[첨단 헬로티]

전동 파워 스티어링(EPS : Electric power steering)이 유압식이나 전기유압식 시스템을 거의 대체하고 있다. 여기에는 그럴 만한 장점들이 있기 때문이다. 먼저, 계속해서 작동되는 벨트 기반의 펌프를 사용하지 않으므로 에너지 효율을 높일 수 있다. 또한 유압식 부품들을 사용하지 않으므로 제조 공정과 유지보수를 단순화할 수 있다. 하지만 신뢰할 수 있고 효율적인 전동 파워 스티어링 시스템을 위해서는 강력한 성능의 반도체를 기반으로 한 전문적인 솔루션을 필요로 한다. 

시장의 요구를 충족하도록 인피니언은 차세대 EPS 용으로 전원장치, 마이크로컨트롤러, 하프 브리지 드라이버, MOSFET, CAN 트랜시버, 센서를 비롯한 모든 주요 반도체 부품을 포함하는 포괄적인 칩셋 솔루션을 제공한다. 고객들이 한 업체로부터 전문적인 칩셋 형태로 모든 필요한 부품을 사용할 수 있으므로 개발 시간을 단축하고 비용을 절감할 수 있다.

전동 파워 스티어링은 전기 제어 모터를 사용해서 스티어링을 보조한다. 운전자가 발생시킨 스티어링 토크를 센서를 사용해서 감지하고 이 정보를 전자 제어 유닛(ECU)으로 전달한다. 그러면 ECU는 필요한 스티어링을 계산하고 그에 따라서 서보모터를 제어한다.

이러한 포괄적인 EPS 칩셋을 제공하는 이유는 무엇인가? 그것은 전동 파워 스티어링 시스템에 필요로 하는 모든 반도체 제품을 제공할 수 있으며, 가용성을 높이고 “페일 오퍼레이셔널(fail-operational)” 또는 “페일 세이프(fail-safe)” 동작이 가능하도록 맞춤화할 수 있기 때문이다. 이렇게 함으로써 부품들이 서로 간에 신뢰하게 동작하도록 할 수 있다. 또 다른 중요한 요구사항은 “기능적 안전성”을 충족하는 것이다. 이를 달성하기 위해서는 모든 해당 부품들로 엄격한 자동차 품질 요건뿐만 아니라 ISO26262 규격을 충족해야 한다.

그림 1. 전동 파워 스티어링 데모 시스템

EPS 데모 시스템

인피니언은 이 칩셋 부품들을 기반으로 데모 보드를 개발했다. 이 데모 보드는 6위상 전기 모터를 제어할 수 있다. 그림 1은 최종적으로 구현된 EPS 시스템이고, 그림 2는 칩셋 부품을 사용한 데모 보드이다. 칩셋 부품으로는 전원 칩(OPTIREG PMIC, TLF35584), 3위상 하프 브리지 드라이버(TLE9183QK), 32비트 마이크로컨트롤러(TC23x, 200MHz 및 2MB 플래시), 토크 센서(TLE4998C8D), 모터 위치 센서(TLE5309D), 각도 센서(TLE5014D), MOSFET(SS08 패키지), CAN FD 트랜시버(TLE9251VLE, TLE9252VLC)를 포함한다.

그림 2. EPS 칩셋을 사용한 컴팩트한 데모 보드

이 모든 부품을 기능적 안전성, 에너지 효율, 집적도를 높이도록 설계했다. 안전성 전원 IC는 EPS 시스템 용으로 설계된 것으로서 ASIL D를 충족하는 모니터링 및 보호 기능을 포함한다. 브리지 드라이버 역시도 ASIL D를 충족한다. 또한 모든 센서는 ISO26262를 충족하도록 설계되었으며 우수한 측정 정확도를 제공한다.

또한 원하는 성능대, 플래시 용량, 타이머 아키텍처, 주변장치 기능에 따라서 AURIX™ 제품군 중에서 적합한 마이크로컨트롤러 제품을 선택할 수 있다. 이 MCU는 ISO26262에 따른 안전성/보안성, 하드웨어 중복성, 하드웨어 보안(HSM 모듈)을 지원한다. 끝으로, MOSFET은 온 저항이 극히 낮고(40V로 RDS(ON)이 0.9mW) 스위칭 성능이 우수하며, 견고한 소형 패키지(SS08 또는 sTOLL)로 제공된다.

