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리졸버를 사용하여 모터 각위치와 각속도를 정밀하게 결정하는 방법

작성자: Bonnie Baker

Digi-Key 북미 편집자 제공

산업용 모터, 서보, 로봇 공학, 차량용 연쇄 전동 장치 등과 같은 기계 시스템의 전자 모니터링 및 제어는 효율성, 신뢰성 및 안전을 강화하는 데 중요합니다. 효과적인 제어를 위해서는 각도 및 속도 회전을 매우 정밀하게 결정해야 합니다. 하지만 이는 전기적 잡음과 열악한 환경으로 인해 어려움이 있습니다. 솔루션은 정밀한 리졸버 디지털(R/D) 컨버터 및 연산 증폭기에서 지원되는 리졸버에 있습니다.

이 기사에서는 정밀한 샤프트 측정 및 제어와 관련한 문제와 대부분의 응용 분야에서 리졸버를 선택해야 하는 이유를 간략하게 설명합니다. 그런 다음 리졸버, R/D 컨버터(예: Analog DevicesAD2S1210), 적절한 구동 증폭기 및 필터 회로를 조합하여 매우 정밀하고 강력한 위치/속도 측정 및 제어 시스템을 구축할 수 있는 방법을 보여줍니다.

리졸버 구성

리졸버는 기계 동작을 아날로그 전자 신호로 변경하는 전기 기계 장치입니다. 이는 본질적으로 샤프트의 각위치를 따라 AC 전압이 출력되는 회전식 변압기입니다. 리졸버의 두 소자는 고정자와 그 내부에서 회전하는 단일 권선 고정자로 구성됩니다. 리졸버 1차 권선은 고정자에 있고 2차 권선은 회전자에 있습니다(그림 1).

가변식 자기 저항 리졸버의 구성도

그림 1: 가변식 자기 저항 리졸버에는 입력 단자 2개(R1, R2), 사인파 출력 단자 2개(S1, S3), 코사인파 출력 단자 2개(S2, S4)가 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

대부분의 리졸버 전압은 2V rms ~ 40V rms 사이로 지정되고 주파수는 50Hz ~ 20kHz 사이로 지정됩니다. 1차 권선 신호 진폭과 2차 권선 신호 진폭 사이의 변환율은 0.2V/V ~ 1V/V 사이입니다. 일반적으로 고성능 리졸버는 높은 입력 전압이 필요합니다. 즉, 높은 출력 범위와 고속 슬루율 조건을 충족하기 위해 고전력 전자 장치가 필요합니다. 각도 정밀도의 범위는 5분각에서 0.5분각 사이입니다. 여기서 1도는 60분각이고, 1분각은 60각초입니다.

그림 1에서 회전자 권선의 ac 레퍼런스 전압 여기(VR = E0SIN(wt))는 R1과 R2 사이입니다. 고정자 권선의 유도된 전압 크기는 회전자 코일 축과 고정자 코일 축 사이 각도의 사인 θ에 비례합니다. 회전자 ac 레퍼런스 전압이 E0 sinωt일 때 고정자의 단자 출력 전압은 다음과 같습니다.

R1 – R2 = E0 sinωt                                                                                Eq. 1

S3 – S1 = T x E0 sinωt x sin θ                                                               Eq. 2

S2 – S4 = T x E0 sinωt x sin(θ + 90°) = T x E0 sinωt x cosθ               Eq. 3

두 고정자 출력 신호는 사인 및 코사인에 의해 변조되는 축각입니다. 90° 및 270°에서 최대 진폭을 나타내는 여기 사인 신호와 0° 및 180°에서 최대 진폭을 나타내는 사인 및 코사인 출력 신호를 그래픽으로 보여줍니다(그림 2).

리졸버 전기 입력(R1 – R2) 및 출력 신호 그래프

그림 2: 리졸버 전기 입력(R1 – R2) 및 출력 신호 두 고정자 출력 신호는 사인 및 코사인에 의해 변조되는 축각입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

완전한 고성능 R/D 회로는 폭넓은 온도 범위에서 높은 안정성을 요구하는 항공 전자 기기, 자동차 및 중요 산업용 응용 분야에서 각위치와 각속도를 정확하게 측정합니다(그림 3).

