모터 애플리케이션에 불어온 혁신
오늘날 모터는 산업, 의료, 스마트홈, 사물인터넷(IoT), 운송 및 사무 환경 전반에 걸쳐 널리 사용되며 일상의 모든 측면에 깊이 파고들었다. 모터 회전의 정밀한 제어는 고도의 기술을 통해 일상의 편리함과 편안함을 높여준다. 특히 디지털 정보가 정확한 물리적 동작으로 변환될 수 있는 오늘날의 디지털 시대에는 이전에는 불가능했던 일들이 현실이 되고 있다. 첨단 로봇공학, IoT, 적층제조(AM), 보철(그림 1) 및 IIoT는 몇 가지 사례에 불과하다.
디지털 정보를 완벽한 물리적 회전으로 효과적으로 변환하려면 노력이 필요하다. 성능을 향상하려면 최적화된 소프트웨어 및 하드웨어 구성 요소가 필요하고, 배터리 수명을 연장하고 열을 줄이기 위해 전력 소비를 줄여야 한다. 또한, 출시 시간을 단축하기 위해 소프트웨어 작업 부하를 최소화해야 하며, 제품의 안정성을 향상하기 위해 통합을 극대화해야 한다. 이는 아나로그디바이스(ADI)의 Trinamic 모터 모션 및 제어 솔루션이 수년에 걸쳐 지속적으로 달성해 온 목표로서, Trinamic은 몇 가지 주요 기술 혁신을 통해 모터 애플리케이션에서 획기적인 발전을 이뤘다.
한 잔의 맥주를 흘리지 않는 방법과 감춰진 혁신 기술
모터 회전 동작도 부드럽게 제어할 수 있을까? 그림 2는 ADI Trinamic의 데모 시연으로서, 표준 모션 모터를 사용했을 때는 맥주가 잔에서 흘러 넘치는 데 반해(그림 2b), 그림 2a에서는 ADI Trinamic의 ‘S’자형 램프 가속 곡선을 사용하면 잔에 맥주를 가득 채우고도 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 맥주를 한 방울도 흘리지 않고 더 빠르게 이동하는 모습을 확인할 수 있다.
동작 상태의 차이는 단순해 보이더라도 기본 기술은 많은 응용 분야에서 중요하다. 동일한 원리가 의학 연구 또는 다른 액체를 취급하는 애플리케이션의 로봇에도 적용된다. 빠르고 부드러운 모션 제어는 조직 분석에서부터 혈액 원심분리 및 액체 취급에 이르는 다양한 작업에 간단한 솔루션을 제공한다.
이러한 애플리케이션의 경우, 모터의 부드러운 모션 제어 궤적 곡선을 설계하는 것은 완벽한 모션 제어를 구현하는 데 있어 절반을 달성하는 것과 같다. 모터의 운동 궤적 곡선에는 사다리꼴 곡선과 S자형 곡선이 포함된다(그림 3). S자 곡선은 사다리꼴 곡선에 비해 매끄러우며 사다리꼴 곡선의 급격한 가속 변화로 인한 역효과를 극복하여 충격을 효과적으로 감소시킨다. ADI Trinamic은 전통적인 소프트웨어 알고리즘을 하드웨어를 통해 구현하여 CPU에 대한 부담을 완화하고, 복잡한 S자 곡선을 단순화하며, 생산 및 개발 작업 부하를 줄인다.
ADI Trinamic은 동작 중에 파라미터를 손쉽게 설정하고 실시간으로 조정할 수 있는 EightPoint 모션 컨트롤 램프를 추가로 제공한다(그림 4). 이 기술들은 기계 팔의 가속 및 감속률을 지속적으로 미세 조정함으로써, 속도 곡선의 급격한 변화를 피하여 시스템의 지터를 줄인다. S자형 램프 곡선은 더 빠른 속도를 가능하게 하면서도 정확하게 다음 위치에 도달할 수 있게 해 부하에 미치는 영향을 최소화한다.
이를 통해 스테퍼 모터의 작동이 더 부드럽고 에너지 효율적이게 되며, 산업용 자재 수송 차량이 무거운 짐을 신속하고 효율적으로 운반할 수 있게 한다. 심지어 피드백 장치가 없어도 스테퍼 모터가 속도와 위치 제어를 달성할 수 있어 우수한 강건성, 높은 신뢰성 및 비용 효과성을 제공하므로, 생산 라인의 이송, 조각, 섬유, 보안, 의료 분야에서 널리 사용되고 있다.
고속 응용 분야에서는 브러시리스 DC(BLDC) 모터와 영구 자석 동기 모터(PMSM)와 같은 서보 모터가 더 큰 이점을 제공한다. 현재 서보 제어에서 가장 효율적인 제어 방법은 자속 기준 제어(FOC)이다. ADI Trinamic은 하드웨어 기반 공간 벡터 제어를 사용하여 자장의 크기와 방향을 정확하게 제어하여 부드러운 모터 토크, 저소음, 신속한 응답을 보장함으로써 모터의 효율과 정밀도를 향상한다.
