디지털신호컨트롤러(DSC):

자동차용BLDC 모터애플리케이션의전자식제어

기계식으로 작동하는 자동차 시스템이 전자식 모터 기술을 사용하는 시스템으로 대체되고 있다. 오늘날 자동차에 들어가는 반도체의 수가 증가하는 추세는 자동차 시스템 개발자들이 전자식모터 제어를 통해 보다 안전하고 효율적인 자동차를 원하는 소비자의 요구를 해결하려는 데서 일부 원인을 찾을 수 있다.동기식 모터 그룹에서 파생된 BLDC(Brushless Direct Current) 모터는 연료 펌프, 워터 펌프, 냉각 팬 및 스테퍼모터 등을 계속 회전시켜야 하는 자동차애플리케이션에 적합하다. BLDC는 높은 신뢰도를 요구하는 위치 확인 시스템에 시작 및 정지 기능을 제공한다.또한 BLDC 모터에서 제공하는 전자식 제어는 에너지 절감, 환경 영향 감소및 안전한 차량 제작 등과 같은 자동차관련 법적 요구 사항을 준수하는 데 핵심적인 역할을 한다. BLDC 모터는 연료 펌프 및 전자식 파워 스티어링 같이공간이 비좁은 가변 속도 애플리케이션에도 유용하다. 이러한 종류의 애플리케이션에서는 결함을 진단해야 하는 것은물론, 온도 및 전압 작동 범위가 넓기 때문에 전자식 제어가 반드시 필요하다.임베디드 프로세서는 첨단 드라이버의 늘어나는 요구와 수요를 해결해야 하는 자동차 시스템 디자이너에게 없어서는 안 될 중요한 부품이다. 자동차 시스템 디자이너는 전자식 제어 솔루션의 사용 폭이 확대됨에 따라 이러한 요구를해결하는 동시에 잡음이 낮고 정확도가뛰어난 저가형 시스템을 빠른 속도로 개발해야 하는 자체적인 요구 사항까지 해결할 수 있게 되었다.현재 자동차 시스템 디자이너들이 사용할 수 있는 임베디드프로세서 솔루션의 종류는 전 세계적으로 다양 하 다 . 이 가운데BLDC 모터 제어에 적합한 단일 칩 아키텍처플랫폼으로는 16비트디지털 신호 컨트롤러(DSC)를 꼽을 수 있다. 이러한 유형의플랫폼은 마이크로컨트롤러(MCU)의제어 기능과 함께 디지털 신호 프로세서(DSP)의 컴퓨팅 및 처리량 성능을 제공한다. DSC는 이러한 방식을 통해 많은자동차 전자 시스템에서 요구되는 복잡한 고속 수학 함수를 효과적으로 실행할수 있다.마이크로칩(Microchip)의 dsPIC??DSC는 원활한 마이그레이션 경로 및핀 간 호환 특성을 갖추고 있어 하드웨어 및 소프트웨어의 기본 구성 요소를다시 사용할 수 있는 것이 특징이다. 또한 이처럼 16비트 MCU와 강력한 DSP기능이 적절히 조합되어 자동차 전자 시스템의 성능을 높이는 동시에 시스템 비용을 낮추고 디자이너의 제품 출시 시간을 앞당기는 이점을 제공한다.

<그림 1> 양쪽 영역 모두에서 탁월한 성능 발휘하는 DSC

DSC의 주요 사양 개요

일반적인 DSC 아키텍처는 CPU 및주변 장치 특성을 다양한 자동차 BLDC애플리케이션에 적합하도록 처리한다.마이크로칩의 모터 제어 애플리케이션용 16비트 dsPIC DSC를 통해 얻을 수있는 주요 이점은 다음과 같다.?듀얼 40비트 어큐뮬레이터(accumulators)?단일 주기 16 x 16 MAC 연산?40단계 배럴 시프터 (barrel shifter)?이중 피연산자 페치?포화 및 반올림 모드(Saturation and rounding mode)?DO 및 REPEAT 루프또한 dsPIC DSC는 유연한 인터럽트,감시 타이머 및 실시간 에뮬레이션 기능을 제공한다. 자동차 시스템 개발자는이러한 사양의 조합을 통해 BLDC 기반애플리케이션과 연관된 전자식 제어 문제를 해결하는 컨트롤러를 활용할 수 있게 된다.

