TI의 C2000 Defino F28379 MCU 같은 강력한 프로그래머블 MCU는 산업 드라이브 제어 시스템온칩(SoC)의 미래를 대변한다. 이들 MCU는 보조 프로세싱 요건을 위한 외부 FPGA가 필요 없거나 FPGA 크기를 크게 줄였기 때문에 더욱 효과적이고 효율적인 아키텍처가 가능하다.

여러 면에서 로봇이나 그 밖의 애플리케이션과 같이 서보 및 브러시리스 모터가 수반되는 산업 드라이브 제어 시스템의 시스템 설계자는 시스템에 들어갈 제어 및 커넥티비티 빌딩 블록(“접착” 요소)을 개발, 통합, 테스트하는데 많은 시간을 쏟아부어야 한다. 이것은 개발 사이클이 길어지거나 보드 면적이 커지고, BOM(bill of materials) 비용이 상승하는 등의 문제를 야기할 수 있다. 이 때문에 개발자들은 성능 강화, 정밀도 증가, 제어 루프 개선 같은 차별화 요소에 집중할 수 없게 된다

이에 대한 예로 마이크로컨트롤러(MCU)를 위치 센서와 인터페이싱 하는 작업을 들 수 있다. 이러한 센서는 리니어 혹은 앵귤러(angular)거나 다축일 수도 있으며, 모터로 구동되는 기계시스템의 상대적 위치나 절대적 위치를 감지하는 데 사용된다. 감지된 위치는 아날로그 또는 디지털 전기 신호로 변환되어 제어 회로로 전송된다.

지금까지 위치 센서와 MCU의 인터페이싱은 통신 프로토콜을 FPGA(Field Programmable Gate Array)에 통합시키거나 추가 MCU를 디코드 프로토콜과 함께 프로그래밍하는 시간 소모적인 작업이었다. 또한 인코더 프로토콜들이 다수 존재하고 각자 특정 유형의 기능과 서브시스템에만 적합하다는 점은 이러한 상황을 더욱 심화시킨다. 시스템 설계팀이 프로토콜별로 FPGA를 몇 가지 개발해야 할지도 모르는데, 그럴 경우 한 애플리케이션에서 다른 애플리케이션으로 효과적으로 확장하지 못할 수도 있다.

또한 이런 종류의 FPGA 구현은 시스템의 전자 BOM을 높이고, 필요한 보드 공간에 영향을 주며, 개발 사이클을 늘리는 등 시스템 비용을 증가시킨다. 더 나아가 개발자들은 종합적인 적합성 테스트로 산업 표준 준수를 인증받아야 한다. 이러한 상황 때문에 산업 드라이브 시스템에서 위치 센서와 제어 구성요소의 인터페이싱을 간소화하여 설계자들이 기능과 성능에 집중하도록 함으로써 진정으로 차별화된 경쟁력 있는 시스템을 만들어낼 수 있게 해주는 솔루션이 필요하다.

위치 피드백 통합

C2000™ Delfino™ MCU 포트폴리오를 바탕으로 텍사스 인스트루먼트(TI)는 산업 드라이브 제어 시스템을 위한 광범위한 플랫폼을 제공하고 있다.

정교하고 정밀한 제어 시스템이 요구하는 처리 능력을 시작으로, 이 C2000 Delfino F28379D 및 F28379S MCU는 오늘날 가장 대중적인 규격품 아날로그 및 디지털 위치 센서 인터페이스들을 지원하는 DesignDRIVE Position Manager 기술 등 모든 온칩 리소스들이 모두 장착돼 있다. 이를 통해 시스템 설계자는 가장 기본적이고 반복적인 작업에서 벗어날 수 있어 설계 시간이 절약된다.

TI는 위치 센서와 디지털 컨트롤러의 인터페이싱에 대해 폭넓은 전문 경험을 가지고 있다.
TMDSRSLVR 같이 리졸버-투-디지털 솔루션을 위한 단독 인터페이스 솔루션을 시작으로, TI는 지속적으로 그 위치 피드백에 인터페이스 지원을 추가하고 있다.

