기술 발전으로 인해 소형 기기들이 더 많이 등장하고 있다. 이는 더 향상된 소형 기기의 개발이 기업 경쟁력과 직결되고, 더 높은 성장을 이뤄낼 수 있는 가늠자가 되고 있음을 의미한다. 더 작은 기기를 위한 펌프 기술을 살핀다. <글 | 이기한 파카코리아 오토메이션 부장>

 

엔지니어링 기술 발전에 힘입어 의료기기에서 한층 향상된 휴대성을 지닌 제품들이 증가하고 있다. 의료기기 제조사는 헬스케어 전문가와 함께 소형 폼 팩터로 휴대의 이점을 높인 제품들을 포트폴리오에 속속 추가하고 있는데, 이는 우수한 제품의 혜택을 언제 어디서나 빠르게 얻게 함은 물론 종종 삶과 죽음을 가르는 요인으로도 작용하고 있다.

 

휴대성을 위한 설계
더 많은 휴대형 의료기기가 쏟아지고 있지만, 고객이 요구하는 모든 성능을 상대적으로 작은 인클로저에 맞추기 위한 문제는 여전히 큰 도전 과제다. 또한 엔지니어링의 발전은 사이즈 축소를 위한 노력을 계속해서 더 큰 장비로 확장시키고 있기도 하다.

파카의 조사에 따르면, 부품의 소형화는 실험실 공간을 적게 차지하고, 시약을 적게 소비하며, 더 작은 테스트 샘플을 요구 하는 장비에 대한 수요를 충족시키는 핵심 요소로 여겨진다. 특히 조사에 참가한 실험장비 제조업체 및 사용자들은 부품 소형화가 장비의 총 비용을 줄이는 데에도 기여한다고 입을 모았다.

최적화된 펌프 설계 및 선택

사이즈 축소의 핵심은 펌프가 포함된 하위 구성요소에서 장비를 올바르게 설계하는 것이다. 최적화된 펌프 설계와 제어 방법으로 공압 회로의 설치 면적을 줄일 수 있기 때문이다. 이는 고유량 및 저유량 작동의 균형을 맞춰 더 작은 펌프를 사용함으로써 구현된다.

 

요청하는 수요와 정확하게 일치하는 수준에서의 펌프 작동과 같은 높은 효율을 달성하게 되면, 용량이 더 작고 보다 컴팩트한 배터리의 사용이 가능하게 된다. 더 작은 펌프와 더 작은 배터리의 사용은 제품의 크기를 줄이는 핵심 요소다. 다시 말해 소형화를 위해서는 펌프 속도와 유량의 능동적 제어가 가장 먼저 수행되어야 한다.

예를 들어, 환경 모니터링 장치는 작업 공간 환경을 샘플링하기 위해 넓은 동적 유량범위(a wide dynamic air flow range)를 필요로 하는 동시에 휴대성은 물론 배터리의 재충전 없이 하루종일 작동하기를 요구한다. 적절하게 동적 제어되는 싱글 공압 펌프는 이를 가능케 하는 핵심 요소로, 펌프의 효율을 높이면 배터리 사이즈를 줄일 수 있어 보다 작은 사이즈의 제품 디자인이 가능하게 된다.

오늘날 대부분 생명과학 및 의료기기 및 장비 제조사는 개선된 환자 치료법과 정확한 환자 모니터링을 위해 펌프 가스 유량 발생(the pump generated gas flow)에 대해 더 정교한 제어를 요구하고 있다. 유량 유연성은 대부분의 다이어프램 펌프에서 사용할 수 있지만, 성공적인 구현을 위해서는 OEM 엔지니어와 펌프 공급업체 애플리케이션 엔지니어간의 긴밀한 협업이 수반되어야 한다.

속도 제어 방법 및 실행
아이언 코어 영구 자석 직류 모터(PMDC), 코어리스 DC 브러시 모터, 브러쉬리스 직류 모터(BLDC) 등 Parker Precision Fluidics의 모든 모터 유형에서 속도 제어를 사용할 수 있다. 외부 펄스 폭 변조(PWM) 방식이 일반적으로 사용되는 속도 제어 방안이지만, 특정 응용 프로그램에서는 다른 형태의 제어가 더 효율적일 수 있다. 설계자는 응용 프로그램에 따른 가장 적합한 제어 방식을 결정해야 한다.

