파워 스티어링, 모터 및 로봇 공학에 적합한 각도 센서를 선택하여 사용하는 방법

공장과 차량의 자동화 수준이 높아질수록 공정 제어, 시스템 신뢰성 및 안전을 위해 모터 샤프트 속도와 위치를 더 빠르고 정확하게 감지해야 합니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 자기장 변화와 축 오정렬을 유연하게 해결하면서 빠르고 정밀한 각회전 센서가 필요합니다.

화학 물질과 오일, 온도 및 EMI의 측면에서 까다로울 수 있는 산업 및 자동차 응용 분야의 운영 환경 특성과 함께 비용 및 시간 압박은 설계자가 처한 문제를 복잡하게 만들고 있습니다. 또 다른 고려 사항으로 마모와 손상, 지속적으로 변화하는 구성이 있으며 감지 장치 내에서 어느 정도의 유연성이 필요합니다.

이 기사에서는 각도 센서의 역할을 설명하고 자기 입력과 센서 소자를 고유하게 조합하여 위치 감지 기능(예: 속도 및 짧은 대기 시간)을 맞춤 설정하는 방법을 보여줍니다. 그런 다음 AKM Semiconductor, Infineon Technologies 및 Monolithic Power Systems의 샘플 센서 솔루션을 소개하고 솔루션 구현을 살펴봅니다.

각도 센서의 역할

각도 센서는 로봇 시스템의 고정밀 제어와 자동차의 스티어링 각도 감지를 위해 모터 샤프트 위치 및 속도 변화를 감지하는 데 사용됩니다. 각도 센서는 적용된 자기장의 방향을 감지하고 사인 및 코사인 요소를 측정하여 회전 샤프트에서 동적으로 자기화되는 실린더의 절대 각위치를 결정합니다. 샤프트가 고속으로 회전할 수 있으므로 대기 시간을 최소화하면서 센서에서 데이터를 빠르게 가져와서 처리해야 합니다.

일반적으로 홀 효과, 이방성 자기 저항(AMR), 거대 자기 저항(GMR), 터널 자기 저항(TMR)의 네 가지 자기 기술 중 하나가 사용됩니다(그림 1). 이러한 기술을 사용할 경우 설계자는 먼저 자기적 속성, 센서 사양, 조립품 허용 오차 범위와 같은 특정 파라미터를 기반으로 자석 표면에서 센서까지 적합한 거리를 결정해야 합니다.

그림 1: TMR 센서에서 자석이 회전할 때 회전 각도에 따라 감지 소자의 저항이 변경됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

이 에어 갭이 파라미터(예: 자석 크기 및 잔류 자기)와 일치해야 합니다. 또한 설계자는 자기장이 너무 낮거나 높아서 에어 갭이 변경되지 않는지 확인해야 합니다. 그러려면 응용 분야의 에어 갭에 적절한 자석을 신중하게 고려해야 합니다(그림 2).

그림 2: 설계자는 설계 고려 사항(예: 외부 자기장 교란 및 에어 갭 허용 오차 범위에 필요한 내성 수준)을 기반으로 자석-센서 위치를 선택할 수 있습니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

그렇긴 하지만, 각도 센서는 비축 또는 측축 실장, 샤프트 끝 구성을 모두 포함하여 광범위한 공간 구성과 자기장 강도를 지원할 수 있습니다. 변화를 수용하기 위해 온칩 비휘발성 메모리를 사용하여 참조 0도 위치, ABZ 인코더 설정, 모터 권선에 대한 위상 정보와 같은 구성 파라미터를 저장합니다.

그런 다음 개발자는 다양한 자기장 강도를 감지할 수 있는 장치 기능을 활용하여 진단, 축 이동 감지와 같은 특정 기능에 맞게 각도 센서를 맞춤 설정할 수 있습니다. 프로그래밍 가능한 자기장 강도 임계값을 사용할 수 있게 되어 두 개의 논리 신호로 출력되는 푸시 또는 풀 버튼 기능을 쉽게 구현할 수 있습니다.

속도, 짧은 대기 시간, 분해능과 같은 기능은 응용 분야의 요구 사항에 따라 달라지므로, 각도 센서 설계의 핵심은 안전입니다. 정확성과 신뢰성을 중시하는 자동차 및 산업 설계 환경에서는 기능적 안전 표준을 준수하는 것이 중요합니다.

