[논문]레졸버 기반의 절대위치 검출 센서 드라이버의 FPGA 구현

전지혜; 신동윤; 양윤기; 황진권; 이창수

doi:10.5302/j.icros.2007.13.10.970

문제 정의

다음으로 FPGA 처리속도로 인해 생기는 오차 보상 방법에 대해 소개한다. 실험에서 처리 속도에 따른 카운터값의 출력은 불안정하다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 절대위치 검출기 대한 구현 및 실험 결과, 그리고 오차 보상 방법에 대해서 소개하였다. 제안된 방법은 아날로그 회로에서 발생할 수 있는 절대 위치 오차를 디지털적으로 VHDL 코드만을 변환하는 것으로 오차 보상이 가능하였다.
본 연구에서는 RVDT 센서를 안정적으로 제어하고 신뢰성 있는 절대 위치 데이터를 얻기 위한 RVDT 센서 드라이버의 FPGA 단일 칩에 의한 오차 보정 방법에 중점을 두었다. 센서 드라이버의 FPGA 단일 칩 구현은 앞에서 언급하였던 것처럼 가격, 면적 측면의 장점뿐만 아니라 알고리즘의 변경에 따른 수정이 용이하다.

제안 방법

실험 하였다. RVDT 센서 드라이버는 컨트롤러의 종류 및 구성에 따라 여러 가지로 분류를 할 수 있는데 본연구에서는 단회전(single-turn) RVDT 센서 드라이버와 다 회전(multi-turn) RVDT 센서 드라이버를 구현 및 실험한다. 또한 FPGA 기반의 위상 오차 보상 방법에 대해 제안하고 실험한다.
RVDT 센서 드라이버는 컨트롤러의 종류 및 구성에 따라 여러 가지로 분류를 할 수 있는데 본연구에서는 단회전(single-turn) RVDT 센서 드라이버와 다 회전(multi-turn) RVDT 센서 드라이버를 구현 및 실험한다. 또한 FPGA 기반의 위상 오차 보상 방법에 대해 제안하고 실험한다.
본 연구에서는 센서 드라이버를 FPGA 단일 칩으로 구현하여 실험 하였다. RVDT 센서 드라이버는 컨트롤러의 종류 및 구성에 따라 여러 가지로 분류를 할 수 있는데 본연구에서는 단회전(single-turn) RVDT 센서 드라이버와 다 회전(multi-turn) RVDT 센서 드라이버를 구현 및 실험한다.
제안된 방법은 아날로그 회로에서 발생할 수 있는 절대 위치 오차를 디지털적으로 VHDL 코드만을 변환하는 것으로 오차 보상이 가능하였다. 아날로그적으로도 어느 정도 안정된 데이터를 획득할 수 있었지만 불가피하게 발생하는 오차에 대해 알아보고 연구를 통해 2가지 보상 방법을 제시하였다. 첫 번째 방법은 실제 구현 시 기계적으로 발생되는 오차를 고려하여 정현파, 여현파의 위상차를 정확하게 90。로 맞추는 방법이고 두 번째 방법은 처리 속도를 고려하여 안정된 출력 데이터값을 획득하는 것이다.
첫 번째 방법은 0°~359。의 1주기를 512로 분해하는 LUT를 만드는 방법이고 두 번째 방법은 0°~89。( # 주기)를 128로 분해하는 LU1叮를 만드는 방법이다. 이 두 가지를 이용하여 정현파를 만들어 낼 수 있는데 본 연구에서는 후자의 방법이 전자의 방법에 비해 FPGA로 구현할 때 게이트를 적게 쓰기 때문에 후자의 방법을 이용하여 구현한다.
예를 들면 표 3에서 볼 수 있듯이 이상적인 회전에서는 2회전의 초기 카운터 값은 256인데 실제로 오차가 약 40정도 발생한다고 하면 카운터는 216이 되고 결국 1회전으로 인식 되는 것이다. 이러한 오차 보정을 위해서 회전 내 위상 데이터를 8곳으로 분할하여 회전 내 위치에 따라서 위상 차 데이터를 보정해준다. 표 4는 회전 내 위치에 따른 위상 차 데이터의 보정 계산 값이다.
따라서 본 연구를 통해 구현된 기기는 데이터의 입 . 출력이 연결되는 포토커플러와 MCU를 비롯한 D/A 출력단의 저주파 필터의 응답속도를 고려하여 설계하였다.

