모터 제어 최적 설계 전략

전기 모터는 업계가 완전 자동화 시대로 넘어가는데 있어서 중추적 역할을 하고 있다. 자동차 및 산업용 시장에서 의료 및 항공 분야와 같이 확연히 드러나지 않는 시장에 이르기까지, 모터는 공장의 배치(batch) 공정 및 조립라인 생산을 비롯해 디지털 카메라의 오토포커스(AF) 기능, 자동차 창문 조절과 같은 조그만 분야에서도 활용되어 대규모 오퍼레이션을 단순화하는데 일조해 왔다. 모터의 역할이 이렇게 다양해질 수 있었던 가장 큰 요인은 최신 마이크로컨트롤러와 DSP에서 전력처리가 가능해졌기 때문이다. 이전에는 제어에 7개의 고전력 마이크로프로세서가 필요했던 것이 지금은 8비트 마이크로프로세서 하나로 해결된다. 이로써 최적의 모터 제어를 위한 복합 제어 알고리즘 구현법이 생겨나게 되었다.성능 스케일 면으로 따져 볼 때, 로우엔드 쪽에 사용되는 인덕션 모터는 팬, 펌프를 비롯해 정밀 속도나 토크(torque) 제어가 필수조건이 아닌 기타 기계장치의 제어 기능을 담당한다. 흔히 이들 시스템은, 예를 들어 피드백 없이, 오픈 루프를 실행하는 경우가 있다. 엄격한 속도 제어가 필요한 애플리케이션의 경우 더욱 복잡한 모터 및 제어 알고리즘을 이용한다. 관련 애플리케이션에는 재료 처리 시스템, 분류기, 와인더 및 첨단 펌프 같은 것들이 포함된다. 이외에 스타트업 토크, 과열 방지 및 과부하 보호를 위한 온도조절도 제어가 필요한 핵심적인 부분이다.대게 DC 모터는 속도와 토크를 모두 쉽게 제어할 수 있다는 이점 때문에 사용되는 경우가 많다. 그러나 이 모터는 비교적 가격이 비쌀 뿐 아니라 유지관리가 필요한 것이 단점이다. 다른 옵션으로는 BLDC(brushless DC) 모터가 있는데, 이 모터는 속도 및 토크 제어가 뛰어나고 브러시리스(brushless) 아키텍처가 적용돼 신뢰도가 높다. 브러시 대신에 적합한 모터 와인딩의 정류 또는 에너자이징(전압 제공)이 전자적으로 이루어진다. 이러한 애플리케이션에서는 고정밀 아날로그 부품이 필요하다.최첨단 모터 제어 역시 BLDC 모터를 사용한다. 이들은 머신 툴링, 로봇공학, 공장 레이아웃 배치, 패턴 생성 및 복제, 타출 성형(metal stamping), 고속 어셈블리, CNC(computer numeric controller)를 이용한 정밀 커팅, 고정밀 인덱싱 및 검사 장비 등에 활용된다. 정밀도가 중요한 요소일 경우, 모터 샤프트 포지션(motor shaft position)과 회전 방향을 결정하는 데는 7가지의 검출방법이 있는데, 각각 장단점이 있다.가장 많이 이용되는 방법으로는 홀효과(hall-effect) 센서, 리졸버(resolver) 또는 인코더를 이용한 직접 위치 측정을 비롯해 검출저항, 전류 트랜스포머 및 역기전력(back EMF)을 사용한 간접 모터 전류 측정이 있다. 어떠한 방식이든지 프런트엔드 회로는 측정과정에 있어서 핵심적인 역할을 한다. 고분해능, 고속 ADC는 이렇게 시간이 중요한 피드백 정보를 얻어 프로세서나 DSP에 공급할 수 있도록 한다. 각 측정방법의 프런트엔드 신호처리 및 디지털화 요건은 다양하지만, ‘정밀 속도 및 토크 제어’라는 목적은 공통적이다.그러면 고성능 모터 및 모션 컨트롤 시스템을 위한 ADC의 요건에 대해 살펴보자. 폐쇄 루프(closed loop) 시스템에서 가장 중요한 부분은 적절한 루프 대역폭이다. 루프 내에는 디지털화(digitization) 위상, 알고리즘 계산(algorithm calculation) 위상 및 모터 조정(adjustment) 위상과 같이 3가지 위상이 있다. 알고리즘 계산 위상은 DSP에 해당되는 것으로 여기에서는 언급하지 않겠다. 조정 위상은 DSP로부터의 모터 제어 입력신호를 제공하는 것과 모터가 이들 명령에 반응하는 사이의 시간을 말하며, 이 새로운 정보에 기반해 출력신호를 제공할 수 있다. 디지털화 위상은 ADC의 속도를 담당하며, 신호를 샘플링하고 디지털화해서 DSP 또는 마이크로프로세서에 정보를 보내는데 걸리는 시간량을 의미한다. 때로 설계자들은 이를 달성하기 위해 가장 빠른 ADC만을 찾는 경향이 있다. 그러나 여기에는 최적의 성능을 구현하는 방법을 알고 있어야 하는 ADC와는 좀 차이가 있다.우선 ADC의 AC 및 DC 성능을 가장 먼저 살펴봐야 한다. DC 성능(DNL 및 INL)이 좋은 것은 곧 AC 성능을 나타내는 것이다. 