모터 제어를 위한 통합 전력 설계 플랫폼
http://www.irf.com모터 제어를 위한 통합 전력 설계 플랫폼
지금까지 변속 모터 구현의 과제는 시스템 비용의 추가 없이 모션 제어 기술을 구현하는 것에 있었으나, 변속 솔루션이 복잡한 드라이브와 제어 회로를 요구하기 때문에 어려운 부분이 있었다.
최근 IR(International Rectifier)에서 개발된 집적 디지털 컨트롤러 IC 기술은 변속 센서리스 모터 제어 애플리케이션의 구현을 단순화하고 개발 속도를 단축시켜줄 수 있어 호응을 얻고 있다.
자료제공/ IR코리아㈜(www.irf.com)
세탁기, 식기세척기, 냉장고에서부터 에어 컨디셔닝 시스템 및 산업용 제어 애플리케이션에 이르기까지 기존의 고정 속도로 동작하는 인덕션 모터 기술은 점점 인버터를 기반으로 한 속도 조정이 가능한 모터 드라이브로 대체되고 있다. 이러한 드라이브는 우수한 효율로 인해 운영비를 낮출 수 있으며, 저전력 사용에 대한 환경 및 에너지 규격에 부합되고 가청 및 전기적 잡음이 적다. 또한 낮은 수준의 진동에서 동작하여 제품 신뢰성을 높여줄 수 있으며, 보다 정밀한 모터 제어를 제공해 대상 애플리케이션은 더 높은 수준의 유연성을 구현할 수 있다.
지금까지 변속 모터 구현의 과제는 시스템 비용의 추가 없이 모션 제어 기술을 구현하는 것에 있었으나, 변속 솔루션이 복잡한 드라이브와 제어 회로를 요구하기 때문에 어려운 부분이 있었다. 특히 이와 같은 복잡성은 많은 OEM의 자체 개발을 가로막는 원인이 되었다.
프리패키지 형태의 상용 모터 드라이브를 구매하고 SI(System Integrator)를 이용하는 것도 시장 출시 시간과 비용이라는 제약요인으로 인해 실용적인 방법이라고 볼 수 없다. 이에 따라 변속 모터 드라이브의 설계 및 구현과 관련된 비용과 시간, 위험을 줄일 수 있는 새로운 접근 방법에 대한 요구가 등장하게 되었다.
새로운 집적형태 플랫폼 기반의 모터 제어 기술이 등장한 배경은 이러한 요구 때문이며, 새로운 기술은 빌딩 블록을 기반으로 한다. 특히 빌딩 블록은 변속 모터 드라이브 구현에 필요한 기능을 신속하게 결합할 수 있으며, 특정 애플리케이션에 맞춰 유연한 구성을 제공할 수 있다.
단일 칩 솔루션으로 신속한 제어 기능 구현
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| 그림 1. iMOTION의 디지털 제어 IC |
그림1은 최신 iMOTION의 디지털 컨트롤러 IC 블록도이다.
이 IC는 단일 소자에 특허 기술인 모션 제어 엔진(MCE), 아날로그 신호 엔진(ASE) 및 8051 기반 애플리케이션 계층 프로세서를 최초로 결합하고 있으며, 엔지니어가 별도의 모터 컨트롤러와 아날로그 PFC 기능 없이 사용할 수 있다. 모션 제어 소프트웨어도 따로 코딩할 필요가 없다.
MCE는 디지털 PFC 제어 및 센서리스 정현 위치 제어를 위해 빠른 계산 알고리즘을 제공하는 하드웨어 엔진이며, 컨트롤러 IC를 사용하는 설계자가 변속 모터 드라이브 구현의 복잡한 두 가지 측면인 FOC(Field Orientation Control) 및 PFC 알고리즘을 위한 코드를 개발할 필요 없이 사용할 수 있도록 했다.
