실시간 제어를 위한 빠르고 정확한 저전력 위치 감지 방법

실시간 제어를 위한 3차원(3D) 위치 감지의 사용은 산업용 로봇 및 자동화 시스템에서부터 로봇 청소기 및 보안에 이르기까지 다양한 인더스트리 4.0 응용 분야에서 증가하고 있습니다. 3D 홀 효과 위치 센서는 높은 반복성과 신뢰성을 제공하고 침입 또는 자기 변조 감지를 위해 창문, 문 및 인클로저와 함께 사용할 수도 있기 때문에 이러한 응용 분야에 적합한 옵션입니다.

그렇지만 홀 효과 센서를 사용하여 효과적이고 안전한 3D 감지 시스템을 설계하는 것은 복잡하고 시간이 오래 걸리는 공정일 수 있습니다. 홀 효과 센서는 각도 계산 엔진으로 작동할 수 있고 측정값 평균 계산을 수행할 수 있을 만큼 충분히 강력한 마이크로 컨트롤러(MCU)와 인터페이스 해야 하며, 자석 방향과 3D 위치를 결정하기 위한 이득 및 오프셋 보정이 필요합니다. 또한 MCU는 자기장, 시스템 온도, 통신, 연속성, 내부 신호 경로 및 전력 공급 장치 모니터링을 비롯한 다양한 진단 기능을 처리해야 합니다.

하드웨어 설계 외에도 소프트웨어 개발에 ​​복잡하고 시간이 많이 소요되어 제품의 시장 출시 시간을 더욱 지연시킬 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 설계자는 내부 계산 엔진이 있는 통합 홀 효과 3D 위치 센서 IC를 사용할 수 있습니다. 이러한 IC는 소프트웨어 설계를 단순화하고 시스템 프로세서의 부하를 25%까지 줄이므로 저비용 다용도 MCU를 사용할 수 있도록 합니다. 또한, 정확한 실시간 제어를 위해 빠른 샘플 속도와 짧은 대기 시간을 제공할 수 있습니다. 3D 홀 효과 위치 센서는 배터리 구동 장치에서 전력 소비를 최소화하기 위해 5Hz 이하의 듀티 사이클로 작동될 수 있습니다. 또한, 통합된 기능과 진단 기능을 통해 설계 유연성과 시스템 안전성 및 신뢰성을 극대화합니다.

이 기사에서는 3D 홀 효과 위치 센서의 기본 사항을 검토하고 로봇 공학, 변조 감지, 휴먼 인터페이스 제어 및 짐벌 모터 시스템에서의 3D 홀 효과 위치 센서 사용에 대해 설명합니다. 그런 다음 Texas Instruments의 고정밀 선형 3D 홀 효과 위치 센서의 예를 선보이고, 이와 함께 개발 공정을 가속하기 위한 관련 평가 기판과 이의 구현 지침을 제시합니다.

3D 홀 효과 센서는 무엇인가요?

3D 홀 효과 센서는 자기장 전체에 대한 정보를 수집할 수 있어, 3D 환경에서 위치 결정을 위한 거리 및 각도 측정을 사용할 수 있도록 합니다. 이러한 센서의 가장 일반적인 두 가지 배치 방법은 ​자기 분극에서의 축 상 배치 및 동일 평면 배치입니다(그림 1). 편광 축에 배치되는 경우, 필드는 위치 결정에 사용될 수 있는 단방향 입력을 센서에 제공합니다. 동일 평면 배치는 위치와 각도 결정도 가능하게 하며 센서까지의 범위와 관계없이 자석 면에 평행한 필드 벡터를 제공합니다.

그림 1: 3D 홀 효과 위치 센서는 거리 및 각도 이동을 측정하기 위해 자기장에 대해 축 상에 또는 동일 평면에 배치될 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

로봇과 같은 인더스트리 4.0 시스템은 로봇 암의 각도를 측정하기 위한 다중 축 동작 감지 또는 시설 전체에서 네비게이션과 정확한 동작을 지원하기 위한 모바일 로봇의 각 휠에서의 감지가 필요합니다. 통합 3D 홀 효과 센서는 습기나 먼지에 영향을 받지 않기 때문에 이러한 작업에 적합합니다. 동일 평면 측정은 회전 샤프트에 대한 매우 정확한 자기장 측정을 제공합니다(그림 2).

