최근 에너지 효율 및 환경 문제와 새로운 에너지 소비 규정을 준수해야 할 필요성으로 인해 절전형 산업 및 가전기기에 대한 지속적인 수요가 늘어나고 있다. 이러한 규정에 따라 세탁기, 에어컨 압축기 시스템 및 팬 등의 기기용으로 에너지 효율성 높은 모터의 개발이 필요하게 되었다.

비용 효율적인 벡터 제어 드라이브

글│Pavel Sustek, 모터 제어 애플리케이션 엔지니어, 프리스케일 반도체

최근 에너지 효율 및 환경 문제와 새로운 에너지 소비 규정을 준수해야 할 필요성으로 인해 절전형 산업 및 가전기기에 대한 지속적인 수요가 늘어나고 있다. 이러한 규정에 따라 세탁기, 에어컨 압축기 시스템 및 팬 등의 기기용으로 에너지 효율성 높은 모터의 개발이 필요하게 되었다. 전기 모터는 산업 분야에서 사용되는 전체 전력의 70% 이상을 소비하는 것으로 예상되며, 전력연구원(Electric Power Research Institute)의 조사에 따르면 산업용 모터의 60% 이상이 정격 부하 용량 이하로 작동하고 있는 것으로 밝혀졌다.

교류 유도 모터(ACIM)는 여러 가지 이유로 산업 및 가전기기에서 널리 사용되고 있다(그림 1참조). ACIM은 아주 간단하며(브러쉬가 없음) 생산 비용이 적당하고, 견고하며 최소한의 유지보수만이 필요하다. 또한 ACIM은 수년간 생산되어 왔으므로 구조가 대단히 최적화되어 있다. 이전까지 ACIM은 속도 제어 없이 사용되어 왔으며, 잦은 가동과 정지를 통해 원하는 결과를 달성했다. 이러한 과정에서 사용되는 전력 중 50%가 낭비된다.

그림 1. Motor Overview

최신 전기 모터 효율성 기술을 포함하여 ACIM의 소비 전력을 줄이는 새로운 방법이 다양하게 검토되고 있다. 아날로그 모터 회로에 디지털 제어를 사용하면 시스템 비용과 소비 전력을 획기적으로 줄일 수 있다. 이 글은 가전 및 산업용 모터 드라이브용으로 비용 효율적인 솔루션을 활용하는 프리스케일 MC56F8013/23 디지털 시그널 컨트롤러(DSC) 기반의 3상 AC 유도 모터 벡터 드라이브 솔루션에 대해 설명하는 자료이다.

3상 AC 유도 모터

ACIM은 3상 교류 전압으로 작동하도록 설계된 전기 회전 장치이다. 각 고정자의 내부 표면에 있는 슬롯에 3상 권선이 수용된다. 각 권선의 감김 상태는 고정자 권선 내의 전류가 공극 표면 주변에서 대략적인 사인 분포 자속 밀도를 만들어내도록 분포된다. 시간에 따라 변화하는 사인 곡선이지만 위상에 따라 120도 이동된 형태의 세 전류가 대칭 상태로 배치된 세 개의 권선으로 유입되면, 방사상 방향의 공극 자속 밀도가 생성되며 공극 주변에 사인 곡선 형태로 분포되고, 고정자 전류의 각 주파수에 대응하는 각속도로 회전한다.

유도 모터 중 가장 흔한 종류는 알루미늄 도체 또는 막대가 로터의 외부 표면에 있는 슬롯에 주조된 농형(squirrel cage) 로터를 사용하는 제품이다. 이 모터는 로터의 양단에서 알루미늄 주조 종단 링으로 서로 단락되며, 종단 링은 팬 역할을 하도록 성형될 수도 있다. 고정자 자화 전류 흐름에 의해 생성되는 사인 분포 자속 밀도 파형은 로터 도체를 통과하면서 전압을 만들어낸다. 그 결과, 단락 상태의 로터 막대에서 사인 분포 형태의 전류 세트가 생긴다. 단락 상태의 막대는 낮은 저항을 가지므로 자속 파형의 각속도와 2극 로터의 기계적 각속도 사이의 상대 각속도가 소량이어도 필요한 로터 전류를 만들어낼 수 있다. 이 상대 각속도를 슬립 속도라고 부른다. 사인 분포 공극 자속 밀도와 로터 유도 전류 사이의 상호 작용으로 로터의 토크가 생성된다.