하지만 특정 분해능이 제시된 ADC는 어떤 주파수에서 정해진 성능을 반드시 제공하지는 않는다. ADC 분해능은 DC 애플리케이션에 특화되어 있다. AC 성능에 있어서 중요한 부분은 SNR(signal-to-noise) 및 THD(total harmonic distortion)이다. 이상적인 ADC AC 성능 및 분해능 간의 관계는 다음과 같다:SNR = 6.02*N + 1.76, N = 수 비트인 경우실질적으로는 고조파 왜곡도 반드시 포함되어야 한다. 방정식은 다음과 같이 재정리될 수 있다:ENOB = (SINAD-1.76)/6.02.어떤 주파수에서 최소 SNR이 68dB인 컨버터의 경우, 이에 해당하는 비트 수는 11비트이다. 만약 68dB가 보증된 최소 제한 수가 아닌 일반적인 숫자라면, 이 컨버터는 최악의 상태에서 10비트 이하의 성능밖에 제공하지 못할 수도 있다.데이터시트에는 SINAD이나 SNR, 혹은 둘 다 지정되어 있을 수도 있고, 또는 둘 다 지정되지 않을 수도 있다. 스펙이 정해지지 않았다면, 잡음 및 왜곡은 비교적 쉽게 제조업체로부터 얻을 수 있다. 잡음 및 왜곡은 또한 사용자들의 디바이스 연습 사용을 위한 DC820A(그림 1, LTC1407 보드명 및 보드샷 또는 스크린샷)처럼 평가 보드를 통해 결정될 수 있다. 보드에 포함된 소프트웨어는 PC와 쉽게 인터페이스 할 수 있도록 해주며, 친숙한 사용자 그래픽 인터페이스와 수집한 데이터로부터 컨버터 성능을 계산할 수 있는 프로그램 등을 제공한다. AC 성능은 데이터시트의 일반적인 운영 그래프 섹션을 통해서도 볼 수 있지만, 최소/최대 제한 없이 실내 온도에서의 일반 값에 제한되어 있다는 것을 알아두어야 한다.또 다른 특징은 바로 레이턴시(latency)이다. 레이턴시는 샘플이 요구될 때 시간지연을 측정하는 것을 말한다. ADC 아키텍처에 따라 상당한 레이턴시가 존재할 수 있다. 파이프라인 ADC는 다중 단계 컨버터로, 각 단계는 알 수 없는 입력신호의 일정 부분을 변환하고, 나머지는 이와 같은 과정이 반복되는 다음 단계로 보낸다. 마지막으로 각 단계별 결과가 합쳐져 완전한 변환 결과를 제공한다. 레이턴시는 통신 및 데이터 수집과 같은 많은 애플리케이션에 있어서 그다지 중요한 부분이 아니다. 왜냐하면 몇 사이클 또는 밀리 초의 지연 정도는 크게 상관이 없기 때문이다. 그러나 폐쇄 루프 제어와 같은 경우, 추가 지연은 곧 루프가 센서 입력에서의 변화에 신속히 반응하지 못한다는 것을 의미한다. 파이프라인 컨버터가 아무리 빠르다고 해도, 파이프라인 컨버터는 샘플이 요구되는 시간과 이 특정 샘플 데이터를 이용할 수 있는 시간 사이에 이미 샘플링된 데이터를 출력하는데, 이 데이터는 불필요한 것으로 보통 폐기된다.더욱 이상적인 방법은 SAR(successive approximation register) 데이터 컨버터(그림 2)를 이용하는 것이다. SAR 컨버터는 미지의 신호와 바이너리 가중값을 비교한다. 각각의 연속 변환 클록에서 SAR 컨버터는 미지수값과 기지수 바이너리 가중값을 매치하기 위해 바이너리 가중값으로 바뀐다(혹은 다시 그 반대). 변환의 마지막 부분에서는 연차 근사(successive approximation) 레지스터가 입력전압과 같은 바이너리를 갖게 된다. SAR의 이점은 바로, 변환이 필요할 때 파이프라인 ADC와는 달리 처음에 나온 데이터가 요구된 변환에 대한 변환결과라는 점이다.SAR 기반의 LTC1407은 2개의 T/H(track and hold)를 갖추고 있으며, 3상 전류 모니터링(2개 채널 측정 및 3번째 채널 계산) 및 사인(sine) 인코더 모션 컨트롤 애플리케이션에 이상적이다. 사인 인코더를 통해, 보통 출력인 일반 1/0 펄스는 사인파를 제공하기 위해 시그널 컨디셔닝을 거친다. 위치 결정을 위해 펄스를 세는 것 대신, 사인파는 두 펄스 간에 인터폴레이션(interpolation)이 적용될 수 있도록 하며 매우 정밀한 위치 분해능을 제공한다. 예를 들어, 쿼드 출력의 1048 라인 인코더는 이론적으로 4096비트의 분해능을 제공할 수 있다. 만약 이들 펄스가 사인파로 변환된 후 12비트 분해능으로 디지털화되면, 사인 인코더는 인코더의 각 펄스 내에서 12비트의 분해능 또는 24비트의 분해능을 추가적으로 제공하게 된다(그림 3).모터 속도 및 위치 결정을 위한 인터폴레이팅은 샘플 속도가 MHz 범위까
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