이 글에서는 시장이 부분 또는 완전 자율주행으로 옮겨감에 따라 자동차 전기화 동향에 대한 통찰을 제공하고, 특히 무인 자동차의 안전하고 신뢰할 수 있는 제어를 보장하는 데 필요한 안전 표준을 만족하도록 전동 파워 스티어링(EPS) 및 전동 브레이크 시스템을 구현하는데 요구되는 변화를 살펴본다.



아나로그디바이스(ADI)는 EPS 및 전동 브레이크 시스템에 사용되는 브러시리스 모터의 고성능 정류와 안전한 동작을 구현하는 자기 저항(MR) 위치 센서 제품과 션트 기반 전류 감지 증폭기 제품을 공급한다.

들어가며

최근 몇 년 사이 자동차 안전에 대한 관심이 크게 높아지면서, 에어백 시스템에 의존해 운전자와 탑승객의 안전을 보장하던 기존의 수동 시스템을 보완하는 능동적 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)의 개선과 도입이 활발하게 진행되고 있다. 새롭게 떠오르고 있는 이 시스템은 처음에는 안전이 중요한 상황에서 운전자의 자동차 조작을 돕기 위해(궁극적으로는 운전자의 수동 조작을 대체하려는 의도로) 만들어졌지만, 이들 기술 향상이 반자율 및 완전 자율주행으로의 전환을 주도하고 있다.

운전자의 의사결정을 전자 제어 장치(ECU)가 대체하고 자동차의 스티어링과 브레이크 조작을 액추에이터가 대체함에 따라 운전자에게서 센서, ECU, 전동 액추에이터로 책임이 옮겨가는 것을 볼 수 있다. 이러한 추세는 ISO 26262 기능안전 표준을 준수하는 데 필요한 보다 신뢰할 수 있고 지능적이면서 더 우수한 성능의 리던던트 전동 액추에이터 솔루션 개발로 이어지고 있다.

이 표준은 리스크 기반 안전 표준으로서 위험한 작동 상황의 리스크를 정성적으로 평가하여 시스템 고장을 방지하거나 제어하는 것은 물론 임의의 하드웨어 고장을 탐지 또는 제어하고 그러한 영향을 완화할 수 있도록, 부품과 시스템 내에 안전 조치가 설계된다. 이러한 액추에이터 시스템은 주로 브러시리스 DC(BLDC) 모터 드라이브를 사용하며, 이들 시스템은 안전이 매우 중요하므로 설계자는 시스템이 최고 수준의 자동차 안전 무결성 등급(ASIL) D를 준수하도록 솔루션 하드웨어와 소프트웨어를 설계해야 한다.

BLDC 모터 정류와 제어

브러시리스 DC 모터는 이름에서 알 수 있듯이 브러시 접촉이 없으며, 정확한 고정자 코일 에너지화 시퀀스를 보장하기 위해 고정자와 회전자 사이의 상대 위치를 측정하는 데 모터 위치 센서(MPS)가 필요하다. 이는 특히 사용할 수 있는 역기전력(back EMF)이 없고 마이크로컨트롤러가 상대적 회전자와 고정자 위치를 결정할 수 없는 기동 시에 매우 중요하다.



전통적으로, 3개의 홀 스위치로 구성되는 블록 정류(그림 1a)가 BLDC 모터에서 회전자 위치를 표시하는 데 사용돼 왔지만, BLDC 모터 드라이브(EPS 시스템 포함)의 성능 향상, 특히 소음과 진동, 마찰(NVH)을 줄이고 가동 효율을 높이고자 하는 요구가 높아지면서 블록 정류(block commutation)에서 사인 정류(sine commutation) 제어로 옮겨가고 있다. 홀 스위치는 모터 샤프트의 끝에 장착되는 양극자 자석 앞에 배치하는 MR 각도 센서로 대체할 수 있다(그림 1b). 또한 MPS를 ECU 어셈블리에 장착하고, ECU를 모터 케이스 내부에 통합하여 모터 샤프트의 끝에 배치하는 것이 일반적이다.

안전이 관건인 애플리케이션을 위한 기능안전(예 EPS)

ISO 26262는 전기 안전 관련 시스템 고장에 의해 발생할 수 있는 위험에 대처하기 위한 안전 표준으로 2011년에 도입되었으며, 이후 2018년 버전으로 대체되었다.

시스템의 ASIL을 결정하려면 안전 및 리스크 분석을 시스템 상에서 수행해야 한다. ASIL 등급은 운행 중 시스템의 잠재적 위험을 심각도, 노출, 제어 가능성 측면에서 검토하여 결정한다(그림 2).



예를 들어 EPS 시스템에 대한 리스크 및 위험 분석을 수행한다면, 스티어링 블로킹 및 자가 스티어링과 같은 심각한 상황은 이러한 상황의 심각도, 제어 가능성 및 노출로 인해 ASIL D 범주에 해당된다는 결론을 내리게 된다.