AC 유도 모터의 벡터 제어

3상 AC 유도 모터에서 가변 속도 작동을 구현하려면 모터에 가변 전압과 가변 주파수를 공급해야 한다. 최신 3상 가변 속도 드라이브(VSD)는 디지털 제어 방식의 스위칭 인버터가 함께 공급되며, 이를 통해 전체 시스템 소비 전력을 상당히 낮출 수 있다. 가변 속도 드라이브 모터를 사용하면 최대 60%의 전력을 절감할 수 있고, 자원이 3~4배 증가하며, 이전까지 불가능했던 기능을 구현할 수 있다. 가변 속도 드라이브의 전력 범위는 냉장고 압축기에서 0.2~0.4kW, 세탁기에서 0.8~1kW, 에어컨에서 2~3kW, 주거 및 공용 서비스(예: 고층건물의 냉온수 펌프, 수도관 내 냉수 공급망 등)에서 3~100kW를 되찾을 수 있다.

제어 알고리즘은 두 가지 일반 그룹으로 분류할 수 있다. 첫 번째 그룹은 스칼라 제어 방식이다. 주파수당 일정 전압(constant volt per hertz) 제어 방식이 가장 널리 사용되는 제어 기술이다. 다른 그룹은 벡터 또는 현장 중심 제어(FOC)라고 부르는 기술이다. 벡터 중심 기술은 스칼라 제어 방식에 비해 높은 구동 성능을 제공한다. FOC의 장점으로는 높은 효율, 전범위 토크 제어, 자속 및 토크의 개별 제어, 역학 성능 개선 등이 있다.

FOC 알고리즘의 기본 원리는 고정자 전류를 자속 생성 부품과 토크 생성 부품으로 분해하는 것이다. 분해 후에 두 부품은 각각 개별적으로 제어 가능하다. 그러면 모터 컨트롤러의 구조를 개별 여자 DC 모터처럼 간단하게 만들 수 있다.

그림 2에 AC 유도 모터용 벡터 제어 알고리즘의 기본 구조가 나와 있다. 벡터 제어를 수행하려면 다음과 같은 절차를 따라야 한다.

그림 2. Vector Control Transformations

- 모터 용량 측정(위상 전압 및 전류)
- 클라크(Clarke) 변환식을 사용하여 모터 용량을 2상 시스템(α,β)으로 변환
- 로터 자속 공간 벡터의 진폭 및 위치 각도 계산
- 파크(Park) 변환식을 사용하여 고정자 전류를 d-q 기준 프레임으로 변환
- 고정자 전류 토크(isq) 및 자속(isd) 생성 부품은 개별 제어됨
- 출력 고정자 전압 공간 벡터는 디커플링 블록을 사용하여 계산됨
- 파크(Park) 역변환식을 사용하여 고정자 전압 공간 벡터를 다시 d-q 기준 프레임에서 고정자에 연계된 2상 시스템으로 변환
- 공간 벡터 변조(SVM)를 사용하여 출력 3상 전압 생성

전류를 토크 및 자속 생성 부품(isd, isq)으로 분해하려면 모터 자화 자속의 위치를 알아야 한다. 이를 구현하려면 로터에 장착된 속도 또는 위치 센서를 통해 정밀한 속도 정보를 감지해야 한다. 증분 인코더 또는 리졸버가 벡터 제어 드라이브의 위치 변환기로 사용된다. 세탁기와 같이 비용에 민감한 분야에서는 속도 검출기(tachogenerator)가 널리 사용된다. 하지만 일부 용도에 따라 속도/위치 센서의 사용이 바람직하지 않을 수도 있다. 이 경우 속도/위치를 직접 측정하는 대신 간접적 기법을 사용하여 로터 위치를 예측하는 것이 바람직하다. 속도 센서를 사용하지 않는 알고리즘을 ‘무센서 제어’라고 부른다.
 

