블로그 포스팅

산업용 드라이브와 HEV/EV에 통합이점을 제공하는
TI 리졸버 인터페이스

많은 모터 구동 애플리케이션(그림 1)은 효율적으로 시스템을 동작시키기 위해 위치/속도 피드백을 필요로 한다. 오늘날 사용자들은 정확도 요구를 충족하기 위해서 위치/속도 감지에 다양한 기술들을 사용할 수 있다. 이러한 기술중의 하나인 리졸버 센서와 이와 관련된 애플리케이션에 대해서 살펴보자.


그림 1: 모터 구동 시스템 회로도

리졸버란 무엇인가?


위치 감지 기술로 잘 알려진 리졸버(resolver)는 변압기(transformer)와 어느 정도 비슷하게 동작한다. 리졸버는 스테이터와 로터로 이루어졌으며(그림 2), 로터는 모터 쉐프트(shaft)에 고정된다. 또한, 어떠한 전자 장치도 내장되어있지 않기 때문에 먼지, 고온, 고속 등의 혹독한 환경에 적합하다.



리졸버 작동 방법은?
이 역시 트랜스포머와 흡사하게, 리졸버의 스테이터 권선이 일차 측에서 여자 전압을 수신한 후 로터 권선이 이차 측에서 전자기 결합을 통해 전압을 발생시킨다. 그림 3에서 보면 이 출력 전압 진폭은 로터 각도 변위와 상관적인 사인-코사인을 나타낸다. 각도 변위는 출력 전압을 디지털로 변환하고 역 탄젠트(arc-tangent)를 계산해서 구할 수 있다.


그림 3: 변압기와 비슷한 리졸버의 작동 원리

그림 4에서 보는 것과 같이 리졸버 센서 주변으로 다수의 기능들을 필요로 한다.

리졸버를 구동하기 위해서 센서는 전력 스테이지와 여자 증폭기가 필요하다. 전력 스테이지는 여자 증폭기에 전력을 공급하며, 종종 센서 자체로 전력을 공급하기도 한다. 여자 증폭기는 리졸버 센서가 사인 및 코사인 값을 발생시키기 위해 필요한 입력 사인파를 발생시킨다.

리졸버로의 출력은 아날로그 프론트 엔드(AFE)를 필요로 하는 아날로그 신호로, 각도를 계산 하는 마이크로컨트롤러나 제어 장치의 신호를 정리하고 조정한다. 리졸버-디지털 컨버터(RDC)는 사인파 및 코사인파를 처리할 수 있도록 디지털 도메인으로 변환한다. 이들 출력이 SPI(serial peripheral interface), 병렬, 에뮬레이트 인코더 및 아날로그 같은 다양한 옵션을 통해서 각도 및 속도 정보를 MCU로 전달할 수 있다. 이 시스템은 또한 과전류, 과전압, 단락 회로, 과열 보호 같은 센서와 전기 장치들 간의 다중 보호 및 결함 진단 기능의 이점을 제공한다.


그림 4: 리졸버 토폴리지 주변 회로

 

적합한 애플리케이션은?
앞서 언급했듯이 리졸버 내부에는 어떠한 전기 부품이 없으므로 이 센서는 고온, 먼지, 고속(8000rpm), 심한 진동과 같은 조건에서 문제 없이 작동한다. 또한 리졸버는 이렇게 전기 부품들이 없기에 다른 센서 보다 수명이 길다.

그림 5에서 보는 것과 같이 리졸버는 산업용 및 자동차 애플리케이션에 적합하다. 서보 제어 시스템(엘리베이터), 산업용 로봇, AC 인버터 드라이브, 플라스틱 압축 시스템, 회전 시스템, 금속가공 시스템에 리졸버를 사용할 수 있다. 자동차 분야에서는 하이브리드 전기차/전기차(HEV/EV) 트랙션 인버터, 히팅, HVAC 시스템, 스톱-스타트 얼터네이터, 파워 스티어링 시스템등에 사용할 수 있다.


그림 5: 리졸버 애플리케이션

기존의 리졸버 솔루션


지금까지 기존의 솔루션은 주로 개별 솔루션으로 그림 6 과 같이 토폴로지를 사용한다. 이러한 솔루션은 BOM(bill of materials) 비용이 높고, PCB 면적을 많이 차지하고, 전자기 호환성(EMC)이 취약하다. 특히 새로운 플랫폼에서 개별 설계 시 개발에 대한 시간이 소요된다. 왜냐하면 개발자들이 다른 리졸버에 적용하기 위해 설계를 수정해야 하기 때문이다.



TI의 PGA411-Q1을 사용함으로써 산업용 드라이브와 EV/HEV 애플리케이션을 빠르게 개발할 수 있다. 또한, 이 제품을 통해 개발 시간을 단축하고, 비용을 낮추며 시스템 신뢰성을 높일 수 있다. PGA411-Q1은 여자 연산 증폭기, 부스트 DC/DC, AFE, RDC, 다중의 보호 및 결함 진단 기능을 하나의 칩에 통합하였다. PGA411-Q1을 사용하면 그림 7에서 보는 것처럼 시스템이 센서, PGA411-Q1, MCU 단 세 부분으로 구성된다.

  • 시스템 간소화: 높은 수준의 기능 통합으로 BOM과 PCB 면적을 줄여주어 시스템 비용을 낮출 수 있다.
  • 개발 시간 단축: 개발자는 주변장치 회로를 변경할 필요 없이 레지스터 수정을 통해 출력 신호를 조절할 수 있다. 또한 개발 플랫폼 전반에
    걸쳐 확장이 가능하며 리졸버 센서 유연성을 제공한다.
  • “기능 안전성(functional safety)”을 위한 SafeTI™ 설계 패키지: 이 설계 패키지의 구성요소들은 외부 기관으로부터 ASIL(Automotive
    Safety Integrity Level)-D(ISO 26262)에 대한 인증을 취득하였다. 이를 통해 고객들이 기능 안전성 시스템을 쉽고 빠르게 개발할 수 있다.


그림 7: TI 리졸버 인터페이스 솔루션 토폴리지

PGA411 + C2000™ MCU와 결합
PGA411-Q1는 C2000 MCU와 결합함으로써 완벽한 솔루션을 제공한다. PGA411-Q1은 기능 안전성 표준을 충족할 뿐만 아니라, C2000 Delfino™ MCU 역시 SafeTI®-QM을 충족하도록 설계되었다 (현재 외부 기관에서 ASIL-B/SIL-2 MCU 인증에 관한 심사를 진행 중이다). 또한 PGA411-Q1과 C2000 MCU를 사용한 레퍼런스 디자인은 산업용 애플리케이션을 위한 EMC 적합성 단일칩 리졸버-디지털 컨버터(RDC) 레퍼런스 디자인안전성 애플리케이션을 위한 자동차 리졸버-디지털 컨버터 레퍼런스 디자인을 제공한다. 두 레퍼런스 디자인 모두 InstaSPIN-Motion(및 InstaSPIN-FOC) 가능 C2000 Piccolo LaunchPad와 호환이 가능하며, 빠르고 쉽게 개발을 시작할 수 있다.