로봇 제어를 위해 구동기가 통합된 전력 소자 기판을 사용하여 모터 관리

동영상 소스의 입력, 기타 센서, 프로젝트 목표, 다른 응용 분야 정보 등을 기반으로 로봇 팔의 다음 작동 궤적 및 위치를 결정했습니다. 이제 한 가지 문제만 남았습니다. 즉, 원하는 대상 위치를 특정 명령으로 변환하여 필요한 가속, 속도 및 감속으로 팔의 모터를 구동함으로써 오버슈트나 전기적 문제(기계적 장애물이 있는 경우) 없이 종단점에 부드럽게 도달하게 합니다.

시스템 프로세서에서 보내는 낮은 수준의 디지털 신호를 모터 자체에 대한 구체적이고 세부적인 지침으로 변환하려면 다각적인 작업이 필요합니다. 또한 이러한 디지털 신호는 모터에 일반적으로 필요한 높은 전압 및 전류를 생성하지 않습니다. 따라서 지침과 실제 모터 제어 간에는 일련의 제어 및 변환 단계가 필요합니다(그림 1).

그림 1: 전체 모터 제어기 신호 경로는 디지털 프로세서 기능(1, 2, 3)과 아날로그 전원 회로망(4, 5)으로 구성되므로 다양한 전문 지식이 필요하고 복잡한 기술 요구 사항이 적용됩니다. (Digi-Key Scheme-it을 사용하여 그린 구성도)

이러한 중간 단계는 전체 작업을 호출하는 사용자 I/O(박스 1)("컵을 A에서 B로 옮긴 후 내용물 비움")와 실제로 작업을 수행하는 모터(박스 6) 사이의 중요 경로입니다. 5가지 범주가 정의되어 있습니다.

• 하나 이상의 모터에 대해 고급 목표를 특정 단계 변환하는 감시 회로 프로세서(예: "팔을 2인치 앞으로 움직이고 시계 방향으로 180⁰ 회전한 후 중지함")(박스 2)
• 동작 제어 알고리즘 프로세서(박스 3). 이 프로세서는 원하는 동작 궤적 인자(예: 가속률과 시간 기간, 주행 속도, 감속률과 시간 기간, 종단점)와 관련하여 각 단계를 수행하는 방법을 정의합니다. 그런 다음 이러한 세부 정보를 구현하기 위해 모터 코일을 구동하는 방법을 결정합니다. 특히, 작업을 상호 연결하여 단일 프로세서로 여러 모터에 대해 이 작업을 수행할 수 있습니다.
• (3)의 디지털 신호가 낮은 경우 MOSFET/IGBT를 켜고 끄는 데 필요한 전압과 전류를 제공하는 MOSFET/IGBT 구동기(박스 4)로 이동하세요. 이러한 구동기는 낮은 수준의 간편한 디지털 신호 환경과 어려운 고전력 관리 환경을 상호 연결하는 인터페이스입니다. 전압, 전류, 슬루율 및 켜기/끄기 기간의 측면에서 MOSFET/IGBT에 필요하고 MOSFET/IGBT에서 발생할 수 있는 과도 상태 전환, 과열, 단선 등과 같은 일반적인 문제를 해결하는 고유한 구동 파라미터에 이러한 구동기를 연결해야 합니다.
• 그러면 전력 스위치(MOSFET 또는 IGBT)는 모터에 필요한 전류/전압 레벨(박스 6)에서 모터 코일(박스 5)로 가는 전류 흐름을 제어합니다. 대부분의 응용 분야에서는 모터에서 보내는 몇 가지 유형의 센서 피드백(홀 효과, 인코더, 리졸버)을 사용하여 프로세서에 모터 회전자의 실제 상황에 대해 알립니다. 자속 기준 제어(FOC)와 같은 일부 알고리즘에서는 이 피드백이 필요하지 않지만 추가 연산 비용이 발생하고 정밀도가 감소될 수 있습니다.

