고집적 IC를 사용하여 브러시리스 DC 모터 제어 설계를 빠르게 시작하는 방법

사물 인터넷(IoT)과 자동차의 전기화로 인한 기계 시스템의 전자 제어로의 전환이 급격하게 이루어지면서 설계자들은 가전제품, 도어록, 원격 제어 블라인드부터 자동차 펌프, 시트, 창, 문에 이르기까지 다양한 응용 제품의 기본 작업에 저전력 모터를 적용하고 있습니다. 소규모의 분수형 마력에서 다중 마력에 이르는 등급의 DC 모터는 어디에나 있지만 흔히 볼 수는 없습니다.

모터의 개선과 우수하고 사용하기 쉬운 모터 제어 기술이 이 급속한 확산에 기여하고 있지만 설계자는 효율성을 개선하고 비용을 절감하는 동시에 정확성과 신뢰성을 높여야 한다는 압박을 느끼고 있습니다.

브러시리스 DC(BLDC) 모터와 스테퍼 모터(또 다른 유형의 브러시리스 DC 모터)는 설계자가 모터 제어기와 모터 구동기 회로망을 신중하게 고려해야만 이러한 까다로운 성능과 비용 목표 달성에 도움이 될 수 있습니다. 컨트롤러는 모터의 전자 구동기 스위치(일반적으로 MOSFET)에 적절한 구동 신호를 전달해야 하며, 세심하게 제어된 타이밍과 지속 시간이 필요합니다. 또한 모터 램프 업/다운 궤적을 제어하고 모터 또는 부하에서 발생하는 불가피한 소프트 문제와 하드 고장을 감지하고 수용해야 합니다.

이 글에서는 BLDC 모터용 제어 IC가 제공하는 기능을 살펴봅니다. BLDC 모터의 전기적 특성에 대한 전반적인 관점을 제공하며 Renesas RAJ306010 시리즈 모터 제어 IC를 사용하여 BLDC 모터가 응용 제품 목표를 충족할 수 있도록 정교한 컨트롤러를 사용하는 방법을 설명합니다.

모터 제어기 경로 및 모터

동작 제어 소프트웨어-모터 경로는 소프트웨어가 실행되는 프로세서, 모터 전원 스위칭 장치용 게이트 구동기 및 모터로 구성됩니다(그림 1). 또한 모터의 센서에서 아날로그 프런트 엔드를 통해 프로세서로 되돌아가는 경로가 있을 수 있으며, 모터 회전자의 위치 또는 속도에 대한 정보를 제공하여 성능을 확인하고 피드백 루프를 닫을 수 있습니다.

그림 1: 오늘날의 모터 제어기는 프로세서 제어 게이트 구동기에 펌웨어 내장형 소프트웨어로 시작하여 차례로 모터 권선으로 전원을 전환합니다. 모터에서 프로세서로 되돌아가는 센서 구동 피드백 루프도 있을 수 있습니다. (이미지 출처: Renesas)

설계자는 DC 구동 브러시리스 모터에 대해 BLDC 모터와 스테퍼 모터라는 두 가지 주요한 선택을 할 수 있습니다. 둘 다 내부 영구 자석과 전자기 코일 스위칭 사이의 자기 상호 작용으로 인해 작동합니다. 이 두 가지 중 어느 것을 사용할 것인가는 의도된 응용 제품에 대한 상대적 장단점에 따라 결정됩니다.

일반적으로 BLDC 모터는 신뢰성이 높고 효율적이며 다양한 속도에서 많은 양의 토크를 전달할 수 있습니다. 모터 고정자 극은 순차적으로 전원이 인가되어 회전자(영구 자석 포함)가 회전합니다. BLDC 모터에는 일반적으로 주변에 3개의 전자 제어 고정자가 있습니다(그림 2).

그림 2: BLDC 모터의 고정자는 영구 자석 회전자가 회전하도록 순차적으로 전원이 인가됩니다. (이미지 출처: Renesas)

BLDC 모터의 주요 특성으로는 응답성, 빠른 가속, 신뢰성, 긴 수명, 고속 작동 및 높은 전력 밀도가 있습니다. 일반적으로 의료 장비, 냉각 팬, 무선 전동 공구, 턴테이블 및 자동화 장비 등의 응용 제품에서 이러한 제품을 사용합니다.