역동성과 조용함을 동시에 구현한 모터 애플리케이션
모터 응용 분야에서도 역동성과 조용함이 모두 요구되는 경우가 많다. 특히 사무실, 가정, 의료 환경에서 소음이 큰 모터는 전통적으로 환영받지 못해 왔기에 모터의 조용함이 중시된다. 3D프린팅을 예로 들어보자(그림 5). 이 가볍고 편리한 기기는 주로 사무실 환경에서 사용되는데, 몇 시간씩 걸리는 작업 시간 동안 귀에 거슬리는 소음이 발생한다면 부정적인 경험을 유발할 수 있다.
이에 대한 불안은 업계에서 공통적인 화두로 자리 잡았다. “3D 프린터는 시끄러워서 같은 공간에서 생산적인 일을 하기 어렵다”, “저속으로 인쇄할 때도 전체가 진동하고 소음을 낸다” 등 이는 잘 알려진 3D프린팅 오픈소스 커뮤니티인 RepRap에서 나온 불만의 일부다.
모두가 3D프린팅에서 조용한 모터 제어를 위한 최적의 솔루션을 찾고 있다. 또한 조용한 병실에서 안정을 취해야 하는 환자는 수액 펌프 모터에서 발생하는 소음을 참기 힘들어하며, 실내 청소 중에 진공청소기의 소음도 견디기 어렵다. 이러한 요구는 화상 회의, 스마트 홈, 실험실 자동화, 데스크톱 CNC 장비에도 똑같이 적용된다. 이들 애플리케이션에는 모두 스테퍼 모터가 광범위하게 사용된다.
하지만 스테퍼 모터의 단점은 특히 저속이나 정지 시에 진동으로 인해 소음이 발생한다는 점이다. 스테퍼 모터의 주요 진동 원인은 크게 두 가지인데, 하나는 스텝 분해능이고, 다른 하나는 초퍼 및 펄스 폭 변조(PWM) 모드의 부작용이다.
풀 스텝 또는 하프 스텝과 같은 낮은 분해능의 스테핑 모드는 스테퍼 모터의 주된 소음 원인으로서, 특히 저속 및 특정 공진 주파수 근처에서 상당한 진동을 유발한다. 이러한 진동을 줄이기 위해 마이크로스테핑 기술을 적용하며, 이는 하나의 전체 스텝을 더 작은 마이크로스텝으로 나누는 것이다. 최대 분해능은 드라이버의 A/D 및 D/A 기능에 의해 정의된다.
Trinamic 스테퍼 모터 컨트롤러와 드라이버는 하나의 풀 스텝당 최대 256개의 마이크로스텝(8비트)까지 가능하며, 이 칩에 집적된 설정 가능한 사인파 테이블을 통해 전류 파형을 완전히 맞춤화할 수 있어 모터 로터가 더 작은 각도나 짧은 거리로 스텝할 수 있게 해준다. 일부 저품질 스테퍼 모터를 구동할 때, ADI Trinamic은 사용자가 내부 서브디비전 테이블을 자동으로 조정할 수 있는 옵션을 제공한다.
또 다른 소음 및 진동의 원인은 스테퍼 모터에 사용되는 전통적인 초퍼 및 PWM 모드에서 비롯된다. 이러한 효과는 거친 스테핑 분해능의 현저한 영향에 가려 종종 간과되기도 하지만, 마이크로 스테핑이 스테핑 분해능을 높이면 더 커지고 심지어 귀에 들리기도 한다.
SpreadCycle과 같은 첨단 전류 제어 PWM 초퍼 모드는 느린 감쇠와 빠른 감쇠 사이에 히스테리시스 감쇠 기능을 자동으로 구성한다. 평균 전류는 설정된 정상 전류를 반영하며, 사인파의 영점 교차에서 전환 기간을 제거해 전류와 토크의 변동을 줄이고 전류 파형을 사인파에 가깝게 만든다. 전통적인 고정 초퍼 모드와 비교할 때, SpreadCycle PWM 초퍼 모드로 제어되는 모터는 부드럽게 작동해 더 높은 속도에 도달하고 높은 동적 모터 제어를 가능하게 한다.
SpreadCycle과 같은 전류 제어 초퍼 모드를 사용하더라도, 모터 코일의 차이, 감지 저항에서의 몇 밀리볼트의 조정 소음, PWM 지터로 인해 희미하게 들리는 소음과 진동이 여전히 발생할 수 있다. 그러나 전압 초퍼 기술을 기반으로 한 StealthChop 구현은 이 PWM 듀티 사이클을 기반으로 전류를 조절해 완벽한 전류 사인파를 생성함으로써 문제를 해결한다. 모터 베어링 내부의 강철 볼이 마찰하는 소리를 제외하면, StealthChop은 모터를 극도로 조용하게 작동시키며, 모터 소음을 10dB 이하로 제어해 전통적인 전류 제어 방식보다 훨씬 낮은 수준을 유지한다(그림 6).
