드라이브 산업은 접속, 제어, 통신에서 높은 정밀도를 제공하는 프로세서 기반 솔루션을 채택하고 있다. 텍사스 인스트루먼트는 소형의 차별화된 고집적 산업용 드라이브 솔루션을 제공함으로써 더 나은 에너지 절약을 달성할 수 있도록 해준다.

에너지 비용의 상승과 환경 규제 강화로 인해 에너지 효율 시스템이 시급하다. 전기 모터가 전 세계 에너지 소비의 40~50%를 차지하고 있으며, 산업은 모터의 전체 생산성 향상에 집중하고 있다. 정속 드라이브는 본질적으로 비효율적이기에 프로세서로 제어되는 가감속도 모터로 활발히 교체되고 있는 중이다.

이 새로운 커넥티드 모터 제어 기술은 에너지 소비를 약 30%까지 줄여줄 것으로 예상된다. 드라이브 솔루션에서의 이러한 변화와 인버터 및 AC 드라이브의 수렴 현상에서, 시스템이 지속적으로 신뢰성을 가지며 보다 효율적이 되는 것이 무엇보다 중요하다.

이러한 커넥티드 드라이브 솔루션 추세가 이어지면서 지능형 산업용 시스템은 디지털 모터 피드백 시스템을 채택하고 있다. 통신용 산업 이더넷과 결합된 모터 제어 피드백의 디지털화는 공장 및 에너지 부문에서 더 높은 효율을 발휘한다. 커넥티드 드라이브는 현장에서 사용하는 자동화 시스템에 따라 다양한 통신 인터페이스를 가지고 있다. 현장에서 통신 프로토콜을 가동하면 제품 설계 및 제품 완성 비용을 크게 절약할 수 있다.

드라이브 산업은 접속, 제어, 통신에서 높은 정밀도를 제공하는 프로세서 기반 솔루션을 채택하고 있다. 이 글은 텍사스 인스트루먼트의 고집적 산업용 드라이브 솔루션에 초점을 맞춰 전체 드라이브 아키텍처에 대해 소개한다.

규칙 중심의 통합 산업용 모터 제어

산업용 모터 드라이브의 주된 개체는 모터 제어, 산업용 통신, 제어 및 통신 기능을 관리하기 위한 애플리케이션이다. 이러한 핵심 기능들이 집적된 지능형 모듈러 설계는 플랫폼 비용을 줄여주면서 플랫폼 유연성을 높여준다. 싱글 칩 드라이브 솔루션은 소형 솔루션 설계의 간결성을 갖추고 있으면서 저렴한 시스템 비용으로 다양한 시스템 솔루션들을 지원할 수 있는 집적 능력까지 갖춘 하이브리드 아키텍처를 채택하고 있다.

프로그래머블 인프라를 이용함으로써 차별화된 시스템의 고성능과 복수의 프로토콜과 알고리즘, 구성 등을 지원하는 응용력을 소형 고집적 패키지로 동시에 달성할 수 있다. 이 아키텍처의 핵심은 모듈러 설계에 있다. 모듈러 설계는 실시간 통신, 애플리케이션, 제어 등의 기능들 사이에서 작고 결정론적인 인터페이스를 제공함으로써 시스템 맞춤에서 폭넓은 유연성이 가능하다. 모듈러 단일칩 드라이브 솔루션은 이러한 토대 위에 모터 제어 주변장치들을 통신 및 애플리케이션 기능들과 함께 통합시킴으로써 구현된다. 싱글 칩의 드라이브 동기화를 통해 통신과 제어 사이의 지연이 크게 줄어든다. 

고집적 산업용 구동에는 모터 제어, 산업용 통신은 물론, 제어 및 통신 기능을 단일칩 솔루션에서 관리하는 애플리케이션이 포함돼 있다(그림 1 참고).

