빠르고 정밀한 로봇 모션 시스템 구축을 위한 최신 모터 드라이브 기술
제조 공장에서 수천 킬로그램을 들어올리는 것뿐 아니라 의료산 업에서 수술을 담당하기까지, 로봇은 우리 삶의 많은 부분을 단순화하고 있다. 이처럼 로봇이 현대 세계에 미치는 영향이 분명해 짐에 따라, 로봇 시스템이 어떤 방식으로 정밀하고 빠르고 강력한 동작을 달성하는지 누구나 한번쯤은 곰곰이 생각해 보았을 것이 다.
혹시나 이에 대한 답으로 ‘모터’를 손꼽았다면 그것이 바로 정답이라고 해도 과언이 아니다.로봇은 종종 인간이 수행하는 동작을 모방한다. 그러한 이유로 로봇의 기능에는 위치와 방향을 조정하기 위한 어떤 형태의 변위 또는 회전이 포함된다.
이러한 움직임은 일반적으로 모터로 달성된 다. 팔을 조종하거나 컨베이어 벨트를 순환하는 것과 같은 기계적 작동에 국한된 기존 사용 사례와 달리, 현대의 사용 사례는 카메 라나 기계적 빔 스티어링 라이더 센서를 회전하는 것만큼 간단하 다. 기본적인 팬과 펌프가 냉각 및 유압에 실제로 매우 유용한 모터의 기본적인 응용 분야라는 사실에 놀랄 수도 있다.
<그림1> BLDC 모터 구성 단면도
더 스마트하고 안전한 로봇 공학 구축
로봇 팔 관절의 브러시리스 DC(BLDC) 모터(그림1 참조)는 회전하는 회전자 및 고정자가 고정된 상태로 유지되는 경향이 있다. 전기 신호를 적용하여 고정자의 코일 권선에 전원을 공급하면 자기장이 생성되어 로터를 움직이게 하는 자기력이 발생해 로봇 팔내의 조인트가 회전한다. 이러한 전기 신호를 올바른 방식으로 사용하면 로봇 팔이 단순히 움직이는 것이 아니라 특정 속도, 위치 정확도 및 토크로 움직일 수 있다.
모터가 차세대 로봇 공학을 이끄는 방법
모션과 관련된 정밀하고 강력한 작업 외에도 마이크로컨트롤러 (MCU) 및 통합 모터 드라이버와 같은 모터 제어 반도체의 발전은 로봇의 움직임을 개선하고 있다. 이 목표를 달성하기 위한 네가지 구체적인 과제를 살펴보도록 하겠다.
1. 인간과 로봇의 협업을 위한 안전 요건 강화
기존의 안전 고려사항은 사람과 로봇을 엄격하게 분리해야 하며, 일반적으로 로봇을 케이지에 배치해야 한다. 더 많은 자동화를 위해서는 긴밀한 협업과 상호 작용이 필요하므로 협업 로봇은 생산성 향상에 도움이 되지만안전한 정지, 안전한 속도, 토크 및 모션 제어를 제공하는 모터가 필요하다.
C2000 32비트 TMS320F28P650DK MCU와 같은 디바이스는 안전 요구 사항을 충족하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 디바 이스는 진단을 위한 안전 주변 장치를 통합하여 국제 표준화 기구 (ISO) 10218을 충족하는설계를 간소화할 수 있다. 아날로그 측면 에서는 DRV8353F와 같은 스마트 게이트 드라이버를 사용하면 엔지니어가 TÜV SÜD가 승인한 기술 보고서를 통해 안전 목표를 달성할 수 있다.
이는 IEC 61800-5-2에 따라 안전한 토크 오프 기능을 구현하는 데 필요한 설계 단계를 엔지니어에게 안내한다. MCU든 게이트 드라이버든 특정 구성 요소를 사용하면 기능적으로 안전한 모터 시스템을 달성하기 위한 설계 프로세스를 간소화할 수 있다.
2. 분산형 모터 아키텍처를 통한 무게, 케이블 및 비용 절감
모터 전자 장치가 제어 캐비닛에서 로봇 조인트에 직접 통합되는 방식으로 전환되고 있어 무게, 케이블 및 시스템 비용을 줄이는데 도움이 된다. 이러한 추세는 부품 제조업체가 더 작은 집적 회로 패키지에 더 많은 기능을통합할 수 있는 솔루션을 개발하는데 동기를 부여하고 있다.
