통합형 360° 홀 기반 회전식 인코더

AS5000 자석 회전식 인코더 시리즈는 저가형 8비트 인코더에서 고정밀도의 저잡음 12비트 버전까지 여러 애플리케이션을 위한
핵심 제품을 제공한다. 이러한 인코더는 환경적 영향에 대한 견고성과 무접점 측정 방식을 바탕으로 전기기계, 유도, 광학 또는
기타 측정 방식이 불안정하거나 많은 비용이 들어가는 애플리케이션에 매우 적합하다.

                                            글│조세프 자니쉬(Josef Janisch), 오스트리아마이크로시스템즈

기계적인 변위를 감지해야 하는 많은 분야 가운데 회전 운동 감지는 매우 중요한 역할을 수행하고 있다. 간단한 회전 센서의 일반적인 예로는 와이퍼 접점이 저항 와이어나 필름 위를 지나가는 저항 전위차계가 있다. 이러한 접촉 방식은 160년이 넘는 세월(전위차계는 1841년에 고안되었음)동안 주로 수동 입력 디바이스에 널리 사용되었지만 안정성과 높은 회전 속도 측면에서 고유한 문제를 안고 있다.
이러한 문제는 광학 인코더를 통해 해결할 수 있다. 이는 비교적 단순한 순방향 디바이스이며, 가장 단순한 형태는 광원, 슬롯 디스크 및 광 감지기로만 구성되어 있다. 무접점 감지 방식은 높은 속도에 사용할 수 있으며, 이 경우 단순한 저분해능의 광 인코더를 저가에 제작할 수 있다.
그러나 광 인코더 역시 안정성 문제를 나타내고 있다. 특히 광 경로를 차단할 수 있는 먼지나 수분이 발생하면 인코더가 무용지물이 될 수도 있다. 그럼에도 불구하고 오늘날 광 인코더는 시장에서 널리 채택되고 있을 뿐 아니라 14비트(16384step/revolution) 이상의 고분해능 부문에서 시장을 석권하다시피 하고 있다.
그러나 현재 출시된 무접점 인코더 솔루션 에 광 인코더만 있는 것은 아니다. 유도성, 용량성 또는 자기저항 기술에서도 최근 몇 년 사이 통합형 홀(Integra-ted Hall) 회전식 인코더라는 새로운 유형의 회전식 센서가 등장했다. 홀 기술은 자체는 새로운 것이지만 홀 효과는 이미 125년 전에 발견되었으며, 실제로 혁신적이라 할 수 있는 부분은 바로 각도 측정 방식에 있다.

각도 측정을 위한 홀 센서

지난 수십 년 동안에는 자기장으로 트리거되는 단순한 홀 소자를 무접점 스위치로 사용해 왔다. 실질적인 예로는 바운스 프리 스위치나 증분 펄스 카운터를 비롯하여 톱니바퀴용 속도 센서가 있는데, 속도 센서의 경우 톱니바퀴의 톱니 수는 홀 스위치를 통해 생성되는 회전당 펄스 수에 해당한다.
선형 홀 센서에서는 적용된 자기장의 세기와 비례하는 DC 출력 전압을 생성한다. 이러한 센서는 해당 센서가 직경 자기화 자석(Diametrically Magnetized Magnet)과 가까이 있는 상황에서 고분해능 각도 센서에 사용할 수 있다(그림 1).


회전 자석은 회전당 전체 파형 하나씩 사인 파형을 생성한다. 하지만 회전 각도와 관련된 출력 전력은 영 교차점에서 양쪽으로 90° 이상에서 모호하게 나타나므로 이러한 유형의 설정은 제한된 각도 범위에만 사용할 수 있다. 또한 실제로는 각도 측정의 정확성을 위해 최대 ±45° 정도의 준선형 범위만 사용할 수 있다.
뿐만 아니라 이 설정은 자석에 대한 센서의 위치는 물론 원치 않는 외부 자기장에 대해서도 대단히 민감하다. 때문에 기계적 허용 오차가 엄격해야 하며 대개의 경우 자기 차폐를 사용해야 한다.
또 다른 중요한 요소에는 자석의 온도가 있다. 자석의 세기는 온도에 따라 변화하므로 출력 전압이 원치 않게 변경되는 결과가 초래된다. 이러한 효과를 상쇄하려면 홀 센서에서 온도를 측정하고 자석의 온도 계수에 따라 출력 전압을 수정할 수 있어야 한다.