- 통신 인터페이스는 실시간 통신 링크와 동기화된 시스템 타이밍과 더불어 필드 네트워크를 제공한다. 이 통신 인터페이스는 PLC 또는 모션 컨트롤러에 연결돼 있다.
- 애플리케이션은 전체 드라이브 통신 및 제어 기능을 관리하는 드라이브의 하이레벨 제어가 가능하다. 여기에 구성, 스타트업/셧다운, 상태, 작동, 모션 컨트롤, 기타 등등의 관리 기능들을 넣을 수 있다.
- 제어 부분에는 FOC(Field Of Control) 알고리즘, 모터 PWM 컨트롤러, 전류 및 위치 피드백 시스템 컴포넌트가 들어 있어 정숙한 동작과 긴 수명이 가능하다.

산업용 드라이브 아키텍처의 이 세 가지 구성요소를 여러 가지 구성을 달리하여 구현할 수도 있다. 산업 환경에는 하이레벨로 세 개의 프라이머리 프로세서 드라이브 구성이 있다:

- 인버터
- 서보 드라이브 (싱글 축, 모터 집적 옵션)
- AC 프리미엄 드라이브 (멀티 축, 다양한 파워 스테이지 선택)

인버터

인버터가 하이 레이어 제어 시스템에 연결되는 경우가 늘어남에 따라, 산업용 통신 통합이 과거에는 옵션 사항이었지만 지금은 표준 기능이 되어가고 있다(그림 2 참고).

핫 사이드 프라이머리 드라이브 구성의 경우, FOC가 집적된 단일 칩은 저가의 1축 드라이브를 제공할 수 있다. 이 구성에서, 핫 도메인과 콜드 도메인 사이의 절연은 필드 버스 인터페이스로 수행된다.

서보 드라이브

그 다음 증분은 멀티 프로토콜 실시간 이더넷과 멀티 프로토콜 인코더 피드백, 시그마-델타 데시메이션 필터를 가진 콜드 사이드 1축 싱글 축 드라이버이다. 이 구성에서 핫 도메인과 콜드 도메인 사이의 절연은 드라이브와 전류 피드백, 위치 피드백 인터페이스에서 수행된다. 전류 측정을 위한 시그마-델타 인터페이스는 높은 절연과 고정밀 전류 측정 성능이 필요할 때 강력한 솔루션이 된다(그림 3 참고).

AC 프리미엄 드라이브

세 번째 아키텍처는 멀티 축 드라이브와 멀티프로토콜 필드 버스, 실시간 이더넷, 고급 애플리케이션 알고리즘, 고급 제어 성능, 증가된 하드웨어 가속, 고성능 아날로그 집적 등을 지닌 2칩 솔루션이다(그림 4 참고).

드라이브에 통신 기능 집적

통신은 뛰어난 자동화 생산 시스템에 사용되는 모든 산업용 구성요소의 근간이다. 기존의 직렬 기반 시스템은 더 빠르고 더 결정론적인 이더넷 기반 실시간 통신 시스템으로 이동하고 있다.

이더넷은 속도를 더 높여주고, 접속 거리를 증가시켜 주며, 이전보다 더 많은 노드 연결을 가능하게 해준다. 여러 산업 장비 제조사들이 모터 드라이브 등 산업용 시스템 연결을 위해 구동하는 산업용 이더넷 프로토콜들이 다양하게 존재한다. 이 프로토콜로는 EtherCAT짋, PROFINET짋, EtherNet/IP™, Sercos짋 III 등이 있다. 여러 가지 산업용 통신 표준과 프로토콜에 대해 더 자세히 알려면, http://www.ti.com/lsds/ti/arm/applications/industrial/connected_industrial_drives.page를 참고한다.

커넥티드 산업용 드라이브 솔루션

TI 플랫폼 아키텍처에는 싱글 통합 프로세서가 들어 있어 모터/모터 제어, 실시간 산업용 이더넷 통신, 데이터 획득을 수행할 수 있다. 커넥티드 산업용 드라이브는 ARM짋 Cortex짋 프로세서와 강력한 프로그래머블 고정-함수 주변장치 세트로 구성되어 있어 산업용 통신과 측정, 제어에 알맞다. 

이것을 통해 싱글 디바이스는 사용하기 편리하고 작으며 탄력적인 고성능 싱글 솔루션으로 복수의 디바이스를 대신할 수 있다. 단일칩 고성능 ARM Cortex 프로세스에는 컨트롤 루프와 모션 컨트롤 알고리즘의 성능을 극대화시키는 부동소수점 가속 기능이 들어 있다(그림 5 참고).

