모터 제어의 정밀도 및 효율성 달성

이미지 출처: 마우저 일렉트로닉스

유키 우에노(Yuki Ueno), 르네사스 일렉트로닉스

2026년 2월 25일

모터는 에어컨과 진공청소기부터 전동 공구 및 산업용 장비에 이르기까지 어디에나 있다. 세계화와 도시 인프라가 발전함에 따라, 친숙한 제품들은 더 높은 성능, 더 나은 에너지 효율성, 그리고 콤팩트한 크기를 제공하도록 진화하고 있다. 전동 공구는 더 작아야 하지만 더 높은 토크와 더 긴 배터리 수명을 제공해야 하며, 가전제품은 더 조용한 작동과 더 빠른 회전을 강조한다.

이러한 혁신을 달성하는 데 중심이 되는 것은 모터 제어 시스템이다. 이는 일상적인 기기에서 고급 산업용 드라이브에 이르는 애플리케이션에서 정밀도, 효율성 및 안전성을 보장한다. 이러한 과제를 해결하기 위해 르네사스(Renesas Electronics)는 고급 제어 방식과 실시간 성능을 지원하는 확장 가능한 마이크로컨트롤러 장치(MCU) 포트폴리오를 제공한다.

모터 제어 시스템은 많은 요소로 구성되며, 애플리케이션에 따라 요구 사항이 다르지만 실시간 성능은 핵심 요소 중 하나이다. 이는 특정 프로세스를 정해진 시간 안에 최소한의 편차로 완료함으로써 정밀도를 보장하고 효율성을 높이며 고장을 방지한다.

브러시리스 모터는 효율성, 유지보수성 및 제어 가능성 때문에 가정용 및 산업용 애플리케이션에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 브러시리스 모터가 제공하는 두 가지 일반적인 제어 방식은 120도 통전(120-degree conduction)과 벡터 제어이다. 전자는 더 적은 MCU 연산을 필요로 하지만 진동과 소음을 유발할 수 있는 반면, 벡터 제어는 더 높은 연산 부하를 대가로 정밀한 속도 조절을 제공한다.

Renesas의 RL78 제품군은 모터 제어의 진입점을 제공한다. 이 8/16비트 MCU는 낮은 전력 소비와 아날로그 주변장치 기능을 특징으로 한다. RL78/G1F, RL78/G14 및 RL78/G24와 같은 MCU 그룹은 벡터 제어를 지원하는 반면, 다른 그룹은 120도 통전을 처리한다. Renesas는 센서리스 속도 제어 및 초기 위치 감지를 포함하여 두 방식 모두에 대한 샘플 소프트웨어뿐만 아니라, 고속 회전 및 고전압 애플리케이션을 위한 솔루션도 제공한다. Renesas Motor Workbench 및 Configuration File Generator와 같은 개발 도구는 평가 및 매개변수 튜닝을 간소화하여, 설계자가 개념 단계에서 생산 단계로 빠르게 이동할 수 있도록 돕는다.

크기, 효율성 및 조용한 작동은 전동 공구 및 가전제품에서 중요한 요소이다. 120도 통전과 같은 더 단순한 방식으로 제어되는 브러시리스 모터는 종종 토크 리플 및 진동과 같은 문제에 직면한다. 벡터 제어는 토크를 일정하게 유지하여 이러한 과제를 해결하지만, 콤팩트하고 비용에 민감한 애플리케이션에 벡터 제어를 도입하려면 더 많은 MCU 처리 능력이 필요하다. Renesas RA2T1 MCU는 기존 DC 링크 전류 센싱 회로를 활용하는 단일 션트 전류 감지 방식을 사용하여 추가 구성 요소를 최소화함으로써 이러한 요구 사항을 돕는다. 이 제품의 아날로그-디지털 변환기(ADC) 변환 시작 요청 연계 기능은 범용 PWM 타이머(GPT)와 함께 작동하여 정밀한 전류 감지를 가능하게 하며, 내장된 비교기 및 GPT용 포트 출력 활성화(POEG) 기능은 안전을 위해 이상 발생 시 PWM 출력을 신속하게 차단한다.

팬 애플리케이션의 경우, RA2T1은 전용 3채널 샘플 앤 홀드 ADC 회로를 통합하여 타이밍 불일치 없이 동시 전류 샘플링을 보장하는데, 이는 100,000 RPM 이상으로 작동하는 고속 모터에 매우 중요하다. 64MHz Arm^® Cortex^® M23 코어로 구동되는 RA2T1은 최적화된 아날로그 및 타이머 기능, QFN24만큼 작은 콤팩트 패키지, 광범위한 전압 지원으로 시스템 설계를 간소화한다.

AC 드라이브 및 서보 모터와 같은 고급 모터 제어 애플리케이션으로 넘어가면, 중앙 처리 장치(CPU)와 메모리 주파수가 비슷하기 때문에 기존 MCU는 실시간 성능을 쉽게 보장할 수 있다. 그러나 마이크로프로세서 장치(MPU)는 더 빠른 CPU와 더 짧은 제어 주기를 사용하며, 이는 느린 외부 플래시 메모리에 의해 제한될 수 있다. 이를 극복하기 위해 프로그램은 종종 고속 정적 램(SRAM)이나 밀결합 메모리(TCM)에 배치되지만, 용량 제약으로 인해 이 작업이 쉽지 않다.

Renesas RA8T2 MCU는 MCU와 MPU의 가장 좋은 기능들을 결합하여 이를 해결한다. 1GHz Arm® Cortex® M85 코어, 내장 캐시, TCM 및 SRAM을 장착하고 있으며, 프로그램을 위한 자기 저항 램(MRAM)도 포함한다. MRAM은 100MHz로 작동하여 외부 플래시보다 훨씬 빠르므로 실시간 성능을 더 쉽게 달성할 수 있게 해준다. 추가적으로, RA8T2는 시스템 제어를 위한 옵션형 Cortex M33 코어를 제공하여 병렬 처리를 가능하게 하고 전반적인 응답성을 향상시킨다.

기본적인 통전 제어부터 고급 벡터 제어 및 실시간 산업용 성능에 이르기까지, Renesas는 완벽한 모터 제어 포트폴리오를 제공한다. RL78은 비용 효율적인 출발점을 제공하고, RA2T1은 콤팩트한 장치에 고급 기술을 도입하며, RA8T2는 까다로운 애플리케이션을 위한 결정론적 고속 제어를 가능하게 한다. Renesas Motor Workbench, 샘플 소프트웨어 및 모터 제어 키트를 살펴보고 다음 설계를 가속화해 보라.

저자 소개

유키 우에노(Yuki Ueno)는 반도체 제품의 엔지니어 겸 제품 마케팅 관리자로, 특히 Renesas의 RL78/RA 모터 제어 MCU 제품군을 포함한 모터 제어 애플리케이션용 MCU 및 솔루션을 기획하고 개발한다. 그는 브러시리스 DC 모터(BLDC) 및 자속 기준 제어(FOC)라고도 알려진 벡터 제어와 같은 임베디드 모터 제어 기술에 정통하다.