MagnTek MT6701 0~360도 회전 각도를 정밀하게 측정하는 14비트 자기식 회전 각도 센서

MagnTek MT6701은 홀 센서 기술을 기반으로 0~360도 회전 각도를 정밀하게 측정하는 14비트 자기식 회전 각도(위치) 센서입니다.

 

I2C, SSI, PWM, 아날로그 및 ABZ/UVW 인크리멘탈 출력을 지원합니다.

 

주요 특징고

• 해상도 측정: 14비트 절대 각도 및 12비트 DAC 아날로그/PWM 출력을 제공합니다.
• 다양한 출력 모드: I2C, SSI, PWM, 아날로그 신호 외에도 광학 인코더를 대체할 수 있는 ABZ 및 UVW 출력을 지원합니다.
• 응용 분야: 브러시리스(BLDC) 서보 모터, 로봇 관절, 드론 짐벌, 스마트 가전 전자 노브 등에 사용됩니다.

참고로 SimpleFOC 커뮤니티의 한 사용자에 따르면, MT6701은 인기 있는 AS5600 센서의 대안으로도 활용됩니다. 

 

 

 

MT6701 각 측정 자기 센서 인코더, 42 규격 스텝모터용 (MT6701 Magnetic Angle Sensor Encoder for 42 Step Motor) 

 

• 본 제품은 MT6701 각 측정 자기 센서 인코더 -42 규격 스텝모터용 입니다.
• MT6701 칩을 기반으로 디자인된 제품으로 칩 표면에서 회전하는 자석의 각을 측정할 수 있는 제품입니다.
• 0-360도 출력이 가능하며, ABZ/UVW 출력, 아날로그/PWM 절대각 출력을 지원합니다.
• I2C 인터페이스를 통해 14비트 디지털 각을 출력합니다.

 

상세 기능 동작 설명 링크

 

 

MT6701은 MagnTek에서 출시한 최신 3축(회전+누름) 유도 자기각 인코딩 칩입니다. 무인 항공기, 짐벌, 원격 제어 모델, 로봇 관절 등 DC 브러시리스 서보 모터 관련 분야는 물론 스마트 가전 제품 관련 고급 전자식 조절 장치에도 적합합니다. 

 

자기각도 엔코더 칩은 약 20년에 걸친 개발 과정에서 초기 수평 홀 유도 방식, 후기 수직 홀 유도 방식, 그리고 최신 고성능 자기저항 유도 방식(AMR 이방성 자기저항, GMR 거대 자기저항, TMR 터널 자기저항)에 이르기까지 다양한 자기 유도 원리를 거쳐 발전해 왔습니다. 현재 고성능 자기각도 엔코더의 응용 분야는 다양한 자기저항 유도 기술이 주를 이루고 있습니다. 동시에, 다양한 복잡한 신호 처리 및 교정 알고리즘을 통합한 ASIC는 자기 엔코더 칩의 전반적인 성능 향상을 위한 필수적인 핵심 부품이 되었습니다.

 

하지만 MagnTek은 초기 자기 유도 기술에서 새로운 보물을 발굴해냈습니다. 오늘은 비교적 오래된 유도 방식인 차동 수평 홀 유도(홀 소자가 칩 표면의 수평면에 위치함)에 대해 소개하겠습니다.

 

고성능 폐루프 스테퍼 모터 및 서보 모터 응용 분야에서 이 유도 방식은 본질적으로 낮은 감도(자기 저항 방식보다 최소 10배 낮음)로 인해 신호 대 잡음비가 낮아 자기 저항 기반 각도 엔코더 칩에 비해 잡음 및 동적 성능이 떨어지는 단점이 있습니다. 그러나 이 차동 유도 방식은 외부 자기장 간섭 및 전자기파 방사에 대한 내성이 뛰어나 특정 응용 분야에서 선호됩니다. 또한, 이 방식은 칩 표면의 평면 각도뿐만 아니라 칩의 수직 방향 자기장 변화까지 감지할 수 있어 비접촉식 "노브+버튼" 기능을 구현할 수 있습니다.

 

MagnTek의 최신 MT6701 자기 각도 인코더 칩은 이러한 원리를 기반으로 합니다. 

 

핵심 원리: 차동 홀 효과 - 외부 자기장 간섭 제거

먼저, 다음 그림에 나타낸 차동 수평 홀 센싱의 원리를 이해해 보겠습니다. 

 

그림 1. 차동 수평 홀 유도 원리

 

01 | XY 평면 내 각도 감지 4개의 수평 홀 디스크가 서로 90도 각도로 배치되어 있습니다. 이 수평 홀 디스크는 칩 표면에 수직인 자기장 성분 Bz만 감지합니다. 대각선 방향의 두 홀 디스크는 차동 쌍을 이루며, 유도 자기장의 세기는 Bz - (- Bz)=2Bz입니다. 이로써 서로 90도 각도로 배치된 두 쌍의 차동 홀 브리지가 형성됩니다. 칩 위에 방사형으로 자화된 한 쌍의 자석이 회전함에 따라, 서로 90도 각도로 배치된 두 쌍의 차동 홀 브리지는 다음 그림과 같이 Cos θ와 Sin θ의 전압 신호를 생성합니다. 홀 디스크의 감도가 낮기 때문에, 여기서 생성되는 전압 신호는 일반적으로 수 mV에 불과합니다. 이후 증폭, 보정 및 신호 처리 회로를 거쳐 각도 θ를 계산할 수 있습니다. MT6701의 각도 정보 θ는 ABZ, PWM, 아날로그 선형 전압 및 14비트 이진 디지털 절대값 형태로 사용자에게 출력됩니다. 

