빠른 전류 감지 피드백 루프와 고속 컨트롤러를 이용한 주행 효율성

안정적인 크루즈 컨트롤, 즉각 반응하는 가속 및 감속, 보다 조용한 차량 실내 경험 등, EV 주행 경험을 개선하는 한 가지 방법은 전류 감지 피드백 루프의 전체적인 정확도와 신뢰도를 개선하는 것입니다. 이러한 제어 루프는 감지된 전류가 처리를 위해 트랙션 인버터의 위상 출력에서 출발해 절연 정밀 증폭기와 MCU(마이크로컨트롤러)를 통과하는 경로를 말합니다. 이 여정은 마침내 트랙션 인버터의 제어 출력으로 다시 돌아오는 신호를 만들어 냅니다. 모터 제어 루프를 최적화함으로써 빠르고 정밀한 피드백을 만들어낼 수 있고, 그 결과 모터는 속도나 토크 변화에 더 신속하게 반응할 수 있습니다. 그림 1에서 하이라이트 표시된 부분이 모터 제어 루프입니다.

그림 1 모터 제어 루프와 전력계가 노란색으로 하이라이트 표시된 트랙션 인버터 블록 다이어그램.

그림 2에 자세히 나와 있듯이, 절연 반도체 구성품이 보통 트랙션 인버터 내 전력과 제어 회로를 절연합니다. 절연 증폭기 또는 모듈레이터 3개가 션트 저항을 통과하는 모터 전류를 측정하고, FOC(자속 기준 제어)에 대한 MCU의 알고리즘에 신호를 공급합니다. 모터 속도를 높여야 되기 때문에 보다 높은 대역폭의 전류 감지 피드백 루프가 필요하며, 이는 동상(in-phase) 전류가 반드시 최대한 빠른 속도로 수정된 인버터 출력을 생성해야 한다는 것을 의미합니다. 특히 전원 트랜지스터 스위칭 주파수(그림 1의 절연 게이트 양극 트랜지스터[IGBT]/SiC MOSFET)가 수십 킬로헤르츠로 증가하고 있기 때문에 전류 감지 피드백 루프의 지연이 최우선적 문제이며, 제어 신호는 높은 회전 속도를 위해서는 반드시 사이클별로 펄스 폭을 변경해야 합니다. 높은 전류로 인해 생성되는 잡음도 루프 안정성에 영향을 미칩니다.

절연 증폭기가 잡음 발생원 바로 옆에 위치해 있기 때문에 전원과 제어 회로 사이의 잡음 간섭을 최소화하는 상태에서 안정적으로 작동하는 것이 중요합니다. 이것이 바로 전류 감지 루프에서는 전력 접지와 신호 접지 간 높은 과도 잡음 내성을 가진 갈바닉 방식으로 절연한 증폭기가 필요한 이유입니다. 구성 요소를 적절하게 선택하면 정확한 전류 감지 루프가 3개의 전류 위상에서 고조파 왜곡을 제한함으로써 가속 및 브레이크 상황에서 매끄러운 모터 속도와 토크 제어를 지원할 수 있습니다. 전류 감지 루프의 정확도도 주행 중 전기적 손실을 방지하고 진동을 최소화하는 데 도움을 줍니다. AMC1300B-Q1 및 AMC1311B-Q1 같은 절연 증폭기, AMC1306M25 및 AMC1336 같은 절연 모듈레이터는 200kHz 이상의 대역폭과 2µs 미만의 지연, CMT(공통 모드 과도 내성)가 100kV/µs를 초과하는 갈바닉 절연을 통해 정확한 전류 및 전압 측정을 지원합니다.

MCU는 주어진 3상 전류 측정치를 ADC(아날로그-디지털 컨버터)로 통과시켜 신속하게 측정치를 디지털화한 다음 메인 알고리즘으로 통과시켜 트랙션 인버터 출력에 대한 PWM(펄스 폭 변조)을 생성해야 합니다. 모터 제어 설계에서 자주 사용되는 FOD 알고리즘에는 FFT(고속 푸리에 변환), 삼각함수 연산 등 복잡한 수학 계산이 필요합니다. 따라서 특히 20kHz 이상의 스위칭 주파수의 경우 처리 대역폭 요구 사항이 높습니다.

트랙션 인버터의 모터 제어와 안전 기능을 모두 처리할 수 있도록 MCU의 전력 부하를 분산시켜 주는 것이 중요합니다. 고속 FOC를 구현하면 MCU 내부의 전력 및 처리 능력에 더 많은 여유가 생기기 때문에 모터 제어와 기능적 안전 요소를 모두 처리할 수 있습니다. C2000™ TMS320F28377D, TMS320F28386D, TMS320F280039C 및 Sitara™ AM2634-Q1 같은 실시간 MCU는 복잡한 제어 수학 계산을 신속하게 수행할 수 있도록 여러 개의 최적화된 코어에서 나오는 감지 및 프로세싱 성능을 제공하는 >3-MSPS ADC의 도움을 받아 효과적으로 신속한 제어 루프 성능을 제공합니다. 작동용으로 사용되는 밀접하게 통합된 고해상도 PWM이 정밀한 듀티 사이클을 생성해 최적화된 모터 제어 성능을 제공합니다. 트랙션 인버터용으로 최적회되면 이 단계들(ADC 입력, FOC 알고리즘 실행 및 PWM 쓰기)이 한데 합쳐져 <4µs 제어 루프 지연을 달성합니다.