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소비 전력을 낮추기 위한 전 세계적인 노력이 확대되기만 하고 있으며, 많은 나라에서는 그림 1과 같이 가전제품에 대해 중국 표준화연구소(CNIS), 미국의 에너지 스타(Energy Star), 독일의 블루 엔젤(Blue Angel) 등의 조직에서 정한 효율성 표준을 충족하도록 요구하고 있다. 이러한 표준을 충족하기 위해 시스템 설계자들은 간편하고 사용하기 쉬운 단상 AC 유도 모터 기반 설계에서 벗어나 전력 효율이 우수한 저전압 브러시리스 DC(BLDC) 모터로 옮겨가고 있다. 로봇 진공청소기와 같은 소형 가전 설계자들도 사용 수명을 늘리고 작동 소음을 줄이기 위해 많은 시스템을 더 선진화된 BLDC 모터로 바꾸고 있다. 동시에, 영구 자석 기술의 발전으로 BLDC 모터의 제조가 간소화되고 있으며, 더 효율적이고 조용한 시스템의 이점과 함께 동일한 토크를 제공하면서도 시스템 크기를 줄일 수 있게 되었다.

그림 1: 일반적인 가전

BLDC 모터를 사용하는 시스템을 설계하는 것이 다소 어려울 수 있는데, 이는 신뢰할 수 있는 실시간 제어 기능을 제공하기 위해 복잡한 하드웨어와 최적화된 소프트웨어 설계가 필요하기 때문이다. 설계 주기를 앞당기는 한 가지 방법은 전문 업체의 BLDC 모터 모듈을 도입하는 것이지만, 이러한 모듈은 특정한 시스템 요구를 충족할 수 있도록 최적화되지 않았다. 그렇기 때문에 특정한 애플리케이션 요구를 충족하는 최적화된 고성능 시스템을 구축하려면 모듈을 사용하는 경우에도 여전히 모터 설계와 제어에 대한 심도 있는 이해가 필요하다. 본 기고문에서는 에너지 효율적이고 더 스마트하고 더 작은 솔루션을 구현하는 한편 BLDC 모터 시스템 설계 주기를 단축하기 위한 3가지 방법에 대해 다룰 예정이다.

빠른 모터로 튜닝하는 방법 알아보기

FOC(field-oriented control)를 지원하는 MCF8316A BLDC 모터 드라이버를
사용하여 10분 이내에 BLDC 모터를 튜닝하는 방법 관련 영상

방법 1: 모터 구동 소프트웨어가 불필요한 센서리스 제어

모터 구동 소프트웨어가 불필요한 드라이버에는 모터 제어 소프트웨어 개발, 유지보수 및 검증 작업의 부담을 덜 수 있는 제어 정류 알고리즘이 내장되어 있다. 이러한 모터 드라이버는 보통 모터에서 홀 신호나 모터 위상 전압 및 전류 신호와 같은 피드백을 받고, 복잡한 제어 방정식을 실시간으로 계산하여 다음 모터 구동 상태를 알아내고, 게이트 드라이버 또는 MOSFET(파워 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터) 등 아날로그 프론트 엔드 구성 요소의 펄스 폭 변조 신호를 제공한다(그림 2 참조).

그림 2: 일반적인 센서리스 BLDC 모터 시스템

FOC(field-oriented control)를 지원하는 MCF8316A 모터 드라이버와 같이 센서리스 모터 제어를 통합하는 실시간 제어용 모터 드라이버를 사용하면 외부 홀 센서 필요성을 제거하고 이를 통해 시스템 비용을 낮추고 신뢰성을 높인다. 또한 코드 없는 모터 드라이버는 모터 결함 감지와 보호 메커니즘 같은 다수의 기능을 통합함으로써 시스템 신뢰성을 높인다. 이러한 장치는 미국 UL(Underwriters Laboratories)과 같은 인증 기관의 사전 인증 제어 알고리즘이 구현된 상태로 출시되므로 OEM 업체들이 가전제품의 설계 시간을 단축할 수 있다.

