고성능 고효율 모터 컨트롤, 반도체 설계 기술이 이끈다

모터 컨트롤은 MCU의 혁명을 통해 범용 모터를 휠씬 뛰어넘는 진화를 이끌고 있다. 모터 컨트롤 어플리케이션 전용으로 설계된 고집적 MCU의 가용성은 개발자가 기존 시스템의 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 보다 지능적인 컨트롤 메커니즘을 이용하여 시스템 성능, 효율 및 정밀도를 향상시킬 수 있게 한다. 또한 보다 발전된 제어 IC 역시 모터를 위한 스텝핑 시퀀스를 제어하는 상태 머신을 통합하고 있다.
 

글·이진수 기자(LJS@motioncontrol.co.kr)

수십 년 동안, 대다수 모터 컨트롤 어플리케이션은 비용이 저렴하고 구현이 간단하다는 점 때문에 보편적인 브러시 DC 및 스텝 모터에 의존하여 왔다. 하지만 오늘날 마이크로컨트롤러(MCU) 아키텍처의 지속적인 혁신과 통합으로 개발자들은 한층 복잡하고 지능적인 모터 종류와 컨트롤 메커니즘을 사용하여 모터 정밀도, 성능, 전력 효율 및 모터 수명을 비용 효과적으로 개선할 수 있게 되었다.
 

텍사스 인스트루먼츠의 Piccolo 블록 다이아그램

통합 모터 컨트롤

최근 시스템-온-칩(System-On-Chip)으로의 통합은 개발자들의 모터 컨트롤 방식에 변화를 가져오고 있다. 지능형 컨트롤 메커니즘을 구현할 수 있는 MCU를 2달러 미만으로 구입할 수 있으며, 다수의 저비용 어플리케이션의 경우 얻게 되는 성능, 효율 및 정밀도의 차이를 상쇄하고도 남는다.

예를 들면, TI의 저비용 C2000 피콜로 MCU는 단일 칩 상에서 두 대의 모터를 제어하면서 역률 보정(PFC)과 같은 여타 고가치 기능에 대한 충분한 여유를 가질 수 있다. 또한 이러한 마이크로컨트롤러는 여러 하드웨어 기반 기능을 통합하여 성능과 효율을 더욱 향상시킨다.

개발 기간 단축

설계와 디버깅을 용이하게 하는 하드웨어와 소프트웨어의 가용성은 개발 기간의 최소화를 위한 필수적인 요소가 되었다. 예를 들면, 공통 하드웨어 플랫폼을 이용해 간단한 모터 어플리케이션에서부터 하이엔드, 고정밀 어플리케이션에 이르기까지 소프트웨어를 재사용하고 설계를 확장할 수 있다. 더불어 광범위한 모터 컨트롤 기반 라이브러리를 갖춘 시각적인 개발 툴은 플랫폼의 가치를 확대함으로써 기존 프레임워크를 활용해 높은 수준의 작업을 할 수 있으며, 특정 어플리케이션에 대하여 빠르게 대응할 수 있다.

고집적 MCU 가용성

모터 컨트롤 어플리케이션 전용으로 설계된 고집적 MCU의 가용성은 개발자가 기존 시스템의 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 보다 지능적인 컨트롤 메커니즘을 이용하여 시스템 성능, 효율 및 정밀도를 향상시킬 수 있게 한다.

자신이 선택할 수 있는 여러 모터 종류와 컨트롤 방법을 이해하면 개발자는 쉽게 확장할 수 있으며, 광범위한 부가가치 기능을 지원하고 장기적으로 코드 투자를 활용하는 강건한 시스템을 구축하기에 적절한 방식과 수준의 컨트롤 인텔리전스를 선택할 수 있다.

MCU를 통한 진화

모터 컨트롤은 MCU의 혁명을 통해 범용 모터를 휠씬 뛰어넘는 진화를 이끌고 있다. 특히 최근에는 다양한 성능의 MCU를 저비용으로 활용할 수 있기 때문에 고성능 시스템을 비용 효율적으로 제작할 수 있게 되었다. 이를 활용하기 위해서는 개발하는 제품의 구성이 가진 장점과 단점을 파악하고 자신의 어플리케이션에 맞는 아키텍처를 선택할 수 있어야 한다.
 

텍사스 인스트루먼츠의 Piccolo

모터 타입도 다양하고 컨트롤 기술도 서로 달라 여러가지 옵션들 가운데에서 어느 것을 선택해야 할지 고르기 쉽지 않을 수 있다. 특히 보다 복잡한 컨트롤 알고리즘을 이용하면 시스템은 보다 나은 시스템 가속, 보다 정확한 속도/위치 컨트롤, 보다 높은 토크, 보다 나은 효율, 보다 높은 정밀성을 달성할 수 있음은 물론 하드웨어와 소프트웨어 둘 다의 기능 통합으로 시스템 비용도 줄일 수가 있다.

