전기모터의 효율을 높이기 위해 매우 정확한 데이터가 요구되고 있는 요즘, ams에서는 DAEC 기술을 도입했다.
이 기술을 사용할 경우, BLDC 모터와 PMSM 제작자는 정확한 데이터를 사용할 수 있으며, 결과적으로 고속 애플리케이션에서도 토크를 최대화시킬 수 있다. 또한 마그네틱 위치 센서 사용에 따른 크기 및 신뢰성 부분의 이점도 얻을 수 있다. 여기서는 정확한 비접촉 위치 센서 설계 방법에 대해 알아본다.

오늘날의 전기모터에는 다양한 위치 감지 방법이 사용되고 있다. 모터 제어시스템 설계자들은 우수한 정확성을 가진 광학 인코더를 오랫동안 선호해 왔으며, 광학 인코더의 표준 ‘ABI’ 출력은 마이크로 컨트롤러를 통해 쉽게 제어된다.
그러나, 최근에는 여러 가지 이유로 비접촉 마그네틱(磁氣) 위치 센서가 더 선호되고 있다. 마그네틱 위치 센서는 소형이며 먼지, 그리스(grease) 및 습도 등 오염물질에 대한 내성을 갖추고 있다. 따라서 크기나 신뢰성이 중요한 애플리케이션에서는 주로 마그네틱 위치 센서가 사용되고 있다.
한편 과거에는 마그네틱 위치 센서에 불리한 기술 흐름이 조성되는 경향도 있었다.
새로운 BLDC(브러시리스 DC) 모터는 전력소모를 감소시키기 위해 일반적으로 효율이 높았으며, 동시에 설계자는 새로운 모터의 토크를 증가시키기 위해 심혈을 기울였다. 그 이유는 저속에서 직접 구동 시스템을 지원할 수 있었기 때문이다. 결과적으로 기어박스가 필요 없어져 BoM(재료 명세서) 비용이 상당히 감소되었다.
토크와 효율을 최대화시키려면, BLDC 모터에는 고속으로 회전할 때 회전자의 회전각도에 대한 매우 정확한 데이터가 필요하다. 기존의 마그네틱 위치 센서로 이 같은 목표를 달성한다는 것은 어려운 일이다.
이제 센서 설계를 혁신함으로써 고속 회전 시에도 거의 완벽하게 정확한 각도를 측정할 수 있는 새로운 차원의 기기를 생산할 수 있게 되었다.

 ‌각도 측정값 사용 방법

BLDC 모터는 회전하는 영구자석(회전자)과 간격을 균일하게 고정시킨 3개 이상의 권선(고정자 : Stator)으로 구성되어 있다. 고정자 권선의 전류를 제어하여 임의의 방향 및 크기를 가진 자기장(Magnetic Field)을 생성시킨다. 토크는 회전자 축에 작용하는 고정자 필드와 회전자 사이의 인력과 척력(Repulsion)에 기인한 것이다.
고정자의 자기장과 회전자 자석의 자기장이 직각일 때 토크는 최대가 된다. 회전자의 각도변위 측정 값을, 고정자 권선을 통해 전류를 제어하는 시스템으로 피드백하여(그림 1 참조), 직교 자기장을 생성시킨다.

그림 1. ‌BLDC ‌모터 제어시스템에는 마그네틱(일반적으로 자동차 응용장치에 사용) 또는 광학(일반적으로 산업적 용도에 사용) 위치 센서가 모은 회전자의 각도변위 측정값을 사용하는 폐쇄 피드백 루프가 필요하다