그림 2: 통합 3D 홀 효과 센서는 로봇 및 기타 인더스트리 4.0 응용 분야에서 샤프트 회전을 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

전기 및 가스 계량기, 현금 자동 입출금기(ATM), 엔터프라이즈 서버 및 전자 POS 장비와 같은 보안 인클로저는 침입을 감지하기 위해 축에 있는 자기장 측정을 사용할 수 있습니다(그림 3). 케이스가 열려 있는 경우 3D 홀 효과 센서가 감지한 플럭스 밀도(B)가 홀 스위치의 플럭스 해제점(B_RP) 사양 아래로 떨어질 때까지 감소하며, 이때 센서가 경고를 보냅니다. 케이스가 닫혀 있는 경우 잘못된 경고를 방지하려면 자석의 플럭스 밀도가 B_RP에 비해 충분히 커야 합니다. 자석의 플럭스 밀도는 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향이 있으므로, 온도 보정 기능이 있는 3D 홀 효과 센서를 사용하면 산업 또는 실외 환경에서 사용되는 인클로저의 시스템 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

그림 3: 3D 홀 효과 센서로 인클로저 변조를 감지하여 무단 액세스를 찾아낼 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

가전 제품, 테스트 및 측정 장비, 개인용 전자 제품에서의 휴먼 인터페이스와 제어 장치는 세 가지 모든 동작 축을 사용하여 이점을 얻을 수 있습니다. 센서는 X 및 Y 평면의 움직임을 모니터링하여 다이얼의 회전을 찾아낼 수 있으며, X 및 Y 자기 축의 큰 이동을 모니터링하여 다이얼이 눌리는 시점을 찾아낼 수 있습니다. Z축을 모니터링하면 시스템에서의 정렬 오류를 찾아낼 수 있고, 마모 또는 손상에 관하여 다이얼이 예방적인 유지보수가 필요하다는 경고를 보낼 수 있습니다.

핸드헬드 카메라 안정화 장치와 드론의 짐벌 모터 시스템은 선택 가능한 자기장 감도 범위와 기타 프로그래밍이 가능한 파라미터를 가진 3D 홀 효과 센서를 사용함으로써 MCU에서 각도 측정이 가능한 이점을 누릴 수 있습니다(그림 4). MCU는 플랫폼을 안정화하기 위해 필요에 따라 모터 위치를 계속 조정합니다. 축 상 및 축 외 위치의 각도를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 센서는 기계적 설계 유연성을 제공할 수 있습니다.

그림 4: 핸드헬드 카메라 플랫폼 및 드론에서의 짐벌 모터는 선택 가능한 자기장 감도 범위를 가진 3D 홀 효과 센서의 이점을 누릴 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

평면 외 측정은 종종 다른 축에서 서로 다른 자기장 강도(이득)와 서로 다른 오프셋을 유발하여 각도 계산 오류를 일으킬 수 있습니다. 게인 및 오프셋 보정 기능이 있는 3D 홀 센서를 사용하면 자석을 기준으로 센서를 배치할 때 유연성을 지원하여, 가장 정확한 각도 계산을 보장합니다.

유연한 3D 홀 효과 센서

Texas Instruments는 10MHz직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 및 순환 중복 검사(CRC)를 갖춘 고정밀 3D 선형 홀 효과 센서의 TMAG5170 제품군을 포함한 3축 선형 홀 효과 센서를 설계자에게 제공합니다. 그리고 I²C 인터페이스 및 CRC를 갖춘 TMAG5273 저전력 선형 3D 홀 효과 센서 제품군도 제공합니다.

TMAG5170 장치는 빠르고 정확한 위치 감지를 위해 최적화되었으며, ±2.6%의 선형 측정 총 오류(25°C에서 최대), ±2.8%(최대)의 감도 온도 드리프 및 단일 축에 대해 초당 20Ksps의 변환 속도를 제공합니다. TMAG7273 장치는 저전력 모드를 특징으로 하며, 2.3mA의 활성 모드 전류, 1µA의 웨이크업 및 슬립 모드 전류, 5nA의 절전 모드 전류가 포함됩니다. 이러한 IC에는 4가지 기본 기능 블록이 포함됩니다(그림 5).

• 전원 관리 및 발진기 블록에는 저전압 및 과전압 감지, 바이어싱 및 발진기가 포함되어 있습니다.
• 감지 및 온도 측정 블록은 홀 센서와 멀티플렉서, 노이즈 필터, 온도 감지, 적분기 회로 및 ADC(아날로그-디지털 변환기)와 관련된 바이어싱으로 구성됩니다.
• 인터페이스 블록에는 통신 제어 회로, 정전기 방전(ESD) 보호, 입/출력(I/O) 기능 및 CRC가 포함되어 있습니다.
• 디지털 코어에는 필수 진단 검사와 사용자 활성 진단 검사를 위한 진단 회로망, 기타 유지보수 기능, 축 상 및 축 외 각도 측정에 대해 360° 각도 위치 정보를 제공하는 통합 각도 계산 엔진이 포함되어 있습니다.

