센서리스 AC 모터 제어 - Technology

가전기기에서 구동 기술의 발전이 필요하며, 따라서 차세대 제품의 생산이 필요함은 널리 인식되어 있다. 이러한 추세에 대응하는 센서리스 기능의 벡터 제어 기술은 이 목표에 부합하는 기술이며, 기계적 센서가 필요 없으므로 비용 효율적인 솔루션을 지원한다. MCU와 DSP 기능이 결합된 프리스케일 56800E 코어 기반의 저렴한 DSC를 사용하면 아주 복잡한 제어 기법도 구현할 수 있다.

글│Peter Balazovic, 애플리케이션 엔지니어, 프리스케일

수자원 및 에너지 보존과 더불어 신제품 및 서비스의 전반적인 환경 친화성에 대한 전세계적인 관심이 가전기기 시장에도 절대적 영향을 주고 있다. 단일국가 또는 다국적(유럽 연합) 규모를 막론하고 실질적인 규제 기준과 권장 안에 따라 차세대 가전기기, 특히 세탁기, 건조기, 식기세척기, 냉장고에 대한 기본적인 요구조건이 적용되고 있다. 시스템 비용을 낮추면서 이러한 요구조건을 만족하려면 강력한 마이크로 컨트롤러와 적절한 소프트웨어를 채택해야 한다.

가전기기 산업의 경우 디지털 시그널 프로세서의 처리 성능과 마이크로 컨트롤러의 기능성 및 사용 편의성이 하나의 칩에 결합된 디지털 시그널 컨트롤러(DSC) 기반의 솔루션이 적절하다. 설계자들은 유연한 주변기기 세트를 활용하여 표준 모터 구동 알고리즘, 첨단 제어 알고리즘, 피드백 신호 정밀 감지, 역률(power factor) 보정 체계, 외부 환경 통신 등의 다양한 기능을 실현할 수 있다.

또한 가변 속도 모터 드라이브를 채택하면 설계자가 더 정밀한 제어 프로그램을 사용할 수 있다. 이는 기기의 성능을 강화하며 전반적인 에너지 효율성을 높여주는 역할을 한다. 따라서 가변 속도 드라이브 및 지능형 제어 기능을 갖춘 가전기기는 제어되지 않는 고정 속도 모터 드라이브를 사용하는 기기보다 뛰어난 성능을 제공한다.

가전기기에 사용되는 전기 모터 드라이브의 대부분은 모터 속도를 사전 지정한 수준으로 고정하거나 또는 추가 제어 전자부 없이 AC 공급 전원으로 직접 구동하는 등 아주 간단한 방식으로 제어된다. 저렴한 비용과 견고성, 신뢰성 덕분에 교류 단상 유도 모터(ACIM)가 널리 사용되고 있다. 하지만 ACIM 솔루션은 또한 낮은 효율과 비효율적인 속도 제어 기능이라는 중대한 단점도 가지고 있으며, 이로 인해 제품의 유연성을 강화하고 고객의 기대에 따라 규제 지침을 준수하도록 제어 기능을 강화하기가 어렵다. 단상 ACIM에 비해 가변 속도 드라이브는 정밀한 토크 제어 를 통해 에너지 효율성 조건을 만족하므로 전체 기기 효율이 개선된다.

AC 모터 선택

가전기기를 구동할 수 있는 모터의 종류는 다양하며, 예를 들어 ACIM, 영구자석(PM) 모터, 스위치드 릴럭턴스(SR) 모터 등이 있다. 전자 드라이브의 효율과 전기 모터 효율의 산물이 시스템의 전체 에너지 효율을 판단하는 요소이다.

일반적으로 ACIM으로 가변 속도를 구현하려면 ACIM에 가변 주파수 및 전압을 공급해야 하며, 이를 주파수당 일정 전압(constant volt per Hz) 제어 방식이라고 부른다. ACIM 속도 구동 효율은 벡터 제어를 사용하여 보다 더 향상시킬 수 있다. 이를 구현하려면 로터에 장착된 속도 또는 위치 센서를 통해 정밀한 속도 정보를 감지해야 한다. 하지만 센서, 커넥터, 관련 배선의 추가로 인해 모터 드라이브의 비용이 높아진다.

