지속 가능한 응용 프로그램을 위한 모터 엔코더 설계 방법 ②
이 기사는 총 2회에 나눠서 연재된다. 지난 6월호에서는 모터 엔코더에 대한 개요와 주요 성능 지표에 대해 살펴보았다. 이번 7월호에서는 완전한 신호 체인 설계가 모터 엔코터 설계에 중요한 이유에 대해 알아본다.
모터 엔코더 신호 체인
<그림1, 2, 3, 4>는 마그네틱(AMR·홀 기술), 광학 및 리졸버 엔코더의 신호 체인을 보여준다. 구성 요소는 다섯 가지 주요 범주로 분류된다.
1. 자기 센서(AMR, 홀)를 사용하여 샤프트 위치 및 속도 추적
2. 머신 상태 모니터링
a. MEMS 센서
b. 온도 센서
3. 인텔리전스
a. 통합 ADC 포함/미포함 마이크로컨트롤러
b. 리졸버-디지털 컨버터(RDC)
4. 케이블 인터페이스
a. 고속 RS-485/RS-422 트랜시버
b. SPI - RS-485 익스텐더 트랜시버
5. 신호 컨디셔닝
a. 고성능 ADC(12~24비트 해상도)
<그림1> AMR 센서 시스템
마그네틱 엔코더(AMR)
감지(Sensing)
자기 기반 위치 센서 분야에서 AMR 센서는 견고함과 정확성의 최상의 조합을 제공한다. 센서는 일반적으로 <그림1>에 표시된 것처럼 모터 샤프트에 부착된 쌍극자 자석의 반대편에 배치된다.
AMR 센서는 자기장 세기에 민감한 홀 기술과 달리 자기장 방향 변화에 민감하다. 그 결과 센서가 시스템의 에어갭 및기계적 허용 오차 변동에 매우 민감하다는 장점이 있다. 또한 AMR 센서에는 작동 자기장 상한이 없기 때문에 높은 자기장 에서 작동할 때 표유 자기장에 매우 견고하다.
‘ADA4571’은 지연 시간이 짧은 통합 신호 컨디셔닝을 갖춘 AMR 센서로, 단일 종단 아날로그 출력을 제공한다. ADA4571 단일 칩 솔루션은 보장된 각도 정확도(일반적인 각도 오차가 0.10에 불과)를 제공하며 최대 5만rpm의 속도에서 작동할 수있다. ADA4571-2는 안전이 중요한 애플리케이션에서 성능 저하 없이 완전한 이중화를 제공하는 듀얼 버전이다.
ADA4570은 성능은 동일하지만 더 열악한 환경에서 사용할 수 있도록 차동 출력이 추가된 AAD4571의 파생 제품이다. ADA457x 제품군이 제공하는 높은 각도 정확도와 반복성은 폐쇄 루프 제어를 개선하여 모터 토크 리플과 소음을 줄인다. 단일 칩 아키텍처는 안정성을 개선하고 크기와 무게를 줄이며 컴펫팅(competing) 기술에 비해 통합이 더 쉽다.
신호 컨디셔닝 및 전력
AD7380 4 MSPS 듀얼 동시 샘플링, 16비트 SAR ADC는 공간 제약이 있는 엔코더 PCB 보드에 중요한 공간 절약형 3×3mm 패키지를 비롯하여 다양한 시스템 수준의 이점을 제공한다. 4MSPS 처리 속도로 세밀한 사인 및 코사인 사이클을 캡처 하고 엔코더 위치를 최신 상태로 유지할 수 있다. 처리 속도가 높기 때문에 온칩 오버샘플링이 가능하므로 모터에 정밀한 엔코더 위치를 공급하는 디지털 ASIC 또는 마이크로컨트롤러의 시간 페널티가 줄어든다.
AD7380의 온칩 오버샘플링의 또 다른 장점은 온칩 해상도 부스트 기능과 함께 쉽게 사용할수 있는 2비트 해상도를 추가로 제공한다는 점이다. ADC의 VCC 및 VDRIVE와 증폭기 드라이 버의 공급 레일은 LT3023과 같은 LDO 레귤레이 터로 전원을 공급할 수 있다. ADP320, LT3023, LT3029와 같은 다중 출력 저잡음 LDO를 사용하여 신호 체인의 모든 구성 요소에 전원을 공급할수 있다.
트랜시버(Transceiver)
ADM3066E RS-485 트랜시버는 초저 송신기 및수신기 스큐 성능을 갖추고 있어 EnDat 2.2와 같은 모터 인코딩 표준에 자주 사용되는 정밀 클럭 전송에 이상적이다. ADM3065E는 모터 제어 애플리케이션에서 발생하는 일반적인 케이블 길이에 걸쳐 5% 미만의 결정론적 지터를 보이는 것으로 입증됐다. ADM3065E의 넓은 공급 범위는 3.3V 또는 5V 트랜시버 파워 서플라이가 필요한 애플리케이션에서 이 수준의 타이밍 성능을 사용할 수 있음을 의미한다.
