반도체네트워크

2010 년 09월호

년 월호


Home > Technology Trend 상세기사 보기

모터 애플리케이션의 소유비용을 최소화하고 정교한 모터 제어 디자인으로 에너지 절약

산업화 국가에서 모든 전기 에너지의 절반 이상이 전기 모터에 의해 소비된다. 전기 모터는 산업용 전기 소비의 2/3를 차지하고 주거용 전기 사용의 약 1/4을 차지한다. 따라서 전기 모터의 효율을 향상시킴으로써 상당한 에너지를 절약하고 가동 비용을 절감할 수 있다. 그러므로 모터 드라이브를 설계할 때는 단지 모터의 가격뿐만 아니라 에너지 효율을 주요한 요인으로서 고려해야 할 것이다.
새로운 세대의 마이크로컨트롤러는 BLDC 모터, 영구 자석 동기 AC 모터(PMSM), AC 유도 모터의 에너지 효율적인 제어를 가능하게 하여 에너지 소비를 전반적으로 절감하는 데 있어서 상당한 기여를 할 수 있다.
전기 모터의 소유비용은 주로 전기 요금이다. 모터의 구입 가격 및 유지 비용과 비교해서, 전체 수명에 걸쳐 소모된 전기가 모터의 총 소유비용의 90% 이상을 차지한다. 미국의 에너지부(DOE)에 따르면 모터를 연간 4천 시간 이상 가동한다고 했을 때 효율 정격이 4~6% 높은 모터를 이용하면 단 2년만에 모터의 비용을 회수할 수 있다고 한다. 참고로 통상적인 200W BLDC 모터의 가격은 약 100유로인데 이는 동종의 효율이 떨어지는 BLDC 모터에 비해서 약 30% 비싼 것이다. 기존 모터를 교체하는 것이 불가능하거나 매우 높은 투자를 필요로 하는 경우라 하더라도 구동 컨트롤러와 알고리즘을 최적화 할 필요가 있다.
통상적인 산업 설비의 경우에 전기 모터는 총 전기 에너지 소비의 대략 2/3를 차지한다. 전기 모터의 효율을 향상시키고 가동 비용을 절감하기 위해서는 다음의 요인들을 고려해야 한다.
·고효율 모터 선택
·적합한 크기의 모터 선택
·적합한 모터 기술 선택
·적합한 제어 알고리즘 채택
모터를 최대 정격 부하의 40% 아래로 가동하면 효율이 현저히 저하된다. 그러므로 가동 비용을 낮추기 위해서는 적합한 크기의 모터가 중요하다. 모터의 크기는 65%에서 100% 사이의 부하 계수로 작동하는 것이어야 한다. 통상적인 오버사이즈 관행은 모터의 가동 효율을 저하시킨다.
브러쉬드 DC 모터, BLDC모터, 스텝퍼 모터, AC 유도 모터 등의 각기 다른 모터 기술은 구입 가격, 제어 디자인, 가동 비용, 에너지 효율 측면에서 각기 다른 이점을 제공한다. 애플리케이션에 이용되는 모터 제어 유형(그림 1)이 에너지 효율에 큰 영향을 미친다. 저전력 애플리케이션의 경우에는 구입 가격이 낮고 제어 회로가 간단해서 스텝퍼 모터 또는 브러쉬드 DC 모터가 널리 이용되는데 이들 모터는 다소 낮은 에너지 효율을 제공하며 그러므로 가동 비용을 증가시킨다. BLDC, PMSM, AC 유도 모터와 최적화된 마이크로컨트롤러에서 실행되는 강력한 모터 제어 알고리즘을 결합함으로써 가장 에너지 효율적인 솔루션을 달성할 수 있다. 브러쉬리스 모터는 사다리꼴(trapezoidal), 사인파(sinusoidal), FOC(field-oriented control) 등의 다양한 유형의 모터 제어 시스템 알고리즘을 이용할 수 있다.