PM 모터는 고정자 권선 대신 영구자석을 사용하여 자속을 발생시킨다. 전자석 여자를 영구자석으로 교체하는 데에는 몇 가지 장점이 있다. 가장 확실한 장점은 여자 손실이 없다는 점이며, 이는 PM 모터가 동급 DC 모터에 비해 높은 전력 밀도를 가짐을 의미한다. PM 모터는 기계적인 정류자가 없으며, 자속으로 인한 전류가 없으므로 전력 밀도가 AC 유도 모터를 능가한다. 또한 단상 ACIM의 효율이 70%정도에 불과하지만 PM 모터는 전체 효율이90%에 달한다. 영구 여자 동기 모터는 가전기기용으로 아주 매력적인 솔루션이지만, AC 공급 전원을 고정자 권선에 연결하는 방법으로는 가동할 수 없다.

속도 가변형 모터 드라이브

가변 속도 모터 드라이브 전문가들은 공급되는 에너지를 최적화하도록 전기 모터를 제어할 수 있다면 전체 전력 소비량을 최대 30%까지 줄일 수 있다고 주장한다. 가변 속도 드라이브용 컨트롤러는 실제적으로 모터에 공급되는 전력의 주파수를 조정함으로써 AC 전기 모터의 회전 속도를 제어한다. 전자식 가변 속도 드라이브를 사용하면 전기 모터가 전체 속도 범위에 걸쳐 연속적인 구동을 가능하게 한다.

그림 1에 나와있는 바와 같이, 가변 속도 드라이브의 전체 시스템에는 EMI 필터, 입력 정류기, 온보드 DC 전원 공급기, DSC, 신호 조정 회로, 전원 인버터, 게이트 드라이버가 포함된다.

그림 1. Variable Speed Dreive

모터 제어 방식

오픈 루프 스칼라(open-loop scalar) 제어 방식이 ACIM에 주로 사용되는 가변 속도 드라이브용으로 가장 보편적인 제어 방식이다. 그림 2에 나와있는 바와 같이, 스칼라 제어 방식은 공급 전압 주파수의 변화를 기반으로 한다. 전압의 크기는 전압 주파수에 비례하며, 주파수 변동에 따라 변화한다. 이 방식은 8-비트 마이크로컨트롤러에서 처리할 수 있는 정도의 연산능력이 필요한다.

그림 2. Scalar Control

이 간단한 방식이 갖는 가장 큰 장점은 센서리스 모드이며, 제어 알고리즘에 각속도 또는 실제 로터 위치에 대한 정보가 필요하지 않다는 점이다. 하지만 외부 부하 토크에 대한 속도 의존성이 커다란 단점이며, 이는 동역학적 성능의 저하로 이어진다. 따라서 스칼라 제어 방식의 전기 모터는 부하변경에 따른 필요 토크를 얻기 위해서 일반적인 방식보다는 커야한다. 더불어, 스칼라 기술은 시스템 비효율성, 공급망의 역률 저하, 잡음이 많은 작동 환경의 원인이 된다. 이 제어 방식에서는 에너지 효율이 이론상 최대치에서 50% 범위까지 저하될 수 있다. 모터 모델 기반 방식은 장치의 전기적 위치 정보가 인코딩 되어 있는 기전력을 예측한다. 그림 3에 표시된 예측기는 RL 모터 특성에 대한 정보가 포함되어 있으며 적용 모터 전압과 측정된 전류로 공급되는 고정자 전류 관측기로 구성된다.

하지만 시장에서 성공하려면 가능한 높은 동역학적 성능과 동작 속도 범위가 필요하다. 전기 드라이브에서 새로운 접근 방식인 AC 장치의 벡터 제어(자기장 중심 제어)는 스칼라 제어에 비해 매우 뛰어난 성능을 제공한다. 벡터 제어 방식에서는 주파수당 일정 전압(constant volt-per-hertz) 제어 방식의 단점이 대부분 해소된다.