최신 기기에서는 BLDC 모터를 PMSM(영구자석 동기모터)이 대신하고 있다. PMSM은 토크 리플 문제가 있는 BLDC의 블록 정류(整流) 기구를 대신하므로, 이에 따라 코일 사이의 전환이 원활하게 진행되어 진동이 줄고 효율이 높아진다.
산업 및 자동차용 모터 설계는 흔히 효율과 신뢰성 관점에서 최적화시키는 반면, 다른 여러 가지 모터, 특히 소비자 제품에 사용하는 모터의 경우에는 비용을 가장 강조한다.
간단한 모터의 경우에는, 불연속 홀 위치의 배열이 위치를 측정하는 데 적당하므로 적절한 토크와 평활도(Smoothness)가 실현된다. 그러나 홀 스위치 배열의 정밀도와 정확성으로는 고성능 모터의 토크 및 효율 요건을 충족시킬 수 없다.
이와는 대조적으로, 마그네틱 인코더(홀 센서를 실리콘 다이에 통합시킨 반도체)는 고해상도의 정밀한 위치 데이터를 생성하는데, 회전자 축이 정지되어 있거나 저속으로 회전할 때는 정확도가 매우 높다. 일반적으로 산업용 애플리케이션에 사용하는 광학 인코더와 달리, 마그네틱 위치 센서는 오염물질에 대한 내성이 있으며 부피도 작다.
한편, 대부분의 홀 센서 IC는 다음과 같이 두 가지의 중대한 단점을 갖고 있다.
•‌전파(傳播) 지연에 의한 현상인, 고속 시의 동(動) 각도 오차(Dynamic Angle Error)
•표유(漂遊) 자장의 영향을 받는 환경의 차폐 필요성
이와 같은 단점으로 인해 시스템 비용이 증가하고 성능이 훼손된다. 따라서 동 각도 오차를 보정해야 하는데, 이 경우 높은 성능의 처리 능력이 필요하다. 표유 자기장으로부터 IC를 보호해야 하는 추가 차폐 장치는 하드웨어 BoM에 추가된다.

그림 2. PMSM은 BLDC 모터와 같은 피드백 루프로 나타낸다

 ‌동 각도 오차의 원인

홀 센서 IC는, 회전자 축의 자석의 의해 생성된 자기장의 강도 표본을 지속적으로 모은다. IC는 그 표면과 회전하는 자석의 표면이 평행하도록 고정된 상태로 장착되어 있는데, 대부분 1∼2mm의 공기 틈이 이 표면을 분리시킨다.
IC에는 자장 강도의 측정값을 회전자의 각도변위 계산값으로 전환시키는 신호 조절 및 처리 회로가 들어있다. 이 전환에 소요되는 기간이 IC의 고정적인 전파 지연이다(그림 3 참조). 지연 길이는 IC마다 다르며, 오늘날 시장에서 볼 수 있는 IC의 전파 지연은 대체로 10㎲와 400㎲ 사이다.
전파 지연 문제는 회전자가 회전할 때 동 각도 오차를 발생시킨다는 것이다. 이 오차는 속도와 함께 선형으로 증가한다. 전파 지연이 크면 클수록, 오차도 그 만큼 더 커진다(그림 4 참조).

그림 3. 마그네틱 위치 센서의 신호처리가 전파 지연의 원인이 된다

그림 4. 동 각도 오차와 회전 속도 사이의 관계는 선형이다

 
‌동 각도 오차

그림 5. 전파 지연이 동 각도 오차를 발생시키는 내역

그림 5는 동 각도오차가 어떻게 발생하는지 나타낸 것이다. 회전자의 위치가 적색 선(가장 왼쪽에 있는 선)으로 표시될 때 IC가 자기장 강도 측정값을 모으고 회전자는 회전하며 IC의 전파 지연은 100㎲라고 가정한다.
IC가 자기장 강도 표본을 각도 계산값으로 전환시킬 때까지 회전자는 100㎲ 동안 청색 선으로 표시된 위치까지 회전한다. 그러나 IC는 모터 제어 ECU나 MCU에 회전자가 적색 선에 위치하고 있다고 전달한다.
따라서 보정하지 않을 경우, 정류기구는 청색 선 위치가 아니라 적색 선 위치에 맞춰 최적화된 고정자 권선에 전류를 인가(印加)한다. 결과적으로, 시스템은 토크를 최대화시키지 못하기 때문에, 에너지가 소모되고 시스템의 효율이 감소한다.
IC의 전파 지연이 100㎲이고 모터가 1,000rpm으로 회전한다면, 동 각도 오차는 1.2°다. 회전자의 속도를 10,000rpm으로 증가시키면, 동 각도 오차는 12°로 증가한다.
전파 지연은 모든 마그네틱 위치 센서의 특성이므로, 시스템 설계 엔지니어는 동 각도 오차의 크기를 감소시키려고 시도하면서 보정 알고리즘을 적용하는 법을 알게 된다. 불행하게도, 수천 개의 표본에 보정 알고리즘을 적용시킬 때마다 호스트 ECU에 큰 부하가 걸리며, 전용 오차-보정 MCU의 추가 필요성까지 제기된다.
추가적인 BoM 비용은 그 자체로도 바람직하지 않지만 보정 알고리즘의 개발, 테스트 및 오류수정에 할애되는 설계 팀의 시간 역시 그러하다.

