자동화 시스템을 설계하는 엔지니어들은 갈수록 작업이 복잡해지면서 새로운 과제에 직면하고 있다. 생산성, 수익성, 유연성에 대한 요구는 갈수록 더 높아지면서 혁신의 주기는 갈수록 짧아지고 있기 때문이다. 뿐만 아니라 생산성은 향상시키면서 전력 소모는 더욱 더 낮출 것을 요구 받고 있다.
현장에서 이와 같은 요구를 충족하기 위해서는 지능적인 제어를 이용해서 효율을 극대화하는 드라이브를 필요로 한다. 그러기 위해서는 핵심적인 제어 장치로서 마이크로컨트롤러가 중요한 역할을 한다.
글 : Pedro Costa, Andreas Jansen | 인피니언 테크놀로지스
www.infineon.com/xmc, www.infineon.com/dave
인피니언 XMC4000 제품군은 뛰어난 구성가능성과 높은 수준의 소프트웨어 재사용 가능성을 특징으로 함으로써 전기 드라이브, 태양광 인버터, 생산 자동화, 빌딩 자동화 등을 비롯한 다양한 유형의 산업용 애플리케이션에 이용하기에 적합하다.
XMC4000 제품군의 5개 시리즈는 코어 주파수, 메모리 용량, 주변장치 기능, IO 수가 각기 다른 다양한 제품을 포함한다. 최근에 출시된 XMC4500 시리즈 제어 모듈은 여기에 더해서 특화된 기능으로서 CPU 클록 그리드 이내의 펄스를 뛰어넘는 분해능에 이용하도록 고분해능 PWM 유닛을 제공한다.
서보 드라이브가 역동적 응답, 포지셔닝 정확도, 과부하 용량 측면에서 유리한 특성들을 앞세워서 다양한 애플리케이션에 빠르게 사용이 늘어나고 있다. 서보 드라이브의 구현을 위해서는 마이크로컨트롤러가 모터 제어를 위한 핵심적인 부품으로서 중요한 역할을 한다.
이를 위해서 모든 XMC4000 컨트롤러는 신호 모니터링과 PWM 생성에 이용하도록 타이머/PWM 유닛(Capture/Compare Unit(CCU))을 제공한다. CCU4는 기본 구현이고, CCU8은 첨단 기능으로 확장한 것이다. 이들 유닛은 동일한 모듈러 어셈블리이므로 소프트웨어를 복제할 수 있으며 동일 애플리케이션 내에서나 또는 각기 다른 애플리케이션에 걸쳐서 재사용이 가능하다.
CCU4/CCU8 모듈은 4개의 동일한 16비트 시간 슬라이스로 이루어진다. 각각의 슬라이스를 “compare” 모드나 “capture” 모드로 실행할 수 있다. CCU4는 한 “compare” 채널을 이용할 수 있고, CCU8은 2개의 “compare” 채널을 이용할 수 있다. “capture” 모드이면 병렬로 최대 4개 레지스터를 이용할 수 있다.
각 시간 슬라이스는 7개 이벤트를 발생시킬 수 있으며 이를 4개 서비스 요청 라인으로 할당할 수 있다. 전용 출력이 PWM 신호로 동작하므로 하나의 CCU4(CCU8)가 최대 4개(8개) PWM 신호를 발생시킬 수 있다. CCU8 슬라이스는 추가적으로 각 출력에 대해서 개별적인 데드 타임 유닛을 이용함으로써 각기 다른 상승 에지 및 하강 에지 시간을 적용할 수 있다. (그림 1)
각 시간 슬라이스는 다른 슬라이들과 독립적으로 이용 가능한 모드 중에서 한 모드로 동작할 수 있다. 슬라이스의 입력 상의 이벤트를 선택 절차(프로그램가능 행렬)를 통해서 특정한 동작으로 지정할 수 있다. 이와 같이 입력 신호를 출력에서 원하는 동작으로 유연하게 지정할 수 있으므로 진정한 하드웨어/소프트웨어 동시 설계를 가능하게 한다.
