소형 DC 모터의 자속 기준 제어(FOC)를 통해 상승 비행 경로에 드론 안착

브러시리스 DC(BLDC) 모터는 수명이 길고 DC 전력으로 작동하며 상대적으로 저렴하기 때문에 디스크 드라이브, 냉각 팬 및 DVD 플레이어와 같은 전자 장비 설계에 널리 사용되고 있습니다. 일반적으로 BLDC의 속도와 토크는 스칼라 기술을 사용하는 MCU에 의해 제어됩니다.  

동호인들에게 인기를 끌고 있는 쿼드롭터 드론 항공기로 대변되는 새로운 차원의 응용 제품이 출시되고 있습니다. 드론은 감시와 같은 여러 상업 응용 분야에서도 고려되고 있습니다. 이러한 응용 분야에서 특히 중요한 것은 컨트롤러의 동적 응답과 BLDC를 센서 없이 저속으로 안정감 있게 제어하는 능력입니다.

스칼라 기술은 부하가 동적으로 변화하는 응용 분야에 사용되기에 충분히 정밀하지 않습니다. 첨단 산업용 AC 장비를 구동하는 데 널리 사용되는 자속 기준 제어(FOC) 기술을 사용하여 정밀도를 크게 향상시킬 수 있습니다. FOC 구현을 통해 BLDC는 드론뿐만 아니라 의료용 로봇, 짐벌 시스템, 자율 주행 차량과 같은 기타 고성능 응용 제품을 위한 정밀 제어를 합리적 가격에 제공할 수 있습니다.

과거에는 이러한 수준의 제품을 설계하는 것이 쉽지 않았습니다. FOC 또는 직접 토크 제어(DTC)와 같은 다른 정교한 고급 모터 제어 기술을 이해해야 하고 전문 소프트웨어 개발 시스템에 대한 운영 지식도 필요하기 때문입니다. 사법 기관에서 사용될 수 있는 감시 카메라가 장착된 드론처럼, 응용 제품의 비용도 중요하게 고려해야 하는 경우 저가의 BLDC 모터를 특성화하는 것도 쉽지 않았습니다.

자속 기준 제어(FOC)

BLDC 모터를 제어하기 위한 일반적인 스칼라 기술은 6단계(또는 사다리꼴) 제어로 알려져 있습니다. 고정자는 생성된 토크에서 발진을 생성하는 6단계 프로세스로 구동됩니다. 각각의 권선 쌍에는 모터가 다음 단계로 정류되는 순간인 다음 위치에 회전자가 도달할 때까지 에너지가 공급됩니다. 무센서 응용 분야의 경우, 고정자 권선에서 생성된 역기전력이 회전자 위치를 결정하는 데 사용되는 경우가 있습니다.

스칼라 제어의 동적 응답은 동적 부하가 빠르게 변화하는 응용 제품을 처리할 수 없습니다. 그 결과, 세탁기처럼 AC 모터로 구동되는 백색 가전부터 배터리 구동식 제품에 이르는 다양한 응용 제품에서 벡터 제어가 더욱 보편화되었습니다.

FOC는 벡터 제어에 가장 널리 사용되는 방법 중 하나입니다. 이 방법은 고정자 필드와 직각인 회전자의 영구 자석에서 플럭스가 계속 생성되도록 고정자 권선을 관리함으로써 작동합니다.

FOC는 원래 3상 AC 모터를 제어하기 위해 개발되었습니다. 소형 드론 항공기에 사용되는 BLDC의 전원이 21V(5전지 리튬 폴리머) 배터리인 경우 전자 부품에 저전력 3상 인버터 시스템이 있어야 합니다. 다른 주요 부품에는 모터 구동기, MCU, 가장 중요하게는 FOC 알고리즘을 실행하는 소프트웨어가 있습니다.

FOC 처리는 회전 기준율인 직접-직교(d-q) 영역에서 수행됩니다. 직접 및 직교 성분은 플럭스 연결 상태 벡터를 두 개의 성분 즉, 플럭스(d) 및 토크(q) 생성 성분으로 분해한 것입니다. 그림 1은 이 관계를 그래픽적으로 표시한 것입니다. 고정자 필드에 직각인 회전자의 영구 자석에서 플럭스가 계속 생성되도록 모터의 고정자 권선의 전류가 제어됩니다. 이 방식을 사용하면 모터를 정밀하게 제어할 뿐만 아니라 토크도 매우 정밀하게 제어할 수 있으며 이는 d-q 기준율에서의 작동으로 제공되는 실제적인 장점입니다.

그림 1: 직접-직교(d-q) 힘 성분.

FOC는 다음 세 개 영역 변환을 일으킵니다. (1) 고정자에서 측정된 위상 전류가 3상 고정 기준율에서 고정 2상 기준(α, β)로 변환됩니다. (2) 2상 고정 기준율이 회전자 플럭스와 정렬된 회전 2상 기준계(d-q)로 변환됩니다. (3) 모터를 실제로 구동하기 위해 d-q 성분이 다시 회전자 기준율로 변환되어 SVPWM(공간-벡터 펄스폭 변조)에 사용됩니다. 그림 2에 이 프로세스가 표시되어 있습니다.

