첨단 로봇 시스템을 위한 정밀 모터 제어 엔지니어링

로봇 매니퓰레이터는 로봇 팔이나 본체의 움직임을 지정하는 3개 이상의 축에서 프로그래밍 가능합니다. 이러한 로봇 매니퓰레이터는 물리적 수정 없이 자동으로 제어되고 재프로그래밍 가능하며, 제어 시스템의 다양한 애플리케이션에 적응할 수 있습니다. 원래 열악하거나 접근하기 어려운 환경에서의 애플리케이션을 위해 설계되었지만, 오늘날의 산업 시스템은 점점 더 복잡해지고 있으며 인간이 할 수 있는 것보다 더 정밀하고 빠르게 많은 수작업을 수행하는 로봇을 통합하고 있습니다.

로봇 시스템은 주로 기계, 액추에이터, 측정, 제어의 4개 서브시스템으로 구성됩니다. 주요 과제는 관절의 모션 제어를 위한 저속 고토크 요구사항이 서보모터의 기계적 특성을 효과적으로 활용하지 못하게 한다는 점입니다. 이는 반대로 최적 동작 조건에서 고속 저토크를 생성합니다.

따라서 드라이브 유닛의 기능은 모터와 부하 속도와 토크가 호환되도록 하고, 기계적 토크가 한쪽에서 다른 쪽으로 전달되도록 하는 것입니다. 전송 부품은 모터를 로봇 베이스에 위치시킴으로써 기계 구조를 가볍게 하여 정적 및 동적 성능을 개선하는 것도 가능하게 합니다.

관절 움직임은 기계 구조의 원하는 움직임을 허용하는 모터에 맡겨집니다. 영구 자석, 직류(브러시드), 전자 정류(브러시리스) 전기 모터의 3가지 주요 유형 중에서, 저관성과 고위치 정밀도 요구사항을 가장 잘 최적화하는 것은 브러시리스 DC 모터, 즉 BLDC입니다.

그림 1: 브러시리스 DC 모터 다이어그램 (이미지: Portescap)

BLDC는 브러시가 회전하는 전기자에서 전기적 연결을 만드는 기계적 정류를 사용하는 브러시드 모터와 달리 기계적 정류가 없습니다.

움직이는 부품의 감소로 브러시리스 모터는 볼 베어링의 마모에 의해서만 수명이 제한됩니다. 또한 권선은 열 방산과 과부하 용량을 개선하여 다른 DC 솔루션 대비 높은 효율을 제공합니다.

브러시가 없기 때문에 BLDC는 뛰어난 내구성과 저소음 특성도 보입니다. 표면 영구 자석(SPM)과 내부 영구 자석(IPM)의 두 가지 주요 구조 유형이 있습니다. SPM 모터는 자석이 로터 표면 외부에 부착되어 있습니다. 반면 IPM 모터는 영구 자석이 로터 내부에 내장되어 있습니다.

DC 모터와 드라이버

BLDC는 높은 효율을 제공하지만, 무엇보다 많은 애플리케이션에서 사용되는 우수한 토크와 속도 값을 제공합니다. 정지 자석과 회전 전기자를 사용하여 다양한 부품을 결합해 전자적 정류를 제공합니다.

BLDC의 설계는 토크를 최적화하는 것을 목표로 합니다. 토크는 모터의 회전력 양을 나타내며 자석과 코일 권선과 관련이 있습니다. 자석의 극 쌍 수가 많을수록 모터 토크가 커집니다.

한 예로 Portescap의 Ultra EC 플랫폼이 있습니다. ECS, ECT, ECP 세 가지 제품군으로 구성되며, 토크와 속도 요구사항에 따라 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있습니다. 특허받은 U 코일은 최소한의 철 손실을 제공하여 좋은 효율과 더 시원한 동작을 제공합니다(그림 2).

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

Maxon Motor AG의 EC-i 브러시리스 모터는 로봇 애플리케이션에 적합한 작은 직경으로 제공됩니다. 높은 다이내믹과 고토크 특징을 가집니다.

EC-i 제품군은 여러 크기로 제공되며, 각각 표준 버전과 고토크 버전이 있습니다. 최대 공칭 토크는 75W에서 최대 110mNm입니다. 모든 버전에서 EC-i 30 모터는 인코더, 기어박스, 서보 컨트롤러, 포지셔닝 컨트롤러로 확장 가능합니다(그림 3).

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

STMicroelectronics는 Maxon과 함께 로봇 및 산업 애플리케이션 설계를 가속화하는 새로운 키트를 개발했습니다. EVALKIT-ROBOT-1 키트는 로봇 애플리케이션에서 정밀한 포지셔닝을 제공합니다.