향상된 CPU 기능

16비트 DSC에서 주목할 만한 특징은광범위한 수치 처리 기능이다. dsPIC-30F 및 dsPIC33F 같은 순수 DSC에는2개의 개별 16 x 16비트 곱셈 연산 결과가 저장되는 40비트 어큐뮬레이터가 들어 있다. 이러한 DSC는 대부분의 명령어를 한 번의 주기에 실행한다.대부분의 성능 지향적인 신호 처리 알고리즘에서는 실행 중인‘곱의 합’을 계산해야 한다. MAC(Multiply-and-Accumulate) 같은 특수 명령어를 사용하면 두 개의 16비트 숫자를 곱해 어큐뮬레이터에 결과를 더한 다음, RAM에서 데이터 값 쌍을 프리 페치(Pre-Fetch)할 수 있다. 또한 이 모든 과정이단일 명령어 주기로 이루어진다. 어큐뮬레이터가 2개인 경우에는 한 어큐뮬레이터에 데이터를 다시 쓰면서 다른 어큐뮬레이터에서는 계산을 수행할 수도 있다.뿐만 아니라 표준 MCU와 달리 DSC는 데이터를 정수 형식으로 가정하지 않고 분수 형식으로 해석하여 분수 산술계산을 지원할 수 있다.

유연한 인터럽트 구조

DSC 아키텍처는 인터럽트 구조 면에서 유연성이 매우 뛰어나다. 일반적으로DSC는 많은 수의 개별 선택 및 우선 순위 지정이 가능한 인터럽트 소스를 지원하는데, 이는 여러 개의 센서와 엑추에이터를 구동해야 하는 애플리케이션에매우 적합한 특성이다. 이 경우 인터럽트 대기 시간의 결정론적 특성이 뛰어나시스템 개발자의 부담을 덜어 준다

RTSP(Run-Time SelfProgramming)

많은 자동차 애플리케이션에서는 센서에서 수집한 데이터, 트랜스듀서 간의편차, 그리고 미리 측정한 오프셋을 보정하기 위해 상수가 저장되어 있어야 한다. 대부분의 DSC 디바이스는 상수를안정적이면서 효율적으로 저장 및 액세스하는 프로그램 플래시 메모리 및 플래시 기반 데이터 EEPROM을 사용한다.오늘날의 시스템 개발자는 유연성과 보안 성능이 뛰어난 플래시 메모리를 다양한 DSC에 사용할 수 있다.

ICSPTM(In-Circuit SerialProgrammingTM)

플래시 DSC는 ICSP 기술을 통해 현장에서 애플리케이션 펌웨어를 손쉽게업그레이드할 수 있다. 또한 ICSP는 서로 다른 자동차 서브시스템과 작동 환경에 동일한 컨트롤러를 사용할 수 있도록하는 역할도 한다. 아울러, 이처럼 향상된 기능을 최소한의 비용으로 즉시 구현할 수 있다.

고해상도의 ADC

애플리케이션에서 발생하는 작고 빠른 속도의 변화를 측정하려면 고속 및고해상도 사양의 온칩 ADC를 선택해야한다. 적절한 DSC를 선택하는 과정에고려해야 할 가장 중요한 요소 중 하나는 다양한 샘플을 동시에 측정할 수 있는 온칩 ADC의 기능이다. 이 기능을 사용하면 위상 내에서 발생하는 모터 전압과 전류를 측정하여 제어 루프에서 오류가 발생하는 것을 막을 수 있다.아날로그-디지털 변환 속도가 빠르면여러 가지 면에서 도움이 된다. 먼저, 샘플 대기 시간을 최소화하여 폐쇄 루프성능을 높여 준다. 또한 변환 속도가 빠르면 모든 채널에 대해 높은 처리량으로여러 채널의 샘플링을 수행할 수 있다.뿐만 아니라 빠른 변환 속도와 DSC 코어의 DSP 기능까지 결합되면 잡음이많은 모터 피드백 신호의 오버샘플링 및필터링까지 수행할 수 있다.

펄스폭 변조(PWM)

DSC는 지정된 파형 및 극성의 PWM신호를 자동으로 생성한다. 일부 DSC는이러한 고급 유형의 PWM 기반 알고리즘을 위한 광범위한 온칩 주변 장치가 지원되어 코드 개발을 단순화하고 다양한 방법으로 시스템의 전반적인 유연성을 향상시킨다.먼저, 여러 PWM 발전기에서 BLDC모터의 사인 곡선 정류를 위해 상보적인출력 및 자동 데드 타임 삽입 기능을 제공한다. PWM 모듈 역시 6단계 정류를 구현하는 오버라이드(Override) 제어 기능을 갖추고 있다. 이 경우 동기식 정류를비롯해 전류 흐름을 제어하여 인버터 효율을 극대화하는 다양한 인버터 구조를사용할 수 있다.게다가 PWM 기반 알고리즘은 래치 또는 자동 과전류 보호를 위해 결함(Fault)핀을 사용하기도 한다. 그리고 ADC는PWM과 동기화되어 션트(Shunt) 저항기전류를 정확히 측정한다.

