안정적으로 브러쉬리스 DC모터와 같은 성능을 구현하는 모터 제어 기술

경제적인 스테퍼 모터를 장착한 수많은 기계들이 보다 조용하고 부드러우며 높은 에너지 효율로 가동된다면 사용자들에게 더 좋은 경험을 제공하게 된다. 최소한의 추가 회로들이 장착된 새로운 모터 제어 전략들로 인해 브러쉬리스 DC 모터 같은 고효율의 부드러운 작동이 가능해졌다.

저자. Koji Yamada, Regional Marketing Manager, ON Semiconductor

서론:
최상의 솔루션, 그러나 아직 완벽하지는 않다

전 세계적으로 매일 사용되는 내장 모터 메커니즘의 수백 만 소형 전자 기기들은 복잡한 마이크로 프로세서 기반의 드라이버 없이도 쉽게 제어되는 저렴한 가격대의 스테퍼 모터에 의존한다. 이러한 기기로는 다기능의 오피스용 프린터나 스캐너, 현금 인출기, 판매용 단말기, 공장용 재봉틀을 비롯해 다양한 산업용 제품들이 포함된다.

스테퍼 모터를 가장 이상적이고 완벽한 솔루션이라고 할 수는 없지만 많은 경우에, 반드시 충족시켜야 하는 다양한 요구조건을 맞추는 최상의 제품이라고 할 수 있다. 모터에서 발생하는 귀에 들릴 정도의 잡음들은 여러 방향으로 분산되는데 특별히 동일한 지역에서 대형 모터들이 동시에 작동되어야 하는 산업용 환경에서 그러하다.

이러한 기기 작업자들은 일반적으로 친환경적인 목적들과 맞지 않는 포켓용 애플리케이션들의 배터리 수명과 절충되는 낮은 순환 속도에서 전원을 고르게 소비한다. 그뿐 아니라 낮은 에너지 효율은 제품 내부에 설계된 쿨링 팬으로 분산시켜야 할 만큼의 높은 열을 발생시켜준다. 이는 제품 설계의 비용, 복잡성 및 전원 수요를 추가로 발생시키게 되어 결과적으로 시스템 신뢰도를 떨어뜨리게 된다.

이에 대한 대안이라 할 브러시리스 DC 모터는 스테퍼 모터의 단점들을 극복할 수 있다. 단계별 클릭 이동이 없는 조용하고 부드러운 작동으로 인해 최적화된 제어 기능을 가진 이 모터는 높은 효율성으로 인해 전원소비를 줄이고 열 발생을 낮춘다.

그런데 브러시리스 DC를 사용하면 전반적인 시스템 비용이 보다 높아지는 경향이 있다. 왜냐하면 브러시리스DC모터를 제어하려면 마이크로 컨트롤러 안에서 작동되어야 할 복잡한 알고리즘이 있어야 하기 때문이다. 그뿐 아니라 스테퍼 모터에서 브러시리스DC모터로 바꾸려면 기계적 하위 시스템의 중요한 재설계가 필요하게 될 뿐 아니라 이에 따른 소프트웨어 컨트롤의 개발도 수반된다. 이러한 이유로 인해 상당한 비용과 시간이 필요한 프로젝트가 추가적으로 필요하기도 한다. 결국 설계가 완료되어도 장기간 신뢰성 데이터를 수집하기 위한 시간이 또 소요되는 것이다.

새로운 방식

스테퍼 모터 드라이브가 브러시리스DC모터처럼 효율적으로 잘 구동되어 소음이 적어서 핵심적인 재설계와 비싼 제어 부품들을 필요로 하지 않는다면 가장 최상의 솔루션일 것이다. 이런 방식을 이용해 설계자들은 보다 조용하고 친환경적이며 쿨링팬이 필요 없는 고신뢰도의 차세대 기기들을 만들 수 있게 된다.

두 핵심 영역에서 스테퍼 모터 컨트롤러를 개선시키면 기존 매커니즘도 브러시리스DC모터 같은 성능을 구현하는 게 가능해져서 설계자들에게 이상적인 솔루션이 된다. 이것이 바로 모터 구동형 방식의 조정이며 스텝 펄스(진동) 세대 방식인 것이다.

