반도체의 가변 속도 모터 지원이 효율 향상 및 기타 이점을 달성할 수 있도록 한다. 인터내셔널 렉티파이어(IR)의 Aengus Murray가 가전 애플리케이션에서 가변 속도 센서리스 모터 제어가 전세계의 에너지 사용에 어떠한 영향을 미치고 새로 등장하는 설계 플랫폼들이 어떻게 믿을 수 있는 가변 속도 디자인을 신속하고 간편하게 구현할 수 있는지 설명한다.

자료제공│인터내셔널 렉티파이어(IR), www.irf.com

가정에서 이용되는 냉장고, 세탁기, 식기세척기에서부터 공장이나 가공 설비의 펌프 및 팬, 사무실의 에어 컨디셔닝 시스템, 소형 및 중형 모터에 이르기까지 이들 애플리케이션에서 21세기의 생존을 위해서는 효율적인 제어가 필수적이다. 상업, 산업, 가정 환경에서 얼마나 많은 모터가 이용되는지는 모터가 세계 에너지 소비의 50% 이상을 차지한다는 최근의 조사에서 잘 알 수 있다. 문제는 대다수의 이들 모터가 유도 모터, 범용 모터, 소모성 전자기계 드라이브를 이용함으로써 효율적이지 않다는 점이다. 환경적, 법규적, 상업적 이유에서 뿐만 아니라 모터 기반 기기가 사용하는 에너지 비율 때문에 엔지니어들이 시급하게 이들 디자인의 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 찾아내야 한다.

예를 들어 냉장고가 가정용 에너지 사용의 약 15%를 차지하는데 이 대부분이 캐비닛으로부터 열을 배출하는 데 소모된다. 단상 유도 모터를 이용한 기존의 냉장고는 최고속도로만 동작하므로 내부 온도가 원하는 온도 이상으로 상승하면 컴프레셔 모터가 동작한다. 온도가 원하는 수준으로 떨어지면 이 모터가 꺼진다. 또한 세탁기는 어떠한가? 세탁기에서는 대부분의 에너지가 많은 양의 물을 덥히는데 소모된다. 그러므로 에너지 효율을 향상시키기 위해서는 세탁 사이클에 필요한 물의 양을 줄여야 한다.

에어컨은 가정이나 사무실에서 가장 큰 전기 에너지 소비 요인으로서 다중의 모터(팬 및 컴프레셔를 위해)가 이용되므로 에너지 소비가 그만큼 높다. 그렇기 때문에 최근에 중국과 같은 국가에서는 계절적 에너지 효율 등급(SEER)을 높이는 법규가 도입되었다. 중국에서는 에어컨 사용이 최근 5년 새에 400% 가까이 증가했다.

가변 속도 모터 제어

이들 모든 애플리케이션의 공통점이 엔지니어가 기존 모션 제어를 인버터 기반 가변 속도 영구자석 동기 모터(PMSM) 솔루션으로 교체해서 효율을 대폭적으로 향상시킬 수 있다는 것이다. 또한 이로써 가능해지는 환경적 이점을 과소평가할 수 없다. 오늘날의 비효율적인 모터를 가변 속도 솔루션으로 대체함으로써 최고 60%까지 에너지 소비를 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 이는 전세계적으로 연간 3500억 파운드의 비용을 절감하는 것에 해당된다. 가변 속도 PM 솔루션이 에너지 소비를 줄여야 하는 환경적 및 법규상의 요구를 충족할 뿐만 아니라 음향 및 전기 잡음을 감소시키고, 더 낮은 진동으로 동작하고, 제품 신뢰성을 향상시키고, 더 정밀한 모터 제어를 달성함으로써 목표 애플리케이션으로 더 다양한 기능을 통합할 수 있도록 한다.

직접 구동 PM 세탁기

직접 구동 PM 세탁기 모터의 경우를 살펴보자. 세탁기 직접 구동이 효율 향상의 가능성뿐만 아니라 풀리 벨트 및 기어박스를 제거함으로써 달성되는 기계적 단순성 및 신뢰성 향상으로 갈수록 더 많이 이용되고 있다. 문제는 PM 모터 제어를 위해 모터 디자인의 비용 및 복잡성이 증가한다는 것이다. 또한 대부분의 소비자들이 환경에 대한 책임 의식을 갖고 있는 한편, 제조업체들은 모든 소비자들이 이를 위해 할증된 가격을 지불하고자 하지 않는다는 것을 알고 있다.

이와 같이 비용 및 복잡성이 증가하는 중요한 요인의 하나가 PM 모터 제어가 로터 위치 정보를 필요로 한다는 점이다. 로터 자석이 구동하는 홀 효과 센서가 요구되는 피드백을 제공하는 한 방법이지만 전통적인 구형파 전류 정류가 스위칭 지점에서 토크 글리치를 발생시킨다. 외부 로터 구조가 이러한 글리치 효과를 증폭해서 원치 않는 음향 잡음의 문제를 가중시킨다. 또한 더 중대한 문제는 구동 토크 속도 곡선이 낮은 속도일 때 높은 토크를 필요로 하고 높은 속도일 때 낮은 토크를 필요로 하는 세탁기 애플리케이션과 일치하지 않는다는 것이다.

최근에는 홀 스위칭 지점 사이에 보간을 이용한 기법이 정현파 전류 제어를 가능하게 함으로써 낮은 음향 잡음의 매끄러운 토크 및 고속의 낮은 토크 동작을 제공한다. 하지만 여기서도 현장에서 홀 센서 서브어셈블리의 신뢰성이 보증 및 수리 비용을 최소화하려는 제조업체나 소비자들에게 중대한 문제이다.

