원격 또는 배터리 구동식 기기를 비롯해 본질적인 안전회로가 필요한 시스템에서, 저전력 동작은 필수적인 요건이다. 압력, 액체, 먼지 또는 오염물에 대한 내성이 필요할 때, 포텐셔미터나 광학식 엔코더처럼 친숙한 위치 센서를 선택하는 것은 정교하고 값비싼 차폐 및 보호 기능이 없을 경우엔 적합하지 않다.
이때 저전력 모드를 제공하는 새로운 세대의 마그네틱 위치 센서를 도입한다면 설계 엔지니어들은 극한의 저전력 시스템일지라도 지원될 수 있는 정확하고 견고한 위치 감지 시스템을 설계할 수 있을 것이다.
다양한 이유로 인해 수많은 제품에서 저전력 위치 센서에 대한 필수조건이 증가하고 있다. 특히 가전 및 소비재의 경우에는, 정부 규제나 환경 프로그램으로 인해 더 높은 효율성을 추구하는 것이 촉구된다.
저전력 소모 특성은 전혀 다른 제품 분야에서도 다양한 이유로 요구되기도 한다. 원격 설치된 계측기를 비롯해 지하나 잠수 센서에서도, 저전력 특성은 경제성 및 동작을 위한 요건에 해당된다. 이러한 애플리케이션에서, 저전력은 극한 수준의 견고성을 갖추어야 한다. 광범위한 온도 범위, 높은 습도, 높은 압력 또는 오염원 등 때문에 동작 조건은 더 열악해 질 수 있다.
이 글은 극한 상황을 견디는 내성(tolerance)과 저전력 소모 성능이 결합한 최신식 위치 감지 시스템에 대한 선택안에 대해 살펴본다.
위치 센서 애플리케이션
회전형과 선형의 정밀한 위치 센서는 단순한 애플리케이션부터 복잡한 애플리케이션까지 두 분야에서 모두 사용된다. 회전형 위치 센서는 인간과 기계간의 인터페이스 일부로서 컨트롤노브 또는 다이얼처럼 회전형의 입력 장치에서 각변위를 측정할 수 있다. 물론, 샘플링 속도, 분해능(resolution), 정확성에 대한 요건은 당연히 고려될 것이다.
이 외에 신뢰성과 쉬운 어셈블리의 과정 또한 매우 중요하게 다뤄져야 한다. 반면, 로보틱스와 모터 제어 분야에서 매우 복잡한 시스템은 위치 센서의 속도, 정확성, 정밀도에 대한 엄격한 요구조건을 준수해야 한다. 일반적으로 좀 더 간단한 애플리케이션은 위치 센서로 전통적인 포텐셔미터(potentiometer)를 사용하며, 좀 더 까다로운 애플리케이션일 경우 광학식 엔코더를 사용하는 경향이 있다. 그러나 열악한 조건을 충족하기 위해 견고성(robustness)과 내성(tolerance)에 대한 요건이 추가되면, 포텐셔미터와 광학식 엔코더 두 가지 디바이스 모두 부족함이 있어 적합하지 않을 수 있다.
포텐셔미터는 조기 오류를 일으킬 수 있는 다양한 전기적 및 기계적 결함에 취약하며, 포텐셔미터 외에 광학식 엔코더도 먼지, 때, 유분, 수분 등의 오염물에 의해 쉽게 손상된다. 극한의 충격이나 진동의 영향을 받는 상황일 때, 두개의 어떠한 디바이스 유형도 정확한 측정값을 유지할 수 없다.
환경적 오염물로부터 보호하는 좋은 방법은 센서를 밀봉하는 것이지만, 비용이 많이 소요되고, 호스트 제품의 어셈블리나 기계적 설계에 영향을 줄 수 있다. 밀봉의 마모 또는 기능 저하는 센서 시스템의 동작 수명을 단축시킬 수 있다.