TI 프로세서 아키텍처는 쿼드코어 프로그래머블 실시간 유닛(PRU) 산업용 통신 서브시스템 (ICSS)를 제공한다. 이것은 Sitara™ 단일칩 드라이브 제품군이 산업용 이더넷, 피드백 프로토콜, 제어 등의 기능들을 동시 제공하게 해준다. ICSS 시스템은 PROFINET, EtherCAT, PROFIBUS, EtherNet/IP, POWERLINK, SERCOS 3 프로토콜들을 지원한다(그림 6 참고).

모터 드라이브는 산업용 애플리케이션에서 매우 다양하게 쓰이고 있으며, 전압 및 파워 레벨의 범위가 넓다. 산업용 드라이브에는 AC 및 DC 드라이브와 더불어 모터 피드백 시스템을 이용해 서브메커니즘의 동작과 성능을 제어, 조절하는 서브 드라이브도 있다.

모터 제어 기능에는 모터 FOC(Field Oriented Control), PRU 당 멀티채널 EnDat2.2 마스터, PRU 당 멀티채널 시그마델타 Sinc3 필터, 복수의 PWM(Pulse Width Modulators)이 들어 있다.

또한 Sitara 단일칩 드라이브 솔루션에는 실시간 클록 등 산업용 애플리케이션을 지원하는 다수의 집적 서브시스템과 QEP(Quadrature Encoder Pulse) 드라이버, ADC(analog-to-digital converters), 듀얼 카메라 인터페이스, 듀얼 CAN, 듀얼 기가비트 이더넷 인터페이스, 기타 주변장치 인터페이스 등이 들어 있다(그림 7 참고).

Sitara 단일칩 드라이브는 감지된 FOC 동작을 지원하는 절대 위치/각도 및 속도 피드백을 위해 복수의 절대 디지털 위치 인코더 인터페이스를 지원한다(표 2 참고).

산업용 드라이브 소프트웨어의 커넥티드 드라이브 속성

Sitara 단일칩 드라이브는 모듈러 소프트웨어 아키텍처를 이용해 실시간 통신, 애플리케이션, 제어 등의 기능들 사이에서 작고 결정론적인 인터페이스를 제공하고 있다. 이 단일칩 드라이브 소프트웨어는 풋프린트가 적은 TI의 RTOS 실시간 커널과 산업용 소프트웨어 개발 키트(SDK)에 기반하고 있다. 이 SDK는 EtherCAT, PROFIBUS, EtherNet/IP, PROFINET 등 실시간 산업용 통신 프로토콜들을 지원하도록 최적화되어 있다. 실시간 산업용 통신 외에도, 이 SDK는 EnDAT와 시그마-델타 데시메이션 필터 같은 모터 피드백 프로토콜을 지원하고 있어 더욱 정밀한 전류 감지가 가능하다(그림 9 참고).

단일칩 드라이브 - 제어 사이클

그림 10은 전형적은 산업용 통신 동작을 보여주고 있다. EtherCAT 통신은 순환 및 비순환 통신으로 구성돼 있다. 순환 통신에는 보통의 프로세스 정보가 들어 있다. 이 통신은 PLC 마스터 또는 모션 컨트롤러에서 정기적인 간격(50~500μs)으로 개시되며, Sitara 단일칩 드라이브와 정보를 교환한다. Sitara 단일칩 드라이브에 의해 PLC나 모션 컨트롤러로 전송되는 이 정보에는 측정 및 상태 정보가 들어있을 수 있다.

모션 컨트롤러나 PLC에서 수신된 정보에는 위치 시퀀스와 기타 제어 정보가 들어 있을 수 있다. 산업용 통신 동작의 실시간 부분은 PRU-ICSS에서 수행되며 ARM이 관리하는 통신 스택과 출력 및 입력 정보를 교환한다. 수신된 순환 위치 시퀀스는 ARM 모션 제어 애플리케이션에 의해 매 통신 사이클마다 세 개의 모션-제어 시퀀스로 변환된다.