그러므로 엔지니어가 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 센서의 필요성을 제거하고 가변 속도 모터 구동 디자인 및 구현에 관련된 비용, 시간, 위험성을 낮출 수 있는 새로운 기법이 필요하다. 이러한 요구 때문에 센서리스 모터 제어를 위해 빌딩 블록을 결합해서 가변 속도 모터 구동 구현에 필요한 기능을 달성하고 특정용도 구성의 유연성을 제공하는 통합적인 플랫폼 기반 기술들이 등장했다.

세탁기 PM 모터의 센서리스 제어를 위한 설계 플랫폼

그림 1은 직접 구동 세탁기에 이용하기 위한 디지털 제어 인버터 기반 PM 모터 솔루션의 설계 플랫폼이다. 인터내셔널 렉티파이어(IR)의 iMOTION이라고 하는 이 플랫폼이 위치 센서를 이용하지 않고 에너지 절약적 가변 속도 정현파 전류 제어를 달성하기 위한 통합적인 시스템 레벨 솔루션을 제공한다. 이 플랫폼이 가변 속도 모션 제어의 이점을 실현하기 위해 필요한 모든 요소를 제공한다.

이 가전 제어 IC가 DC 링크 전류 측정을 이용한 PMSM의 센서리스 속도 제어에 필요한 모든 제어 및 아날로그 인터페이스 기능을 통합했다. 이 IC의 아날로그 기능으로는 DC 링크 션트 상의 저전압 신호를 샘플링하기 위해 필요한 차동 증폭기, 듀얼 샘플 앤 홀드 회로, 12비트 A/D 컨버터를 포함한다. 인버터 전력 모듈은 고전압 게이트 구동 IC와 6개 IGBT 스위치를 통합했다. 이 모듈이 모터 전류 측정 및 전력 모듈 보호에 이용되는 DC 링크 션트를 포함한다. 모터 제어 알고리즘은 이 IC의 전용 모션 제어 엔진(MCE)을 이용해 하드웨어로 구현되며 가전 애플리케이션 소프트웨어는 함께 통합된 독립적 8비트 프로세서로 실행된다.

디지털 제어 알고리즘

그림 2의 디지털 제어 알고리즘이 위상 전류 복원 및 로터 각도 예측과 FOC(Field Oriented Control) 알고리즘을 통합해서 모터 전류를 제어한다. FOC가 벡터 순환을 이용해서 AC 모터 와인딩 전류를 토크(IQ) 및 플럭스(ID)를 제어하는 2개 DC 성분으로 분해한다. 그럼으로써 전류 루프 튜닝이 모터 속도로부터 자유로워지므로 컨트롤러 디자인을 간소화한다.

외부 속도 루프는 속도 오차를 바탕으로 IQ 루프의 토크 참조 명령을 계산한다. 속도 루프 입력에서의 RAMP 기능이 가속화를 지정된 한계 이내로 제한하며 출력에서의 LIMIT 기능이 모터 전류를 제한한다. 또 다른 제어 기능이 내부 영구 자석(IPM) 모터를 구동할 때 토크 출력을 극대화하는 것이다. 플럭스 레퍼런스는 저속이면 0으로 설정해서 암페어 대비 토크를 극대화하고 고속 동작을 위해서는 음의 값으로 설정해서 플럭스를 감쇠시킬 수 있다. 약계자 알고리즘이 최적의 ID 레퍼런스 전류를 계산해서 가용 인버터 전압의 사용을 극대화한다.

모션 제어 엔진

그림 3에서 설명하는 제어 IC의 모션 제어 엔진(MCE)으로부터 라이브러리 매크로 블록을 이용해 디지털 컨트롤러를 구현할 수 있다. MCE 라이브러리가 PI 보정기, 제한 기능, 벡터 순환 등의 모터 제어 알고리즘에 일반적으로 이용되는 기능들을 포함한다. 그래픽 편집 툴을 이용해 이 알고리즘을 맞춤화할 수 있으므로 소프트웨어 코딩이 불필요하다. 시간에 민감한 많은 제어 계산이 전용 하드웨어를 이용해 계산되므로 알고리즘 실행이 RISC 또는 DSP에 비해 최고 2.5배 빠르다.

제어 파라미터 및 시스템 변수는 공유 데이터 RAM에 저장되며 이를 함께 통합된 8비트 마이크로컨트롤러로 액세스할 수 있다. 그럼으로써 세탁기 애플리케이션 소프트웨어가 목표 속도 등의 제어 설정을 간편하게 변경하고 토크 전류(IQ) 등의 제어 변수를 모니터할 수 있다. 이 소프트웨어를 독립적인 8비트 프로세서로 C를 이용해 개발할 수 있으므로 가전 엔지니어가 애플리케이션을 개발하기 위해 모터 제어의 전문가가 될 필요가 없다.

요약

세탁기 등의 가전기기에서 가변 속도 센서리스 PM 모터 솔루션이 친환경적 요구를 충족하기 위해 필요한 효율 향상을 달성하는 데 있어서 중요한 역할을 한다. 인터내셔널 렉티파이어(IR)의 iMOTION 플랫폼 같은 새로운 기술이 디지털 컨트롤러 IC, 아날로그 게이트 드라이버 및 보호 IC, 전력 공급 스테이지를 결합함으로써 엔지니어가 비용, 회로 복잡성, 출시시간 측면에서 유리하게 이들 애플리케이션을 구현할 수 있다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 07월호>