또한 공간 제약으로 인해 더 높은 전력 밀도와 전력 효율성이 요구되고 있다.LMG3422R050과 같은 질화갈륨 전계 효과 트랜지스터에는 전력계 효율을 99% 이상으로 끌어올릴 수 있는 게이트 드라이버가 통합되어 있어 통합 모터가 방열판의 필요성을 줄이거나 없앨 수 있다.
TMS320F28065와 같은 MCU를 사용하는 시스템은 실시간 통신 주변 장치와 앱솔 루트 인코더 인터페이스를 통해 피코초 단위의 분해 능으로 펄스 폭 변조 신호를 생성할 수 있다. 이러한 기능 덕분에 모터당 10선 이상의케이블을 전체 로봇 팔의 2선 버스로 줄일 수 있다. 전력 밀도와 처리 기능을 최적화하는 것 외에도 DP83TG721과 같은 이더넷 물리 계층 트랜시버를 통해 싱글 페어 이더넷 기능을 추가하여 시스템에서 유선 연결을 활성화할 수 있다.
3. 정밀 모션 작업의 자동화를 위한 정밀도·정확도 향상
제품 소형화는 많은 애플리케이션의 모터 선택(서보, 스테퍼, BLDC)에 영향을 미치며, 상호 작용에서 정밀한 동작을 구현하기 위해 모터 제어 및 위치 피드백의 복잡성이 증가한다. 반도체 혁신은 소형화를 지원하는 데 필요한 더 높은 정밀도를 가능하게 하고 있다. 예를 들어 AMC3306과 같은 전류 센서에는 ±50µV 오프셋이 있으며 통합 전원 공급 장치도 포함되어 있다. 이러한 기 능을 하나의 패키지에 통합하면 제어 루프의 정확도를 높이고 전체 인쇄 회로 기판 크기를 줄일 수 있다.
4. 배터리 구동 모바일 애플리케이션을 위한 전력 효율 최적화
로봇은 고정된 위치에만 있는 것이 아니다. 로봇 애플리케이션은 모바일화되어 자율적으로 패키지를 배달하고 지형을 안전하게 탐색한다.
감지, 처리 및 실시간 제어 애플리케이션을 위한 현재및 미래의 반도체는 합리적인배터리 수명과 가능한 이동 범위를 보장하기 위해 고성능과 전력 효율의 균형을 맞춰야 한다.전력 효율을 달성하는 것은 복잡하거나 여러 개의 개별 구성 요소가 있는 복잡한 설계 접근 방식이 필요하지 않다.
예를 들어, MCT8316A와 같은 단일 모터 컨트롤러는 로봇에서 전력을 소모 하는 구성 요소의 수를 줄임으로써 소형 펌프 및 팬 모터를 효율적 으로 작동하는 데 도움이 될 수 있다. 고도로 통합된 MCT8316A에는 모터 전류를 공급하기 위한 하프 브리지 전력 단계를 형성하는 6개의 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터와간단한 사다리꼴 모터 제어를 위한 디지털 코어가 포함되어 있다.
모터 제어의 다음 단계는?
미래의 로봇은 오늘날에는 불가능해 보이는 작업을 쉽게 완료하여 우리를 놀라게 할 것이다. 바다의 가장 깊은 해구에서 대량으로 작동하거나 우주의 알려지지 않은 모험을 수행할 수 있다.
새로운 설계에는 점점 더 진보된센서를 통합할 수 있다. 로봇과 통신하는 방법도 과거의 유선 로봇에서 현재의 소프트웨어 중심 솔루션으로 바뀔 수 있다. 접근성이 향상되면 로봇을 음성, 시각적 표현뿐 아니라, 생각만으로도 보다 안정적으로 제어할 수있다. 그리고 그 과정에서 로봇 기술과 응용 프로그램이 발전함에 따라 로봇 구동의 중요한 역할을 담당하는 모터도 발전해야 한다.
자료제공: Texas Instruments(www.ti.com)