키트에는 ST의 STSPIN32F0A 지능형 3상 컨트롤러와 ST 파워 트랜지스터로 구성된 완전한 인버터 스테이지가 포함되어 모터 연결 준비가 되어 있습니다. STSPIN32F0A는 컴팩트한 7×7mm VFQFPN 패키지에 STM32F031C6 마이크로컨트롤러와 3상 인버터 드라이버를 포함한 중요한 모터 제어 회로를 내장합니다(그림 4).

모터 제어 펌웨어로 설계자는 엔진을 시작하고 명령을 쉽게 보내 프로젝트를 최적화할 수 있습니다. 키트에는 내장 1024펄스 인크리멘탈 인코더가 있는 100W Maxon BLDC 모터(EC-i 40)와 로터 위치 감지용 홀 센서가 포함됩니다.

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

BLDC 모터는 꽤 효율적이지만, 점점 더 엄격해지는 요구사항을 충족하기 위해 기업들은 모터 구조뿐만 아니라 드라이버도 개선해야 합니다. 특히 전체 에너지 소비를 줄이고 열 관리를 최적화하는 데 주력하고 있습니다.

많은 경우 이러한 설계는 필요한 외부 부품 수를 최소화하는 통합 드라이버와 높은 수준의 통합을 허용하는 시스템온칩 솔루션을 통합합니다. 이점으로는 공간과 에너지 절약, 전체 시스템 신뢰성 향상, 비용 절감이 있습니다.

BLDC는 기계적으로 전류 방향을 전환하는 구조가 없기 때문에, 이것은 전자적으로 수행되어야 합니다. 파형은 사다리꼴과 정현파의 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다. 온도 제한과 비용 때문에, 센서를 사용하지 않고 3상 전류나 유도 전압에서 로터(자석) 위치를 추정하는 경우가 있습니다.

드라이버는 애플리케이션에서 속도와 방향을 적절히 제어할 수 있도록 올바른 모터 제어를 보장해야 합니다. 최신 마이크로컨트롤러(MCU)는 DC(및 AC) 전기 모터를 위한 고효율 제어 루프를 개발하는 데 필요한 성능과 계산 기능을 제공하는 데 완벽합니다.

많은 MCU는 포지셔닝 데이터를 사용하여 복잡한 알고리즘을 실시간으로 처리할 수 있는 신호 처리 기능을 지원합니다. 이는 점점 더 많은 애플리케이션이 포지셔닝 데이터를 제공하는 센서를 제거하려고 시도하기 때문에 중요합니다. 많은 MCU가 모터 제어 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 주변장치를 가지고 있습니다.

예를 들어, Renesas Electronics의 RL78/G14 마이크로컨트롤러는 CPU 동작 시 66µA/MHz, 대기(STOP) 모드에서 240nA의 낮은 전류 소모로 전류 소비 수준을 균형 있게 유지하며, 51.2 DMIPS(32MHz)의 높은 계산 성능을 제공합니다. 통합된 안전 기능은 가전제품용 안전 표준 IEC/UL 60730을 지원합니다.

BLDC 모터에서 드라이브는 더욱 복잡해집니다. 속도와 토크는 과도 상태의 온/오프 지속 시간 비율로 제어되며, 보통 모터 권선을 구동하는 PWM 신호 형태를 취합니다. 이 조건은 단상, 2상, 3상 모터의 사용으로 더욱 복잡해집니다. 오늘날 많은 통합 디바이스가 드라이브 스테이지로 사용됩니다. 일반적으로 외부 파워 MOSFET을 구동하는 게이트 드라이버를 포함하여 모터의 최대 3상을 여기시킵니다.

모터는 많은 전류를 필요로 하지만 컨트롤러 회로는 저전류 신호로 동작합니다. 따라서 모터 드라이버의 기능은 저전류 제어 신호를 받아 모터를 구동할 수 있는 고전류 신호로 변환하는 것입니다.

Infineon Technologies AG는 가변 속도 드라이브 제어를 위한 다양한 통합 제품을 제공합니다. iMOTION IC는 센서리스 필드 지향 제어(FOC)에 필요한 모든 제어 및 아날로그 인터페이스 기능을 통합합니다. 또한 회사의 검증된 모터 제어 엔진(MCE) 알고리즘을 탑재하여 제어 프로토콜 개발 과정에서 소프트웨어 코딩을 제거합니다.

