로봇 시스템용 모터 제어 설계

로봇 머니퓰레이터는 로봇 팔 또는 몸체와 같은 로봇의 움직임을 지정하는 3개 이상의 축에서 프로그래밍할 수 있습니다. 이 로봇 조작기는 물리적 수정 없이 자동으로 제어되고 다시 프로그래밍할 수 있으며 제어 시스템의 다양한 응용 프로그램에 적용할 수 있습니다. 원래 가혹하거나 접근할 수 없는 환경에서 응용 프로그램을 처리하도록 설계되었지만 오늘날의 산업 시스템은 점점 더 복잡해지고 이전의 많은 수동 작업을 사람이 할 수 있는 것보다 더 정확하고 빠른 방법으로 수행하는 로봇 공학을 통합합니다.

로봇 시스템은 주로 기계, 액추에이터, 측정 및 제어의 네 가지 하위 시스템으로 구성됩니다. 핵심 과제는 조인트의 모션 제어를 위한 저속 및 고토크에 대한 요구 사항으로 인해 서보 모터의 기계적 특성이 효과적으로 활용되지 않는다는 것입니다. 반대로 최적의 작동 조건에서 고속 및 저토크를 생성합니다.

따라서 구동 장치의 기능은 모터와 부하의 속도와 토크가 호환되도록 하고 기계적 토크를 서로 간에 전달할 수 있도록 하는 것입니다. 또한 트랜스미션 구성 요소를 사용하면 로봇 베이스에 모터를 배치하여 기계적 구조를 가볍게 하여 정적 및 동적 성능을 개선할 수 있습니다.

관절 운동은 기계 구조의 원하는 운동을 허용하는 모터에 위임됩니다. 영구 자석, 직류(브러시) 및 전자 정류(브러시 없는) 전기 모터의 세 가지 주요 유형 중에서 낮은 관성과 높은 위치 정확도에 대한 요구 사항을 가장 최적화하는 것은 브러시리스 DC 모터 또는 BLDC입니다.

그림 1:브러시리스 DC 모터 다이어그램(이미지:Portescap)

BLDC는 전기 연결을 위해 브러시가 있는 회전 전기자를 사용하는 기계적 스위칭을 사용하는 브러시 모터에 비해 기계적 스위칭이 없습니다.

움직이는 부품의 감소는 브러시리스 모터의 수명을 연장하며 볼 베어링의 마모에 의해서만 제한됩니다. 또한 권선은 방열 및 과부하 용량을 개선하여 다른 DC 솔루션에 비해 높은 효율을 제공합니다.

브러시가 없기 때문에 BLDC도 우수한 내구성과 저소음 특성을 나타냅니다. 구조에는 표면 영구 자석(SPM)과 내부 영구 자석(IPM)의 두 가지 주요 유형이 있습니다. SPM 모터는 회전자 표면의 외부에 자석이 부착되어 있습니다. IPM 모터는 대신 회전자 자체에 영구 자석이 내장되어 있습니다.

DC 모터 및 드라이버

BLDC는 높은 효율성을 제공하지만 무엇보다도 많은 응용 분야에서 사용되는 우수한 토크 및 속도 값을 제공합니다. 전자 스위칭을 제공하기 위해 다양한 부품을 결합하는 회전 전기자가 있는 고정 자석을 사용합니다.

BLDC의 설계는 모터의 회전력의 양을 나타내는 토크를 최적화하는 것을 목표로 하며 자석 및 코일 권선과 관련됩니다. 자석의 극 쌍 수가 많을수록 모터 토크가 커집니다.

한 가지 예는 ECS, ECT 및 ECP의 세 가지 제품군으로 구성된 Portescap의 Ultra EC 플랫폼입니다. 토크 및 속도 요구 사항에 따라 이러한 브러시리스 미니 모터 제품군은 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 특허를 받은 U 코일은 철 손실을 최소화하여 효율성을 높이고 작동 온도를 낮춥니다(그림 2 ).

그림 2:Portescap의 Ultra EC 모터(이미지:Portescap)

Maxon Motor AG의 EC-i 브러시리스 모터는 로봇 애플리케이션에 적합한 작은 직경으로 제공됩니다. 30mm 직경을 제공하며 높은 동적 및 높은 토크 기능이 특징입니다.

EC-i 제품군은 75W에서 최대 공칭 토크가 110mNm인 표준 버전과 높은 토크 버전의 여러 크기로 제공됩니다. 모든 버전에서 EC-i 30 모터를 확장할 수 있습니다. 인코더, 기어박스, 서보 컨트롤러 또는 위치 컨트롤러 사용(그림 3 ).

그림 3:Maxon Motor의 EC-i 모터(이미지:Maxon Motor)

STMicroelectronics는 Maxon과 함께 로봇 및 산업용 애플리케이션의 설계를 가속화하기 위한 새로운 키트를 개발했습니다. EVALKIT-ROBOT-1 키트는 로봇 애플리케이션에서 정확한 위치 지정을 제공합니다.

