모터 피드백용 센서 선택 시 다양한 옵션

많은 모션 제어 응용 프로그램에서 위치, 속도 및 모터 회전자 또는 부하의 가속도를 알아야 합니다. 애플리케이션 및 설계 세부 사항에 따라 모터 컨트롤러는 이러한 매개변수를 정확하게, 대략적으로 또는 전혀 알아야 하지 않을 수 있습니다. 모터 상황과 회전자 상태를 알면 모터 컨트롤러는 폐쇄 루프 시나리오를 갖게 됩니다( 그림 1).

물론 모터의 속도, 위치, 가속도는 밀접하게 연결되어 있습니다. 속도는 위치의 도함수(시간 변화율)이고 가속도는 속도의 도함수이기 때문에 세 가지 요소 중 하나만 알더라도 세 가지 요소를 모두 결정할 수 있습니다. 위치는 속도의 적분입니다.

그러나 실제로 관련 매개변수를 결정하는 이 방법은 해상도와 노이즈 때문에 종종(항상 그런 것은 아니지만) 부적절합니다. 예를 들어, 로터가 또 다른 회전을 완료했음을 아는 것은 세 가지 변수 모두에 대해 알려 주지만 매우 낮고 일반적으로 허용할 수 없는 분해능을 나타냅니다. 응용 분야에 따라 필요한 분해능과 정확도는 거친 것에서 중간에서 정밀한 것까지 다양합니다. CNC 공작 기계는 정확한 로터 정보가 필요하고 자동차 파워 윈도우 컨트롤러는 대략적인 데이터를 수용할 수 있으며 의류 세탁기나 건조기는 대략적인 정보만 있으면 만족합니다.

루프 닫기

회전자 위치 또는 동작을 감지하기 위해 가장 일반적인 옵션은 리졸버, 광학 또는 용량성 인코더, 홀 효과 장치이며 정밀도, 분해능 및 비용이 대략적으로 내림차순입니다. 이러한 센서는 물리적 설계, 구현 및 전기 인터페이스가 매우 다르기 때문에 사용자는 무엇이 필요한지, 주어진 애플리케이션에서 최선의 선택이 무엇인지, 컨트롤러의 회로에 센서를 인터페이스하는 방법을 이해해야 합니다.

상대 위치만 필요하거나 비용이 문제인 경우에 사용되는 증분 인코더는 일반적으로 AC 유도 모터와 함께 사용됩니다. 대조적으로, 각 위치에서 다른 바이너리 출력을 제공하여 샤프트 위치가 절대적으로 결정되는 앱솔루트 엔코더는 종종 서보 애플리케이션에서 영구 자석 브러시리스 모터와 쌍을 이룹니다. 물론 적용은 증분 정보 또는 절대 정보가 필요한지 여부를 결정하는 주요 요소입니다.

대부분의 모터 제어는 이제 디지털 제어 루프를 통해 이루어지지만 센서 신호 자체는 모두 아날로그이고 디지털화해야 하거나 디지털 신호이지만 전압 및 기타 속성이 있어 표준 디지털 회로와 호환되지 않습니다. 피드백 센서 중 일부는 원하는 대로 맞춤화할 수 있는 원시 출력과 함께 제공되지만 대부분은 표준 I/O 포트, 형식 및 프로토콜과 호환되는 조정된 인터페이스 준비 출력도 있습니다.

더 많은 해상도가 좋은 생각처럼 보일 수 있지만 실제로는 그렇지 않을 수 있습니다. 겉보기에 좋은 것(해상도)을 너무 많이 사용하면 필요하지 않거나 유용하지 않은 정보를 추가로 처리해야 하여 시스템 속도가 느려질 수 있으므로 해상도를 필요한 최소값으로 제한하는 것이 좋습니다.

해결사

리졸버는 매우 정확하고 견고하며 절대 위치의 변환기입니다. 이들은 기본 변압기 원리를 기반으로 하며, 1차 권선과 2차 권선이 서로에 대해 직각(90°)으로 배향되어 있습니다( 그림 2). 1차 권선과 2차 권선 사이의 유효 권선비와 극성은 샤프트의 각도에 따라 달라집니다. 1차측은 50Hz/60Hz에서 수백 kHz 범위의 일정한 주파수에서 기준 AC 파형으로 여기되고 2차측 권선의 출력은 물리적 배치로 인해 위상이 다릅니다. 2차측의 피크 전압은 샤프트가 회전함에 따라 달라지며 샤프트 각도에 비례합니다. 기본 신호를 기준으로 사용하여 이러한 출력을 복조함으로써 리졸버 회로는 샤프트 각도의 고해상도 판독값을 제공할 수 있습니다.

리졸버는 정확할 뿐만 아니라 견고합니다. 리졸버는 1차 측과 2차 측 사이에 물리적 접촉이 없고, 모터 자체에 있는 것 외에 별도의 브러시 또는 베어링이 없으며, 부품을 마모시키는 마찰 지점이 없으며, 오염 물질(예:오일)이 간섭할 기회가 없습니다. 운영 중. 리졸버는 기계적 견고함과 성능 때문에 군용 총의 각도 측정과 같은 극도로 어려운 상황에서 광범위하게 사용됩니다.

