가전제품은 현대적인 라이프스타일의 중심에 있다. 소비자들은 가전제품이 똑똑하면서도 친환경적이고 게다가 항상 더 저렴해지길 원한다. 이러한 각기 다른 요구는 오늘날의 가전제품 설계자들이 각 부문마다 진정한 하이 테크놀로지의 제품을 만들지 않을 수 없게 만든다.

차세대 스마트 가전제품에서 에너지 효율적인 모터 제어를 구현하는 FPGA

자료제공│알테라

수년 동안 스마트 가전제품은 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)과 디지털 신호 프로세싱(DSP) 블록과 같은 범용 전자 장치를 사용하여 사용자 인터페이스와 모터 제어와 같은 기능을 관리했다. 이러한 장치의 성능은 범용 하드웨어를 사용하여 생성되기 때문에 제한적이었을 뿐 아니라 가전제품 설계자가 애플리케이션에 특정한 기능을 생성하는 유일한 방법으로 소프트웨어만 사용할 수 있었다.

이에 반해 FPGA에서는 가전제품 설계자가 매우 저렴한 가격으로 하드웨어와 소프트웨어를 모두 커스터마이제이션함으로써 자유롭게 커스텀 기능을 생성하여 특정 애플리케이션 요구사항에 맞추어 완벽하게 조정할 수 있다. 이러한 추가적인 자유는 특히 모터 제어 에너지 효율을 위해 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 가능성을 활짝 열어준다. 산업 국가에서 가정용 에너지 소비의 50%가 가전제품이 차지하고 있으며 에너지 비용과 환경 규정의 중요성이 날로 증가하고 있다는 사실을 고려할 때 FPGA는 가전제품 설계자가 Energy Star 인증을 획득하고 고객에게 추가적인 이점을 제공하는 친환경적인 제품을 만들도록 도와줄 수 있다.

여기서는 가전제품 설계자가 FPGA 기술과 Alizem 모터 제어 IP(intellectual property)를 사용하여 모터 제어를 포함하여 모든 기능이 통합된 단일 칩으로 차세대 가전제품을 설계하는 방법을 보여준다.

모터 제어의 기본 원리

최근 수년 사이에 나타난 가전제품의 에너지 효율의 획기적 증가는 주로 모터 제어 기술의 주요 변화에 기인한 것이다. 파워 컨버터 기반 변속 모터 드라이브를 사용하면 이전 세대의 가전제품보다 최대 60% 이상 에너지를 절감할 수 있다. 이 기술은 전자 회로에 탑재된 모터 컨트롤러에 의해 관리되는 파워 트랜지스터를 사용하여 파워 아웃릿의 고정 주파수/고정 진폭 전압을 가변 주파수/가변 진폭 전압으로 변환한다. 따라서 모터 컨트롤러의 기능은 성능과 전체 에너지 소비 측면에서 최대 전력 변환을 얻는 데 있다.

가전제품에 사용되는 모터 제어

모터 제어 시스템은 세탁기, 탈수기, 냉장고 및 식기 세척기의 심장이지만 모터 제어 기술은 사용되는 모터 종류에 따라 달라진다. 가전제품에서 가장 많이 사용되는 두 종류의 모터는 영구 자석 동기 모터(PMSM)와 유도 모터(IM)이다. 에너지 소비와 잡음 측면에서 가전제품 설계의 품질은 소비자 기대를 만족시키고 비용 경쟁력을 갖추면서 환경 및 파워 유틸리티 규정을 준수하기 위한 기본 요소이다. 미국 에너지부에 따르면 세탁기에서 파워 컨버터 기반 변속 모터 드라이브를 사용할 경우 1년에 최대 140kWh를 절약할 수 있으며 추가적으로 연간 2,374kWh의 온수를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

모터 제어에 FPGA 및 커스텀 IP를 사용하는 장점

모터 및 전자 스위치에는 본질적으로 전류 흐름의 고속 동력이 존재하기 때문에 모터 제어는 많은 양의 컴퓨팅 파워를 필요로 하는 비선형의 시간 가변적 파라미터 애플리케이션이다. 이전에 이러한 컴퓨팅 파워 요구사항은 단일화된 범용 펄스 폭 변조 (PWM) 블록을 통합한 독립형 MCU/ DSP 칩에 모터 제어 소프트웨어 구조를 실행하여 충족시켰다. 그러나 이러한 종류의 시스템 구조는 모터 제어 애플리케이션에 필요한 최적의 파워, 성능 또는 통합을 제공할 수 없다. 다음에서는 설계자가 에너지 효율이 높은 고성능 가전제품 모터 제어 시스템을 구현하도록 도와주는 Altera