키트에는 ST의 STSPIN32F0A 지능형 3상 컨트롤러와 모터에 연결할 준비가 된 ST 전력 트랜지스터로 구축된 완전한 인버터 스테이지가 포함되어 있습니다. STSPIN32F0A에는 소형 7 × 7mm VFQFPN 패키지에 STM32F031C6 마이크로컨트롤러 및 3상 인버터 드라이버를 비롯한 중요한 모터 제어 회로가 포함되어 있습니다(그림 4 ).

모터 제어 펌웨어를 통해 설계자는 엔진을 시작하고 명령을 보내 프로젝트를 쉽게 최적화할 수 있습니다. 키트에는 1024펄스 증분 인코더가 내장된 100W Maxon BLDC 모터(EC-i 40)가 포함되어 있습니다. 로터 위치 감지를 위한 홀 센서도 포함되어 있습니다.

그림 4:ST EVALKIT-ROBOT-1 개발 키트(이미지:STMicroelectronics)

BLDC 모터는 매우 효율적이지만 점점 더 엄격해지는 요구 사항을 충족해야 한다는 압력으로 인해 회사는 모터 구성뿐만 아니라 드라이버도 개선해야 합니다. 특히 전반적인 에너지 소비를 줄이고 열 관리를 최적화하기 위해 노력하고 있습니다.

많은 경우 이러한 설계에는 필요한 외부 구성 요소의 수를 최소화하는 통합 드라이버와 높은 수준의 통합을 허용하는 시스템 온칩 솔루션이 통합되어 있습니다. 공간 및 에너지 절약, 전반적인 시스템 안정성 향상, 비용 절감 등의 이점이 있습니다.

BLDC는 전류의 방향을 기계적으로 전환하는 구조가 없기 때문에 전자적으로 이루어져야 한다. 파형은 사다리꼴과 사인파의 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다. 온도의 한계와 비용으로 인해 센서를 사용하지 않고 3상 전류 또는 유도 전압으로 회전자(자석)의 위치를 ​​추정하는 경우가 있습니다.

운전자는 애플리케이션에서 그에 따라 속도와 방향을 제어할 수 있도록 올바른 모터 제어를 보장해야 합니다. 최신 마이크로컨트롤러(MCU)는 DC(및 AC) 전기 모터용 고효율 제어 루프를 개발하는 데 필요한 수준의 성능과 계산 기능을 제공하는 데 적합합니다.

많은 MCU는 위치 데이터를 사용하여 복잡한 알고리즘을 실시간으로 처리할 수 있도록 하는 신호 처리 기능을 지원합니다. 점점 더 많은 애플리케이션이 위치 데이터를 제공하는 센서를 제거하려고 하기 때문에 이것은 중요합니다. 모터 제어 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 주변 장치가 있는 많은 MCU가 있습니다.

예를 들어, Renesas Electronics의 RL78/G14 마이크로컨트롤러는 전류 소비 수준과 낮은 수준의 전류 드레인(CPU가 작동 중일 때 66μ/MHz, 대기 또는 STOP 모드에서 240nA)의 균형을 유지하여 높은 계산 성능을 제공합니다. 51.2DMIPS(32MHz). 통합된 안전 기능은 가전 제품에 대한 안전 표준인 IEC/UL 60730을 지원합니다.

BLDC 모터에서 드라이브도 더 복잡해집니다. 속도와 토크는 과도 상태의 켜기/끄기 지속 시간 비율에 의해 제어됩니다. 일반적으로 이것은 권선을 구동하는 데 사용되는 PWM 신호의 형태를 취합니다. 이 조건은 단상, 2상 및 3상 모터를 사용하면 더욱 복잡해집니다. 오늘날 많은 통합 장치가 구동 단계로 사용됩니다. 일반적으로 여기에는 모터의 최대 3상을 여자하는 데 사용되는 외부 전력 MOSFET을 구동하기 위한 게이트 드라이버가 포함됩니다.

컨트롤러 회로가 저전류 신호로 작동하는 동안 모터는 많은 양의 전류를 필요로 합니다. 따라서 모터 드라이버의 기능은 저전류 제어 신호를 받아 모터를 구동할 수 있는 더 높은 전류 신호로 변환하는 것입니다.

Infineon Technologies AG는 가변 속도 드라이브를 제어하기 위한 다양한 통합 제품을 제공합니다. iMOTION IC는 센서리스 FOC(Field-Oriented Control)에 필요한 모든 제어 및 아날로그 인터페이스 기능을 통합합니다. 또한 제어 프로토콜 개발 프로세스에서 소프트웨어 코딩을 제거하는 회사의 입증된 MCE(모터 제어 엔진) 알고리즘이 특징입니다.