마찬가지로 향후 소개될 전동 브레이크 시스템의 경우에도 동일한 논리가 브레이크 블로킹 또는 자가 제동과 같은 제어할 수 없는 상황의 심각도에 적용된다. EPS 또는 브레이크 시스템 사례에 이어 ASIL D 시스템 등급은 아래 그림 3a, 3b, 3c에서 보듯이 서브시스템 분해를 통해 달성할 수 있다.



ASIL D 시스템을 구현하기 위해 각각의 시스템 구성요소를 ASIL D 표준과 프로세스에 따라 개발할 필요는 없지만, 전체 시스템은 시스템 레벨에 봤을 때 요구되는 사항들을 이행해야 하고 QM, ASIL A, B, C 또는 D 등급의 하위 구성요소를 시스템의 일부로 통합할 수 있다.

또한 시스템 분해는 충분한 독립성을 보장하고, 종속적 또는 공통 원인 고장 가능성을 고려해야 한다.

EPS 시스템 토폴로지

그림 4는 일반적인 EPS 시스템 토폴로지를 보여준다. EPS ECU는 운전자, 스티어링 휠 위치 및 차량의 속도에 의해 스티어링 휠에 인가되는 스티어링 토크를 기반으로 필요한 보조 동력을 계산한다. EPS 모터는 인가된 힘으로 스티어링 기어를 회전함으로써 운전자가 스티어링 휠을 조작하는 데 필요한 토크를 줄여준다.



모터 샤프트 위치(MSP) 각도는 위상 전류 측정 정보와 결합하여 EPS 모터 드라이브의 정류와 제어에 사용된다. 기본적인 일반적 EPS 모터 제어 루프는 그림 5에 나와 있다. 필요한 토크 보조 레벨은 주행 조건에 따라 다양하며, 휠 속도 센서와 토크 센서에 의해 결정된다. 토크 센서는 운전자 또는 무인 자동차에서 모터 액추에이터에 의해 스티어링 휠에 인가되는 토크를 측정한다. 그러면 마이크로컨트롤러는 위상 전류 데이터와 함께 MSP 데이터를 사용하여 모터에 인가되는 전류 부하를 제어하여 필요한 지원을 제공한다.



EPS 모터 위치와 위상 전류 센서

MPS 센서 오류나 고장은 잠재적으로 스티어링 잠김 또는 자가 스티어링 같은 심각한 시스템 고장을 일으키거나 그 원인이 될 수 있다. 이러한 이유로 MPS는 EPS 시스템에서 중요한 구성요소이다. 따라서 MPS 센서 오류나 고장 발생 시 지속적인 기능을 보장하고 심각한 시스템 장애가 일어나지 않도록 하거나, 설령 오류가 발생하더라도 시스템이 안전한 방식으로 고장나도록 하기 위해서는, 시스템이 센서 오류에 대한 포괄적인 진단 범위를 갖도록 하고 리던던시를 내장하는 것이 필수이다.

일반적으로 전류 감지 증폭기가 모터 부하의 간접적인 정밀 측정을 위해 사용되며, 통상 3개의 모터 위상 중 2개에 인가됨으로써 전체 시스템 안전 사례의 일부로 사용할 수 있는 추가적인 진단 정보를 구성한다.

또한 고정밀 모터 위치 및 위상 전류 측정은 EPS 모터 제어 성능을 향상시켜 시스템 수준에서 매우 효율적이고 조용하고 부드러운 조향감을 제공함으로써 전체 운전자 경험을 향상시키므로 시스템에서 중요한 구성요소이다.

EPS 모터 제어의 기능안전

EPS 또는 안전이 관건인 기타 모터 제어 애플리케이션에서 ASIL D 준수를 달성하기 위한 방법은 다양하다. 다음의 사례는 ADI의 전류 감지 증폭기를 결합한 듀얼 이방성 자기저항(anisotropic magnetoresistive, AMR) 모터 위치 센서를 이러한 시스템에 통합하면 시스템 수준에서 ISO 26262 ASIL D 준수를 달성하는 데 필요한 성능 수준과 리던던시를 제공할 수 있다는 것을 보여준다.



그림 6의 블록 다이어그램에서 듀얼 AMR 센서는 대체 기술(홀, GMR 또는 TMR 등)에 기반한 추가적인 센서에 의해 보완된다. 듀얼 AMR 센서는 1차(고정밀) 감지 채널로 사용되며, 2차 대체 센서 기술 채널은 다음의 세 가지 용도로 활용된다:

- 다른 시스템 입력과 결합할 때 센서 채널 중 어느 하나에 오류가 있는지 검증하기 위해 3개 중에서 2개(2oo3)에 대한 비교 제공
- 만일 두 AMR 채널이 모두 고장나는 경우 위치 피드백 제공
- 모터가 균등하지 않은 극성(pole) 수를 가질 경우, 모터 정류에 필요한 360°의 사분면 정보를 MCU에 제공

정밀 각도 측정은 듀얼 AMR 센서의 두 채널에 의해 지속적으로 제공된다. 모터 부하, 샤프트 위치와 같은 추가적인 시스템 진단은 정밀 위상 전류 감지 증폭기로부터 동적 상태(역기전력, back EMF)에서 간접적으로 추론할 수 있다.

