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ST마이크로일렉트로닉스의 STM32F30X와 L6230 탑재한 모터 컨트롤 에코시스템

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Antonino Bruno, Dino Costanzo, Gianluigi Forte

STMicroelectronics

ST의 모터 컨트롤 에코시스템 개요
ST마이크로일렉트로닉스의 에코시스템은 디지털 및 전력 시스템 솔루션 분야에서 지식과 시스템 전문성을 축적해왔다.

이를 활용하여 전력 디스크리트에서부터 인텔리전트 파워 모듈, 모터 드라이버 IC, 나아가 우수한 전산 기능과 전용 주변기기를 결합한 최신 디지털 마이크로컨트롤러에 이르기까지, 혁신적인 제품을 폭넓은 포트폴리오로 제공하기 때문에 어떤 종류의 모터도 지원할 수 있다.

ST는 2002년 부터 3상 모터 컨트롤에 주력하면서, 모션 컨트롤 애플리케이션의 시장출시 기간 단축을 위해 자속 기준 제어(field oriented control; FOC) 소프트웨어 개발 키트(STM32 PMSM FOC SDK와 ST MC 워크벤치)와 같은 전용 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 개발해왔다.

곧 출시되는 STM32 PMSM FOC SDK와 ST MC 워크벤치의 경우, STM32F30x MCU 시리즈 도 지원할 것이다. 이 마이크로컨트롤러들은 72 MHz DSP와 FPU 명령어를 갖춘 32비트 ARM Cortex-M4 코어를 첨단 아날로그 주변기기와 결합하여 유연성을 향상시켰다.

STM32F3와 FOC의 장점
FOC는 3상 모터 가변속도 구동기(Variable Speed Drives)의 여러 측면을 최적화하는 수학적 기법이다. 여러 측면이란 과도상태의 DC 모터와 같은 최적의 전자기 토크 반응(electromagnetic torque response), 최상의 에너지 효율성, 매끄러운 토크 발생 및 사인파 전류 파형으로 인한 무소음 작동 등이 포한된다.

기본적인 하드웨어는 마이크로컨트롤러, 3상 인버터, 위상 전류 검출을 위한 도구(션트 저항, , 절연 전류 신호변환기), 그리고 로터 각을 검출하는 도구 (엔코더, 홀센서, 리졸버(resolver), 알고리즘) 로 구성된다.

응용 범위는 공장 자동화(로봇, PLC, CNC)에서부터 가전(세탁기, 에어컨), 산업용 제품(펌프, 팬), 그리고 의료 및 피트니스 장비 등 다양한 분야에 활용된다. 물론, 전력 크기는 차이가 크다.

ST의 STM32F30x 마이크로컨트롤러는 STM32 제품군이 모터 컨트롤 분야에서 축적해온 경험으로 ‘FOC 마스터’가 될 것으로 기대되고 있다. 부동 소수점 장치(FPU)를 갖춘 Cortex-M4 코어, CCM(Core-Coupled Memory) RAM, 내장 고속 아날로그, 개선된 디지털 주변기기 등의 모든 기능이 최상의 성능을 보여주기 때문이다.

부동 소수점 장치(FPU)
IEEE 754를 준수하는 단일 정밀도 FPU(single precision floating point unit)는 새로운 애플리케이션을 빠르게 개발하는데는 중요한 핵심 요소다.

사실, 정수나 고정 소수점의 수는 느리고 세심한 설계를 요구하기 때문에, 엔지니어들이 괜찮은 새로운 콘셉트라도 검토하기를 꺼려 한다. 기존의 설계를 조금 수정하는 것도 위험한 일로 여겨질 정도이며, 실제로 위험하기도 하다.

반면, FPU 로 작업하는 프로그래머들은 수학을 이용하여 문제점을 좀더 쉽게 해결해낸다. 수정, 시제품 작업 및 테스트가 빠르기 때문에 결과적으로 작업을 시간 안에 완료하는데 도움이 된다.

또한, 레디투유즈 ARM CMSIS DSP 소프트웨어 라이브러리는 공통 신호처리 기능, 그 중에서도 디지털 필터들(IIR, FIR, LMS, 컨볼루션(convolution)), 변환, 복잡한 수학적 계산 등이 가능하다.