최대 360°의 각도 측정

또한 전체 회전에 대해 각도를 측정하려면 다른 방법이 필요하다. 오스트리아마이크로시스템즈에서 사용한 접근 방식은 다음 원칙을 토대로 하고 있다. 하나가 아닌 네 개의 홀 소자를 사용하여 직경 자기화 회전 자석 아래에 같은 간격으로 배치하여(그림 2) 네 개의 사인 파형이 만들어지고 각 파형은 인접한 파형에서 위상이 90°씩 변이된다.

이 경우
a … 최대 진폭
α … 센서에 대한 자석의 회전 각도

반대 위치에 있는 두 센서의 차동 증폭을 사용하는 경우
H1 - H3 및 H2 - H4 =

이 경우 진폭이 두 배인 두 개의 90° 위상 변이 신호가 생성된다.

이들 두 아날로그 신호는 아날로그-디지털 컨버터를 통해 디지털화된 다음 디지털 영역에서 추가로 처리된다.

코르딕 알고리즘

CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)은 사인 및 코사인 정보를 다음 관계식을 사용하여 각도 및 크기 정보로 변환한다.

이 경우
A= 측정 각도
α = 센서에 대한 자석의 회전 각도
a = 최대 진폭

　　　　　　　　　
이를 통해 이 원칙의 주요 이점을 알 수 있다. 즉, 신호의 진폭과 무관하며 그에 따라 자석의 온도 및 수직 격차 변화는 물론 홀 소자의 온도 변화에도 영향을 받지 않는다는 점이다. 또한 외부 자기장에 대한 교란을 통해 발생되는 자기 오프셋을 상쇄하기도 한다.
그림 3에서는 회전 각도에서 식[5]의 아크탄젠트를 보여 준다. 입력 신호 sin(α) 및 cos(α)의 표시에 따라 전체 360° 회전에서 선형으로 증가하는 출력 신호가 생성될 수 있다. 또한 애플리케이션에 따라 절대 각도 정보는 직렬, PWM, 아날로그 등의 서로 다른 출력 형식으로 변환될 수 있다.

인코더 시스템의 정확도

각도 인코더의 고려 사항에는 분해능과 정확도라는 두 개의 중요한 개별 패러미터가 있는데, 이들이 꼭 연관되어 있다고 보기는 힘들다.
분해능은 최소 각도 단계(Step)로, 각각 회전당 균등 연속 단계 수를 나타낸다. 예를 들어 12비트 인코더는 회전당 2^12=4096step 또는 단계당 0.08789°의 분해능을 나타낸다. 분해능의 크기는 주로 아날로그/디지털 컨버터 및 코르딕의 계산 깊이에 따라 결정된다.
정확도는 표시된 각도와 실제 각도 간의 차이를 나타낸다. 여러 패러미터가 정확도에 영향을 주며 이는 궁극적으로 인코더의 품질을 정의하게 된다.

홀 신호의 위상 오류

먼저 이 패러미터는 큰 영향을 주지 않는 것처럼 보인다. 이는 홀 소자가 서로 정확히 90° 간격으로 배치되어 있기 때문이다. 따라서 [1]에 나열된 홀 센서 신호가 정확히 90°씩 위상이 변이될 것으로 생각할 수 있을 것이다.
원칙적으로 볼 때 이는 맞는 얘기다. 그러나 사인 및 코사인 신호 경로의 전파 지연이 서로 다른 경우 이 오류는 매우 큰 영향을 미칠 수 있다(특히 높은 속도에서). 게다가 ADC가 하나 밖에 없어 홀 신호를 순차적으로 샘플링하는 경우처럼 홀 신호를 동시에 사용할 수 없는 경우에는 더욱 심각하다.
따라서 오스트리아마이크로시스템즈의 AS5000 자석 홀 센서 시리즈는 병렬 신호 처리(그림 2)를 사용하여 높은 회전 속도에서도 위상 오류를 무시할 만한 수준으로 유지한다.

신호 경로의 오프셋 오류

오프셋 오류는 주로 홀 소자에서 발생하며 그 원인은 아날로그 신호 경로에서 부품의 트랜지스터 정합 상태가 열악하기 때문이다. 이 오류는 홀 소자, 초퍼 증폭기, 칩 트리밍 등의 스피닝 전류 보정 같은 적절한 디자인 방식을 통해 처리할 수 있다.

