iMOTION 플랫폼의 타깃 애플리케이션은 각 애플리케이션의 요구조건을 만족시킬 수 있도록 주문형 전용 레퍼런스 설계를 동반한다. 각 레퍼런스 설계는 소프트웨어, 관련 라이브러리와 함께, 컨트롤러, 전력단 및 모터를 더욱 신속하게 구동하기 위해 필수적인 부속부품을 통합한 보드로 구성된다.

글│엔고 머레이(Aengus Murray), 인터내셔널 렉티파이어(IR)

법률, 환경 문제 및 경제적 요소는 OEM 업체들에게 가정의 에너지 소비를 감소시킬 수 있는 솔루션에 집중하도록 강요하고 있다. 가전 제품(Domestic Appliance)에서 더욱 효율적인 모터를 이용하고 가변형 속도 작동 기능을 결함으로써 평균적인 가정내 에너지 소비를 획기적으로 절약시킬 수 있다. 그러나 이 경우는 비용 효율적인 모터 컨트롤 솔루션을 이용할 수 있는 경우에만 해당한다.

효율성 그 이상

냉장고, 세탁기, 식기세척기와 같은 가전 제품은 전세계 에너지 소비에 상당한 몫을 차지한다. 그러나 30%의 효율성 향상은 전통적인 유도 전동기(Induction Motor)를 가변형 속도 영구자석전동기(PM 모터: Permanent Magnet Motor)로 교체함으로써 달성될 수 있다. 이것은 라인 주파수에서 기인하는 고정형 속도에서 동작하며 온 상태 및 오프 상태를 단순하게 반복시킨다. 따라서 가변형 속도 설계는 더욱 효율적인 동작을 위해 시장 요구조건에 효과적이다.

에너지 소모를 감소시키는 것과 함께, 영구자석전동기에 있어서 더 낮은 손실과 암페어당 더 높은 토크(Torque)는 설계자들에게 소형, 경량의 모터를 만들 수 있게 한다. 예를 들어, 냉장 애플리케이션에서 컴프레서를 동작시켜 목표 온도를 유지시킬 수 있다. 이것은 공간과 무게를 줄일 수 있을 뿐 만 아니라 저가형 모터를 가능하게 하고 기계적인 설계를 쉽게 할 수 있게 한다. 영구자석전동기는 대부분 가변형 속도 가전 애플리케이션에 선택되는 기술로 유도 전동기와 비교해 스틸과 같은 값비싼 원자재를 더욱 적은 양을 사용해 혼합시키는 경향이 있다.

가변형 속도 모터 동작은 더 높은 신뢰성과 더욱 긴 수명의 특징도 제공한다. 전반적으로 더 낮은 구매 가격과 더 낮은 유지비의 가능성은 구매자들에게 가변형 속도 가전 제품이 더욱 매력적이게 한다.

모터 컨트롤 IC의 요구조건

따라서 가전 제품 설계자들은 전통적인 유도 전동기 설계에서 PM 모터로 전환하고 있다. 차세대 가변형 속도 가전 제품용으로 적절한 컨트롤러 솔루션을 구현하기 위해, 반도체 제공업체들은 최적의 제어 알고리즘을 개발과 함께 애플리케이션 공간에 대한 폭넓은 요구조건을 만족시키는 데에도 주의를 기울여야 한다. 여기에는 조용한 동작 보장을 위한 기법 구현, 비용 감소 및 신뢰성 향상을 위해 모터 위치 센서와 같은 외장형 부품 제거, 파워 일렉트로닉스 설계를 단순화 할 수 있는 㰡앰프 당 토크㰡‘ 최대화하기 등이 포함된다.

PM 모터는 사다리꼴 전류 파형 제어를 이용해 일반적으로 제어된다. 그러나 과도한 음향 잡음(Acoustic Noise)과 진동을 피하기 위해, 세탁 시 스핀 모드와 같은 고속 작동을 하는 동안 정현파 가진(Sinusoidal Excitation)이 필요하다. 그러므로 칩 제조업체들은 정현파 전류(Sinusoidal Current) 제어를 달성할 수 있는 효율적이고 경제적인 방법을 찾아야 한다.

그러나 이것은 정확한 로터(Rotor) 포지션 센싱 달성을 조건으로 한다. 일반적으로 홀 효과(Hall Effect) 센서는 로터 포지션을 감지하기 위해 폭넓게 사용되고 있다. 센서를 제거하면서 동시에 완만한 정현파 전류 제어를 보장하는 것은 더 낮은 기계식 진동, 더 높은 신뢰성, 더 낮은 음향 잡음 실현을 가능하게 할 것이다. 사실상 이것은 향상된 제어 알고리즘을 요구할 뿐 만 아니라 복잡한 연산을 위한 제어 엔진을 장착해야 하는 저가형 컨트롤러를 필요로 한다.

그러나 실제적인 센서가 없는(Sen-sorless) 제어를 구현하는 것은 획기적인 설계 노력과 위험이 동반된다. 예를 들어, 한가지 중요한 문제는 모터 전류가 특수 PWM 타이밍의 설계를 기반으로 적절한 시간에 샘플되는 것을 보장하는 것이다. 따라서 적당한 컨트롤 IC가 가전제품 설계자들에게 중요하게 받아들여 진다면, 이 기능을 통합해야 한다.

`암페어 당 토크`는 모터에 공급되는 단위 암페어 당 얼마나 많은 토크가 달성되는가를 의미한다. 암페어 당 높은 토크 달성을 통해 가전 제조업체들은 더욱 소형 크기의 전력 반도체 소자를 사용할 수 있게 되며 히트싱크 구조의 크기도 감소시킬 수 있다. 내부에 자기 부품을 내장한 PM 모터는 소위 IPM (Interior PM) 모터로 불리며 자기저항 토크(Reluctance Torque)로 알려진 추가적인 토크 부품의 이점을 제공한다. 이 토크는 로터 포지션의 기능으로써 인덕턴스에서 변화를 만들어 낸다. 따라서 IPM용 자기저항 토크 제어도 필수적으로 요구된다.

