높은 통합성과 뛰어난 유연성을 제공하는 모터 제어 드라이버

2023년 02월 08일

글 / 조 하웰(Joe Howell), 온세미(onsemi) 수석 시스템 엔지니어

기계적으로 자가 정류하는 기존의 브러시 DC 모터와 달리, 3상 영구 자석 브러시리스 DC(BLDC) 모터의 제어에는 전자 정류 회로가 필요하다. 본 기고에서는 복잡성, 토크 리플 및 효율성 측면에서 가장 널리 사용되는 두 가지 정류 방법의 특성과 장단점을 고려하기 전에 먼저 BLDC 모터의 작동 원리를 간략하게 알아본다. 그 다음 BLDC 정류에 대한 혁신적이고 새로운 접근 방식을 고려하고, 세 가지 정류 방법 중 하나를 구현할 수 있는 온세미의 새로운 모터 제어기 집적 회로(IC)의 기능과 이점에 대해 논의한다.

BLDC 구축

BLDC 모터는 고정자(stator)의 3상 전기자 권선과 로터의 영구 자석으로 구성된 회전 전기 모터이다. BLDC 모터의 기계적 구조는 기존의 영구 자석 브러시 DC 모터와 반대로, 로터가 영구 자석을 포함하고 있다. 반대로 모터 권선은 고정자에 장착된다. 그러나 BLDC 모터는 이름에서 알 수 있듯이 주기적인 유지보수나 교체가 필요한 브러시가 없기 때문에 마모에 덜 취약하다.

BLDC 모터의 로터에 있는 영구 자석은 관성 모멘트가 작은 고효율, 고토크 모터를 가능하게 하는 일정한 자기장을 제공한다. BLDC 모터의 내재된 신뢰성 및 가변 속도 구동 기능은 로보틱스를 포함해 백색 가전제품, HVAC, 자동차, 산업용 기계 등 수많은 응용 분야에서 널리 사용된다.

3상 BLDC 모터의 정류 회로는 일반적으로 개별 부품 또는 MCU 및 통합 전력 모듈로 구현된다. 해결을 위한 상당한 설계 전문성과 구현 시간이 필요하다. 전용 모터 제어 IC를 이산 전원단과 함께 사용하는 것은 추가 회로가 거의 또는 전혀 필요하지 않기 때문에 대중적인 접근법이 되었고, 많은 제조업체들은 설정과 디버깅을 상당히 단순화 하는 전용 소프트웨어를 그들의 제품에 함께 제공한다.

최적의 개별 솔루션은 솔루션의 구성 요소 비용을 최소화할 수 있다. 그러나 보다 통합된 솔루션은 PCB 면적 축소 및 제조 단계 간소화를 통한 전체 시스템 비용 감소, BOM 최소화, 재고 비용 절감, 새로운 설계에서 솔루션 파생 제품의 신속한 재사용을 촉진하며 전체 솔루션의 신뢰성을 높인다. 개별 전원단이 있는 전용 제어 IC도 온세미에서 구입할 수 있다.

BLDC 제어

일반적인 브러시 DC 모터와 달리, BLDC 모터 제어 시스템은 인버터로 알려져 있다. 이 시스템은 모터를 구동하는 전력단, 센서리스 작동을 위한 역기전력(back-emf) 신호를 감지하는 증폭기, 그리고 감지 작동을 위한 인코더 혹은 홀 센서, MCU 기반 컨트롤러로 구성된다. 컨트롤러는 속도 및 위치에 대한 피드백 정보를 적절한 PWM 신호로 변환하여 모터를 제어한다. 인버터 기반 시스템의 비용상승 및 복잡성은 신뢰성향상과 에너지 효율성, 소음 감소, 넓은 작동 범위, 속도 및 토크에 대한 탁월한 제어와 같은 많은 이점으로 상쇄된다. BLDC 인버터를 구현하기 위해서는 전자 설계, 레이아웃 및 펌웨어 프로그래밍에 대한 추가 전문 지식과 이러한 작업을 수행하기 위한 도구 및 리소스에 대한 액세스가 필요하다.