다시 말해서 최종적인 소프트웨어 스펙을 알지 못하고서도 하드웨어 차원에서 배선이 가능한 것이다. 뿐만 아니라 다중의 슬라이스를 상호 접속할 수 있으므로 선택적으로 16비트, 32비트, 48비트, 64비트 폭의 타이머 동작이 가능하다. (그림 2)
회전식 인코더를 이용한 정확한 포지셔닝
XMC4000 제품군의 모든 제품은 모터 제어 애플리케이션에 이용하도록 최소한 1개의 위치 인터페이스(POSIF)를 제공한다. 타이머 유닛과 함께 작동해서 POSIF는 쿼드러처 인코더나 홀 센서 같은 회전식 인코더를 최적으로 사용할 수 있게 한다. 타이머 유닛이 디코딩된 POSIF 이벤트를 동시적으로 카운팅하고 기록한다.
시간 간격에 걸쳐서 이들 값이 변화하는 것을 고려함으로써 그 다음 로터 위치나 속도 변화를 외삽으로 추정할 수 있다. 이렇게 하면 두 가지 이점이 있다. 비동기적 인코더 이벤트들을 제어 루프에서 동기화할 수 있고 외삽을 이용해서 일정한 분해능을 유지할 수 있다는 것이다. 그럼으로써 특히 동적 속도 범위가 넓은 경우에 제어 품질을 향상시킬 수 있다. (그림 3)
디지털 전력 제어에 이용하기 위한 고분해능 PWM
고분해능 PWM 유닛은 XMC4000 제품군의 XMC4400, XMC4200, XMC4100 시리즈에 포함하고 있는 확장 기능이다. 이 확장 기능은 디지털 전력 변환 분야의 다양한 애플리케이션에 이용하기 위한 것이다. 이 기능을 이용함으로써 다양한 회로 토폴로지(부스트 컨버터, 벅 컨버터, 포워드 컨버터, 플라이백 컨버터, 공진 컨버터 등), 변조 방식(연속 또는 불연속 PWM, 위상 편이), 제어 기법(평균 또는 피크 전류 또는 전압 제어)을 수용할 수 있다.
아날로그 제어와 비교해서 디지털 제어의 가장 큰 이점은 적응성이 뛰어나다는 것이다. 예를 들면 다양한 동작 모드와 제어 파라미터를 소프트웨어를 통해서 역동적으로 변경할 수 있다. 또한 수동 소자의 노후화나 기생 효과들을 하드웨어의 개입 없이 조정할 수 있다.
하지만 디지털 제어는 양자화 효과에 따른 한계점이 있으며 아날로그 제어와 같은 품질을 달성하기가 어렵다. XMC44/42/41xx 모듈의 고분해능 PWM(high-resolution pulse width modulation: HRPWM) 유닛을 이용함으로써 바로 그와 같은 취약점을 최소화할 수 있는 것이다.
고분해능 채널(high-resolution channel: HRC)은 스텝 폭(피코 위상)이 150ps에 불과하다. 그러면 실례를 들어서 어떠한 이점이 있는지 살펴보자. 시스템 주파수는 120MHz라고 하고, 기존의 타이머는 20퍼센트 부분 부하 범위인 200kHz 벅 컨버터를 불과 6~7비트로 분해한다(계산: 20% x 120MHz/200kHz = 120개 값). 분해능이 12비트인 A/D 컨버터를 이용해서 제어 변수들을 포착하면(20% x 2048 = 410개 값) 거친 PWM 스텝 폭이 제어를 제한한다.
