폐루프 모터 컨트롤을 지원하는 회전식 리졸버와 인코더

자료 제공: TI 코리아

리졸버

리졸버(발신기의 경우)는 세 개의 코일 권선(기준, 사인, 코사인)으로 이뤄져 있는데, 이 중 기준 권선은 1차 권선으로, 회전식 변압기를 통해 변압기의 1차 측으로 들어오는 AC 전압에 의해 여자 상태가 된다.

또한 기준 권선은 모터 축에 설치되는데, 모터 회전 시 축의 위치에 따라 사인과 코사인 권선의 전압 출력이 바뀌게 되고, 이 두 권선은 축에 대해 서로 90°를 이룬다. 만약 이 때 기준 권선이 돌아가게 되면, 권선과 사인/코사인 권선 간의 각도가 변하게 되는 상황이 발생한다.

한편, 사인 및 코사인 권선에 대해 유도된 전압은 기준 전압에 세타 각의 사인 권선 및 코사인 권선을 곱한 것과 같아지는데, 이 때 유도된 출력 전압의 파형은 사인과 코사인 권선에서 나온 전압-출력 신호를 정규화한 값을 기준 전압으로 나눈 값과 같다.

엔지니어가 적절한 시그널 체인 장치를 선정할 때 유의해야 할 점은 기준선 아래로 신호 진동이 일어나므로 양극형 시그널 체인이 필요하다는 것이다. 기준 권선용 리졸버는 두 개의 채널에서 샘플을 동시에 수집해 최고 5kHz 신호로 변환하고, AC 전압을 공급하는데, 이 경우 적합한 솔루션으로 꼽히는 것이 델타-시그마 모듈레이터를 활용하는 것이다.

일반적으로 기준 전압이나 AC-여자원의 경우, PWM 신호를 리졸버로 직접 보내는데, TI는 이 경우에 적합한 솔루션으로서 델타-시그마 모듈레이터에서 리졸버의 사인과 코사인 권선이 직접 상호작용하도록 설계되어 있는 ADS1205나 ADS1209와 같은 데이터 컨버터를 제공한다.

다양한 신호를 처리하기 위해서는 모터 컨트롤 시스템 외에도 DSP나 실시간 제어 장치가 필요한데, 이 옵션 중 하나가 TI의 C28x-기반 C2000™ Piccolo™ F2806x 마이크로 컨트롤러다. 결론적으로 리졸버는 제어 시스템을 위한 견고한 위치 센서를 통해 높은 정확도를 높이는 동시에 수명을 연장시키지만, 낮은 최대 회전 속도라는 약점 또한 지니고 있다. 이 때문에 리졸버 신호 주파수가 5kHz보다 적게 나타날 수밖에 없으므로 엔지니어는 이를 고려해 분당 5,000번 이상 회전하지 않는 속도를 갖춘 모터를 선택해야 한다.

인코더

엔지니어는 시그널 체인을 구현하기 전에 인코더의 물리적 특성과 신호-출력 특성을 이해해야만 하는데, 인코더는 선형 인코더와 회전 인코더로 분류된다. 선형 인코더는 1차원이나 한 방향으로만 움직이는 기계에 적용되어 선상 위치를 전자 신호로 바꾸는 기능을 하는데, 주로 액추에이터와 함께 활용된다. 반면, 회전 인코더는 축을 따라 움직이면서 회전 위치나 각도를 전자 신호로 바꾸는 데에 활용된다.

이 같은 회전 인코더의 원리를 이해하기 위해서는 먼저 광학·회전 인코더에 대해 알아야 하는데, 광학 인코더는 특정 패턴의 디스크를 모터 축에 장착하며, 이를 통해 디스크상의 패턴이 빛을 차단하거나 통과시키도록 지원한다. 회전 인코더는 절대 위치값, 증분형 TTL 신호, 증분형 사인파 신호로 이루어져 있는데, 이 중 절대 위치값 회전 인코더는 위치를 기준으로 독특하게 나타나는 디스크 패턴을 지니고 있다.

이에 관한 예로는 절대 위치 인코더의 출력이 3bit 디지털 출력일 때 일정한 간격을 두고 8가지 패턴이 나타나는 것을 들 수 있다. 이 같은 절대 위치값 회전 인코더의 출력은 디지털 인터페이스에 한해 최적화되기 때문에 아날로그 시그널 체인이 필요 없다. 증분형 TTL 회전 인코더는 디스크 패턴으로 디지털 고/저 신호(TTL 신호)를 출력한다.

이렇게 출력되는 TTL-출력 디스크 패턴은 하나의 디지털 고/저 신호만 나타내므로 절대 위치값 회전 인코더에 비해 상대적으로 간단하다. 증분형 TTL 회전 인코더 역시 절대 위치값 회전 인코더와 마찬가지로 출력이 디지털 형식으로 이뤄지기 때문에 아날로그 시그널 체인이 필요 없다. 증분형 사인파 회전 인코더의 경우, TTL-신호 인코더와 유사한 출력과 디스크 패턴을 보유하고 있으며, 디지털 출력 대신에 사인파 출력을 활용한다.

이로 인해 증분형 사인파 회전 인코더는 기준 표시 신호와 함께 사인과 코사인 출력을 수행하는데, 이 같은 출력은 모두 아날로그 신호이므로 아날로그 시그널 체인 솔루션이 필요하다.

위에서 언급한 아날로그 시그널 체인 솔루션이 갖춰야 할 요건에는 ▲ 2개의 동시 샘플링 ADC ▲ 시스템 무지연 ▲ 기준-표시 신호용 콤퍼레이터 등이 있는데, TI는 이와 관련된 솔루션으로 SAR ADC인 ADS7854 제품군을 보유하고 있다.

지금까지 설명한 내용을 정리하면, 리졸버와 인코더가 모터 컨트롤 피드백 경로에서 회전/위치 센서를 구현한다는 것을 알 수 있는데, 이 때문에 엔지니어는 여러 제어 시스템의 피드백 경로와 출력 신호상의 특징을 리졸버나 인코더에 대한 아날로그 시그널 체인으로 평가해 신호의 무결성을 향상시키고 성능을 최적화시켜야 한다.