자동화 및 산업 부문의 주요 특징 중 하나는 전기 모터 구동이다. ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)는 모터제어 부문에 중점을 두고 폭넓은 제품 포트폴리오를 갖춘 HW 및 SW 전용 솔루션 ST MC(Motor Control) 에코시스템을 제공하고 있다. ST MC 에코시스템은 다양한 애플리케이션의 요구사항을 충족할 수 있도록 평가 보드와 펌웨어(FW) 라이브러리, 부속 제품 등으로 완벽한 솔루션을 갖추었다.
영구자석 동기 모터(permanent-magnet synchronous motor, PMSM)에 사용되는 새로운 버전의 모터 제어 FW 라이브러리 STM32 PMSM FOC SDK v4.0은 ST MC 에코시스템을 더욱 풍성하게 한다.
10년 이상 디지털 및 전력 시스템 솔루션 분야에서 축적된 깊이 있는 지식과 시스템 전문성이 담긴 ST의 툴들은 제품의 시장 출시 시간을 앞당기고 ST 제품의 가치를 높인다.
실제로 ST는 전력 트랜지스터부터 지능형 전력 모듈, 모터 드라이버 IC 및 최신 마이크로컨트롤러에 이르는 혁신적인 제품 포트폴리오를 보유하고 있으며, 이를 통해 자동화 및 산업 부문에서 사용되는 모든 종류의 모터를 지원하고 있다.
PMSM FOC SDK의 기능과 전용 알고리즘은 ST의 산업용 모션 드라이브용 제품 평가에 가치를 더해준다. PMSM FOC SDK 기능을 구현하기 위해서는 하드웨어와 펌웨어 솔루션 간 시너지가 필요하며 이 분야에서 최고의 성능을 실현하기 위해서는 다양한 특정 알고리즘을 통해 강화 된 3상 브러시리스 모터를 위한 FOC(Field Oriented Control) 기술이 필요하기 때문이다.
ST는 수년 동안 FOC 제어 분야에 참여해왔다. 2009년에는STM32 모터 제어 키트를 지원하는 첫 번째 라이브러리 버전이 발표되었다. 이후, 이 솔루션은 다음과 같은 새로운 기능들이 추가되면서 개선되었다.
- 영구자석 모터의 센서리스 제어(두 개의 보완 알고리즘, 역기전력 상태 관측기, 고주파 주입)
- 각기 독특한 특성을 지닌 모든 STM32F 마이크로컨트롤러 제품군(F0, F1, F2, F3 및 F4)을 지원하고, 지능형 전력 모듈(SLLIMM™)이나 디스크리트 솔루션인 전력 MOSFET, IGBT, 게이트 드라이버 같은 ST 전력용 제품 기반의 모든 전력단을 지원하는 라이브러리의 완벽한 환경 설정
- 시스템 구성에서는 사용자를 지원하고 FW로는 실시간 통신을 설정하는 이중 기능성을 갖춘 PC 소프트웨어(ST MC Workbench)의 환경 설정 허용
- 동일한 마이크로컨트롤러로 두 개의 모터를 동시에 구동하는 ‘이중 드라이브(Dual drive)’ 지원
- 자속 약화(flux weakening), 내부 영구자석 모터를 위한 단위 전류당 최대 토크 제어(maximum torque per ampere, MTPA) 및 피드 포워드(feed forward) 전류 조절 등의 추가 기능 제공
HW 툴(전력단에 더해진 제어단 혹은 전체 솔루션)과 결합된 펌웨어는 사용자가 프로토타입 단계에서 점프스타트를 할 수 있도록 해준다.
STM32 FOC SDK V4.0의 새로운 기능
STM32 FOC SDK의 가장 최신 4.0 버전은 2014년 말에 발표되었으며, ‘접근성(accessibility)’을 염두에 둔 구조적 변경에 초점을 맞추었다. 접근성이 향상되면 사용자의 설계속도가 높아지기 때문에 전자 시장의 성공 요소 중 하나인 시장 출시 시간을 단축할 수 있다.
일련의 준비물과 새로운 기능들이 SDK의 접근성을 향상시키기 위해 에코시스템에 탑재 되었는데, 그 기능들은 소스 코드에서부터 시작하여 PC GUI와 완전한 일련의 부속물들(기술 문서, FAQ, 프리젠테이션, 소프트웨어 예제, ‘유스케이스(use cases)’, 튜토리얼 및 비디오)을 포함한다. 앞서 언급 된 모든 것들은 표준 소프트웨어 및 펌웨어 패키지와 함께 제공된다.
새로운 STM32 FOC SDK v4.0 에코시스템은 신속하고 효율적인 설계에 필요한 두 가지 중추 요소인 펌웨어 라이브러리와 PC 소프트웨어 GUI를 포함한다. 안정화된 STM32 FOC 펌웨어 라이브러리는 ST 마이크로컨트롤러의 모든 제품군을 지원한다.