다음은 모터 형태에 따른 다양한 속도 제어 방식에 대한 개요다.

● 입력전압 (브러쉬 또는 BLDC)
전압을 조정하면 모터 속도가 비례하여 변경된다. 예를 들면, 12Vdc 펌프의 유량은 6Vdc에서 작동시켜 천천히 줄일 수 있다.(애플리케이션에 따라 다를 수 있음)

● 입력전압 PWM (브러쉬 또는 BLDC)
전압 조정과 마찬가지로, 모터의 속도는 더 낮은 유효 전압으로 감소된다. 고정된 입력 전압을 빠른 속도(종종 20kHz)로 끄면 더 낮은 전압이 시뮬레이션되며, 온/오프타임(on-time, off-time) 비율(duty cycle)이 모터에 적용되는 유효 전압을 결정한다. ‘2-wire PWM’이라고 하는 이 기술은 장치에서 펌프 속도를 제어하는 가장 간단한 방법 중 하나이다.

 

디바이스의 기본 요구사항은 마이크로컨트롤러와 파워 트랜지스터로부터 생성되는 PWM 신호이며, 모터 평균 전력을 감소시키기 위해 모터 입력전압은 고주파수에서 켜지고 꺼지게 된다. [그림 2]은 속도를 줄이기 위해 ‘고객 PCBA’에 의해 모터 접지가 전환되는 저 측면(low side) PMW 드라이버의 예시다.
브러쉬 모터의 경우에는 2-wire PWM이 가장 일반적 제어 방법이며, 매우 효과적이다. 물론 BLDC 모터에서도 2-wire PWM은 효과적이지만, 몇 가지 한계를 지닌다.

 

예를 들어 많은 BLDC 모터에는 반드시 최소 전압을 유지해야 하는 내부 컨트롤러가 존재한다. 그런데 PWM 사이클을 입력전압에 적용하게 되면, 컨트롤러 전자 장치에 대한 유효 전압 또한 감소하게 됨으로써 사용 가능한 속도 제어 범위가 제한된다.

● 외부 PWM (BLDC 전용)

입력전압 PWM이 지닌 한계를 극복하기 위해 사용되는 방안이 외부 PWM 제어다. 외부 PWM으로 제한 없는 넓은 범위의 제어가 가능하게 된다. 외부 PWM 방식에서 모터의 첫 두 전선에 대한 입력 전압은 고정되어 변경되지 않으며, 속도는 제 3전선에 PWM 신호를 인가함으로써 조정된다. 낮은 전류 신호는 (시스템 컨트롤러에 의해) 고주파에서 외부 접지로 바뀌는데, 이때 내부 BLDC 모터 컨트롤러는 신호 듀티 사이클(duty cycle)에 비례하여 속도를 감소시킨다.

 

이 방식은 BLDC 다이어프램 펌프의 속도 제어를 위해 권장되는 방법이다. 펌프의 가장 동적인 제어가 가능할 뿐 아니라 스위칭 신호에 저전류 트랜지스터를 결합함으로써 전기 회로를 단순화할 수 있는 이점도 제공한다. 외부 PWM을 갖는 대부분의 다이어프램 펌프는 PWN 신호를 제공하기 위해 OEM 엔지니어의 장치에 오픈 드레인(open-drain), 혹은 오픈 컬렉터(open-collector) 회로가 필요하다. BLDC 모터는 내부 풀업(pull-up) 저항이 있어 오픈 드레인이나 오픈 컬렉터 회로가 PWM 신호의 낮은 부분에 대해 이 전압을 접지로 활성화한다.

● 0~5Vdc 아날로그 속도 입력 (BLDC 전용)
모터의 첫 번째 두 전선에 대한 입력 전압은 고정되어 변경되지 않는다. 속도는 제3전선에 인가된 외부 공급 DC 전압을 사용하여 조정되는데, 내부 BLDC 모터 컨트롤러가 이 신호에 응답하여 입력전압과 선형으로 속도를 감소시킨다.

예를 들어 5Vdc에서는 100% 속도를, 2.5Vdc는 50%의 속도를 제공하고, 0Vdc에서는 모터가 작동을 중지하는 것이다. 그러나 일부 애플리케이션에서는 PWM 신호가 가능하지 않거나, 시스템 설계자가 선호하지 않는 경우도 있다.