 ‌새로운 센서로 동 각도 오차 제거

앞에서 언급한 것처럼, 마그네틱 위치 센서의 전파 지연은 고정되어 있고 동 각도 오차값은 전파 지연과 회전 속도에 따라 결정된다.
ams는 최근 마그네틱 위치 센서 내부에 이러한 형식의 보정기구를 구체화시키는 방법을 개발했으며, 특허출원 중이다. DAECTM(동 각도 오차 보정)라고 하는 이 새로운 내부 보정 기술은 마그네틱 위치 센서 47시리즈에서 최초로 이용되었다.
DAEC는 자동차 위치 센서인 AS5147에서 전파 지연을 1.9㎲로 감소시키는 효과가 있었다. 이것은 14.500rpm으로 회전할 경우 AS5147 측정값의 동 각도 오차는 무시할 수 있을 정도인 0.17°로 된다는 의미다.

그림 6. 보정장치가 통합된 센서(a)와 통합되지 않은 센서(b)의 출력

AS5147(왼쪽)과 재래식 마그네틱 위치 센서(오른쪽)의 측정값 출력 차이는 그림 6과 같다. 정확한 광학 엔코더의 출력이 대조 기준으로 표시되어 있다. 오른쪽에 표시된 센서 출력의 전파 지연이 200㎲이므로, 14,500rpm의 속도에서 발생되는 동 각도 오차는 18°다.
이와 대조되는 AS5147의 무시할 정도의 오차는, 어떠한 외부 보정도 없이 그 신호를 정류제어기가 직접 사용할 수 있다는 의미다.
사실 DAEC 기술에 의한 내부 보정은, 대체로 ECU와 MCU에서 볼 수 있는 표본 채취 오차로 인해 외부 보정한 동 각도 오차보다 더 작다.
물론 오차 보정에는 추가 MCU가 필요하지 않으며 덜 강력한 ECU를 사용할 수도 있으므로, 시스템 비용이 감소된다(그림 7 참조).

그림 7. ‌동 각도 오차 보정의 재래식 분연속 접근법과 새로운 통합 동 각도 오차 보정 접근법

 ‌표유 자계 내성

마그네틱 위치 센서의 다른 결점은, 표유 자계에 대한 그 센서의 민감성이다. 회전자 자석의 그것이 아닌, 다른 자장에 의한 간섭은 많은 IC 각도 측정값을 무작위로 훼손하며, 이 무작위 오차는 호스트 ECU나 MCU로 보정할 수 없다. 그러므로 사용자는 IC를 차폐시켜야 하는데, 이것이 BoM과 조립 비용을 증가시키며, 이것은 공간이 제한된 애플리케이션의 기계적 설계와 타협하게 될 수도 있다.
ISO 26262 기능성 안전표준을 차량에 적용함에 따라, 표유 자계에 대한 내성을 모터 시스템에 설계해야 한다는 것이 강제조항으로 되었다.
그러나 47시리즈를 포함하여 ams의 모든 마그네틱 위치 센서에 실현시킨, 특허 출원한 ‘차동 감지’ 기술은 최대 25,000A/m 값의 표유 자계에 대해 내성을 부여한다. 따라서 25,000A/m 한계 아래의 표유 자계를 차폐시켜야 한다는 요건이 없어진다.

최근 DAEC는, EPS(전기 조향장치), 변속장치(기어박스, 작동기), 펌프, 및 브레이크와 같은 자동차 응용장치의 BLDC 모터 정류를 지원하는 AS5417(단일 다이) 및 AS5247(이중화 다이) 자동차 마그네틱 위치 센서(자동차에 적합한 AEC-Q100 등급 0)에 이용된다.
산업 응용장치의 경우, DAEC가 부착된 AS5047D를 이용하여 십진(十進) ABI 출력을 제공하므로, 광학 인코더에 필적하는 이상적인 교체 센서가 될 수 있다.

Roland Einspieler / ams AG