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글/ 찰리 무노즈(Charlie Munoz), TI BLDC 컨트롤 마케팅 & 애플리케이션 매니저

이 글은 실시간 제어의 작동 단계(시스템 업데이트)가 안정적인 시스템 출력 운영에 중요한 이유에 대해 다루고 있다. 

예를 들어 모터 드라이브 분야에서는 동적 속도를 시동, 가속 또는 조절하거나 모터 시스템을 감속하기 위해 속도와 위치, 토크 및 모터 상태를 실시간으로 모니터링하고 측정할 수 있다. 마찬가지로, 반도체나 배터리 테스트 장비에서는 서로 다른 부하 조건에 있는 질화갈륨(GaN) 기반 서버 전원공급장치(PSU)의 출력 전력을 조절하거나, 전력 공급 중단 중에 무중단 전원 공급장치의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)를 구동하는 게이트 드라이버의 출력 전력을 조절하면서 디지털-아날로그 컨버터를 사용하여 고속 제어 루프 방식으로 아날로그 신호를 보낼 수 있다. 모든 예시에서 모터 드라이브, 배터리 테스트 장비 또는 PSU와 같은 분야의 경우 실시간 제어 시스템의 작동을 바꾸고 조절하는 것은 특히 중요하다. 

모터 작동 중에는 안정적인 모터 작동을 가능하게 하는 다양한 단계가 발생한다. 모터의 단계에는 시동 전, 모터 시동, 개방 루프, 폐쇄 루프, 모터 중지가 포함된다. 폐쇄 루프 단계는 그림 1과 같이 다양한 변수를 지속적으로 모니터링한 다음 폐루프 응답 방식으로 작동하면서 시스템에 정확한 실시간 피드백을 제공한다.

그림 1: 모터 작동 단계

높은 효율성

전기화가 계속 증가함에 따라 Energy Star, 80 Plus, ErP Lot 9 표준 등 여러 기기와 분야에 걸친 에너지 효율 표준이 늘어나고 있다. 따라서 급격한 변화 중에 전력 소비와 시스템을 위한 노력을 줄이기 위해서는 실시간 제어 시스템에서 최대 효율을 유지하는 것이 중요하다. 매우 효율적인 시스템은 더 빠른 응답, 더 낮은 소유비용, 더 긴 수명을 가능하게 한다.

예를 들어 로봇청소기의 경우 배터리 충전량을 기준으로 이동 시의 바닥 범위를 극대화해야 한다. 진공 로봇이 바닥 재질이나 쓰레기 양의 변화를 감지하거나 로봇에 물체가 낄 때 흡입력을 실시간으로 조절하면 이를 실현할 수 있다. 브러시리스-DC(BLDC) 모터 드라이버로 구동하는 진공 흡입 모터는 스위칭 손실, 드레인-소스 온저항(R_DS(on)), MOSFET의 슬루율과 같이 다양한 전력 손실 원인이 있기 때문에 가능한 효율적이어야 한다. 슬루율을 높이거나 펄스폭 변조(PWM) 출력 주파수를 낮추거나 더 낮은 R_DS(on)의 MOSFET를 사용하여 모터를 구동하거나 싱글 엔드형과 같은 다양한 PWM 변조 모드를 사용하는 등의 기법을 통해 이러한 손실 원인을 줄일 수 있다.

백색 가전을 구매하는 소비자들은 소음이 적은 것을 선호한다. BLDC 모터 드라이버는 사인파(sinusoidal)와 같은 제어 기법을 통해, 그리고 가장 최근에는 자속을 90도로 유지하여 최상의 모터 효율을 실현할 수 있는 자속기준제어(FOC)를 통해 배터리 음향 성능을 개선한다. TI의 싱글 칩 코드 프리 센서리스 MCF8316A BLDC 모터 드라이버를 통해 시스템 설계자는 지속적인 PWM 변조, 데드타임 보상, 가변 정류 모드와 같은 제어 기법을 통해 소음을 최소화할 수 있게 되었다.

그림 2는 MCF8316A의 음향 최적화 전후 소음을 비교한 것이다.

 그림 2: MCF8316A의 소음 비교자료

안정성

실시간 제어 시스템 보호 메커니즘은 고온과 저온과 같이 혹독하고 예측 불가한 환경에서, 외부 요인이 전기적으로 또는 심지어 물리적으로 시스템에 영향을 미칠 수 있는 곳에서도 안정적인 작동을 제공한다. 시스템에 모터 드라이브와 같은 움직이는 부품이 있는 경우를 예로 들어보자. 로터 잠금을 감지하거나 예측할 수 있게 되면 전력 손실이나 고장 또는 손상을 최소화하는 데 도움이 될 수 있다. TI의 MCF8316A는 모터 작동 중에 다양한 모터 잠금 조건을 지속적으로 확인하며 잠금을 감지하면 즉각적으로 조치를 취한다. 실제 일상에서의 예시로, 진공 청소기가 행주와 같은 물체를 진행 경로에 끼어 있는 것을 감지하는 경우이다. 시스템 부하가 급증하여 시스템이 이를 모터 잠금 조건으로 판단하고 모터가 반대 방향으로 회전하여 해당 물체가 끼인 것을 풀고 정상적으로 작동을 계속할 수 있다.

MCF8316과 같은 코드 프리 모터 드라이버는 모터 고장 감지와 같은 중요한 기능도 관리하며, 보호 메커니즘을 실행하여 전체 시스템 설계의 안정성을 높인다.

그림 3은 일반적인 BLDC 실시간 제어 모터 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸다. 여기서 보호 메커니즘에 기반한 전압 및 전류 감지 저항은 컨트롤러에 지속적으로 모터 피드백을 제공하고 컨트롤러는 이에 따라 작동하기 위해 서로 다른 PWM 신호를 모터 드라이버에 보낸다.

그림 3: 센서리스 BLDC 실시간 제어 모터 시스템

정확도

실시간 제어 시스템의 정확도는 안정적인 작동에 매우 중요하다. 일반적인 모터 폐루프 시스템은 최소 지연시간과 함께 최고 속도의 정확도를 얻기 위해 드라이버의 처리 속도에 의존한다. 또한 폐루프 피드백을 제공해야 하는 실시간 제어 시스템에서는 전류 감지 증폭기가 광범위한 공통 모드 전압 및 온도에 걸쳐 최고 수준의 전류 감지 정확도를 제공한다.

수면무호흡증 환자를 위한 지속적 양압기(CPAP)와 같은 분야에서는 정확한 실시간 제어 시스템이 공기의 흐름이 막히는지 지속적으로 모니터링하여 사람의 기도를 여는 데 필요한 공기를 전달한다. 또 다른 예시는 그림 4와 같이 프로젝터가 홈시어터 프로젝터와 같은 최종 장비의 화면에 고화질의 컬러 이미지를 표시하기 위해 컬러휠 모터 시스템에 대한 고속 정확도(1%)가 필요한 DLP 프로젝터 분야이다.

그림 4: DLP 홈시어터 프로젝터

결론

실시간 제어 시스템의 작동 단계는 시스템 조건의 모든 변화를 지속적으로 모니터링하는 감지 단계의 다양한 피드백 유형에 따라 달라지며, 이러한 피드백은 제어 단계로 전송되어 데이터를 해석하고 다음 작동 명령을 보내는 데 사용된다. 가치 제안이 데드타임 보상을 통해 가청 소음을 최소화하는 것이든, 모터 잠금 감지 기능을 제공하는 것이든, 정확한 속도를 제공하는 것이든, BLDC 모터 드라이버는 많은 산업 및 자동차 분야의 작동 장치에서 중요한 역할을 한다.