작성일: 2008.2.26
최근 전자 부품들이 저렴한 가격대에 더욱 향상된 성능과 통합 수준을 제공하면서 전자 제어 장치 또한 빠르게 확산되고 있다. 가전 기기에서부터 자동화된 산업용 생산라인에 이르기까지 많은 기술과 애플리케이션에 있어서 가장 핵심은 설계 및 전력 효율을 향상시킴과 동시에 설계, 개발 및 전체 시스템 비용을 줄이는 것이다.
이와 함께 모션 컨트롤 애플리케이션 분야는 과거 단순한 온/오프 형태의 제어에서, 이제는 고집적 환경에서 동작하는 정밀 제어 시스템을 갖춘 다양한 속도 애플리케이션으로 발전하면서 더욱 복잡해지고 있다. AC, DC, 브러쉬(Brushed) 및 브러쉬리스(Brushless) 모터의 다중 제어 방식에 이용되는 핵심 부품은 사용자 인터페이스, MCU 및 컨트롤 로직이다.
센서 인터페이스는 폐쇄루프 모션 컨트롤을 위한 애드 온 부품이다(그림 1). 모션 컨트롤 로직을 디지털 도메인으로
옮기면 분산 제어 환경을 통한 제어가 가능해진다. 모션 컨트롤 전자 부품과 분산형 네트워크를 결합하면 원격 관리, 프로토콜 변경에 대한 응답 기능, 성능 모니터링, 정기적인 유지보수와 같이 제조환경에 새로운 기능을 제공할 수 있다.
일례로, 스테퍼 모터로 구동되는 로봇 팔은 오늘날의 자동차 조립라인에서 널리 쓰이고 있다. 로봇 공학은 여러 대의 차량에서 동시에 서로 다른 부품들을 고정시키기 위해 다양한 로봇 팔을 사용하는 분산형 제어 방식을 더욱 복잡하게 한다. 시스템 설계자들이 겪는 기본적인 어려움 중 하나는 LAN(Local Area
Network)을 통해 다른 로봇 팔이나 기타 산업 자동화 장비와 동기화 하는 것이다. 여기에 복잡한 중앙 제어 기술에서 중요한 역할을 하는 모니터링, 데이터 공유 및 원격 구성 등의 원격 관리 기능들이 더해지면 일은 더욱 복잡해진다. 따라서 효과적인 분산 제어 방식이 매우 중요하다고 할 수 있다.
플래시 기반 혼합신호 FPGA
액텔의 퓨전 프로그래머블 시스템 칩과 같은 플래시 기반의 혼합신호 FPGA는 싱글칩 형태로 높은 집적 성능을 제공한다. 이들 솔루션은 절반 수준의 비용과 보드 공간으로 디스크리트 부품 호스트를 대체하고 시스템 안정성을 유지해준다(그림 2). 이 혼합 신호 솔루션에 내장된 플래시 메모리에는 설계 파일을 저장할 수가 있어 SRAM 
기반의 FPGA와 같이 보드에서 별도의 구성 PROM을 이용할 필요가 없다. 또한, 기타 재프로그래밍 가능
FPGA 솔루션과 같은 유연한 컨피규러블 혼합신호 FPGA 디바이스는 개발 중, 또는 디바이스가 시스템에 적용된 후에도 쉽게 디자인 변경이 가능한 것이 특징이다.
병렬 프로세싱을 통한 FPGA의 수학적 연산 가속화 능력은 모터 제어를 위한 컨트롤 로직 구현에 이상적이다. FPGA는 제어 루프를 더욱 밀도 높게 구현할 수 있어 제어 성능을 향상시키고, 리플/잡음을 감소시킨다. 플래시 메모리를 집적한 혼합신호 FPGA의 출시로, 설계자들은 소프트 프로세서 코어를 집적하고, 온칩 메모리로부터 곧바로 구동하며, 컨트롤 로직과 인터럽트 구동형 프로세싱
요구사항을 긴밀하게 결합할 수 있다.
설계에서 로직의 양과 종류를 비롯해 컨트롤 로직의 기능성은 성능 요건에 기반해 개별 애플리케이션에 따라 달라진다. 그러므로 프로그래머블 로직은 네트워크, 주변 인터페이스, PWM(Pulse Width Modulation), 쿼드 인코더 인터페이스 및 센서 입력과 같이 오늘날 모션 컨트롤 시스템에 있어서 매우 중요한 각종 사용자 인터페이스와 디지털 컨트롤 로직에서 선호되고 있다.