마이크로컨트롤러(Microcontroller)
12비트 이하의 낮은 해상도가 필요한 애플리케이션의 경우 AD7380 ADC 를 사용하는 대신 ADC가 통합된 마이크로컨트롤러를 사용할 수 있다. 초소형 MAX32672 초저전력 Arm Cortex -M4F 마이크로컨트롤러에는 향상된 보안, 주변 장치 및 전원 관리 인터페이스를 갖춘 12비트 1MSPS ADC가 포함되어 있다.
<그림2> 마그네틱 엔코더(AMR) 신호 체인
Asset Health Monitoring
ADXL371은 기계 모니터링을 위한 초저전력, 3축, 디지털 출력, ±200g 마이크로일렉트로닉스 시스템(MEMS) 가속도계이다. ADXL371은 비용 효율적이며 3×3mm의 소형 패키지로 제공되며 최대 +105°C에서 작동한다. 인스턴트 온 모드에서 ADXL371은 1.7μA를 소비하면서 환경의 충격을 지속적으로 모니터링 한다. 내부적으로 설정된 임계값을 초과하는 충격 이벤트가 감지되면 장치는 이벤트를 기록할 수 있을 만큼 빠르게 정상 작동 모드로 전환된다.
ADT7320은 고정밀 디지털 온도 센서로, 사용자가 보정하거나 수정할 필요가 없으며 장기적인 안정성과 신뢰성이 뛰어나다. ADT7320은 -40 ~ +150°C의 확장된 범위에서 작동하도록 정격화되었으며 소형 4×4mm LFCSP 패키지로 제공된다.
<표1> 마그네틱 엔코더(AMR) 신호 체인 권장 구성 요소
마그네틱 엔코더(Hall)
홀(Hall) 엔코더는 AD22151 또는 AD22151G를 사용하여 설계할 수 있다. AD22151G는 선형 자기장 트랜스듀서(transducer)이다. 센서 출력은 패키지 윗면에 수직으로 인가된 자기장에 비례하는 전압이다. 엔코더 시스템을 설계하기 위해 회전하는 모터 샤프트에 동일한 간격의 자석을 배치한다. 회전축 자석이 홀 센서를 통과 하면 센서에서 출력되는 전압이 최고조에 이른 다. 더 많은 자석이나 센서를 사용하면 해상도가 높아진다. 홀 효과 엔코더는 유선 인터페이스에 MAX32672 및 ADM3066E를 사용할 수 있다. ADXL371 MEMS 및 ADT7320은 열악한 엔코더 환경을 위한 상태 모니터링 기능을 제공한다. 이러한 신호 체인 구성 요소에 대한 자세한 내용은 자기 엔코더(AMR) 섹션에서 확인할 수 있다.
<표2> 마그네틱 엔코더(Hall) 신호 체인 권장 구성 요소
<그림3> 마그네틱 엔코더(Hall) 신호 체인
<그림4> 광학 엔코더 신호 체인
광학 엔코더
광학 엔코더 신호 체인 구성 요소는 자기 엔코더(AMR) 섹션에서 설명한 것과 거의 동일하다. 그러나 더 높은 엔코더 해상도를 지원하려면 AD7760 2.5 MSPS, 24비트, 100dB 시그마 델타(Σ-Δ) ADC를 권장한다. 이 제품은 넓은 입력 대역폭과 빠른 속도를 시그마-델타 변환의 장점과 결합하여 2.5MSPS에서 100dB SNR의 성능을 달성하므로 고속 데이터 수집에 이상적이다.
<표3> 광학 엔코더 신호 체인 권장 구성 요소
<표4> 리졸버 엔코더 신호 체인 권장 구성 요소
리졸버(결합형) 엔코더
리졸버 엔코더는 높은 기계적 신뢰성 및 정확도 등의 장점이 있지만 자석 및 ADA4571에 비해 가격이 비싸다. AD2S1200은 리졸버의 신호를 디지털 각도/ 각률로 변환한다. <그림5>는 리졸버 신호 체인을 보여준다. 두 개의 증폭기를 사용하여 3차 버터 워스 저역 통과 필터를 생성하여 리졸버 신호를 AD2S1200으로 전달한다. 공간을 절약하고 설계 복잡성을 줄이기 위해 LTC4332 SPI 익스텐더를 권장한다. LTC4332는 시스템 파티셔닝을 지원하여 마이크로컨트롤러를 엔코더가 아닌 서보에 배치할 수 있는 옵션을 제공한다.
<그림5> 리졸버 엔코더 신호 체인
엔코더에 마이크로컨트롤러가 필요한 경우 MAX32672 SPI 인터페이 스를 AD2S1200에 대한 직접 링크로 사용할 수 있으며, LTC4332 대신 ADM3065E RS-485 트랜시버를 사용할 수 있다. LTC4332를 사용하는 경우 AD2S1200 SPI 출력은 견고한 차동 필드버스 인터페이스로 변환된다. LTC4332에는 3개의 하위 선택 라인이 포함되어 있으므로 MEMS 및 온도 센서와 같은 추가 센서를 AD2S1200과 동일한 버스에 배선할 수 있다.
자료제공: Analog Devices (www.analog.com) 시스템 엔지니어링 부문 선임 관리자 Richard Anslow