그림 3. EPS 칩셋을 기반으로 한 중복적 아키텍처의 블록 다이어그램

이 데모 시스템은 중복성을 위해서 2개의 절연형 3위상 서브시스템으로 이루어진 6위상 시스템이다(그림 3). 이중으로 된 센서, 전원 칩, 마이크로컨트롤러, 하프 브리지 드라이버, MOSFET 하프 브리지를 2개의 개별적인 배터리를 사용해서 구동함으로써 “페일 오퍼레이셔널” 시스템을 달성한다. 각기 서브시스템이 각기 개별적으로 작동된다. 각각의 서브시스템이 전체적인 EPS 시스템으로 절반의 토크를 제공한다. 그러다가 어느 한 서브시스템으로 결함이나 고장이 발생되면 다른 서브시스템이 비례식으로 EPS 기능을 온전히 맡는다.

그림 4. TLE4998C3D, TLE5014D, TLE5309D 같은 듀얼 다이 센서를 사용함으로써 간편하면서도 효율적으로 중복성을 구현할 수 있다.

정밀 센서를 사용한 기능적 안전성

자동차로 높은 기능적 안전성을 달성하기 위해서는 중복성을 위한 시스템 파티셔닝과 효율적이며 신뢰할 수 있는 센서가 필요하다. 이렇게 함으로써 높은 가용성을 달성할 수 있다. 다시 말해서 어느 한 부품으로 결함이 발생되더라도 시스템이 계속해서 정상적으로 작동될 수 있도록 해야 한다. 그러므로 전동 파워 스티어링 시스템에 사용되는 센서는 지극히 정밀해야 할 뿐만 아니라 기능적 안전성 요구도 충족해야 한다. 이 시스템에 사용된 센서들은 ISO26262를 충족한다. 인피니언은 센서 중복성에 대한 요구를 충족하기 위해서 듀얼 센서 패키지로 2개 센서를 통합하고 있다(그림 4).

선형 홀 센서인 TLE4998C8D는 토크 또는 스티어링 순간을 정확하게 감지한다. 직선적 위치 또는 각 위치를 극히 정밀하게 검출하고 온도와 기계적 스트레스를 디지털적으로 보정한다. 그러므로 전체적인 온도 범위와 수명에 걸쳐서 안정성이 뛰어나다. 또한 TLE4998C8D는 2개의 개별적으로 프로그램 가능한 선형 홀 센서 IC를 통합하고 있으며 SPC(짧은 PWM 코드) 프로토콜을 지원한다. 그러므로 제어 유닛의 요청에 따라서 측정 데이터를 전송할 수 있다. 또한 고객들을 위해서 유연성을 높이는 점으로서, 다양한 인터페이스를 선택할 수 있다(SENT, SPC, PWM).

TLE5014D 각도 센서 역시 듀얼 칩이다. 그러므로 요구되는 중복성을 손쉽게 달성할 수 있다. 이 센서는 전체적인 온도 범위와 수명에 걸쳐서 극히 정밀하게 작동하므로 파워 스티어링 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 또한 이 센서 제품은 설정이 사전에 구성되어 있고 온도에 대해서 캘리브레이션이 되어 있으므로 고객들이 손쉽게 사용할 수 있다. 또한 고객들이 다양한 인터페이스를 유연하게 선택할 수 있다(SENT, SPC, SPI, PWM).

역시 듀얼 센서 칩으로서 TLE5309D는 단일 패키지로 AMR과 GMR 센서를 결합하고 있으며 진단 기능을 포함한다. 이 듀얼 GMR/AMR 각도 센서는 안전성을 중요하게 요구하는 모터 애플리케이션의 아날로그 각도 위치 검출에 사용하기에 적합하다. TLE5309D는 AMR 센서의 극히 우수한 정확도와 GMR 센서의 360도 측정 범위를 결합하고 있다. 

또한 전달 지연시간이 짧으므로(9ms 미만) 전기 모터와 전동 파워 스티어링 시스템의 속도 및 정확도와 관련한 엄격한 요구를 충족한다. 또한 이 센서 제품은 70ms 미만에 빠르게 스타트업할 수 있으며 총 전력 소모가 낮다.

그림 5. TLF35584QK/QV 안전성 전원 IC는 AURIX 마이크로컨트롤러와 센서에 맞게 설계되었으며 EPS 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

안전한 전원 공급과 강력한 하프 브리지 드라이버

안전성 관련 시스템은 시스템 부품들이 계속해서 정상적으로 작동할 수 있도록 전원 공급을 모니터링해야 한다. 전원 및 모니터링 디바이스인 TLF35584(그림 5)는 ECU 디자인에 사용하기 적합한 것으로서 ISO26262 ASIL D를 충족한다. TLF35584의 모니터링 기능을 사용해서 전원 전압에 대한 저전압/과전압 모니터링, 마이크로컨트롤러에 대한 외부 워치도그 모니터링, AURIX MCU의 안전성 관리 유닛에 대한 외부적 모니터링 같은 것들을 할 수 있다. 이들 모니터링 기능의 상태에 대한 모니터링은 마이크로컨트롤러와는 별개의 셧다운 경로로 “safe state” 출력을 통해서 할 수 있다. 자체 테스트(BIST)로 전압 모니터링을 지원한다.

