전 유 (Zhen Yu), TI C2000 MCU 산업 시스템 부문 매니저
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엘리베이터를 탈 때, 우리는 다음 층까지 무리 없이 안전하게 올라갈 수 있을 거라 생각한다. 엘리베이터에서 정밀한 모션 제어 기술을 사용하면 엘리베이터가 지정된 층에서 정지하고 완전히 정지할 때까지 부드럽게 감속할 수 있다. 하지만 정밀한 모션 제어 기술이 제대로 작동하지 않으면 엘리베이터가 제대로 된 위치에 정지하지 못하기 때문에 엘리베이터 이용자들이 어지러움을 느끼거나 안전하지 않다고 느낄 수 있다.
로봇, 컴퓨터 수치 제어 장비 및 공장 자동화 장비는 모두 제품을 올바르게 제조하고 워크플로를 유지하기 위해 서보 드라이브의 정밀한 위치 제어(그리고 많은 경우 정밀한 속도 제어)를 필요로 한다.
산업용 드라이브의 많은 측면은 감지에서 처리, 작동에 이르기까지 실시간 제어 설계의 세 가지 기본 하위 시스템을 모두 포함하는 정밀한 모션 제어에 중요하다. 본 기고문에서는 각 하위 시스템에 대한 활성화 기술의 예시에 대해 설명할 예정이다.
센싱
정밀한 위치와 속도 감지 없이는 정밀한 모션 제어를 달성할 수 없다. 감지는 모터 샤프트 각도 위치 및 속도 감지 또는 컨베이어 선형 위치 및 속도 감지 등을 포함할 수 있다. 설계자들은 종종 위치와 속도를 감지하도록 하게 해 회전당 수백에서 수천 개의 슬롯을 가진 증분 광학 인코더를 구현한다. 이러한 인코더는 일반적으로 직교 인코딩 펄스(QEP)를 통해 마이크로컨트롤러(MCU)와 인터페이스하므로 QEP 인터페이스 기능이 필요하다.
상당히 높은 정밀도의 절대위치 인코더는 일반적으로 회전당 슬롯 수가 훨씬 많고 절대 각도 위치를 제공하기 위해 정밀하게 장착된다. 감지된 위치는 디지털 표현으로 변환되고 표준 프로토콜에 따라 인코딩된다. 이러한 프로토콜의 예로는 다마가와(Tamagawa)의 T-형식과 iC-Haus GmbH의 양방향 직렬 동기(BiSS) C가 있다. 최근까지 이러한 인코더와 인터페이스하려면 FPGA(Field-Programmable Gate Array)가 필요했지만, 이제는 그림 1과 같이 MCU(마이크로컨트롤러)가 동일한 기능을 갖는 것이 일반화되고 있다. T-형식과 BiSS C 프로토콜은 일반적으로 대부분의 MCU에서 볼 수 있는 SPI(직렬 주변기기 인터페이스), UART(범용 비동기 리시버 트랜스미터) 또는 CAN(컨트롤러 영역 네트워크)과 같은 널리 사용되는 통신 포트나 인터페이스에서 지원되는 것과 동일하지 않기 때문에 종종 사용자 정의 가능한 논리 블록이나 독점 처리 장치가 필요하다.
그림 1. TI 제어 MCU와 인터페이스되는 절대위치 인코더
절대위치 인코더는 또한 전자기 또는 리졸버 같은 회로를 기반으로 할 수 있으며, 전기 정현파 신호의 정확한 측정이 필요하다. 따라서 정밀 연산 증폭기 및 전압 기준도 중요하다. 정밀 모터 전류 및 전압 감지는 특히 무센서 제어를 채택할 때 모터 및 모션 제어에 항상 필요하다. 절연 또는 비절연 증폭기를 사용하는 인라인 및 인버터 레그 저압측 감지 및 저압측 전류 감지가 통합된 드라이버가 인기 있는 솔루션이다.