기능적 안전 요구 사항 준수

자동차 응용 분야에서 사용되는 각도 센서는 매우 까다로운 작동 환경에서 ISO 26262 기능 안전 표준을 준수하기 위해 최하 0.1˚의 높은 정밀도가 요구됩니다. 이러한 센서는 펌프, 와이퍼, 브레이크, 밸브, 덮개, 페달 및 스티어링 각도용 브러시리스 DC(BLDC) 모터에서 위치 측정 등에 적용됩니다. 0.1˚의 정확성은 전체 온도 범위와 제품 수명 주기 전반에서 적용됩니다. 또한 각도 오차가 크게 증가하는 10mT ~ 20mT 사이의 낮은 자속 밀도에서도 자동차 및 산업 설계에 사용되는 각도 센서는 0.2°의 낮은 각도 오차를 실현해야 합니다.

또한 각도 센서는 자율 기능(예: 자동 주차 및 차선 유지)에 중요한 전자 파워 스티어링(EPS) 시스템과 같은 안전이 중요한 설계에 쉽게 통합되어야 합니다.

사용 편의성을 해결하기 위해 Infineon의 XENSIV TLE5109 및 TLE5014 각도 센서는 단일 다이 버전과 이중 다이 버전으로 제공되며, 단일 칩에서 감지 소자와 논리 소자를 모두 통합합니다(그림 3). 이중 다이 버전은 ASIL-D 안전 응용 분야에 더 적합합니다.

그림 3: 경제적인 페라이트 자석을 사용하여 공간을 축소하고 비용을 절감하기 위해 하향식 배치를 사용하는 안전이 중요한 응용 분야를 위한 이중 다이 각도 센서(오른쪽)의 측면뷰(왼쪽) (이미지 출처: Infineon Technologies)

TLE5109A16E2210XUMA1은 각도 오차가 0.1°인 고정밀 AMR 고속 아날로그 각도 센서를 구성하는 라인의 일부입니다. AMR 기반 각도 센서는 180° 각도 측정을 위해 설계되었지만, AMR 감지 소자는 일반적으로 이중 각도, 사인 및 코사인을 측정하므로 AMR 기반 각도 센서는 자극 쌍이 짝수인 모터에서 360° 측정에도 적용될 수 있습니다(그림 4). 또한 각도 오차가 작아서 자속 밀도 범위가 10mT ~ 500mT 이상인 광범위한 자기장에 적합합니다.

그림 4: AMR 기반 각도 센서는 180˚ 각도 측정을 위해 설계되었지만 사인 각도와 코사인 각도를 모두 측정하므로 360˚ 전체를 측정하는 데에도 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

TLE5109 각도 센서는 3.3V 또는 5V 공급 전압으로 작동됩니다. 다른 특징으로는 40µs ~ 70µs 사이의 짧은 시동 시간으로 최소 대기 시간을 보장하고 30,000rpm 이상의 속도를 지원합니다.

TLE5014C16XUMA1은 기판 실장형 EEPROM에 필요한 구성을 저장하여 광범위한 응용 분야를 수용하도록 프로그래밍할 수 있는 GMR 센서 라인 중 하나입니다(그림 5). 이러한 센서는 PWM, SENT, SPC, SPI를 비롯한 인터페이스 옵션을 제공하여 유연성과 사용 편의성을 강화합니다.

그림 5: 사전 구성되고 미리 보정된 TLE5014 각도 센서는 기판 실장형 EEPROM을 사용하여 모든 응용 분야에 맞게 유연하게 프로그래밍할 수 있습니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

TLE5014 각도 센서는 일반적으로 최대 26V(절대 최대값)의 공급 전압에서 25mA의 전류를 소비하고 단일 다이 버전을 위한 ISO 26262 ASIL-C 표준과 이중 다이 버전을 위한 ISO 26262 ASIL-D 표준을 충족합니다.

주요 성능 파라미터

각도 센서의 기능을 완벽하게 실현하여 가청 잡음을 줄이고 모터 평활도와 토크를 최적화하기 위해 설계자는 정확성, 대기 시간, 축 오정렬, 자석 드리프트와 같은 주요 파라미터를 신중하게 고려해야 합니다.

예를 들어 자동차 및 산업 환경에서는 열악한 환경 조건에도 불구하고 고도의 정밀한 판독이 필수적입니다. 따라서 각도 센서에서 시스템 설계에 복잡성과 비용을 추가하지 않고 정확성 목표를 달성하려면 열 안정성, 에어 갭 허용 오차 범위와 같은 요소가 중요합니다.