이 모션 제어 시퀀스는 속도/위치 정보를 필드 지향 제어 알고리즘에 제공하여 3상 PWM 모터 제어 명령을 생성한다. 이 필드 지향 제어 알고리즘은 EnDAT 2.2 인코더와 델타시그마 모듈레이터의 위치 및 전류 피드백 입력을 이용해 폐쇄 루프 제어를 제공한다. 이러한 동작에서 비롯된 상태 및 오류 정보는 다음 통신 사이클에 다시 모션 컨트롤러나 PLC로 전송된다. 

이 프로세싱은 ARM 프로세싱 성능의 일부분만 이용한다. 그러면 ARM이 다른 비순환(비정기) 통신과 웹 서버 같은 프로세싱 기능들을 지원할 수 있어 원격 상태, 제어, 프로그래밍 등의 동작들을 지원할 수 있게 된다.

커넥티드 산업용 모터 컨트롤 벤치마크

산업용 통신 모터 제어 레퍼런스 디자인(TIDEP-0025, http://www.ti.com/tool/tidep0025)을 위한 단일칩 드라이브는 TI-RTOS에 따른 600MHz에서 Sitara AM437x 프로세서를 사용한 단일칩 모터 제어 벤치마크의 디자인 보고서이다. 이 모터 제어 벤치마크 구성은 싱글 3상 모터 드라이브와 전류 및 EnDAT 2.2 위치 피드백으로 구성돼 있다. 모터 제어와 동시에 동작하는 것이 EtherCAT 슬레이브로 100μs 사이클 타임으로 PLC 마스터와 통신을 한다. 이 EtherCAT의 분배 클록은 낮은 지터 분배 클록을 제공하는 데 사용된다(그림 11 참고).

이 벤치마크는 단일 축 47kHz 제어 루프 속도가 600MHz AM437x 프로세서와 ARM Cortex-A9에서 쉽게 달성되며, 산업용 이더넷 통신에서 PLC 마스터와 100μs 사이클 타임 통신을 동시 수행할 수 있음을 보여주고 있다. 이 벤치마크를 TI-RTOS를 이용해 수행하면, OS 독립형 인터럽트 지연에 관한 더 많은 정보와 시스템 레벨의 최적화가 이 고도 집적 단일칩 산업용 드라이브 플랫폼에서 지속적으로 일어나게 될 것이다(표 3 참고)

결론

PRU-ICSS가 집적된 AM437x 프로세서는 모터 컨트롤에서 위치 피드백에 관한 복수 프로토콜이 가능함과 동시에 통신에 관한 복수 프로토콜도 가능한 탄력성을 가지고 있다. 산업 최초이자 유일한 이 하이브리드 멀티-멀티 프로토콜 솔루션은 현장에서 프로토콜들을 가동할 수 있어서, 제품 설계 및 제품 완성에서 상당히 많은 비용을 절감할 수 있다. 시간이 무엇보다 중요한 애플리케이션을 위해 설계되는 프로그래머블 솔루션의 가장 큰 장점은 산업 환경에서 끊임없이 변화하는 표준들에 맞춰 응용력을 발휘할 수 있고 전체 지연을 크게 줄일 수 있다는 데 있다.

PRU가 지원하는 통신 프로토콜 중에는 PROFIBUS, EtherCAT, PRO FINET, EtherNet/IP, Sercos Ⅲ,POWERLINK 등이 있다. AM437x 프로세서의 쿼드코어 PRU는 통신 프로토콜들을 지원할 수 있고, EnDat 2.2, BISS, HiperFace 같은 모터 피드백 컨트롤 프로토콜들도 병렬로 지원할 수 있어서, 단일칩 산업용 드라이브 솔루션으로서 매력적이다. AM437x 산업용 개발 키트(IDK)는 고객이 하나의 싱글 프로세서를 이용해 접속, 제어, 통신에서 고도로 차별화된 이 멀티-멀티 프로토콜을 평가할 수 있도록 해주는 개발 플랫폼이다.

단일칩 산업용 드라이브 솔루션을 이용하면, 고도의 집적이 가능하면서도 전체 제품 효율을 개선할 수 있다. 접속, 제어, 통신 기능 블록의 시스템 통합을 통해, 텍사스 인스트루먼트는 소형의 차별화된 제품으로 더 나은 에너지 절약을 달성할 수 있게 해주는 솔루션을 제공하고 있다.