프로세싱
정밀한 모션 제어 시스템에서 모션 제어 프로파일 및 알고리즘을 실행하려면 높은 연산 능력을 가진 MCU가 필요하다. 필요한 정밀도와 정확도를 제공하기 위해 이러한 MCU는 일반적으로 32비트 워드 길이이며 네이티브 64비트 부동 소수점을 지원한다. 알고리즘은 삼각 함수, 로그 및 지수 함수에 크게 의존하기 때문에 많은 MCU에는 하드웨어 가속기가 있다.
제어되는 모션 축의 수 또는 제어 루프의 수를 고려할 때 설계자들은 종종 여러 중앙 처리 장치(CPU) 아키텍처 또는 병렬 CPU와 같은 가속기를 채택한다. 추가적인 감독 및 통신 작업도 여러 CPU를 구현하는 좋은 이유가 될 수 있다.
실시간 제어 애플리케이션으로서, 전류, 전압, 위치 및 속도 측정에서 제어 출력의 업데이트에 이르기까지 전체 신호 체인의 총 지연은 제어 성능에 직접적인 영향을 미치며, 이는 결과적으로 정밀도에 영향을 미칠 수 있다. 일부 MCU에는 제어 동작을 직접 생성하기 위한 온칩 아날로그 비교기가 있어 지연과 CPU 부담을 크게 줄일 수 있으며, 빠른 인터럽트 응답과 컨텍스트 저장 및 복원도 중요하다.
단지 높은 처리 능력을 갖추는 것만으로는 충분하지 않다. 모션 제어 MCU는 또한 12비트와 16비트 아날로그-디지털 변환기, QEP 인터페이스, 고해상도 에지 및 펄스 캡처, 펄스 폭 변조(PWM) 출력과 같은 공통 제어 주변 장치가 있어야 한다. 사용자정의 로직과 타이밍 시퀀스를 구현할 수 있는 기능도 요구 사항 중 하나이다.
설계자가 설계를 더 빨리 시작하고 조정할 수 있도록 MCU와 모터 드라이버 공급업체는 무센서 옵저버, 소프트웨어 라이브러리와 같은 핵심 알고리즘과 GUI 구성 가능성이 있는 전체 제어 코드를 포함한 모터 및 동작 제어 알고리즘을 제공한다.
그림 2는 산업용 드라이브용 제어 MCU의 개념도를 보여준다.
그림 2: 산업용 드라이브용 MCU
작동
의도된 제어 동작을 수행하려면 일반적으로 동작을 나타내는 충격 계수를 갖는 PWM 형태의 전원 장치 및 드라이버가 필요하다. PWM 펄스를 정밀하게 제어하는 것이 중요한데 즉, 드라이버는 최소한의 타이밍 스큐로 필요한 구동 강도를 제공해야 하며, 전원 장치는 정확한 시간에 켜지거나 꺼져야 한다. 이러한 드라이버는 현재 과전류 및 과열 방지와 같은 추가 기능과 함께 널리 사용되고 있다. 최신 광대역 갭 전원 장치는 빠르고 정확한 켜기 및 끄기 타이밍을 보장할 수 있으며, 광대역 갭 장치의 빠른 스위칭 속도와 낮은 스위칭 손실은 또한 안정성 및 성능 향상을 위해 빠른 제어 루프 속도를 허용한다.
정밀도 외에도, 많은 애플리케이션은 소형 모터 제어 설계를 필요로 하므로 통합 전류 감지 및 전원 모듈을 갖춘 드라이버를 필요로 한다.
마무리
산업용 드라이브에는 정밀한 모션 제어가 매우 중요하다. 감지에서 처리, 작동에 이르기까지 실시간 제어 설계의 세 가지 기본 하위 시스템을 모두 포함하는 기술 솔루션을 통해 정밀한 동작 제어가 가능하다.
기타 리소스
- [e북] "산업용 모터 드라이브용 C2000
MCU DesignDRIVE 솔루션"에서 자세히 알아보십시오. - 고속 직렬 인터페이스(FSI)를 통한 분산 다중 축 서보 드라이브 레퍼런스 설계를 다운로드하십시오.
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