FPU 유닛은 매스웍스의 ‘임베디드 코더(Embedded Coder)’와 같은 임베디드 코드의 자동 생성을 위한 툴을 손쉽게 활용할 수 있다. 하지만, 경험 많은 모터 제어 엔지니어들은 시계 수집가의 시계만큼이나 복잡하게 비트 수준으로 주변기기를 설정하고 동기화해야 하기 때문에 ‘이건 내 영역이 아닌데’라고 생각할 수 있을 것이다. 우리도 그런 생각에는 동의한다.

‘임베디드 코더’는 알고리즘 블록의 번역물이기 때문에, 알고리즘 블록의 경계를 입출력 변수 측면에서 추적해서 생성된(F3코어를 위해서 최적화된) 코드를 ‘수동으로 설계한’ 펌웨어 프레임안에 플러그한다.

이러한 접근 방식의 결과는 명확하다. PIL(Processor-In-the-Loop) 시뮬레이션에서 최악의 상황에서도 알고리즘을 심도있게 테스트할 수 있어, 펌웨어의 신뢰성이 훨씬 높아지고, 시장출시 시간도 단축된다.

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CCM-RAM과 듀얼 FOC
STM32F303 아키텍처는 대기 상태(플래시 메모리가 CPU 주파수와 일치하기 위한)나 태스크 반복 주파수(관련 코드가 버퍼 가속장치 내에서 통계상 머무르기 위한)와 상관없이, Cortex-M4 코어의 전산 기능을 100% 사용할 수 있는 최상의 소스를 제공한다. 8Kbyte CCM RAM은 Cortex-M4 명령어 버스와 링크되어 있다.

명령어는 CCM 부분에 자리하여 대기 상태 없이 바로 가져올 수 있는 반면, 데이터는 SRAM에서 별도의 D-버스로 접근하여 통할 수 있다. 따라서 이 프로세서의 3단계 파이프라인은 모든 기능을 100% 발휘하여 구동할 수 있다.

8Kbyte는 센서리스 알고리즘, 전류 측정, 공간 벡터 변조, PI(D) 레귤레이터, 변형 및 필터링 등, STM32F3 MC 라이브러리의 계산 집중 섹션(computation intensive sections)과 같은 경우에 알맞는 최적의 수치이다.

EWARM, MDK-ARM, GNU 등의 툴체인으로 활용이 가능한 #프라그마(pragma) 명령어나 __속성 키워드 덕택에 CCM 부분에 선택적으로 기능을 배치할 수 있다. 곧 출시될 STM32 PMSM FOC SDK v3.4 로 실행한 사전 테스트에서, 센서리스 알고리즘을 구성하는 FOC 실행 기간이 72MH로 구동되는 동일한 기계에서 29%까지 단축되는 것으로 나타났다.

따라서 STM32F303상에서의 듀얼 및 동시 FOC는 STM32 PMSM FOC SDK의 풍부한 주변기기(서론에서 말한 바와 같이), 특허 획득한 하드웨어 가속화, 저렴한 CPU 로드, 오래가는 펌웨어 구축을 통해 가능해졌다.

내장되고 개선된 주변기기
새로운 STM32F30x마이크로컨트롤러 제품군은 모터 컨트롤 분야에서의 10년이 넘는 경험과 전문성을 활용하도록 고안됐으며, 모터 컨트롤 전용 제품들도 확대해 왔다. 코어를 향상하여 계산 능력도 좋아졌지만 아날로그 주변기기가 새롭게 더해져 CPU의 작업량을 줄이면서 외부 컴포넌트의 수도 줄었다.

제품에는 아날로그-디지털 컨버터와 직접 연결된 4개의 PGA(programmable gain amplifiers)를 내장했다. 이 앰프들은 8.2MHz 대역폭과 4.7V/μs 슬루율(slew rate)로 설계되었으며, ‘최첨단’ 모터 전류 감지 기법을 활용할 수 있는 크기로 제작되었다. 컨트롤 기법에서 이러한 유연성이 요구된다면, PGA 이득은 소프트웨어로 x2-x16의 4가지 다른 값 중 하나로 내부적으로 변경되거나 외부 네트워크로 고정될 수 있다.

이 마이크로컨트롤러에는 최대7개의 빠른 비교 측정기, 최대 90ns 전파 지연이 내장되어있다. 과전류 및 과전압 폴트 등 안전 관리 기능 제품에 들어가는 PWM 주변기기 각각의 두 개의 비상 인풋 중 한 개에 직접 연결이 가능하다. 이렇게 폴트를 관리하는 것은 보통 모터 구동의 핵심 요소다.