텍사스 인스트루먼츠의 Bilal Akin은 “텍사스 인스트루먼츠는 개발자를 위해 TMS320C2000 플랫폼의 MCU를 내놓음으로써 이 프로세스를 간소하게 만들었으며, 이것은 거의 모든 가격을 커버하고 모든 타입의 모터와 컨트롤 기술을 지원하는 가장 넓은 범위의 디바이스들 중 하나”라고 설명하며, “C2000 MCU가 있다면 개발자는 더욱 높은 효율과 성능을 비용효과적인 방식으로 구현할 수 있을 뿐만 아니라 전체 플랫폼에서 코드 호환이 가능하기 때문에, 개발자는 장기적으로 코드 투자를 활용하고 모터 컨트롤 설계에 이를 다시 이용함으로써 크게 비용을 절감할 수 있고 어플리케이션의 안정성도 달성할 수 있다.”고 덧붙였다.

모터 설계 기술
전력과 공간 절감

EPRI(Electric Power Research Institute)에 따르면, 인버터로부터 전력을 공급받는 최신 모터를 사용할 경우에 인버터를 사용하지 않는 드라이브와 비교해 최대 40%까지 전력을 절감할 수 있다. 주파수 변환기는 사인 전류를 생성하여 유도 모터, 영구자석 동기 모터, BLDC 모터 등에 제공한다.

이를 위해서 스위칭 주파수는 주파수 변환기의 가변 출력 주파수보다 일정 정도 이상 높아야 한다. PWM(Pulse Width Modulated) 출력 전압은 유도 부하에 인가된다. 따라서 출력 전류는 전압의 평균 값에 비례한다. 높은 스위칭 주파수는 드라이브의 토크 리플과 잡음을 낮추고 동력을 증가시키기 때문에 주파수 변환기에 유리하다.

비용 절감은 고려해야 할 또 다른 레이아웃 제약조건이다. 대부분의 경우에 양면 PCB가 사용된다. 대개의 경우, PCB상의 각기 다른 영역들이 한가지 종류의 솔더링 공정만을 사용할 수 있는 것으로 정의되어 있다. 표면 실장 반도체가 비용 효율적인 솔루션으로서 점점 더 선호되고 있다.

최신 가변 속도 드라이브들은 주파수 변환기를 장착하고 있기 때문에 3-상 모터의 요구사항에 따라 출력 전류를 조정할 수 있다. 주파수 변환기의 크기와 형태는 일반적으로 어플리케이션에 의해 제한된다. 대부분의 경우, PCB는 모터에 가깝게 배치되지만 구조물의 높이로 인해 다시 한번 제한될 수 있다. 뿐만 아니라 사용된 고전력 반도체 기술과 선택한 패키지 형태가 PCB상에서 적합한 위치를 결정한다.

스위칭 동작 시 전압과 전류가 겹쳐지면 소산되어야 하는 손실이 발생한다. PCB상에서 반도체들의 배치를 제한하는 히트 싱크를 통해 전력 소산 성능을 향상시킬 수 있다. 주파수 변환기는 에코디자인(EcoDesign)의 요구사항들을 충족시킬 수 있는 주요 기술이다.
 

페어차일드의 모터와 산업용 고전압 게이트 드라이버 IC

설계 고려사항

IGBT, MOSFET 등과 같은 고전력 반도체 분야의 최신 경향은 다이의 크기를 줄이는 동시에 성능을 향상시키는 것이다. 하지만 다이 공간이 줄어들면 보다 빠른 스위칭을 가능하게 하는 디바이스의 기생 커패시턴스 역시 줄어든다. 따라서 PCB 상의 주요 루프를 보다 상세히 검토하는 작업이 보다 중요해지고 있다.

제약조건들을 극복하기 위한 매력적인 솔루션으로서 SPM(Smart Power Module)이라고도 하는 지능형 전력 모듈(IPM, Intelligent Power Module)을 사용하는 방법이 있다. 이러한 모듈을 사용함으로써 PCB상에서 필요한 공간을 디스크리트 솔루션 대비 최대 50%까지 줄일 수 있다.

페어차일드 반도체의 스테판 쉬미엘루스 박사는 “PCB 설계는 고속 스위칭 디바이스와 함께 사용되는 컴포넌트 배치에 상대적으로 더 민감하다. 다른 영향들 중에서 전류가 빠르게 변화하는 전류 루프 공간의 크기가 주파수 변환기에 선택된 반도체의 강건성을 결정한다.”며, “지능형 전력 모듈은 전류 루프의 공간과 그 기생 요소들을 최소화시킨다. 뿐만 아니라 보다 적은 수의 외부 컴포넌트로 EMC 요건을 충족하면서 주파수 변화기의 설계를 단순화시킬 수 있도록 설계되었다.”고 설명했다.
 

