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광범위한 디자인과 애플리케이션을 위해 소프트웨어 없이 구동하는 차세대 3상 BLDC 모터

저자. 사토시 이케이 (Satoshi Ikei), 타카시 하라시마 (Takashi Harashima) & 히로아키 가와카미 (Hiroaki Kawakami), 온세미컨덕터

단상 유도 모터들과 브러쉬리스 단상 BLDC 모터들은 수 년간 내수용 가전 기기(예: 냉장고) 나 산업 공기 에어컨 시스템을 비롯해 여러 응용 장비들의 팬 작동을 위해 상대적으로 저렴한 방법을 제공해 왔다. 이러한 종류의 기기를 설치하는 데에는 매우 낮은 자재 명세서만으로도 충분했었다. 그런데 고질적인 모터들의 비효율적 작동은 관련 전압 소비를 매우 높여버려서 결국은 전기 요금을 많이 내야 하는 잘못된 경제적 결과를 초래하기도 했다.

그뿐 아니라 단상 BLDC 모터들은 적용 검토가 요구되는 상당한 음향 소음을 불필요하게 발생시키기도 한다. 에너지 효율에 관한 소비자 인식과 함께 보다 강력한 국제 환경 입법 기관의 출현 등은 기존의 고정 속도식 단상 유도 모터들을 가변 속도식 동기모터로 변화시키고 있다.

복잡한 3단상 BLDC 모터 설치는 에너지 사용을 보다 자각하는 세대에 점점 더 매력적인 수단으로 여겨지고 있다. 이러한 모터들은 기계적인 (브러쉬 모터를 반드시 필요로 하는) 전환기를 필요로 하지 않는다. 따라서 기계적인 추가 도구를 설치하거나 분리할 필요가 없어졌으며 신뢰성 기능 또한 상승시켜 작동 수명을 보다 늘려주는 동시에 시스템의 효율을 고도로 지원해준다.

회전 자기장을 발생시킨다는 것은 정공 회전력이 자기 회전자에 적용되는 것을 의미하는데 운전자는 회전자와 관련하여 반드시 계속 진행되는 기본 환경에 맞춘 스테이터 코일의 위치와 방향을 결정할 수 있어야만 한다. 물론 홀 효과(Hall Effect) 를 이용해 이를 실현시킬 수도 있다. 사용 용도에 (각각 120도 위치) 알맞은 위치 지정을 하기 위해 3개의 홀 센서들을 포함한 단일 제어 회로를 적용하면 최상의 수행 성능을 가진 BLDC 작동이 가능해진다.

회전자 위치를 가리키는 이러한 센서에서 데이터가 획득된다. 정확한 타이밍을 통해서 보다 정확한 속도와 토크 컨트롤이 가능하게 되는데 그 결과 단상 모터 제어에 탁월한 에너지 효율 개선점들이 도출된다. 광학 인코더들은 필요한 위치 피드백을 얻을 수 있는 또 다른 방법을 제공하지만 그리 안정적이지는 못하다. 일반적으로 심한 충격이나 외부 진동, 외부 장비의 출현에 노출되면 열악한 환경 적용에 대처할 수 없다.

회전기 위치를 처리하기 위해 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU) 을 사용하면 회전기 안의 영구 자석이 이 소자를 지나가듯이 각각 하나 고정자 권선기에서 역기전력 유도를 측정하면 센서가 없는 제어 방법을 적용한 홀센서 기술에 예전처럼 크게 의존하지 않아도 된다. 이러한 센서리스 접근은 최근 시장에서 인기를 얻고 있는데 특별히 MCU 판매 가격이 지속적으로 하락한 것도 원인 중이 하나이다. 그 결과 근본적으로 보드의 사용을 줄이면서도 특정한 부품들이 거의 없는 컴팩트한 시스템과 여러 종류의 제품군이 출현하게 되었다. 이러한 구조를 가진 모터 조립품은 보다 긴축된 공간과 제한된 예산의 문제를 해결해주고 있으므로 최근의 전자 기기의 설계에 기준점을 제시하게 되었다.