값비싼 리졸버-투-디지털 칩셋을 C2000 MCU 온칩 성능으로 대체했고, 고성능 아날로그-투-디지털 컨버터(ADC)와 디지털-투-아날로그 컨버터(DAC)를 활용했다. 또한 C2000 MCU의 강력한 삼각함수 프로세싱은 각도를 계산하여 리졸버의 진폭 변조 사인곡선 신호의 고분해능 속도 정보를 추출하는데 필요한 추가 프로세싱에 특히 적합하다.

대부분의 C2000 MCU는 리니어 또는 로터리 인크리멘털식 인코더와 인터페이싱을 할 수 있는 eQEP(enhanced quadrature encoder pulse) 모듈을 지원한다. 이러한 인코더들은 맥박을 측정해 고성능 운동 위치 제어 시스템에 사용되는 회전 기계들로부터 위치(인덱스를 알게되면), 방향, 속도 정보를 구한다. 또한 모터 제어를 위한 산업 자동화에서 PLC(programmable logic controller)가 출력하는 PTO(pulse train output)신호와 인터페이싱하는데 eQEP를 사용할 수도 있다.

또한 eQEP는 시계방향/반시계방향(CW/CCW) 신호와도 인터페이싱을 할 수 있다. CW/CCW 신호는 주로 스텝퍼나 서버 드라이버와 함께 모터를 제어하거나 다른 모션 기반 하드웨어를 제어하는 데 쓰인다. C2000 F28379 MCU는 최대 세 개의 eQEP 모듈을 지원한다.

리졸버와 QEP 기능은 빠르고 효율적인 통합 솔루션을 제공함으로써 위치 센서와 C2000 Delfino MCU의 효과적인 인터페이싱을 가능하게 한다.

그 다음 단계는 MCU를 더욱 진화된 디지털 및 아날로그 위치 센서와 바로 연결시킬 수 있는 보완적 솔루션을 넣어 그 지원을 한층 더 확장시키는 것이었다.

DesignDRIVE Position Manager 기술

TI의 DesignDRIVE 플랫폼을 통해 Position Manager 기술은 C2000 Delfino F28379S 및 F28379D MCU의 온칩 하드웨어 리소스들을 활용해 가장 대중적인 디지털 및 아날로그 위치 센서들과 인터페이싱을 한다. 인크리멘털식 인코더(eQEP), CW/CCW 통신, 독립형 리졸버 솔루션 등에 대한 지원이 이미 구현돼 있는 Position Manager는 아날로그 위치 감지를 위한 솔루션을 추가하여 리졸버 여자(excitation)및 센싱 둘 다와 SinCos 변환기 매니저를 통합하고 있다.

C2000 MCU에만 있는 Position Manager는 아날로그 센서 지원과 대중적인 디지털 절대 인코더 EnDat 2.2 및 BiSS-C를 조합함으로써 시스템 설계자가 다양한 위치 센서 유형들 중에서 어느 하나를 고를 수 있도록 하고 있다.

이 통합 Position Manager 기술은 FPGA가 특정 인코더를 MCU에 인터페이싱 해야 할 필요를 없애주거나 다른 기능에 필요할 수 있는 FPGA의 크기를 극적으로 줄여줌으로써 시스템 설계자가 개발 사이클을 앞당기고 BOM비용을 줄일 수 있게 해준다. 그림 3은 Position Manager 기술이 시스템 설계자의 하이레벨 및 로우레벨 소프트웨어 드라이버의 개발 부담과 과거 외부 FPGA에 구현되었던 커스텀 하드웨어 및 로직의 개발 부담을 어떻게 줄여주는지를 보여주고 있다.