BLDC 시스템에서 널리 사용되는 두 가지 정류 알고리즘으로구형파제어 방법과 자속기준 벡터 제어(FOC)이다. 구형파 정류(Trapezoidal commutation)는 제어가 단순하지만, 효율성이 낮고 소음도 많은 단점이 있는 방식이다. FOC는 구현하기 복잡하지만 일반적으로 더 조용하고 효율적이다.

두 방식은 센서가 있을 수도 있고 없을 수도 있다.

그림 1. 홀 센서 위치를 보여주는 BLDC

(https://www.onsemi.com/pub/collateral/tnd6041-d.pdf)

구형파 정류

구형파 정류방식은 미리 결정된 "on-off" 시퀀스를 따르는 각 모터 위상에 두 개의 전원 스위치 장치를 사용한다. 이 방법은 제어 알고리듬의 단순성과 기본 MCU에서 구현할 수 있는 능력 때문에 인기가 있다. 구형파 제어는 모터 속도를 제어하는 데 매우 효과적이지만 효율적이지 않은 방법이다. 특히 저속에서는 높은 토크 리플이 발생함에도 불구하고 단순한 폐쇄 루프 작동이 필요한 로우엔드 애플리케이션에 인기가 있다. 비선형성으로 인해 상당한 토크 리플이 생성된다. 모터 권선 3개 중 2개만 항상 전류를 전달하기 때문이다.

결과적으로 비선형성은 소음과 진동을 발생시키며, 전류제어기는 상에서phase to phase로 이동하는 전류전달로 과도응답에 반응하지 않을 정도로 느려져야 하므로 전체적인 성능이 제한된다. 180° 정류 방식은 구형파 정류로 높은 토크를 생성할 수 있지만 120° 정류는 토크 리플을 최소화한다. 전환 시퀀스는 모터가 회전할 때 두 개의 연속적인 모터 단계(60° 간격)를 수행하도록 결정된다.

그림 2. 6단계 사다리꼴 제어 파형

(https://www.onsemi.com/pub/collateral/tnd6041-d.pdf)

자속기준 제어(FOC)

FOC제어방식은 더 높은 처리 요구사항을 가진 더 복잡한 정류 방법으로, 첨단 애플리케이션에 적합하다. 구형파정류 방식에 비해 FOC의 장점은 정밀한 위치, 고속 기능, 낮은 토크 리플 및 소음, 개선된 전력 효율성이 있다.

FOC를 사용하면 모터 전류 피드백을 기반으로 전압 및 전류 벡터를 계산하여 모터가 센서 없이 정류되지만, 애플리케이션상에서 필요할 경우 홀 (Hall Effect) 센서를 활용할 수도 있다. FOC는 광범위한 작동 범위에서 높은 효율을 유지하여 속도와 토크 모두를 정밀하게 동적 제어할 수 있다.

FOC에서 3개의 고정자 전류는 직교(orthogonal) 토크와 자속 성분으로 구성된 벡터로 표현된다. Clarke 및 Park의 수학적 변환은 시간 변형 AC 전류 및 전압 파형을 DC 값으로 변환하여 다운스트림 처리 요구 사항을 크게 단순화한다. FOC의 주요 단점은 필요한 처리 능력이 증가하여 고스펙 MCU가 필요할 수 있다는 점이다.

직접 토크(Direct Torque) 및 플럭스 제어

DTC 및 DTFC가 한동안 사용됐지만, TPSI(Theta Power Solutions, Intl)에서 개발한 센서리스 BLDC 정류에 대한 새로운 접근 방식은 토크와 플럭스를 직접 제어한다. DTFC가 새로운 개념은 아니지만, TPSI는 확장된 고속 기능을 위해 플럭스 약화 기능을 BLDC 모터에 제공하는 독특하고 보다 효율적인 방법을 개발했다. 이는 높은 관성 부하로 제어된 감속을 제공할 수 있는 제동 알고리즘에 이상적이다.

