정밀한 동작 제어를 위해 BLDC 및 PMS 모터를 탑재한 센서리스 벡터 제어 사용

로봇 공학, 드론, 의료 기기 및 산업 시스템과 같은 응용 분야에서 정밀한 동작 제어에 대한 필요성이 증가하고 있습니다. 브러시리스 DC 모터(BLDC) 및 AC 구동 영구 자석 동기식 모터(PMSM)는 소형 폼 팩터에서 고효율에 대한 요구를 충족하면서 필요한 정밀도를 제공할 수 있습니다. 그러나 연결 및 실행이 쉬운 브러시 DC 모터 및 AC 유도 모터와 달리 BLDC 및 PMSM은 훨씬 더 복잡합니다.

예를 들어, 특히 센서리스 벡터 제어(자속 기준 제어 또는 FOC라고도 함)와 같은 기술은 센서 하드웨어를 요구하지 않는 이점과 함께 뛰어난 효율성을 제공하여 비용을 절감하고 신뢰성을 향상시킵니다. 설계자의 문제는 센서리스 벡터 제어의 구현이 복잡하기 때문에 이를 사용하면 개발 시간이 연장되고 비용이 추가되며 출시 기회를 놓칠 수도 있다는 점입니다.

이 딜레마를 해결하기 위해 설계자는 이미 센서리스 벡터 제어 소프트웨어가 내장된 개발 플랫폼과 평가 기판으로 전환함으로써, 제어 소프트웨어 코딩의 미묘한 기능 차이에 얽매이지 않고 시스템 설계 문제에 집중할 수 있습니다. 또한 이러한 개발 환경에는 전체 시스템에 통합된 모든 모터 컨트롤러 및 전력 관리 하드웨어가 포함되어 출시 기간을 단축합니다.

이 기사에서는 정밀 동작 제어에 대한 몇 가지 요구 사항을 간략하게 설명하고 브러시 DC, AC 유도, BLDC 및 PMSM 간의 차이점을 검토합니다. 그런 다음 벡터 제어의 기본 사항을 요약한 후, 정밀 동작 제어 시스템의 개발을 용이하게 하는 설계 지침과 함께 Texas Instruments, Infineon Technologies, Renesas Electronics의 여러 플랫폼 및 평가 기판을 소개합니다.

정밀 동작 제어 응용 제품의 예

드론은 복잡한 동작 제어 시스템이며 일반적으로 4개 이상의 모터를 사용합니다. 드론이 호버링, 상승 또는 하강하기 위해서는 정밀하고 조정된 동작 제어가 필요합니다(그림 1).

그림 1: 드론은 일반적으로 4개 이상의 모터(통상 BLDC 또는 PMSM)를 사용하고 분당 12,000회(RPM) 이상 회전하며 전자 속도 컨트롤러(ESC)에 의해 구동됩니다. 이 예제는 센서리스 제어 기능이 있는 브러시리스 모터를 사용하는 드론의 ESC 모듈을 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

호버링하려면 드론을 위로 밀어 올리는 회전자의 순추력이 균형을 이루며, 드론을 아래로 당기는 중력과 정확히 동일해야 합니다. 회전자의 추력(속도)을 동일하게 증가시키면 드론이 똑바로 상승할 수 있습니다. 반대로 회전자의 추력을 줄이면 드론이 하강합니다. 또한 요(드론을 회전), 피치(드론을 앞뒤로 비행) 및 롤(드론을 좌우로 비행)이 있습니다.

정확하고 반복적인 동작은 다양한 로봇 응용 제품의 특징 중 하나입니다. 고정식 다축 산업용 로봇은 다양한 무게의 물체를 이동하기 위해 3차원에서 서로 다른 힘을 전달해야 합니다(그림 2). 로봇 내부의 모터는 정확한 지점에서 가변 속도와 토크(회전력)를 제공하며, 이들은 로봇의 컨트롤러가 정확한 속도와 위치를 위해 서로 다른 축을 따라 동작을 조정하는 데 사용합니다.