벡터 제어 알고리즘에 대한 설명

그림 3에 구현된 제어 알고리즘의 개요 블록도가 나와있다. 이 방식도 다른 벡터 중심 기술과 마찬가지로 유도 모터의 여자 전압과 토크를 개별적으로 제어할 수 있다. 제어 목적은 모터 속도를 조정하는 것이며, 속도 명령 값은 고수준 제어에 의해 설정된다. 알고리즘은 2개의 제어 루프에서 실행된다. 고속 내부 제어 루프는 125μs 주기로 실행되며, 저속 외부 제어 루프는 1ms 주기로 실행된다.

그림 3. Digital Signal Controller 56F8xxx

이 알고리즘은 유도 모터 제어를 위해 일련의 피드백 신호를 활용한다. 필수적인 피드백 신호는 DC 버스 전압, DC 버스 전류 및 모터 속도에서 재구성한 3상 고정자 전류이다. 제시된 제어 구조가 정확하게 작동하려면 모터 축에 속도 센서가 있어야 한다. 제시된 알고리즘의 경우 증분 인코더가 사용되었다.

고속 제어 루프는 2개의 개별 전류 제어 루프를 실행하며, 각각은 직축 및 직교(quadrature) 축 전류(isd, isq) PI 컨트롤러이다. 직축 전류(isd)는 모터 자화 자속을 제어하는 데 사용된다. 직교 축 전류(isq)는 모터 토크에 대응한다.
전류 PI 컨트롤러의 출력은 이에 대응하는 디커플링 고정자 전압의 d 축 및 q 축 요소와 합산된다. 따라서 고정자 전압에 적합한 공간-벡터를 입수하고 모터에 적용할 수 있다. 고속 제어 루프는 고정자 전류 부품의 개별 제어를 구현하는 데 필요한 모든 작업을 실행하며, 이는 다음과 같다.

- 3상 전류 재구성
- 클라크(Clark) 정변환
- 파크(Park) 정변환 및 역변환
- 로터 자화 자속 위치 검출
- DC 버스 전압 리플 제거
- 공간 벡터 변조(SVM)

저속 제어 루프는 속도 및 자기장 감쇠 컨트롤러와 우선 순위가 낮은 제어 작업을 실행한다. PI 속도 컨트롤러의 출력은 고정자 전류에서 토크를 생성하는 직교(quadrature) 축 요소(isq)의 기준을 설정한다. 고정자 전류에서 자속을 생성하는 직축 요소(isd)에 대한 기준은 자기장 감쇠 컨트롤러에 의해 설정된다. 적응형 회로가 로터 시간 상수에 대한 보정을 실행하여 로터 자속 위치 예측의 오류를 최소화한다.

시스템 개념

프리스케일 MC56F80xx 제품군은 단일 칩에 DSP의 계산 기능과 MCU의 컨트롤러 기능이 통합된 제품으로 디지털 모터 제어에 매우 적합하다. MC56F80xx 제품군은 다음과 같은 주변기기 블록을 제공한다.

- PWM 입력, 오류 입력, 지연 시간(dead-time) 삽입 가능한 내결함 설계로 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(로컬 상호연결 네트워크) 슬레이브 기능을 지원하는 직렬 통신 인터페이스(SCI) 1개
- I2C(inter-integrated circuit) 포트 1개
- 내부 로직 및 메모리용 온보드 3.3 V 대 2.5 V 전압 조정기
- 통합형 전원 공급 시 초기화(POR) 및 저전압 인터럽트 모듈
- 모든 신호 핀이 범용 I/O(GPIO) 핀과 멀티플렉스로 구성됨
- 컴퓨터 작동 정상화(COP) 감시 타이머
- 하드웨어 초기화용 외부 초기화 입력 핀(GPIO로 배정할 수도 있음)
- 프로세서 속도에 무관하며 작업에 지장이 없는 디버깅을 지원하는 JTAG/온칩 에뮬레이션(OnCE™) 모듈
- 하이브리드 컨트롤러 코어 클록용 위상 고정 루프(PLL) 방식의 주파수 합성기, 온칩 이장 발진기 포함