모터와 응용 분야에 따라 전압은 한 자리, 두 자리 또는 그 이상일 수 있지만, 전류의 범위는 수백 밀리암페어에서 수십 암페어 사이에서 결정됩니다. MOSFET/IGBT 구동기를 MOSFET/IGBT 즉, 모터에 연결해야 합니다.

스테퍼, 브러시리스 DC(BLDC), AC 유도 설계를 비롯하여 특성과 응용 분야가 고유한 다양한 유형의 모터가 사용되고 있습니다. 모터 유형과 최적 응용 분야에 대한 절대적인 지침은 없지만 스테퍼는 정교한 스톱앤스타트 동작이 요구되는 저전력 레벨에서 주로 사용되고, BLDC 모터는 특히, 지속적인 회전과 동작이 요구되는 저전력/중간 전력 범위에 적합하고, AC 유도 모터는 일반적으로 가장 저렴하지만 정밀도와 반복 성능이 낮습니다.

솔루션 파티셔닝

그림의 블록 2~5에서 수행되는 기능은 개별적으로 표시되지만 실제로는 시스템 전력 레벨과 성능 요구 사항에 따라 다양한 방법으로 결합할 수 있습니다. 가능한 방법은 다음과 같습니다.

• 감시 회로 프로세서 기능(2)과 동작 제어 알고리즘 프로세스 기능(3)을 단일 CPU에서 수행할 수 있습니다. 이 방법은 일반적으로 알고리즘이 매우 복잡하고 많은 실시간 연산이 필요하므로 프로세서가 매우 강력한 경우에만 사용할 수 있습니다.
• 동작 제어 알고리즘 프로세서(3)와 MOSFET/IGBT 구동기(4)를 단일 PC 기판에 배치할 수 있습니다. 이 방법은 대상 모터가 제품군이나 계열이 아닌 단일 크기의 단일 유형이고 사용되는 MOSFET/IGBT도 단일 크기인 경우에 특히 매력적인 솔루션입니다. 동작 제어 알고리즘은 전력 손실이 높은 IC이고 구동기도 상대적으로 전력 손실이 높은 장치이므로 발열을 고려해야 합니다.
• 마지막으로, MOSFET/IGBT 구동기(4)와 MOSFET/IGBT(5)를 단일 회로 기판에 배치하여 프로세서(3)와 모터 부하(6)를 상호 연결할 수 있습니다. 이러한 결합이 낮은 수준의 고속 디지털 신호를 실제 모터 인터페이스로 전환하는 과제와 모터에서 발생하는 다양한 문제에 대한 "드롭인 솔루션"으로 작용되는 경우도 있으므로 이는 일반적인 구성입니다.

대부분의 로봇 응용 분야는 자유도가 높고(일반적으로 3~6 범위) 축이 여러 개 존재하므로 여러 대의 모터를 지지하도록 설계된 구동기 기판도 있습니다. 이 경우 알고리즘 프로세서는 단일 인터페이스를 통해 모터에 대한 제어 지침을 제공할 수 있습니다.

가장 적합한 방법은 무엇인가요? 모든 엔지니어링 결정과 마찬가지로 사용 편의성, 설계 위험, 출시 시간, 유연성, 적응성, 설치 및 비용, 성능 등 다양한 요인에 따른 트레이드 오프가 있습니다. 많은 사용자가 MOSFET/IGBT 구동기와 MOSFET/IGBT를 결합하는 통합 솔루션(모듈 또는 PC 기판)을 사용합니다. 이 방법을 사용하면 대부분의 설계 엔지니어에게 가장 위험하고 가장 까다로운 측면이 최소화됩니다. 즉, 구동기가 제어되는 MOSFET/IGBT 스위치 요소와 호환됩니다.

또한 사용자가 알고리즘과 낮은 수준의 디지털 회로 인터페이스와 불가피한 세부 응용 분야에 집중할 수 있습니다. 모듈, PC 기판, 업체 참조 설계 중 무엇으로 제공되든 상관없이 이러한 구동기와 MOSFET/IGBT를 결합하면 설계 팀과 팀 프로젝트를 빠르게 진행하고 응용 분야의 성능에 집중할 수 있습니다.

