[논문]Zynq EPP를 이용한 모터 제어기의 하드웨어 구현

문용선; 임승우; 이영필; 배영철

doi:10.13067/jkiecs.2013.8.11.1707

초록
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본 논문에서는 기존의 DSP, MCU, FPGA 기반의 모션 제어기들의 구조적인 문제점을 개선하기 위하여 최신 All Programmable SoC 인 Zynq EPP를 이용한 FPGA + 임베디드 프로세서 기반의 모터 제어기에 대한 하드웨어를 구현하였다. 구현한 모터 제어기는 FPGA와 임베디드 프로세서의 장점을 융합한 제어기로서 고속의 모터 제어용 신호처리 부분은 FPGA 기반의 모터 제어기가 수행한다. 복잡한 소수연산 등의 알고리즘 처리가 요구되는 모션 프로파일 및 기구학 계산 등은 듀얼 코어 기반의 임베디드 프로세서에서 처리하여 하나의 칩에서 분산처리 효과를 실현할 수 있는 구조적인 장점을 가진다. 또한 FPGA 상에 구현된 모터 제어 IP 코어의 추가를 통하여 손쉬운 다축 모터 제어기로의 구성이 가능한 장점도 가진다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we implement a hardware for motor control based on FPGA + embedded processor using Zynq EPP which is All Programmable SoC in order to improve a structural problem of motion control based on such as DSP, MCU and FPGA previously. The implemented motor controller that is fused controller...

In this paper, we implement a hardware for motor control based on FPGA + embedded processor using Zynq EPP which is All Programmable SoC in order to improve a structural problem of motion control based on such as DSP, MCU and FPGA previously. The implemented motor controller that is fused controller with advantage of FPGA and embedded processor. The signal processing part of high velocity motor control is performed by motor controller based on FPGA. A motion profile and kinematic calculation that are required algorithm process such as operation of a complicate decimal point has processed in an embedded processor based on dual core. As a result of a hardware implementation, it has an advantage that has can be realized an effect of distribution process in one chip. It has also an advantage that is able to organize as a multi-axis motor controller through adding the IP core of motor control implemented on FPGA.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 All Programmable SoC 칩 중 하나인 Xilinx 사의 고성능 CPU가 내장되어 있는 Zynq EPP (Extensible Processing Platform)[16-18]을 이용한 다축 모터 제어기에 대한 설계, 구현 및 실험을 통하여 모터 제어기로서의 적용 가능성을 검증하고자 한다.
이에 본 연구에서는 FPGA 기술과 임베디드 프로세서 기술이 융합된 최신 All Programmable SoC 기술을 적용하여 모터 제어기의 구조를 FPGA와 임베디드 프로세서 레벨로 분산하여 적용하는 방법을 제시한다.

제안 방법

본 연구를 통하여 구현할 모터 제어기는 최신 All Programmable SoC 프로세서 중의 하나인 Zynq EPP 의 Embedded Processor 기술과 FPGA 기술을 융합하여 설계를 하였다[12].
본 연구에서는 기존의 DSP, MCU, FPGA 기반의 모션 제어기들의 구조적인 문제점을 개선하기 위하여 최신 All Programmable SoC 인 Zynq EPP를 이용한 FPGA + 임베디드 프로세서 기반의 모터 제어기를 하드웨어적으로 구현하였다.

성능/효과

제안된 모터 제어기는 FPGA와 임베디드 프로세서의 장점을 융합한 제어기로서 고속의 모터 제어용 신호처리 부분은 FPGA 기반의 모터 제어기가 수행하며, 복잡한 소수연산 등의 알고리즘 처리가 요구되는 모션 프로파일 및 기구학 계산 등은 듀얼 코어 기반의 임베디드 프로세서에서 처리하게 함으로서, 결과적으로는 하나의 칩에서 분산처리 효과를 실현할 수 있는 구조적인 장점을 가진다. 또한 FPGA 상에 구현된 모터 제어 IP 코어의 추가를 통하여 손쉬운 다축 모터 제어기로의 구성이 가능한 장점도 가진다.
제안된 모터 제어기는 FPGA와 임베디드 프로세서의 장점을 융합한 제어기로서 고속의 모터 제어용 신호처리 부분은 FPGA 기반의 모터 제어기가 수행하며, 복잡한 소수연산 등의 알고리즘 처리가 요구되는 모션 프로파일 및 기구학 계산 등은 듀얼 코어 기반의 임베디드 프로세서에서 처리하게 함으로서, 결과적으로는 하나의 칩에서 분산처리 효과를 실현할 수 있는 구조적인 장점을 가진다. 또한 FPGA 상에 구현된 모터 제어 IP 코어의 추가를 통하여 손쉬운 다축 모터 제어기로의 구성이 가능한 장점도 가진다.
현재 본 연구를 통하여 구현한 모터 제어기는 FPGA 기반 모터 제어 IP의 구현은 완료하였으나, 임베디드 프로세서 상에 구현되는 모션 생성기는 PTP 모션에 대해서만 구현이 완료되었다. 이에 향후에는 미완료된 모션 생성기 알고리즘(보간 모션, 기구학 모션 등)에 대한 추가 구현 및 실험을 통하여 자동화 시스템, 매니퓰레이터, 로봇 등 다양한 어플리케이션에 최적화된 모터 제어기로서의 성능 검증이 과제로 남는다.