고성능 R/D 회로의 구성도

그림 3: 차동 출력 단자(EXC:/EXC)와 차동 사인파 및 코사인파 입력 단자(SIN:SINLO, COS:COSLO)를 갖춘 고성능 R/D 회로 그림 5에서 EXC는 EXE와 같습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 3에서 R/D 회로에는 두 가지 작동 모드(저전력 및 고성능)를 지원하는 리졸버 회전자 구동기 회로가 있습니다. 저전력 상태의 경우 단일 +6V 공급 시스템이 작동하고 100mA 미만의 전류를 소비합니다. 전체 시스템은 3.2V rms(9.2V p-p)를 리졸버에 공급합니다. 고성능 상태의 시스템은 단일 +12V 공급으로 작동하여 리졸버에 6.4V rms(18V p-p)를 공급합니다.

리졸버 회전자에 대한 R/D 회로 출력과 R/D 회로 SIN/COS 입력에 대한 리졸버 고정자 출력의 3차 능동형 필터는 시스템 양자화 잡음 효과를 최소화합니다. 10비트 모드에서 R/D 회로의 최대 추적률은 3,125RPS입니다. 여기서 분해능은 21분각입니다. 16비트 모드에서는 R/D 회로 최대 추적률은 156.25RPS이고 분해능은 19.8각초입니다.

신호 체인 설계 고려 사항

Analog Devices AD2S1210WDSTZRL7 R/D 회로에는 프로그래밍 가능한 10비트, 12비트, 14비트 또는 16비트 디지털 아날로그 컨버터(DAC)와 10비트, 12비트, 14비트 또는 16비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 3차 저역 통과 필터 2개 및 리졸버가 있습니다. 첫 번째 3차 필터는 R1 및 R2 리졸버 회전자 단자에 대한 R/D 컨버터의 출력 위치에 있습니다. 두 번째 3차 저역 통과 필터는 S1 및 S3에서 사인파 리졸버 고정자 신호를 수집하고 S2 및 S4에서 코사인 신호를 수집합니다. 일반적으로 이 시스템에는 충분한 대역폭과 출력 구동 기능, 저전력 구성과 고성능 구성 간의 전환 옵션이 있어야 합니다.

이 회로에서 R/D 회로의 내부 DAC는 3.6V p-p, 3.2V ~ 4.0V 범위에서 10비트, 12비트, 14비트 또는 16비트 사인파 여기 신호를 생성합니다.

AD2S1210의 출력에는 Analog Devices AD8692ARMZ-REEL 레일 간 연산 증폭기와 Analog Devices AD8397ARDZ-REEL7 레일 간 고출력 전류 증폭기로 구성되는 저역 통과 3차 필터가 있습니다.

+5V 공급 전압과 이중 AD8692 저소음 출력 범위에서 CMOS 연산 증폭기는 0.29V ~ 4.6V입니다. 이 증폭기를 둘러싸고 있는 저항기와 커패시터는 세 버터워스 필터 극 중 두 개를 구현합니다. AD8397 고출력 전류 증폭기는 전환 가능한 이득 스테이지와 높은 공급 전압 성능 및 저역 통과 필터의 세 번째 극을 통해 저전력 모드 구현과 고성능 모드 구현을 수용합니다. AD8397에 +6V 전압을 공급할 때 출력 범위는 0.18V ~ 5.87V입니다. +12V 전압을 공급할 경우 출력 전압 범위는 0.35V ~ 11.7V입니다.

고정자의 출력 측에서 쿼드 Analog Devices AD8694ARUZ-REEL 저잡음 CMOS 레일 간 연산 증폭기는 리졸버의 SIN(S1 및 S3) 및 COS(S2 및 S4) 핀에 연결됩니다. 이중 AD8692와 동일한 제품군에 속하는 AD8694에서 +5V 전력을 공급할 때 출력 전압 범위는 0.37V ~ 4.6V입니다. AD2S1210 R/D 컨버터의 차동 입력(SIN, SOLO, COS, COSLO)에는 2.3V ~ 4.0V 전압 범위에서 일반적으로 3.15V 리졸버의 사인파 및 코사인 신호에 대한 p-p 신호 범위가 있습니다.

이 시스템에서 총 신호 체인 위상 변이 범위는 n × 180° − 44° ≤ φ ≤ n × 180° + 44°입니다. 여기서 n은 정수입니다.

R/D 회로 세부정보

신호 체인 설계 고려 사항에는 진폭, 주파수, 안정성, 위상 변이가 포함되며, 리졸버 회전자 권선 임피던스 모델은 저항 및 유도 소자를 포함합니다.

