로봇 및 자동화에서 자기 인코더와 자기 위치 센서의 적용
자기 인코더와 자기 위치 센서는 로봇 공학 및 자동화 기술 개발의 중요한 초석으로 작용합니다. 이들은 정밀 제어, 실시간 피드백, 시스템 최적화에 필수적인 역할을 합니다. 인더스트리 4.0과 스마트 제조의 급속한 발전으로 인해 로봇 및 자동화 장비에서 동작 정확성, 응답 속도, 환경 적응성에 대한 요구가 계속 증가하고 있습니다. 자기 인코더와 자기 위치 센서는 높은 해상도, 비접촉 측정, 강력한 간섭 방지 능력을 갖추고 있어 이러한 응용을 실현하기 위한 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 본 기사에서는 로봇 공학 및 자동화 기술에서 이 두 가지 핵심 센서의 응용과 Melexis의 관련 솔루션을 탐구할 것입니다.
자기 엔코더는 고정밀 제어를 위한 실시간 피드백을 제공합니다
로봇 공학 및 자동화 솔루션의 응용 범위가 전문적인 특수 분야에서 더욱 일상적인 응용 시나리오로 확장됨에 따라, 이러한 시스템에서 정밀하고 비용 효율적인 동작 피드백을 제공할 수 있는 엔코더에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 로봇 팔, 자동 포장 기계, 산업용 직조기와 같은 모터 구동 응용 분야의 정확한 작동과 안전 성능을 보장하기 위해, 자기 엔코더의 피드백 메커니즘은 매우 중요합니다.
자기 인코더는 이동 부품의 속도, 위치 및 방향을 정확하게 감지하여 로봇 공학과 자동화에서 정확도가 높은 제어를 실현하기 위한 실시간 피드백을 제공합니다. 자기 인코더의 주요 기능은 모션 제어 피드백으로, 모터의 속도와 위치를 측정하고 데이터를 컨트롤러로 전송하여 정확한 모션 제어를 가능하게 합니다. 다축 모션 시스템에서 자기 인코더는 축 간의 동기화된 움직임을 보장하여 오차 누적을 방지합니다.
자기 인코더는 서보 모터 또는 스테퍼 모터와 짝을 이루어 폐쇄 루프 제어 신호를 제공함으로써 시스템 성능을 최적화하고 에너지 소비를 줄입니다. 이러한 인코더는 실시간으로 속도와 위치를 지속적으로 모니터링하여 이상을 감지하고, 장비 과부하 또는 작업 불안정을 방지하며, 결함 감지 및 보호 기능을 수행합니다.
고해상도, 낮은 지연 시간, 높은 신뢰성을 갖춘 자기 인코더는 로봇 공학 및 자동화 시스템에서 필수 구성 요소가 되었습니다. 이러한 인코더의 가치는 신속한 응답과 높은 정밀도 제어를 요구하는 애플리케이션에서 특히 돋보입니다.
우수한 외부 자기장 면역성을 갖춘 자기 인코더
Melexis에서 출시한 Triaxis® MLX90382는 뛰어난 성능을 가진 소형 절대 위치 자기 엔코더 칩입니다. 이 제품은 우수한 외란 자장 저항 특성을 갖추고 있어 축 중심(on-axis)과 축 외(off-axis)에서 정밀한 감지를 지원하며, 소형 모터와 원활한 통합이 가능합니다. 이 엔코더는 최대 14비트의 해상도를 제공하며, 차동 출력 모드로 절대 각도 위치 정보를 제공합니다. 최대 200k e-RPM의 속도를 지원하며, 제로 지연 시간 응답을 위한 칩 내 통합 신호 처리 유닛을 특징으로 하고, Triaxis® 홀 기술을 활용하여 실제 응용 프로그램에서도 유연하게 장착할 수 있습니다.
MLX90382는 고성능 아날로그-디지털 변환기와 고속 신호 처리 및 조건 설정을 위해 특별히 설계된 디지털 처리 하드웨어 유닛, 고급 Triaxis® 홀 자기 프론트 엔드를 통합한 완전한 기능의 단일 칩 자기 위치 센서입니다.
MLX90382는 탁월한 360° 외란 자기 필드 내성(최대 4 kA/m)을 보여주며 칩에 적용된 자기 플럭스 밀도의 세 가지 성분(Bx, By, Bz)을 정확하게 감지하고, z축을 따라 발생하는 차동 자기 필드에 매우 민감합니다. 프로그래밍을 통해 사용자는 임의의 축을 유연하게 선택하여 각도를 결정할 수 있습니다. 이 설계는 독창적인 자기 레이아웃과 결합하여 MLX90382가 회전 자석의 절대 및 증분 위치를 정확하게 계산할 수 있도록 합니다.
