평가 기판 사용을 통해 모터 구동기 개발 가속화 및 결과 최적화

자동화 및 로보틱스는 모터와 모터 제어 및 구동기 IC에 크게 의존합니다. 이러한 복잡한 반도체는 기본 모션 제어를 넘어, 모터와 모터의 부하 및 전체 성승 우선 순위에 맞게 시스템 작동을 조정하는 고급 알고리즘을 실행합니다.

그러나, 규격서 또는 시뮬레이션 만으로 이러한 복잡한 IC를 설정하고 잠재적 시스템 성능을 평가하는 것은 어려운 일입니다. 이 공정은 길고 비용이 많이 들 수 있으며, 배포 시 불확실성이 발생할 수 있습니다. 개발은 평가 기판을 사용하여 시스템 설계, 레이아웃, 소프트웨어 개발 단계와 병행하여 구현하는 것이 가장 좋습니다.

이 기사에서는 모션 제어 IC 사용 시 설계자가 직면하는 일부 과제와 이러한 과제를 해결할 때 평가 기판의 역할을 중점적으로 설명합니다. 그런 다음, 조기의 실제 평가를 가능하게 하고 하드웨어 및 소프트웨어 불확실성을 줄여 시장 출시 기간을 단축하는 Analog Devices의 대표적인 IC 및 관련 평가 기판을 소개합니다.

모션 제어 IC 요구 사항 개요

모션 제어 IC는 모터 권선을 구동하는 MOSFET과 같이 모터 및 모터의 내부 전력 장치를 제어하는 데 필요한 인텔리전스를 제공합니다. 모터와 MOSFET 모두 정적/동적 작동 모드와 부하 조건에서 최적의 성능, 궤적, 모션 프로파일, 효율을 달성하고 문제, 과도 현상, 고장을 처리하기 위해 세심한 관리가 필요합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 구동기 IC 벤더는 평가 기판을 제공합니다. 이 평가 기판은 다양한 조건에서 실제 모터 및 실제 부하를 사용해 하드웨어 인 더 루프(HITL) 테스트를 수행할 수 있도록 하여 하드웨어 및 소프트웨어의 설정, 최적화, 성능 평가를 간소화합니다. 또한 전력 분배, 기생 요소, 입력/출력(I/O) 연결 및 형식, 물리적 커넥터 등을 고려해 IC와 주변 회로망의 물리적 레이아웃이 적절하게 구성되도록 합니다. 설계자는 중급 기판, 기본 브레이크아웃 기판(BOB) 또는 모듈식 솔루션으로 제공되는 이러한 기판을 사용하여 다양한 설정, 구성, 옵션을 평가하고 응용 분야에 가장 적합한 것을 결정할 수 있습니다.

모터 제어 IC 및 연결 기판

모터 제어 IC의 좋은 예로 Analog Devices TMC5130 제품군의 TMC5130A-TA-T가 있습니다. 이 제품은 직렬 통신 인터페이스를 갖춘 고성능 스테퍼 모터 컨트롤러 및 구동기로 자동 목표 위치 지정을 위한 유연한 램프 발생기(ramp generator)를 포함합니다.

정교한 StealthChop 초퍼 알고리즘을 사용하는 구동기는 무잡음에 가까운 작동, 최대 효율, 최적의 모터 토크를 보장합니다. TMC5130은 구동기 및 컨트롤러의 시스템 온 칩(SoC) 통합으로 실현되는 여러 고유한 개선 사항을 제공합니다. 예를 들어, TMC5130의 SixPoint 램프 발생기는 DcStep, CoolStep, StallGuard2 기능을 사용하여 모든 모터 이동을 자동으로 최적화합니다.

설계자의 TMC5130 시작을 돕기 위해 TMC5130-EVAL(그림 1) 기판 시스템은 편리한 하드웨어 플랫폼과 평가를 위한 사용자 친화적 소프트웨어 툴을 제공합니다. 기판 시스템은 컴퓨터에 연결되는 베이스 기판 연결 브리지(왼쪽), 여러 테스트 포인트를 포함한 커넥터 기판(중간), TMC5130-EVAL 기판(오른쪽)의 세 부품으로 구성됩니다.

그림 1: TMC5130-EVAL 평가 기판(오른쪽) 및 모터 부하(맨 오른쪽)는 PC에 연결되는 베이스 기판 연결 USB 브리지(왼쪽)와 테스트 포인트를 가진 커넥터 기판(가운데)을 사용하여 구성됩니다(이미지 출처: Analog Devices).