페어차일드의 산업용 파워서플라이 모듈

전력 반도체 기술로
새로운 수준의 효율 달성

전력 변환 분야에서 갈수록 중요한 경향이 '친환경'이다. 정부 당국과 관련 기구에서는 매년 더욱 더 엄격한 규격을 내놓고 있다. 에너지를 절약하는 것이 자신들에게 이롭다고 깨닫는 사람들이 갈수록 늘어나고 있다. 에너지를 절약하기 위해서는 첨단 전원장치에서 전력 변환 효율을 향상시키는 것이 중요한 과제이다.

그러한 좋은 예가 서버 전원장치 및 데스크톱 PC 전원장치에 대해서 점진적인 효율 향상을 제안하고 있는 Climate Savers Computing Initiative이다. 디지털 제어 루프, 더 우수한 부품, 혁신적인 패키징, 열 관리 최적화 같은 기법들을 채택해서 더 높은 효율을 달성하고자 현장에서 많은 논의들이 이루어지고 있다.

디지털 제어는 효율과 동적 응답을 향상시킬 수 있는 가능성은 높으나 아직 초기 단계에 머물고 있으며, 경제성이 충분히 높지 않다. 디지털 컨트롤러 사이의 통신과 같은 디지털 전력관리를 통해서 전체적인 시스템 수준에서 대폭적인 효율 향상이 기대되고 있다.
 

ST마이크로일렉트로닉스의 dSPIN Future In Motion

통합적 솔루션

이산 전력 반도체를 위한 패키지는 가격 절감에 역점을 두는 반면에 새로운 패키지 개발은 보통 부품 통합과 관련된다. 단일 패키지로 부품들을 통합함으로써 보드 공간을 절약하고, 부품 수를 줄이고, 출시시간을 단축하고, 더 높은 신뢰성을 달성하고, 향상된 성능을 제공할 수 있다. 결과적으로 이들 이점에 의해서 시스템의 전체적인 비용을 낮출 수 있다.

이 통합적 솔루션은 고주파 스위칭 전환 시에 문제가 될 수 있는 기생 부품을 감소시킨다. 테스트해야 할 부품이 감소하고 업체가 생산 시에 모든 결함 부품을 걸러냄으로써 전원장치 디자이너가 자신의 시스템을 위해서 더 믿을 수 있는 디바이스를 이용할 수 있다. 모듈 제품의 출하 및 품질 기록에서 시스템 레벨 결함 비율이 감소하는 것으로 나타난다.

열적 고려가 통합적 솔루션에서 또 다른 중요한 요소이다. 다중의 전력 소자들이 단일 패키지 내에 인접하게 통합되기 때문이다. 이는 최적화된 전력 디바이스, 기판 소재 및 크기, 내부 레이아웃을 선택해서 달성할 수 있다.
 

STM8L 초저전력 마이크로컨트롤러

혁신적인 기술
단일 칩 모터 컨트롤러

‘디지털 SPIN’ 또는 dSPIN이라는 명칭의 ST마이크로일렉트로닉스의 모터 제어 시스템은 ST의 첨단 BCD 제조공정을 통해 스텝퍼 모터 제어에 필요한 모든 디지털 제어, 아날로그 측정, 전력 전자 회로를 통합하고 있다.

ST는 첨단 BCD 공정을 통한 아날로그 통합 기능을 활용하여 풍부한 보호 기능을 단일 칩 상에 구현하였다. 이러한 보호 기능으로는 과열 방지 기능, 낮은 버스 전압 보호 기능, 무손실 과전류 보호 기능, 모터 정지(Motor Stall) 감지 기능 등이 있으며, 현재 시장에서 가장 엄격한 요구조건을 가진 어플리케이션도 완벽하게 보호해주는 솔루션을 제공하면서 동시에 설계를 단순화시킨다.

ST마이크로일렉트로닉스의 산업 및 전력변환 사업부의 그룹 부사장이자 사업본부장인 삐에트로 메니티(Pietro Menniti)는 “dSPIN은 통합 디지털 제어 코어를 통해 ST PowerSPIN 제품 플랫폼을 확대하고 시스템 레벨에서 탁월한 성능과 가치를 제공한다.”면서 “현재 모터-제어 어플리케이션은 해상도, 부드러운 동작, 시스템 강건성 등과 관련하여 매우 높은 성능을 필요로 한다. 높은 스텝 해상도, 디지털 모션 관리, 완벽한 보호 기능 세트, 모터단과 직접 연결되는 듀얼 H-브리지 전력 스위치 어레이 등을 통해 dSPIN은 최대 100W급 모터가 1개 이상 필요한 어플리케이션에서 경쟁력을 갖추고 있다.”고 말했다.