그림 2: FOC 제어에 필요한 영역 변환.

d-q 기준율을 회전자와 맞추기 위해서는 상세한 회전자 위치 정보가 필요합니다. 회전자 위치 예측 기술은 상대적으로 간단한 역기전력 제로 교차 감지부터 복잡한 슬라이딩 모드 감시기 및 확장된 Kalman 필터까지 다양합니다.

모터 구동

고정 3상 기준율에서 2상 d-q 기준율로 변환하면 이전에 언급한 직접 및 직교 성분이 생성됩니다. 직접(d) 성분은 유용한 토크를 제공하지 않으며 실제로 모터 베어링 마모를 증가시키는 경향이 있습니다. 한 가지 목적은 이 성분을 최소화하는 것입니다. 직교(q) 성분이 실제 모터 토크를 생성하며 이는 응용 제품에 따라 결정됩니다.

d-q 성분은 벡터 출력을 생성하기 위해 각각 제로 및 응용 토크 설정을 참조하는 2개의 비례 적분(PI) 컨트롤러에 적용됩니다. 두 PI 컨트롤러의 출력은 필요한 고정자 전압 공간 벡터의 (새로운) 직접 및 직교 전압 성분입니다. 앞에서 언급했던 것처럼 마지막 단계는 d-q 성분을 다시 고정자 기준율로 변환하여 모터를 실제로 구동하는 것입니다.

여기에 설명된 프로세스는 FOC 작동을 요약한 것입니다. 구현을 위해서는 이 기사의 범위를 벗어나는 매우 정교한 여러 중간 단계를 수행해야 합니다. 특히 소형 드론 항공기와 직접적으로 관련이 있는 FOC에 대한 보다 완벽한 논의는 호주 Central Queensland 대학교의 Patrick Fisher가 발표한 논문 'High Performance Motor Control'을 참조하십시오.¹

필요한 중간 단계에는 다음이 포함됩니다.

• 모터의 특성 파악(BLDC 모터는 극 수와 전압/전류 정격 이외에 추가적인 명판 정보를 제공하는 경우가 거의 없음)
• 회전자 위치 평가(FOC 제어 구현에 매우 중요한 정보)
• 적절한 전력 제어 체계 설계
• 토크 및 속도 컨트롤러 설계

완전하고 실용적인 FOC 기반 모터 제어 시스템을 처음부터 설계하는 것은 매우 힘들기 때문에 Texas Instruments, Atmel, NXP Semiconductors와 같은 반도체 기업들은 간단한 FOC 구현의 설계에서 복잡성을 대부분 제거하는 개발 도구를 만들었습니다. 일반적으로 IC 공급업체에서도 개발 도구에 사용된 소프트웨어 라이브러리를 ROM에 저장하고 특정 MCU에서만 사용할 수 있도록 하여 지적 재산을 보호합니다.

예를 들어, Texas Instruments는 InstaSPIN-FOC 솔루션을 TI C2000 Piccolo 32비트 MCU 계열의 세 가지 변형인 F2806x, F2805x, F2802x로 제공합니다. 비용에 매우 민감한 소형 드론 응용 제품에 가장 적절한 MCU는 F2802x MCU 계열의 제품이며 가장 일반적으로 사용되는 장치는 TMS320F28027FPTT입니다.

앞에서 언급한 것처럼 정밀한 모터 제어를 위해서는 정확한 모터 모델을 생성해야 합니다. InstaSPIN-FOC에는 회전자 플럭스, 각도, 속도, 토크(FAST)를 예상하는 '감시자'로도 알려진 독점 소프트웨어 알고리즘이 포함되어 있습니다. InstaSPIN-FOC는 개발 중 오프라인에서 필요한 성능 파라미터를 추출하고 작동 중에 온라인으로 파라미터를 추적할 수 있는 모터-파라미터 식별 기능도 제공합니다.

모터 파라미터 정보는 전류 제어 대역폭을 조정하는 데 사용됩니다. 다른 기술과 달리 TI의 FAST 감시자는 완전히 자체 조정되므로 적절한 작동을 위해 별도의 조정이 필요하지 않습니다. TI는 이 제품이 시장에서 강력하고 '즉각적으로' 작동 가능한 유일한 무센서 FOC 솔루션이라고 설명합니다.

그 결과, 설계자는 개발 시작 몇 분 내에 완전히 조정된 무센서 감시자와 완전히 조정되고 안정적인 FOC 토크 제어 시스템을 확보할 수 있습니다. 프로펠러 제어와 같은 응용 분야에서 설계자가 수행할 유일한 작업은 원하는 성능 및 작동을 위해 단일 PI 속도 제어 루프를 테스트하고 조정하는 것입니다.

