Sebastiano Yuri Ciardo, Fabio Chelli  STMicroelectronics





양극 스텝 모터는 그 크기가 작고 정밀하며 비용도 줄일 수 있어 사용량이 증가하고 있다. 그러나 속도 및 위치 프로파일이 요구되는 전용 제어의 경우에는 최종 적용을 위해 통상적으로 복잡한 MCU 루틴이 필요하므로 강력한 마이크로컨트롤러가 설계에 포함되며, 이에 따라 시스템이 복잡해진다.
고수준 통합은 품질을 손상시키지 않으면서 모터 제어 설계를 단순화하고 시스템 BOM 및 비용을 줄일 뿐만 아니라 (모든 장치군에 있는) SPI 인터페이스를 사용함으로써 하나의 마이크로컨트롤러로 다수의 장치를, 그에 따른 다른 모터들을 제어할 수 있는 데이지체인 (Daisy Chain) 방식으로 작업하게 해준다.
마스터는 속도 프로파일 및 모터의 위치를 프로그램밍하기 위해, SPI를 통하여 제어명령만 보내면 되며, 장치들의 모든 진단 및 설정은 시리얼 채널을 통해 관리된다.

 ‌‌The cSPIN

새로운 cSPIN은 단일 칩 동작제어기로, 더 작고 조용하며 가벼운 정밀동작 및 위치 시스템을 가진 다양한 장비를 설계하는 데 사용된다.
이 최신 기술은 몇 개의 IC, 다수의 수동부품을 필요로 하지 않을 뿐 아니라, 스텝 모터 드라이버를 아주 저렴하고 작으며 간단한 방법으로 사용할 수 있다.
디지털 제어 코어는 전용 레지스터 세트를 통해 쉽게 프로그래밍되는 가속, 감속, 속도 또는 타겟 위치가 있는 사용자 정의 동작 프로파일을 생성할 수 있다.
전류제어값, 전류보호점(Trip Point), 데드타임, PWM 주파수와 같이 아날로그 값을 설정하는 데 사용되는 것을 포함한 모든 명령 및 데이터 레지스터들은 5Mbit/s SPI를 통해서 전송된다. 풍부한 보호 특성들[온도, 저 버스 전압(Low Bus Voltage), 과전류, 모터 정지]은 대부분 부담이 큰 모터 제어 적용이 요구하는 대로 완전하게 보호된 적용을 설계하도록 한다.
디지털 제어 코어는 혁신적인 전압모드 드라이빙 조작과 함께 128 micro-steps까지의 위치 결정과 보다 원활한 동작을 이루어질 수 있도록 한다.
현재 많은 동작제어기들은 하나 이상의 프로세서를 포함하고 있는데, 이것은 일반적으로 더 많은 소음과 장비설계의 복잡성을 가져온다.
다중 칩 제어기들은 종종 추가적인 모터제어 소프트웨어를 필요로 하며, 설계자가 분리된 칩에 대해 개발한 후 계산 제어 및 인터페이스 기능들을 결합해야 하므로 장비 개발 과정에 별도의 단계가 추가된다.
동작엔진을 통합하므로 cSPIN은 호스트 제어기(특히 마이크로컨트롤러)에서 자원을 거의 요구하지 않는다. 즉, 복잡한 루틴이 제어기 소프트웨어에서 실행될 필요가 없으므로 특히 다중모터 적용에서 개발 사이클이 더 빨라지고 비용이 절감된다.
기술자들은 또한 소음이 적은 장비를 개발할 수 있으므로, 연구실이나 병원 등에서 일하는 사람에게 미치는 환경적인 영향을 줄일 수 있다. 분류저항기(Shunt Resistor)를 포함하고 있지 않으므로 에너지 낭비 요소를 줄임으로써 제어기가 가볍고 작아 전체적으로 낮은 비용이 들며, 보다 더 효율적인 시스템을 개발할 수 있도록 한다.
STMicroelectronics는 두 버전의 cSPIN 제어기를 출시했는데, L6480은 1/128 Steps Resolution까지의 Micro-stepping 작동을 지원하고, L6482는 예측 제어 알고리즘 및 자동조절 감쇠모드(Auto-adaptive Decay Mode)를 포함하고 있다.
(전원 스테이지를 내장한) 전형적인 100W 단일 솔루션(Monolithic Solutions)의 한계를 극복하기 위해서는 외부 전원 스테이지가 사용되어야 하는데, cSPI 제품군은 이러한 종류의 적용을 위해 설계됐으며, 이것으로 800W까지 적용되는 스마트한 드라이빙을 사용할 수 있게 되었다.
시장에서 독창적이라고 할 수 있는 이러한 장치들은 Miller clamp 특성을 가졌으며, 완전히 프로그램할 수 있는 게이트 드라이버가 내장된 버스 전압 85V까지 작동할 수 있어 포지셔닝에서의 극단의 정확성과 동작에서의 극단의 부드러움을 제공한다.
L6480은 (1/128까지의 마이크로스텝 제어 특성을 제공하는) 전압 모드 제어를 위해 설계된 한편, L6482는 (1/16 마이크로스텝까지의) 전류 관리 모드를 위한 것이다. 내장된 듀얼 풀브릿지게이트 드라이버는 N-channel MOSFET 전원 스테이지를 드라이브할 수 있어 100mA까지 게이트 전류를 전달하며, 에너지를 낭비하지 않고(Non-dissipative) 프로그램할 수 있는 (두 개의 장치에 모두 있는) 과전류 보호를 제공한다.
사용자는 가속, 감속, 최대 및 최소 속도값을 독립적으로 정의하는 맞춤 속도 프로파일을 쉽게 프로그램할 수 있으며 5-Mbit/s SPI를 통해 정속 명령, 절대위치 명령, 동작 명령 및 정지 명령과 같은 높은 수준의 명령을 보낼 수 있다. 관련된 모든 동작들은 가속 및 감속 단계 동안 BEMF의 능동적인 보상이 적용되어 부과된 가속 및 감속 한계에 관해 수행되며, 어떠한 속도 또는 위치 센서 없이 모터의 정지 발생을 감지한다.
외부 MOSFET의 과전류 및 저전압은 관리되며, 과전류 및 저전압이 발생할 경우 게이트들이 바로 꺼지고 이벤트는 마스터에게 돌아간다(쓰레스홀드가 설정될 수 있다).
L6482를 위한 전류제어모드를 위해 매우 진보된 특성들이 사용되며, 이 장치는 전류 프로파일을 따르고 전류 리플을 감소시키기 위해 사실상 보다 나은 상쇠모드를 자동으로 선택할 수 있다.
세 가지 다른 수준의 개입(경보, 브릿지 중지, 장치 중지)에 대해 작동하도록 설계된 통합 열센서가 있는 cSPIN이 적용의 열 측면을 완전하고 강력하게 관리한다.