MLX90382는 산업 표준 싱글 엔드 및 차동 ABI 인터페이스를 통한 증분 각도 출력, BLDC 모터용으로 설계된 싱글 엔드 및 차동 UVW 신호 에뮬레이션, PWM 및 구성 가능한 SPI 및 SSI 인터페이스 등 5가지 다양한 출력 모드가 제공되며, 기능 안전 요구 사항을 지원합니다. 추가로, SPI 프로토콜은 다중 슬레이브 동기화 읽기를 특징으로 하여 시스템 유연성과 효율성을 더욱 향상시킵니다.
MLX90382는 복잡한 모터 드라이브 애플리케이션의 일반적인 조립 문제를 효과적으로 해결하며, 축 중심 및 축 외부 장착 유연성을 지원하여 사용자에게 더 큰 편리함을 제공합니다. 이 기능을 통해 칩은 중공 축 애플리케이션을 지원하며, 와이어링 루움 또는 기타 구성 요소가 축을 통과하면서도 엔코더 피드백에 영향을 미치지 않도록 디자인 복잡성을 줄이고 기술 혁신을 지원합니다.
MLX90382는 -40°C에서 150°C에 이르는 넓은 작동 온도 범위를 지원하며, 5V 및 3.3V 애플리케이션과 호환됩니다. 또한 프로그래밍 가능한 선형 전송 특성을 제공하며, 최대 16개 프로그래밍 가능 지점을 지원하고 SIL-2 안전 무결성 표준을 준수합니다. 이 제품은 RoHS 준수 단일 모드 4 x 4 mm² QFN-24 패키지로 제공됩니다. 두 변형 제품은 모두 AEC-Q100(Grade 0) 인증을 받아 제품 신뢰성을 보장합니다.
14비트의 높은 해상도, 차동 출력 모드, 최대 200k e-RPM의 넓은 속도 범위를 특징으로 하는 MLX90382는 산업 자동화, 로봇공학 및 전기 운송 솔루션에 이상적인 선택입니다. 로봇 관절, 직물 기계 모터, 전기 자동차 모터 및 산업 자동화와 같은 애플리케이션에 적합합니다. 개발 속도를 높이기 위해 Melexis는 평가 보드(EVB90382)와 포괄적인 개발 키트(DVK90382)도 제공합니다.
MLX90382 평가 보드인 EVB90382는 MLX90382 Triaxis® 자기 센서를 마이크로컨트롤러 또는 측정 장치에 간단히 연결할 수 있는 방법을 제공합니다. 이를 통해 MLX90382 IC를 사전에 프로그래밍하여 쉽게 연결 및 평가할 수 있고, 개발 시간을 단축할 수 있도록 합니다. EVB90382는 36mm x 48mm PCB의 중앙에 장착된 MLX90382 IC를 포함합니다. 이 보드는 MLX90382 IC 인터페이스에 빠르게 연결할 수 있는 가공 핀을 제공하며, 아날로그 출력 신호를 통한 인터페이스를 가능하게 하는 필요한 수동 구성 요소를 포함하고 있습니다.
물체의 위치, 각도 또는 동작을 감지하기 위한 자기 위치 센서
이전의 로봇 설계 솔루션에서는 제조업체들이 최고 성능의 센서 칩을 우선시하면서 비용 고려에는 상대적으로 덜 신경을 썼습니다. 그러나 로봇 응용 분야가 계속 확대됨에 따라 제조업체들은 비용을 절감하면서 생산 효율성을 향상시키는 데 점점 더 초점을 맞추고 있습니다. 이는 높은 신뢰성과 정밀한 동작 반복성을 유지하면서 경제적이고 간단한 설계를 보장하기 위해 부품 선택에 더 신중해지게 만들었습니다. 자기 위치 센서는 로봇 공학 및 자동화에서 물체의 위치, 각도, 또는 움직임을 결정하기 위해 자기장 변화 감지 역할을 하며, 시스템에 고정밀 피드백 신호를 제공하는 중요한 역할을 합니다.
자기 위치 센서는 접촉 없이 자기장 변화를 감지하고 측정하며, 물리적 접촉이 없어 마모와 유지보수 요구를 줄입니다.
이 센서는 각도 위치, 선형 변위 또는 회전 속도의 고정밀 측정을 제공하여 로봇 공학 및 자동화 시스템에서 정밀한 제어 요구를 충족시킵니다. 또한, 방해에 강한 저항성을 가지고 있으며 먼지, 습기, 오일과 같은 환경적 요인에 영향을 받지 않아 가혹한 환경에서도 적합하게 작동할 수 있습니다. 이와 더불어, 일반적으로 소형이고 에너지 효율적이기 때문에 공간 제약이 있는 장치에 통합하기에 이상적입니다.
자기 위치 센서의 장점으로는 내구성, 안정적인 성능 및 다양한 환경에 대한 적응성을 들 수 있으며, 이는 로봇 공학 및 자동화 시스템에서 모션 제어, 위치 지정 및 안전 감지를 위한 필수 구성 요소로 만들어줍니다.
