소형 모터 드라이브를 위한 빠른 응답 피드백 최적화

모터 회전 데이터(위치, 속도, 방향)는 오늘날의 신흥 시장을 위한 신뢰할 수 있는 드라이버와 컨트롤러를 제공하기 위해 정밀하게 측정되어야 합니다. 초소형 PCB에 미세 부품을 배치하는 픽 앤 플레이스 머신부터 수술 로봇과 UAV까지, 고정밀 모터 제어에 대한 수요가 계속 증가하고 있습니다.

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Figure 1. 폐루프 모터 제어 피드백 시스템. (출처: Analog Devices, Inc.)

모터 제어 아키텍처

폐루프 모터 시스템에서 모터, 컨트롤러, 위치 피드백 인터페이스가 핵심 루프를 형성합니다(Figure 1). 모터는 전기 에너지를 기계적 회전으로 변환하고, 컨트롤러는 가속, 감속, 정지 지점을 지시하며, 위치 인터페이스는 실시간 속도와 위치를 컨트롤러에 보고합니다. 정확한 위치 데이터는 PCB의 정밀 부품 배치와 고속 픽 앤 플레이스 작업 같은 작업의 생명선입니다.

로봇 팔, 마이크로 조립 스테이션, 소형 액추에이터 같은 초소형 장치에서는 PCB 면적의 1밀리미터도 중요합니다. 따라서 설계자는 피드백 센서의 엄격한 정확도 요구사항과 작은 인클로저의 물리적 제약 사이에서 균형을 맞춰야 합니다.

위치 피드백 시스템 설계

하위 레벨에서는 단순한 증분 센서와 비교기가 충분할 수 있습니다. 그러나 고급 애플리케이션에는 센서, 아날로그 프론트엔드, ADC, 디지털 드라이버로 구성된 정교한 신호 체인이 필요합니다. 이 중 옵티컬 엔코더는 해상도와 견고성 면에서 여전히 금 표준입니다.

옵티컬 엔코더는 일반적으로 LED 광원, 모터 샤프트에 부착된 마크 디스크, 포토디텍터로 구성됩니다. 디스크의 불투명/투명 패턴이 빛을 변조하여 샤프트의 절대 위치를 인코딩하는 사인 및 코사인 파형을 생성합니다. 이 파형은 종종 밀리볼트에서 마이크로볼트 범위로, ADC의 입력 범위에 맞추기 위해 1V 피크 투 피크 윈도우로 증폭되어 다이내믹 레인지를 최대화합니다.

사인 및 코사인 신호는 동시에 캡처되어야 하므로 ADC는 동시 샘플링을 지원해야 합니다. 결과 데이터는 ASIC 또는 마이크로컨트롤러로 전달되어 매 PWM 주기마다 엔코더를 쿼리하여 모터를 정확하게 구동합니다. 역사적으로 설계자는 ADC 속도, 채널 수, 보드 풋프린트 사이에서 트레이드오프를 해야 했으나, 최신 집적 솔루션으로 이러한 제약이 깨지고 있습니다.

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Figure 2. 위치 피드백 시스템. (출처: Analog Devices, Inc.)

위치 피드백 최적화

현대 모터 제어 애플리케이션은 엔코더 해상도의 한계를 밀어붙입니다. 최신 옵티컬 엔코더는 미세 리소그래피로 디스크에 수백 또는 수천 개의 슬롯을 조각하여 전례 없는 정밀도를 구현할 수 있습니다.

고성능 ADC로 사인 및 코사인 신호를 더 높은 속도로 샘플링하면 샘플 사이를 보간하여 디스크 재설계 없이 엔코더 해상도를 효과적으로 높일 수 있습니다. Figure 3은 느린 샘플링 속도가 위치 추정의 충실도를 제한하는 반면, 더 빠른 속도는 더 많은 디테일을 포착하여 더 정확한 샤프트 위치를 산출하는 방법을 보여줍니다.

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Figure 3. 샘플링 속도. (출처: Analog Devices, Inc.)

고속 샘플링은 오버샘플링을 통해 해상도를 높일 뿐만 아니라 다운스트림 디지털 인터페이스의 요구사항도 완화합니다. 4 MSPS ADC는 낮은 직렬 데이터 속도로 상세한 샘플을 제공하여 컨트롤러와의 통신 링크를 단순화합니다.

옵티컬 엔코더 위치 피드백 설계 예제

다음 회로도(Figure 4)는 절대 엔코더를 위한 최적화된 옵티컬 엔코더 인터페이스를 보여줍니다. 프론트엔드는 ADA4940-2, 듀얼 채널 완전 차동 증폭기를 사용하여 16비트, 4 MSPS, 동시 샘플링 SAR ADC(AD7380)를 3mm × 3mm LFCSP 패키지로 구동합니다.

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Figure 4. 최적화된 피드백 시스템 설계. (출처: Analog Devices, Inc.)

온칩 2.5V 레퍼런스는 외부 레퍼런스의 필요성을 없애 부품 수를 줄입니다. LT3023 또는 LT3032 같은 저드롭아웃 레귤레이터가 ADC의 VCC/VDRIVE와 증폭기 레일을 모두 공급합니다.

회전당 1024 사이클의 사인/코사인을 생성하는 1024-슬롯 엔코더와 결합할 때, 16비트 AD7380은 각 슬롯을 216번 샘플링하여 엔코더 해상도를 효과적으로 26비트로 높입니다. 4 MSPS 처리량은 온칩 오버샘플링을 추가로 가능하게 하여 ADC의 해상도 부스트 기능을 통해 최대 28비트까지 도달할 수 있습니다.

요컨대, 고속 동시 샘플링 ADC와 콤팩트한 완전 차동 프론트엔드의 조합은 표준 옵티컬 엔코더를 28비트 정밀도 기기로 변환합니다. 이는 고속, 소형 모터 제어에 완벽합니다.

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