대상 데이터

1. RVDT 센서 입력 정현파의 THD 데이터.
no는 왜곡률이기 때문에 작을수록 정현파의 왜곡률이 낮다는 의미로 이상적인 파형에 가깝다는 의미를 가진다. 본 실험에서 획득한 TUD는 현재 시중에 나와 있는 타사 제품과 비교해 보았을 때 단 회전의 경우 0.2%, 다회전의 경우 0.1% 이하의 낮은 값을 갖는다. RVDT 센서의 입력 파형으로 사용하기에 신뢰성이 있으며 어느 정도 안정적이라는 것을 확인할 수 있었다.
이 입력 파형의 정밀도를 높여주는 것 역시 중요하므로 VHDL 을 기반으로 하는 FPGA 단일 칩으로 구현한다. 실제 구현에는 저가의 CPLD 칩을 이용하였다. 전체적인 흐름을 살펴보면 입력 파형으로 쓰일 정현파 또는 여현파의 정보를 가진 데이터를 ROM의 LUT를 이용하여 센서의 입력으로 전달하고 센서의 출력 파형을 영점 교차회로를 거친 후 그 정보를 CPLD로 전달하면 그 순간의 위상차 데이터를 래치에 저장되고 외부로 출력하여 컨트롤러가 받는 것이다.

성능/효과

1% 이하의 낮은 값을 갖는다. RVDT 센서의 입력 파형으로 사용하기에 신뢰성이 있으며 어느 정도 안정적이라는 것을 확인할 수 있었다.
이초 동안 데이터가 안정된 구간에 위치한다면 안정된 출력을 얻을 수 있다. 본 연구에서 구현된 다회전 센서 드라이버의 경우 이 방법을 적용하였을 때 한 바퀴 분해능이 4096 카운터를 가지므로 이 분해능을 시간에 따라 환산하였을 때 40.96초(4096/100)를 얻을 수 있고 이 시간 동안 센서가 한 바퀴 회전을 한다면al.46rpm) 정방향, 역방향의 위치에 상관없이 시간적으로 안정적인 데이터 값을 검출할 수 있게 된다
센서 드라이버의 FPGA 단일 칩 구현은 앞에서 언급하였던 것처럼 가격, 면적 측면의 장점뿐만 아니라 알고리즘의 변경에 따른 수정이 용이하다. 실제 센서 구동 입력 파형의 구현은 단회전, 다회전 2가지 센서에 대하여 센서 드라이버를 구현하였고 각각 0.2%와 0.1 %의 좋은 THD 값을 얻었다.
실제 실험 조건에서 MCU 보드는 10kHz로 일정하게 데이터를 출력해주지만 그 데이터를 받는 포토커플러 단의 응답속도가 충분이 빨라야 안정된 데이터를 출력할 수 있다. MCU는 고정적인 속도로 내보내지만 포토커플러는 MCU에서 데이터를 처리하는 주파수에 맞는 스펙의 제품을 선택해야 한다.
대해 소개한다. 실험에서 처리 속도에 따른 카운터값의 출력은 불안정하다는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 전반적인 장비의 구성에 있어서 MCU 와 포토커플러 (photo coupler)의 응답 속도(response time) 차이에 의한 것이다.
첫 번째 방법은 실제 구현 시 기계적으로 발생되는 오차를 고려하여 정현파, 여현파의 위상차를 정확하게 90。로 맞추는 방법이고 두 번째 방법은 처리 속도를 고려하여 안정된 출력 데이터값을 획득하는 것이다. 제안된 두 가지 방법에 의한 오차 보상 방법으로 실험한 결과 안정된 절대 위치 데이터를 출력할 수 있었다.
보상 방법에 대해서 소개하였다. 제안된 방법은 아날로그 회로에서 발생할 수 있는 절대 위치 오차를 디지털적으로 VHDL 코드만을 변환하는 것으로 오차 보상이 가능하였다. 아날로그적으로도 어느 정도 안정된 데이터를 획득할 수 있었지만 불가피하게 발생하는 오차에 대해 알아보고 연구를 통해 2가지 보상 방법을 제시하였다.

후속연구

연구에서 제안된 방법은 신뢰성 있는 산업용 절대 위치검출기에 적용이 될 수 있으며 향후 이를 바탕으로 RVDT 센서 정밀도 신뢰도가 더 높은 3상 RVDT에 대한 연구의 기반이 될 것으로 판단한다.

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