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자동화 애플리케이션을 위한 모터 드라이브 설계 간소화 ①

여러 산업군이 자동화를 통해 얻을 수 있는 다양한 이점을 누리고 있는 가운데 모터와 구동제어 시장 규모 또한 지속적으로 확대되고 있다. 설계자들은 개발 기간 단축과 최적의 모터 제어 시스템을 선택해야만하는 혁신을 위한 도전에 직면하고 있다. 

시장조사기관 그랜드 뷰 리서치(Grand View Research)에 따르면, 전세계 전기 모터 시장은 2025년까지 1550억달러 규모에 달할 것으로 예상된다. 

제조업의 자동화를 포함한 여러 분야가 이러한 시장 확대를 이끌고 있으며 모터와 액츄에이터, 제어기 등이 모터 시스템을 구성하는 핵심 요소다. 확장세를 보이고 있는 또 다른 분야인 자동차 부문을 중점적으로 살펴보면, 모든 요 자동차 제조사는 전기차(electric vehicle, EV) 개발에 박차를 가하고 있다. 

2017년에 마무리된 2018년도 글로벌 EV 예상 출하량 보고서에 의하면 글로벌 EV 판매량은 이미 1백만대를 넘어섰으며 그 중 중국이 차지하는 비중이 40%에 이르는 것을 볼 수 있다. 국제에너지기구(IEA) 역시 2030년까지 2억2000만대의 EV가 판매될 것으로 예측했다.

[source=pixabay]

모터 제어 시스템은 적은 에너지 소비로 최대 효율을 구현하기 위한 필수 구성요소다. 모터 제어 엔지니어들이 필수 요구사항들을 충족하기 위한 시스템을 개발하고 상용화하는 과정에서 모터 제어 시스템의 역할이 점점 중요해지고 있다. 

이러한 필수 요구사항에는 에너지 소비와 손실을 최소화하고, 환경의 영향을 줄이는 동시에 높은 수준의 유연성과 견고함을 제공해 까다로운 애플리케이션을 충족시킬 수 있는 것 등이 포함된다. 

개발자가 직면한 도전 과제
모든 전기 모터는 전선 코일에 전하가 가해지면 전자석(고정자)이 되는 원리를 이용한다. 고정자는 회전자에 대해서 반대 극성을 갖는 자기장 내에 위치시킨 후, 전자석에 흐르고 있는 전하의 방향을 정류자라고 불리는 장치를 사용해 신속히 바꾸면 모터의 축(shaft)을 회전시킬 수 있다. 

이는 모터가 출력하는 기본적인 기계적 에너지다. 모터 기술이 개발되면서 다양한 모터 설계가 등장해 한층 완성도가 높아지고 있다. 

현재 일반적으로 직류(DC) 또는 교류(AC)라고 불리는 몇 개 유형의 모터가 있다. AC모터는 동기식 또는 비동기식(유도 전동기라고도 칭함)이지만, 동기식 AC모터는 회전자 권선(rotor winding)에 전원을 공급하기 위한 DC 전력을 필요로 하고 비동기식 AC모터는 추가 전원을 필요로 하지 않는 차이가 있다. 

자동화 애플리케이션의 경우, 가변 릴럭턴스 AC모터가 일반적으로 사용되고 있는데, 이 원리는 스텝 모터(stepper motor)에도 그대로 적용될 수 있다. 

DC모터(일반적으로 BLDC모터)는 효율성이 높아 널리 사용된다. BLDC모터의 경우 영구 자석이 회전자에 위치하게 되며, 전자석은 고정자에 구성하게 된다. 스텝모터는 DC모터를 변형된 설계로 기어의 톱니와 유사한 여러 개의 자석으로 구성된 회전자를 가지고 있다. 이를 통해 모터 각도를 미세하게 조정할 수 있으며 필요한 기계 출력을 얻을 수 있다. 

유니폴라(unipolar)와 바이폴라(bipolar)로 나뉘는 스텝모터와 DC모터, 서보모터(servo motors)는 자동화 애플리케이션에서 가장 보편적으로 사용되며 자동차 및 로봇 분야에서 주로 볼 수 있다. 

비동기식 모터(유도전동기)와 영구 자석을 이용하는 동기식 모터도 비용이 낮고 견고해 널리 사용되고 있다. 

모터의 유형은 설계자들이 어떤 애플리케이션에도 선택적으로 사용할 수 있도록 다양한 옵션을 갖추는 수준으로 진화해 왔다. 디지털제어 역시 제어장치가 모터 유형, 애플리케이션에 밀접하게 조화되도록 하기 위해서 점차 대중화되고 있다. 

압축기나 펌프같이 초당 특정 회전수로 작동해야 하는 모터의 속도는 디지털제어 시스템을 사용해 더욱 정밀하게 제어할 수 있다. 디지털제어 시스템은 속도가 주파수에 비례하는 가변 속도 모터에서도 효과를 발휘할 수 있다. 

중요한 것은 모터 애플리케이션이 발전할수록 제어 시스템도 이에 맞춰 마찬가지로 발전되어야 한다는 점이다. 따라서 개발자에게는 반복 설계와 신속한 선행제품 개발(prototyping)을 가능하도록 하게 하는 모터 제어 설계 환경이 필요한 현실이다.


글 : 스티브 이케이(Steve Ikei) / 프로덕트 매니저 / 온세미컨덕터

 

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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