TMC5130 기반 코어를 중심으로 더 많은 고유 회로망을 개발하려는 설계자를 위해 Analog Devices는 TMC5130A-BOB 브레이크아웃 기판을 제공합니다(그림 2, 위) 이 기판은 작동에 필요한 기본 상호 연결을 제공하며 SPI 인터페이스를 통해 제어됩니다. 이 기판에 대한 회로도(그림 2, 아래)는 TMC5130 IC를 작동시키기 위해 제공되는 최소한의 회로망을 보여줍니다.

그림 2: TMC5130A-BOB(위)는 개별 커넥터가 아니라 에지를 따른 연결 포인트와 함께 기본 평가 접근 방식을 제공합니다. 해당 회로도(아래)는 TMC5130 IC를 작동시키는 데 필요한 최소한의 회로망을 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices).

TMC5240-EVAL 평가 키트는 검증된 TMC5130-EVAL 플랫폼을 기반으로 차세대 스테퍼 모터 평가를 간소화하도록 설계되었으며, 36V H-브리지, 무손실 전류 감지, 저크 최적화 램프 발생기와 초저잡음 StealthChop2™ 작동을 포함한 고급 모션 제어 기능을 통합해 더 빠른 초기 구동, 더 쉬운 튜닝, 부드럽고 정밀한 모터 성능의 보다 효율적인 검증을 가능하게 합니다.

피드백 센서의 필요성을 제거하는 고급 제어

벡터 제어라고도 알려진 자속 기준 제어(FOC)는 다양한 모터를 제어하기 위해 점점 더 많이 사용되는 접근 방식입니다. 대부분의 경우 인코더 또는 홀 효과 센서와 같은 피드백 센서와 이에 관련된 비용 및 크기의 필요성을 제거해 주기 때문입니다. FOC 기술과 비 FOC 기술 간의 주요 차이점은 FOC의 경우 실시간으로 수행되는 고정밀 계산과 행렬 수학이 많이 필요하다는 것입니다.

Analog Devices TMC4671-LA 모터 컨트롤러 IC는 임베디드 알고리즘과 이를 실행하는 데 필요한 복잡한 계산을 위한 전용 엔진을 통해 FOC를 지원하도록 특별히 설계되었습니다. DC, 브러시리스 DC(BLDC), 스테퍼 모터를 위한 이 서보 컨트롤러는 FOC를 통한 토크 제어와 함께 캐스케이드 제어를 통한 속도 및 위치 제어 기능을 제공합니다.

TMC4671-A는 로우 엔드 감시 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)와의 기본 통신을 위한 SPI 및 UART 링크를 지원합니다. 모든 제어 기능은 하드웨어로 구현되어 있으며, 통합 ADC, 선택적 피드백을 위한 위치 센서 인터페이스, 위치 보간기 등을 포함해 다양한 서보 응용 분야를 위한 완전한 기능의 서보 컨트롤러를 제공합니다.

TMC4671-A용 TMC4671-EVAL 기판(그림 3)은 필요한 FOC 파라미터를 구성하고 이러한 고급 제어 방식에서 모터의 성능을 평가하는 과정을 간소화합니다. 설계자는 연결 브리지, 관련 베이스 기판, 별도의 전력 스테이지와 TMC4671-EVAL을 연결합니다. 이 설정은 비례-적분(PI) 컨트롤러와 피드백 방식을 쉽게 구성할 수 있도록 하며, 표준 위치, 속도, 토크 제어 모드에서의 모터 작동을 지원합니다.

그림 3: TMC4671-EVAL 기판은 신호 및 전력 I/O를 위한 2열 헤더를 갖추고 있습니다(이미지 출처: Analog Devices, 작성자에 의해 수정됨).

TMC4671-EVAL 상단의 핀 헤더는 디지털 인코더, 디지털 홀 효과 센서 신호, 기준 스위치를 연결하는 데 사용됩니다. 기판 하단의 핀 헤더는 아날로그 홀 효과 센서 신호 또는 사인/코사인 인코더를 연결하는 데 사용됩니다.