비록 이러한 요구조건이 매우 긍정적으로 보일지라도, 여전히 MCU 배열에 관련된 이슈들은 해결해야 할 과제이다. 더 단순한 사다리꼴 드라이버 파형은 조용하고 부드러운 모터 구동을 필요로 하는 애플리케이션에 있어서 더욱 발전된 정현파로 대체되기 시작되었다. (부드러운 실행을 할 수 있고 전력손실이 적은 보다 빠른 모터들을 구현하기 위해서) 센서가 없는 모터 제어는 실제로 많은 경우에 경험이 적은 엔지니어들이 해낼 수 없는 복잡한 드라이버 시스템의 현실적인 개발을 필요로 한다. 사실 상당히 노련한 전문 엔지니어들만이 향상된 성능을 테스트하게 된다. 이와 관련해선 SW 개발과 코드 생성에 관한 심도 있는 지식이 일부 필요하게 되었다.

평가 가능한 능력을 기본으로 해서 다른 파라미터들의 물리적/ 전자기적 모터 특성에 관해 적응하는 능력도 요구된다. (예를 들면 역기전력은 회전기 속도에 직접 비례하는데 이러한 방법을 통한 모터 제어를 위해 충분한 역기전력 생성을 필요로 하는 속도는 모터 별로 다른 양상을 보일 것이다.) 이러한 성향은 프로젝트를 할당 받은 엔지니어링 팀에 설계에 관한 중압감을 부여할 뿐만 아니라 궁극적으로는 설계 주기를 잠재적으로 연장시키게 되므로 제품의 도입을 지연시키게 된다.

그림1. 3단상 모토 구동을 위한 종래의 설정 (좌측); 센서리스 기술을 적용한 모형(우측)

3상 모터 제어를 위한 전략적 대안이 떠오르고 있는데 이는 전통적인 광학 인코더 센서 기반의 구조 배열을 위해서 상당한 비용을 투자하거나 센서가 없는 마이크로 컨트롤러 중심의 난해한 소프트웨어를 개발하는 방법도 아니다. 이러한 신기술의 모터는 하나의 홀 센서에 의존해야 한다.

이러한 변화는 카운터 하드웨어에 따라 측정되는 진동 펄스간의 기간을 가진 신호 타이밍을 발생시킨다. 이는 모터 속도에서 파생되어지거나 이러한 시퀀서(sequencer)에 기반한 하드웨어가 PWM 펄스를 발생시킬 수도 있는데 어떤 경우든 데이터 조사(look-up data) 테이블을 참조하는 사인 곡선 전압의 파형을 만들어 내는 어떤 특정 전압을 생성할 수 있게 된다. 즉, 특정 사인 전압의 여자 주기는 다음 컨트롤 주기에 연관된 이전 주기의 결과를 결정지게 된다는 것을 뜻한다.

이러한 실행 요구의 결과 소프트웨어 개발이나 또는 파라미터 수정과 같은 일반적으로 어려운 케이스를 회피할 수도 있다. 이러한 ‘소프트웨어 없는(software less)’ 배열을 사용하면 MCU가 필요하지 않을 수 도 있는데 이는 곧 최신의 팬 시스템 사용을 위한 BLDC 모터 구동이 보다 직접적이고 신속하게 설치 구현될 수 있다는 것을 의미한다. 그 결과 3상 BLDC의 낮은 음향 소음과 높은 레벨의 효율성은 이전에 이미 해결되어야 했던 기술적인 장애에 관한 우려를 하지 않고도 증명될 수 있다.