모터 컨트롤을 위한 하드웨어 플랫폼

인터내셔널 렉티파이어는 iMOTION으로 알려진 설계 플랫폼을 제공함으로써 고성능 PM 모터 컨트롤러 개발에 따른 힘들고, 위험이 따르며, 엄청난 비용의 문제를 감소시켜 준다. iMOTION의 기본은 MCE(Motion Control En-gine)로 불리는 고부가가치의 IP 블록이다.

MCE(그림 1)는 디지털 PFC 제어 및 센서리스 정현파 전류/속도 제어를 위한 고속 연산 알고리즘을 제공하는 유일한 하드웨어 제어 엔진이다. MCE는 단지 마이크로초 내에 완벽한 정현파 FOC(Field Oriented Control) 루프를 위한 연산을 수행한다. MCE는 애플리케이션 최적화형 디지털 컨트롤러 시리즈의 기본을 제공한다. 이것은 특정 시스템 파라미터를 만족시킬 수 있도록 레지스터를 구성할 수 있게 한다. 설계자들은 애플리케이션의 요구조건을 충족하기 위해 외부 속도 루프를 맞춤형으로 만들어야 한다. MCE는 PC 기반형 구성 툴을 이용한 방법으로 파라미터를 쉽게 제시하며, 이를 통해 설계자들은 스프레드시트에서 필수 파라미터를 단순하게 입력만 하면된다.

호환가능한 아날로그 인터페이스와 전력 모듈은 설계 플랫폼을 완성시켜, 설계자들이 소프트웨어 코드를 지정할 필요 없이, 완벽한 PM 모터 컨트롤러를 빠르게 구성할 수 있다. 즉 전류 센스 레지스터의 타이밍 결정형 샘플링을 제어할 수 있다.

또한 파워일렉트로닉스 설계, 아날로그 설계, 시스템 통합 작업이 설계자들의 업무 리스트에서도 제외되어 고속의 효율적인 고품질 모터 컨트롤 솔루션을 구현할 수 있게 하며, 암페어당 높은 토크 및 조용한 동작을 가능하게 한다. 또한 외장형 부품 수를 감소시켜 준다.

파워 스위칭 부품들은 디스크리트 및 고집적 모듈을 포함해 다양한 구성으로 이루어진 고효율성 DST(Depletion-Stop Trench) IGBT이다. 이러한 부품들은 PT(Punch-Through)와 NPT (Non-Punch-Through) IGBT에 비해 더 낮은 컬렉터-투-에미터 포화 전압(VCE[ON])과 총 스위칭 손실(ETS)을 보여준다.

플랫폼 확장

iMOTION 개념이 진화하는 다음 단계는 PFC(Power Factor Correction)를 포함한 중요한 모터 컨트롤 기능이 통합될 뿐만 아니라 애플리케이션 레벨 컨트롤과 함께 단일형 혼합 모드 컨트롤러 IC에서 MCE를 통합된다.

추가되는 한 가지 요소는 전용 고속 아날로그 회로인 아날로그 신호 엔진(ASE)으로 외장형 전류 센스 레지스터 전반에 걸쳐 전압 드롭을 직접 감지하기 위해 필수적인 모든 연산 증폭기를 통합했다. ASE는 12비트 ADC도 갖추고 있어 모터 위상 전류를 재구성할 수 있다. 따라서 모터 위상 전류 센스 네트워크에서 외장형의 작동 부품과 관련 샘플/홀드 회로를 제거해 단일 센스 레지스터에 대한 센서리스 제어를 위한 디스크리트 부품 요구조건을 감소시킨다.

잘 알려진 8051 코어에 기반한 애플리케이션 레이어 프로세서는 혼합 모터 모드 컨트롤러 IC(그림 2)에 통합되었으며, 써드 파티 C와 ASM 툴을 이용해 개발된 가전 애플리케이션을 호스트 할 수 있다. 이를 통해 애플리케이션은 MCE 구성을 독립적으로 변경할 수 있으며, 애플리케이션 프로세서에 대한 슬레이브로 MCE를 효과적으로 다룰 수 있다. 온-칩에 사용된 8051을 이용해, 모터 속도 설정과 같은 기능 및 UART, I2C/SPI, 타이머/카운터, 캡처, 디지털 I/O 주변기기와의 시퀀싱 및 통신을 통합한 구동형 애플리케이션 레이어 기능들은 추가적인 외부 컨트롤러가 필요 없다.

애플리케이션 레이어 프로세싱 요구조건이 8051만의 기능 이상이라고 해도, 소형의 비용이 많이 들지 않는 추가 마이크로는 전반적인 시스템 요구조건을 만족시킬 것이다. MCU는 제공되는 JTAG 포트를 통해 구성될 수 있다. iMOTION 플랫폼의 타깃 애플리케이션은 각 애플리케이션의 요구조건을 만족시킬 수 있도록 주문형 전용 레퍼런스 설계를 동반한다(그림 3). 각 레퍼런스 설계는 소프트웨어, 관련 라이브러리와 함께, 컨트롤러, 전력단 및 모터를 더욱 신속하게 구동하기 위해 필수적인 부속부품을 통합한 보드로 구성된다. 그래픽 개발 툴은 이 때 신속한 애플리케이션-특정 개발 및 디버깅을 위해 사용될 수 있다.

<기사제공: 월간 반도체네트워크 2006년 05월호>