벡터 제어 시스템에서는 동기 프레임 전류 조정기가 인버터 전류 조정에 업계 표준으로 사용된다. 역 Park(αβ/dq) 기준 프레임 변환 함수는 회전하는 로터 자기장에 동기화된 기준 프레임 내에서 고정자의 전류와 전압을 계산한다. 회전하는 기준 프레임에서 볼 때 모든 전기적 변수는 DC 정상 상태(steady state) 값을 가지므로 간단한 PI 조정기로도 정상 상태 오류를 완전히 없앨 수 있다. 또한 현재 벡터를 자기장 발생기와 토크 발생기로 분석할수 있도록 좌표 시스템을 설정할 수 있다. 모터 컨트롤러의 구조는 그림 3에 나와있다.

그림 3. Vector Control

내측 전류 루프는 필요한 토크와 자속 전류를 생성하는 데 필요한 직접 및 직교(quadrature) 고정자 전압을 계산한다. Park(dq/αβ) 함수는 이 전압을 고정 기준 프레임 내의 3상 AC 고정자 전압 요구량으로 변환한다. 모터 전류가 사인파이므로 더 원만한 토크가 생성되며, 따라서 소음과 기계적 진동이 최소화된다. 외측 속도 루프는 적용 토크 양을 조정하며, 이는 직교 토크-전류와 정비례하고 필요한 각속도를 유지하도록 지원한다. 기준속도 이상의 동작 속도 범위에서의 효율향상을 위해 방향성 고정자 자속-전류를 조정하는 추가 자속 감쇠 루프가 추가되었다.

센서리스 제어

AC 모터를 벡터 제어 모드로 가동하려면 로터 내의 영구자석에서 생성되는 로터 자속의 위치정보를 가진 인가전압의 주파수와의 동기화가 중요하다. 이것은 센서를 대체한 속도와 위치 연산 알고리즘을 가진 센서리스 모드 동작에서 얻을 수 있다.. AC PM 모터의 샌서리스 제어 방식은 추가 비용 없이 신뢰성을 높이고 높은 성능 수준을 유지할 수 있는 혁신적인 모터 구동 기술이다. 시스템은 더 정확하고 효율적이며, 더 작고 가벼우며 소음이 적고, 더 저렴한 비용으로 첨단 기능을 더 많이 갖추어야 한다. 센서리스 알고리즘은 크게 두 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있으며, 로터 위치 추적에 자성 로터 돌출부를 사용하는 그룹과 계산된 모터 모델에서 로터 위치를 예측하는 그룹이 있다.

냉장고의 경우 온도를 사전에 정의된 범위 이내로 유지할 수 있도록 기존 제어 장치가 압축기를 켜고 끈다. 센서리스 PM 모터 제어 방식의 경우, 컨트롤러에서 몇 초 이내에 압축기를 목표 속도로 가속하고 속도를 목표의 1% 이내로 조정할 수 있다. 압축기가 부드럽게 작동됨에 따라 가청 소음이 줄어들며, 작동 속도가 낮으므로 냉각실의 온도 사이클이 최소화되어 전반적인 효율이 개선된다.

일반적으로 세탁기는 세탁과 탈수의 두 가지 기본 사이클로 작동된다. 세탁 사이클 도중 모터 드라이브는 낮은 속도, 높은 토크로 작동한다. 탈수 사이클 도중에는 모터 드라이브가 단기간 동안 높은 속도로 작동한다. 최신 모델의 경우 속도 변동 예상과 부하 토크 계산을 통해 세탁 부하 분포에 대해 유용한 정보를 제공한다. 속도 변동은 회전 사이클을 시작하기 전에 부하의 불균형을 예측하는 데 사용된다. 세탁조의 회전 속도 조정과 세탁물을 재분배하여 불균형을 바로잡는 데 가변 속도 모터가 사용될 수 있다.

MC56F80xx DSC 제품군

프리스케일 56800E 코어는 이 특정 용도에 이상적인 솔루션이다. 이 제품은 공간 벡터 변조, 벡터 제어, 전류, 자속, 속도 루프 제어 등을 포함한 모든 모터 제어 기능을 처리할 수 있다. 디지털 제어 방식은 이전 설계에 사용되던 개별 구성요소의 수를 줄여줌으로써 드라이브의 신뢰성을 높이고, 첨단 알고리즘을 사용하여 모터 성능을 최적화하도록 지원한다. MC56F8025 DSC에는 앞서 설명한 센서리스 속도 벡터 제어 기술과 함께 분수 수치 표현 가능한 C 호출형 최적 어셈블러 언어를 사용하는 제어 루틴 일체가 구현되어 있다.