최소의 비용으로 그런 요구 사항을 충족하기 위해 샤프트 끝 구성과 측축(비축) 구성 모두에 대해 Monolithic Power Systems의 MagAlpha 자기 위치 센서(MA302GQ-P, MA702GQ-P/Z, MA730GQ-Z)를 기판의 에지에 실장할 수 있습니다. 속도를 위해 MA302 센서에서 무접촉 감지 및 12비트 분해능 절대 각도 인코더를 사용하여 0rpm ~ 60,000rpm 범위에서 정확한 각도 측정을 제공할 수 있습니다. MagAlpha MA730GQ-Z는 14비트 분해능을 지원하며 SPI 링크에 대해 디지털 판독을 제공합니다(그림 6).

그림 6: 무접촉 MagAlpha MA730GQ-Z는 14비트 분해능을 지원하며 SPI 링크에 대해 디지털 판독을 제공합니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

하지만 회전 속도가 200rpm 이하로 유지되는 인간 기계 간 인터페이스(HMI) 또는 수동 제어와 같은 저속 작동의 경우 이 회사는 아날로그 전위차계 또는 회전식 스위치를 대체하도록 설계된 디지털 자기 센서인 MagAlpha MA800을 제공합니다. 이 센서는 2mm ~ 8mm의 동적으로 자기화되는 실린더에서 사용되며 자속 구성과 모양은 유연합니다.

MA800은 분해능(8비트)이 낮지만 온칩 비휘발성 메모리 및 프로그래밍 가능 자기장 강도 임계값을 제공합니다. 따라서 레지스터 비트와 출력 신호를 통해 푸시 버튼 판독을 구현해야 하는 응용 분야에 적합합니다.

0 대기 시간 각도 센서

AK7451는 자기장의 강도를 측정하여 회전 속도와 회전각을 감지하는 12비트 각도 센서입니다. 이 센서는 IC 표면에 평행하게 작동하는 자석을 결합하였으며 최대 20,000rpm의 속도를 추적할 수 있습니다. IC 표면과 평행한 자기장 벡터를 감지한 후 자석의 절대 각위치와 상대적 각위치를 차례로 출력합니다.

AK7451은 추적 서보 시스템 아키텍처를 채택하여 대기 시간 없는 회전 각도 감지를 보장합니다. 0 대기 시간 각도 센서는 최대 8극 UVW 권선 위상을 출력할 수 있으므로(그림 7) 다용성을 크게 개선하여 광범위한 모터 구동기 및 인코더 응용 제품 어레이를 처리할 수 있습니다.

그림 7: AK7451을 사용하면 설계자가 EEPROM을 통해 16개 ABZ 출력 분해능 설정과 8개 UVW 출력 펄스 수 설정을 프로그래밍할 수 있습니다. (이미지 출처: AKM Semiconductor)

4개 ~ 16개 유형을 설정하는 ABZ 위상 출력 분해능 확장으로 모터 제어의 유용성을 개선합니다. 또한 AK7451 각도 센서를 통해 홀 IC를 설치하지 않고 DC 브러시리스 모터 구동 작동에서 회전자 위치를 쉽게 감지할 수 있습니다.

위치 감지 응용 분야에 따라 대기 시간이 중요하지 않은 경우도 있습니다. 예를 들어 전기 파워 스티어링(EPS) 수동 휠 각도 감지에서는 밀리초(ms)마다 새로운 각도 값이 요청됩니다. 또한 각도 센서 IC를 사용하여 자기 입력 관련 오류를 보정하려면 센서 IC에 의해 발생하는 오류와 자기 입력에 의해 발생하는 오류를 구분할 수 있어야 합니다.

결론

자동차 및 산업 응용 분야에서 각도 센서의 정확성이 향상되고 폼 팩터가 축소되는 특징이 있지만, 이러한 고정밀 장치의 전체 가치 제안은 기능 안전 표준 준수로 요약됩니다. 하지만 기능을 최대한 활용하려면 설계자가 특정 응용 제품 요구 사항을 신중하게 고려하여 적절한 에어 갭, 자기장 강도, 회전 속도, 각도 오차와 같은 성능 파라미터를 명확히 해야 합니다.

그림과 같이 이러한 요구 사항이 설정되며 요구 사항을 충족하는 데 필요한 정확성, 속도 및 프로그래밍 가능 유연성을 제공하는 다양한 무접촉 센서가 제공됩니다.