후속연구

현재 본 연구를 통하여 구현한 모터 제어기는 FPGA 기반 모터 제어 IP의 구현은 완료하였으나, 임베디드 프로세서 상에 구현되는 모션 생성기는 PTP 모션에 대해서만 구현이 완료되었다. 이에 향후에는 미완료된 모션 생성기 알고리즘(보간 모션, 기구학 모션 등)에 대한 추가 구현 및 실험을 통하여 자동화 시스템, 매니퓰레이터, 로봇 등 다양한 어플리케이션에 최적화된 모터 제어기로서의 성능 검증이 과제로 남는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FPGA기반 모터 제어의 장점은?	FPGA만을 이용하여 모터를 제어하는 방식은 다수의 로직 셀을 제공하는 FPGA와 모터 알고리즘 구현을 위한 CPU 코어, 모터 제어 IP를 동시에 구성하여 제어하는 방식으로 그림 3과 같은 구조이다. FPGA는 CPU 코어와 모터제어 IP를 동시에 구성하므로 다른 시스템에 비해 매우 효율적인 구조를 가지며, 성능 상에서도 매우 높은 수준의 모터 제어기의 구현이 가능하다[11-13]. 그러나 일반적으로 무료로 제공하는 CPU 코어의 경우 기능 및 성능 상에 한계가 와 고성능 CPU 코어를 구입함에 따른 비용적인 문제 등의 어려움이 있다[11].
	Zynq EPP 기반의 모터 제어기는 어떤 구조적 장점을 가지는가?	제안된 모터 제어기는 FPGA와 임베디드 프로세서의 장점을 융합한 제어기로서 고속의 모터 제어용 신호처리 부분은 FPGA 기반의 모터 제어기가 수행하며, 복잡한 소수연산 등의 알고리즘 처리가 요구되는 모션 프로파일 및 기구학 계산 등은 듀얼 코어 기반의 임베디드 프로세서에서 처리하게 함으로서, 결과적으로는 하나의 칩에서 분산처리 효과를 실현할 수 있는 구조적인 장점을 가진다. 또한 FPGA 상에 구현된 모터 제어 IP 코어의 추가를 통하여 손쉬운 다축 모터 제어기로의 구성이 가능한 장점도 가진다.
	국내 대부분 기업의 모터 구동 및 제어를 수행하는 핵심 제어 칩 현황은?	오늘날 산업용시스템, 사무용 기기, 가전제품, 로봇 틱스 분야 등 다양한 영역에 걸쳐 가장 많이 적용이 되고 있는 자동화 컴포넌트 중의 하나는 모터이며, 이러한 모터를 구동 및 제어하기 위해 필요한 기술이 모터 제어기술이다. 모터 제어와 관련된 기술은 다양한 분야에서 매우 많은 연구를 수행해왔었다[1-10] 현재 국내 일부 기업을 제외한 국내 대부분의 모터 및 모터 제어기 개발업체들이 모터 구동 및 제어를 수행하는 핵심 제어 칩을 독자적으로 생산하는 것이 아니라 외산 모터 제어 칩을 사용하거나 범용의 MCU 및 DSC 등을 적용하여 모터 제어기를 구현하는 형태를 가진다. 이러한 구조는 모터 제어의 효율을 극대화 할 수 없으며, 칩 내부에 고정적으로 임베디드화된 모터제어 블록들을 그대로 사용하므로 다양하고 유연한 모터제어가 어렵다는 문제를 가지고 있으며, 또한 칩 단종과 같은 예기치 못한 사태가 발생하였을 경우 칩 변경 및 제어 로직의 포팅 과정에 상당한 시간이 소요되는 등 유연한 대처가 어렵다는 문제가 있다[11,15].

참고문헌 (18)

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Yong-Jin Kim,Young-Chul Bae, Kwang-Heon Kim,"Implementation of motor driver for control of AC Servo motor of robot", The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 7, No. 3, pp. 553-558, 2012.
Yong-Seon Moon,Sang-Hyun Roh, Kwang-Hun Jo,Young-Chul Bae, " Design of robot joint structure using multiple motors", The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 7, No. 2, pp. 417-423, 2012.
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Yongseon Moon, Youngpil Lee, Youngchul Bae, "Implementation of Bi-directional Optical EtherCAT with Single Optical Core of WDM for Industrial Automation", SCIS-ISIS 2012, Kobe, Japan, November 20-24, pp. 928-934, 2012.
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원문보기 상세보기
Yong-seon Moon, Young-chul Bae, Sang-hyun Roh, " A Study on Implementation of Zigbee Module based on CC520", The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 5, No. 6, pp. 664-671, 2010.
Altera, "FPGAs Enable Energy-Efficient Motor Control in Next-Generation Smart Home Appliances", 2008.
Xilinx, "Zynq-7000 All Programmable SoC : Conecpts, Tools, and Techniques(CTT)", 2012.
Christian Grumbein, "Fully Integrated FPGAbased configurable Motor Control", 2010.
Yue Ma, Rong Xiong, "Design of a FPGA-Based Multiple Motors Control System", 2012.
Actel, "Implementing a Brushless DC Motor Controller on an IGLOO FPGA", 2005.
Xilinx, "AXI Reference Guide", 2011.
Xilinx, "Zynq-7000 All Programmable SoC Software Developers Guide", 2013.
Xilinx, "Zynq-7000 Extensible Processing Platform - Technical Reference Manual", 2012.

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