모터 드라이브



SR 모터는 고정자와 로터에 모두 돌출된 극(pole)이 있는 회전 전동 기계이다. 고정자 권선은 각각 하나의 극에 감겨있는 일련의 코일로 구성된다. 로터는 와상 전류 손실을 최소화할 수 있도록 라미네이션 방식으로 제조된다. SR 모터의 종류는 고정자 권선의 위상 수에 따라 달라지며, 각각 일정한 수의 고정자와 로터 극이 적절한 조합을 이루어 구성된다. SR 모터는 다른 유형의 가변 속도 드라이브에 비해 비용과 신뢰성 양면에서 장점을 가지고 있으며, 이는 무엇보다 간단한 기계적 구조, 높은 효율성과 전력 밀도에 기인한다. 반면, 이중 돌출 구조로 인해 토크 리플이 높아 다양한 분야에 응용하기 어렵다는 단점도 가지고 있다.

글 : 파벨 그라스블룸(Pavel Grasblum) 박사
프리스케일 반도체 / www.freescale.com

최근에 개발된 가변 속도 드라이브는 제품 성능과 시스템 효율성을 높일 수 있도록 설계되었다. 이러한 유형의 모터 중에서 특히 스위치드 릴럭턴스(SR) 모터는 디지털 제어가 유리한 제품이다. SR 모터는 다른 유형의 가변 속도 드라이브에 비해 비용과 신뢰성 양면에서 장점을 가지고 있으며, 이는 무엇보다 간단한 기계적 구조, 높은 효율성과 전력 밀도에 기인한다. 반면, 이중 돌출 구조로 인해 토크 리플이 높아 다양한 분야에 응용하기 어렵다는 단점도 가지고 있다.
SR 모터의 또 다른 장점으로는 50,000rpm 이상의 고속 작동이 가능하다는 것이다. 따라서 같은 출력량에 더 작은 모터를 사용할 수 있고 대상 애플리케이션의 크기와 무게가 감소된다. 특히 이 기능이 빛을 발하는 적용 분야는 진공청소기이다. 고속 SR 모터를 사용하면 더 작고 가벼운 진공청소기를 만들 수 있으며, 토크 리플로 인해 발생되는 노이즈는 다른 유형의 모터와 유사한 수준이다.
SR 모터는 고정자와 로터에 모두 돌출된 극(pole)이 있는 회전 전동 기계이다. 고정자 권선은 각각 하나의 극에 감겨있는 일련의 코일로 구성된다. 로터는 와상 전류(eddy-current) 손실을 최소화할 수 있도록 라미네이션 방식으로 제조된다. SR 모터의 종류는 고정자 권선의 위상 수에 따라 달라지며, 각각 일정한 수의 고정자와 로터 극이 적절한 조합을 이루어 구성된다. 그림 1에 4/2(고정자/로터)극과 계단식 간격으로 구성된 일반적인 2상 SR 모터가 나와 있다. 계단식 간격은 대칭형 SR 모터에서 모터 토크가 0이 되는 데드존(dead zone)을 없애고, 모터가 정확한 방향으로 시동되도록 보장하는 역할을 한다.
모터의 여자는 각 위상에 적용되는 일련의 전류 펄스에 의해 이루어지며, 각 위상의 순차적인 여자 작용으로 모터가 회전하게 된다. 전류 펄스는 여자된 위상에 비례하는 정확한 로터 위치에서 해당 위상에 적용되어야 한다. 로터 극이 선택된 위상의 고정자 극과 정확히 일치할 때 위상이 정렬 위치를 이루었다고 칭하며, 이는 로터가 고정자 인덕턴스 최대 위치에 있음을 의미한다(그림 1 참조). 로터의 축이 두 고정자 극의 중간 위치에 있을 때를 로터 비정렬 위치라고 칭하며, 이는 로터가 고정자 인덕턴스 최소 위치에 있음을 의미한다.
SR 모터의 인덕턴스 프로필은 삼각형 모양으로 정렬 위치에서 최대 인덕턴스를, 비정렬 위치에서 최소 인덕턴스를 가지게 된다. 그림 2에 SR 모터의 양 위상이 이상적인 삼각형 형태를 이루는 인덕턴스 프로필이 위상 A가 강조된 상태로 나와 있다. 각 위상 A와 B는 서로 180°를 이루도록 전기적으로 이동되며, 각 위상에 전원이 인가되면 드웰 각(θdwell)이라는 간격을 이루게 된다. 이는 가동 각도 θon 및 정지 각도 θoff에 의해 정의된다.
고정자 위상에 전압이 인가되면 모터는 인덕턴스가 증가되는 방향으로 토크를 발생시킨다. 최소 인덕턴스 위치에서 위상에 에너지가 인가되면, 로터는 이어지는 최대 인덕턴스 위치로 이동한다. 작동 형태는 모터의 자화 특성에 의해 정의된다. 고정 위상 전압에서의 일반적인 전류 프로필이 그림 2에 나와 있다.