QEI(Quadrature Encoder Interface)

자동차의 수많은 작동 측면을 전자식으로 뛰어나게 제어하려면 차량 속도와위치는 물론 차량 내 기계 부품의 속도와 위치까지 정확하고 신속하게 측정해야 한다. 쿼드 인코더를 사용하면 이러한 측정을 간단히 수행할 수 있으며, 그에 따라 많은 모터 제어 애플리케이션에서 폐쇄 루프 제어를 사용할 수 있게 된다.

CAN(Controller Area Network)

마이크로컨트롤러가 기능과 속도 증가와 함께 발전을 거듭함에 따라, 차내의 전자식 제어모듈이 다른 모듈과 안정적이면서효율적으로 통신해야 할 필요성이대두되고 있다.이러한 상황에CAN 버스는 향후 5~7년 동안자동차 네트워크노드를 위한 주요표준 역할을 수행할 것으로 예상되고 있다

<그림 2> 모터 제어 블록 다이어그램

모터제어애플리케이션에DSC가 적합한이유

DSC의 CPU는 강력한 DSP 명령어집합과 유연한 어드레싱 모드를 지원하므로 산술 및 로직 계산을 신속하고 정확하게 수행할 수 있다. 대부분의 DSC아키텍처는 특히 다음과 같은 제어 동작에 매우 적합한 성능을 나타낸다.ⓐ 주기적인 서비스 인터럽트.차량 속도 및 스티어링 각도를 주기적으로 샘플링하여, ABS(Anti-lockBrake System)가 적절히 작동하도록 하는 데 필요한 브레이크 압력을계산한다.ⓑ 다중 센서 및 제어 입력에서 데이터캡처차량 속도, 가속도, 상대 바디/휠 모션 및 스티어링 각도를 동시에 측정하여 액티브 서스펜션(Active-Suspension) 제어 시스템의 제동 수준을 확인한다.ⓒ 데이터 및 제어 펄스를 엑추에이터로전달가변 듀티 사이클 PWM 신호를 통해연료 분사 장치를 적절한 시간 동안열고 닫을 수 있다.ⓓ 분산된 시스템에서 다른 컨트롤러 모듈과 데이터 공유다양한 서브시스템을 네트워크로 연결하여 진단 모듈이나 사용자 디스플레이 패널로 진단 데이터를 주기적으로 전송한다.

