솔레노이드 및 스테퍼 모터 구동기를 산업 응용 분야에 맞게 조정하는 방법

작업 현장 제어 시스템, 자동차, 실습 장비와 같은 에지 장치 응용 분야에서는 신속한 의사 결정, 우수한 성능, 비용 절감, 향상된 안전 및 생산성을 위해 사물 인터넷(IoT) 및 인공 지능(AI) 기능을 점점 더 많이 활용하고 있습니다. 솔레노이드 및 스테퍼 모터용 구동기는 빠르게 진화하는 환경에 손쉽게 통합되고 정밀도, 신뢰성, 폐루프 제어, 비용, 실장 면적, 사용 편의성을 더욱 개선하기 위해 더 많은 기판 실장 감지 및 인텔리전스 기능을 통합할 수 있도록 발전해야 합니다.

이 기사에서는 솔레노이드 및 스테퍼 모터의 기본 작동을 요약하고 지능형 에지용으로 설계된 구동기 IC의 이점을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Analog Devices의 샘플 구동기를 설명하고 이러한 구동기로 설계를 시작하는 방법을 설명합니다.

솔레노이드 및 스테퍼: 유사하지만 다름

솔레노이드와 스테퍼 모터는 전자석 역할을 하는 권선 코일을 통해 전류를 물리적 동작으로 변환합니다. 코일이라는 공통점 덕분에, 모양과 기능의 차이에도 불구하고 경우에 따라 두 액추에이터 모두에 동일한 구동기 IC를 사용할 수 있습니다.

솔레노이드는 인가된 전류로 선형 기계 동작을 발생하는 비교적 간단한 부품입니다. 솔레노이드는 코일 본체 내에서 자유롭게 움직이는 중공 코어에 강자성 액추에이터(플런저 또는 전기자라고도 함)가 있는 원통형 튜브에 감긴 전기 코일로 구성됩니다(그림 1, 왼쪽).

반면에 스테퍼 모터는 모터 본체 둘레에 배열된 여러 고정자 코일을 사용합니다(그림 1, 오른쪽). 또한 이 모터에는 영구 자석 세트가 회전자에 부착되어 있습니다.

그림 1: 솔레노이드 구조는 내부 슬라이드 플런저가 있는 권선 코일로 구성되고(왼쪽), 스테퍼 모터는 회전자에 영구 자석이 있고 고정자에 전자기 코일이 있는 더 복잡한 구조입니다(오른쪽). (이미지 출처: Analog Devices, Monolithic Power Systems)

솔레노이드의 경우 플런저는 전류가 인가되면 한 번의 '펀치' 충격이 가해져서 플런저를 최종 위치로 밀어 보내는 방식으로 동작합니다. 전력이 차단되면 대부분의 솔레노이드는 스프링을 사용하여 플런저를 공칭 정지 위치로 되돌립니다.

가장 기본적인 구동 체계에서 솔레노이드는 선명한 ON/OFF 전류 펄스에 의해 제어됩니다. 이 기능은 간단하고 직접적이지만 높은 충격력, 진동, 가청 잡음, 전기 잡음, 전기적 비효율성, 그리고 플런저의 동작 또는 복귀에 대한 제어력 부족과 같은 단점이 있습니다.

고정자 코일에 순차적으로 전원이 인가되면 스테퍼 모터의 회전 동작이 발생하고, 그 결과 회전 자기장이 전기자 자석을 끌어당깁니다. 시퀀싱을 제어하여 스테퍼의 회전자를 연속적으로 회전하거나, 정지하거나, 역방향으로 회전하도록 할 수 있습니다.

타이밍을 고려하지 않는 솔레노이드와 달리 고정자 코일의 경우 다른 특성 중에서 올바른 펄스 폭으로 순차적으로 전원을 인가해야 합니다.

스마트 구동기를 통한 한계 극복 및 성능 향상

파형 프로파일 형태, 상승 속도, 하강 속도, 기타 파라미터 등 솔레노이드와 스테퍼 모터의 코일을 구동하는 전류를 신중하게 제어하여, 지능형 구동기는 다음과 같은 다양한 이점을 제공할 수 있습니다.

• 최소한의 채터링으로 향상되고 부드러운 동작 및 회전
• 진동 및 충격 감소(특히 솔레노이드의 경우)
• 스테퍼 모터 시작/정지/역회전 동작에 대한 정밀한 포지셔닝
• 일시적이거나 다양한 부하 조건에 대한 일관된 성능 및 수용성
• 효율성 향상
• 물리적 마모 감소
• 가청 잡음 및 전기 잡음 감소
• 감시 회로 프로세서와의 접속 용이성(특히 IoT 설치의 경우)

통합 직렬 제어 솔레노이드 및 모터 구동기인 Analog Devices MAX22200은 정교한 구동기가 솔레노이드에 대해 어떤 역할을 할 수 있는지를 보여줍니다(그림 2). 이 36V IC의 1A 하프브리지 구동기 8개를 병렬로 연결하여 구동 전류를 두 배로 늘리거나 최대 브리지로 구성하여 최대 4개의 래치 밸브(쌍안정 밸브라고도 함)를 구동할 수 있습니다.