또한 결합된 플랫폼은 체계적으로 설계된 모터 구동 회로의 안전과 안정성에 필요한 거의 모든 회로 정보(예: 단락 보호, 저전압 차단, 과열 차단)를 통합합니다. 또한 결합된 접근법을 사용하면 프로세서와 모터 사이에 다양한 중간 기판을 사용하여 동일한 프로세서와 소프트웨어를 사용하는 다양한 크기의 모터군을 쉽게 지지할 수 있습니다.

폭넓은 사용자 옵션

다양한 범위의 구동기 및 MOSFET/IGBT 페어링을 통해 다양한 모터 유형과 요구 사항을 처리할 수 있습니다. 이러한 페어링은 설계 문제를 간소화하여 설계 팀에서 애플리케이션 펌웨어와 피할 수 없는 특이성에 집중할 수 있도록 지원하는 데 목적이 있습니다.

이러한 사항을 보여주는 몇 가지 예가 있습니다. 중간 이상 전력 레벨의 AC 모터(예: 가전 - 세탁기, 냉장고, 에어컨, 재봉틀)의 경우 STMicroelectronics’ SLLIMM™(Small Low-Loss Intelligent Molded Module) 부품을 선택합니다.

이러한 통합 전력 모듈(IPM)은 3상 인버터에 맞게 설계되고 정격 전압이 8A/600V입니다. 이러한 모듈에는 표준 인버터 브리지 구성을 위해 격리된 하이사이드 및 로우사이드 구동기에 의해 제어되는 IGBT 트리오가 포함되므로, 사용자가 추가 부품과 비용을 들이고 엄격한 규정 요건을 충족하여 별도로 격리할 필요가 없습니다.

간소화된 SLLIMM 제품 구성도인 그림 2에는 장치의 실제 복잡성이 잘 드러나 있지 않습니다. 응용 구성도인 그림 3에 잘 나타나 있듯이 사용자는 일부 저가형 커패시터와 몇 개의 저항기만 추가하면 되고 완만한 회복 다이오드, 레벨 시프터, 격리, 보호 등과 같은 모든 다른 필수 부품은 모듈에 포함되어 있고 사용자에게 투명하게 제공됩니다.

그림 2: 필수 전기적 분리를 포함하여 IGBT를 통해 고전력 AC 유도 모터를 제어하는 데 필요한 거의 모든 회로망을 밀폐형 모듈에 통합하여, STMicroelectronics SLLIMM에서는 이 고전압 과제를 적절한 프로젝트로 변환합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

그림 3: SLLIMM은 낮은 수준의 마이크로 컨트롤러와 AC 유도 모터 간을 연결하는 거의 완벽한 인터페이스이므로 저렴한 비임계 수동 부품(대부분 커패시터와 일부 저항기이며 인덕터는 포함되지 않음)만 있으면 최종 설치가 가능합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

이 모듈에는 표준 3.3/5V TTL/CMOS 신호가 입력되지만, 작동, 안전 및 규정에 요구된 대로 입력과 출력 사이에서는 1500V의 격리 신호가 제공됩니다. 매우 높은 정격 전력에도 불구하고 이 모듈은 길이 38mm, 너비 25mm, 두께 3.5mm의 소형 크기입니다.

여러 BLDC 모터가 필요한 응용 분야의 경우 일반 H 브리지 구성으로 배열된 MOSFET를 통해 최대 4개의 모터를 처리할 수 있는 Cypress Semiconductor의 CY8CKIT-037 PSoC 4 모터 제어기 평가 키트를 살펴보세요(그림 4). 모터는 영구 자석 동기식 모터(PMSM), 스테퍼 및 브러시리스 DC(BLDC) 유형입니다. 이 키트는 Arduino 마이크로 컨트롤러 기판에 의해 구동되도록 설계되었으며, 사용자가 모터 제어기 알고리즘을 구현하여 평가할 수 있습니다.