또 다른 공간 절약 장치는 TI(Texas Instruments Inc.)의 스마트 게이트 드라이버입니다. 이러한 드라이버는 수동 구성 요소를 통합하여 보드 크기, 구성 요소 수, 복잡성 및 설계 비용을 줄입니다. 또한 설계자는 스위칭 및 EMI(전자기 간섭) 성능을 최적화할 수 있습니다.

광범위한 드라이버 포트폴리오에서 TI는 3개의 개별 제어 가능한 하프 H 브리지 드라이버가 있는 DRV8313을 제공합니다. 이 장치는 3상 브러시리스 DC 모터를 구동하도록 설계되었지만 솔레노이드 또는 기타 부하를 구동하는 데에도 사용할 수 있습니다. 통합 비교기를 통해 전류 제한 회로 또는 기타 기능을 구성할 수 있습니다.

또 다른 예로 Toshiba Electronic Devices &Storage Corp.의 폐루프 속도 제어 기능이 있는 TC78B025FTG 브러시리스 3상 모터 드라이버 IC가 있습니다. 이 장치는 4.5V ~ 16V 전압 범위에서 전원 공급 장치로 작동하고 사인 드라이브를 제공합니다. 150° 스위칭. 0.2Ω(일반)의 낮은 ON 저항은 작동 중 IC의 자체 발열을 줄여서 높은 구동 전류에 대한 지원을 확장합니다.

전기 절연

일반적으로 전기 모터 설계자는 외부 소스의 간섭을 방지하고 사용자의 전기 안전을 보장하기 위해 국제 절연 표준을 준수해야 한다는 것을 알고 있습니다. 디지털 절연을 사용하면 과전류 보호를 통합하고 가동 중지 시간을 줄일 수 있는 더 빠른 응답을 비롯한 여러 이점이 있습니다. 이것은 출력 전압의 점진적인 변화를 제공하여 토크 제어를 향상시킵니다.

포토커플러는 광전자 기술을 기반으로 하기 때문에 물리적 접촉 없이 전기적 절연을 보장하는 매우 강력한 방법입니다. 이것은 릴레이와 같은 전기 기계 구성 요소의 사용을 기반으로 하는 기존 접근 방식에 비해 많은 이점을 제공합니다. 주요 이점으로는 마모 없는 작동, 비교적 저렴한 보완 부품 비용, 최소한의 보드 공간, EMI 내성, 높은 신뢰성 및 긴 작동 수명이 있습니다.

모터 드라이브 애플리케이션에서 회로의 두 가지 주요 부분은 절연이 필요합니다. 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터용 게이트 드라이브 또는 IGBT(한 쪽에 컬렉터와 에미터가 있고 다른 쪽에 게이트에 의해 구동되는 장치), 브리지 인버터 및 모터의 전류 위상 감지. 위상 전류 감지는 IGBT를 보호하고 컨트롤러에 피드백을 제공하여 폐쇄 루프 전류에 대한 제어를 유지합니다.

다음은 로봇 애플리케이션에 사용할 수 있는 포토커플러의 몇 가지 예입니다.

Renesas Electronics Corp.의 패키지 길이가 2.5mm인 RV1S92xxA 및 RV1S22xxA 포토커플러를 사용하면 유사한 장치에 비해 PCB 면적을 35% 줄일 수 있으므로 설계자가 로봇 시스템의 크기를 줄일 수 있습니다. 강화된 절연 덕분에 RV1S92xxA 및 RV1S22xxA는 200V 및 400V 시스템에서 안전 표준을 초과할 수 있습니다. 모든 장치는 PLC와 같은 제어 시스템에 적용되는 엄격한 UL61800-5-1 모터 제어 표준 및 UL61010-2-201을 준수합니다( 그림 5 ).

그림 5:Renesas Electronics의 RV1S92xxA 및 RV1S22xxA의 단면도(이미지:Renesas)

Toshiba의 TLP5214는 SO16L 패키지에 포함된 고집적 4A 출력 전류 IGBT 게이트 드라이브 포토커플러입니다. TLP5214에는 IGBT 불포화 감지, 절연 오류 상태 피드백, 소프트 IGBT 셧다운, 능동 밀러 차단 및 저전압 차단(UVLO)과 같은 고급 내장 기능이 있습니다. 인버터 애플리케이션에 사용되는 IGBT 및 전력 MOSFET 구동에 적합합니다.

결론

모터가 산업용 또는 비산업용 작동 환경에서 사용되는지 여부에 관계없이 정확한 위치 지정 기능을 갖춘 고급 모션 컨트롤의 설계는 복잡하며 매우 안정적인 드라이브 솔루션과 최적의 기계적 구성이 필요합니다.

최근 몇 년 동안 전기 모터는 신속한 프로토타이핑, 전용 운영 체제 및 통합 제어 시스템과 같은 새로운 제조 시스템 덕분에 가속화된 발전을 보인 드론 및 농업 4.0과 같은 새로운 로봇 애플리케이션과 연결되었습니다.