그림5: TMAG5170 모델의 SPI 인터페이스(위 참조)와 TMAG5273 모델의 I²C 인터페이스를 제외하고 내부 기능 블록은 3D 홀 효과 센서 IC의 두 제품군 모두에서 동일합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

TMAG5170 디바이스는 3.00mm x 3.00mm 크기의 8핀 VSSOP 패키지로 제공되며, -40°C ~ +150°C의 주위 온도 범위에서 작동하도록 제작되어 있습니다. TMAG5170A1은 ±25mT, ±50mT 및 ±100mT의 감도 범위를 포함하고, TMAG5170A2는 ±75mT, ±150mT 및 ±300mT를 지원합니다.

저전력 TMAG5273 제품군은 2.90mm x 1.60mm 크기의 6핀 DBV 패키지를 사용하며 -40°C ~ +125°C의 주위 온도 범위에서 작동하도록 제작되었습니다. 또한 두 가지 다른 모델로도 제공되는데, 감도 범위가 ±40mT 및 ±80mT인 TMAG5273A1과 ±133mT 및 ±266mT를 지원하는 TMAG5273A2가 있습니다.

각도 계산에는 사용자가 선택한 두 개의 자기 축이 사용됩니다. 자기 이득 및 오프셋 보정을 통해 시스템의 기계적 오류 소스의 영향을 최소화합니다. 온보드 온도 보정 기능은 자석 또는 센서의 온도 변화를 독립적으로 보정하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 3D 홀 효과 센서는 통신 인터페이스를 통해 구성되어, 사용자가 자기 축과 온도 측정 조합을 제어할 수 있습니다. TMAG5170의 ALERT 핀 또는 TMAG5273의 INT 핀은 MCU에서 새로운 센서 변환을 트리거하는 데 사용될 수 있습니다.

시작에 도움을 줄 평가 기판

Texas Instruments는 기본 기능 평가를 할 수 있는 TMAG5170 계열과 TMAG5273 계열의 두 가지 평가 기판도 제공합니다(그림 6). TMAG5170EVM에는 스냅 분리형 PC 보드 방식인 TMAG5170A1 및 TMAG5170A2 모델이 모두 포함됩니다. TMAG5273EVM에는 스냅 분리형 PC 보드 방식인 TMAG5273A1 및 TMAG5273A2 모델이 있습니다. 위 모델들은 측정값을 보고 저장하고 레지스터를 읽고 쓰기 위해 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)와 접속하는 센서 제어 보드를 포함합니다. 3D 인쇄된 회전 및 푸시 모듈은 각도 측정의 일반적인 기능을 테스트하는 데 사용됩니다.

그림 6: TMAG5170EVM 및 TMAG5273EVM에는 2개의 서로 다른 3D 홀 효과 센서 IC(오른쪽 하단)와 센서 제어 보드(왼쪽 하단), 3D 인쇄된 회전 및 푸시 모듈(중앙), 전원을 공급하는 USB 케이블이 모두 포함됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

그림 7: EVM 상단에 장착된 3D 인쇄 회전 및 푸시 모듈의 그림. (이미지 출처: Texas Instruments)

3D 홀 센서 사용

설계자가 이러한 3D 홀 효과 위치 센서를 사용하여 구현할 때 알아야 할 몇 가지 고려 사항이 있습니다.

• 올바른 데이터를 얻기 위해서는 TMAG5170의 결과 레지스터에서 SPI 판독 값 또는 TMAG5273의 I²C 판독 값을 변환 업데이트 시간과 동기화해야 합니다. TMAG5170의 ALERT 신호 또는 TMAG5273의 INT 신호는 변환이 완료되고 데이터가 준비되면 컨트롤러에 알리는 역할을 합니다.
• 낮은 유도 용량 디커플링 커패시터는 센서 핀 근처에 배치해야 합니다. 최소 0.01μF 값의 세라믹 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다.
• 이러한 홀 효과 센서는 외부에 감지 자석이 있는 플라스틱 또는 알루미늄과 같은 비철 재료로 만들어진 인클로저에 내장될 수 있습니다. 센서와 자석은 PC 보드의 반대쪽에 배치될 수도 있습니다.

결론

3D 동작과 제어가 증가함에 따라 설계자는 실시간으로 정확한 측정을 수행하는 동시에 단순화된 설계를 통해 비용을 최소화하며 전력 소비도 최소화해야 합니다. 앞서 보여드린 바와 같이 TMAG5170 및 TMAG5273 통합 3D 홀 효과 센서는 정확한 실시간 제어를 위한 빠른 샘플링 속도와 짧은 대기 시간 또는 배터리 구동 장치의 전력 소비를 최소화하기 위한 느린 샘플링 속도의 유연성을 제공하여 이러한 문제에 대해 대응합니다. 자석 및 센서에 대한 독립적인 온도 보정과 함께 통합 이득 및 오프셋 보정 알고리즘으로 높은 정확도가 보장됩니다.

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