BLDC 모터 개요

BLDC 모터는 DC 전압 소스를 통해바로 작동하지 않을 뿐 아니라 정류를위해 브러시를 사용하지도 않는다. 그대신 BLDC 모터는 영구 자석이 있는회전자와 고정자 권선이 포함되어 있으며, 정류를 전기적으로 수행한다.정류는 적절한 시간에 모터의 위상 전류를 바꿔 회전 토크를 만들어 내는 동작이다. 브러시 모터에서는 정류를 기계식으로 수행하지만 BLDC 모터에서는반드시 전기적으로 수행해야 한다.고정자의 금속 증착 필름(StackedSteel Laminations)은 슬롯에 있는 권선을 BLDC 모터에 제공하며, 내부 둘레를 따라 축 방향으로 절단되어 있다.이 고정자는 일반적으로 유도 모터의 고정자와 유사하지만 모터의 권선을 비분산 형식으로 구성할 수 있다. 각 권선은슬롯에 있으며, 서로 연결되어 보다 큰권선을 형성하는 수많은 작은 코일로 이루어져 있다. 또한 각 권선은 고정자 내부에 분산되어 일정한 수의 극을 형성한다. 고정자 권선은 사다리꼴이나 사인곡선 형태일 수 있으며, 각각 서로 다른유형의 역 기전력(BEMF)을 만들어 낸다. 위상 전류 역시 사다리꼴 또는 사인곡선의 변형으로 나타난다.모든 회전자에는 동일한 유형의 영구자석이 있으며 극 쌍은 2개에서 8개까지 다양하다. 회전자를 만드는 데 적합한 자석 소재는 필요한 자기장 밀도를고려해 선택한다. 영구 자석을 만들 때는 통상적으로 페라이트(Ferrite) 자석을 사용한다. 그러나 현재 희토류(RareEarth Alloy) 자석에 대한 수요가 점점늘어나고 있는데, 이 자석은 볼륨당 자기 밀도가 높을 뿐 아니라 토크는 동일하게 유지하면서 회전자를 추가로 압축할 수 있게 해 준다. 합금 자석은 크기대 중량비를 개선하며 페라이트 자석으로 구성된 동일한 크기의 모터보다 높은토크를 전달한다. 또한 BLDC 모터에는회전자 자석 위치를 탐지하는 방법이 있어야 한다.BLDC 모터가 널리 사용되는 이유는빠르고 잡음이 없으며 효율이 높을 뿐아니라 작동 수명이 길기 때문이다. 또한, BLDC 모터는 컴팩트한 크기, 제어용이성, 높은 효율, 낮은 EMI, 그리고높은 신뢰도 때문에도 많은 주목을 받고있다. 이처럼 컴팩트한 크기를 얻을 수있었던 것은 자석의 효율을 개선하는 기술이 발전한 데서 직접적인 원인을 찾을수 있다.뿐만 아니라 BLDC 모터에 전달되는토크와 모터 크기 간의 비는 BLDC를사용하지 않는 모터보다 높으며, 이러한특성으로 인해 BLDC 모터는 공간과 중량에 민감한 애플리케이션에 매우 적합하다.BLDC 모터는 센서 기반 시스템이나무센서 시스템에 디자인할 수 있다. 무센서 BLDC 모터 시스템을 구현하면 홀효과(Hall Effect) 또는 광 센서와 이를지원하는 전자 부품에 들어가는 비용을없앨 수 있다. 또한 무센서 동작은 회전자가 연료, 오일 또는 물 같은 유체 속에서 작동하는 경우에 특히 유용하다. 무센서 제어에서는 정류에 BEMF 제로 크로싱(Zero-Crossing)이 사용된다.

DSC의 BLDC 제어 원리

임베디드 시스템 디자이너들은 유연성을 유지하면서 비용 및 성능 목표를달성해야 하는 압박에 시달리고 있다.DSC는 시스템 비용을 줄여 줄 뿐 아니라 높은 견고성과 탁월한 신뢰도가 요구되는 실시간 제어 애플리케이션에서 뛰어난 성능을 발휘한다. DSC를 통해 시스템에서 얻는 추가적인 이점은 다음과같다.ⓐ 시스템 클럭과 별개로 내부 오실레이터에서 작동하는, 신뢰할 수 있는 감시(Watchdog) 타이머.ⓑ 시스템 클럭 오류 감지 시 칩을 강제로 리셋하는 온칩 클럭 모니터.ⓒ 외부 크리스탈에 의존하지 않고 중요한 보드 공간을 절감하며 시스템 비용을 낮추는 온칩 오실레이터.ⓓ 전력 글리치 발생 시 절전 보호 기능과 함께 칩을 리셋하는 외부 리셋 회로에 대한 필요성을 없애 주는 지능형 온칩 파워온리셋(POR). 보다 저렴한 비용으로 시스템의 견고성을 높일 수 있다.ⓔ 1.1Msps로 작동하는 고분해능 ADC가 포함된 첨단 아날로그 주변 장치와 최대 8개의 입력에 대한 샘플링및 홀드를 지원하는 기능. 시스템 처리량을 향상시킬 수 있다.ⓕ 온칩 QEI와 함께 중앙 또는 에지에정렬되며 모터 제어 PWM 채널이 최대 8개인 향상된 모터 제어 주변 장치. 시스템 성능을 높이고 소프트웨어 오버헤드를 줄여 준다.무센서 BLDC의 위치와 속도를 파악하기 위해 주로 채택되는 구현은 BEMF‘제로 크로싱’이다(그림 3 참조). 그림3에는 BLDC 모터에 연결된 와이어 3개에서 발생한 전압 변화가 나타나 있다.모터의 BEMF 파형은 위치 및 속도와함수 관계를 이루며 저항 디바이더와 연산 증폭기에 의해 결정된다. 이 시스템은 비활성 위상의 BEMF가 영(0)일 때인스턴스를 탐지한다.BEMF 제로 크로싱 감지 시스템은 다양한 모터에 적절히 사용할 수 있다. 디자인을 용이하게 하려면 디자인에 Y 및Δ 연결 3상 모터 이론을 적용한다. 제로 크로스 BEMF 기법에서는 신호의 상승 및 하강이 임계 전압을 교차하는 인스턴스를 검색하므로, 이 방식은 모터제조 허용 오차 변화에 영향을 받지 않는다. 제로 크로스 BEMF 기법은 전압또는 전류 제어 회로와도 함께 사용할수 있다.그러나 제로 크로스 BEMF 방식의 첫번째 단점은 모터가 최소 속도로 작동하며 충분한 BEMF를 생성해야 한다는