혁신적인 자석 설계와 우수한 감지 성능을 갖춘 자기 위치 센서
Melexis에서 출시한 MLX90384는 로봇 관절용으로 설계된 고정밀 자기 위치 센서입니다. 이 제품은 Arcminaxis™ 기술을 사용하며 보정 및 시스템 작동을 위한 자석과 소프트웨어를 갖추고 있습니다. 최대 18비트의 해상도를 제공하며, 피치 독립적입니다. 단일 집적 회로는 여러 종류의 자석과 호환되며, 고속 통신을 지원하고 빠른 SPI 인터페이스를 특징으로 합니다.
MLX90384의 핵심 이점은 혁신적인 자석 설계와 우수한 감지 능력에 있습니다. 기존의 멀티폴 자석 센서 칩과는 달리, MLX90384는 자석 폴 크기와 센서 칩 간의 정밀한 일치를 요구하는 엄격한 조건을 제거합니다. 이 기능을 통해 더 크고 강력한 자석을 사용할 수 있어 더 강한 출력 신호를 생성하고 더 넓은 작동 에어갭을 지원할 수 있습니다. 결과적으로 동일한 센서 칩이 다양한 크기의 자석을 유연하게 수용할 수 있습니다.
MLX90384는 각각 Triaxis® 홀 자기 프론트엔드, 아날로그-디지털 변환기, 전용 고속 신호 처리 하드웨어 및 고속 10MHz SPI 인터페이스를 갖춘 두 개의 위치 센서 칩을 통합하고 있습니다. 두 IC는 칩 평면에 평행한 자기 플럭스 밀도 구성 요소와 칩 평면에 수직인 구성 요소를 민감하게 감지하도록 설계되었습니다.
Arcminaxis™ MLX90384 Hall 18비트 각도 인코더 칩은 다축 감지와 베르니어 기술을 결합하여 두 개의 트랙(8극 및 7극 쌍)을 갖춘 베르니어 타입 자석을 사용합니다. MLX90384 센서 칩은 이러한 두 트랙의 축 방향 및 접선 방향 자기 구성 요소를 측정한 후, 정보를 마이크로컨트롤러로 전송합니다. 마이크로컨트롤러는 수신된 데이터를 처리하여 각도 위치, 속도 및 전환 횟수 정보를 정확히 계산합니다. 또한, 마이크로컨트롤러(MCU)에서의 보정 및 시스템 동작을 위한 사전 컴파일된 소프트웨어 패키지를 지원하여 인코더 솔루션을 구축하기 위한 완벽한 참조 설계를 제공합니다.
MLX90384 센서는 큰 에어갭 자석 설계(1.5mm 공칭값)와 ±0.5mm의 자석 배치 공차를 특징으로 하며 로봇 관절 조립의 복잡성과 작업량을 줄입니다. 3.3V 공급 전압에서 작동하며, TSSOP-16 폼팩터로 패키징되고, RoHS 표준을 준수하며 -20°C에서 85°C 범위의 온도에서 작동합니다. MLX90384 센서는 절대 회전 위치 센서, 고정밀 인코더 및 로봇 관절 인코더로 사용되며, 전기차, 산업용 모터 및 기타 분야에 적용됩니다.
MLX90384 평가 키트(EVK90384)는 Arcminaxis 기술 탐색을 단순화하도록 특별히 설계되었습니다. MLX90384 참조 설계와 완벽히 정렬된 이 키트는 빠른 프로젝트 시작, 참조 설계의 정밀한 구현을 가능하게 만들며, 간편한 연결 및 보정 과정을 제공하여 개발 주기를 크게 단축합니다. Melexis는 Arcminaxis 기술 평가 과정을 간소화하기 위한 포괄적인 평가 툴킷을 제공합니다. 이 키트는 USB-PC 연결을 원활히 지원하는 SPI 마스터 컨트롤러와 MLX90384 시연기를 보정 및 작동하기 위한 직관적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 탑재한 완전 작동하는 테이블탑 시연기를 포함합니다. 테이블탑 시연기는 자석 링 세트, 자석 홀더, 센서 모듈, 기본 요소, SPI 마스터 컨트롤러 및 센서 모듈을 SPI 마스터 컨트롤러에 연결하기 위한 특수 케이블을 통합하여 세부 구조를 갖추고 있어 효율적이고 편리한 평가 과정을 제공합니다.
결론
자기 엔코더와 자기 위치 센서는 핵심 기술로서 로봇 공학과 자동화 분야를 더 높은 제어 정밀도와 효율성으로 이끌고 있습니다. 이러한 센서는 정확한 위치와 속도 피드백을 제공할 뿐만 아니라 현대 산업에서 요구하는 높은 응답성과 신뢰성도 충족합니다. 인공지능과 머신러닝의 통합이 계속됨에 따라, 이러한 센서의 적용 시나리오는 스마트 제조, 의료 로봇 공학 및 무인 시스템과 같은 분야에서도 더욱 확장될 것입니다. Melexis의 자기 엔코더와 자기 위치 센서는 뛰어난 기술적 이점을 제공하며, 지능화와 자동화 전반에서의 발전을 가능하게 하여 업계에 더 큰 가치를 창출합니다.
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