고정 위상 전압의 경우 인덕턴스가 증가하기 시작하는 위치에서 위상 전류는 최대가 된다. 이는 로터 극과 고정자 극이 겹쳐지기 시작하는 위치에 해당한다. 위상의 전원이 차단되면 위상 전류가 0으로 떨어지며, 인덕턴스 감소 부분에 존재하는 위상 전류는 역토크를 발생시킨다. 모터에서 발생되는 토크는 인가된 위상 전압과 더불어 가동 및 정지의 스위칭 각도를 적절히 정의함으로써 제어할 수 있다.
명칭에서 알 수 있듯이 SR 모터는 모터 위상 정류에 위치 피드백이 필요하다. 대부분의 경우 이러한 요구 조건은 인코더 및 홀 센서와 같은 위치 센서를 사용하는 것으로 해결할 수 있지만, 기계식 센서를 사용하면 비용이 증가되며 시스템 신뢰성이 낮아진다. 동작 제어 제품 개발자들은 지금까지 센서의 수를 줄임으로써 시스템 비용을 낮추고자 노력해왔다. 다양한 무센서 제어 알고리즘이 개발되었으며, 대부분은 자속쇄교(flux linkage) 예측 방식을 사용한다. 이는 실제 위상 자속쇄교를 계산하고 기준 자속쇄교와의 관계를 사용하여 위치를 예측하는 방법이다. 이 방식에서 가장 큰 단점은 자속쇄교의 예측이 정확한 위상 저항 정보에 의존한다는 점이다. 위상 저항은 온도에 따라 크게 달라지기 때문에 특히 낮은 속도에서 불필요한 통합 오류가 발생되고, 이러한 통합 오류는 심각한 위치 예측 오류로 이어진다.
이 글에서 제시하는 다른 무센서 위치 예측 방식은 위상 전류 피크 감지를 기반으로 하는 것으로, 그림 2에 그 원리가 나와 있다. 최적의 전류량에 해당하는 순간에 바로 위상의 여자가 시작된다. 전류는 고정자 극과 로터 극이 겹치기 시작하는 위치까지 높아지며, 이 순간에 위상 전류가 최대치에 달한다. 로터의 정확한 위치를 알고 있으므로 이러한 전류 피크를 기준으로 로터 위치를 예측할 수 있다. 전류 피크가 감지되면 피크 시간이 저장된다. 2회의 연속 전류 피크 시간을 파악하면 정류 주기와 이에 대응하는 온/오프 시간을 계산할 수 있다. 전류 피크는 외부 회로를 통해 감지하거나 또는 강력한 디지털 시그널 컨트롤러를 사용하여 소프트웨어에서 직접 측정할 수 있다.
이 방식의 장점은 모터 매개변수와 독립적이라는 것이다. 알아야 할 사항은 전류 피크 상태에서 로터의 위치뿐이다. 전류 피크 감지 알고리즘의 또 다른 장점은 자속쇄교 예측 방식에 비해 매우 간단하다는 것이다. 전류 피크 방식은 초고속 분야에도 사용할 수 있는 반면 자속쇄교 예측 방식은 자속 계산에 필요한 전류 샘플의 수가 적으므로 정밀도가 제한적이다. 작동 원리의 한계로 인해 전류 피크 방식은 전압 제어에 한해 사용할 수 있는데, 이는 전류 제어의 경우 전류 피크 정보가 상실되기 때문이다.
전류 피크 방식은 제어 기법이 상당히 간단한 편이지만, 외부 구성요소 없이 완전한 디지털 방식으로 구현하려는 경우 강력한 마이크로컨트롤러(MCU)가 필요하다. 여기에 사용되는 MCU는 초고속 위상 전류 샘플링과 전류 피크 측정이 가능해야 한다. 예를 들어 60,000rpm으로 작동하는 2상 SR 모터의 경우 정류 주기가 250μs에 불과하며, 충분한 전류 피크 감지 정밀도를 확보하려면 최소한 매 5μs마다 위상 전류를 측정해야 한다.
MC56F8013 디지털 시그널 컨트롤러(DSC)는 이러한 용도에 적합한 제품이다. 이 디바이스는 프리스케일 MC56F80xx 제품군에 속하며, 하나의 칩에 DSP의 계산 기능과 MCU의 컨트롤러 기능이 통합된 제품으로 디지털 모터 제어에 최적이다. 이 하이브리드 컨트롤러는 펄스 폭 변조(PWM) 모듈, 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 타이머, 통신 주변기기(SCI, SPI, I2C), 온칩 플래시 및 RAM과 같은 다양한 전용 주변기기를 제공한다. 진공청소기용 고속 무센서 SR 모터 제어 애플리케이션에 디지털 방식의 전류 피크 감지 알고리즘이 적용된 사례가 그림 3에 나와 있다. 애플리케이션은 다음과 같은 성능 사양을 만족한다.