그림2. LV8813 드라이버 IC를 사용한 3상 소프트웨어리스 모터 컨트롤

이러한 접근에 기반하여 온세미컨덕터는 지금 많은 엔지니어들이 기대하고 있는 소프트웨어 리스 제어 전달을 가능하게 해줄 3상 BLDC 모터 드라이버 IC 제품을 업계에서 선두적으로 개발해 왔다. LV8813 모터 드라이버 IC는 팬 모터 구동을 상당히 단순화시켜줄 뿐만 아니라 정교한 MCU 기반 제어를 위한 필요도 제거해준다. 회전기 위치를 설정하는데 3개의 홀센서를 통합해서 조합하는 것보다 이 반도체는 단 하나의 소자만으로도 충분하다.

속도 조절 IC 및 LV8813 안에 속도 피드백 제어 기능을 내장해온 온세미컨덕터의 LB8503 제품은 모터가 작동될 때의 속도에 대해 정확하고 반응형 제어를 가능하게 해준다. 연결된 서미스터나 분압기 소자들로부터 유도되는 전압 레벨 데이터는 모터의 속도 제어를 도와준다. 리드 앵글 제어 파라미터들은 구동 효율성을 극대화하고 나중에 IC 외부 핀을 경유할 때 순응되는 것을 도와주기 위한 입력 전압들로 구성되기도 한다.

그 뿐 아니라 이 소자는 모터의 물리적 특성과 애플리케이션의 로드 특성에 따라서 전압 소비를 최적화한다. 그뿐 아니라 또한 180도 통전을 수행하는 경쟁적인 반도체들보다 높은 최대 전류 스펙 및 낮은 전력 on-state 상태 저항도 제공한다. 6.95mm X4.4mm 크기에 20핀 TSSOP로 실장된 이 소형 소자는 가정용 소비 가전기기, 프로젝터, 데스크 탑 컴퓨터등과 같은 제품에 사용되는 쿨링 팬 설치에 가장 알맞은 솔루션이 된다.

그림 3. LV8813 모터 드라이버 IC의 기능적 블록 다이어그램

여러 테스트에서 증명된 것처럼 사인 곡선 구동은 종래의 사다리꼴 구동과 비교할 때 음향 소음뿐만 아니라 진동도 감소시켜 준다. 임베디드 시스템 필요가 너무 복잡하지 않을수록 시장에 제품을 출시하는 시간을 줄여주고 할당된 자원들을 쉽게 개발하도록 해주기도 한다.

이러한 장점들로 인해 엔지니어들이 속도 지점을 제대로 명중할 수 있게 되므로 너무 가중한 업무량 없이도 빠듯한 마감일을 준수해 제품을 설계하게 하는 것이 가능해진다. 이는 곧 비용을 세심하게 신경 쓰는 소비자들에게 경쟁력 있는 제품을 제공하는 일도 가능하게 해주는 결과도 가져다 준다. 따라서 OEM 회사들은 에너지 효율이 더 높고 소음이 덜 발생하는 제품을 시장에 가져올 수 있을 뿐만 아니라 개발에 소요되는 비용과 일정에 대한 걱정으로부터도 부담을 덜 수 있게 된다.

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결론

과거 수 년간에 걸쳐서 냉장고와 같은 가전 제품에 사용되는 팬 모터들을 구동하기 위한 다양한 접근 시도가 있었지만 그것들은 대부분 설계나 성능에 있어서 일부만을 개선하는 정도에 지나지 않았다. 3상 BLDC 접근법이 효율성이나 전력 소모, 소음, 특정 부분 설치의 분리 및 추가와 같은 관점에서 단상 설계와 비교할 때 중요한 장점들을 제공했다. 이 방법은 또한 센서나 광학 인코더의 필요와 같은 문제뿐 아니라 센서리스 구현, 복잡하고 난해한 소프트웨어 개발 등 잠재적인 문제들도 새롭게 과제로 남겨주었었다.

이제 소프트웨어 없이도 제어 기능을 수행할 수 있는 성능을 가진 고도화된 3상 BLDC 모터 드라이버 IC의 출현으로 인해 3상 모터 드라이버는 제어나 효율성, 신뢰성, 다른 중요 성능을 절충하지 않고도 팬 모터 구동 애플리케이션을 상당히 단순화시킬 수 있게 되었다.

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