6개의 PWM 출력(이들 중 2개는 STM32F303 버전 탑재)을 생성하는데 최첨단 타이머 주변기기가 사용되었으며, 두 개의 채널이 추가되어 향상됐다. 이 추가 채널들은 AD 컨버전을 일으키는 기능과 결합하여 코어의 개입 없이도 복잡한 기능을 수행할 수 있도록 한다. 그 결과 총 CPU 작업량을 줄여준다.

마지막으로, 아날로그-디지털 주변기기들(마이크로컨트롤러에 최대 4개까지 내장됨)은 ST만의 아키텍처로 개선됐다. 이 아키텍쳐는 ‘동기 주입 전환 목록(queue of synchronized injected conversions)’을 활용하여 모터 전류 측정의 하드웨어 가속화을 구현, 특히, 듀얼 구동을 위해 설계됐다.

STM32F303 MCU 와 L6230 모놀리식 모터 드라이버 기반 듀얼 모터 컨트롤 보드

ST의 모터 컨트롤 에코시스템은 다양한 모터 및 전력율에 알맞는 전력 및 컨트롤 단계의 솔루션 다수를 제공한다. 곧 출시될 STEVAL-IHM042V1은 STM32F3가 어떻게 최대 출력 전류 2.8A DMOS 두 개가 완전히 통합된 L6230 3상 모터 드라이버 IC와 결합하여 듀얼 FOC 모터 드라이브를 수행하는지를 보여주는 완벽한 드라이브이다.

주요 기능:
– 두 개의 PMSM 모터 동시 FOC

– SWD 지원하는 온 보드 ST 링크 회로 내 디버거 및 프로그래머(STM32F103 기반)

– ST MC 워크벤치를 통한 실시간 컨트롤을 위한 온 보드-시리얼 인터페이스

IIoT 기술 매거진 - 아이씨엔

– 점퍼를 통해 쉽게 선택 가능한 각 드라이브 별 3-션트나 1-션트 전류감지 토폴로지

– 8 V ~ 48 V의 DC 전압 범위(최대 52 V까지 확대)

– 각 출력 별 1.4 Arms(최대 2.8 A)의 최대 부하 전류

– DC-DC 통합 레귤레이터(3.3 V)

– 두 개의 홀(Hall) 센서/인코더 인풋

결론
지금까지 ST의 모터 컨트롤 에코시스템에 대해 살펴봤다. 매년 ST는 새로운 기술 및 제품으로 에코시스템을 강화하고 있으며, 모션 컨트롤의 효율성, 통합, 정밀도, 신뢰성 측면에서 나타나는 새로운 동향들에 적합한 시스템적인 접근법을 적용하여 가치를 창출한다.

모션 컨트롤의 새로운 동향을 충족하기 위해 시스템 접근방법을 통해 부가가치를 창출하고 있다.©

ST마이크로일렉트로닉스 www.st.com

아이씨엔 매거진 2013년 10월호

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로크웰오토메이션, 안전한 기계 진단으로 산업용사물인터넷 구현을 지원한다

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알렌브래들리 가드마스터 가드링크 (Allen-Bradley Guardmaster GuardLink) 안전 시스템

산업용사물인터넷(IIoT)는 공장 플랜트 및 기계 장비에서 수 많은 정보들을 실시간으로 수집하고 분석하는데 그치지 않고, 분석에 기반해 실시간으로 적절한 조치까지를 수행하도록 해야 하는 어려운 과제를 남겨두고 있다. 여기서 무엇보다도 중요한 조치는 바로 안전이다. 이는 안전 기반 통신 프로토콜을 통해서 구현되고 있다.

기존에는 기계장비에서 안전 장치들이 별도로 마련된 안전 입력에 배선되어야 했다. 이는 배선에서도 상당한 양의 추가 작업이 요구되었고, 잠재적인 고장 위험도 있었다. 그 뿐 아니라, 직렬 연결 배선을 하여 모니터링 하는 경우 각 장치의 상태 정보를 각 장치의 보조 출력으로부터 받아 별도의 리모트 I/O 카드 등에 연결해야 하는 불편함이 있었다.