- 전류 피크 감지 방식의 고속 2상 SR 모터 무센서 제어
- 통합형 ADC를 사용한 전류 직접 감지
- 소프트웨어 전류 피크 측정
- 진공청소기 용도에 적합하도록 설계
- 60,000 rpm용으로 설계된 2상 SR 모터에서 테스트 완료
- 2상 SR 모터의 비대칭 구조에 기인한 단일 회전 방향
- 오픈 루프 속도 제어
- 정렬 및 특허 알고리즘(특허 번호 US6448736 B1)을 사용하여 어떤 위치에서도 시동 가능
- 시동 시간과 최대 속도는 SR 모터의 매개변수에 따라 결정됨

그림 3에 2상 SR 고전압 전력단, 2상 SR 모터, 제어 알고리즘이 실행되는 MC56F8013/23 컨트롤러 보드로 구성된 시스템 개념도가 나와 있다. 시스템은 사용자 인터페이스 및 피드백 신호에 대응하여 2상 SR 고전압전력단에 적용할 PWM 신호를 발생시킨다. DC-AC 인버터에서 발생된 고전압 파형이 모터에 인가된다.
애플리케이션의 전반적인 상태는 백그라운드 루프에서 실행되는 애플리케이션 상태 머신(state machine)에 의해 제어된다. 애플리케이션 상태 머신은 초기화(init), 정지(stop), 정렬(alignment), 시동(start up), 작동(run), 오류(error) 상태로 구성된다.
DC 버스 전압과 여자된 위상 전류의 샘플이 수집되는 동시에 사용자 인터페이스의 상태가 주기적으로 검색된다. SR 모터는 START/STOP 스위치의 명령에 의해 시동된다. 초기에 로터는 정해진 위치로 정렬되며, 로터의 안정화가 완료되면 시동 알고리즘이 SR 모터가 작동하도록 위상의 여자를 시작한다. 시동 과정에서 로터 위치는 특별한 특허 알고리즘(특허 번호 US6448736 B1)에 의해 측정된다. SR 모터가 안정적인 속도에 도달하면 피크 전류로부터 로터 위치가 측정된다. 시동 단계 이후에는 스피드 램프에 의해 SR 모터의속도가 최대치로 증가한다.
DC 버스 전압과 여자 위상 전류는 ADC를 통해 샘플링된다. 위상 전류는 분로 저항에서 발생하는 전압 강하로 감지된다. 위상 전류는 상단과 하단의 트랜지스터가 모두 ON 상태로 전환되었을 때에만 감지된다. 따라서 전류 샘플링이 PWM 생성과 동기화되어야 하며, 이는MC56F8013에 구현되어 있는 PWM 대 ADC 동기화를 통해 달성 가능하다. 이 동기화 작업은 쿼드 타이머 중 ADC의 동기화 입력에 연결되어 있는 세 번째 채널에서 실행되며, 동일 채널의 입력이 PWM 모듈의 리로드(Reload) 신호에도 연결되어 있다. 따라서 쿼드 타이머의 채널 3을 활용하여 PWM 모듈 리로드 이벤트와 A/D 변환 시작 사이의 지연 간격을 제어할 수 있다.
전류 피크 측정에 충분한 시간 분해능을 확보하기 위해 PWM 주기 동안 복합 전류 샘플링이 사용된다. 그림 4에 실제 구현 사례가 나와 있다. PWM 주기 동안 수집되는 ADC 샘플의 수는 매 PWM 사이클의 시작 단계에서 실제 작동 주기를 기준으로 계산된다.
첫 번째 ADC 샘플은 리로드 이벤트 후 2μs로 설정된다. 지연 시간이 경과되면 A/D 변환이 시작되며 고속 인터럽트가 호출된다(쿼드 타이머 Ch3 ISR). ADC 변환 도중 쿼드 타이머 Ch3은 다음 전류 샘플이 수집될 때 새로운 지연 값인 4.4μs로 설정된다. 초기 지연 값은 IGBT 드라이버의 전달 지연과 IGBT 트랜지스터의 가동 시간으로 인해 2μs로 설정된다. 다른 샘플 사이의 지연 시간은 4.4μs로 설정된다. 작업 주기의 최대 속도가 100%이므로, 전류는 4.4μs마다 지속적으로 샘플링된다.
이 방식을 사용하면 전류 피크를 2% 이상의 시간 정밀도로 감지할 수 있다. 전류 샘플링은 매번 정류 시에 시작하여 전류 피크가 감지되면 중단된다. 전류값 이외에 추가적인 정류 계산을 위해 각 전류 샘플의 시간도 저장된다. 시간축은 자유 주행 카운터로 설정된 쿼드 타이머 Ch2에서 유추된다.
MC56F8013은 두 가지 샘플을 동시에 변환할 수 있으므로 전류 피크와 함께 DC 버스 전압도 동시에 샘플링된다. DC 버스 전압은 소용량 DC 버스 커패시터를 사용할 때 발생하는 DC 버스 전압 리플을 보상하는 데 사용된다.
전류 샘플은 피크 감지 알고리즘에 의해 측정된다. 피크가 감지되면 최근 및 이전 피크 시간을 기준으로 실제 정류 주기와 온/오프 시간이 계산된다. 계산된 온/오프 시간은 쿼드 타이머 Ch2의 비교 레지스터에 사전 로드된다. 비교 이벤트는 위상 정류 기능을 제공한다.
과전류 상황이 되면 2상 인버터의 신호가 비활성화되고 오류 상태가 표시된다.
위에 제시된 무센서 알고리즘으로는 정지 속도에서 로터 위치를 감지할 방법이 없으므로, SR 모터를 시동하려면 다음과 같은 두 가지 문제를 해결해야 한다.

