센서리스 모터 제어 기술에 비즈심이?

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텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)에 대하여..

  최근 몇 년간, 파워일렉트로닉스 및 마이크로일렉트로닉스는 전기 구동 시스템과 모터 제어 기술의 응용을 통해 혁신적인 발전을 이루었으며 트랜지스터, 커패시터, 세탁기, 에어컨, 엘리베이터, 자동차, 모노레일, 원심 분리기까지 현대 생활의 모든 측면에 스며들어 있습니다. 오늘날의 MCU(마이크로 제어 장치)는 정밀성, 효율성이 뛰어나며 세탁기, 냉장고, HVAC(난방, 환기, 공기 조절 시스템) 등 송풍 및 압축기를 갖춘 어플라이언스와 자동차 제어 시스템을 비롯한 다양한 응용 분야에서 비용을 낮춰줍니다. 텍사스 인스트루먼트(TI)는 130억 달러 규모의 세계적인 반도체 설계 및 제조 기업입니다. TI의 C2000 MCU 그룹은 궁극적인 임베디드 제어 솔루션을 제작하기 위해 DSP(디지털 신호 처리) 기술과 마이크로프로세서의 장점을 취하고, 센서리스 FOC (Field Oriented Control) 모터 같은 첨단 공정 응용 분야에 초점을 맞춥니다.

  최근 TI는 인스타스핀(InstaSPIN)이라는 임베디드 소프트웨어 제품을 도입했습니다. 설계자는 이 제품을 통해 가변 속도, 센서리스, 동기식 또는 비동기식 등 모든 유형의 모터 제어 시스템을 식별하고, 조정하고, 완전히 제어할 수 있습니다. 이 제품은 피콜로(Piccolo) 기기의 ROM(읽기 전용 메모리)에 내장된, TI의 새로운 소프트웨어 인코더이자 센서리스 옵서버인 FAST(Flux, Angle, Speed, Torque)를 사용합니다.

난관에 봉착한 프로젝트

  C2000 그룹의 모터 시스템 수석 엔지니어인 데이브 윌슨(Dave Wilson)은 최근 FAST 옵서버 특성화 및 이에 대한 데이터시트 개발 프로젝트를 진행하는 임무를 맡았고, 제어 회로판이 있는 동력계(dyno) 시스템을 설정하여 이 프로젝트를 처리하려 했습니다. 이는 게인 오차 및 오프셋 오차를 도입하고 그 성능을 관찰하여 FAST 옵서버의 특성을 부여하려는 의도였습니다. 하지만 이 방법은 시간과 온도의 변화에 따른 출력 변동으로 인해 느리고 지루한 공정일 뿐만 아니라, 지속적인 재보정이 필요하다는 어려움이 있었습니다. 또한, dyno는 축 토크만 측정할 수 있었으며 FAST 옵서버를 통해 추정되는 전자기 토크는 측정할 수 없습니다. 결과적으로, 테스트에 적합하지 않은 하드웨어를 사용했기 때문에 FAST 소프트웨어를 올바르게 테스트할 수 없었습니다.

2016-02-16  5.11.28▲ 엑서사이져 환경

2016-02-16  5.11.53▲ 대상 인터페이스를 설명하는
엑서사이져 블록 다이어그램

2016-02-18  5.12.12▲ 엑서사이져를 사용한
FAST 파라미터 민감도 테스트

비즈심으로 간단하게 문제 해결!