FOC는 3상 AC 전류와 전압을 두 변수인 토크 전류(Torque Current)와 전계 전류(Field Current)로 변환함으로써 토크에 대한 선형 제어를 수행할 수 있다. 그 결과 폐쇄 루프 전류 제어는 토크 전류와 전계 전류에 대한 개별적인 전류 제어 루프를 갖는다. 각 루프는 동일하며, 벡터 회전자, 클라크 변환(Clark Transformation), 비례-적분(Proportional Plus Integral), PWM 및 전류 감지와 같은 여러 제어 요소로 구성되고 있다. 기존의 시스템에서는 FOC를 구현하기 위해서는 개발자가 수천 라인의 코드를 작성해야만 했다.
IR의 MCE는 하드웨어에서 전체 모션 제어 알고리즘을 구현하고 있으며, 기존의 DSP 또는 마이크로컨트롤러 기반 솔루션과 다르게 프로그래밍이 전혀 필요없다. 이러한 MCE는 사용하기 쉬운 PC 기반 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 구성되고 있다.
ASE 블록은 증폭기, ADC 및 모터 위상 전류를 재구성하는데 필요한 모든 회로를 통합하고 있으며, 신호 컨디셔닝 및 변환을 위한 외부 부품을 추가할 필요가 없다. 32비트 마이크로컨트롤러 기반 구현과 비교해 보았을 때 이러한 통합은 최소 5개의 외부 연산 증폭기와 관련된 샘플 및 홀드 회로를 줄일 수 있다. 실제로 대부분의 애플리케이션에서 새로운 IC는 완전한 FOC 및 PFC 동작을 위해 DC 링크 전류 감지 션트 저항기만 필요하다. 이외에도 MCE는 약 11s에 센서리스 FOC 알고리즘을 수행해 PFC 회로 뿐만 아니라 듀얼 모터의(가령 팬과 컴프레서에 대한) 동시적 제어를 할 수 있다. 또한 회사 최초로 임베디드 8051 마이크로컨트롤러를 탑재했으며, UART, I2C/SPI, 타이머/카운터, 캡처 및 디지털 I/O 주변장치에 대한 시퀀싱 및 커뮤니케이션과 같은 드라이브 이외의 작업을 계산하고 제어하는데 사용할 수 있다. 8051 블록은 MCE와 독립적으로 대상 애플리케이션을 제어하며, 마이크로컨트롤러를 추가할 필요가 없으므로 부품의 수를 더욱 줄여줄 수 있다. 추가적인 처리 능력이 필요한 애플리케이션에서도 8051 컨트롤러는 특정 애플리케이션 영역 기능을 처리할 수 있어 보다 저렴하게 마이크로컨트롤러를 사용할 수 있다.
IRMCF312로 팬과 컴프레서 동시 구동
그림2는 에어 컨디셔닝 시스템에서 팬과 컴프레서를 둘다 구동할 수 있는 새로운 컨트롤러 IC 기술의 구현을 보여주고 있다. 여기서 8051 마이크로컨트롤러는 애플리케이션 영역 기능을 실행하고 모터 속도를 제어하는데 사용되며, MCE는 8051에서 세트 포인트를 취하여 모터 제어 알고리즘을 실행할 수 있다. AC 라인 전압과 DC 버스 전압에 직접 연결되는 ASE의 경우는 PFC 제어에 필요한 컨디셔닝과 PWM 알고리즘을 제공하며, FET와 IGBT 인버터 단에 출력을 제공하고 있다.
이러한 iMOTION 플랫폼은 3상 아날로그 인터페이스, 파워 실리콘 부품 및 개발 지원 툴로 구성되어 있으며, 8051 및 MCE 구성과 프로그래밍을 위한 그래픽 툴 외에도 즉시 사용 가능한 솔루션(Out of Box)을 제공하기 위해 소프트웨어와 관련 IP 라이브러리, 컨트롤러, 파워 스테이지, 기타 부품 등 모든 하드웨어를 포함하고 있다. 여기에서도 근본원리는 각각의 요소를 특정 애플리케이션의 요구사항에 맞추고 시간과 비용, 부품 수 및 회로 복잡성을 최소화하는 데 있다. 예를 들어 새로운 인버터 드라이버 IC는 최신 고전압 반도체 기술을 사용하여 단일 소자에 드라이버 기능과 IGBT 보호 기능을 통합하고 있다.
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| 그림 2. IRMCF312 제어 소프트웨어 파티셔닝 |