그림 3에는 기본 구동 시스템을 단순화환 버전이 나와 있습니다. 속도 PI 컨트롤러의 출력은 PI 전류 컨트롤러용 입력 레퍼런스 신호로서 연결됩니다. 속도가 너무 낮으면 모터의 전류가 증가하면서 모터 토크를 생성하여 속도를 높입니다. 이와 반대로 모터의 속도가 너무 높으면 모터의 토크가 낮아지면서 모터의 속도를 낮춥니다. 이 두 개의 PI 컨트롤러가 함께 연결 제어 루프를 구성하므로 제어 시스템은 하나 이상의 내부 루프가 포함된 외부 루프로 구성됩니다. 그림에 보이는 변수 Kd, Kd, Ka, Kb는 모터 제어 소프트웨어에서 생성된 계수입니다.

그림 3:전류 컨트롤러와 캐스케이딩 방식으로 연결된 속도 컨트롤러. (Texas Instruments 제공)

주요 부품

MCU 이외에도 살펴볼 만한 몇 가지 주요 부품이 있습니다. 3상 구동기 및 인버터 시스템이 필요합니다. 소형 토크 드론과 같은 저전류 응용 제품은 통합형 3상 모터 구동기(예: DRV8332DKDR)의 TI DRV83x2 제품군의 부품을 사용할 수 있습니다. DRV83x2 계열에는 시스템 통합과 사용 편의성을 촉진하고 단락, 과전류, 과열 및 저전압과 같은 다양한 장애 상황으로 인한 영구적 고장으로부터 장치를 보호하기 위해 설계된 고급 보호 회로가 포함되어 있습니다.

상용 응용 제품에 사용될 수 있는 고전류의 시스템에는 DRV8301DCAR과 같은 독립형 사전 구동기와 3상 인버터 구성의 개별 FET가 필요합니다. TI의 CSD18533Q5A NexFET Power MOSFET을 예로 들 수 있습니다.

개발 소프트웨어는 FOC 기반 모터 제어 응용 분야의 성공을 위해 중요한 요소입니다. TI는 BoosterPack BOOSTXL-DRV8301의 모터 구동 개발 소프트웨어를 포함하는 제품군을 개발했습니다. 이 제품군은 일반적으로 6V ~ 24V 및 최대 10A 연속 전류를 위한 최상의 선택입니다. 이 제품을 사용하려면 LAUNCHXL-F28027F와 같은 InstaSPIN-FOC가 포함된 C2000 Piccolo TMS320F28027F LaunchPad와 같은 제어 기판이 필요합니다. 3.5A 미만의 연속 모터의 경우 일반적으로 DRV8312-69M-KIT가 적합합니다.

TI의 제품은 저전압 저토크 응용 제품에 좀 더 적합한 것으로 보이며 일부 업체에서는 모터 제어 개발 키트도 제공합니다. NXP Semiconductors는 BLDC용 모터 제어 개발 키트를 제공합니다. OM13068 LPC1549 LPCXpresso 모터 제어 키트는 이 회사의 LPC1549JBD48QL MCU와 함께 사용됩니다. 이 플랫폼은 BLDC, BLAC, 스테퍼, 듀얼 브러시 DC 모터를 제어하는 데 사용할 수 있습니다.

이러한 부품을 사용한 설계는 소형 BLDC 모터용 상용 모터 컨트롤러의 성능과 비슷한 성능을 자랑합니다. 맞춤형 FOC 컨트롤러와 상용 컨트롤러(예: Plush 40) 간 가장 큰 차이는 매우 낮은 속도에서 정류할 수 있는 기능입니다. FOC 컨트롤러는 약 100RPM의 속도에서 4개 모터 모두를 제어할 수 있습니다. 또한 InstaSPIN의 속도 루프를 사용하여 모터는 이러한 낮은 RPM에서 큰 토크를 생성할 수 있습니다.

맞춤형 FOC 기판은 또한 상용 컨트롤러보다 빠르게 최고 모터 속도에 도달할 수 있습니다. 평균적으로 맞춤형 FOC 컨트롤러는 모터를 제로 속도에서 최고 속도로 전환하는 시간이 35% 더 빠릅니다. 또한 FOC로 제어되는 각 모터의 무부하 시 속도는 테스트한 어떤 상용 컨트롤러보다 빠릅니다.¹

결론

소형 BLDC 모터의 우수한 동적 응답성이 필요한 새로운 수준의 모터 제어 응용 제품이 출시되고 있습니다. 이러한 응용 제품에는 의료용 로봇, 짐벌 시스템, 자율 주행 차량, 소형 드론 항공기가 있습니다. FOC 모터 제어 기술은 AC 산업 및 백색 가전 모터에서 수십 년 동안 사용되어 왔지만 이 기술은 정교하고 고성능 MCU를 필요로 하기 때문에 배터리 팩으로 전원이 공급되는 소형 모터에는 적용되지 않았습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 이러한 가능성을 실현하는 새로운 제품들이 개발되었습니다.

이 기사에서 설명한 부품에 대해 자세히 알아보려면 제공된 링크를 통해 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지를 방문하십시오.

1. 호주 Central Queensland 대학교 Patrick Fisher의 논문, 'High Performance Motor Control'