견고한 비접촉 감지 설계
광학식 엔코더 이외에 비접촉 감지 기술을 구현하는 다른 방법이 있다. 이는 마그네틱 위치 감지 기술이다. 그러나 과거에는 소모전력이 높다는 인식 때문에, 저전력 애플리케이션에서 마그네틱 위치 센서를 사용하지 않는 경향이 있었다. 이 같은 인식은 마그네틱 위치센서의 동작 방식을 고려할 때 비합리적이며, 이제 이 같은 인식은 시대착오적인 발상이다.
그럼에도 불구하고, 사용자에게 왜 전력이 중요한 사안이 되는지에 대한 이유를 파악하기 위해 마그네틱 감지의 원리를 검토할 필요가 있다. 에드윈 홀(Edwin Hall)이 발견한 홀 효과(Hall effect)는 자기장이 도체를 통과하는 전류에 어떻게 영향을 주는가를 설명한다.
간단히 말하면, 홀 효과 마그네틱 센서는 도체에 수직으로 작용하는 자기장(그림 1의 B)이 도체를 통과하는 전류에 영향을 미친다는 원리로 동작한다(그림 1).
▲ 그림 1. 홀 효과는 자기장이 도체를 통과하는 전류 흐름에 어떻게
영향을 주는지 설명한다
양극 자석의 회전은 자석 가까이에 있는 도체에 적용되는 자기장의 강도를 변화시킬 것이며, 이 때 극성은 최대 N극에서 최대 S극으로 그리고 다시 반대 방향으로 움직인다. 자기장에서 이와 같은 변화는 도체를 통과하는 전류에 비례적으로 영향을 줄 것이며, 이와 같이 변화하는 전류는 쉽게 측정될 수 있는 전압이 도체 상에 형성된다.
마그네틱 위치센서(MPOS)에서 이와 같은 전압 신호는 수학적으로 각변위 또는 선형 변위 측정으로 변환된다. 그러나 센서가 동작하기 위해서는, 홀 요소를 활성화시키는 도체를 통해 흐르는 전류가 필수적이다. 홀 센서는 이와 같은 방식으로 전류를 소모하기 때문에, 일반적으로 포텐셔미터, 광학식 엔코더 등 다른 기술보다 더 많은 전력을 사용한다.
현대의 홀 센싱 구현방식은 실리콘을 사용해서 전압을 발생시키고, 하나의 집적 회로에 신호 처리 및 연산 기능을 포함한다. 그러나 자기장에 영향을 줄 수 있는 전류는 회로에서 반드시 필요하다.
저전력 모드 변형이 가능한 MPOS
MPOS는 포텐셔미터와 비교해서 전력 문제를 완화하는 데 도움을 준다는 장점을 갖추고 있다. 수동식 전기 기계장치인 포텐셔미터는 설계 엔지니어들이 전력 특성을 구성할 수 있는 방법을 제공하지 않는다. 포텐셔미터는 항상 작동상태를 유지하면서 동일한 전류를 소모한다. 이와 대조적으로 MPOS는 내장되어 있는 제어회로와 설정회로로 인해 보다 스마트한 디바이스가 되어 전력 소모 프로파일 구현이 가능해 졌다.
MPOS가 전력을 보존하는 가장 획기적인 방법은 전력 순환(cycling)으로서, ‘정지’ 모드에서 소모전력을 0W로 감소시키는 장점을 제공하는 것이다. 그러나 정상 상태 동작보다 동작이 시작할 때 더 많은 전류를 필요로 한다. 또한 동작이 시작될 때 안정화시간(settling time)이 필요하다. 움직임이 시작된 시간과 MPOS가 변위를 측정한 시간과의 차이에서 나타나는 지연시간(latency)은 일부 애플리케이션에서 허용되지 않을 수도 있다.
저전력 모드는 전력 사용을 감소시킬 수 있는 대안을 제공한다. 이것은 센서의 중요하지 않은 요소들의 전원을 차단하고 측정이 필요한 경우에만 활성화하는 기능을 포함한다. 더 많은 회로 요소의 전원 차단이 가능할수록, 더 오랫동안 샘플을 캡처할 수 있다. 즉, 전력 사용이 낮을수록, 샘플링 시간이 더 길어진다는 것이다.