TLF35584는 마이크로컨트롤러, 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 대기 컨트롤러, 다중의 트랜시버, 센서에 대해서 전압을 모니터링하고 별도의 컨트롤러 출력을 통해서 컨트롤러로 전압을 제공한다(3.3V 또는 5.0V 선택 가능). 센서에 대해서 2개의 독립적인 추적 출력을 사용할 수 있다. 이것은 안전성 관련 센서 시스템을 위해서 필요하다. 전압 레귤레이션은 DC/DC 전위 레귤레이터와 선형 후위 레귤레이터를 사용한 아키텍처를 기반으로 한다. 콜드 스타트 관련 시스템을 지원하기 위해서 입력 전압 안정화 용으로 선택적인 부스트 컨버터를 제공하며 3V 배터리 전압으로까지 확장 범위로 동작할 수 있다.

TLE9183QK 3위상 하프 브리지 드라이버 IC 역시 ISO26262를 충족하도록 설계되었다. 림프 홈(limp home) 기능을 비롯한 다수의 보호 기능과 모니터링 기능을 포함한다. 파워 사이클을 0%부터 100%까지 자유롭게 조절할 수 있다. 그 밖에 3개 전류 센서 증폭기, 낮은 대기 전류 동작 모드, 위상 전압 피드백 기능(SPI를 통해서 임계값 프로그램 가능)을 특징으로 한다.

안전성 마이크로컨트롤러

AURIX 제품군의 32비트 멀티코어 마이크로컨트롤러는 파워트레인과 자동차 안전성 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 이 제품군은 다양한 구성(단일/듀얼/트리플 코어, 80~300MHz, 0.5~8MB 플래시 메모리 등)과 다양한 패키지 옵션으로 제공된다. 뛰어난 실시간 성능과 안전성/보안성 기능들을 제공하므로, 엔진 제어 유닛, 기어박스 제어, 전기차 및 하이브리드차, 서스펜션 시스템, 브레이크 시스템, 전동 파워 스티어링 시스템, 에어백, 운전자 지원 시스템 같은 다양한 자동차 애플리케이션에 사용할 수 있다. AURIX 아키텍처는 ISO26262를 충족하도록 개발되었다.

그러므로 지극히 효율적으로 ASIL D 보안 요건을 달성할 수 있다. 강력한 멀티코어 아키텍처에 보안적인 내부 통신 버스와 분산 메모리 보호 시스템 같은 전문적인 보안 기술을 결합했다. 또한 특수한 보호 메커니즘을 사용해서 각기 다른 용도의 소프트웨어를 통합할 수 있으므로, AURIX 플랫폼으로 ASIL 등급이 각각인 다중의 애플리케이션과 운영 체계를 매끄럽게 실행할 수 있다. 또한 하드웨어 보안 모듈(HSM)을 포함하므로 무단조작에 대한 보호가 뛰어나다.

맺음말

인피니언의 이 포괄적인 EPS 칩셋은 2019년 중반부터 공급을 시작한다. 추후로 성능, 기능 집적도(기능은 추가하고 패키지 크기는 줄이고), EMC 견고성을 계속해서 더 향상시킬 계획이다. 그러므로 더 향상된 마이크로컨트롤러, 전원 IC, 하프 브리지 드라이버, 센서를 사용해서 더 향상된 EPS 칩셋을 제공할 수 있을 것이다. 

다음 단계의 운전 자동화(레벨 3 이상)를 위해서는 전동 스티어링에 대한 요구 또한 높아질 것이다. 현재와 같이 스티어링 휠과 스티어링 기어를 기계적으로 결합할 필요가 없는 스티어링 시스템이 등장할 것이다. 이러한 “steer-by-wire” 개념을 위해서는 더더욱 높은 가용성과 신뢰성이 요구된다. 인피니언의 EPS 칩셋은 미래의 이러한 애플리케이션 요구를 충족하도록 설계되었으므로 스티어링 시스템의 미래 변화에 대처할 수 있다.

글 / Goran Keser 인피니언 테크놀로지스 자동차 시스템 엔지니어링 임베디드 소프트웨어 및 알고리즘 시니어 매니저, Christoph Unterreiner 인피니언 테크놀로지스 자동차용 마이크로컨트롤러(자동화 운전 및 커넥티비티) 파트너쉽 관리 시니어 매니저