스테퍼 모터는 BLDC 모터와 유사하게 작동하지만 전체 회전을 다수의 등각 스텝(일반적으로 128 또는 256)으로 나누어 훨씬 더 작은 회전식 모션으로 움직입니다. 모터 회전자는 지속적으로 회전하는 대신 순차적으로 구동되어 이러한 작은 각도의 스텝을 통과하도록 합니다(그림 3). 이렇게 하면 전원이 인가된 고정자 극에 의해 생성되는 자기장과 동기화되어 회전자의 위치를 정확하게 지정할 수 있습니다.

그림 3: 스테퍼 모션은 회전자와 영구 자석 주위에 배열된 많은 고정자 극을 가지고 있습니다. 제어된 시퀀스로 이러한 극에 전원을 인가함으로써 회전자는 회전하고 작은 각도로 스텝화됩니다. (이미지 출처: Renesas)

스테퍼 모터는 안정적이고 정확하며 빠른 가속과 응답성을 제공합니다. 스텝 작동과 모터 구성 덕분에 개방 루프 제어 및 위치 안정성은 CD 구동기, 평판 스캐너, 프린터 및 플로터와 같은 정밀 응용 제품에서도 충분합니다. 고급 응용 제품에는 추가 정밀도 및 성능 확인을 위해 피드백 센서와 폐쇄 루프 컨트롤을 추가할 수 있습니다.

BLDC 모터 제어기 옵션

속도 및 토크를 제어하는 주요 수단이 공급 전압의 조정인 AC 유도 또는 브러시 DC 모터와는 달리, BLDC 모터는 전원 스위칭 MOSFET의 켜고 끄기의 신중한 타이밍에 의해 제어됩니다. 이를 통해 모터는 다양한 작업을 효율적이고 정확하게 처리할 수 있습니다.

이러한 요구 사항은 무선 진공 상태에서 흡입을 위해 많은 양의 공기를 이동시키는 데 필요한 높은 분당 회전수(RPM)를 제공하는 것부터 특히 모터가 부하에 대해 정지된 경우 시동 토크가 높아야 하는 전동 공구에 이르기까지 다양합니다. 많은 응용 제품에서 모터는 일정한 RPM을 유지하기 위해 빠른 응답 시간을 요구하는 큰 부하 변화를 처리할 수 있어야 합니다.

BLDC 모터를 제어하는 일반적인 전략은 기본 120⁰ 온/오프 제어 및 벡터 제어입니다. 120⁰ 온/오프 제어에서 BLDC 모터의 3개 코일 중 2개에 전원이 인가되고 6개의 인가 패턴이 회전 시퀀스로 전환되어 어느 방향으로든 회전을 지원합니다(그림 4).

그림 4: BLDC 모터의 고정자 극(왼쪽)은 시계 방향 또는 반시계 방향(오른쪽)으로 인가될 수 있으므로 응용 제품에서 요구하는 대로 회전자를 어느 방향으로든 구동합니다. (이미지 출처: Renesas)

이 모드에서 고정자 코일은 ON/OFF 전류(방형파)로 인가되어 모터가 최대 속도로 상승하고 속도를 유지한 다음 코일에 전원이 공급되지 않을 때 하강함에 따라 사다리꼴 가속 프로파일을 생성합니다. 이 접근 방식의 이점은 고유의 단순성과 간단한 작동입니다.

그러나 로드 및 기타 변경으로 인한 성능 변동에 취약하며 일부 응용 제품의 경우 정밀도와 효율성이 충분히 높지 않습니다. 모터 컨트롤러의 정교한 알고리즘은 MOSFET 켜기/끄기 타이밍을 조정하고 비례 적분 미분(PID) 또는 비례 적분(PI) 제어를 사용함으로써 이러한 단점을 어느 정도 극복할 수 있습니다.

필드 지향 제어(FOC)라고도 하는 벡터 제어가 점점 매력적인 대안으로 떠오르고 있습니다. 이 접근 방식에서는 회전 자기장의 지속적인 제어를 통해 3개의 코일 모두에 전원이 인가되어 120도 제어에 비해 움직임이 부드러워집니다. FOC는 의류 세탁기 등의 많은 대중 시장 제품에 사용될 정도로 발전했습니다.

FOC에서 각 고정자 코일의 전류는 복잡한 수치 처리가 필요한 고급 알고리즘에 의해 측정 및 제어됩니다. 또한 알고리즘은 3상 AC 값을 2상 DC 값으로 지속적으로 변환(좌표 위상 변환이라고 하는 프로세스)해야 하므로 제어에 필요한 후속 방정식과 계산을 단순화해야 합니다(그림 5). FOC는 제대로 수행될 경우 매우 정확하고 효율적인 제어를 보여줍니다.

