 이 글의 범위를 벗어나는 것이나 다만 위에서 언급한 복잡한 제어 알고리즘의 실행 시간에 대해 살펴보도록 하자.
STM32는 영구 자석 모터 용으로 센서리스 FOC 루프를 22μs 이내에 수행할 수 있는데 이는 10kHz 샘플링 레이트일 때 22% CPU 부하에 해당되는 것이다. 이는 애플리케이션의 나머지 부분을 위해 75% 이상의 헤드룸을 제공하는 것으로서 고유기술 DSP 또는 DSC(digital signal controller) 아키텍처에 매달려서 시간을 허비할 필요가 없다는 것을 여실히 보여준다.
주변장치에 있어서는 ADC가 시스템온칩의 중요한 요소이다. 아무리 정교한 알고리즘이라 하더라도 불량한 아날로그 측정을 보완하지 못하며 어느 정도까지 전반적인 드라이브 성능은 ADC 품질에 달렸다고 할 수 있다. 여기서는 전체적인 온도 및 전압 범위에 걸쳐서 정격 정확도가 3LSB인 2개의 1MSps 12비트 ADC가 125ns 미만의 샘플 시간으로 동시 변환을 달성할 수 있다. 또한 모터 위상의 전류를 리딩할 때 이 중 하나는 전력 스위치 상의 트랜션트 전압에 의해 야기되는 잡음을 다루어야 한다(오프라인 애플리케이션일 경우에 통상적으로 수백 V/μs). 해결책은 ADC를 전력 스테이지를 제어하는 타이머와 동기화하는 것이다.
정류 인스턴트를 예상할 수 있다고 했을 때(이는 3 PWM 타이머의 비교 레지스터에 의해서 정의된다) PWM 발생기의 추가적인 비교 채널을 이용해서 이 이벤트 전이나 후에 ADC 변환을 트리거할 수 있다. 효율을 위해서 부수적인 작용으로서 이 동기화는 10kHz 스위칭 주파수 이상일 때 100% 변조 지수를 가능하게 한다(완벽한 DC 버스 전압 사용). 특정 전력 정격일 때 모터에 더 큰 전압을 이용할 수 있다는 것은 더 낮은 전류를 의미하며 그러므로 컨버터와 모터에 있어서 더 낮은 손실을 의미한다.
제어 측면에서 ADC를 보완하기 위해서 STM32는 첨단 제어 타이머와 3상 모터 제어 PWM 발생을 위한 첨단 기능들을 포함한다. 그러한 기능으로서 자동 재로드 기능 및 최대 72MHz 클록 주파수의 16비트 카운터, 최적의 스위칭 손실과 음향 잡음 절충을 위한 상향/하향 카운팅 모드, 프로그램가능 극성의 6개 출력, 전력 스테이지와 글루리스 인터페이스를 위한 내부 데드 타임 삽입 및 비상 셧다운 입력을 포함한다.
위에서 언급했듯이 PWM 발생기 상에 4번째 채널을 이용할 수 있다. 주로 ADC 트리거에 이용되며 이를 이용해서 PWM 에지에 대해서 샘플링 포인트를 정밀하게 포지셔닝하기 위해 사전 및 사후 지연을 적용할 수 있다. 이 타이머는 공간 벡터 변조 (특정 DC 레일을 이용해 모터 전압 극대화)나 클램프 변조(고전력 컨버터의 PWM 스위칭 수치 극대화) 등과 같은 에너지 최적화 사인파 발생을 지원할 수 있다.
STM32 용으로 모터 제어 평가 키트를 이용할 수 있다. 이 키트는 범용 전력 스테이지를 포함해서 JTAG 프로브에서부터 영구 자석 모터에 이르기까지 신속한 평가 및 개발 작업 착수를 위해서 필요한 모든 하드웨어를 제공한다. 또한 센서리스 FOC 소스 코드를 무료로 제공한다. 그래픽 키트 LCD의 직관적 인간 인터페이스와 라이브러리의 편리한 헤더 파일은 개발자들이 모터 제어 라이브러리를 간편하게 맞춤화할 수 있도록 한다. 다양한 유형의 피드백 센서 및 전류 측정 기법을 채택한 AC 및 PM 모터를 지원하고 개발자들이 자신의 애플리케이션에 집중할 수 있도록 하며 그리고 궁극적으로 중요한 점으로서 Wh를 절약할 수 있도록 한다.
참고문헌
[1] F. Abrahamsen, F. blaabjerg, J.-K. Pedersen, P.Z. Grabowski and P. Thøgersen, "On the Energy Optimized Control of Standard and High-Efficiency Induction Motors in CT and HVAC Applications, IEEE transactions on industry applications, Vol 34, No 4, July/august 1998.
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