실시간 모터 피드백 정보를 전달하는 고속 데이터 버스를 사용하여 제어 전류의 암페어당 최대 토크(MTPA)를 제공한다. 또한 포화 상태를 포함해 모든 부하 조건에서 높은 모터 효율을 보장하며 논스톱 또는 극한의 온도에서 작동하는 모터에 대한 열 보상 기능을 제공한다. 매우 낮은 속도에서 정밀한 토크가 필요한 애플리케이션의 경우 TPSI의 구현이 이러한 문제에 대한 우수한 센서리스 솔루션이며, 센서가 필요하지 않기 때문에 사용자는 시스템 비용을 줄일 수 있다.

기존 DTC(및 FOC)와 비교한 TPSI 구현의 장점은 다음과 같다.

- 매우 낮은 전류로 Closed loop 시작

- 확장된 속도 범위에서 뛰어난 안정성

- 센서리스 작동

- 고속 원격 측정으로 모터를 센서로 사용 가능

- 암페어당 최대 토크

- 소음 최소화

- 성능 확장 용이

- 센서 없이 우수한 저속 성능(~5Hz)

- 속도 범위에서 동급 최고의 토크 조절

- 모터를 빠르게 작동시키는 작업을 단순화하는 사용자 인터페이스

TPSI의 DTFC를 구현하기 위해서는 추가 처리 능력이 필요하다. ECS640A는 업계 최초로 Arm Cortex-M0+ 클래스 MCU에 구현된 고급 제어 기술이다.

3-in-1 제어 선택

온세미의 구성 가능한 모터 컨트롤러의 에코스핀(ecoSpin) 제품군은 앞에서 고려한 세 가지 제어 방법 중 하나를 선택할 수 있다. ECS640A는 이 제품군의 첫 번째 디바이스이며, SiP(System-in-Package) 솔루션이다. Arm 코텍스-M0+ 마이크로컨트롤러, 증폭기(amp) 3개, 기, 부트스트랩 다이오드 3개 및 고전압, 고속 작동을 위해 설계된 고전압 게이트 드라이버를 모두 하나의 10mm x 13mm QFN 패키지에 통합한다.

이는 최대 600V(FAN73896)에서 작동하는 MOSFET 및 IGBT를 구동할 수 있으며, 외부 전원 디바이스에 일반적인 350mA/650mA 게이트 전류를 싱크 및 소스 6개의 게이트 드라이버 출력이 있다. 이 디바이스에는 센서 작동을 지원하는 GPIO 홀 센서(Hall Sensor) 입력이 포함되어 있으며, 단일 또는 다중 션트 측정을 가능한 3개의 독립적인 로우-사이드 소스 핀이 있다.

작은 크기와 개별 디바이스 통합으로 이 디바이스는 개별 전력 장치와 함께 확장성을 극대화하는 데 적합하다. 여기에는 플래시 로더, 디바이스 스타트업 및 시스템 파일, 장치 드라이버(CMSIS-드라이버 스타일) 및 데모용 샘플 코드로 구성된 소프트웨어 개발 키트(SDK)가 포함돼 있다. 또한 온세미는 ECS640A에서 사용할 수 있는 DTFC 펌웨어를 제공하기 위해 TPSI와 협력했다. 이 협력으로 높은 사양의 고비용 MCU 솔루션이 아닌 Arm Cortex-M0+ 프로세서에서 최적의 모터 성능을 가능하게 한다.

사용하기 쉬운 모니터링 가능한 인터페이스는 코드 개발을 단순화하고 출시 기간을 단축한다. 사용자는 사용된 특정 모터에 대한 계수 매개변수를 자동으로 생성하는 통합 솔루션을 좋아할 것이다. 따라서 모터 회전의 세부 사항에 구애받지 않고 시스템을 쉽게 설정하고 빠르게 실행할 수 있다.

유연성 및 통합

BLDC 모터는 다양한 분야에서 점차 인기를 얻고 있지만, 장점을 최대한 활용하기 위해서는 적절한 정류방식의 선택이 필요하다. BLDC 모터 컨트롤러 IC를 선택할 때는 통합성이 높고 다양한 정류방식 옵션을 제공하는 IC를 선택하는 것이 좋다. 온세미의 ECS640A 모터 컨트롤러는 센서 및 센서리스 애플리케이션을 위한 유연성과 사용 편의성을 모두 제공한다.

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