대량 에너지 소비자, 어떻게 지속가능한 세계를 지원할까
국제에너지기구(IEA)에 따르면, 모터가 소비하는 전력량은 전 세계 총 전력 소비의 45%를 차지한다. 따라서 모터 구동 전자 제품의 신뢰성과 에너지 효율은 다양한 응용 분야의 편안함과 편리함에 직접적인 영향을 미칠 뿐 아니라, 지속가능한 환경을 위한 글로벌 노력에도 지대한 영향을 미친다. 글로벌 탄소 중립 목표의 압박 속에서, 이 같은 에너지 집약적인 모터의 저에너지 기술은 지속가능한 세계를 지원하는 핵심 동력이 될 것이다.
흔히 모터의 에너지 소비는 구동 전류 제어에 달려 있는데, 이는 저전력 모터 구동 제어를 최적화하는 데 있어 핵심이기도 하다. 피드백이 없는 경우, 스테퍼 모터 시스템은 항상 모터가 설정된 전류로 작동하고 있다고 가정한다. 기존의 모터 구동 전류는 일정하며, 이는 부하의 크기와 상관없이 모터의 전력 소비가 동일하게 유지된다는 것을 의미한다.
하지만 많은 실제 활용 사례에서는 부하 변화가 비일비재하게 일어나며, 낮은 부하와 높은 전력 소비가 결합하면 불필요한 에너지 낭비가 초래된다. 모터의 폐루프 작동은 모터가 대기 상태일 때는 전류를 줄이고 부하 조건에서는 전류를 증가시킴으로써 애플리케이션의 효율과 전반적인 성능을 효과적으로 향상할 수 있다. 그러나 구동 전류의 폐루프 제어를 달성하기 위해 부하를 모니터링하는 데 드는 비용은 많은 애플리케이션에서 감당할 수 없을 만큼 높을 수 있다.
ADI의 센서리스 부하 측정 기술인 ‘StallGuard’는 비용 효율적인 실시간 부하 피드백 기술을 제공한다. 이 기술은 모터의 역기전력(BEMF)을 측정함으로써 모터의 잠재적인 스톨 상태를 감지하고 시스템에 신호를 보낸다. StallGuard 부하값을 기반으로, 센서리스 전류 적응 제어 기술인 ‘CoolStep’은 역기전력의 변화를 감지해 실제 부하 조건에 따라 전류를 조절함으로써 에너지를 절약하고 비용을 줄인다.
CoolStep은 항상 최적의 전류로 모터를 구동해 모터가 경부하일 때 전류를 줄이고 부하가 증가함에 따라 전류를 증가시켜 에너지를 절약한다. 이는 배터리로 구동되는 애플리케이션, 열을 발생하는 모터, 생물 샘플 감지처럼 고온에 민감한 애플리케이션에 효과적이다. CoolStep은 전력 소비를 줄이고 열 문제를 극복해 모터 발열을 최대 80%까지 줄이고, 모터 온도를 정상으로 유지하며, 시스템 전체의 신뢰성을 향상한다.
어디에나 사용되는 모터, 더 나은 세상을 만들다
사람들이 가정과 사무실에서 3D프린터를 편하게 활용하도록 하기 위해 스페인의 3D 프린터 장비 제조회사인 BCN3D는 ADI Trinamic 솔루션을 사용해 진정한 무소음 프린팅을 실현했다. 말라리아로 의심되는 혈액 샘플을 더 빠르고 일관되게 식별, 열거 및 특성화하기 위해 한 혈액 진단 회사는 ADI Trinamic 드라이버 솔루션을 기반으로 하는 독창적인 진단 기술 장비를 개발했다. 전문가용 자동 커피 머신 제조사는 ADI Trinamic의 최신 기술과 창의적인 디자인을 결합해 모든 커피잔마다 완벽한 라떼 아트로 완성된 궁극의 데코레이션을 보장한다.
요컨대, ADI Trinamic과 같은 정밀 모션 제어 솔루션 덕분에, 모터는 우리가 일상적으로 접하는 모든 전자 제품에 널리 사용되고 있다. 이러한 제품은 소형화, 디지털화, 에너지 효율성, 그리고 지능화라는 기술 발전 트렌드의 수혜를 입는데, 이들 제품에서 모터는 중요한 역할을 한다. 모터 구동의 높은 정밀도, 조용한 작동, 지능성, 에너지 효율성 덕분에, 혁신적인 전자 제품이 일상에 우아하게 통합됐다. 이는 혁신적인 기술을 통해 우리의 일상을 나아지게 하려는 ADI의 오랜 기업 철학인 ‘Engineering Good’ 정신과 일치한다.
헬로티 서재창 기자 |
