고집적 MCU로 정밀하고 효율적인 모터 제어기 설계 간소화

제 고등학생 아들이 로봇 공학 클럽에 가입했을 때 저는 무척 기뻤습니다. 하지만 얼마 지나지 않아 제 아들은 저에게도 익숙한 설계 문제를 공유하기 시작했습니다. 가장 큰 난제는 정밀하고 효율적이며 사용자 친화적인 모터 제어 하드웨어를 찾는 일이었습니다.

로봇 공학 전문 분야에서는 가전에서부터 산업 자동화에 이르기까지 모든 설계에서 이와 동일한 요구 사항이 발생합니다. 그런 의미에서 Infineon에서 새로 선보이는 PSOC Control C3 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)은 참 흥미롭습니다.

정밀한 모터 제어를 위한 효율적인 아키텍처

PSOC Control C3 제품군은 정밀한 모터 제어를 위한 고성능의 효율적인 솔루션입니다. 이러한 MCU는 디지털 신호 처리(DSP)와 부동 소수점 처리 장치(FPU)를 갖춘 Arm Cortex-M33 코어를 중심으로 구축됩니다(그림 1). 이 코어에 실리콘 카바이드(SiC), 질화 갈륨(GaN) 등 와이드 밴드갭 기술 기반의 전력 장치를 사용하는 시스템에 최적화된 고성능 주변 장치가 더해집니다.

그림 1: PSOC Control C3 MCU는 DSP 및 FPU를 갖춘 Arm Cortex-M33 코어를 중심으로 강력한 주변 장치를 갖추고 있습니다(이미지 출처: Infineon).

특히 주목할 만한 점은 다음과 같은 세 가지 Control C3 MCU 주변 장치입니다.

• 고성능 12비트 연속 근사화 레지스터(SAR) 아날로그 디지털 컨버터(ADC)는 최대 16개의 아날로그 신호에 대한 진정한 동기식 유휴 샘플링을 제공합니다. 이는 자속 기준 제어(FOC) 시스템의 모터 위상 전류나 태양광 인버터의 그리드 전압과 같이 빠르게 변화하는 파형을 정확하게 캡처하는 데 매우 중요합니다.
• 선택 사양인 좌표 회전 디지털 컴퓨터(CORDIC) 수학 가속기는 삼각함수 및 기타 복잡한 함수를 Arm 코어로부터 분리하여 처리합니다. 이는 FOC 시스템의 Park 변환과 계통 연계형 전력 변환의 위상 고정 루프(PLL)와 같은 알고리즘에 이점을 제공합니다.
• 타이머/카운터 펄스 폭 변조(TCPWM) 블록은 정밀한 스위칭 신호를 생성하고 모션 인터페이스(MOTIF)를 통합함으로써, 센서 기반 모터 제어 설계에 사용되는 홀 및 구적 엔코더를 직접 하드웨어로 지원할 수 있습니다.

이러한 기능을 함께 사용하면, 고효율 모터 구동, 디지털 전원 공급 장치 및 재생 에너지 시스템과 같은 까다로운 응용 제품을 위한 긴밀하게 통합된 솔루션이 됩니다.

제가 강조하고 싶은 다른 기능으로는 풍부한 I/O 및 1µA 미만의 전력만을 소비할 수 있는 저전력 모드가 있습니다. PSA 인증 레벨 2 보안은 변조로부터 보호하며, IEC 60730 클래스 B 및 IEC 61508 SIL 2 준수는 기능적 안전을 보장합니다.

두 가지 MCU 라인업으로 비용 대비 성능 균형 최적화

제공되는 모든 기능이 모든 설계에서 필요한 것은 아니며 예산이 빠듯할 수 있으므로, PSOC Control C3는 비용에 최적화된 Entry Line과 더 많은 기능을 갖춘 Main Line의 두 가지 버전으로 제공됩니다. Entry line의 주요 특징은 100MHz Arm 코어, 6MSPS ADC, 그리고 48핀 또는 64핀 패키지로 제공된다는 점입니다.