- 네트워크 및 주변 인터페이스
모션 컨트롤 시스템, 네트워크 및 주변 인터페이스를 통해 사용자들은 로직을 초기화, 구성 및 제어하는데 필요한 명령어를 만들고, 제어 시스템을 원격으로 관리할 수 있다. 기능과 토폴로지에 따라 각 구현 방법에는 고유의 네트워크 및 주변 인터페이스 방식이 이용될 수 있다. 그러나 모든 모션 컨트롤 시스템에 있어서 한 가지 공통점은 인터페이스를 이용해 시스템 액세스 기능을 향상시킨다는 것이다.
현재, 로컬 액세스를 위한 USB, RS-232 기반 시리얼,
CAN (Controller Area Network) 인터페이스를 비롯해 TCP/IP 기반의 네트워킹 방식을 위한 10/100 이더넷 등 다양한 산업 표준 인터페이스가 공존하고 있다. 자동차 제조라인과 같이 까다로운 환경에서는 무선 네트워크 인터페이스가 필요할 수도 있다. 이 인터페이스는 시스템 동기화, 데이터 공유, 상태 모니터링 및 제조시설 내에서 고장 알림과 같은 기능을 담당한다. 뿐만 아니라 TCP/IP 기반의 네트워크 인터페이스를 이용하면, 어떠한 거리에서도 중앙 생산 제어에 원격으로도 접근이 가능하다.
대부분의 경우, 산업 자동화 애플리케이션은 특별한
작업을 수행하기 위해 고유의 제어 알고리즘 및 메커니즘을 필요로 한다. 표준 인터페이스 외의 기능을 위해 고유의 인터페이스가 사용된다. 분산형 제어 환경을 충분히 활용하기 위해서는 업계 표준 인터페이스 또는 고유의 네트워킹 프로토콜이 보드 레벨에서 추가되거나 프로그래머블 로직에 내장되어야 한다. FPGA는 모든 인터페이스가 구현될 수 있는 우수한 플랫폼이다. 특히, 아날로그 프런트엔드와 함께 오늘날의 FPGA 솔루션은 다양한 사용자 입력 형태를 지원할 수 있을 뿐만 아니라 모션 컨트롤과 관련된 전압, 전류, 온도 모니터링 기능을 제공한다.
- PWM 로직
PWM 로직은 모든 모션 컨트롤 애플리케이션에 맞는 '원 사이즈'제품이 아니다. 와인딩, 정격 전압/전류, 토크 프로파일 및 기타 파라미터의 수가 매우 다양하기 때문에 각 PWM 시스템은 이와 같은 다양성에 대해 계산할 필요가 있다. PWM 제어 시스템에서는 전압이 적용되는 시퀀스가 회전 방향을 결정한다.
각 와인딩의 인덕턴스에 기반해 각 펄스의 듀티 사이클 또는 주파수 및 기간이 피크 전류와 마그네틱 플럭스, 또는 토크를 결정한다. 각 기계적 모멘텀과 와인딩 인덕턴스는
이용된 회전 수에 의해 부분적으로 설정되고, PWM 전압을 통합하거나 부드럽게 할 것이다. 구동 전자제품의 시퀀싱, 주파수 및 듀티 사이클 제어를 통해 PWM 시스템은 방향, 속도 및 평균 토크를 제어할 수 있다. FPGA를 이용하면, 설계 엔지니어는 기존 MCU/DSP 솔루션의 기능을 활용하여 대충 때우는 게 아니라, 시스템 요건을 제대로 충족하는 PWM 솔루션을 구축할 수 있다.
- 쿼드 인코더 인터페이스
로봇 팔에 쓰이는 서보 타입 스테퍼 모터와 같이 대부분의 고정밀 모터는 쿼드 인코더 인터페이스를 지원한다. 제어 시스템은 정확한 속도, 위치 및 모션 로터(Rotor)의 가속화를 결정할 수 있도록 쿼드 인코더 인터페이스 로직을 제공해야 한다. 프로그래머블 로직 구현을 통해 모션 컨트롤 시스템에 사용되는 모터의 특성에 따라 다양한 모드에 맞추어 정확도 및 동적 속도를 조절할 수 있다.
