“ST의 6상 모터 폴트 톨러런트 제어 솔루션은 2개 또는 3개 이상의 상이 고장이 나도 고장 감지 및 보상 기능으로 모터의 속도를 안정적으로 유지할 수 있는 신뢰성과 안정성을 갖추고 있다”

ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics)는 29일 e4ds ee웨비나를 통해 ‘ST 6상 구동 시스템 웨비나’를 진행했다.

이날 발표를 담당한 ST의 최현우 과장은 “모터 시스템에서 고장이 발생하면 애플리케이션이 요구하는 토크를 생성할 수 없어 위험한 상황이 발생할 수 있다”며 “이를 해결하기 위해 폴트 톨러런트(fault-tolerant) 기술이 필요하다”고 강조했다.

모터 고장은 다양한 원인으로 발생할 수 있다. 대표적인 원인으로는 △open–phase, 상간 쇼트, 연결 누락 등 모터 자체의 고장 △윈치 센서 또는 전류 센서의 오작동 등 센서 고장 △파워 트랜지스터 송상, 게이트 드라이버 고장 등 인버터 문제 등이 있다.

이러한 문제들은 시스템이 정상적으로 동작하지 못하게 만든다. 특히 3상 모터에서는 한 개의 상이 고장날 경우, 전류 흐름의 방향을 조절할 수 없어 정상적인 회전이 불가능하다.

ST는 이러한 문제를 해결하기 위해 6상 모터 시스템을 활용한 폴트 톨러런트 제어 솔루션을 제안했다.

6상 모터는 동일한 토크를 생성할 때 각 상에 흐르는 전류가 3상 모터 대비 절반 수준으로 줄어든다. 이러한 낮은 전류로 인해 시스템 효율성이 높아지고 발열이 줄어 효율이 향상되고, 위상이 60도 간격으로 배치돼 3상 보터보다 전류 리플이 적고, 6상 중 3상 이상만 정상적으로 동작하면 모터가 지속적으로 구동할 수 있어 시스템을 계속 운영할 수 있다.

이와 같은 장점으로 ST는 고장 감지 및 대응 기능을 갖춘 6상 모터 인버터를 개발해 높은 신뢰성을 확보했다.

이 인버터는 최대 3개 상이 동시에 고장 나도 연속적인 동작을 보장할 수 있도록 설계됐으며, 퓨즈 및 릴레이를 활용해 고장난 상을 신속하게 분리하고, 나머지 정상적인 상들이 자속을 보상해 계속 구동할 수 있도록 한다.

또한, FOC(Field-Oriented Control) 지원, 전류 및 전압 센싱, 쇼트·오픈 감지 기능이 포함되어 있어 산업용 및 자동차 시스템에서 활용할 수 있는 강력한 솔루션이라는 평가다.

주요 사양을 살펴보면 전원 입력은 250∼400V DC 링크 전압으로 출력은 최대 1.5㎾, 전류 용량은 14A(RMS), 피크 20A다.

MCU는 STM32G4 기반, 170㎒의 Cortex-M4 코어이며, 모듈형 설계로 유지보수가 용이하고, 엔코더, 홀센서, 레졸버 등을 활용할 수 있다.

시스템이 고장 감지 및 대응하는 방식을 살펴보면 폴트 발생시 고장난 상을 DC 링크에서 마이크로초 내 빠르게 분리하고, 모터 단자를 고장난 레그에서 밀리초내 분리한다.

출력 전압과 PWM 명령 신호를 분석해 쇼트 및 오픈 상태를 감지하고, 전류 보상 알고리즘을 적용해 고장 발생 후 정상적인 토크를 유지해 나머지 정상적인 상들이 자속을 보상해 계속 동작할 수 있도록 한다.

ST는 700RPM 환경에서 2개 및 3개 이상의 상이 고장난 상황을 실험한 결과, 고장 감지 및 보상 기능이 정상적으로 작동하며 빠르게 설정된 속도를 회복하는 것이 확인됐다고 밝혔다.

고장 발생 후 수 밀리초 내에 보상 알고리즘이 적용돼 정상적인 구동을 유지했으며, 특히 자동차·항공·산업용 애플리케이션 등에서 높은 신뢰성을 보장할 수 있다는 설명이다.

최현우 과장은 “6상 모터 폴트 톨러런트 솔루션은 고장 발생 후에도 시스템을 지속적으로 운영하는 데 최적화된 기술”이라며 웨비나를 마무리했다.