단일 분로 센서를 사용하여 3상 ACIM 벡터 제어를 구현하면 유연한 PWM 모듈, 고속 ADC 및 쿼드 타이머 모듈로 인한 장점을 크게 활용할 수 있다. PWM은 유연한 구성을 지원하므로 효율적인 3상 모터 제어가 가능하다. PWM 모듈은 중앙 정렬 구성에서 비동기 PWM 작동 주기를 생성할 수 있다. 이 기능을 활용하면 핵심 스위칭 패턴 내에서 3상 전류 재구성이 가능하다. 다른 모듈(쿼드 타이머, ADC)과 동기화할 수 있도록 PWM 리로드 SYNC 신호가 생성된다. 애플리케이션은 동시 모드 스캔에 ADC 블록을 사용하며, PWM 펄스에 동기화된다. 이 구성을 사용하면 필요한 시간 안에 DC 버스 전류 및 전압에 필요한 아날로그 값을 동시 변환할 수 있다. DSC 코어에서 이벤트를 전달할 필요 없이 PWM에 의해 직접 ADC 변환이 트리거되므로, 예측 가능하며 일정한 상대적 타이밍이 구현된다.

쿼드 타이머는 시간 이벤트와 관련하여 필요한 모든 서비스를 제공하는 유연성 높은 모듈이다. 애플리케이션은 네 개의 채널을 사용한다.

- PWM 대 ADC 동기화용 채널 1개
- 직교(quadrature) 인코더 신호 판독용 채널 2개(직교 인코더 대신 속도 검출기를 사용하는 경우 채널 1개)
- 저속 제어 루프의 시스템 기반용 채널 1개(1ms 주기)

적응형 폐회로 로터 자속 예측기는 제어 성능을 강화하고 시스템의 전반적인 견실성을 높여준다. 이 방식을 통해 매개변수 유동 감도를 상당히 최소화할 수 있다. 시스템 비용 최소화를 위해 알고리즘에 단일 분로 전류 센싱이 채택되었으며, 이를 통해 3개의 전류 센서를 하나로 줄일 수 있다.

그림 4. System Concept : Three-Phase Control Board

또 다른 장점은 최고 20,000rpm의 높은 모터 작동 속도 범위이다. 예를 들어 세탁기와 같은 기기의 경우 이러한 고속이 필요하다. 수평 세탁기에서 모터와 드럼 속도 간의 비율은 약 10 대 1이다. 따라서 2,000rpm의 드럼 속도를 달성하려면 모터 속도가 20,000rpm이어야 한다. 세탁기용 3상 유도 모터는 20,000 rpm보다 훨씬 낮은 공칭 속도에 적합하도록 설계된다(일반적으로 6,000rpm). 높은 속도는 자기장 감쇠 알고리즘을 사용하여 구현되며, 이를 통해 자화 자속을 공칭 모터 전압으로 유지하면서 모터의 공칭 속도를 넘어설 수 있다. 낮은 공칭 속도로 설계되었지만 자기장 감쇠 알고리즘을 통해 최고 20,000rpm으로 작동할 수 있는 모터를 사용하면 상당한 비용 및 에너지 절감 효과를 거둘 수 있다.

3상 전류 재구성

벡터 제어 알고리즘을 구현하려면 3상 모터 위상 전류를 감지해야 한다. 일반적인 방식은 스위치와 모터 사이에 전류를 전달하는 모터 위상 배선에 직접 연결된 전류 변환기 또는 홀 효과(Hall effect) 센서를 통해 위상 전류를 직접 감지하는 것이다. 전류 센서의 수를 줄이고 전체 시스템 비용을 낮추고자, 3상 고정자 전류는 단일 DC 링크 전류 분로 센서를 사용하여 측정된다(그림 5참조).

그림 5. DC-Link Current Sensor

DC 링크 전류 펄스는 정확히 계산된 시간 주기로 샘플이 채집된다. 분로 저항의 전압 강하는 3상 드라이버 내부의 OPAMP에 의해 증폭되며 최고 1.65V까지 상승된다. 최종 전압은 ADC에 의해 변환된다.