그림 2: 고정식 다축 산업용 로봇은 다양한 무게의 물체를 이동하고 조립 라인에서 다른 로봇과의 활동을 조정하기 위해 3차원에서 서로 다른 힘을 전달해야 합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

바퀴 달린 이동식 로봇의 경우, 정밀 차동 구동 시스템을 사용하여 동작의 속도와 방향을 모두 제어할 수 있습니다. 두 개의 모터는 부하 균형을 맞추기 위해 하나 또는 두 개의 캐스터 바퀴와 함께 동작을 제공하는 데 사용됩니다. 두 모터는 회전과 방향 변경을 위해 서로 다른 속도로 구동되는 반면, 두 모터에 대해 동일한 속도로 직선(전진 또는 후진) 동작을 일으킵니다. 모터 컨트롤러는 기존의 스티어링 시스템과 비교할 때 더 복잡하지만 이 접근 방식은 더 정확하고 기계적으로 더 간단하므로 더욱 신뢰할 수 있습니다.

모터 선택

기본 DC 모터 및 AC 유도 모터는 상대적으로 저렴하고 구동이 간단합니다. 진공 청소기에서 산업용 기계, 크레인 및 엘리베이터에 이르기까지 광범위한 응용 제품에서 널리 사용됩니다. 그러나 저렴하고 구동하기 쉬운 반면에 로봇 공학, 드론, 의료 기기, 정밀 산업용 장비와 같은 응용 제품에 필요한 정밀 작동을 제공할 수 없습니다.

간단한 브러시 DC 모터는 정류자와 브러시를 사용하여 회전에 맞춰 전류의 방향을 기계적으로 전환하여 토크를 생성합니다. 브러시 DC 모터의 단점은 브러시 마모로 인한 유지 보수의 필요성과 전기적 및 기계적 소음의 발생입니다. 펄스 폭 변조(PWM) 구동을 사용하여 회전 속도를 제어할 수 있지만, 브러시 DC 모터의 본질적인 기계적 특성으로 인해 정밀한 제어와 높은 효율성을 달성하기엔 어려움이 있습니다.

BLDC는 브러시 DC 모터의 정류자 및 브러시의 필요성을 제거하며 고정자가 감기는 방식에 따라 PMSM이 될 수도 있습니다. 고정자 코일은 BLDC 모터에서 사다리꼴로 감겨 있고 생성된 역기전력(EMF)은 사다리꼴 파형을 갖는 반면, PMSM 고정자는 사인파로 감겨서 사인파 역 EMF(E_bemf)를 생성합니다(그림 3).

그림 3: PMSM 모터는 사인파 E_bemf를 생성하는 반면 BLDC는 사다리꼴 E_bemf 파형을 생성합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

BLDC 및 PMSM 모터의 토크는 전류 및 역 EMF의 함수입니다. BLDC 모터는 방형파 전류로 구동되는 반면 PMSM 모터는 사인파 전류로 구동됩니다.

BLDC 모터 특징:

• 6단계 방형파 DC 전류로 더 쉽게 제어
• 상당한 토크 리플 유발
• PMSM보다 비용과 성능이 낮음
• 홀 효과 센서 또는 센서리스 제어로 구현 가능

PMSM 특징:

• 3상 사인파 PWM을 사용하여 보다 복잡한 제어
• 토크 리플 없음
• BLDC보다 높은 효율성, 토크 및 비용
• 샤프트 인코더 또는 센서리스 제어로 구현 가능

벡터 제어란?

벡터 제어는 3상 전기 모터의 고정자 전류를 벡터로 시각화할 수 있는 두 개의 직교 구성 요소로 식별하는 가변 주파수 모터 구동 제어 방법입니다. 한 구성 요소는 모터의 자속을 정의하고 다른 구성 요소는 토크를 정의합니다. 벡터 제어 알고리즘의 핵심에는 두 가지 수학적 변환이 있습니다. Clarke 변환은 3상 시스템을 2좌표 시스템으로 수정하는 반면 Park 변환은 2상 고정 시스템 벡터를 회전 시스템 벡터와 그 역으로 변환합니다.

Clarke 및 Park 변환을 사용하면 제어할 수 있는 고정자 전류를 회전자 도메인으로 가져옵니다. 이렇게 하면 모터 제어 시스템이 동적으로 변화하는 부하에서 토크를 최대화하기 위해 고정자에 공급해야 하는 전압을 결정할 수 있습니다.

고성능 속도 및/또는 위치 제어에는 위상 여기 펄스를 회전자 위치에 동기화하기 위해 회전자 샤프트 위치 및 속도에 대한 실시간 정밀 지식이 필요합니다. 이 정보는 일반적으로 모터 축에 부착된 절대 인코더 및 자기 리졸버와 같은 센서에 의해 제공됩니다. 이러한 센서는 낮은 신뢰성, 소음에 대한 민감성, 더 많은 비용과 무게, 복잡성 등 시스템적인 몇 가지 단점이 있습니다. 센서리스 벡터 제어는 속도/위치 센서가 필요하지 않습니다.

