바늘에 실을 꿰는 휴머노이드 로봇이나 식품 가공 공장에서 부서지기 쉬운 물건을 취급하는 협동 로봇(코봇)을 상상해 보십시오. 아주 작은 오차만 있어도 실수가 발생할 것입니다.
로봇에게 정밀함이란 너무나 중요한 요소입니다. 전류와 전압 감지 기술의 발전으로 로봇이 더 빠른 토크 응답으로 복잡한 작업을 처리하는 능력이 크게 개선되어 부드럽게 인간과 같은 동작을 할 수 있게 되었습니다. 그리고 기능 면에서는 절연 컨버터로 인해 더 작은 설계에서 더 정밀한 모터 제어가 가능해져 더 스마트하고 안전하며 효율적인 로봇을 만들 수 있게 되었습니다.
60V 미만 자율 모바일 로봇 및 휴머노이드와 같은 로봇이 점점 더 복잡해지는 역할을 수행함에 따라, 더 긴 작동 시간과 높은 전력 효율이 필요해졌습니다. 정확한 전류 및 전압 감지 측정은 정밀도와 빠른 토크 응답 시간에 직접적인 영향을 미치며, 결과적으로 로봇이 원하는 위치와 방향에 더 빠르고 정확하게 도달할 수 있도록 합니다. 안전하게 탐색하고 부하 또는 환경 조건의 변화에 반응하는 등의 갑작스러운 작업을 수행할 때는 나노초 단위까지도 중요합니다. 이러한 측정은 로봇의 제어 시스템에 실시간 데이터를 제공하여 로봇이 즉시 동작을 조정하고 진행 중인 작업 중 정밀도를 유지할 수 있도록 합니다. 그림 1은(는) 전류 및 전압 감지의 정확도가 로봇의 더 정확한 반응에 어떤 도움이 되는지 보여줍니다.
그림 1 전류 및 전압 감지 정확도는 정밀한 로봇이 작업을 수행하는 데
영향을 미칩니다감지 능력 향상의 필요성
전압 및 전류 감지 솔루션이 현대의 로봇 시스템에 제공할 수 있는 장점에도 불구하고, 고성능 센서에는 많은 과제가 있습니다. 가장 일반적인 과제는 모터에 공급되는 전류 및 전압의 정확한 저잡음 측정을 수행하는 방법입니다. 오늘날의 로봇 시스템에서 3상 인버터는 낮은 전류 또는 전압 수준에서 작동하며, 기존 비절연 센서 측정의 정확도를 방해할 수 있는 과도 잡음을 생성합니다.
더 느린 토크 응답과 덜 정밀한 동작은 로봇을 설계할 때 상당한 문제를 일으킵니다. 매우 부드럽고 통제된 방식으로 복잡한 작업을 수행하는 데 필요한 미세 모터 기술에 방해가 되기 때문입니다.
설계 엔지니어가 직면한 또 다른 과제는 모바일 로봇을 포함한 많은 로봇이 배터리로 구동되므로, 성능을 유지하면서 에너지 효율을 최적화하는 것이 어렵다는 점입니다. 전원이 충분하지 않으면 시스템 장애, 작업 기간 제한, 운영 비용 증가도 발생할 수 있습니다.
성능 문제도 그렇지만, 소형 휴머노이드 로봇에는 추가적인 감지 회로를 위한 공간이 제한되어 있습니다. 모듈의 크기나 시스템 무게를 크게 늘리지 않고 전류 및 전압 감지 회로를 통합하는 것은 아주 어려울 수 있습니다.
로봇을 설계할 때는 고전압 및 저전압 영역의 전원와 제어 회로 사이에 절연이 필요합니다. 단락 이벤트 또는 과전압 조건으로부터 보호하려면 이러한 장애를 빠르고 정확하게 감지하여 다른 부품의 손상을 방지해야 합니다.
정밀한 전류 및 전압 측정 달성
기존의 로봇 설계가 가진 설계 과제를 극복하기 위해 TI의 기능적 절연 컨버터를 사용하면 설계자가 60V 미만의 소형 설계에서 작은 크기와 저렴한 비용을 유지하면서 부드러운 토크 작동과 정밀한 모터 제어를 달성할 수 있습니다.
AMC0106M05 및 AMC0106M25 기능적 절연 델타-시그마 전류 감지 모듈레이터와 AMC0136 기능적 절연 전압 감지 모듈레이터는 더 정밀한 전류 및 전압 측정을 달성할 수 있습니다. 이러한 장치는 그림 2에서 볼 수 있듯이 12~14의 ENOB(유효 비트 수)를 가지며가 있으며, 이는 오늘날의 8~11비트 아날로그 솔루션과 비교됩니다. 이러한 측정 정밀도의 증가를 통해 민감한 로봇 작업과 움직임을 위한 낮은 수준의 전류 및 전압 측정을 개선할 수 있습니다.
그림 2 ENOB와 오버샘플링 비율이 향상되면 잡음을 줄이고
해상도를 향상시키는 데 도움이 됩니다전기화학적으로 절연된 모듈레이터는 150V/ns의 높은 CMTI(공통 모드 과도 내성)으로 잡음 내성과 시스템 수준의 오프셋 드리프트를 개선합니다. 디지털 인터페이스는 펄스 폭 변조 스위칭이 측정 정확도에 영향을 주지 않도록 합니다. 이러한 기능 덕분에 로봇 설계자는 고효율 질화 갈륨 모터 설계에 50V/ns 이상의 빠른 스위칭 속도를 사용할 수 있습니다. 또한 높은 CMTI는 게이트를 스위칭할 때 전력 접지의 잡음이 때 마이크로컨트롤러를 방해할 위험을 줄임으로써 데이터 손상과 성능 저하를 방지합니다.
기능적 절연 모듈레이터로 가능해지는 성능상의 이점과 함께, 이러한 장치는 3.5mm x 2.7mm 패키지 덕분에 다른 강화 절연 모듈레이터 솔루션보다 센서 솔루션 크기가 50% 이상 작습니다(그림 3참조). 그리고 더 작은 폼 팩터로 인해 더 작은 PCB(인쇄 회로 보드)를 사용할 수 있어 더 작은 로봇을 만들 수 있습니다.
그림 3 AMC0106M05는 PCB 솔루션 크기를 50%
줄입니다단락 이벤트 또는 과전압 조건과 같은 장애로부터 보호하기 위해, AMC21C12 기능적 절연 콤퍼레이터는 290ns의 응답 시간을 가능하게 합니다. 이러한 오류 감지 속도로 게이트 드라이버를 빠르게 종료함으로써 시스템의 다른 부품이 손상되는 것을 방지할 수 있습니다.
결론
기능적 절연 감지와 고속 토크 응답의 발전은 로봇의 미래에 대한 가능성을 크게 키웠습니다. 이러한 로봇은 복잡한 정밀 수술을 하거나 고속으로 작은 전자 장치를 조립할 수 있습니다. 자율 모바일 로봇은 복잡한 환경에서 더 효율적으로 이동할 수 있고, 코봇은 조립 라인에서 더 안전하게 작동할 수 있으며, 휴머노이드 로봇은 복잡한 수리를 하거나 심지어 세탁도 할 수 있습니다.
추가 리소스
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