블록 정류

가장 간단하면서 성능이 낮은 기법은 사다리꼴 제어 혹은 블록 정류로서 이는 6스텝 제어라고도 한다(그림 1a). 6개 정류 스텝 각각에서 모터 드라이브가 2개 권선 사이에 전류 경로를 제공하고 세 번째 모터 단계는 차단시킨다. 이 기법은 토크 리플 형태에 있어서 성능 상의 한계점이 있으며 이로 인해서 진동, 잡음, 기계적 마모를 일으키고 서보 성능을 감소시킨다. 브러쉬리스 모터 제어는 로터 위치를 알아야 하며 모터를 정류하기 위한 메커니즘을 필요로 한다. 통상적으로 홀 효과 센서를 이용해서 로터의 절대 위치 검출을 수행한다. 이 점에 의해서 더 많은 와이어를 필요로 하고 비용을 증가시킨다. 센서리스 BLDC 제어는 로터 위치를 계산하는 것이 아니라 모터의 역 EMF를 이용함으로써 홀 센서를 필요로 하지 않는다. 팬이나 펌프 등과 같은 저가형 가변 속도 애플리케이션을 위해서는 센서리스 제어가 필수적이다. 냉장고 및 에어 컨디셔닝 컴프레셔 역시 BLDC 모터를 이용할 때 센서리스 제어를 필요로 한다.

사인파 제어

사인파 제어는 voltage-over-frequency(V/f) 정류라고 하는 것으로서 블록 정류의 몇 가지 문제점들을 해결한다(그림 1b). 사인파 컨트롤러는 매끄럽게 변화하는 전류로 3개 모터 권선을 구동한다. 그러므로 토크 리플 문제를 제거하고 매끄러운 회전을 달성한다. 하지만 사인파 정류의 근본적인 취약점은 시간 변동적 모터 전류를 기본적인 비례 적분(PI) 제어 알고리즘을 이용해서 제어하려고 하며 위상 간의 상호작용을 반영하지 않는다는 것이다. 그럼으로써 위상 간의 상호작용이 높은 속도일 때 성능 손실을 일으킨다.

FOC

사인파 정류는 낮은 속도일 때는 매끄러운 동작을 달성하나 높은 속도일 때는 비효율적이다. 블록 정류는 높은 속도일 때는 비교적 효율적이나 낮은 속도일 때는 토크 리플을 일으킨다. FOC는 이 두 기술의 이점을 제공한다(그림 1c). FOC를 이용함으로써 전기 모터의 효율을 최대 95%까지 향상시켜 전력 소비를 줄이고, 잡음을 줄이고, 우수한 토크 동작을 달성할 수 있으며, 따라서 인버터의 효율을 향상시키고, 전력 스테이지를 소형화하고, 동일한 토크로 더 소형의 모터 크기를 이용할 수 있다.
FOC 알고리즘은 시간과 속도의 종속성을 제거하는 방식으로 동작하며 자속(magnetic flux) 및 토크의 직접적이고 독립적인 제어를 가능하게 한다. 이는 Clarke and Park 변환이라고 하는 수학적 공식을 이용해서 모터의 전기적 상태를 2개 좌표 시간 불변적 회전 프레임으로 수학적으로 변환함으로써 이루어진다. AC 유도 및 BLDC 모터에 FOC를 이용해서 효율과 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 제어 시스템을 업그레이드함으로써 기존 모터에도 이용할 수 있다.

에너지 효율적 모터 제어를 위한 고려 요인

혁신적인 모터 제어 기법을 효과적으로 구현하고 실행하기 위해서는 최적화된 마이크로컨트롤러 아키텍처와 사용하기 편리한 툴이 필요하다. 인피니언은 8비트, 16비트, 32비트의 강력한 마이크로컨트롤러를 제공할 뿐만 아니라(그림 2) 관련 툴 체인의 포괄적인 솔루션을 제공한다. 또한 고효율 모터 드라이브 용의 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 편리하게 평가 및 구현할 수 있는 다양한 애플리케이션 키트를 제공한다. 애플리케이션에 따라서 최대 400 MIPS에 달하는 8비트, 16비트, 32비트 성능의 다양한 MCU 제품을 이용할 수 있다.
XC800 MCU는 널리 이용되는 8051 CPU를 기반으로 한 것이다. 이 제품은 4KB~64KB 플래시 메모리, 고속 10비트 ADC, PWM 유닛, 20~64핀 패키지의 확장가능 솔루션을 제공한다. 또한 XC886, XC878, XC888 시리즈는 8비트 MCU로서는 업계 최초로 FOC를 지원하는 16비트 벡터 컴퓨터를 채택하고 있다. 벡터 컴퓨터를 이용함으로써 FOC를 구현하기 위해 CPU 성능의 약 절반만을 필요로 하며 이 점 역시 업계에서 유일한 것이다. XC800 MCU는 팬, 펌프, 가전기기, 에어컨 등에 사용되는 비용 최적화된 에너지 효율적 저가 드라이브에 적합하다.
XE166 제품군의 RTSC(real time signal controller)는 향상된 C166S V2 코어를 기반으로 구축되었다. 최고 100 MIPS에 이르는 높은 CPU 성능, DSP 기능을 위한 MAC 유닛, 향상된 IO 성능, 유연한 전력 관리, USIC (Universal Serial Interface) 등과 같은 새로운 주변장치에 의해서 XE166 디바이스는 모터 제어, 전원장치, 교통, 통신 등의 까다로운 산업용 애플리케이션에 적합하다. 표준 FOC 지원, 듀얼 모터 제어, 동적 부하 응답, 제로 속도 제어 등의 기능을 제공함으로써 XE166 제품군은 인버터, 서보 드라이브, 에스컬레이터, 지게차 등에 이용하기에 적합하다.
하이엔드 제품으로서 32비트 디바이스인 TC1167과 TC1197은 매우 까다로운 산업용 드라이브를 위한 제품으로서 다중축 시스템 등과 같은 모션 제어를 위해 높은 성능을 제공한다.

