실시간 제어는 데이터를 수집하고 그 데이터를 처리하고 정해진 시간 내에 시스템을 업데이트하는 폐루프 시스템의 기능을 의미한다. “‘실시간 제어’의 정의와 필요성” 기고문에 이어서 실시간 제어 시스템의 첫 번째 기능 블록인 데이터 감지(수집)에 대해 더 자세히 살펴보고, 특정 센서 매개변수에 주목하여 실시간 제어 시스템의 데이터 수집을 최적화하는 3가지 팁을 제시하고자 한다.
여러분은 지금 모터의 위치와 속도를 모니터링하거나, 전기차(EV) 충전소의 출력 전력을 조절하거나, 차량과 그 앞과 정차한 자동차 사이의 근접 거리를 측정하고 있을지도 모른다. 적용 분야에 관계없이, 폐루프 시스템의 안전과 성능에 대한 중요한 변수에는 센서 속도와 정확성 및 신뢰성이 포함된다.
팁1: 정해진 시간 내에 데이터를 수집 및 전달하는 센서를 선택한다.
센서의 응답, 변환 및 전달 속도는 환경이 급속하게 변하는 실시간 제어 시스템에 매우 중요하다. 시스템이 데이터를 더 빠르게 수집 및 처리할수록 출력을 더 신속하게 업데이트하여 안정성과 효율성을 유지할 수 있다.
40개 이상의 센서가 배터리 셀 온도를 측정하는 전기차의 배터리 팩을 예시로 살펴보자. 이 센서들로부터 얻은 데이터는 이러한 셀의 안전한 작동을 유지하는 데 도움이 되며 충전 효율성을 최적화한다. 설계자들은 종종 기존의 부온도계수(NTC, Negative Temperature Coefficient) 서미스터를 고정하고 있는 포인트 투 포인트(point-to-point) 케이블 때문에 전기차의 무게와 제작 비용이 추가되는 과제에 직면한다.
이 문제를 해결하기 위해 그림 1과 같이 TI의 TMP1826 온도 센서에서 볼 수 있는 싱글 와이어 프로토콜을 채택하여 필요한 케이블 수를 줄이고 그럼으로써 전체 중량을 줄여서 차량 효율을 개선할 수 있다.
그림 1: 전기차 배터리의 온도 센서 케이블 감소
그러나 한 버스에 센서가 여러 개일 때는 컨트롤러가 모든 단일 온도 센서의 새로운 온도값을 모두 정해진 시간 내에 충분히 판독할 수 있을 만큼 통신 속도가 빠른 것이 중요하다. 다행히, TMP1826과 같은 디바이스는 기존 애플리케이션을 위한 표준 속도와 저지연 통신을 위한 90kbps 데이터 전송률의 오버드라이브 모드를 둘 다 지원하여 실시간 제어 시스템이 각 배터리 모듈의 셀 온도를 적절히 업데이트할 수 있다.
팁 2: 정확한 센서를 선택하고 모범 사례를 참고하여 외부 오류를 최소화한다.
실시간 제어 시스템은 정확한 피드백을 필요로 하며, 이를 실현하는 가장 간편한 방법은 정확한 센서를 사용하는 것이다. 6축 로봇 팔과 같이 모터로 제어되는 시스템 또는 그림와 같이 협동 로봇을 사용하는 것이 좋다. 이러한 로봇은 조립 공정의 정확성과 인간 상호작용이 있는 경우 안전성을 보장하기 위해 정확한 모터 위치 감지와 제어를 필요로 한다.
모터의 위치를 더 정확하게 안다면 기계적 허용오차를 줄일 수 있다. 다시 말해, 위치 센서의 정확도가 높을수록 설계 여유도가 증가한다. TMAG5170 과 같이 정밀한 홀 효과 위치 센서는 모터의 위치를 정확하게 모니터링하는 동시에 각도 변화에 신속하게 대응하여 실시간 제어 처리 장치가 모터의 위치를 조정할 수 있도록 한다.
그림 2: 다축 협동 로봇
정확한 측정을 실현하려면 또한 모범 설계 사례를 따르고, 시스템의 기계적 결함이나 신호 체인 관련된 오류와 같이 모든 발생 가능한 오류 원인을 고려해야 한다. 자기 감지 분야에서 정밀한 각도 변화가 필요한 실시간 제어 시스템의 경우에는 “최고의 시스템 각도 감지 정확성 실현” 애플리케이션 노트에 있는 지침을 따르도록 한다.
팁 3: 제품의 운용 조건(mission profile)에 근거하여 신뢰할 수 있는 센서를 선택한다.
센서의 속도와 정확성은 성공적인 실시간 제어를 위한 두 가지 열쇠이지만, 센서가 시간이 지나면서 올바로 작동할 수 있으려면 시스템의 수명과 환경 작동 조건도 고려해야 한다. 예를 들어, 그림 3의 위성은 우주에서 강력한 물리적 진동과 다량의 방사선은 물론 극심한 온도 변화도 견뎌야 한다.
그림 3: 전자 부품에 가혹한 환경인 우주
우주의 실시간 제어에 대한 한 가지 예는 단일 과도 현상을 감지하기 위해 전류 감지 증폭기(CSA)를 사용하여 주전원 레일 입력 전류를 모니터링하는 위성의 발전 및 분배 시스템에서 발견할 수 있다. 과전류가 감지되면, 프로세서가 실시간으로 반응하여 전자 서브시스템을 차단하고 손상을 예방할 수 있다.
TI는 정확도 높은 측정을 유지하고 우주에서의 실시간 제어를 지원하기 위해 INA901-SP 및 INA240-SEP 와 같은 CSA 제품의 우주 강화 플라스틱과 방사선 경화 포장과 같은 기술 발전을 활용하고 있다. 자세한 내용은 기술기고문 “전류 감지 증폭기로 위성체 건전성을 모니터링하는 방법”에서 확인할 수 있다.
결론
감지는 전압, 전류, 모터 속도, 위치, 습도, 온도와 같은 외부 변수의 측정도 나타낸다. 센서의 응답 시간, 통신 속도, 정확성, 신뢰성은 데이터 변경 사항을 제어 시스템으로 실시간으로 전송하는 중요한 매개변수이다.
브라이언 파딜라 (Bryan Padilla), TI 온도 및 습도 센서 제품 마케팅 엔지니어
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