알렌브래들리 가드마스터 가드링크 (Allen-Bradley Guardmaster GuardLink) 안전 시스템

로크웰 오토메이션의 새로운 안전 기반 통신 프로토콜 알렌브래들리 가드마스터 가드링크 (Allen-Bradley Guardmaster GuardLink) 안전 시스템은 이러한 문제들을 해결하고, 기계 장비의 진단 정보들을 안전하게 전달하도록 한다. 가드링크 기술은 안전 기반 통신 프로토콜로, 작업자들이 장비 진단을 효과적으로 하고 생산 중단 시간을 감소시켜 생산성을 향상할 수 있게 해준다. 가드링크 기술이 적용된 스마트 안전 장치는 보다 향상된 정보, 성능, 유연성을 제공하며, 기업이 장비 및 공장 전반의 안전성과 효율을 높이는데 기여한다.

GuardLink를 이용하면, M12 커넥터를 이용해 연결하여 안전 장치의 직렬 연결이 용이하고, 별도의 배선없이 제어기에서 Ethernet/IP 통신을 통해 각 장치의 진단 정보들을 끌어올 수 있다. 이 시스템은 링크 당 최대 장치 32대까지 단일의 4핀 케이블로 연결하여 안전, 진단, 원격 리셋 및 잠금 명령을 제공한다. 배선 작업에서도 최대 38% 감소되어 설치 비용과 시간이 대폭 절감된다.

이종두 로크웰 오토메이션 코리아 A&S사업부 과장은 ”산업용 사물인터넷(IIoT)을 갖춘 진정한 커넥티드 엔터프라이즈는 조직 내 플랫폼과 장치들 전반에서 실시간 제어와 정보를 활용할 수 있어야 하며, 사용자들에게 적시에 올바른 정보를 올바른 형식으로 액세스할 수 있는 역량을 제공”해야 한다며, ”이번에 발표한 가드링크는 기계 및 공장 전반에 향상된 안전성 및 효율성을 제공하여 국내 기업의 제조 생산성 향상과 디지털 전환을 지원할 것”이라고 말했다.

이번에 발표된 가드링크 기술은 알렌브래들리 가드마스터 안전 릴레이와 컴포넌트에 완전하게 통합되어, 사용자들이 최소 비용으로 스마트 안전회로를 구성하고, 전체 안전 시스템의 상태 정보에 액세스할 수 있도록 해준다. 가드링크 기술로 지원되는 스마트 탭을 통해 안전 장치를 연결하고 가드마스터 안전 릴레이로 표준 케이블을 연결할 수 있기 때문에 필드 기기인 라이트 커튼과 가드 도어부터 비상 정지 스위치 수준까지, 시스템에 대한 가시성도 크게 향상된다.

오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

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슈나이더 일렉트릭, 싱가포르서 IoT 플랫폼 ‘에코스트럭처’ 최신 버전 공개

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2018 Innovation Summit Singapore
twitter@Schneider Electric

’2018 이노베이션 서밋 싱가포르’ 9월 20일 개최

에너지 관리 및 자동화 분야의 디지털 혁신을 선도하는 글로벌 기업 슈나이더 일렉트릭(한국지사 대표 김경록)이 9월 20일부터 이틀간 싱가포르 마리나 베이 샌즈 호텔에서 ’2018 이노베이션 서밋 싱가포르(2018 Innovation Summit Singapore)’를 개최하고, 슈나이더 일렉트릭이 제시하고 있는 사물인터넷(IoT)을 지원하는 개방형 아키텍처 플랫폼인 ’에코스트럭처(EcoStruxure™)’ 최신버전이 공개된다.

2018 Innovation Summit Singapore

슈나이더 일렉트릭의 이노베이션 서밋은 세계적 전문가와 업계 종사자가 모여 디지털화와 디지털 전환(Digital Transformation)에 따른 변화하는 비즈니스 전략 방안에 대한 대담한 아이디어를 공유하는 자리다. 지난 5월말에는 서울 행사가 이틀간 개최된 바 있다. 서울을 포함해 전세계 약 20여개의 행사가 이미 개최됐으며, 이번 ‘이노베이션 서밋 싱가포르’는 동아시아 최대 규모로 진행된다.

‘Powering and Digitizing the Economy’를 주제로 진행되는 이번 싱가포르 서밋 행사는 총 6개의 전략 세션과 15개 이상의 전문가 세션이 열린다. 행사에서는 슈나이더 일렉트릭 장-파스칼 트리쿠아(Jean-Pascal Tricoire) 회장 겸 CEO가 참석해 기조연설을 담당한다. 이와 함께 국내의 주요 고객 사례도 소개될 전망이다.