그림 2: Analog Devices MAX22200은 8개의 하프브리지 구동기를 다양한 구성으로 배열할 수 있는 통합 직렬 제어 솔레노이드 및 모터 구동기입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 구동기는 전압 구동 조절(VDR) 및 전류 구동 조절(CDR)의 두 가지 제어 방법을 지원합니다. VDR에서 장치는 SPI 인터페이스를 사용하여 듀티 사이클이 프로그래밍된 펄스 폭 변조(PWM) 전압을 출력합니다. 출력 전류는 주어진 공급 전압과 솔레노이드 저항기에 대해 프로그래밍된 듀티 사이클에 비례합니다. CDR은 통합 무손실 전류 감지 회로가 출력 전류를 감지한 후 내부의 프로그래밍 가능 기준 전류와 비교하는 폐루프 제어의 한 형태입니다.

단순 전류 소스 구동기와 달리 MAX22200은 전류 구동 프로파일 조정 기능을 제공합니다. 솔레노이드 구동 응용 분야에서 전력 관리를 최적화하기 위해 여기 구동 레벨(I_HIT), 유지 구동 레벨(I_HOLD), 여기 구동 시간(t_HIT)을 각 채널에 대해 개별적으로 구성할 수 있습니다. 또한 다음과 같은 다양한 보호 및 오류 관련 기능을 제공합니다.

• 과전류 보호(OCP)
• 개방 부하(OL) 감지
• 과열 시 전원 차단(TSD)
• 부족 전압 차단(UVLO)
• 플런저 이동 감지(DPM) 확인

처음 네 가지는 잘 알려진 표준 기능들입니다. DPM의 경우에는 자세한 설명이 필요합니다. 예를 들어 솔레노이드 제어 밸브에서 솔레노이드가 작동할 때 밸브가 올바르게 작동하면 전류 프로파일이 단조롭지 않습니다(그림 3, 검은색 곡선). 대신 플런저의 이동에 의해 발생되는 역기전력(BEMF)으로 인한 강하를 보여줍니다(그림 3, 파란색 곡선).

그림 3: 솔레노이드를 구동할 때 MAX22200은 솔레노이드가 시작 전류(I_START)부터 최종 여기 구동 레벨(I_HIT)까지 구동될 때 예상 BEMF 구동 전류 강하와 임계값(IDPM_TH)을 비교하여 고착된 솔레노이드 또는 밸브를 감지할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

솔레노이드에 대해 설정하여 사용할 경우 MAX22200의 DPM 기능은 여기 단계 동안 BEMF 강하의 존재를 감지합니다. 강하가 감지되지 않으면 FAULT 핀 및 내부 고장 레지스터에 표시가 설정됩니다.

평가 키트를 통한 공정 간소화

다양한 정적/동적 수요 및 부하 조건에서 시스템 성능 관련 문제를 해결하기 위해 Analog Devices는 MAX22200을 위한 MAX22200EVKIT# 솔레노이드 제어 전력 관리 평가 기판을 제공합니다(그림 4). 이 평가 키트(EVK)는 MAX22200의 직렬 제어와 MAX32625 마이크로컨트롤러를 통한 온보드 USB-SPI 인터페이스를 통한 오류 모니터링을 가능하게 합니다. 여기에는 MAX22200 IC의 기능을 실행하기 위한 Windows 호환 GUI(그래픽 사용자 인터페이스)가 포함되어 있어 완전한 PC 기반 평가 시스템이 됩니다.

그림 4: MAX22200을 위한 MAX22200EVKIT# 솔레노이드 제어 전력 관리 평가 기판은 Windows 기반 GUI를 사용하여 IC와 부하를 완전히 실행할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

완전히 조립되고 테스트된 이 기판은 래치 밸브(주로 솔레노이드에 의해 구동됨) 또는 브러시 DC 모터에 대해 하이사이드/로우사이드 솔레노이드로 구성 가능합니다.

스테퍼 모터: 제어 자유도 향상

스테퍼 모터는 솔레노이드보다 더 복잡하며 많은 제어 요구 사항이 있습니다. 이는 직렬 통신 인터페이스(SPI, UART), 광범위한 진단 기능, 내장형 알고리즘을 갖춘 통합 고성능 스테퍼 모터 컨트롤러 및 구동기 IC인 Analog Devices TMC5240(그림 5)의 특징에서 확인할 수 있습니다.