  4년 전, 웹 기반 프레젠테이션을 보며 처음으로 비즈심(VisSim)을 익혔던 윌슨은 비즈심을 손쉽게 사용할 수 있었던 것을 기억하고 현재 프로젝트에 사용해 보기로 결정했습니다. 비즈심은 신속한 모델링 및 정확한 모터 분석 역학, 디지털 제어에 필요한 도구를 제공해 주었으며 그래픽 다이어그램의 컨트롤러 부분에서 C 코드를 자동으로 생성하고 대상 피콜로에서 실행하기 위한 코드를 다운로드하는 작업도 가능했습니다. 윌슨은 소프트웨어의 최신 9 버전에 출시된 새로운 동기식 모드에서 비즈심 JTAG 핫링크(VisSim JTAG Hotlink)를 사용하여, 비즈심 모델에서 흐름(Flux), 각도(Angle), 속도(Speed), 토크(Torque)의 이상적인 값에 대한 FAST 출력을 확인하기 위해 비실시간으로 대상에 대한 제어를 실행하여 엄격한 모터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그 결과, 시뮬레이션할 전압과 전류 값을 대상의 ROM에서 실행되는 FAST 옵서버에 공급하는 간단한 방법으로 크기에 상관없이 모든 브러시리스 모터에 대한 FAST를 평가할 수 있게 되었습니다. 그는 FAST 옵서버를 제외한 전체 시스템에 대한 비즈심 시뮬레이션을 개발했습니다. 이 시뮬레이션은 선택적으로 피드백 경로에서 FAST 옵서버를 우회하거나, 대상의 FAST 옵서버를 통해 제어 루프를 종료할 수 있습니다. 또한, 이제 원하는 모든 값에 게인과 오프셋을 설정할 수 있게 되었습니다. 이제 저항, 인덕턴스, 컨트롤러 게인, 전압 공차와 같은 파라미터 또한 제어가 가능합니다. 윌슨은 “ROM에서 FAST 옵서버 출력을 결정할 수 있게 되었기 때문에 동일한 조건에서 시뮬레이션을 통해 얻은 이상적인 답과 비교할 수 있게 되었습니다. 즉, 비즈심은 제가 직면한 문제를 완전히 해결해 준 것이죠.“라고 말하며 “이 프로젝트에서 비즈심을 사용함에 따른 가장 큰 이점은 코드 생성 능력과 그 신속성입니다. JTAG 드라이버의 작동 속도 및 ROM과의 직접적인 상호 작용이 가능했다는 것이 저에게 있어서는 핵심적인 도움이 되었으며 특히 이 프로젝트에서는 가장 중요한 이점이었습니다.”라고 말을 맺었습니다.

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▲ 다른 시간 값에 대한 모터 전압 공간(x, y, t)을 3D로 표시


비즈심으로 FAST TRM 생성!

  비즈심을 사용해 도출한 솔루션은 FAST TRM(기술 참조 설명서) 생성이 가능할 뿐만 아니라, 매우 유용한 도구임이 밝혀졌습니다. 이 도구(FAST Exercizor)는 TI의 고객이 실제 모터 시스템을 연결하지 않고도 TI의 실제 ROM 기반 알고리즘을 사용하여 자신의 모터 제어 요건을 테스트할 수 있도록 해줍니다. 이는 이전에는 가능하지 않았던 일입니다. 이를 통해 전체 시스템을 구축하지 않아도 인스타스핀 FOC(Field Oriented Control)에서 사전 점검이 가능합니다. TI는 2016년 1분기, 해당 업계 및 고객에게 이 도구를 공개할 계획입니다.

2016-02-16  5.13.45▲ 28069F 런치패드(LaunchPad) 보드를 사용한
엑서사이져 도구

2016-02-16  5.14.12▲ 비즈심에서 FOC 구현

2016-02-16  5.11.04“이 프로젝트에서 비즈심을 사용함에 따른 가장 큰 이점은 코드 생성 능력과 그 신속성입니다. JTAG 드라이버의 작동 속도 및 ROM과의 직접적인 상호 작용이 가능했다는 것이 저에게 있어서는 핵심적인 도움이 되었으며 특히 이 프로젝트에서는 가장 중요한 이점이었습니다.”



데이브 윌슨(Dave Wilson)
모터시스템 수석 엔지니어(Senior Motor Systems Engineer)
텍사스 인스트루먼트 C2000 그룹(C2000 Group, Texas Instruments)



* 업종
– 자동차, 전자공학

* 과제
– TI 의 FAST 옵서버 특성화

* 알테어 솔루션
– 전체 시스템의 비즈심 시뮬레이션 개발

* 이점
– 기술 참조 설명서 개발
– 모터 제어 테스트를 위한 도구 개발

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