장-파스칼 트리쿠아(Jean-Pascal Tricoire) 슈나이더 일렉트릭 회장은 “디지털 경제 활성화로 인해 전 세계는 전례 없는 속도로 변화하고 있다. 사물인터넷, 인공지능, 빅데이터 분석 등 기술을 통해 기업들은 효율성과 혁신성을 향상시켜 경쟁 우위를 차지하기 위해 박차를 가하고 있다.”고 말했다. 이어 “에코스트럭처에 구축된 우리의 기술은 디지털화를 기반으로 고객들이 효율성, 안전성, 안정성, 연결성, 지속가능성을 향상시켜 새로운 디지털 경제의 리더가 되도록 도울 것이다. 우리는 고객과 파트너가 에너지 관리 및 자동화 분야에서 성공적인 디지털 혁신을 이룰 수 있도록 지원해 나갈 것이다.”고 전했다.

또한 솔루션 데모 및 체험 부스로 운영되는 ’이노베이션 허브(Innovation Hub)’도 업계의 주목을 받고 있다. 3,700㎡의 공간에 마련된 이노베이션허브에서는 슈나이더 일렉트릭의 다양한 소프트웨어, 솔루션 및 서비스를 선보인다. 이노베이션 허브에서도 에코스트럭처 최신 버전이 새롭게 소개될 것으로 보이며, 여기에는 기계설비 및 플랜트를 위한 인공지능(AI) 및 VR(가상현실), 빅데이터 융합 기술들이 대거 추가될 것으로 예상된다. 이 밖에도 마이크로소프트, 엑센츄어, 시스코, 댄포스, 솜피, 아비바 등 기술 및 채널 파트너뿐만 아니라 주요 스타트업 기업과 슈나이더 일렉트릭의 협업 네트워크에 대한 방향성도 제시된다.

’2018 이노베이션 서밋 싱가포르’ 라이브 페이지에서 세부 진행 내용을 실시간으로 확인할 수 있다. (링크) 2018 Innovation Summit Singapore live

9월 20일 오전 9시(현지시각; 한국시각 10시)에 개막식이 시작된다.

오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

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어드밴텍, 사물인터넷 플랫폼 기반 협업 솔루션 마련

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IoT SRP 에코시스템 구성 방안 (이미지. 어드밴텍)

어드밴텍(지사장 정준교)이 사물인터넷(IoT) 플랫폼을 제시하고, 이 플랫폼을 통한 파트너사와의 협업을 통해 곧바로 현장 적용까지 가능한 협업 솔루션을 제시한다.

어드밴텍이 제시하는 사물인터넷 협업 솔루션은 IoT SRP(Solution Ready Pacage, 솔루션 레디 패키지)로서, 어드밴텍의 하드웨어와 WISE-PaaS 플랫폼 서비스에 파트너사의 도메인 포커스된 소프트웨어를 결합하여 바로 적용이 가능한 것이 특징이다.

IoT SRP 에코시스템 구성 방안 (이미지. 어드밴텍)

특히 어드밴텍은 산업용사물인터넷(IIoT) 분야에서 역량을 발휘하고 있다. 어드밴텍은 지난 수년동안 특정 산업분야에 특화된 협업 파트너사 발굴을 적극 노력해 왔다. 이들 특정 도메인에서 우수한 기술력을 확보한 파트너사와 함께 사물인터넷 플랫폼 서비스와 결합하는 방안들을 지원해 왔다.

일례로, 장비 모터 모니터링 솔루션은 어드밴텍 엣지 인텔리전스 서버와 센서, WISE-PaaS 플랫폼 서비스에 분석 전문 소프트웨어 사인 앤캐드를 결합하여 모터에 센서를 연결하여 데이터를 수집하고 그 결과를 바탕으로 예측정비 및 유지보수에 대한 절감이 용이하다.

정준교 어드밴텍 지사장은 “어드밴텍은 지난 수 년 동안 특정 도메인에 적합한 파트너사를 찾아서 협업하여 다양한 솔루션 레디 패키지를 개발, 서비스 할 수 있게 되었다”고 말하고, “앞으로 IoT 비즈니스에 있어서 실제적 매출 발생 모델이 될 수 있을 것이다”고 밝혔다.

어드밴텍은 오는 11월 1일과 2일 중국 쑤저우에서 전세계 6,000여명의 파트너를 초청하는 IoT Co-Creation Summit을 개최한다. 이 행사에서는 사물인터넷(IoT) 솔루션 레디 패키지(Solution Ready Pacage)에 대한 대대적인 설명과 전시는 물론 각종 컨퍼런스를 열어 상호 협업 방안에 대해 심층적으로 논의하게 된다.

오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

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