많은 BLDC 모터는 외부 아날로그 DC 신호 입력을 제공하는데, 이 경우 모터에 직류 전압을 공급하여 작동시키면서, 별도의 저전류 0~5Vdc 입력을 통하여 펌프의 속도를 제어한다. 0Vdc 신호는 모터를 비활성화시키고, 5Vdc는 최대 속도를 내게 하는 등 0~5Vdc 범위에서 펌프의 속도를 조절하는 것이다. 실제 제어 전압 범위는 모터에 따라 다를 수 있지만, 개념은 동일하다.

● 속도 모니터링- 타코미터

BLDC 모터는 대부분 타코미터 신호를 출력할 수 있어 엔지니어의 장치가 실제 펌프 속도를 모니터링할 수 있도록 되어 있다. 이 신호는 펌프의 속도를 결정하는 데 사용할 수 있는 디지털 펄스 신호로, 펌프가 매우 천천히 작동해야 하는 경우에 유용하다.
엔지니어는 타코미터 신호를 기반으로 펌프의 중단을 감지하고, 장치 컨트롤러를 작동시켜 속도를 높일 수 있다. 나아가 적절한 시스템 기능을 확인하기 위한 추가적인 안전 및 진단 피드백도 가능하다.
 
● 제어입력 대 속도
모터에 대한 속도 제어 신호를 통하여 유량을 감소 또는 증가시킬 수 있다. 그러나 이는 직접적인 선형 관계가 아니다. 예컨대 고정된 50% PWM 신호에서 펌프의 속도가 감소하지만 이는 정확히 50%는 아닌 것이다. 또 펌프의 부하가 변함에 따라, PWM 신호가 고정되는 동안에도 펌프의 속도는 변경된다. 최대 모터 속도는 펌프 구성 또는 애플리케이션에서 압력/진공 부하에 의해 감소될 수 있다. 토크와 속도는 선형 관계가 있으며, 펌프를 작동시키는 데 더 많은 토크가 필요하게 되면, 모터는 느려지게 된다.

 

● 모터 멈춤
만약 펌프가 작동을 멈추게 되면 펌프 모터는 손상을 입을 수 있다. 모터의 로터가 이 위치에 잠겨있고 전원이 모터에 공급되면 열이 증가하여 내부 컨트롤러에 손상이 발생될 수 있는 것이다. 속도를 감소시키기 위해 속도 제어를 사용할 때 모터 멈춤이 발생할 가능성은 한층 높아지게 되며, 따라서 면밀한 모니터링이 요구된다.  더불어 시스템 설계자는 펌프에 전원을 공급하기 위해 안전 전류 제한 또는 퓨즈 장치를 하는 것이 좋다. 퓨즈 장치는 멈춤 현상이 발생할 경우 펌프 모터 및 시스템의 손상을 방지하는 데 도움을 준다.

● 감속 속도로 재가동
속도 제어 방법을 사용하면 모터 유효전력이 감소하며, 재가동 중에 속도가 감소하면, 시동 토크가 감소하게 된다. 속도가 감소되는 모든 조건(압력 부하 및 작동환경 온도 등)에서 펌프를 재가동할 수 있어야 한다

● 권장 주파수
PWM 속도 제어 방법을 사용할 때 권장 주파수는 20kHz다. 20kHz 미만의 주파수는 윙윙 거리는 소리를 발생시킬 수 있기 때문이다. 반대로 20kHz 이상의 더 높은 주파수를 사용할 경우에는 트랜지스터의 상승과 하강 시간으로 인해 제어 범위가 제한될 수 있다. 또 일부 모터와 제어 회로의 경우에는 20kHz보다 큰 PWM 주파수로 인해 효율이 저하될 수 있다.

엔지니어링 및 제품 설계에 관련된 많은 분야와 마찬가지로, 소형 펌프 적용에는 뛰어난 OEM 엔지니어와 고유한 전문 기술을 가진 부품 공급 업체와의 긴밀한 협력이 필요하다. 이는 제품 디자인 측면에서 더 나은 결과를 가져올 수 있으며, 가장 최적화된 펌프 선택 및 제어를 통해 보다 더 작고 효율적이면서 휴대성이 높은 의료 및 생명 과학 장비를 생산할 수 있게 한다. 따라서 모터 및 펌프 설계 분야에서 오랜 기간 축적된 지식과 전문성을 지닌 공급업체의 역량이 중요하게 살펴야 한다.