또한 DesignDRIVE에서 다운로드 한 폐회로 위치-센서-기반 제어 프로젝트의 사례를 수정하여 고객 프로젝트에 맞게 통합시킬 수도 있다. 낮은 시스템 레이어들은 온칩으로 제공되거나 레퍼런스 디자인 및 레디 투 유즈(ready-touse) 라이브러리 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API) 모듈을 통해 제공된다.

개발시간을 줄이는 것 외에도, Position Manager 기술은 시스템 제조사가 과거에 겪어왔던 컴플라이언스 테스트 및 상호작동성 테스트도 줄여준다. Position Manager 기술은 여러 종의 센서들에서 충분히 테스트를 거쳤다. 테스트 결과는 사용자 가이드를 참고한다. 또한 Position Manager는 앞으로 있을 표준 개정과 업데이트도 지원할 예정이다.

새로운 위치 센서 인터페이싱 역량

위치 피드백 기술의 풍부한 유산을 출발점 삼아 TI는 위치 센서 인터페이스 솔루션의 성능과 기능을 강화, 확장할 수 있었다. 다음은 DesignDRIVE Position Manager 기술을 통해 TI의 역량에 최근 추가된 몇 가지 것들이다.

SinCos

SinCos는 Hiperfaceⓡ 같은 인코더 인터페이스와 그 밖의 전용 인터페이스들에 구현돼 있는 피드백 기법이다. 이러한 사인곡선 절대 인코더는 리졸버나 증분 인코더보다 훨씬 더 높은 위치 및 속도 분해능을 제공한다. 기존 쿼드러처(quadrature) 인코더에서는 쿼드러처 펄스 쌍의 엣지를 세어 각도 정보를 구한다. 각도 분해능은 기계 회전 당 펄스 숫자로 정해진다. 그러나 SinCos 변환기에서는 센서의 사인 및 코사인 출력 쌍 사이의 관계를 이용해 엣지 사이의 각도를 계산함으로써 각도 측정 정밀도가 상승된다.

사실상 엣지 사이의 보간법으로 “정교한” 각도를 구한다. 정교한 각도는 두 개 사인곡선 입력의 아크탄젠트를 이용해 계산한다. 이 계산이 유효하려면, 두 개 입력을 동시에 샘플링 해야 한다. 일반적으로 인코더 샤프트의 기계 회전마다 사인곡선의 수 천 개 전기 회전이 일어난다.

F28379 Delfino MCU의 내부 아날로그 서브시스템은 SinCos 변환기와의 인터페이싱에 이상적이다. 같은 소스에서 촉발될 수 있는 복수 ADC들은 두 개 입력 채널의 동시 측정을 가능하게 해준다. 또한 F28379 MCU는 TMU(Trigonometry Math Unit)의 일부로 네이티브 ARCTAN 명령을 넣고 있다. 이것은 각도 계산을 70나노초 안에 완료할 수 있다는 뜻이다.

높은 모터 샤프트 속도 상태도 고려해야 한다. 이 경우 정밀한 각도 정보가 더 이상 필요 없게 되며, 측정 알고리즘은 전체 사인곡선 회전 수만 세어 “조악한’ 각도 수치만 알아내면 된다. 일반적으로 이것은 들어오는 사인곡선을 부호변환점 쓰레스홀드와 비교하는 아날로그 비교기 쌍을 이용해 완수된다. 이 비교기 출력은 각 사인곡선의 부호와 일치하며, 결과로 나온 디지털 신호는 쿼드러처 인코더가 생산한 신호와 비슷하다.

F28379 MCU에서는 최대 8개 쌍의 아날로그 콤퍼레이터가 있으며, 각자 자기만의 프로그래머블 쓰레스홀드 전압을 가지고 있다. 이를 통해 쿼드러처 펄스가 생성될 수 있고, 이것은 내부적으로 온칩 쿼드러처 인코더 주변장치(QEP) 모듈 중 하나에 공급되어 조악한 각도 및 속도 측정을 하게 된다.