홀 센서 및 증폭기의 정합 오류

정합 오류는 트리밍을 통해 비교적 양호한 수준으로 보정할 수 있다. 그러나 이상적인 트리밍을 수행하려면 전체 온도 범위에서 많은 노력이 필요하다. 따라서 이러한 시스템을 디자인할 때는 처음부터 이러한 오류를 최소화한 상태로 유지해야 한다. 또한 이를 해결하는 것은 칩 디자인은 물론 웨이퍼 제조 공정과도 관련된 문제다.

위에서 언급한 오류 소스의 경우 각도 계산 공식 [4]는 다음과 같이 변경된다.

ADC의 비선형성

아날로그-디지털 컨버터의 비선형성은 보정할 수 없으며, 이를 위해서는 이 임계 부품에 대해 높은 성능이 요구된다. 오스트리아마이크로시스템즈의 AS504x 인코더 시리즈는 선형성 성능이 뛰어난 시그마-델타 ADC를 사용한다.

자석의 비선형성

그림 4에서는 그림 2의 센서 및 자석 설정을 단면도로 보여 준다. 센서가 반응하는 수직 자기장 부품의 분포가 자석의 직경을 따라 나타나는 경우 최대값은 자석 반대편 끝 가까이에 위치한 각 극에 나타난다. 자석 중심의 중립대(Neutral Zone) 자기장은 0이고 자기장의 세기는 반경이 증가하면서 선형에 가깝게 증가한다.
어레이의 모든 홀 소자가 이 선형 범위에 있는 경우 차동 신호 [2]는 다음과 같다.

즉, 자석의 수평 위치에 관계 없이 변하지 않게 되는 것이다. 따라서 자석의 직경이 클수록 반경의 오정렬이 늘어나게 된다. 하지만 이와 동시에 자기장 분포 곡선이 얕으므로 차동 신호의 크기가 줄어들고 이로 인해 증폭은 더 많이 요구되며 신호 대 잡음비는 열악해질 수밖에 없다. 이에 대한 적절한 대안으로 직경이 6mm인 자석을 사용하는 것이 좋다.

그림 5에서는 자석과 IC 사이의 축 거리가 0.5mm인 경우 나타나는 직경이 6mm인 자석의 일반적인 비보정 오류 곡선을 보여 준다(AS5040 10비트 인코더로 측정). 수평 축은 ±1mm의 전위에서 X 및 Y 방향으로 나타난 자석의 측면 오정렬을 표시한다. 사각형 바닥의 중심은 홀 어레이에서 자석을 정중앙에 놓은 위치에 해당한다.
수직 축은 각 X-Y 전위에서 전체 회전에 대해 최악의 경우 발생할 수 있는 오류를 나타낸다. 그래프에서 확인할 수 있듯이, 정중앙에 놓이지 않은 자석이라도 1° 이상의 정확도를 얻을 수 있다. 자석을 정중앙에 맞추면 정확도는 0.5° 이상이다.

통합형 홀 기술의 이점

360°의 전체 측정 범위

제시된 측정 방법에서는 전체 360° 회전에 대해 각도 측정을 수행할 수 있다.

환경적 영향에 대한 반응 수준 개선

오스트리아마이크로시스템즈의 무접접 통합형 홀 기술은 수분, 오물, 먼지 등의 환경적 영향에 대해 매우 강력한 특성을 나타낸다.

단일 칩 솔루션

단일 칩에 홀 소자와 신호 처리를 통합하여 엄격한 제조 허용 오차를 적용할 수 있고 그에 따라 전체 시스템 정밀도를 높일 수 있다. 또한 센서와 신호 처리 회로 간의 연결을 최대한 짧게 유지할 수 있어 폼 팩터의 크기를 줄이고 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다. 뿐만 아니라 민감한 입력 핀이 없어 EMC에 대한 견고성을 높여 준다.

측면 오정렬 허용 오차 개선

수직 자기장의 선형 범위 내에 홀 어레이를 배치하고 홀 센서 신호에 대해 차동 측정을 수행하면 자석의 측면 오정렬에 대해 높은 허용 오차를 얻을 수 있다.

