반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 알레산드로 마지오니(Alessandro Maggioni), 온세미(onsemi) EMEA 수석 마케팅 매니저

제조부터 운송, 엔터테인먼트에 이르기까지 모든 분야의 지속적인 발전을 위해서는 기계의 정밀도와 함께 제어 능력 향상을 통해 성능을 개선하는 것이 중요하다.

현대의 많은 기계 중심에는 최소한 하나의 모터가 있다. 로봇, 엘리베이터, 자동차, 전동 공구 등의 발전을 위해서는 모터를 더욱 정밀하게 제어하는 것이 중요하다. 모터의 성능은 정밀한 제어 능력으로 결정되고, 정밀한 제어 능력은 모터의 위치를 정확하게 감지하는 것에 달려 있다. 그리고 정밀한 감지 능력 정확한 센서 기술의 성장에 의존한다.

모터의 정밀도, 제어 능력, 성능을 향상시키기 위해, 설계자는 새로운 레벨의 위치 정확도를 갖는 유도 위치 센서를 사용할 수 있다.

인코더

마그네틱 인코더(magnetic encoder)와 옵티컬 인코더(optical encoder)는 모두 모터의 위치 변화와 속도 사이의 관계를 활용한다.

마그네틱 인코더에는 여러 종류가 있지만 모두 동일한 현상에서의 변화에 의존한다. 모터에는 하나 이상의 자석이 장착돼 있다. 이러한 자석들이 자기 감지기(magnetic detector)를 기준으로 움직이게 되면 자기장도 상대적인 움직임에 비례하여 변화한다.

마그네틱 인코더의 분해능은 종류에 따라 다르며, 경우에 따라서 회전 당 수백 펄스(PPR) 단위로 측정될 정도로 매우 낮을 수 있다. 더 높은 정확도는 정밀한 제조 과정에서 결정되고, 크기와 무게는 종류에 따라 다르다. 또한, 극한의 온도에서는 부정적인 영향을 받을 수 있다. 마그네틱 센서의 한 가지 단점은 전자파 간섭(EMI)에 노출되는 애플리케이션에서는 사용할 수 없을 정도는 아니더라도 신뢰성이 떨어질 수 있다는 것이다. 

옵티컬 인코더는 빛의 펄스를 감지한다. 기본적인 형태는 모터에 디스크 모양의 격자를 장착하는 것이다. 포토다이오드(photodiode)는 회전하는 격자 위 또는 격자를 통과하는 빛의 펄스를 감지한다. 빛의 펄스의 시퀀스가 ‘코드’를 구성하므로 ‘옵티컬 인코더’라는 용어로 사용된다. 이 기술은 모터의 회전 속도와 위치를 모두 결정한다.

옵티컬 인코더는 자기장에 영향을 받지 않는다. 따라서, 해상도가 높고 정확도가 우수하지만, 그 성능은 설치를 어떻게 하는지에 달려있다. 옵티컬 인코더는 먼지, 그을음, 습기 등의 환경 오염 물질에 의해 쉽게 손상될 수 있고, 극심한 온도 변화에도 악영향을 받을 수 있다. 이러한 센서를 사용하면 일반적으로 더 큰 비용이 드는 정확도를 낮추고 빠른 속도를 얻을 수 있다.

유도 센서

모터와 함께 사용되는 세 번째 유형의 센서는 유도 센서이다. 유도 센서는 실제로는 자석을 기반으로 하지만, 자기장의 변화를 측정하는 것이 아니라 전류, 즉 유도 전류를 측정한다.

자기 감지 센서는 기어의 회전을 감지한다. 기어의 톱니는 센서를 통과할 때, 센서에 비례하는 전압을 유도하는 다양한 플럭스를 생성하며, 유도된 전압은 회전 속도 및 방향과 상관관계가 있다.

유도 센서는 약 한 세기 동안 사용되어 왔다. 유도 위치 센서 솔루션은 일반적으로 진동, 온도 변화, 환경 오염 물질에 덜 민감하며, 기계적으로도 더 간단하고 신뢰성이 높다.