그림 5: FOC 알고리즘의 일부는 복잡한 수치 처리 계산을 단순화하기 위해 좌표 위상 변환이 필요합니다. (이미지 출처: Renesas)

피드백을 위한 센서 옵션

BLDC 모터는 피드백 신호 없이 개방 루프 토폴로지에서 제어하거나 모터의 센서로부터 피드백을 받는 폐쇄 루프 알고리즘을 통해 제어할 수 있습니다. 이는 응용 제품의 정확성, 신뢰성 및 안전 고려 사항에 따라 결정됩니다.

피드백 센서를 추가하면 비용과 알고리즘이 복잡해 지지만 계산에 대한 신뢰도는 높아져 많은 응용 제품에서 필수적입니다. 응용 제품에 따라 주요 관심 모션 파라미터는 회전자의 위치 또는 속도입니다. 이 두 요소는 밀접하게 관련되어 있습니다. 속도는 위치의 시간에 대한 미분이고 위치는 속도의 시간에 대한 적분입니다.

실제로 거의 모든 피드백 센서는 위치를 나타내며 컨트롤러는 신호를 직접 사용하거나 파생 모델을 개발하여 속도를 결정할 수 있습니다. 단순한 경우 피드백 센서는 주로 폐쇄 루프 제어가 아닌 기본 모터 성능에 대한 안전 관련 검사 또는 실속 표시기로써 역할을 합니다.

일반적으로 홀 효과 장치, 광학 인코더, 리졸버 및 유도력 센서라는 네 가지 유형의 피드백 센서가 사용됩니다(그림 6). 각각은 성능 속성, 분해능 및 비용이 다릅니다.

그림 6: 사용자는 홀 효과 장치부터 인코더, 리졸버 및 유도 센서에 이르기까지, 모터 피드백 신호가 필요한 경우 광범위한 센서 옵션을 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Renesas)

홀 효과 장치는 일반적으로 설치가 가장 간단하고 쉬운 편이고 여러 상황에 적합합니다. 광학 인코더는 낮음에서 중간~높음까지 다양한 분해능으로 사용할 수 있지만 설치 문제가 있고 장기적인 안정성 문제가 있을 수 있습니다. 리졸버와 유도력 센서는 크고 무겁고 비용이 많이 들며 일부 인터페이스에서 문제가 있지만 매우 높은 분해능과 장기적인 성능을 제공합니다.

전류 전달

브러시리스 모터(BLDC 또는 스테퍼)의 극은 전자기 '코일'이므로 전압이 아닌 전류로 구동되어야 합니다. 극에 적절한 전원을 인가하려면 모터 제어 시스템이 모터를 적절하고 효율적으로 구동하기 위해 정확한 타이밍, 펄스 폭 및 제어된 슬루율로 On/Off 스위치(대부분의 경우 MOSFET)를 통해 이 전류를 전달해야 합니다. 또한 구동 장치는 모터 정지, 과도한 전류 요구, 열 과부하 및 단락과 같은 다양한 고장 조건으로부터 MOSFET을 보호해야 합니다.

일반적으로 500밀리암페어(mA)~1암페어(A) 이하가 필요한 비교적 작은 모터의 경우, 모터 제어 IC 패키지에 MOSFET 게이트 구동기, 심지어는 MOSFET을 내장하여 실장 면적을 최대한 작게 유지할 수 있습니다. 이는 편리하고 디자인 인을 단순화하지만, 다음과 같은 여러 가지 이유로 인해 실용적인 선택은 아닙니다.

• 고성능 MOSFET을 위한 반도체 공정은 컨트롤러의 디지털 논리에 사용되는 것과 매우 다르기 때문에 조합의 최종 설계는 절충안(하지만 수용 가능함)입니다.
• MOSFET 소비 전력과 열 관리는 응용 제품 전력 수요에 따라 결정됩니다. 전류 및 전력 레벨이 증가함에 따라 온칩 MOSFET 소모와 발생 열이 금방 패키지 한계를 초과할 수 있습니다. 이러한 경우, 디지털 기능과 전력 기능을 분리하여 설계자가 MOSFET의 배치와 열 관리를 최적화할 수 있도록 하는 것이 더 나은 솔루션입니다.
• 마지막으로 모터에 필요한 전류 레벨이 증가함에 따라 모터 공급 리드의 IR 구동 전압 강하가 문제가 될 수 있습니다. 따라서 스위칭 장치를 부하에 더 가깝게 배치하는 것이 좋습니다.