 ‌‌평가 보드

cSpin 제품군의 장치를 쉽게 평가하는 방법으로 두 개의 평가 보드(EVAL6480H 및 EVAL6482H)가 있다. 높은 수준의 장치 통합 덕분에 보드의 전체적인 BOM은 매우 제한적이며 설계는 쉽게 다시 만들 수 있다.
100V low RDS MOSFET(33mOhm)을 사용하는 보드와 각 단계는 25Arms까지 작동할 수 있어 양극 스텝 모터 드라이브를 위한 강력한 솔루션을 가져온다. 보드는 10.5∼85V 범위의 공급전압으로 작동하도록 설계되었다.
전압제어 특성(L6480) 사용 시, 사용자는 모터공급전압을 보드에 있는 전용 ADC 입력장치에 연결하여 능동적인 모터공급전압 보상을 수행할 수 있다.
사용자는 보드에 있는 전용 SPI 커넥터를 사용하여 이러한 보드의 데이지 체인을 실현할 수 있으므로 다중 축 시스템에 관한 다수의 모터들을 관리할 수 있다.
이와 같은 보드들은 윈도 기반의 PC와 전용 GUI에 연결되어 있는 전용 통신보드(STM32F103 마이크로컨트롤러를 기반으로 하는 STEVAL-PCC009V2)로 제어할 수 있다. 또한 PC 인터페이스를 사용함으로써 위치 프로파일에 대한 높은 수준의 명령을 각 보드에 보낼 수 있다. 뿐만 아니라 이 최종 평가는 xSpin 제품군에 속한 모든 장치에 사용할 수 있다.
모든 STMicroelectronics 보드를 위한 표준으로, EVAL6480H 및 EVAL6482H에는 모든 문서(설계도, BOM, Gerber files, UM…)가 따라 나오므로 사용자는 짧은 시간에 최종 적용을 위한 자신의 설계를 시작할 수 있게 된다.