● SR 모터를 시동할 때 로터의 초기 위치를 알 수 없음
● 정류 시간은 실제 주기를 기준으로 계산되지만 시동 시에는 주기가 0임

첫 번째 문제는 로터 정렬을 통해 아주 쉽게 해결할 수 있다. 정렬 과정에서 한 위상을 일정 시간 동안 여자하면 로터가 정렬 위치로 이동한다(그림 1 참조). 정렬 시간은 모터의 관성에 따라 달라지며, 대형 모터의 경우 수 초까지 걸릴 수 있다. 로터가 정렬되면 모터의 시동 준비가 완료된 것이다. 다음 위상이 여자되면서 로터의 회전이 시작된다. 로터 구조가 비대칭이므로 정확한 회전 방향이 보장된다. 로터의 작동이 시작되면 로터의 속도를 알 수 없으므로, 다음 정류 계산에 충분한 전류 피크를 얻을 수 없다. 따라서 정확한 시동을 보장할 수 있는 다른 알고리즘이 개발되었다.
시동 알고리즘은 두 부분으로 구성된다. 첫째 부분은 작동 상태 도중의 알고리즘과 동일하다. 알고리즘은 위상 전류의 피크를 감지한다. 로터가 '접촉' 위치에서 정렬 위치로 이동하면 위상 전류가 떨어진다. 로터가 정렬 위치를 통과하는 즉시 위상 전류는 다시 상승하기 시작하며(그림 5 참조), 이때가 정류에 적합한 순간이다. 즉, 전류 피크가 감지되면 알고리즘에서 전류 최소값을 검색하기 시작한다. 위상 전류 최소값이 캐시에 저장되면 즉시 정류가 실행된다. 시동 알고리즘에 따라 정류가 4회에서 8회 실행된 이후 로터 속도가 안정화되고 정류 주기를 계산할 수 있게 된다. 정류 주기가 파악되면 무센서 알고리즘을 전류 피크 감지 전용으로 전환할 수 있다.
이 시동 알고리즘은 모터 매개변수와 부하에 대한 독립성이 확보되므로 광범위한 시동 조건에서 안정적인 시동을 보장한다는 것이 장점이다. 이 알고리즘은 프리스케일에서 특허 번호 US6448736 B1로 특허를 출원했다.
애플리케이션 소프트웨어는 C 언어로 작성되었지만 시간에 극히 민감한 전류 감지, 전류 피크 측정, 정류 이벤트 인터럽트 루틴의 경우, 어셈블러로 작성되었다. 소프트웨어 및 하드웨어 리소스를 비롯한 이 애플리케이션에 대한 자세한 설명은 프리스케일 웹 사이트에서 기준 디자인 DRM100으로 찾을 수 있다.

그림 1. 2상 4/2 SR 모터

그림 2. 이상적인 위상 인덕턴스 및 전류 프로필

그림 3. 시스템 개념도

그림 4. 위상 전류 복합 샘플링

그림 5. 시동 알고리즘
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