AD2S1210 R/D 회로 여기 신호 범위는 2kHz ~ 20kHz이며 증분 단위는 250Hz입니다. AD8397의 회전자 응용 여기 신호는 이상적이지 않은 인덕터 및 저항 부품과 연결됩니다. 일반적인 저항 및 반응 부품은 50Ω ~ 200Ω, 0Ω ~ 200Ω입니다. 표준 회전자 여기 전압은 최대 20V p-p(7.1V rms)이므로 리졸버 구동기의 최대 전류 및 최대 전력 소비를 고려해야 합니다. 이 인터페이스를 수용하기 위해 AD8397는 높은 출력 범위(32Ω, ±12V 공급에서 최대 310mA), 넓은 공급 범위(24V), 패키지의 낮은 열 저항(8핀 SOIC EP, θJA = 47.2°C/W), 레일 간 출력 전압을 지원합니다.

리졸버 여기 3차 필터 및 구동기 회로

AD2S1210 내부 DAC는 여기 출력 신호(EXC)를 생성하여 양자화 잡음과 왜곡을 발생합니다(그림 4).

AD2S1210 EXC 여기 출력 핀에서 측정된 10kHz 출력 신호 그래프

그림 4: AD2S1210 EXC 여기 출력 핀에서 측정된 10kHz 출력 신호 (이미지 출처: Analog Devices)

필터링되지 않은 경우 그림 4에서 AD2S1210 EXC 핀의 출력 잡음은 리졸버를 통해 전파되고 AD2S1210 SIN, SINLO, COS 및 COSLO 핀에 다시 공급됩니다.

또한 AD8397 출력 구동기가 포화 상태가 되지 않도록 여기 회로의 이득 및 신호 레벨에 주의해야 합니다. AD2S1210 출력 신호의 필터 및 전력 증폭기 스테이지는 리졸버의 유도 입력 스테이지에 대한 엄격한 요구 사항을 수용합니다(그림 5).

여기 구동기 및 필터 회로의 구성도

그림 5: R/D 회로 EXC 출력 단자와 R1 입력 단자 사이의 여기 구동기 및 필터 회로 그림 2에서 EXE는 EXC에 상응합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 4에서 AD8692 필터 회로의 dc 이득은 -1V/V입니다. Analog Devices ADG1612BRUZ-REEL 쿼드 SPST 스위치 S1이 닫히면 높은 VCC(≥ +12V)에서 고성능 모드 조건을 생성합니다. S1이 닫힌 상태에서 AD8397 구동기 스테이지의 이득은 약 2.5V/V입니다. 이득이 2.5V/V일 때 4.0V p-p EXE 입력에서 10V p-p 출력이 생성될 수 있습니다. S1이 열려 있는 저전력 모드의 경우 이득은 1.28V/V입니다. 이 구성에서 4.0V p-p EXE 입력이 5.12V p-p 출력을 생성합니다.

AD8692 구성은 다중 피드백(MFB) 3차 버터워스 저역 통과 필터입니다. 일반적으로 진폭기 이득 대역폭 곱(GBWP)은 -3dB 능동 필터 차단 주파수의 최소 20배입니다. 그림 5에서 차단 주파수는 88kHz이고, AD8692의 GBWP는 10MHz이므로 차단 주파수의 113배입니다. 일반적으로 이 회로의 위상 변이는 180° ± 15°입니다. 그림 4의 회로에서 -3dB 필터의 차단 주파수는 88kHz이고 위상 변이는 10kHz에서 -13°입니다.

이중 AD8692 연산 증폭기는 구동 신호 잡음 감소를 위한 3차 능동 버터워스 필터 역할을 합니다(그림 6).

신호 잡음 발생이 크게 감소하는 것을 보여주는 그래프

그림 6: R/D 컨버터 출력 신호가 여기 구동기 및 필터를 통과하면 신호 잡음 발생이 크게 감소하고 R1에서 리졸버 입력 준비가 완료됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 6의 데이터는 AD2S1210 내부 DAC 양자화 잡음의 획기적인 감소를 보여줍니다.

마찬가지로 SIN(S1 및 S3) 및 COS(S2 및 S4) 수신기 회로는 두 쿼드 AD8694 연산 증폭기를 능동 잡음 필터로 사용합니다. AD2S1210 EXC 핀(CH1 노란색)과 SIN 입력 핀(CH2 파란색) 사이의 총 위상 변이는 약 40°이므로 최대 설계 값 44°보다 작습니다(그림 7).