온세미컨덕터의 LC898240 전류 제어기는 모터 부하가 변화할 때 드라이버가 정전류 셋팅을 자동적으로 최적화하는 방식을 제공한다. 이로 인해 스테퍼 모터는 브러시리스DC의 모션과 유사하게 보다 효율적으로 작동되며 소음과 낭비되는 에너지도 최소화한다. 같이 단일 모터 권선에서 BEMF 전선 파형을 모니터링 하면 모터 부하는 다음 그림1과 같이 측정된다.

LC898240은 스테퍼 모터 제어 기능성을 확장시키기 위해 종래의 모터 드라이버에 짝을 이루어 연결된다. 권선 전류의 로드와 관련된 조정을 통해서 높은 효율성을 가진 모터 드라이브가 가능해지며 모터 스텝 펄스를 독립적으로 구동시킬 뿐만 아니라 이로 인해 마이크로프로세서 없는 구동도 기대할 수 있다. 이러한 특징들은 다양한 애플리케이션에 최적의 펄스 시퀀스를 선택하게 해주는 유저 선택형 다른 9 종 440 스텝 펄스 프로필에 저장된 on-chip EEPROM과 함께 제공된다.

이 칩은 하나의 마이크로프로세서로부터 신호가 입력되는 것을 제어, 해석하므로 하나의 마이크로프로세서로 제어되는 드라이브에 단일 인터페이스 변환기와 같은 역할을 한다. 그림2는 어떻게 LC898240 EEPROM에 저장된 이 솔루션이 모터 드라이버 IC에 적용되는지를 설명해 준다.

짝을 이루는 칩, 또는 단일 칩

LC898240은 다양한 비율의 기존 모터 드라이브 IC와 함께 사용된다. 이에 따라 브러시리스DC모터와 같은 동작의 장점들을 스테퍼 모터 드라이브에 모터 드라이브 IC 능력에 기반한 다양한 모터 드라이브 전류로 제공한다.

컴패니언 IC의 기능들은 단일 칩 드라이버 칩인 LV8702V에 집적되어서 LC898240처럼 내부적으로 모니터링하며 작동하는BEMF파형을 통해 모터 부하를 조정한다. 그림3은 단일 칩의 고효율 스테퍼 모터 드라이버에 적용되는 경우를 보여준다.

LV8702V 를 집적한 솔루션의 ON 모드 고효율 성능을 기존 단일 드라이브 방식 OFF 모드상의 고효율성과 비교해보았다. 그 결과 고효율 모드 구동은 그림 4에서 보는 바와 같이 최대 80%까지 전류를 감소시킬 수 있음이 증명되었다.

그림5는 각각 하나의 모드에서 모터와 LV8902의 열감지 이미지가 어떠한지 보여주고 있다. 고효율 드라이브 모드는 전류 제어 방식으로서 드라이버와 모터의 표면 온도를 각각 섭씨 46도, 28도까지 낮추어 준다. 이를 통해 시스템 신뢰도를 상당히 개선시킬 있는 잠재력을 기대할 수 있다.

결론

스테퍼 모터는 사무용 기계나 현금 처리 기기를 비롯해 일부 산업용 기계류와 같이 가격에 민감한 애플리케이션의 운영 메커니즘을 보다 효율적으로 만들어주는 매력적인 솔루션이다. 모터 제어 전략의 두 가지 핵심 측면은 시장의 수요를 만족시키기 위해서 보다 나은 성능과 사용성을 저비용에 구현하기 위해 개선, 발전되어 왔는데 그 결과 고효율의 기능을 제공하며 발열 현상을 감소시키는 동시에 부드러운 작동이 가능하게 되었다.

이러한 기능은 전류 제어와 펄스 발생의 락업 기능을 추가함으로써 가능했는데 구체적으로는 드라이버 회로망에 장착되거나 집적되었다. 이러한 최상의 시스템 성능과 합리적 가격의 솔루션은 마이크로프로세서로 혹은 마이크로프로세서 없이 구동되도록 지원하는 설계의 유연성을 제공한다.