이러한 이유로, 많은 모터 및 동작 제어 IC에는 전력 MOSFET을 제외한 필요한 모든 기능이 포함되어 있습니다. 다중 MOSFET의 토폴로지는 보통 인버터 함수라고 불립니다. 이산 MOSFET을 사용하면 설계자는 부하 전류, 'On' 저항, 패키지 유형 및 스위칭 특성 등의 요인에 대한 올바른 사양의 조합을 가진 장치를 선택할 수 있습니다.

모터 제어 문제를 해결하는 정교한 IC

과거에는 첨단 모터 제어기를 위해 IC 조립이 필요했습니다. 일반적으로 여기에는 필요한 알고리즘을 구현하기 위해 전용 숫자 코프로세서로 일반 명령을 실행하는 저가형 프로세서 또는 전원 장치용 게이트 구동기 회로와 함께 이 두 가지 작업을 모두 수행하는 고급 프로세서가 포함됩니다. 이를 위해서는 더 큰 PC 보드 실장 면적과 더 많은 BOM이 필요했을 뿐만 아니라 시스템 통합 및 관련 디버깅 문제가 자주 발생했습니다.

그러나 오늘날의 모터 제어 IC는 Renesas RAJ306010(그림 7)에서 보듯이 단일 장치에서 모든 작업을 수행할 수 있습니다. RAJ306010에는 모터 제어 설계의 고유한 요구 사항을 대상으로 하는 기능 블록이 많이 있습니다.

그림 7: Renesas RAJ306010 IC에는 첨단 모터 제어(전력 MOSFET 제외)에 필요한 기능이 있으므로 다중 IC 솔루션보다 공간을 덜 차지하면서 BOM과 설계 통합을 모두 단순화합니다. (이미지 출처: Renesas)

이 범용 모터 제어기 IC는 3상 브러시리스 DC 모터 응용 제품용입니다. 8×8 밀리미터(mm)의 작은 64 리드 QFN 패키지에서 서로 다른 두 가지 역할인 디지털 컨트롤러 기능과 아날로그 사전 구동기 기능을 결합하고 긴밀하게 통합합니다. 6볼트~24볼트 공급 장치에서 작동하며 독립형, 전동 공구, 정원 공구, 진공청소기, 프린터, 팬, 펌프 및 로봇 등의 대부분 자율적인 응용 제품을 대상으로 합니다. (그 외에는 거의 동일합니다. RAJ306001은 RAJ306010과 동일한 규격서를 공유하는 6볼트~30볼트 버전입니다.)

디지털 측에서 RAJ306010은 64KB 플래시 ROM, 4KB 데이터 플래시 ROM 및 5.5KB RAM에서 지원하는 16비트 마이크로 컨트롤러(Renesas의 RL78/G1F 클래스)를 통합합니다. 게다가 GPIO(범용 I/O), SPI, I²C 및 UART 등 상당한 양의 디지털 I/O가 있습니다. 또한 아날로그 신호를 장치로 가져오는 9채널, 10비트 ADC(아날로그 디지털 컨버터)도 있습니다.

RAJ306010을 사용하기 위해 시스템 설계자는 원하는 작동 파라미터를 적절한 플래시 메모리 제어 레지스터에 로드하여 원하는 작동 모드와 조건을 설정합니다. 그러면 IC는 일반 응용 제품의 상위 레벨 시스템 제품 구성도에서 볼 수 있듯이 추가 마이크로 컨트롤러 없이 전원을 켤 때 작동할 수 있습니다(그림 8).

그림 8: RAJ306001을 사용하는 기본 응용 제품의 이 상위 레벨 시스템 제품 구성도는 높은 수준의 통합이 추가적인 이산 소자의 필요성을 최소화하는 방법을 보여줍니다. (이미지 출처: Renesas)

RAJ306010의 아날로그 측에는 최대 500mA까지 조절이 가능한 게이트 구동 피크 전류를 가진 3개의 하프 브리지 게이트 구동기, 브리지 '슛 스루'와 손상을 방지하기 위한 자체 정렬 데드타임 생성기 기능, 전류 감지 앰프와 역 EMF 앰프가 있습니다. 통합 충전 펌프는 낮은 전압 공급 장치에서 전달된 게이트 구동기를 최대 13볼트까지 끌어올립니다.

