반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 밥 카드(Bob Card), 온세미 ASG 마케팅 매니저

세상의 많은 부분이 자동화되면서 모션 제어의 중요성은 점점 더 커지고 있다. 모터를 효과적으로 구동하려면 속도와 위치를 설명하는 제어 입력이 필요하다. 그러나 이러한 센싱에는 다양한 기술이 존재하고, 각 기술은 서로 다른 속성과 용도를 가지고 있다.

본 기고에서는 다양한 회전 센싱 기술을 비교하고, 이러한 기술을 선택한 이유에 대해 설명한다. 또한 현재 시장에 있는 최신 디바이스를 살펴보고자 한다.

위치 센싱을 위한 애플리케이션

더 높은 수준의 정확도, 향상된 수율, 낮은 운영 비용을 달성하기 위해, 이전에는 수작업으로 진행됐던 공정들이 자동화되면서 위치 센싱 애플리케이션이 빠르게 성장하고 있다. 실제로 어떤 형태이든 움직임이 존재하는 곳이라면 컨트롤러에 위치 정보를 제공하는 센서가 존재할 것이다.

인더스트리 4.0(Industry 4.0)은 산업 시장의 자동화 영역에서 많은 발전을 이끌고 있다. 로보틱스가 보편화되면서 지치거나 실수하지 않는 24시간 내내 가동되는 '라이트 아웃(lights out)' 작동이 가능해졌다. 여기에는 각 움직임 축에 대한 센서가 필요하다. 기존 공장에서 인간과 함께 일하는 '코봇(cobots)'도 마찬가지이다.

요즘에는 많은 부품들이 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계, 레이저 커터, 3D 프린터와 같은 기계로 제작된다. 이러한 기계에는 각각 움직이는 부품이 있으며, 품질 목표를 달성하기 위해서는 정밀한 위치 제어가 필요하다. 일단 형성되면, 자동화된 자재 취급 또는 컨베이어 벨트를 통해 이동하는 경우가 많고, 이 역시 위치 센싱이 필요하다.

공장 환경 밖에서는 환자나 스캐너를 이동시키는 대형 의료 장비에 대한 위치 제어가 필요하다. 또한 로봇이 수술을 수행할 수 있게 되면서 매우 정밀한 제어가 필요해졌다.

운송 분야에서는 모든 애플리케이션에 모션이 존재한다. 기차, 농기계, 건설 장비와 같은 기존 차량은 물론이고, 창고에서 사용되는 자율 주행 로봇(AMR)과 같은 최신 애플리케이션과 수천 대의 드론에서도 위치 센싱이 사용되고 있다.

내연기관(ICE), 전기차(EV), 하이브리드 등 승용차의 모든 형태의 추진 방식이 전기화됨에 따라, 기계식 제어 방식은 '드라이브 바이 와이어(drive by wire)', '스티어 바이 와이어(steer by wire)'와 같은 시스템으로 대체되고 있다. 이러한 시스템이 작동하려면, 가속 페달(가속기)의 위치가 전자 제어 장치(ECU)로 전달되거나 스티어링 휠이 조향 제어 시스템으로 전달돼야 한다.

차량 작동의 거의 모든 측면으로 제어가 확대되면서, 서스펜션 부품(레벨링/승차감 제어), 파워트레인, 자동 창문, 선루프, 문 잠금장치 등의 영역에서도 위치 센싱을 찾아볼 수 있다.

위치 센싱 기술 비교

로터리 위치 센싱에 사용할 수 있는 세 가지 주요 기술은 광학, 자기식, 유도형으로, 각각 작동 모드와 장단점, 적용 분야가 다르다.

광학 엔코더는 모든 경우에 해당되는 것은 아니지만 가장 정확한 것으로 간주되는 경우가 많고, 구멍이 있는 디스크에 빛을 통과시켜 작동한다. 디스크가 회전할 때 빛 펄스를 통해 움직임을 감지할 수 있다.

그림 1. 로터리 위치 센싱을 위한 주요 선택은 광학, 자기식 또는 유도형

일반적으로 이러한 디바이스는 정밀 로보틱스나 CNC 선반, 레이저 커터와 같은 기계 도구처럼 최고의 정확도가 요구되는 분야에서 사용된다. 이러한 디바이스는 매우 정확하고 자기장에 민감하지는 않지만, 디스크의 진동과 먼지에는 민감해 사용할 수 없게 될 수 있다.

자기식 엔코더는 정확도가 낮은 경향이 있고, 주로 비용에 매우 민감한 애플리케이션에 사용된다. 이는 진동이나 오염이 있는 곳에 적합하지만, 외부 자기장의 영향을 받기 때문에 적용 범위가 제한적이다.

유도형 엔코더는 자기식 엔코더보다 우수한 정확도를 제공한다. 자기장에 민감하지 않을 뿐 아니라 높은 수준으로 진동과 오염에 대응할 수 있다. 또 다른 장점은 반복성이 뛰어나고 온도에 민감하지 않으며, 부품 수가 적고 크기가 작아서 자석 형태의 희토류 재료가 필요하지 않다는 점이다.

NCS32100 이중 유도형 위치 센서

온세미의 NCS32100 이중 유도형 위치 센서는 간단하지만, 혁신적인 두 개의 PCB 디스크를 사용해 +50아크초(arcsec) 또는 0.0138도의 기계적 회전보다 우수한 세계 최고 수준의 비접촉식 위치 정확도를 구현한다. 하나의 PCB는 모터의 고정자(stator)에 부착되고, 다른 단일 레이어 PCB는 로터(rotor) 또는 샤프트(shaft)에 고정된다. 이러한 PCB 모두 0.1mm에서 2.5mm 사이의 에어 갭으로 분리돼 서로 평행하게 배치된다. NCS32100은 고정자 PCB에 위치한다.