고정자의 3상 전류는 스위치의 실제 조합을 기준으로 재구성된다. ADC는 PWM 사이클의 활성 벡터 동안 DC 링크 전류를 측정한다. 전압 벡터 V1이 적용되면 전류가 양극 레일에서 위상 A 권선으로 흐르며, 위상 B 및 C 권선을 통해 음극 레일로 복귀된다. 전압 벡터 V2가 적용되면 음극 레일로 복귀하는 DC 링크 전류가 T 위상 전류와 같아진다. 따라서 각 부분에서 두 위상 전류의 측정이 가능해진다. 세 권선 전류의 합이 0이므로 세 번째 위상 전류 값도 계산할 수 있다. 표 1에 전압 벡터 조합과 이에 대응하여 재구성된 모터 위상 전류가 나와있다.

표 1. Measured Current

팬의 에너지 비용 예측 사례

펌프와 팬 시스템은 모든 산업용 모터 용도의 약 40%를 차지한다. 팬의 입력 전원은 유동량의 세제곱에 비례한다. 예를 들어, 100%의 유동량을 실현하는 데 최대 전력이 필요하다면 75%의 유동량을 실현하려면 이론적으로 최대 전력의 42% = (0.75)3가 필요하다. 물론 이는 실양정이 0인 상황의 이론적인 감소치이지만, 실제 적용 상황에서도 상당한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.

VSD는 주로 원심 팬 및 펌프에서 에너지를 절감하는 데 사용된다. 해당 분야의 절감 효과를 예측하려면 공기(유체) 유동량, 입력 전원, 모터 속도 사이의 관계를 설명하는 팬 법칙(Fan Laws)을 사용하는 것이 유용하다.

팬 법칙을 적용하는 방법을 설명하는 좋은 사례로 두 가지 유동 조건의 냉각수 시스템을 지원하는 중앙 집중식 시설을 들 수 있다. 시스템은 시스템 요구사항을 기준으로 냉각수 유동을 통제하는 전자식 작동기로 제어된다. 스로틀이 완전히 개방된 상태에서 유동량은 초당 80리터(l/s)이고 소비 전력은 20 kW인 것으로 측정되었다. 스로틀 밸브를 사용하여 유동량을 65 l/s로 낮춘 경우 소비 전력이 18kW로 측정되었다. 시스템은 년간 8.760 시간 동안 가동되며, 작동 조건은 스로틀 적용 상태 60%, 스로틀 비적용 상태 40%이다. VSD를 설치함에 따른 절감 효과는 다음과 같이 계산할 수 있다.

이는 시스템에 스로틀이 적용되는 60%의 시간 동안 절감 효과가 다음과 같음을 나타낸다.

다음과 같은 경우 VSD를 사용해야 한다.

- 생산량이 변동됨
- 현재 다양한 속도의 모터를 사용하고 있음
- 유동량 제어에 댐퍼, 제어 밸브 또는 재순환 루프가 사용됨
- 극히 정밀한 속도 및 토크 제어가 필요함
- 속도 제어 시스템의 성능이 만족스럽지 못함
- 시스템을 주당 80시간 이상 가동함

결론

제시된 프리스케일 MC56F80xx DSC 기반 솔루션은 광범위한 산업용 및 가전용 모터 제어 분야에서 비용 효율적인 설계를 지원한다. DSC는 AC 유도 모터를 완벽하게 제어하여 항상 최적의 효율로 작동하도록 보장한다. 모터의 용량은 처리 요구량에 해당하지만, 가변 속도 드라이브는 모터를 최대 속도로 가동하는 비경제적인 방식과 비교하여 막대한 절감 효과를 제공할 수 있다. 또한 모터에 가해지는 응력과 변형률을 낮춤으로써 전기적으로나 기계적으로도 모터의 수명을 늘려준다. 에너지 가격의 상승에 대응하여 프리스케일 DSC는 전기 모터에서 에너지를 절감할 수 있는 현명한 대안을 제시한다.