HRC를 이용하면 동일한 계산으로 12~13비트 분해능을 달성한다. 그러므로 PWM이 제어를 제한하지 않는다. XMC44/42/41xx는 각기 데드 타임 제어를 이용하는 최대 4개 HRC를 제공하며 capture/compare 유닛의 하위로 연결할 수 있다. 그럼으로써 CCU4/8의 복잡한 제어, 트리거, 스위치-오프 로직을 이용할 수 있다. 이와 같은 모듈러 방식의 포괄적인 어셈블리이므로 다양한 회로 토폴로지를 수용할 수 있다. (그림 4)
HRPWM 유닛에 더해서 또 다른 확장 기능은 디지털 전력 제어의 또 다른 취약점을 겨냥한 것이다. 그것은 바로 조절 속도가 느리다는 것이다. 만약 위의 부스트 컨버터 예에서 매 PWM 사이클에 조절이 일어난다면 이것은 결코 미미하지 않은 중대한 실시간 CPU 부하를 발생시킬 것이다. 그런데 마이크로컨트롤러는 전력 제어에 있어서 추가적인 통신이나 엑추에이터 작업이 필요한 곳에 사용되는 것이다. 그러므로 극히 시간적으로 중대한 부스트 컨버터 제어를 백그라운드로 실행해야 하며 메인 애플리케이션을 방해하지 않아야 한다.
바로 이럴 때 비교기와 제어 신호 발생기(control signal generator) 블록이 제 역할을 한다. 이 유닛은 비교기를 이용해서 CPU 부하를 일으키지 않으면서 고속 신호를 모니터링하고 그에 따라서 회로 차단기를 작동할 수 있다. 이 비교기는 입력과 출력에서 다양한 애플리케이션을 지원하는 특성들을 제공한다. 그러므로 2개의 선택 가능한 외부 신호(피크 전류와 불연속 전도 모드 한계로 제어하기 위한 전류 제로 크로싱 등)로부터 음의 입력을 제공할 수 있다.
고속의 디지털/아날로그 컨버터(10비트 분해능으로 30Msamples)가 양의 입력을 제어한다. 비교기 출력의 필터와 마스킹 로직은 원치 않는 짧은 펄스를 억제하고, 단자 로직은 온이나 오프로 스위칭하도록 한다. D/A 컨버터의 특성에 의해서 스위칭 전원장치 분야에서 잘 알려진 피크 전류 제어가 가능하다. CPU에 의해서 오프셋과 램프 시간이 프로그램된 대로 램프 신호를 발생시킨다. 그럼으로써 이 제어 기법의 발진을 방지한다.
CSG 블록은 3개 비교기와 3개 D/A 컨버터로 이루어지며, 이 블록을 독립적으로 이용하거나 아니면 고분해능 PWM, CCU(capture/compare unit), 아날로그/디지털 컨버터와 결합적으로 이용할 수 있다. CSG 블록이 고속의 내부 제어 루프를 자율적으로 관리함으로써 CPU가 저속의 외부 제어 루프만을 담당하면 된다.
이와 더불어서 레이아웃 유연성이 사용자에게 중대한 이점을 제공한다. 자동화 애플리케이션은 흔히 규격형 스위칭 전원 IC를 이용해서는 구현할 수 없는 특수한 특성들로 인해서 잘 통제되는 보조 전압을 필요로 한다. 자동화 애플리케이션은 통상적으로 스위칭 온/오프 동작에 대해서 특수한 요구를 충족해야 하고, 동작 모드 사이를 전환해야 하고, 안전성 측면을 고려해야 하기 때문이다.
바로 이러한 점에서 프로그래머블 마이크로컨트롤러가 유용한 이점들을 제공한다. 최근의 새로운 XMC4000 제품들로 통합하고 있는 HRPWM 유닛은 디지털 전력 제어의 분해능, 품질, 효율을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 아날로그 제어와의 격차를 좁힐 수 있도록 한다.
저자 소개
Pedro Costa는 인피니언의 XMC4000 제품군 컨셉 엔지니어입니다.
이메일: Pedro.Costa@infineon.com
Andreas Jansen은 인피니언의 XMC4000 제품군 애플리케이션 엔지니어입니다.
이메일: Andreas.Jansen@infineon.com
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