그러나 리졸버는 대안에 비해 크고 상대적으로 비용이 많이 드는 경향이 있으며 상대적으로 많은 양의 전력이 필요하며 이는 종종 저전력 애플리케이션에서 허용되지 않습니다. 그들은 또한 AC 파형의 생성 및 복조를 위해 비교적 복잡한 회로를 필요로 하지만 이것이 현대 IC의 장애물은 훨씬 적습니다. 전원을 켤 때 절대 위치 표시를 제공하며 초기 각도를 인덱싱하거나 결정하기 위해 동작이 필요하지 않습니다. 이 기능은 어떤 상황에서는 꼭 있어야 하고 어떤 상황에서는 신경 쓰지 않아도 됩니다.

데이터가 아닌 위치에 대한 인코딩

증분 위치 판독의 광학 인코더(여기에서 인코더라는 용어는 디지털 데이터의 인코딩과 관련이 없음)는 광원(LED), 직교 방식의 2개의 광센서, 그리고 그 사이에 유리 또는 플라스틱 디스크를 사용합니다( 그림 3). 디스크에는 중심에서 방사되는 미세한 에칭 선이 있으며 회전할 때 센서는 빛과 어둠의 패턴을 봅니다.

디스크의 라인 수와 기타 기술에 따라 일반적으로 1,024, 2,048 또는 회전당 최대 4,096카운트인 해상도가 결정됩니다. 트랜스포머와 같은 리졸버와 달리 광학 인코더는 수명이 긴 LED와 효율적인 광센서가 개발될 때까지 대중 시장 기기가 아니었습니다.

센서의 물리적 배열을 통해 인코더가 회전 방향을 결정할 수 있습니다. 기본 회로는 두 센서(A/B 출력이라고 함)의 펄스 열을 동작과 방향을 모두 나타내는 비트 스트림 쌍으로 변환합니다( 그림 4).

엔코더는 모션의 절대 지표가 아닌 증분 지표입니다. 절대 위치를 결정하기 위해 대부분의 인코더는 세 번째 트랙과 광센서를 표시기 제로 참조 트랙으로 추가합니다. 샤프트는 이것이 신호를 보내기 위해 제로 기준 위치를 통과할 만큼 충분히 회전해야 합니다. 실제 상대 위치 판독값을 광학 인코더에 추가할 수 있지만 이렇게 하면 장치가 복잡해집니다.

광학 인코더는 매우 좋은 분해능을 제공하지만 리졸버만큼 견고하지는 않습니다. 먼지는 광학 경로를 방해할 수 있으며 인코더 디스크가 더러워질 수 있습니다. 그러나 성능은 많은 응용 프로그램에 적합하며 작고 가벼우며 저전력이며 인터페이스가 쉽고 비용이 저렴합니다.

모터 및 회전 애플리케이션을 위한 일반적인 광학 인코더는 Avago Technologies(Broadcom)의 유사한 HEDS-9000 및 HEDS-9100 2채널 모듈입니다. 이 고성능, 저비용 모듈은 드라이브 및 인터페이스 전자 장치와 함께 작은 C자형 플라스틱 패키지에 포함된 렌즈 및 감지기 집적 회로가 있는 LED 소스로 구성됩니다( 그림 5). 그들은 고도로 시준된 광원과 특수한 광검출기의 물리적 배열을 가지고 있으므로 장착 오정렬에 대해 매우 내성이 있습니다. (코드 휠이라고 하는 디스크는 HEDS-9000의 경우 500CPR 및 1,000CPR, HEDS-9100의 경우 96CPR과 512CPR 사이의 해상도로 별도로 구매됩니다. 모듈은 TTL 호환 A 및 B 디지털 출력이며 단일 5V 전원이 필요합니다.)

CUI AMT10 시리즈는 광학 방식 대신 정전 용량 방식을 기반으로 하는 광학 인코더의 대안입니다( 그림 6). 이 엔코더는 인크리멘탈 및 앱솔루트 버전에서 사용할 수 있는 견고하고 고정밀한 다양한 모듈식 장치를 제공하며 4개 위치, 이중 입력 장치를 통해 16개 값 중에서 사용자가 선택할 수 있는 최대 12비트(4,096개) 분해능을 제공합니다. 라인 패키지(DIP) 스위치. 이러한 장치의 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 호환 A/B 직교 출력은 표준 SPI(직렬 주변 장치 인터페이스)를 통해 보고됩니다.

광학 인코더와 달리 CUI AMT 장치는 인코더의 움직이는 부분과 움직이지 않는 부분에 반복적으로 에칭된 도체 패턴을 사용합니다. 인코더가 회전함에 따라 두 부분 사이의 상대 커패시턴스가 증가 및 감소하고 이러한 커패시턴스의 변화가 감지되며, 이는 광학 인코더의 포토트랜지스터 출력과 다소 유사합니다. 먼지 및 기타 오염 물질은 여기에 거의 해로운 영향을 미치지 않습니다.