그림 4: Cypress Semiconductor의 CY8CKIT-037 PSoC 4 모터 제어기 평가 키트에는 전원 공급 장치, 모터, 케이블, 스크루드라이버를 비롯하여 동작 제어 프로젝트에 필요한 모든 것이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor)

그림 5 및 그림 6에서 구동기 기판은 모터에 연결되며, DC/DC 전기 회로, 이중 H 브리지 회로, 모터 전류/버스 전압 샘플링 및 처리 회로, 보호 회로, 사용자 구성 회로, 컨트롤러 기판 커넥터를 포함합니다.

연결된 CY8CKIT-042 컨트롤러 기판은 Arduino 기판에서 신호를 수신하고, 제어 전략 알고리즘을 구현한 다음 구동기 기판에 대한 제어 신호를 생성하여 모터를 제어합니다. 또한 이 키트는 홀 효과 센서를 통해 피드백을 사용하여 정교한 폐쇄 루프 성능을 위해 모터의 실제 위치에 실제 속도와 가속으로 컨트롤러를 업데이트하도록 지원하지만, 센서리스 FOC 디자인과 함께 사용할 수도 있습니다.

그림 5: CY8CKIT-037 구동기 기판은 모든 커넥터(상호 연결하기 쉽도록 적절한 위치에 나사 단자 배치), USB 포트, 홀 효과 피드백 센서 지원, Arduino 인터페이스 등을 쉽게 액세스할 수 있도록 완벽하게 구성하고 있습니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor)

그림 6: CY8CKIT-037 구동기 기판 제품 구성도는 Arduino형 마이크로 컨트롤러 기판과 모터 간을 완벽하게 연결하기 위해 제공하는 다양한 기능(H 브리지 모터 관리, 위치 피드백 지원 등)을 보여 줍니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor)

저전력 스테퍼 모터를 사용하는 응용 분야의 추세에 따라 SparkFun의 Big Easy Driver ROB-12859는 위상당 최대 정력 전류가 1.4~1.7A인 모터를 위한 스테퍼 모터 구동기 기판이며, 적절한 방열판을 설치하여 이 수치를 최대 2A까지 높일 수 있습니다(그림 7). 이 구동기 기판의 핵심 요소는 Allegro A4988 스테퍼 구동기 IC이며, 2, 4, 8 및 16 마이크로스텝을 통한 마이크로 스테핑과 풀스텝 모드를 지원합니다.

그림 7: SparkFun의 Big Easy Driver ROB-12859에서는 Allegro A4988 IC를 핵심 부품으로 사용하여 정격 전력이 최대 30V인 저전력/중전력 스테퍼 모터를 제어합니다. (이미지 출처: SparkFun)

연결된 마이크로 컨트롤러 기판(예: Arduino)과 Big Easy Driver를 쉽게 상호 연결할 수 있습니다. 기판으로부터 두 개의 제어 신호("스텝"용 신호 1개와 "방향"용 신호 1개)만 수신되면 모터에 전력을 공급하여 스테핑하는 시간 설정된 전력 신호를 생성하므로 마이크로 컨트롤러의 처리 부하가 최소화됩니다. 이 제품은 최대 30V의 최대 모터 구동 전압을 사용할 수 있으며 기판 실장형 5V/3.3V 조정을 포함하여 단지 하나의 외부 공급 장치만 필요합니다.

결론

대부분의 설계 팀에서는 로봇 팔 또는 이와 유사한 기능에 대한 동작/모터 제어기 솔루션을 개발하는 까다롭고 혼동스러운 측면에서 디지털 회로망을 대상 모터에 연결합니다. 이 과정에는 폭넓은 전력 레벨(전류 및 전압), 아날로그 문제, 레이아웃 제약, 회로 보호 기능을 처리하는 데 필요한 다양한 설계 전문 지식이 포함되며, 실제 모터와 MOSFET/IGBT, MOSFET/IGBT와 구동기 간에 상호 호환된다고 가정합니다.

다행히도 설계 엔지니어들이 이러한 프로젝트 측면을 크게 간소화할 수 있는 다양한 옵션이 있습니다. 모듈과 PC 기판은 다양한 전력 레벨과 모터 유형에 대해 필요한 안전 및 보호 소자와 기본 인터페이스 기능을 제공하는 많은 소스로부터 구입할 수 있습니다.