또 다른 공간 절약형은 Texas Instruments Inc.(TI)의 스마트 게이트 드라이버입니다. 이 드라이버들은 수동 부품을 통합하여 보드 크기, 부품 수, 복잡성, 설계 비용을 줄입니다. 또한 설계자가 스위칭과 전자파 간섭(EMI) 성능을 최적화할 수 있게 합니다.

광범위한 드라이버 포트폴리오에서 TI는 개별 제어 가능한 3개의 하프 H-브리지 드라이버를 갖춘 DRV8313을 제공합니다. 이 디바이스는 3상 브러시리스 DC 모터를 구동하도록 설계되었지만, 솔레노이드나 다른 부하를 구동하는 데도 사용할 수 있습니다. 통합된 비교기로 전류 제한 회로나 다른 기능을 구성할 수 있습니다.

또 다른 예는 Toshiba Electronic Devices & Storage Corp.의 폐루프 속도 제어 기능이 있는 TC78B025FTG 브러시리스 3상 모터 드라이버 IC입니다. 이 디바이스는 4.5V~16V 전압 범위의 전원 공급으로 동작하며 150° 스위칭의 정현파 구동을 제공합니다. 0.2Ω(표준)의 낮은 온 저항은 동작 중 IC의 자기 발열을 줄여 높은 구동 전류를 지원합니다.

전기적 절연

일반적으로 전기 모터 설계자는 외부 소스로부터의 간섭을 방지하고 사용자의 전기적 안전을 보장하기 위해 국제 절연 표준을 준수해야 함을 알고 있습니다. 디지털 절연의 사용은 과전류 보호 통합과 다운타임 감소를 허용하는 더 빠른 응답을 포함한 여러 이점을 제공합니다. 이는 출력 전압의 더 점진적인 변화를 제공하여 토크 제어를 개선합니다.

포토커플러는 광전자 기술을 기반으로 하기 때문에 물리적 접촉 없이 전기적 절연을 보장하는 극도로 견고한 방법입니다. 이는 릴레이 같은 전자기계 부품 사용에 기반한 전통적 접근 방식 대비 많은 이점을 제공합니다. 주요 이점으로는 마모 없는 동작, 상대적으로 낮은 보완 부품 비용, 최소 보드 공간, EMI 내성, 높은 신뢰성, 긴 수명이 있습니다.

모터 드라이브 애플리케이션에서 회로의 두 주요 부분에 절연이 필요합니다: 브리지 인버터에서 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT, 한쪽에 컬렉터와 이미터가 있고 다른 쪽에서 게이트로 구동되는 디바이스)의 게이트 드라이브와 모터의 전류 위상 검출입니다. 위상 전류 감지는 IGBT를 보호하고 컨트롤러에 피드백을 제공하여 폐루프 전류 제어를 유지합니다.

로봇 애플리케이션에서 사용할 수 있는 몇 가지 포토커플러 예시는 다음과 같습니다:

패키지 길이가 2.5mm인 Renesas Electronics Corp.의 RV1S92xxA와 RV1S22xxA 포토커플러는 유사 디바이스 대비 PCB 면적을 35% 줄여 설계자들이 로봇 시스템 크기를 줄일 수 있게 합니다. 강화 절연 덕분에 RV1S92xxA와 RV1S22xxA는 200V와 400V 시스템이 안전 표준을 초과 달성할 수 있게 합니다. 모든 디바이스는 엄격한 UL61800-5-1 모터 제어 표준과 PLC 같은 제어 시스템에 적용되는 UL61010-2-201을 준수합니다(그림 5).

그림 5: Renesas Electronics의 RV1S92xxA와 RV1S22xxA 단면도 (이미지: Renesas)

Toshiba의 TLP5214는 SO16L 패키지에 내장된 고집적 4A 출력 전류 IGBT 게이트 드라이브 포토커플러입니다. TLP5214는 IGBT 탈포화 감지, 절연 결함 상태 피드백, 소프트 IGBT 셧다운, 액티브 밀러 차단, 저전압 차단(UVLO) 같은 첨단 내장 기능을 가집니다. 인버터 애플리케이션에 사용되는 IGBT와 파워 MOSFET 구동에 적합합니다.

결론

모터가 산업용이든 비산업용이든 작동 환경에서 사용되든, 정확한 포지셔닝 능력을 갖춘 고급 모션 제어 설계는 복잡하며 극도로 신뢰할 수 있는 드라이브 솔루션과 최적의 기계적 구조를 요구합니다.

최근 몇 년간 전기 모터는 드론과 Agriculture 4.0 같은 새로운 로봇 애플리케이션과도 연결되어, 신속한 프로토타이핑, 전용 운영 체제, 통합 제어 시스템 같은 새로운 제조 시스템 덕분에 가속화된 발전을 보였습니다.