설계자들이 해당 애플리케이션 분야에서 속도와 전력 간의 적절한 균형을 달성할 수 있도록 지원하기 위해, ams는 회전식 MPOS 시리즈인 AS5050A와 AS5055A 시리즈를 도입했다.
이 시리즈는 딥파워다운 모드(deep power-dwon mode) 및 쉘로우파워다운(shallow power-down) 모드등 선택권을 사용자에게 제공한다. 저전력 모드와 정상(항상 동작) 모드 등 두 가지는 다른 샘플링 속도를 각각 지원한다. 이에 따라 설계자들은 전체적인 시스템 전력 요구 사항을 준수할 수 있는 샘플링 속도를 선택할 수 있다.
딥파워다운 모드에서, 센서는 3µA만 소모한다(최대 소비전력 : 9.9µW). 다른 저전력 모드는 파워온 리셋 회로를 활성 상태로 유지한다. 이 모드에서 IC는 33µA를 소모한다(최대 소비전력 : 108.9µW). 정상 모드에서, 최대 소비전력은 28mW이다.
디바이스가 동작을 위해 필요한 시간은 580µs이며, 샘플링 추출하고 마이크로컨트롤러에 인터럽트 출력을 생성하는 데 까지 걸리는 지연 시간은500µs이다. 이러한 저전력 모드에서 매우 낮은 전류 요건은 열악한 환경과 먼거리에 있는 애플리케이션이 타이트한 전력 예산의 시스템에서 홀 효과 센서를 사용하는 것을 가능하게 한다.
수중 애플리케이션을 강화시키는 실질적인 사례
MPOS의 이론과 동작을 고려할 때, 척박한 환경에서 얼마나 신뢰성 있게 동작할 수 있을까? 이 질문에 대답하기 위해 저자는 ams의 표준 MPOS를 사용해서 간단한 수중 모터 구동 애플리케이션을 고안했다. AS5055A디바이스는 오실로스코프에서는 쉽게 나타나지 않지만 GUI로 쉽게 표시될 수 있는 디지털 출력을 생성한다. AS5055A는 ams의 표준 어댑터 보드에 실장되었으며, 전원 및 출력 핀은 전선으로 연결되었다. 그 후에, 전체 보드를 DIY 상점에서 구할 수 있는 형태의 고무 도포 코팅 방식으로 코팅했다(그림 2).
▲ 그림 2. 규정에 따라 코팅된 AS5055A 위치센서 어댑터 보드
그리고 보드를 코팅 혼합물에 담가서 양생했다. 몇 시간 동안 양생 후, 절연보호 코팅된(conformal coating) 보드 시험 준비를 완료했다. 간단한 DC 모터는 로터 끝에 부착된 6mm 직경의 자석이 어댑터 보드 AS5055A 칩 중앙으로 설치하는 방식으로 고정물에 탑재했다(그림 3).
▲ 그림 3. 로터에 탑재된 자석을 AS5055A 마그네틱 위치센서 중앙에
부착했다
이렇게 완성된 어셈블리는 보드 후면에 탑재한 후, 2.5cm 깊이의 물에 담갔다(그림 4). 모터와 어댑터 보드 회로에 전원을 공급했다. AS5055A 출력이 GUI에 나타난다(그림 5). AS5055A 인터페이스가 디지털이기 때문에, 이윽고 스냅샷처럼 짧게 나타난다. MPOS는 예상과 같이 기능 수행을 했으며, GUI는 포착한 각변위 측정값을 표시했다.
▲ 그림 4. 물에 완전하게 침수된 AS5055A 어댑터 보드
▲ 그림 5. 센서 구성 툴 GUI에 표시된 침수 AS5055A의 디지털 출력
동일한 코팅과 침수 기술을 사용한 유사한 시험 출력이 오실로스코프 화면에도 표시된다(그림 6). 삼각형 파형은 360°완전 회전을 통해 자석의 회전을 표시한다. 0°에서 MPOS의 아날로그 출력 전압은 최소값이며, 360°에서 최대값이 나타난다. 이 두 시험 모두 이와 같은 해결 방식이 완전히 침수된 열악한 환경에서 모든 기능을 유지하는 MPOS로서 신뢰성 있게 동작되는 것을 보여준다.