MC56F80xx 제품군은 다음과 같은 주변기기 블록을 제공한다.

·PWM 입력, 오류 입력, 지연 시간(dead-time) 삽입 가능한 내결함 설계와 중앙 정렬 및 에지 정렬 모드를 모두 지원하는 PWM 모듈 1개
·12비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 2개의 동시 변환 작업 지원 ADC 및 PWM 모듈 동기화 가능
·전용 16비트 범용 쿼드 타이머 모듈 1개
·SPI(직렬 주변기기 인터페이스) 1개
·LIN 슬레이브 기능을 지원하는 직렬 통신 인터페이스(SCI) 1개
·I2C(inter-integrated circuit) 포트 1개
·내부 로직 및 메모리용 온보드 2.5 V 전압 조정기
·파워-온 리셋(POR) 및 저전압 인터럽트 모듈
·모든 핀을 범용 I/O로 동작할 수 있는 멀티펑션기능
·컴퓨터 작동 정상화(COP) 감시 타이머
·하드웨어 초기화용 외부 리셋 입력 핀
·프로세서 속도에 무관하게 디버깅을 지원하는 JTAG/온칩 에뮬레이션(OnCETM) 모듈
·하이브리드 컨트롤러 코어 클록용 위상 고정 루프(PLL) 방식의 주파수 합성기, 온칩 오실레이터

애플리케이션은 ADC를 사용하여 아날로그 피드백 신호(전압, 전류)를 처리하기 전에 디지털화한다. ADC 트리거는 PWM 리로드 플래그에 동기화되지만, 샘플링 시간은 실제 PWM 패턴의 기능에 따라 달라진다. 이 구성을 사용하면 한 PWM 사이클 내에서 DC 버스 전류 및 전압과 같은 필요한 아날로그 값을 다중 변환할 수 있다.

PWM 모듈은 중앙 정렬 구성을 이용하여 비동기 PWM 듀티 사이클을 생성할 수 있다. 이 기능을 사용하면 특수한 스위칭 패턴을 가진 3상 전류 구성이 가능하다.

쿼드 타이머는 시간 이벤트와 관련하여 필요한 모든 서비스를 제공하는 유연성 높은 모듈이다.

애플리케이션에는 쿼드 타이머 채널 중 2개를 사용한다.

·PWM과 ADC 동기화용 채널 1개
·시스템 속도 제어 루프(1ms 간격)용 채널 1개

이 방식에서는 격리된 직렬 링크를 통해 전면 패널 마스터 컨트롤과 통신이 가능하다. 따라서 속도 프로필 정보를 컨트롤러로 다운로드할 수 있으며, 모터 속도 및 토크 정보를 가전기기의 마스터 컨트롤러에 업로드할 수 있다.

그림 4. 56F802x3x Family Block Diagram

결론

또한 펌프, 팬, 송풍기, 건조기 등과 같은 다양한 모터 구동 분야에서도 만족스러운 성능을 보여주었다. 모터 제어 분야에 중점을 두고 설계된 MC56F80xx 디바이스는 현재 다양한 가전기기 제품 설계에 도입되고 있으며, 특히 소비 전력에 대한 국가 또는 국제 규정이 엄격한 분야에서 활발히 적용된다.

프리스케일은 전자 모터 시스템에 최적화된 임베디드 칩, 애플리케이션 소프트웨어, 개발 도구의 포괄적인 제품군을 공급하고 있다. 프리스케일의 임베디드 솔루션은 신뢰성 높고 비용 효율적인 모터에서 높은 수준의 기능성과 성능을 구현할 수 있도록 설계되었다. 세탁기 내의 디지털 제어 모터는 더 효율적인 세탁 사이클을 제공하여 필요한 세탁수의 양을 줄이고 짧은 고속 회전 사이클을 지원함으로써 세탁물의 건조도를 높이고 에너지 소비를 줄일 수 있도록 설계되었다. 프리스케일 칩에는 가전기기와 다른 모터 구동 제품에 더 효율적, 안정적으로 작동하도록 지원하는 모터 전용 함수도 제공한다.