DSP 내장 MCU로 고효율 BLDC 모터 제어

DSP 내장 MCU로
고효율 BLDC 모터 제어

현재 인버터 관련 산업 및 기술의 발달로 BLDC 모터, 스위칭 디바이스, 마이크로컨트롤러 등의 성능향상과 함께 비용부담이 낮아져 가정용 프리미엄급 제품부터 빌딩용 시스템 에어컨에 이르기까지 인버터 에어컨의 비중이 눈부시게 증가하고 있다. 특히 마이크로칩 테크놀로지의 16비트 MCU인 dsPIC30F4011은 안정적인 모터 제어와 함께 단시일 내에 새로운 제품을 개발할 수 있도록 최적의 환경을 제공하고 있다.

자료제공/ (주)한국마이크로칩 테크놀로지(www.microchipkorea.com)

기존의 에어컨 실외기는 정격전압(예를 들면 220V/60Hz)을 인가받아 정격주파수에 비례하는 일정한 회전속도로 구동하는 정속형 압축기(Compressor)를 사용했다. 정속형 압축기는 단순 온-오프 제어를 위한 전원 릴레이만으로도 제어가 가능했으며, 냉방 및 난방 부하의 변동 등 온도변화에 상관없이 일정한 출력을 가지고 있었다. 이러한 에어컨은 부하 변화에 따른 대처가 어렵고 불필요한 전력소모가 발생하며, 압축기의 온-오프가 자주 발생해 시스템 효율 및 성능에 있어 문제점을 가지고 있었다.
인버터 에어컨은 기존의 에어컨이 가지고 있는 단점을 극복하기 위해 AC 인덕션 모터 및 고효율 BLDC 모터를 적용한 압축기를 채택했으며, 모터의 회전속도를 가변할 수 있다. 특히 냉방 및 난방의 부하 변동에 따라 유연하게 압축기의 회전속도를 가변할 수 있어 일반 에어컨에 비해 전력소모를 최대 20~30%까지 감소시켰다. 또한 고효율을 달성함과 동시에 실내 희망온도 도달시간을 단축시킬 수 있으며, 저속운전을 통해 온도편차 없이 일정온도를 유지시켜 줄 수 있어 보다 쾌적한 환경을 제공하고 있다.
현재 인버터 관련 산업 및 기술의 발달로 BLDC 모터, 스위칭 디바이스, 마이크로컨트롤러 등의 성능향상과 함께 비용부담이 낮아져 가정용 프리미엄급 제품부터 빌딩용 시스템 에어컨에 이르기까지 인버터 에어컨의 비중이 눈부시게 증가하고 있다. 특히 BLDC 모터의 가격 하락 및 고효율, 소형화에 힘입어 수년전부터는 인버터 에어컨 제품도 상대적으로 저렴한 AC 인덕션 모터 대신 고효율 BLDC 모터를 채택하고 있는 추세이다.

제로 크로싱 검출
고성능 dsPIC30F4011

그림 1. 역기전력의 제로 크로싱 검출 파형

BLDC 모터는 일반 DC 모터 브러쉬의 기계적 정류에 의해 발생하는 소음, 스파크, 전파간섭 등을 줄이기 위해 비접촉식 전자식 스위칭방식을 사용해 모터의 수명을 연장시킬 수 있으며, 유지보수가 필요없다. 일반적으로 BLDC 모터로 동기제어를 하기 위해서는 회전자(Rotor)의 정확한 위치 검출을 위한 홀센서나 포토센서 등이 필요하지만, 에어컨 압축기의 경우 내부의 높은 냉매 온도 및 윤활용 오일로 인해 위치 검출용 센서의 부착이 불가능하다.
센서리스 BLDC 모터는 BLDC 모터와 동일한 전기적 특성을 갖으나 광센서나 홀센서와 같은 위치센서를 갖지않는다. 이러한 모터는 사이즈가 작고 위치센서 신호의 간섭 등에 의한 오동작이 없으며, 위치 센서가 사용될 수 없는 높은 온도, 오염된 환경 등에서 동작이 가능하고 생산 및 유지비용이 적다.
이 모터는 정확한 정류 방향 및 위치 검출을 위해 회전자의 위치를 검출하는 방법으로 역기전력(BEMF, Back Electro-Magnetic Force)의 제로 크로싱(Zero-Crossing) 검출 방법을 사용하고 있으며, 위치센서를 대체하여 사용될 수 있다. 그림1처럼 역기전력의 제로 크로싱은 실제 정류할 위치보다 30˚ 선행해서 나타나며, 1회의 전기적 사이클 내에서 각 상의 제로 크로싱은 2회 발생하여 홀센서를 통해 정류위치를 검지하는 것과 동일한 역할을 하고 있다.
제로 크로싱 검출 기술은 응용범위에 따라 하드웨어적 방법, 소프트웨어적 방법 등 두 가지를 병행하여사용할 수 있으며, 기존의 위치 검출용 센서를 사용하는 BLDC 모터에 비해고성능의 컨트롤러 성능을 필요로 하고 있다. 마이크로칩 테크놀로지의 16비트 MCU인 dsPIC30F4011은 이러한 센서리스 BLDC 인버터 에어컨을 제어할 수 있다.

