ST마이크로일렉트로닉스의 STM32F30X와 L6230 탑재한 모터 컨트롤 에코시스템

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.

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

– 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