Main Line은 최대 180MHz 프로세서, 12MSPS SAR ADC이며, 80핀 패키지의 옵션이 추가됩니다. 또한 PWM 타이밍을 100ps 이상으로 개선하여 200kHz 이상의 스위칭 주파수를 제어할 수 있습니다.

PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 (그림 2)은 Main Line의 기능을 잘 보여줍니다. 이 MCU는 180MHz Arm Cortex-M33F 코어와 256KB의 플래시 메모리를 PG-LQFP-80 패키지에 결합한 제품입니다. 특히 성능이 매우 중요한 로봇 공학 및 전기 자전거 모터 컨트롤러와 같은 까다로운 응용 제품에 적합합니다.

그림 2: PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 Main Line MCU는 180MHz Arm Cortex-M33F 코어와 256KB의 플래시 메모리를 PG-LQFP-80 패키지에 결합합니다(이미지 출처: Infineon).

평가 키트로 모터 제어기 설계 가속화

제어 3 제품군으로 설계하는 데 관심이 있는 경우 KITPSC3M5EVK 평가 키트(그림 3)로 시작하면 좋습니다. 이 제품은 PSC3M5FDS2AFQ1 MCU를 탑재하여 설계자가 PSOC Control C3의 모든 기능을 이용할 수 있도록 지원합니다.

그림 3: KITPSC3M5EVK 평가 키트는 PSOC Control 3 MCU를 사용하는 개념 증명 작업을 위한 다양한 헤더를 제공합니다(이미지 출처: Infineon).

이 기판은 심플한 설계로 브레드 기판 실험에 적합합니다. 또한 손쉬운 확장을 위해 MIKROE mikroBUS 실드, Arduino Uni R3, Infineon Shield2Go 인터페이스용 헤더를 제공합니다. 전반적으로, 주변 장치 테스트, 개념 증명 작업 및 초기 코드 개발에 적합한 선택입니다.

모터 제어 설계를 바로 경험해 보려는 경우 KIT_PSC3M5_CC2(그림 4)와 같은 고급 키트를 사용할 수도 있습니다. 동일한 PSC3M5FDS2AFQ1 MCU를 기반으로 구축된 이 종합 플랫폼에는 전력 스테이지 제어를 위한 통합 게이트 구동기, 위상 전류 측정을 위한 전류 감지 회로, 독립형 작동을 위한 온보드 전원 공급 장치가 포함되어 있습니다. 모터 컨트롤러 개발, FOC 알고리즘 테스트 및 시스템 수준 검증을 위해 탁월한 선택입니다.

그림 4: KIT_PSC3M5_CC2는 모터 제어 시제품 제작을 위한 유연한 플랫폼입니다(이미지 출처: Infineon).

기판 및 PSOC 제어 C3 제품군 모두 Infineon 개발 에코시스템인 ModusToolbox에서 지원됩니다. ModusToolbox Motor Suite는 모터 제어 응용 제품을 위해 특별히 설계된 즉시 사용 가능한 코드 예제와 도구를 제공하여, 평가에서 구현까지 빠르게 진행할 수 있도록 지원합니다. 또한 수많은 타사 IDE 및 빌드 시스템과의 직접 통합을 지원하므로 선호하는 툴체인에 맞게 워크플로를 유연하게 조정할 수 있습니다.

결론

제 아들처럼 동작 제어를 처음 접하는 사람은 물론, 신기술을 찾는 숙련된 설계자까지, PSOC Control C3 MCU는 탁월한 선택이 될 것입니다. CORDIC 가속기 및 동기화된 ADC와 같은 고급 기능을 통해 매우 훌륭한 모터 제어 기능을 제공합니다. 무엇보다, 이러한 기능이 고효율 MCU에 포함되어 있어 비용에 민감한 설계에 흥미로운 새로운 가능성을 열어줍니다.