홀 효과 센서를 직접 지원하며 AFE(아날로그 프런트 엔드)를 사용하여 다른 유형의 피드백 센서를 지원할 수도 있습니다. 적절하게 설계된 모터 제어기와 마찬가지로 과열 보호, 과전압/저전압 차단(UVLO), 과전류 감지, 모터 잠금 상태에 대한 보호 등의 기능이 있습니다.

그림 9의 예시는 어떻게 RAJ306010이 24볼트 무선 블렌더(대부분 비슷한 소형 가전)와 같은 기본 독립형 응용 제품을 쉽게 처리하는지를 보여줍니다. 회로의 대부분은 8전지 배터리 팩을 충전하고 관리하는 데 사용되며, 모터 제어에는 제어 IC, 외부 3상 브리지(인버터), 피드백 전압 감지 회로(전류 감지 저항을 통함) 및 사용자의 '시작' 버튼만 필요합니다.

그림 9: RAJ306010의 상위 레벨 기능 통합은 배터리 구동 블렌더와 같은 기본 장치의 코어 모터 제어 기능에 추가 회로와 추가 구성품이 조금만 필요하다는 것을 명확하게 보여줍니다. (이미지 출처: Renesas)

BLDC 모터 제어 기능을 직접 사용해보기

이는 전체 시스템의 다양한 모델을 사용하여 '종이' 또는 PC에서 모터 제어 응용 제품을 계획, 시뮬레이션, 평가하고 조정하는 하나의 작업입니다. 그러나 실제로 모터를 구동하고 실제 부품, 부하 및 역학을 사용하여 성능을 테스트하는 것은 물론이고 초기 시동 조건 설정과 다양한 성능 파라미터 변경의 영향을 배우는 것도 중요합니다.

RTK0EML2C0S01020BJ 모터 제어 평가 시스템(그림 10)은 Renesas Motor Workbench와 함께 설계 엔지니어에게 디버깅 용이성을 위한 중요한 자산입니다. 설계자는 이 소프트웨어 도구를 통해 RAJ306010의 작동, 입력 및 출력 모드, 다양한 제어 레지스터의 기능에 익숙해질 수 있습니다.

그림 10: Renesas Motor Workbench 소프트웨어와 함께 사용할 때 Renesas RTK0EML2C0S01020BJ 모터 제어 평가 시스템의 코어에 있는 이 보드는 RAJ306010 모터 제어 IC를 사용할 때 파라미터의 미세 조정과 모터 성능 평가를 높입니다. (이미지 출처: Renesas)

제품 개발 단계를 더욱 빠르게 진행하기 위해 평가 시스템에는 무부하 속도가 3,900RPM이고 정격 토크가 19.6밀리뉴턴미터(mN-m)(200그램 힘-센티미터에 해당)인 24V/420mA BLDC 모터가 포함되어 있습니다. 또한 Renesas는 센서리스 및 센서 기반 제어를 위한 샘플 소프트웨어 제어 루틴을 제공합니다.

결론

DC 모터를 시스템에 통합하는 설계자는 소형 패키지에 전력과 정밀도를 제공하는 비용 효율적인 고성능 BLDC 모터의 사용이 가능하므로 기존 브러시 DC 모터 외에도 다양한 선택지를 택할 수 있습니다. 이러한 BLDC 모터의 잠재력을 완전히 실현하기 위해 스마트 컨트롤러는 필요한 알고리즘을 사용자가 원하는 파라미터로 통합하고 구현합니다. 또한 완전한 모터 제어 솔루션을 위해 모터의 스위칭 MOSFET과 기타 아날로그 I/O에 필요한 구동기를 제공합니다.

위에서 설명한 대로, 개발 키트와 소프트웨어로 지원되는 IC(예: Renesas RAJ306010)는 가전제품, 카시트, 윈도우 등의 응용 제품과 기타 일반적인 응용 제품에 고성능, 소형 및 효율적인 모터 제어 기능을 제공하는 설계 과제를 크게 단순화합니다.

참고 자료:

1. BLDC Motor Control Algorithms
2. RTK0EML2C0S01020BJ BLDC Motor Control Evaluation System for RAJ3060xx Motor Control ICs
3. Application Note R01AN3786EJ0102, 'Sensorless Vector Control for Permanent Magnet Synchronous Motor (Algorithm)'
4. Portable Power Tools Solution
5. 24V Cordless Blender
6. Motor Solutions: User-Friendly Motor Control Development Environment to Shorten Time to Market