이 센서 아키텍처 사예에서 모든 가능한 센서 고장 모드를 살펴보면, 개연성 검사를 위해 항상 사용 가능한 2개의 위치 센서 입력이 있어야 한다는 것을 알 수 있다. 심지어 극단적인 예로서, 공통 원인 고장으로 인해 2개의 AMR 채널이 동시에 고장 나는 경우에도 여전히 보조 센서로부터 성능 저하된 위치 감지 정보를 사용할 수 있으며, 이를 동적 상태에서 전류 센서로부터 얻는 역기전력 정보와 교차 점검하여 지속적인 기본 시스템을 보장한다.

이러한 시스템 수준 진단 기능은 심각한 고장 모드가 발생하지 않도록 하고 시스템이 ISO 26262 ASIL D 준수를 이행하도록 보장한다. 그런 다음, 안전하게 시스템 전원을 내리거나 림프 홈 모드로 돌리고 대리점에 수리를 맡길 수 있다.

맺음말

자동차 안전을 향상시키는 ADAS의 도입과 완전자율 및 반자율 차량의 등장으로, ISO 26262 기능안전 표준을 준수하는 보다 신뢰할 수 있고 지능적인 고성능 리던던트 전동 액추에이터 솔루션에 대한 요구가 높아지고 있다. 아나로그디바이스는 매끄럽고 효율적인 모터 제어를 위한 향상된 성능 요구를 만족할 뿐 아니라 EPS 또는 브레이크 시스템과 같은 안전이 관건인 애플리케이션에서 높은 ASIL 요건을 달성하는 데 필요한 리던던시를 제공하는 모터 샤프트 위치 및 위상 전류 감지 제품을 제공한다.

ADI의 ADA4571-2 듀얼 AMR 센서는 리던던트 및 독립적인 감지 채널을 필요로 하는 안전이 중시되는 애플리케이션을 위해 설계되었다. 이 제품은 2채널 AMR 센서로 신호 컨디셔닝 증폭기와 ADC 드라이버를 통합하고 있다. 제품은 2개의 증폭기 신호 컨디셔닝 ASIC과 결합된 2개의 AMR(Sensitec AA745) 센서를 포함하고 있다.

이 센서는 통상 0.1˚ 범위에서 매우 낮은 각각의 오차 신호를 제공하고 무시할 만한 히스테리시스, 높은 대역폭, 낮은 지연, 우수한 선형성을 갖는다. 이러한 특성은 토크 리플과 가청 잡음을 감소시켜 BLDC 모터를 매끄럽고 효율적으로 제어할 수 있게 한다. 이 밖에 AMR 센서는 30mT 이상의 포화에서 동작하므로 자기 범위 상한 제한이 없다. 또한 높은 자기장에서 센서 동작이 가능하기 때문에 열악한 환경에 존재하는 부유 자기장에 대해 매우 강건하다.

ADI의 AD8410 전류 감지 증폭기는 EPS 및 기타 BLDC 모터 제어 시스템의 션트 저항에서 양방향 전류 측정을 수행한다. 이 제품은 안전이 관건인 애플리케이션에 요구되는 진단을 제공하기 위해 정밀 측정이 필요한 열악한 환경에서 동작할 뿐 아니라 EPS 또는 제동과 같은 BLDC 모터의 매끄럽고 효율적인 제어를 위해 토크 리플 및 가청 잡음을 감소시켜 전반적인 운전자 경험을 향상시키도록 설계된 고전압, 고분해능, 고대역폭 전류 션트 증폭기이다.


 저자 소개 

엔다 니콜(Enda Nicholl)은 아일랜드 리머릭에 있는 아나로그디바이스 유럽 R&D 센터(ERDC) 자동차 전기화 사업부의 전략적 마케팅 매니저이다. 애버테이 대학에서 기계공학 O.N.C., H.N.D., B.Sc 학위를 취득했다. 25년 간 자동차 센서 분야에서 경험을 쌓으며 애플리케이션 엔지니어링, 전략적 마케팅, 비즈니스 개발 등을 담당했으며, 이 가운데 13년은 아나로그디바이스 자동차 사업부에 있었다. 문의: enda.nicholl@analog.com.

참고문헌 

ISO 26262-1:2018. International Organization for Standardization, December 2018.
Isshi Koyata. “Approach About the Fail Operational to the Future of EPS-System in JARI Activities.”
Japan Automobile Research Institute (JARI), 2019.