점이다. 두 번째로 모터 부하가 갑자기변경되면 BEMF 루프의 잠금이 해제될 수 있다. DSC의 소프트웨어 알고리즘은 대개 이러한 잠금 조건을 수정한다.그림 4에서는 무센서 BLDC 시스템의 하드웨어 예를 보여 준다. 이 그림에 서 마 이 크 로 칩 테 크 놀 로 지(Microchip Technology)dsPIC30F2010 DSC 의 6채널 PWM레지스터는 3상 인버터를 통해 BLDC를 구동한다. DSC의 PWM 부분에서는 여러 개의 동기화된 출력을 만들어낸다. PWM 모듈에는 PWM I/O 핀 6개와 듀티 사이클 생성기 3개가 들어있다. PWM 카운터는 최대 16비트 해상도를 제공하며 시스템 개발자는‘작동 중’에 주파수를 변경시킬 수 있다.6개의 16kHz PWM 출력 채널은 버스전류, 버스 전압, 디맨드 폿(DemandPot), PWM 모듈에 동기화된 위상 전압 샘플 및 타이머 3 개의 동시 샘플링10비트 ADC에 대해 4개의 입력 채널을 구동한다. 6채널 PWM 레지스터는BLDC 모터를 구동한다.10비 트 ADC는 BLDC 모 터 의BEMF를 모니터링한다. ADC 입력AN12, AN13 및 AN14는 BLDC 모터의 레그 3개를 동시에 샘플링하고 버스전압을 테스트한다. 또한 10비트 ADC는 BEMF 테스트 과정에‘제로 크로싱’전압(VDC)을 측정한다. 뿐만 아니라 증폭기/비교기 네트워크를 사용하는 전류 피드백 회로는 PWM 결함 보호 핀인 FLTA에 연결된다. PWM 결함이 감지되면 모터는 셧다운된다. 샘플 및 홀드의 출력은 컨버터에 입력되어 결과를 생성한다. 아날로그 레퍼런스 전압은 디바이스 공급 전압(AVDD/AVSS)이나 핀의 전압 레벨(VREF+/VREF-)로 소프트웨어에서선택할 수 있다.BEMF제로 크로싱 루틴이 구현되면소프트웨어를 통해 모터 속도를 제어한다. 또한 30??의 위상 개량으로 모터의 작동 속도 범위가 향상된다. dsPICDSC 아키텍처는 실행 속도가 빠르기때문에 모터 제어 성능에 영향을 주지않고 필요한 계산 성능을 제공할 수 있다.자동차 전자 부품이 발전을 거듭함에 따라 연료 펌프 제어 및 전자식 파워 스티어링 같은 까다로운 애플리케이션에서 전자식 제어 BLDC 모터의기회가 대두되고 있다. 이러한 영역은시스템 개발자가 효율과 신뢰도를 가장 중요하게 고려하는 부분이기도 하다. DSC는 이처럼 떠오르는 BLDC 기반 애플리케이션을 위한 이상적인 임베디드 제어 프로세서 옵션이다.시스템 개발자는 각자의 특정 애플리케이션 문제를 적절히 해결할 수 있는 DSC 아키텍처에 시간과 노력을 투자해야 한다. 또한 단일 칩 DSC 아키텍처는 소프트웨어 호환성, 견고한 주변 장치, 고속 인터럽트 처리 기능을비롯하여 공간에 민감한 애플리케이션에서 고도의 계산 집약적인 작동을 수행하는 기능까지 지원해야 한다. 다행히도 오늘날의 시스템 디자이너들은다양한 DSC를 마음대로 선택하여 시스템 비용을 줄이고 출시 시간을 단축하는 동시에 고성능 자동차 전자 시스템을 제작할 수 있다.이와 함께 대부분의 주요 DSC 공급업체에서는 다양한 개발 툴, 애플리케이션 라이브러리, 개발 보드 및 레퍼런스 디자인을 제공하고 있다. 시스템 개발자는 이러한 모든 툴을 적절히 활용함으로써 디자인을 적시에 효율적으로구현할 수 있다

<자료제공: 반도체네트워드 2006년 01월>