STM32F30x 제품군은 비용 효율적인 48Mhz Cortex-M0 STM32F030x부터 부동소수점 명령어를 지원하는 최첨단 180Mhz Cortex-M4 STM32F4까지 통합 아날로그 IP의 광범위한 시리즈를 갖추었다.
이를 통해, STM32는 의료용 애플리케이션 같은 초소형 모터에서부터 공장 자동화, 전기모터 트랙션의 대형 서브모터까지 모터 제어 애플리케이션의 전 범위를 아우르고 있다. ST FW 라이브러리는 STM32 FOC 라이브러리를 다른 솔루션과 구분 짓는 객체지향 방법은 이러한 다른 모든 장치를 지원한다.
4.0 버전은 이전 버전에서 정의한 구조화된 소프트웨어 추상화 계층의 이점을 잇고 있다. 그렇다면 무엇이 새로운 기능인가? 모든 특정 설정 내에서 프로젝트의 수를 줄이면서 워크스페이스는 간단해졌다. 또한 IAR Embedded Workbench가 독점 제공하던 IDE 지원 역시 KEIL Microvision에서도 사용할 수 있게 되었다.
이전 버전의 플래그십인 모터 제어 애플리케이션 프로그램 인터페이스(API)는 이번에 새롭게 확장 된 기능을 출시했다. 또한 일련의 이용 가능한 예제들이 패키지에 포함되었다. 즉 최종 애플리케이션과 함께 사용할 수 있는 ‘유스 케이스’를 구현하기 위한 모터 제어 API에 의해 익스포트된 기능들을 활용하는 것이다. 예를 들면 다음과 같다.
- 아날로그 전압 입력에 따른 기준 속도 설정
- 측정 속도에 비례하는 출력의 PWM 신호 부여
- 실시간으로 컨트롤러 대역폭 등의 파라미터 변경
- 실시간으로 제어 루프를 실행하는 데 사용되는 위치센서와 속도의 변경
이러한 기능을 구현하는데 필요한 모든 코드는 예제들 내에 있다. 코드들은 보다 복잡한 프로젝트를 구축하기 위한 출발점으로 사용되거나 API 이면의 로직을 이해하기 위한 기준 가이드로 볼 수 있다.
모터 제어 라이브러리는 시작, 정지, 스피드 램프의 실행 같은 모터에 명령어를 어떻게 행사하는지를 보여주는 블랙박스처럼 활용할 수 있다. 이것은 측정 속도, 토크, 출력과 같은 피드백을 얻는 데 사용할 수 있으며 특정 전략적 노하우를 가진 다른 솔루션과 차별화하는 동시에 애플리케이션의 상위 계층에만 집중할 수 있는 방법을 제공한다.
4.0 버전에서 펌웨어와 사용자의 상호작용은 두 개의 채널로 개선되었다. 제어 보드가 LCD 스크린에 내장되었다면, 새로운 경량(더 작은 코드 사이즈) LCD 그래픽 유저 인터페이스(GUI)가 가능하다.
LCD 축소 버전이 제공하는 유연성은 사용자가 펌웨어에 여분의 상호작용을 더하여 GUI 자체를 커스터마이징할 수 있도록 한다. 제어 보드가 LCD 스크린으로 제공되지 않는다면 UART를 통해 실시간 통신을 설정할 수 있다.
4.0 버전에서는 ‘빠른 단방향 통신’이 가능하다. 이런 경우에는, 펌웨어에서 PC로 데이터가 최대 속도로 계속 보내지고, 다른 제어 바이트들이 없다면 이를통해 사용자는 빠르게 변화하는 변수들을 관찰할 수 있다. 워크벤치의 새로운 기능들은 다음과 같다.
- 센서리스 스타트업의 설정창에 부과된 전류와 가속도의 시각적 묘사를 보충했다.
- 지원되는 레퍼런스 설계 보드의 보드 범위를 커버하는 툴 번들에서, 릴리스된 일련의 워크벤치 프로젝트의 설정이 강화되었다.
- 워크벤치와 문서 간 연결이 강화되었다. 프로그램 메뉴의 새로운 엔트리를 통해 사용자가 직접 기술문서(빠른 시작, 사용자 매뉴얼, 개발자 매뉴얼, API 참조 매뉴얼)에 접근할 수 있다.
고주파 주입으로 제로 속도 제어
새롭게 출시한 펌웨어의 개선점은 사용자 경험과 접근성에 제한이 없다는 것이다. 4.0 버전은 이전 버전에 있던 최첨단 BEMF 상태 관측기(observer)에 더해진 새로운 센서리스 알고리즘을 포함하고 있다.
새로운 센서리스 알고리즘인 ‘고주파 주입(HFI)’은 내부에 자석을 갖춘 영구자석 동기 모터(PMSM)에 적용할 수 있다. 이 시스템에서 자석은 회전자(rotor) 표면에 붙어있는 것이 아니라 회전자의 철심 내부에 삽입된다.