 

모터 시스템 설계를
단순화시키다

현재의 스텝퍼 모터 드라이브 시스템들은 일반적으로 모터를 구동하고 전류 제어와 같은 몇 가지 단순한 제어 기능들을 통합한 통합 전력 IC를 사용한다. 보다 발전된 제어 IC 역시 모터를 위한 스텝핑 시퀀스를 제어하는 상태 머신을 통합하고 있다. 일반적으로 스텝 타이밍과 모션 프로파일은 외부 마이크로컨트롤러 또는 ASIC으로 제공되는 전용 로직을 통해 제어된다.

복수의 모터를 제어하기 위해서는 각 모터에 대해 전용 로직을 복제하여 사용하거나 각 모터들을 제어하기 위해 마이크로컨트롤러에 대한 소프트웨어 부하를 추가시킨다. 신형 IC L6470은 드라이버 IC와 함께 디지털 제어 코어를 통합하여 복수 모터 제어를 구현하는 방법을 단순화시킨다.

IC는 전압 모드로 동작하기 때문에 메인 마이크로컨트롤러에 대한 부하를 최소화하면서도 사용자가 정의한 이동 프로파일을 최대 1/128 마이크로스텝핑까지 관리할 수 있도록 지원한다. 이러한 구현 방법은 단일 마이크로컨트로러를 통해 하이 레벨 이동 명령을 IC에 전달만하면 되기 때문에 복수의 모터를 간편하게 관리할 수 있다.

ST마이크로일렉트로닉스의 톰 홉킨스 이사는 “디지털 기반 전압 모드 PWM을 사용하여 스텝 당 최대 128 마이크로스텝을 지원하는 마이크로스텝핑 구동을 간편하게 통합할 수 있다. 사인파 프로파일은 전류 모드 구현방법보다 정확하고 높은 위치 해상도를 제공하며, 전압 모드 동작을 통해 시스템 공진을 대폭 감소시킬 수 있다.”며, “뿐만 아니라 디바이스에 구현된 디지털 모션 엔진은 시스템 마이크로컨트롤러에 대한 부하를 대폭 감소시키며, 다중 모터 어플리케이션에서 사용되는 전용 마이크로컨트롤러에 대한 요구를 제거한다.”고 설명했다.

디지털 모터 컨트롤 방식 C2000

TI의 전략은 C2000 MCU를 다양한 컨트롤 기술 가운데에서도 모든 모터 타입을 제어할 수 있는 공통의 플랫폼으로 제공하는 것이다. C2000은 모든 모터 어플리케이션에서 사용할 수 있도록 2달러부터 시작하는 Piccolo 제품군부터 300MHz 부동소수점 Delfino 제품군까지 제공하고 있다.

또한 공통의 하드웨어 및 개발 플랫폼을 제공함으로써 개발자가 어떤 한계도 없이 설계 비율을 조정할 수 있고, 간단한 모터 어플리케이션부터 하이엔드 고정밀 어플리케이션까지 소프트웨어를 다시 활용할 수 있다.
MCU 아키텍처 내에 DSP 기능을 제공하고 있는 C2000 디바이스는 40-300MHz 성능을 제공하고 있으며, 내장형 DSP 기능, 싱글사이클 32×32비트 MAC, 최고 클록 속도가 가능한 8단계 보호 파이프라인 등을 포함하는 일련의 하드웨어 기반 기능들을 여기에 보완함으로써 코드 실행 속도를 높이고 있다.

ST마이크로일렉트로닉스
오므론과 보다 스마트한 가스 계량기 실현

ST마이크로일렉트로닉스와 오므론은 전자 가스 계량기의 유량 센서를 위한 종합 솔루션을 제공하기 위해 협력했다. 양사가 개발한 유량 센서는 ST가 개발 중인 스마트 턴키 가스 계량기 솔루션의 핵심부품이다. 이 핵심 기술은 완벽한 독립형 서브 시스템으로 통합되었다. 첨단 MEMS 미세-열 센서 기술로 구현된 유량 센서는 온도와 압력 변동을 모두 보상하며, 동시에 내장된 회로는 다양한 가스 조성 변화를 보상한다. 소형 센서와 초저전력 MCU가 통합된 지능형 계량 기술은 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터를 수집하고 소비자들에게 비용 및 사용 패턴에 대한 실시간 정보를 제공하는 호스트 시스템에 전달함으로써 재생 불가능한 자원의 사용을 최소화할 수 있도록 지원한다.