4 FOC 모터 컨트롤 기법과 인코더 요구 사항

그림 2에 표시된 FOC 방법은 영구 자석 동기 모터를 사용해 토크를 최대화하기 위해 로터 자속 각도에 따라 결과적인 스테이터 전류 벡터를 제어하는 고성능 기법입니다. FOC를 사용하면 정지 상태에서 고속 작동까지 빠른 과도 응답으로 부드러운 토크를 구현할 수 있습니다. 로터 자기장 각도를 정확하고 짧은 지연으로 측정하면 스테이터 3상 전류(i_U, i_V, i_W)를 로터 자기장 지향 좌표 체계로 분해할 수 있으며, 여기서 i_q는 토크 생성 전류와 동일하고 i_d는 약계자 전류와 동일합니다.

휴머노이드 로봇과 같은 최종 장비에서, 절대적 회전각은 보통 1도에서 0.1도의 정확도, 12비트에서 15비트의 ENOB, 8kHz~32kHz의 샘플 레이트로 측정됩니다. 회전각은 모터-위상 전류와 동시에 감지됩니다. <20µs의 짧은 지연으로 각도를 측정하기 때문에 MCU(마이크로컨트롤러)가 컨트롤 알고리즘을 실행하고 다음 PWM 사이클에 맞춰 PWM(펄스 폭 변조)을 업데이트할 만큼 충분한 시간이 확보됩니다.

회전각 센서는 모터 하우징에 통합할 수도 있고(대부분의 휴머노이드 로봇에서처럼), 모터 샤프트에 장착하기 위한 별도의 하우징에 통합할 수도 있습니다. 두 경우 모두 고온에서 작동해야 하며, 보통 주변 온도 최고 125C에 상당합니다. 휴머노이드 로봇에서는 제어 MCU가 회전 인코더 가까이에 위치하므로, TI의 TMAG6180-Q1 AMR(이방성 자기저항) 센서와 같은 360도 각도 센서가 비용 효율적이고 저지연 인터페이스를 제공합니다.

선형 모터 기반 전송 시스템은 회전 모터와는 달리 절대적 선형 위치 감지가 필요하지만, 최대 토크를 위해 여전히 FOC를 적용합니다. 지연이 <100µs인 12비트 위치 분해능이면 대개 충분합니다.

또한, 산업 기계에서 IEC 62061 또는 ISO 13849 기능 안전성을 달성하려면 SIL(안전 무결성 수준) 또는 PL(성능 수준)에 따라 결정되는 안전 인증 인코더가 필요하며, 위치 센서를 통한 추가 진단으로 무작위 하드웨어 오류를 감지해야 합니다. 자동차 애플리케이션에서 ISO 26262에 따라 설계된 시스템은 시동 시 진단을 실행하는 반면, 산업용 시스템은 24시간 연중무휴로 작동하는 경우가 많아 정상 작동 중에도 지속적인 진단이 필요합니다.