▲ 그림 6. 오실로스코프에 나타난 AS5055A 출력
절연보호 코팅은 열악한 환경에서 동작할 수 있도록 MPOS를 강화시키는 효과를 가지고 있다. 먼지, 유분, 때 등 이물질에 의한 오염 효과를 시험했다. 이와 같은 오염과 강화는 포텐셔미터 또는 광학식 엔코더를 완전하게 비활성화하지만, MPOS의 기능을 손상시키지는 않는다.
저전력 MPOS의 새로운 애플리케이션 분야
새로운 세대의 저전력 MPOS는 어떻게 사용할 수 있을까? 포텐셔미터의 접촉 방식과 광학식 엔코더의 광학에 의해 표면이 마모되거나 오염되는 경향이 있다. 마그네틱 솔루션은 이와 같은 문제를 피할 수 있다. ams의 MPOS는 1.5∼3mm의 에어 갭(air gap)이 있어서, 센서로부터 분리된 직경형 자석의 회전 운동을 감지해서 동작한다.
센서는 접촉면이나 이동하는 부분이 없기 때문에, 기계적 마모가 없다. 또한 회전 메커니즘에 침투되어 들어갈 수도 있으며 광학식 코드 휠을 불투명하게 만들 수 있는 먼지, 유분, 액체에도 내성이 있다.
비접촉식 감지 기법의 또 다른 장점은 본질적인 안전성(intrinsic safety)이다. 본질적인 안전성은 점화에 필요한 에너지를 제한시켜서 위험한 분야에서 전기 장치를 안전하게 동작할 수 있도록 하는 보호 기술이다. 비접촉식 솔루션은 마찰이 없는 설계로 인해 본래 불꽃이 발생하지 않는다. AS5050A 와 AS5055A의 저전력 동작 모드는 본질적인 안전 회로에 사용된 전압을 지원한다.
저전력 동작은 점점 관심을 보이고 있는 수중 원유 개발 및 시추 등 전자 장비 제조업체들에게도 도움이 된다. 심해 원유 및 가스 설치 시, 본질적으로 안전한 원격 센서가 필요하다. 이것은 원유 굴착용 플랫폼의 중앙 처리에서 수중 처리로 변화함으로써 높은 수준의 자동화 및 원격 제어가 필요하기 때문이기도 하다. 만약, 압력이 높고 원유로 가득찬 환경에서 침수 영향에 대해 내성 기능이 함께 결합된다면 저전력 소비의 장점은 명백해 진다. 바로 이 점이 AS505x 시리즈가 제공하도록 설계된 이유이다.
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저전력 소모 특성은 전혀 다른 제품 분야에서도 다양한 이유로 요구되기도 한다. 원격 설치된 계측기를 비롯해 지하나 잠수한 센서에서도, 저전력 특성은 경제성 및 동작을 위한 요건에 해당된다. 이러한 애플리케이션에서, 저전력은 극한 수준의 견고성을 갖추어야 한다. 광범위한 온도 범위, 높은 습도, 높은 압력 또는 오염원 등 때문에 동작 조건은 더 열악해 질 수 있다.
견고성과 저전력 소모 성능의 결합은 일반적인 형태의 위치 센서로 제공할 수 없다. 포텐셔미터와 광학식 엔코더 등의 일반적 위치 센서는 오염물이 있는 경우 또는 고압력, 충격, 진동의 영향을 받는 경우 급속하게 오류를 발생시킨다.
자기위치센서(MPOS)는 오염물에 내성이 있으며 최대한 견고하게 동작하는 것으로 알려져 있다. 이제 새로운 MPOS 시리즈는 다양한 저전려 모드 도입으로 새로운 저전력 특성을 갖추게 되었다.
이 글은 저전력 애플리케이션에서 MPOS의 사용사레를 살펴보고, 수중에서 성공적으로 동작하고, 전기모터의 쉐프트(shaft) 위치를 측정하는 ams의 AS5055 MPOS에 대한 애플리케이션 데모를 기술함으로써 척박한 환경에서 마그네틱 센서의 적합성을 보여주었다.
마크 호페리차 _ ams AG