아날로그 구동기로 인한 신호 위상 변이를 보여주는 그래프

그림 7: 리졸버 입력에 대한 아날로그 구동기 및 필터, 리졸버, R/D 컨버터에 대한 아날로그 필터로 인해 발생하는 신호 위상 변이가 있습니다. 범위 캡처 화면은 AD2S1210 EXC와 SIN 핀 사이의 위상 변이를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

시스템 성능

이 기사의 평가 회로에서는 Analog Devices EVAL-CN0276-SDPZ 회로 기판 및 Analog Devices EVAL-SDP-CB1Z 시스템 플랫폼 컨트롤러 기판을 사용합니다(그림 8).

테스트 설정의 기능별 구성도

그림 8: 그림 4, 6, 7, 10, 11에 해당하는 테스트 설정의 기능별 구성도 (이미지 출처: Analog Devices)

그림 8에서 두 기판 사이의 120핀 연결 커넥터는 빠른 설정 및 회로 성능 평가를 가능하게 합니다.

EVAL-CN0276-SDPZ에는 완전한 회로가 포함되어 있습니다. EVAL-SDP-CB1Z(SDP-B)는 CN-0276 평가 소프트웨어와 함께 EVAL-CN0276-SDPZ와 데이터를 교환합니다(그림 9).

Analog Devices의 EVAL-CN0276-SDPZ pc 기판 이미지

그림 9: EVAL-CN0276-SDPZ pc 기판에는 R/D 컨버터를 위한 완전한 회로가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

전체 시스템 잡음 측정을 사용하여 Tamagawa TS2620N21E11 리졸버의 고정 위치에서 출력 코드 히스토그램을 생성합니다. 10비트 및 16비트 각도 정밀도의 AD2S1210 코드 출력 히스토그램은 DAC 전송과 ADC 수신을 함께 보여줍니다(그림 10 및 11). 이 기사에서 TS2620N21E11 리졸버의 위상 변이는 0°이고 변환율은 0.5입니다. 리졸버의 사인파(SIN) 및 코사인(COS) 출력 부하는 동일하고 리졸버 출력 임피던스의 최소 20배입니다.

10비트 각도 정밀도 모드에서 전송 중인 EXE를 보여주는 그래프

그림 10: 10비트 각도 정밀도 모드에서 전송되는 EXE, 16비트 ADC 분해능으로 수신되는 SIN/COS (이미지 출처: Analog Devices)

16비트 각도 정밀도 모드로 전송 중인 EXC를 보여주는 그래프

그림 11: 16비트 각도 정밀도 모드에서 전송되는 EXC, 16비트 ADC 분해능으로 수신되는 SIN/COS (이미지 출처: Analog Devices)

그림 10 및 그림 11에서 VCC는 12V이고 전체 16비트 R/D 컨버터를 고성능 모드로 배치합니다.

결론

리졸버와 R/D 컨버터(예: Analog Devices의 AD2S1210)를 결합하여 잠재적으로 적대적인 환경의 모터 제어 응용 분야를 위한 매우 정밀하고 강력한 위치 및 속도 제어 시스템을 구축할 수 있습니다.

최상의 전체 성능을 제공하기 위해 AD8694 및 AD8397을 결합하여 여기 신호를 증폭하고 리졸버를 적절하게 구동하고 2차 신호를 필터링하여 다시 공급하는 버퍼/필터 회로를 생성할 수 있습니다. AD2S1210의 가변 분해능, 레퍼런스 생성 및 온칩 진단을 사용하여 R/D 컨버터는 리졸버 응용 분야에 이상적인 솔루션을 제공합니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

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Bonnie Baker

Bonnie Baker는 Digi-Key Electronics에 글을 기고하는 작가로 활동 중입니다. Bonnie는 지난 30여 년간 Burr-Brown, Microchip, Texas Instruments에서 아날로그 설계와 아날로그 시스템 부문에서 경력을 쌓아왔습니다. Bonnie는 애리조나 대학교(애리조나주 투손 소재)에서 전기 공학 석사 학위와 북부 애리조나 대학교(애리조나주 플래그스텝 소재)에서 음악 교육 학사 학위를 취득했습니다. Bonnie는 아날로그 설계 외에도 450편이 넘는 기사, 설계 자료, 응용 예제 등의 저술을 통해 지식과 경험을 널리 공유하고 있습니다.

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Digi-Key 북미 편집자