리졸버 또는 인코더는 장착 고려 사항과 전기적 호환성 요구 사항이 있는 기계 장치이기도 합니다. 재고 및 재고 문제를 최소화하기 위해 CUI는 광범위한 슬리브, 커버 및 장착 베이스가 있는 AMT10 시리즈를 제공하므로 동일한 기본 인코더를 광범위한 샤프트 직경 및 설치에 사용할 수 있습니다.

리졸버 및 인코더는 1/100도(0.6 arc 분) 이상의 높은 분해능으로 기본 판독값을 생성할 수 있지만 정확도는 분해능과 동일하지 않습니다(다시 말하지만 일부 애플리케이션은 다른 것보다 이들 중 하나에 더 관심이 있음) . 설계가 리졸버를 사용하는지 인코더를 사용하는지에 관계없이 온도, 변화 추적 속도, 원하지 않는 위상 변이 및 기타 요인으로 인해 오류 소스가 발생합니다. 그러나 이러한 장치의 공급업체는 원시 센서 출력과 시스템 컨트롤러로 가는 조절된 출력 사이에 IC 기반 회로를 사용하여 이러한 많은 단점을 제거, 취소 또는 보완하는 방법을 고안했습니다.

강력한 홀 효과 장치

또 다른 종류의 인코딩 또는 센서 장치는 현대 반도체 전자 장치 및 패키징이 널리 저렴하고 사용 가능하며 효과적이도록 요구하는 오래된 원리를 기반으로 합니다. 또한, 아주 작은 전압을 사용하고 이를 시스템에 쉽게 인터페이스할 수 있는 중요한 인터페이스 회로가 이제 온칩으로 제공되어 이 기술의 사용을 더욱 단순화합니다. 홀 효과 장치는 센서의 일부인 도체를 통한 전류 흐름 또는 근처 자기장의 존재 여부를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.

홀 효과로 알려진 것은 1879년 Edwin Hall에 의해 발견되었습니다. 전위차(홀 전압)는 도체의 전류와 전류에 수직인 자기장에 직각으로 전기 도체를 가로질러 생성됩니다( 그림 7).

일부 홀 효과 센서는 센서 요소 자체만 통합하는 것 이상입니다. Melexis MLX90367 Triaxis 위치 센서는 IC 표면에 직교하고 평행하게 적용된 자속 밀도에 민감한 모놀리식 절대 센서 IC입니다. 이것은 자속 밀도의 세 가지 구성 요소에 민감하므로 MLX90367(올바른 자기 회로 포함)이 움직이는 자석의 절대 위치(예:0~360° 회전 위치)를 디코딩할 수 있습니다.

내부적으로 이 12비트 분해능 장치는 마이크로컨트롤러 및 DSP( 그림 8)와 함께 온칩 신호 처리를 포함하므로 필요한 계산과 고유한 비선형성 등에 대한 수정을 수행할 수 있습니다( 그림 9). 또한 자동차 애플리케이션에서 널리 사용되는 SENT(SAE J2716-2010)라는 오류 수정 기능이 내장된 고급 형식을 포함하여 사용자가 선택할 수 있는 광범위한 기능, 기능 및 다양한 출력 형식을 지원합니다.

대부분의 홀 효과 마그네틱 인코더는 모터 샤프트에 부착된 휠을 사용하며 휠 주변에는 자화된 북극과 남극 세트가 있습니다. 이것은 광학 인코더 슬롯형 휠에 대한 자기적 비유입니다. 휠은 일반적으로 폴 어레이가 내장된 사출 성형된 페라이트로 만들어집니다. 일반적인 휠은 32개의 극(북쪽 16개 및 남쪽 16개)으로 자화되므로 분해능은 광학 인코더 또는 리졸버보다 훨씬 낮지만 많은 경우에 충분합니다. 일반적인 설치에는 바퀴의 정류를 감지하기 위해 전기적으로 120° 간격으로 떨어진 3개의 홀 효과 센서가 있습니다.

요약

모터 위치, 속도 또는 가속도를 감지해야 하는 설계자는 많은 주요 매개변수 및 성능 속성을 다루는 다양한 옵션을 가지고 있습니다. 리졸버, 광학 및 용량성 인코더, 홀 효과 장치는 모두 오랜 기간 동안 입증된 실적과 애플리케이션 노하우를 통한 광범위한 지원을 보유하고 있습니다.

선택은 견고성 또는 저전력과 같은 한 가지 최우선 요소에 의해 결정되거나 주어진 상황에서 전통적이고 관습적인 사용에 의해 결정될 수 있습니다. 사용할 기본 기술이 결정되면 실행 가능한 여러 공급업체와 각 부품을 사용할 수 있으므로 특정 장치에 대한 결정은 장단점을 더 잘 이해하기 위해 약간의 조사가 필요할 수 있습니다.

이 기사는 텍사스 맨스필드에 있는 Mouser Electronics의 Bill Schweber가 작성했습니다. 자세한 내용은 여기를 방문하십시오. .