산업용 로봇에 적합한 고정밀 전류 및 전압 센싱 솔루션

휴머노이드 로봇이 바늘에 실을 꿰거나, 협동로봇(코봇)이 식품 가공 공장에서 부서지기 쉬운 식품을 다룰 때, 아주 미세한 실수 조차 허용되지 않는 것은 그 작은 오차가 궁극적인 목표를 놓치게 만들 수 있기 때문이다.정밀도는 로봇공학에서 매우 중요한 요소다.

최근 전류 및 전압 센싱 기술의 발전은 로봇이 더 빠르고 정확하게 정밀 작업을 수행할 수 있도록 도우며, 더 부드럽고 사람과 유사한 동작을 가능하게 하고 있다. 또한 기능적으로 절연된 컨버터는 로봇 모터 제어의 정밀도를 향상시켜 소형화된 디자인에서도 효율적인 제어가 가능하도록 한다.

이는 결과적으로 로봇을 더 작고, 더 스마트하 며, 에너지 효율적으로 만든다.60V 미만의 자율 이동형 로봇이나 휴머노이드 로봇이 점점 더 복잡한 역할을 수행하게 되면서, 이들은 더 긴 작동 시간과 향상된 전력 효율을 요구하게 된다. 이때 정밀한 전류 및 전압 측정은 로봇의 정밀한 위치 제어와 빠른 토크 응답을 가능하게 하며, 그 결과 로봇은 더 정확하게 위치를 잡고 동작 속도를 향상시킬 수 있다. 

또한 나노초 단위의 반응 시간을 통해 로봇이 안전하게 환경을 인식하고, 예기치 못한 상황에 신속히 대응할 수 있도록 도와준다.이러한 측정값은 로봇 제어 시스템에 실시간 데이터를 제공하며, 로봇은 이를 바탕으로 동작 중에도 즉각적인 조정과 판단이 가능 하다. 왼쪽 아래의 그림은 정밀한 전류 및 전압 센싱 기술이 로봇의 정밀한 작업 수행에 어떤 영향을 미치는지를 보여준다.

향상된 센싱 역량의 필요성
 

전류 및 전압 센싱 솔루션은 오늘날 로봇 시스템에 다양한 이점을 제공하지만, 고성능 시스템에서는 여전히 해결해야 할 과제가 많다. 그 중 가장 중요한 과제는 정확하고 노이즈가 적은 측정값을 확보하는 것이다. 로봇 시스템은 보통 2상 또는 3상 모터를 사용 하며, 이 모터에 공급되는 전류와 전압을 정확히 측정해야 한다. 

그러나 오늘날 대부분의 센서 시스템은 절연되지 않은 방식으로 신호를 측정하기 때문에, 높은 전압 또는 잡음 간섭으로 인해 정확도가 떨어질 수 있다.속도 루프 안정성과 위치 제어 정밀도는 로봇 설계에서 중요한 요소다. 특히 로봇이 부드럽고 정교한 동작을 수행해야 하는 작업에 서는 더욱 그렇다. 또한 많은 로봇 시스템은 배터리로 구동되기 때문에, 에너지 효율성 또한 중요한 과제로 떠오르고 있다.

전원 공급이 부족하거나 센싱 정밀도가 떨어질 경우 시스템 오류, 수명 단축, 운영 비용 증가로 이어질 수 있다.성능상의 과제 외에도, 소형 휴머노이드 로봇에서는 센싱 회로를 위한 공간이 매우 제한적이다. 모듈의 크기나 시스템의 무게를 크게 늘리지 않으면서 전류 및 전압 센싱 회로를 통합하는 것은 큰도전 과제가 될 수 있다.또한 고전압과 저전압 영역 간의 전력 및 제어 회로 분리는 로봇 설계에서 필수적이다. 단락 회로나 과전압 상태로부터 시스템을 보호하려면 이러한 결함을 빠르고 정확하게 감지해야 하며, 이는 다른 구성 요소로의 손상을방지하는 데에도 중요하다.

정밀한 전류 및 전압 측정의 구현
 

전통적인 로봇 설계에서 발생하는 설계 과제를 해결하기 위해, 텍사스 인스트루먼트(TI)의 기능적으로 절연된 컨버터는 작은 크기와 60V 이하 시스템에서의 저전압을 유지하면서도 정밀한 토크 작동과 정교한 모터 제어를가능하게 한다.

TI의 기능 절연형 센싱 모듈레이터 제품군인 AMC0106M05 및 AMC0106M25를 비롯해서 전압 센싱 모듈레이터인 AMC0136 등의 제품은 기존보다 보다 정확한 정밀한 전류 및 전압 측정을 실현할 수 있도록 돕는다. 이들 장치는 현재의 8~11비트 아날로그 솔루 션과 비교해 12~14비트의 실효 분해능(ENOB) 을 제공하며, 이와 같은 분해능 향상은 정밀한 로봇 작업과 움직임을 위한 저전류 및저전압 측정에 매우 유리하다.

기능적으로 절연된 변조기는 고속 공통 모드 과도 내성(CMTI) 150kV/μs를 제공하여 노이즈 내성과 시스템 레벨 오프셋을 개선 시킨다. 디지털 인터페이스는 펄스-폭 변조 스위칭이 측정 정확 도에 영향을 미치지 않도록하며, 이러한 특성은 로봇 설계자가 갈륨 나이트라이드(GaN) 고효율 모터를 사용할 때에도 스위칭 속도 50V/ns 이상을 안정적으로 구현할 수 있게 한다.

또한 높은 CMTI는 스위칭 중에 마이크로컨트롤러와의 간섭을 줄여데이터 손실과 성능 저하를 방지하는 데도 도움이 된다.기능적으로 절연된 모듈이 제공하는 성능상의 장점 외에도, 이들 장치는 크기 면에서도 효율적이다. 3.5mm x 2.7mm 패키지 크기를 통해, 기존의 다른 절연형 모듈 솔루션에 비해 센싱 솔루션의 크기를 50% 이상 줄일수 있다.

이 같은 소형 폼팩터는 소형 로봇에 필요한 인쇄회로기판(PCB) 설계에도 유리하다.단락(short-circuit)이나 과전압과 같은 결함 상황에 대비하기 위해, AMC21C12 기능 절연 콤퍼레이터(comparator)는 290ns 의 응답 시간을 제공한다. 이러한 빠른 결함 감지를 통해 게이트 드라이버를 신속히 차단함으로써 시스템 내 다른 구성 요소로의 손상을 방지할 수 있다.

결론
 

기능적으로 절연된 센싱과 고속 토크 응답이 기대되는 지금, 로봇 기술의 미래는 무한한 가능성을 내포하고 있다. 로봇은 앞으로 고정밀 마이크로 조립 작업이나 초소형 전자 부품의 고속 조립 등의 복잡한 업무도 수행할 수있을 것이다.

자율 이동 로봇은 더욱 복잡한 환경에서도 효율적으로 이동할 수 있고, 협동로봇은 조립 라인에서 더 빠르게 작업할 수 있으며, 휴머노이드 로봇은 복잡한 수리 작업이나 심지어 세탁과 같은 일상적인 업무도처리할 수 있을 것으로 기대된다.

자료제공: 텍사스 인스트루먼트(www.ti.com)