EnDat

EnDat는 독일 하이덴하인(HEID ENHAIN)이 개발한 디지털 양방향 네개 와이어 인터페이스이다. EnDat 인코더의 센서는 위치 값을 통신, 전송하고, 인코더에 저장된 정보를 업데이트할 수 있으며, 그 정보를 저장할 수 있다. 데이터는 클록 신호와 함께 전송된다. C2000 MCU는 인코더가 전송할 데이터의 유형을 위치 값, 파라미터, 진단등으로 선택할 수 있다.

Position Manager 기술은 C2000 F28379 MCU를 바로 EnDat 인코더에 인터페이싱 한다(그림 5). 이 MCU의 유일한 외부 컴포넌트는 두 개의 RS-485 트랜시버와 인코더 파워 서플라이 회로이다. EnDat Master는 C2000 MCU의 구성형 로직 블록을 이용해 구현돼 있다. 이 로직 블록에서 통신 프로토콜이 처리된다.

Position Manager 기술은 HEID ENHAIN의 여러 가지 로터리, 리니어, 멀티회전 인코더들에서 70미터 이상 거리로 13 bit부터 35 bit까지의 분해능에서 테스트를 거쳤다.

BiSS-C

오픈소스 BiSS(bi-directional/serial/synchronous) 디지털 인터페이스는 실시간 통신 프로토콜에 기반하고 있다. 오리지널 사양은 독일의 iCHaus GmbH가 개발했다.

BiSS-연속모드(BiSS-C)가 산업 애플리케이션에 사용되고 있다. 이 사양은 SSI(Synchronous Serial Interface)에 그 뿌리를 두고 있다. BiSS-C 인터페이스는 클록 및 데이터를 위한 두 개의 단방향 라인 또는 양방향 라인으로 구성된다.

Position Manager 기술이 지원하는 모든 인터페이스에서처럼, C2000 F28379 MCU에서 실행되는 BiSS-C 마스터는 위치 센서의 BiSS-C 인코더 슬레이브에 바로 연결될 수 있다(그림6). 이 인터페이스는 위치 값과 추가 정보를 인코더에서 바로 MCU로 전송한다. 이 MCU는 인코더의 내부 메모리를 바로 읽고 쓸 수 있다.

TI의 Position Manager 기술에는 BiSS-C 라이브러리의 풍부한 기능들이 들어 있어서, 시스템 개발자는 개발 프로젝트에 대해 손쉽게 구상을 할 수 있다. 예를 들어, 8 MHz의 클록 주파수는 최대 100미터 길이의 케이블에서 지원된다. 또한 C2000 MCU BiSS 인터페이스를 조정해 모듈러 기능 제어를 개선할 수 있고, 매 컨트롤 사이클마다 인코더의 위치 정보를 전송함으로써 타이밍 제어를 개선할 수 있다.

산업 드라이브 제어 시스템온칩

TI의 C2000 Defino F28379 MCU 같은 강력한 프로그래머블 MCU는 산업드라이브 제어 시스템온칩(SoC)의 미래를 대변한다. 이들 MCU는 보조 프로세싱 요건을 위한 외부 FPGA가 필요 없거나 FPGA 크기를 크게 줄였기 때문에 더욱 효과적이고 효율적인 아키텍처가 가능하다.

이제 TI는 산업 드라이브 시스템 개발자가 낮은 지연, 높은 분해능, 더 강력한 프로세싱 리소스 등 한층 차별화된 제품을 내놓을 수 있도록 다음 행보를 이어가고 있다. 이러한 행보에는 Position Manager 기술로 MCU와 위치 센서의 인터페이싱을 간소화하는 일도 포함된다.

Position Manager 기술은 C2000 MCU와 위치 센서 사이의 직접 연결을 가능하게 함으로써 개발자가 디바이스 연결이라는 지루한 작업에서 벗어나 기능과 성능에 집중하므로 차별화된 경쟁력 있는 시스템 솔루션을 시장에 내놓을 수 있도록 지원한다.