애플리케이션 키트: 확장가능 모터 제어 솔루션

인피니언이 제공하는 애플리케이션 키트 및 툴 체인을 이용해서 마이크로컨트롤러에 새로운 모터 제어 기법을 신속하게 구현할 수 있다. 모터 구동 애플리케이션 용으로 블록 정류에서부터 FOC에 이르는 모든 유형의 알고리즘을 지원하는 다양한 유형의 레퍼런스 시스템을 이용할 수 있다(그림 3).
모든 애플리케이션 키트는 무료 툴 체인을 포함하며(컴파일러, 실시간 디버깅 환경 등), 플러그앤플레이 디자인을 제공하며 모든 관련 소프트웨어 및 소프트웨어 요소들을 제공한다. 마이크로컨트롤러, 전력 반도체, 수동 소자를 포함하는 전체적인 솔루션이 제공된다. 포괄적인 도큐멘테이션 및 하드웨어 디자인 예를 포함하며 스텝퍼, BLDC, PMSM 등의 모터 용으로 12V~230V의 전압 범위와 200mA~20A의 구동 전류를 지원한다.
이들 키트는 모터 드라이브 용의 고유의 자동화 코드 생성기인 DAvE Drive를 이용할 수 있도록 되어 있다(그림 4). DAvE Drive는 인피니언의 8비트 MCU 제품에 이용할 수 있는 애플리케이션 코드 생성기이며 XE166에 대한 지원은 현재 개발 중이다. 이를 이용함으로써 FOC 등과 같은 복잡한 제어 알고리즘을 신속하고 편리하게 구성할 수 있으므로 모터 드라이브의 소프트웨어 개발 시간을 단축할 수 있다. 모터 제어 디자이너들은 구동 기능 프로그래밍 등과 같은 특정한 애플리케이션 소프트웨어 개발에 집중할 수 있다. DAvE Drive 소프트웨어 툴은 문서화된 소스 코드와 함께 전체적인 알고리즘을 생성하며 사전에 컴파일된 라이브러리로부터 도출하지 않는다. 이 점에 의해서 또한 고객의 특정 모터에 따라서 신속하게 적응이 가능하다. 라이브러리에서 모터 타입을 선택하거나 아니면 공칭 전압, 위상 인덕턴스, 저항 등의 주요 특성들을 설정해서 지정할 수 있다. DAvE Drive를 이용해서 속도 및 전류 제어를 위한 파라미터를 손쉽게 변경할 수 있다.

결론

보다 효율적인 모터 드라이브에 대한 요구는 관련 마이크로컨트롤러의 수요 증가로 이어지고 있다. 인피니언의 MCU 제품인 XC800, XE166, TC11xx 제품군은 홀 센서를 이용하거나 센서리스의 BLDC 모터를 위한 블록 정류, BLDC 모터나 PMSM을 위한 FOC, AC 유도 모터를 위한 V/f 정류, 복잡한 하이엔드 모터 드라이브의 FOC 및 PFC 등과 같이 다양한 유형의 모터 제어 기법을 위한 확장가능 솔루션을 제공한다. 포괄적인 툴 체인 및 전문적인 애플리케이션 키트는 이 최적화 마이크로컨트롤러를 기반으로 고효율 모터 제어 디자인을 신속하게 구현할 수 있도록 하며 출시시간을 단축할 수 있도록 한다.