미세와 굵은(이중) 전도성 트레이스 또는 코일은 양쪽 디스크 표면에 인쇄된다. 여자코일(excitation coil)이라고 불리는 세 번째 전도성 트레이스는 고정자 PCB에 인쇄된다. NCS32100은 4MHz 사인파(sine wave)를 여자코일로 전송해 고정자 여자코일 주변에 전자기장을 생성한다. 패러데이의 상호 유도 법칙(Faraday’s Law of Mutual Induction)에 따라, 로터의 미세 코일과 굵은 코일은 전자기장과 교차해 와전류의 형태로 에너지를 로터 코일에 결합한다.

한편, 고정자의 미세 코일과 굵은 코일은 최대 8개의 NCS32100 수신기 입력에 연결된다. 로터가 회전하면, 로터의 와전류가 고정자 수신기 코일에 교란을 일으킨다. NCS32100은 내부 디지털 신호 처리 장치(Digital Signal Processor, DSP) 안의 독자적인 알고리즘으로 이러한 교란을 처리해 로터 위치를 측정한다.

그림 2. 간단한 솔루션으로 높은 성능을 제공하는 이중 유도형 기술

NCS32100은 40mm PCB 센서를 사용해 분당 최대 6,000RPM의 회전 속도에서 ±50아크초의 위치 정확도를 달성하며, 정확도는 약간 떨어지지만, 최대 45,000RPM의 속도에서도 위치를 제공할 수 있다. 더 큰 PCB 센서 또는 정밀한 로터와 고정자 정렬을 통해 +/-10아크초 이하의 더 높은 정확도를 달성할 수 있다.

이 간단한 솔루션은 배치할 전자 부품이 거의 필요하지 않아 크기가 작고 비용이 저렴하다. 또한 온도 변동, 오염, 외부 자기장에 전혀 영향을 받지 않는다.

이중 유도형 기술을 위한 통합 솔루션

온세미의 NCS32100는 산업 애플리케이션과 환경에서 사용할 수 있는 고정밀 로터리 위치 센서 설계를 가능하게 한다. 절대적 디바이스이기 때문에 위치를 결정하는 데 모션이 필요하지 않다. 또한 NCS32100은 최대 45,000RPM의 속도에서 회전 속도를 계산할 수 있다.

이 디바이스는 최대 6,000RPM까지 ± 50아크초의 전체 정확도를 제공해 많은 광학 엔코더의 성능에 필적한다. 또한 Arm® 코어텍스(Cortex®) M0+ MCU가 통합돼 있어 높은 수준의 구성 가능성과 내부 온도 센서를 제공한다.

NCS32100에 내장된 보정(calibration) 루틴을 통해 한 번의 명령으로 센서를 자체 보정할 수 있고, 2초 만에 프로세스를 시작할 수 있다. 레퍼런스 엔코더가 필요하지 않으며, 로터가 100~1000RPM으로 움직이고 있다면 언제든지 루틴을 실행할 수 있다. 모든 보정 계수(calibration coefficients)는 비휘발성 메모리(NVM)에 저장된다.

일반적인 광학 솔루션에는 광학 디스크, 고정자 PCB, LED 드라이버 PCB라는 3개의 PCB가 필요하며, 전체 기능을 수행하려면 약 100개의 부품이 필요하다.

그림 3. 낮은 복잡성과 비용으로 광학 정확도 수준을 제공하는 이중 유도형 기술

반면, NC32100 기반 솔루션은 부품이 없는 단일 레이어 PCB인 로터와 12개의 부품만 포함된 고정자 PCB라는 단 두 개의 PCB만 필요하다.

자동차 애플리케이션에서는 비용과 신뢰성도 중요하지만, 특히 스티어링이나 제동과 같은 애플리케이션의 안전이 가장 중요하다. 온세미의 자동차용 NCV77320 절대 위치 센서는 이러한 중요한 사용 사례를 위해 특별히 ISO26262에 따라 설계됐다. NCV77320의 위치 정확도는 PCB 지오메트리에 따라 194.3 아크초 또는 0.0539도의 기계적 회전이다. 이는 NCS32100이 8개의 리시버 입력을 가진 반면, NCV77320은 3개의 리시버 입력만 가지고 있고, 미세와 굵은 코일 PCB 구성이 지원되지 않기 때문이다. NCV77320과 NCS32100은 모두 로터리 엔코더 또는 리니어 엔코더로 작동할 수 있다.

NCV77320 애플리케이션에는 브레이크 페달 센서, 가속 페달 센서, 모터 위치 센서, 브레이크 시스템 센서, 차량 레벨 센서, 변속기 범위 센서, 스로틀 위치 센서, 배기가스 재순환 센서 등이 포함된다. NCS32100과 마찬가지로 NCV77320은 오염, 온도 변화, 자기 간섭에 민감하지 않으면서 주변 온도가 -40ºC ~ +150ºC인 자동차 환경에서 사용할 수 있다. 최대 10,800RPM의 회전 속도에서 작동할 수 있는 NCV77320은 SENT, SPI 또는 아날로그를 통해 보조(companion) MCU와 통신한다.

자동화가 보편화되면서 로터리 모터의 위치를 감지할 수 있는 기능에 대한 요구가 증가하고 있다. 이를 위해 광학, 자기식, 유도형 등 다양한 기술이 존재한다. 광학은 정밀도가 뛰어나지만, 비용이 비싸고 오염 물질에 취약하다. 자기식은 비용이 저렴하지만, 자기장의 영향을 쉽게 받는다.

유도형이 선호되고 있으며, 이중 유도형 센서의 등장으로 훨씬 더 비용 효율적인 방식으로 광학 수준의 정확도를 제공하는 센서를 구축할 수 있게 됐다.