기능적 모터 구동기 코어를 기반으로 자체적인 평가 회로를 설계하려는 경우 TMC4671-BOB TMC4671-BOB 브레이크아웃 기판(그림 4, 위)를 사용할 수 있습니다. 이 제품은 통신과 구성을 위한 SPI 및 UART 인터페이스를 제공하며, 갈바닉(옴) 절연을 갖춘 USB-2-RTMI_V20 어댑터(그림 4, 아래)를 통해 라이브 디버깅 및 튜닝을 위한 실시간 모니터링 인터페이스(RTMI)도 지원합니다.

그림 4: TMC4671-BOB(위)는 TMC4671에 대한 직접 액세스와 SPI 및 UART 인터페이스를 제공합니다. 연결된 USB-2-RTMI_V20 어댑터(아래)는 갈바닉 절연이 적용된 USB 인터페이스입니다(이미지 출처: Analog Devices).

이 어댑터는 TMC4671-LA FOC 컨트롤러 IC의 실시간 모니터링을 위한 USB 인터페이스 변환을 제공합니다. 이 USB 고속-SPI 브리지 인터페이스 컨버터는 USB 전원으로 구동되며, 기본적인 정전기 방전(ESD) 보호 기능을 제공할 뿐만 아니라 USB와 RTMI 커넥터 사이의 갈바닉 절연을 통해 안전 문제와 접지 루프 문제를 방지합니다.

올인원 평가 키트

마지막으로, 경우에 따라 완전한 Analog Devices 평가 기판은 배포 가능한 제품으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, TMCM-3351-TMCL 모듈(그림 5, 위)은 3개의 2상 양극 스테퍼 모터를 위한 3축 스테퍼 모터 컨트롤러/구동기 기판입니다. 이 기판은 MOSFET 전력 구동기 및 커넥터를 포함하여 필요한 모든 능동 및 수동 부품을 포함합니다(그림 5, 아래).

그림 5: TMCM-3351-TMCL의 표준 신호, 전력, I/O 커넥터는 설정 및 사용을 빠르게 합니다. IC와 IC의 모듈은 3축 모션 제어를 위한 3개 모터를 동시에 처리할 수 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

기능적으로 완전한 이 모듈은 3축 각각에 대한 선택적 인코더와 함께 밀폐형 루프 작동을 위한 선형 및 S형 램프를 지원합니다. TMCM-3351-TMCL은 또한 여러 범용 디지털 및 아날로그 입력과 출력을 제공합니다. 통신의 경우 RS-485, CAN 버스, USB, RS-232 직렬 인터페이스를 사용할 수 있습니다.

평가 기판 생산성에 매우 중요한 소프트웨어 툴

이 평가 기판은 Trinamic Motion Control Language-Integrated Development Environment(TMCL-IDE)에서 지원됩니다. 이 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)는 파라미터를 쉽게 설정하고, 실시간으로 데이터를 시각화하며, 독립형 응용 시스템을 개발 및 디버깅할 수 있는 도구를 제공합니다.

TMCL-IDE는 진단 작업을 위한 다양한 대화 상자를 표시하며(그림 6) 연결된 모션 컨트롤러 및 구동기 칩에 대한 개요를 포함합니다. 이 개요 창은 처음에 평가 키트에 연결하면 즉시 표시됩니다. 이 창은 연결의 현재 상태를 표시하며, 대화 상자의 두 번째 탭에서는 사용자가 기본 설정을 선택하거나 모듈을 공장 기본값으로 재설정할 수 있습니다.

그림 6: TMCL-IDE GUI는 연결된 평가 기판과 사용될 경우 실제 부하 조건에서 다양한 모터 구동기 IC의 설정, 구성, 성능 분석을 간소화합니다(이미지 출처: Analog Devices).

결론

현대의 모션 제어 IC와 그 알고리즘은 매우 정교하며, 정밀도, 신뢰성, 효율을 포함한 다양한 모터 성능 기준에서 뛰어난 성능을 제공해야 합니다. 평가 기판과 지원 소프트웨어를 사용하면 설계자가 나머지 설계 작업과 병행해 이러한 컨트롤러를 미세 조정하여 부하 변동 및 과도 현상이 발생하는 경우에도 최적화된 모터 성능을 구현할 수 있습니다.

관련 내용

1. TMC5130-EVAL 평가 기판 설명서
2. TMC4671-EVAL 평가 기판
3. TMCM-3351 하드웨어 설명서
4. TMC4671 BOB 설명
5. USB-2-RTMI_V20 설명
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7. 솔레노이드 및 스테퍼 모터 구동기를 산업 응용 분야에 맞게 조정하는 방법