이러한 종류의 모터인 내부 영구자석 동기 모터(IPMSM)에서는 횡축과 직축에 대한(Lq는 Ld와 다름) 권선 측에서 보여지는 인덕턴스에서 전기적 이방성이 나타난다.
고주파 주입은 아주 저속 및 정지 상태에서 회전자의 각 위치(angular position)를 검출하기 위해 자석 구조의 이방성을 이용한다. 이 새로운 센서리스 기술은 역기전력(Back Electromotive Force, BEMF) 관측기나 역전자기력(back electromagnetic force) 검출 기반의 모든 기술에 대해 속도 범위를 확장한다.
BEMF 진폭은 모터 속도에 비례하기 때문에 모터가 정지하였거나 아주 저속 일 때는 감지되지 않는다.
HFI는 매우 다양한 물리 법칙에 기반하여 저속 구동을 제어할 수 있다. 회전맥동 자계(roto-pulsating field)는 모터에 주입되고 실제 전기각(electrical angle)은 시스템의 자기 구조를 통해 흐르는 전류로부터 계산된다. 주입된 주파수는 추가 토크가 발생하지 않도록 기본값보다 많이 높게 설정해야 한다.
이 자기 구조의 이방성으로부터 회전자의 전기적 위치를 검출하는 것은 모터를 X선으로 스캔하는 것과 같다. 이 방법은 정지 단계에서 저속까지 유효하며 BEMF 관측기와 시너지 효과를 내기 때문에 모터 속도에 따라 즉시 다른 방법으로 자동 전환된다. 이 새로운 알고리즘은 ST 모터 제어 SDK 내의 혁신적인 특허 목록에 추가되었으며, 고객들에게 아래의 여러 가지 혜택을 제공한다.
- 제로 속도에서 풀 토크(full torque)
- 매우 낮은 속도 동작
- 역회전 없는 센서리스 스타트업
- 항상 가장 빠른 스타트업
- 포지티브(시계 방향)에서 네거티브(반 시계 방향)로 센서리스 속도 전환
또한 스타트업 효율 측면에서 혜택을 볼 수 있는 컴프레서, 저속 동작 혹은 세탁기 같은 속도 전환, 산업 자동화, 전기자전거, 전기 트랙션 등과 같은 애플리케이션에 가치를 더하고 있으며 애플리케이션 분야는 계속해서 확대되고 있다.
ST HW 툴
ST는 사용자가 ST의 제품인 지능형 전력 모듈(SLLIMM), IGBT, 게이트 드라이버, 모터 제어 IC, 실제 모터 제어 시스템에 사용되는 마이크로컨트롤러를 평가할 수 있도록 MC 라이브러리에 의해 지원되는 완전한 보드 세트를 제공한다.
3상 모터의 경우 강조할 점은 다음과 같다. 이 모듈형 가변 시스템은 MEMS, 온도 센서, 외부 메모리, LCD, 트랜시버, 카메라 등과 같은 부가적 기능을 갖춘 모든 F0 ,F1, F2, F3, F4 제품군의 STM32를 특징으로 하는 제어 보드로 구성됐다.
ST 인버터 단을 특징으로 하는 전력단은 SLLIMM(소형의 저손실 지능형 몰딩 모듈)파워 모듈 또는 디스크리트 전력 MOSFET이나 IGBT, 게이트 드라이버를 기반으로 한다. 제어 보드와 전력 보드는 완벽한 호환성을 보장하는 ST 표준 “모터 제어 커넥터”를 통해 연결할 수 있다.
에어컨, 천장 팬, 식기세척기 등과 같은 특정 애플리케이션을 충족하기 위해 단일 보드에 완벽한 모터 구동 지원하였다. 예를 들어 최대 1.4 KW까지 PMSM을 구동할 수 있는 STEVAL-IHM034V2에 또 다른 보드를 연결하여 두 개의 모터를 동시에 구동할 수 있다.(FOC)
결론
최근 출시한 ST의 MC FOC SDK의 새로운 기능들을 살펴봤다. 해마다 ST는 효율성과 통합성, 비용 최적화는 그대로 유지하면서 접근성, 편의성, 빠른 평가 측면에서 새로운 트렌드를 충족하기 위해 ST마이크로일렉트로닉스의 모터 제어 에코시스템을 확대하는 한편, 새로운 기능, 새로운 기술, 새로운 제품으로 자동화와 산업 분야에 대한 기여를 확대해 나가고 있다.
글: 안토니오 브루노(Antonino Bruno), 기술 마케팅 부문 매니저
글: 디노 코스탄조(Dino Costanzo), 시스템 엔지니어링 매니저
글: 잔루이지 포트테(Gianluigi Forte), 애플리케이션 개발 엔지니어
자료제공: ST마이크로일렉트로닉스 <www.st.com>
그래도 삭제하시겠습니까?