- 센서 입력
폐쇄루프 모션 컨트롤 시스템에는 로터 포지션 및/또는 타코미터(Tachometer) 입력이 필요하다. 빌트인 홀 효과(Hall-effect) 센서 또는 외부에 실장된 광학 포지션 인코더, 싱크로 리졸버(Synchro-resolver) 또는 마그네틱 솔루션 센서가 여기에 해당될 수 있다. 통합 아날로그 프런트엔드와 함께 혼합신호 FPGA는 고도로 집적된 솔루션을 제공함으로써 부품 수와 시스템 비용을 감소시키고, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
신뢰성 및 시스템 업타임
오늘날의 전자 시스템에 있어서 높은 성능과 낮은 집적 비용 및 신속한 진단은 매우 중요하다. 시스템 관리 구현에 있어 진단 및 예후를 비롯해 고장 모드를 결정하거나 이들을 예측할 수 있는 능력이 점점 더 중시되고 있다. 타임 스탬프 시스템 파라미터를 리드백 하거나 생산 후 고장 분석을 검토하는 것은 시스템 개발에 있어 매우 중요하다. 이와 함께 '블랙박스'를 종합하는 능력은 고장 모드와 설계의 결점 부분을 파악할 때 귀중한 시간과 노력을 아껴줄 것이다. 혼합신호 FPGA의 온칩 플래시 메모리는 설계자들이
파워 레일의 전류 소모, 디바이스 온도 및 전압 레일 변화와 같은 핵심 시스템 파라미터를 절약하고 타임 스탬프 할 수 있도록 한다. 고장이 발생하면 이러한 데이터를 분석해 고장의 근본 원인을 파악할 수 있지만, 동작 중에 시스템 트렌드를 분석하고 싶어하는 설계자들도 있다.
예컨대, 와인딩으로의 전류를 비롯해 모터 진동(전압 입력으로서의)을 측정해 언제 계획대로 장비를 다운시켜야할지 결정할 수도 있다. 산업 애플리케이션에서 셧다운을 미리 계획하면, 비계획적일 때보다 비용을 크게 절약할 수 있다. 그 이유는 문제를 해결하는데 드는
비용과 장비 셧다운으로 인한 수익 손실 가능성을 피할 수 있기 때문이다. 설계자는 혼합신호 FPGA를 이용해 특정 파라미터가 보드 수명에서 어떻게 변화하는지를 분석함으로써 고장이 발생하기 전에 이를 미리 예측할 수 있다. 그 결과 기계 활용을 극대화 하고, 시스템 업타임을 향상시키는 한편, 많은 비용이 따르는 크래쉬(시스템 고장)의 위험을 줄일 수 있다.
전자 모터는 다양한 종류의 애플리케이션을 비롯해 전자기계에서 전자 설계로 진화하고 있는 많은 부분에 활용된다. 전자 모터 제어의 사용 확대에 있어 한 가지 걸림돌은 컴퓨터와 전력
전자부품의 비용이었다. 그러나 반도체 공정 및 기능 통합의 기술적 향상과 함께 이러한 문제는 거의 해결되었다. 오늘날의 고정 기능 구현 방식에는 설계 비용이 많이 들고, 설계 반복작업과 함께 서로 다른 부품 및 보드 레벨의 변경이 요구되기 때문에 FPGA는 아직도 많은 모션 컨트롤 애플리케이션의 핵심 대안이 되고 있다.
액텔의 퓨전 PSC와 같은 플래시 기반의 혼합신호 FPGA는 알고리즘 및 컨트롤 로직 업데이트를 모두 지원해 업계 표준 또는 고유의 사용자 인터페이스, 원격 관리 기능, 제어 알고리즘 및 센서 입력 향상을 제공한다. 가장
이상적인 모션 컨트롤 설계는 아무 문제없이 함께 동작할 수 있도록 설계된 상호운용이 가능한 부품으로 구성되어 있는 것이라 할 수 있다. 혼합신호 FPGA 솔루션은 높은 집적도를 제공함으로써 이러한 요구를 충족한다. 뿐만 아니라 부품 수, 보드 공간 및 전체 시스템 비용을 낮출 수 있어 신뢰성과 업타임을 더욱 향상시킨다.
글렌 영(Glen Young) 제품 마케팅 매니저｜액텔
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