축 오정렬 허용 오차 개선

수학적인 관점에서 볼 때 사인 및 코사인을 나누면([5]) 절대 진폭의 효과가 소거된다. 실제로 자동 게인 제어 회로가 내장되어 있어 0…3mm의 축 거리(권장: 0.5~1.8mm, 6mm 직경의 NdFeB 자석)는 정확도를 크게 해치지 않고 허용할 수 있다. 갭이 작아질수록 측면 오정렬이 높아진다.

자석의 온도 변화 및 노화에 대한 내성

자석의 온도 변화 및 노화는 자기장의 세기를 변화시키고 그에 따라 축 전위가 변하는 것과 동일한 효과를 나타낸다. 앞서 언급했듯이 이 영향은 자동으로 보정된다.

불필요한 외부 자기장에 대한
반응 수준 개선

여기 소개한 시스템은 자석 측정 원리를 기반으로 하고 있지만 불필요한 외부 자기장에 대해서는 크게 반응하지 않는다. 먼저, 홀 소자만 유일하게 칩 표면과 직각으로 자기장 부품에 대해 반응한다. 이들 소자는 수평면에서 모든 자기장에 대해 거의 "숨겨져" 있다.
둘째, 외부 자기장은 어레이에 있는 모든 홀 소자에 대해 동일한 방식으로 영향을 준다. 차동 측정 방식으로 인해 외부 자기장의 효과는 전치 증폭기를 적절히 공통 모드로 억제하여 소거할 수 있다(그림 2).

강력한 자기장에 대한 내구성

여기서 소개한 방식에는 필드 집중 장치 같은 강자성 소재가 필요 없는 것이 특징이다. 따라서 강력한 자기장이라도 센서 칩에 좋지 않은 영향을 주거나 파괴할 수 없다.

보정 불필요

여기에 소개된 회전식 인코더 제품군의 디자인은 일일이 보정할 필요가 없는 높은 정밀도의 전체 시스템을 대상으로 하고 있다. 보정을 수행하지 않더라도 중앙에 정렬된 자석의 경우 ±0.5°의 정확도를 보장할 수 있다.

회전 정렬 불필요

디지털 온칩 영 위치 트리밍 옵션을 사용하면 사용자가 각도를 영 참조 위치로 정의할 수 있다. 이렇게 되면 자석의 방향을 인코더의 각도 출력에 맞춰 조정할 필요가 없게 된다. 사용자는 단순히 자석을 회전 방향으로 조립하고 나중에 OTP 프로그래밍을 통해 전기적으로 0인 위치를 정의할 수 있다.

높은 회전 속도
병렬 신호 처리 및 고속 보간 회로(AS5040 10비트 인코더의 증분 인터페이스용)를 통해 누락되는 펄스 없이 10,000rpm 이상의 회전 속도를 보장할 수 있다.

안정적인 칩 제조 공정

AS5000 자석 회전식 인코더는 오스트리아마이크로시스템즈 소유의 웨이퍼 팹에서 표준 CMOS 공정을 통해 제조된다. 제품과 관련하여 추가적인 단계를 수행할 필요는 없으므로 높은 처리량과 공정 안정성 및 연속성을 바탕으로 센서와 함께 다른 많은 제품들을 제조할 수 있다.

검증된 자동차 부품

또한 AEC-Q100 표준을 따르며 자동차용으로 완전한 검증을 거친 부품을 사용할 수 있다. 이를 통해 센서를 많은 자동차 애플리케이션에 포함시킬 수 있는 것은 물론이다. 이러한 애플리케이션에는 차량 실내 센서에서부터 스티어링 휠 센서, 고온 UTH(Under-The-Hood) 애플리케이션(예: 트랜스미션 기어박스 센서)에 이르기까지 다양하다.

결론

AS5000 자석 회전식 인코더 시리즈는 저가형 8비트 인코더에서 고정밀도의 저잡음 12비트 버전까지 여러 애플리케이션을 위한 핵심 제품을 제공한다. 이러한 인코더는 환경적 영향에 대한 견고성과 무접점 측정 방식을 바탕으로 전기기계, 유도, 광학 또는 기타 측정 방식이 불안정하거나 많은 비용이 들어가는 애플리케이션에 매우 적합하다. 또한 폼 팩터의 크기가 작고 외부 부품 수가 적기 때문에(자석과 1~2개의 감결합 캐패시터만 필요) 업계에서 최소 면적에 정밀한 인코더를 구현할 수 있는 것은 물론, 기존 기술로는 불가능했던 새로운 감지 애플리케이션 영역을 열 수 있게 되었다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 02월호>