지난 20년 동안 유도 센서는 자동차 시장에서 점점 더 대중화되었다. 자동차에 사용되는 유도 센서는 낮은 비용과 높은 신뢰성을 갖도록 설계되어, 속도가 느리며 정확도가 낮다.

이러한 특성은 특정 애플리케이션에서는 적합했지만, 유도 센서는 더욱 좋은 성능을 달성할 수 있었다.

듀얼 유도 로터리 센서

듀얼 유도 로터리 센서는 유도 센서의 새로운 변형이다. 이 새로운 유도 위치 센서는 빠른 속도와 함께 높은 정확도를 갖는다.

온세미의 듀얼 유도 위치 센서는 두 개의 인쇄 회로 기판(PCB)으로 구성된다. 하나는 두 개의 인덕터가 인쇄된 로터이고, 다른 하나는 인덕터와 인코더 IC가 인쇄된 스테이터이다.

이 센서는 38mm 센서를 기준으로 +/-50 아크초(arcsec)보다 높은 정확도를 가지며, 최대 6,000RPM까지 최대 정확도를 제공한다(최대 100,000RPM까지 동작 가능). 또한, 20비트 단일 회전 분해능 출력과 24비트 다중 회전 분해능 출력을 제공한다.

그림 1. 온세미의 NCS32100 로터리 위치 센서

듀얼 유도 위치 센서는 인크리멘탈 인코더(incremental encoder)와 달리 앱솔루트 인코더(absolute encoder)이므로 로터가 움직이지 않을 때도 위치 데이터를 제공할 수 있다.

표준 모듈에는 펌웨어가 내장된 M0-ARM 마이크로컨트롤러(MCU)가 통합되어 있다. 이 마이크로컨트롤러는 프로그래밍 가능하고 원형의 아날로그 신호 대신 위치와 속도를 출력한다. 이러한 모듈의 유연한 구성 기능은 다양한 유도 센서 패턴과의 연결성과 다양한 디지털 출력 형식을 제공한다.

이러한 접근 방식은 기계적으로 간단하며 필요한 구성 요소의 수가 적다. 또한, 바이패스 커패시터(bypass capacitor), 튜닝 커패시터(tuning capacitor)와 같은 최소한의 외부 부품만 필요하다. 플러그 앤 플레이 기능이 있고 보정이 비교적 쉬우며, 오류 수정과 진단 기능이 있어 설치가 쉽고 작동이 간편하다. 다른 유도 센서와 마찬가지로 견고하고 안전하며 신뢰할 수 있다. 또한, 표준 모듈로 제공되지만 기본 설계는 다른 구성에 도움이 된다.

이 통합 솔루션은 산업용 애플리케이션과 요구 사항에 맞게 설계됐다. 듀얼 유도 위치 센서는 현재 중급, 고급 옵티컬 인코더가 사용되고 있는 곳과 로보틱스, 산업용 드라이브, 공장 자동화 시스템, 다양한 산업용 기계와 같은 애플리케이션에서 사용할 수 있다.

설계자가 센서 옵션을 평가할 때는 애플리케이션의 작동 요구 사항을 충족하는 것뿐만 아니라 애플리케이션의 장기적인 수명도 고려하는 것이 중요하다. 온세미의 듀얼 유도 로터리 위치 센서를 사용함으로써 구성요소 감소, 작동 수명 연장, 간편한 측정을 통해 전체 소유 비용이 절감된다.

저자소개

알레산드로 마지오니(Alessandro Maggioni)는 온세미의 ASG(Advanced Solutions Group)의 EMEA 지역 수석 마케팅 매니저이다. 반도체 업계에서 18년 이상의 경력을 쌓았으며, 애플리케이션 엔지니어로 시작하여 주로 마케팅 업무를 담당해왔다.

참고자료

Dummys-Guide-to-Position-Sensors_REV_1.0.pdf

powerup-s2-ep2