고성능 마이크로 프로세서와 디지털 신호 프로세서(DSP)를 통해 현대적이고 효율적인 제어 이론을 고급 시스템 모델링에 구현하여 실시간 모터 시스템에 대한 최적의 전력 및 제어 효율성을 보장합니다. 컴퓨터 성능이 발전되고 마이크로 프로세서 및 DSP의 비용이 감소함에 따라, 센서리스 제어는 센서 벡터 제어를 거의 보편적으로 대체할 뿐만 아니라 단순하지만 성능이 낮은 단일 가변 스칼라 주파수대 전압(V/f) 제어를 대체할 것으로 예상됩니다.

산업용 및 소비자용 로봇 공학을 위한 3상 PMSM 및 BLDC 모터 구동

벡터 제어의 복잡성을 해결하기 위해 설계자는 기성품 평가 기판을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 Texas Instruments의 DRV8301-69M-KIT는 설계자가 3상 PMSM/BLDC 모터 구동 솔루션을 개발하는 데 사용할 수 있는 DIMM100 controlCARD 기반 마더보드 평가 모듈입니다(그림 4). 여기에는 이중 전류 션트 증폭기와 벅 조정기를 갖춘 DRV8301 3상 게이트 구동기와 InstaSPIN 지원 PiccoloTMS320F28069M 마이크로 컨트롤러(MCU) 기판이 포함됩니다.

그림 4: 설계자는 DRV8301 및 InstaSPIN 지원 Piccolo TMS320F28069M MCU 기판을 포함하는 DRV8301-69M-KIT 모터 키트를 사용하여 3상 PMSM/BLDC 모터 구동 솔루션을 개발할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

DRV8301-69M-KIT는 3상 PMSM 및 BLDC 모터를 회전시키기 위한 InstaSPIN-FOC 및 InstaSPIN-MOTION Texas Instruments 기술 기반 모터 제어 평가 키트입니다. InstaSPIN을 사용하는 DRV8301-69M-KIT를 사용하면 개발자가 3상 모터를 신속하게 식별하고 자동 조정 및 제어하여 '즉시' 안정적이고 기능적인 모터 제어 시스템을 제공할 수 있습니다.

InstaSPIN 기술과 함께 DRV8301-69M-KIT는 고성능의 전력 효율적이고 비용 효율적인 센서리스 또는 인코더 센서 지원 FOC 플랫폼을 지원하여 개발을 가속화함으로써 보다 빠른 시장 출시가 가능합니다. 응용 분야에는 펌프, 게이트, 리프트 및 팬을 구동하기 위한 60V 미만 및 40암페어(A) 동기식 모터는 물론 산업용 및 소비자용 로봇 공학 및 자동화가 포함됩니다.

DRV8301-69M-KIT 하드웨어 특징:

• DIMM100 controlCARD를 수용하는 인터페이스를 갖춘 3상 인버터 베이스 기판
• 최대 60V 및 40A 연속을 지원하는 DRV8301 3상 인버터 통합 전원 모듈(통합 1.5A 벅 컨버터 포함) 베이스 기판
• TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC 및 InstaSPIN-MOTION 카드
• MotorWare 지원 TMDXCNCD28054MISO(별도 판매) 및 TMDSCNCD28027F + 외부 에뮬레이터(별도 판매)와 함께 작동하는 기능

고성능, 고효율 PMSM 및 BLDC 모터 구동

Infineon Technologies의 EVAL-IMM101T는 설계자가 고성능, 고효율 PMSM/BLDC 모터와 함께 사용할 수 있는 완전 통합된 턴키, 고전압 모터 구동 솔루션을 제공하는 IMM101T Smart IPM(통합 전원 모듈)을 포함하는 완전한 기능의 시험용 키트입니다(그림 5). EVAL-IMM101T에는 또한 정류기 및 EMI 필터 스테이지와 같은 IMM101T Smart IPM의 '즉시' 평가에 필요한 기타 필수 회로망과 PC에 USB로 연결되는 절연 디버거 섹션이 포함되어 있습니다.

