SPI 네트워크 이용 다축 스텝핑 모터 제어시스템

SPI 네트워크 이용
다축 스텝핑 모터 제어시스템

SPI를 탑재한 모션 컨트롤러와 드라이버 칩을 사용할 경우에는 기존의 공간의 절약과 시스템의 하드웨어를 최소화하여 혁신적인 절감을 이룰 수 있으며, 그 동안 사용자들이 기술적으로 접근하기 어려웠던 마이크로 스탭 드라이버의 구현을 쉽게 이룰 수 있다. 이러한 제품의 경우 ADC, DAC와 같은 다른 기능의 SPI를 탑재한 칩들을 동일 SPI 네트워크 상에 연결하여 적은 공간에서 보다 다양한 기능의 시스템을 사용자 스스로 구현할 수 있도록 기능을 제공하고 있다. 자료제공/ 이레테크(www.erae-tech.com)

오픈 루프 방식의 스텝핑 모터의 제어는 서보 모터에 비해 비교적 간단한 방법으로 가능하다. 스탭핑 모터의 드라이버의 경우 스텝 펄스 및 디렉션 신호를 드라이버에 공급하면 위치제어를 할 수가 있으며, 서보 드라이버의 경우 클로즈 루프 컨트롤이기 때문에 STEP/DIR 신호 및 엔코더 출력 및 알람, In-Potion 등의 보다 많은 신호들을 상위제어기에서 내보내고 읽어 들인다.
이에 따라 독일의 트라이나믹에서는 스탭핑 모터의 다축 제어를 보다 용이하게 하기위한 온-보드 레벨에서 모션 컨트롤러와 드라이버칩을 함께 탑재하여 산업현장에서 쉽게 적용이 가능한 제품들을 공급하고 있다. 이러한 제품의 경우 모션 컨트롤러와 드라이버가 자체 내장된 SPI를 통하여 NETWORK을 구성하며, 모션컨트롤러는 상위제어기인 CPU와 SPI로 연결되어 CPU 모션 컨트롤러 모터 드라이버가가 모두 SPI로 연결되어 협소한 공간에서도 보다 많은 제어 축을 구성할 수 있다.

SPI 포트 내장으로
효율적인 제어축 구성

TMC428은 SPI 포트를 탑재한 3축의 모션 컨트롤 칩으로 아주 작은 SSOP16 패키지임에도 불구하고 3축의 모터드라이버를 자유롭게 제어 할 수 있는 특징을 갖고 있다. TMC428은 다음과 같은 주요 특징을 갖고 있다.

-최대 3축의 2상 스탭핑 모터를 제어
-4가닥의 SPI 신호 만으로 상위 CPU와 연결
-모터 드라이버와 SPI로 연결
-다른 종류의 SPI DRIVER CHIP도 데이지 체인으로 연결 가능
-SPI DATA RATE: 최대 1 Mbit/s
-마이크로 스탭을 SOFWTARE로 설정가능: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 마이크로스탭
-내부에 24BIT 위치 카운터
-내장 가감속 발생기
-주행중 속도 및 가속 값 변경가능
-전류제어에 의한 자동 가속기능

그림 1. 3축 모션 컨트롤 시스템 구성 예

그림1은 3축의 모션 컨트롤 시스템을 구성한 예이다,

그림에서와 같이 TMC428 모션 컨트롤 칩과 연결된 모터 드라이버 칩은 트라이나믹사에서 공급하는 TMC236, TMC246또는 TMC239, TMC249 칩 등이 있다. 이 드라이버 칩들은 모두 자체에 SPI 포트를 내장하고 있어 사용자가 별도로 드라이버의 제어를 위한 SPI 프로토콜을 만들 필요가 없으며, TMC428에 내장된 SPI 엔진에 의한 제어가 이루어지고 있다. 이와 같은 모션 컨트롤 시스템을 구성하게 되면 사용자는 1자의 PCB에 호스트 CPU, 모션 컨트롤러, 드라이브 칩을 탑재할 수 있다. 이것은 SPI를 사용한 배선의 절감에 의해서 가능할 수 있다. 그림2는 TM428 1개와 3개의 TMC246 칩을 사용하여 3축 제어 시스템을 구성한 경우이다. 앞서 설명한 것처럼 PCB 사이즈는 160mmx100mm 이지만 적은 공간에서 완벽한 모션 컨트롤 시스템의 구현이 가능하다. 여기서 모터 드라이브 칩으로 사용되는 TMC246 칩은 다음의 특징을 가지고 있다.

-최대 1.5A의 코일 전류(최대치) -7V~30V의 공급전원
-별도의 센서없이 모터의 탈조 감지를 하는 StallGuard
-저 전력소모
-SPI를 통한 16 마이크로 스탭 및 추가적인 시프트레지스터와 아나로그 회로를 사용한 64 마이크로스탭
-부드러운 동작을 위한 MIXED DECAY 모드
-내부의 초퍼 클럭
-RUN CURRENT의 소프트웨어제어(0%~100%)
-SPI 및 아나로그 인터페이스(NON-SPI 모드)

혁신적인 비용 절감으로
마이크로 스탭 모터 구현

그림 2. TM428과 TMC246 칩 사용 3축 제어 시스템의 구성

TMC249이나 TMC239 칩을 드라이버로 사용할 경우에는 드라이버 출력단에 FET를 추가하여 보다 높은 코일전류를 필요로 하는 대용량의 스탭핑 모터를 드라이브 할 수 있다. 트라이나믹사에서는 TMC423이라는 3축의 엔코더 펄스 카운터 칩을 공급하고 있다. 이 칩은 스탭핑모터에 엔코더를 추가하여 실제 모터와 연결된 기구물의 이동을 정밀하게 감시 할 수 있으며, 앞서 설명한 TMC428과 TMC246 칩과 마찬가지로 SPI 포트를 탑재하고 있어 TMC428, TMC246, TMC249 칩과 함께 SPI 네트워크 상에서 제어를 할 수 있다.
또한 적은 펄스의 엔코더를 연결해도 CPU에서는 회전당 12800 펄스의 분주된 값을 얻을 수 있는 분주회로를 내장하고 있어 사용자에게 경비의 절감을 줄 수 있다. 그림3은 TMC423의 블록 다이어그램을 나타내고 있으며, 표1은 외장 엔코더를 연결하였을 때 400 펄스~12800 펄스의 값을 얻기 위한 환산 값을 나타내고 있다.
이상의 내용으로 종합해보면 SPI를 탑재한 모션 컨트롤러와 드라이버 칩을 사용할 경우에는 기존의 공간의 절약과 시스템의 하드웨어를 최소화하여 혁신적인 절감을 이룰 수 있으며, 그 동안 사용자들이 기술적으로 접근하기 어려웠던 마이크로 스탭 드라이버의 구현을 쉽게 이룰 수 있다. 이러한 제품의 경우 ADC, DAC와 같은 다른 기능의 SPI를 탑재한 칩들을 동일 SPI 네트워크 상에 연결하여 적은 공간에서 보다 다양한 기능의 시스템을 사용자 스스로 구현할 수 있도록 기능을 제공하고 있다. 이외에도 트라이나믹에서는 I2C 포트를 사용한 컨트롤러와 드라이버가 일체형으로 이루어진 TMC222이라는 칩도 공급하고 있다.

그림 3. TMC423의 블록 다이어그램

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