그림 5: TMC5240 고성능 스테퍼 모터 컨트롤러 및 구동기 IC에는 솔레노이드 및 스테퍼 모터에 최적의 성능을 제공하기 위한 정교한 알고리즘이 내장되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 IC는 자동 대상 포지셔닝에서 저크를 최소화하기 위해 유연한 8포인트 램프 생성기를 결합합니다. 저크는 가속도의 변화율을 나타내며 저크가 과도할 경우 많은 시스템 문제와 성능 문제가 발생할 수 있습니다. 이 스테퍼 모터 구동기는 0.23Ω 온스테이트 저항 및 무손실 통합 전류 감지(ICS) 기능을 갖춘 36V 3A 하프브리지를 통합합니다. TMC5240은 5mm × 5mm 소형 TQFN32 패키지와 열 최적화 9.7mm × 4.4mm TSSOP38 패키지(노출형 패드 포함)로 제공됩니다.

TMC5240은 향상된 정밀도, 높은 에너지 효율, 높은 신뢰성, 부드러운 동작, 냉각 성능을 지원하는 특별한 고급 기능을 구현합니다. 특징은 다음과 같습니다.

• StealthChop2: 모터의 동작 및 정지 소리가 들리지 않는 무잡음 고정밀 초퍼 알고리즘으로, 단순 StealthChop보다 모터를 더 빠르게 가속 및 감속 가능
• SpreadCycle: 가장 동적인 움직임을 위한 고정밀 주기별 전류 제어
• StallGuard2: SpreadCycle을 위한 센서리스 정지 감지 및 기계적 부하 측정 기능 제공
• StallGuard4: StealthChop을 위한 센서리스 정지 감지 및 기계적 부하 측정 기능 제공
• CoolStep: StallGuard 측정을 사용하여 모터와 구동기의 효율을 극대화하고 발열을 최소화하기 위해 모터 전류 조정

이러한 기능을 미리 설정하여 모터의 작동 주기 중에 호출할 수 있습니다. 또한 토크를 가속 상태에서 제어하여 원하는 값을 실현하면서 효율적이고 부드러운 가속 및 감속을 제공할 수 있습니다.

예를 들어 세 개의 가속 및 감속 세그먼트 세트를 두 가지 방식으로 사용할 수 있습니다. 즉, 낮은 속도에서 더 높은 가속 값을 사용하여 모터 토크 곡선에 맞게 조정하거나, 가속 세그먼트에서 다음 가속 세그먼트로 전환할 때 저크를 줄일 수 있습니다. 두 가지 문제를 모두 해결하기 위해 TMC5240의 8포인트 동작 프로파일 생성기를 사용하면 컨트롤러에서 원하는 대상 위치가 실시간으로 변경되는 동안 일정한 속도 세그먼트를 유지하여 충돌 없는 모드 전송이 가능합니다(그림 6).

그림 6: TMC5240은 실시간 대상 위치 변경을 지원하여 충돌 없는 모드 전송을 가능하게 하는 8포인트 램프를 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 구동기 IC의 유연성, 다목적성 및 복잡성을 고려할 때 TMC5240-EVAL 평가 기판은 환영할 만한 부가 장치입니다(그림 7). 설계자가 다양한 작동 모드를 테스트할 수 있도록 이 평가 기판은 IC를 위한 표준 회로도 구성도를 사용하고 소프트웨어에서 다양한 옵션을 제공합니다.

그림 7: TMC5240-EVAL 평가 기판 및 연결된 GUI를 사용하여 설계자는 TMC5240의 성능을 조사하고 특정 액추에이터 및 부호 조합에 맞게 조정할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

또한 평가 및 설계 요구 사항이 덜 복잡한 설계자를 위해 Analog Devices는 TMC5240-BOB를 제공합니다. 이 기본 IC 브레이크아웃 기판은 TMC5240의 물리적 핀 연결을 사용자가 접근 가능한 헤더 행에 배치합니다.

결론

솔레노이드 및 스테퍼 모터 구동기에 인텔리전스를 추가하면 제어 및 오류 감지 성능이 향상되고, 실시간 의사 결정이 가능하며, 상위 레벨 제어 또는 AI 기반 생산성 시스템과 통신할 수 있습니다. Analog Devices MAX22200 및 TMC5240과 같은 고집적 구동기를 사용하면 고급 알고리즘으로 빠르게 시작하고 실행하여 솔레노이드 및 스테퍼 모터 성능을 응용 분야에 최적화할 수 있습니다.