최적 환경 제공으로
안정적 모터 구동 실현

dsPIC DSC(Digital Signal Control) 모터컨트롤 제품 중 dsPIC30F4011은 DSP 엔진이 내장되어있으며, 30 MIPS(Mega Instructions Per Second)의 빠른 처리속도, 48KB 플래쉬 프로그램 메모리, 2KB 데이터 메모리, 1KB EEPROM 등이 내장되어있다. 고속 10비트 A/D 컨버터와 모터 구동을 위한 PWM 인터페이스 기능도 갖고 있으며, 16비트의 PWM 분해능으로 인해 안정적인 모터구동 성능을 보여주고 있다.
dsPIC30F4011는 가정용 분리형 인버터 에어컨 솔루션으로 개발되었으며, 적용된 압축기는 시중에 널리 적용되는 BLDC 모터를 사용하고 있다. 고속 A/D 컨버터를 이용하여 사다리꼴형의 역기전력 제로 크로싱을 직접 감지할 수도 있다. 특히 역기전력 감지방법은 비교기를 사용하는 기존의 방법에 비해 단순한 회로를 채택하여 낮은 비용으로도 높은 신뢰성과 내구성을 발휘할 수 있다. 모터구동의 관점에서 이 솔루션은 단상 및 삼상 AC 유도모터, 스텝모터 및 홀센서를 내장한 BLDC모터 등의 구동 및 제어를 위한 개발 플랫폼이며, 소프트웨어 및 하드웨어를 통해 단시일 내에 새로운 제품을 개발할 수 있도록 최적의 환경을 제공하고 있다.(그림2)
또한 센서리스 BLDC 인버터의 역기전력 검출회로는 3상 압축기의 권선으로부터 직접 샘플되며, BEMF 회로를 통해 MCU A/D 컨버터의 입력으로 연결되어 있다. 3상 모두 대칭구조를 가지고 있어 R상에 대해서만 살펴보면 전압 샘플링 회로의 저항 R2700, R2701, R2722, R2727은 측정범위 전체에 대해 만족하도록 설정해야 하고 주전원의 입력값에 따라 결정해야 한다.
다이오드 D2700은 MCU(dsPIC30F4011)의 핀을 보호하기 위한 전압 클램프기능으로 사용되고 있다. 캐패시터 C2706은 고주파 필터로써 어플리케이션에 따라 생략 가능하다. 이 회로는 위상지연(phase delay)이 발생할 수 있으며, 소비전력, PWM 주파수, 모터 구동 주파수(BEMF 주파수)에 따라 결정될 수 있다.

그림 2. dsPIC30F4011를 적용한 센서리스 BLDC 모터 컨트롤러 구성도

이외에도 에어컨 실외기 컨트롤러는 UART1를 통해 실내기 컨트롤러와 시스템 운전 상태를 공유하기 위해 1200BPS로 시리얼 통신을 하며, 에어컨 운전모드 및 모터 파라미터 설정 등의 기능을 제공하기 위해 UART2를 통해 PC와 9600BPS로 시리얼 통신 기능을 하는 PC 애플리케이션을 지원하고 있다.
마이크로칩은 PC에 설치된 통합개발환경(MPLAB IDE) 및 C-컴파일러(C30)를 이용할 경우 애뮬레이터(ICE4000 Emulator)나 디버거(ICD2 In-Circuit Debugger)를 통한 최적의 프로그램 개발환경을 지원해 주고 있다. 소프트웨어는 C 언어로 개발되었으며, 일부는 어셈블리어를 이용하여 시스템 성능을 최적화시켰다. 이 프로그램에서 사용한 dsPIC30F4011의 소프트웨어 리소스는 표1과 같다.

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