그림 5: IMM101T 평가 기판은 센서리스 FOC를 사용하여 PMSM 및 BLDC 모터를 구동할 수 있는 동작 제어 엔진(MCE 2.0), 게이트 구동기 및 3상 인버터를 포함하는 완전한 솔루션입니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

EVAL-IMM101T는 IMM101T Smart IPM으로 애플리케이션을 개발하는 첫 번째 단계에서 설계자를 지원하기 위해 개발되었습니다. 평가 기판에는 센서리스 FOC를 위한 모든 조립품 그룹이 장착되어 있습니다. 여기에는 단상 AC 커넥터, EMI 필터, 정류기 및 모터 연결을 위한 3상 출력이 포함되어 있습니다. 전력 스테이지에는 전류 감지를 위한 소스 션트와 DC 링크 전압 측정을 위한 전압 분배기가 포함되어 있습니다.

Infineon의 IMM101T는 소형 12mm x 12mm(12mm) 표면 실장 패키지로 PMSM/BLDC 구동 시스템을 위한 다양한 제어 구성 옵션을 제공하여 외부 부품 수와 인쇄 회로 기판(PC 기판)의 면적을 최소화합니다. 이 패키지는 방열판을 사용하거나 사용하지 않고도 잘 작동할 수 있도록 내열 기능이 강화되었습니다. 패키지는 표면 실장을 용이하게 하고 시스템의 견고성을 높이기 위해 패키지 아래에 있는 고전압 패드 사이의 연면거리가 1.3mm인 것이 특징입니다.

IMM100 계열은 500V FredFET 또는 650V CoolMOS MOSFET을 통합합니다. 패키지에 사용된 전력 MOSFET에 따라 IMM100 계열은 정격 출력 전력이 25W ~ 80W이고 최대 DC 전압이 500V/600V인 응용 제품에서 사용될 수 있습니다. 600V 버전에서 Power MOS 기술은 650V에 정격이고 게이트 구동기는 600V에 정격이며 이는 시스템의 최대 허용 DC 전압을 결정합니다.

24V 모터 제어 평가 시스템

24V PMSM/BLDC 모터 구동 설계자는 RX23T 마이크로 컨트롤러를 위한 Renesas의 RTK0EM0006S01212BJ 모터 제어 평가 시스템을 사용할 수 있습니다(그림 6). RX23T 장치는 복잡한 인버터 제어 알고리즘을 처리하는 데 사용할 수 있는 내장 부동 소수점 장치(FPU)가 있는 단일 인버터 제어에 적합한 32비트 마이크로 컨트롤러입니다. 이는 소프트웨어 개발과 유지 관리에 필요한 인력 시간을 크게 줄이는 데 도움이 됩니다.

그림 6: Renesas의 RX23T 마이크로 컨트롤러용 24V 모터 제어 평가 시스템에는 평가 패키지에 포함된 PMSM을 구동하기 위한 인버터 기판이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Renesas Electronics)

또한 코어로 인해 소프트웨어 대기 모드(RAM 잔류 포함)에서 소비되는 전류는 0.45μA에 불과합니다. RX23T 마이크로 컨트롤러는 2.7V ~ 5.5V 범위에서 작동하며 핀 배열 및 소프트웨어 수준에서 RX62T 라인과의 호환성이 매우 높습니다. 키트 구성:

• 24V 인버터 기판
• PMSM 제어 기능
• 3개의 션트 전류 감지 기능
• 과전류 보호 기능
• RX23T 마이크로 컨트롤러용 CPU 카드
• USB 미니 B 케이블
• PMSM

결론

BLDC 및 PMSM은 콤팩트하고 매우 효율적인 정밀 동작 제어 솔루션을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. BLDC 및 PMS 모터에 센서리스 벡터 제어를 사용하면 센서 하드웨어를 제거할 수 있는 이점이 추가되어 비용이 절감되고 신뢰성이 향상됩니다. 그러나 이러한 응용 분야에서 센서리스 벡터 제어는 복잡하고 시간이 많이 걸리는 프로세스일 수 있습니다.

위에서 살펴보았듯이, 설계자는 센서리스 벡터 제어 소프트웨어와 함께 제공되는 개발 플랫폼 및 평가 기판을 사용할 수 있습니다. 또한 이러한 개발 환경에는 전체 시스템에 통합된 모든 모터 컨트롤러 및 전력 관리 하드웨어가 포함되어 출시 기간을 단축합니다.

권장 참고 자료

1. 현장 제어로 AC 모터 효율성 향상
2. 드론 설계의 다음 혁신 단계