방법 2: 지능형 모터 제어를 사용한 간편한 모터 튜닝

속도, 효율성, 음향 잡음 등의 시스템 성능 매개변수를 충족하도록 BLDC 모터를 튜닝하는 것은 어려울 수 있지만, 모터 제조 변형에 상관없이 튜닝이 이루어질 수 있도록 모터의 역기전력 전압으로 정류를 결정하는 센서리스 사다리꼴 제어 알고리즘을 개발하는 것은 가능하다. 통합 센서리스 사다리꼴 제어를 지원하는 MCT8316A와 같은 통합 모터 드라이버는 마이크로컨트롤러(MCU)와 연결된 복잡한 인터페이스 없이도 최적화된 시스템 성능을 구현할 수 있다. 참고로 통합 모터 드라이버는 모터 튜닝 프로세스 중에 오실로스코프로 볼 수 있는 모터 위상 전압, 전류 및 모터 속도 등의 피드백 신호를 제공한다.

센서리스 FOC 알고리즘에서는 첨단 제어 기술 통합으로 모터 매개변수를 자가 측정하거나 제어 루프 튜닝을 자동화함으로써 모터 튜닝 속도를 크게 높일 수 있다. 또한, 그림 3과 같이 모터 시동을 위한 기본 옵션을 제공하는 유도형 튜닝 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)는 튜닝 프로세스를 지원하고 모터를 빠르게 가동할 수 있습니다. FOC를 지원하는 MCF8316A와 사다리꼴 제어를 지원하는 MCT8316A 같이 모터 구동 소프트웨어가 불필요한 드라이버에는 모터 시동을 위한 여러 가지 구성 가능 옵션은 물론 폐루프와 모터 정지 운전이 포함된다. 이로써 몇 분 이내에 모터 성능을 최적화하여 설계 주기 시간 시간을 크게 단축할 수 있다.

그림 3: 유도형 튜닝 GUI

방법 3: 크기 축소

BLDC 시스템을 위한 하드웨어를 설계하는 것은 많은 시스템 엔지니어들에게는 난제일 수 있다. 일반적인 시스템에는 게이트 드라이버, MOSFET, 전류 감지 증폭기, 전압 감지 콤퍼레이터, 아날로그-디지털 컨버터가 필요하다. 또한, 대부분의 시스템은 보드의 모든 구성 요소에 전원을 공급하기 위해 저손실 레귤레이터 또는 DC/DC 스텝다운 레귤레이터 등의 장치를 포함하여 전용 전원 아키텍처가 필요하다. 하지만, 통합 BLDC 드라이버는 이러한 모든 구성 요소를 결합하여 그림 4와 같이 작지만 사용하기 간편한 솔루션을 제공한다는 이점이 있다.

그림 4: 완전 통합형 BLDC 모터 솔루션

통합 제어를 지원하는 모터 드라이버에는 MOSFET를 위한 과전류 및 과전압 보호는 물론 온도 모니터링 등의 보호 기능이 포함되어 있어 엔지니어들이 강력한 솔루션을 제공하기 용이하다. 또한, 로봇 진공청소기, 주택용 실링팬 또는 세탁기에 사용되는 펌프 같이 소비 전략이 70W 미만인 모터 애플리케이션의 경우, 보드 크기를 더욱 줄이기 위해 통합 MOSFET를 지원하는 장치를 선택할 수 있다. MCF8316A 및 MCT8316A 장치는 24V 애플리케이션에 최대 8A의 피크 전류를 지원합니다. 고전력 애플리케이션의 경우 게이트 드라이버와 모터 제어를 칩 하나로 통합하여 MOSFET를 보드에 내장할 수 있다.

본 기고문에서 다룬 개념은 시스템 설계 주기를 가속화하는 한편 더 작고 더 스마트한 BLDC 모터 시스템을 제공하는 데도 도움이 될 수 있다. MCF8316A 및 MCT8316A와 같은 코드 없는 통합 센서리스 제어 BLDC 모터 드라이버는 최적화된 고성능 실시간 제어 시스템을 신속하게 설계하는 데 도움이 될 수 있으며, 24V 애플리케이션에 최대 70W의 전력을 제공할 수 있다. 그러므로 통합 지능형 제어 기술을 갖춘 두 모터는 모두 튜닝이 간편하며, 성능이 우수하고 안정적인 시스템 솔루션을 지원하고, 차세대 저전압, 에너지 효율적인 BLDC 기반 시스템을 구축하기 위해 고려해볼 만한 훌륭한 선택이라고 할 수 있다.

프라이크타 뱌바하레(Prajkta Vyavahare), 텍사스 인스트루먼트 마케팅 애플리케이션 부문 매니저

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