 

그림 2. 차동 수평 홀 각도 감지 원리

 

02 | 차동 홀 디스크는 모든 방향의 자기장 간섭을 차단합니다

 

칩에 있는 홀 어레이는 칩 표면에 수직인 자기장만 감지합니다. 그림 1에서와 같이, 방사형으로 자화된 한 쌍의 자석을 칩 바로 위에 설치하면, 자석의 북극에서 남극으로 향하는 자기력선은 칩 위에 180° 각도로 배치된 한 쌍의 홀 디스크에 정확히 입사하게 됩니다. 이 중 하나는 +BZ의 자기장을, 다른 하나는 -BZ의 자기장을 감지합니다. 차동 연산 후, 총 유도 자기장은 2BZ가 됩니다. 이때 X 방향으로 간섭 자기장 BEX 또는 Y 방향으로 간섭 자기장 BEY가 존재하면, 홀 디스크는 유도를 발생시키지 않습니다. Z 방향으로 간섭 자기장 BEZ가 존재하면, 한 홀 디스크는 BEZ+BZ의 자기장을, 다른 홀 디스크는 BEZ-BZ의 자기장을 감지합니다. 차동 연산 후에도 총 유도 자기장은 여전히 ​​2BZ입니다. 따라서 차동 홀 디스크 설계는 외부에서 들어오는 모든 방향의 자기장 간섭을 완벽하게 제거할 수 있습니다. 이는 다양한 응용 분야에서 자연스러운 이점을 제공합니다. 

 

03 | 수직 방향(Z 방향) 누름 감지 기능

 

MT6701은 XY 평면에서의 각도 회전 감지 외에도 수직(Z 방향) 누름 감지 기능을 통합하고 있습니다. 

 

 

 

이 함수는 서로 90° 각도로 연결된 두 쌍의 전기 브리지에서 생성된 전압 신호 Cos θ와 Sin θ를 활용하며, 이 신호들의 제곱합 A는 홀 디스크에 의해 유도된 자기장의 절대 세기를 나타냅니다.

 

A=ASin2θ+ ACos2θ

 

칩과 자석 사이의 거리가 고정된 경우, θ 각도와 관계없이 계산된 A 값은 일정합니다. 그러나 자석과 칩 사이의 직선 거리가 변하면 홀 디스크에 의해 유도되는 자기장의 크기가 그에 따라 변하고, A 값 또한 변합니다. MT6701은 바로 이러한 수학적 관계를 이용하여 Z축 누름 기능을 구현했으며, 칩에 내장된 EEPROM을 통해 누름 임계값을 프로그래밍할 수 있어 다양한 응용 프로그램 설계에 용이합니다.

 

편리 하고 간섭 방지 설계 - SSI 인터페이스

 

MT6701은 편리하고 간섭 방지 기능이 뛰어난 SSI 디지털 전송 인터페이스를 제공합니다. 

 

그림 3. MT6701의 SSI 통신 인터페이스

 

 

MT6701은 I²C 또는 SPI 인터페이스와 달리 통신 명령이 필요 없는 편리한 SSI 인터페이스를 제공합니다. 상위 컴퓨터는 칩 선택 신호와 클록만 제공하면 칩에서 데이터를 읽을 수 있습니다. MT6701은 SSI 인터페이스를 통해 프레임당 24비트의 고정 형식 데이터를 제공하며, 여기에는 14비트의 절대 각도 데이터, 4비트의 자기장 상태 정보(약자성, 강자성, 압력, 속도 포화 포함), 그리고 최대 6비트의 CRC 데이터 검사 비트가 포함됩니다.

 

6비트 CRC 데이터 체크섬은 데이터 전송의 간섭 방지 능력을 크게 향상시킵니다. 많은 응용 분야에서 엔코더는 모터 본체나 전원 라인 근처에 위치하며, 전자기 환경이 열악하여 신호 전송이 간섭에 매우 취약합니다. 상위 컴퓨터는 6비트 체크섬을 사용하여 오류를 판별함으로써 오류 데이터 수신 확률을 크게 줄일 수 있습니다.

 

| MT6701의 일반적인 응용 분야

 

01 | DC 브러시리스 서보 모터

 

DC 브러시리스 서보는 무인 항공기, 짐벌, 로봇 관절 제어 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 고급 서보 모터 시리즈입니다.

 

DC 브러시리스 서보는 일반적으로 속이 빈 컵 모양의 모터입니다. 공간 제약으로 인해 엔코더는 대개 모터 측면에 장착되는데, 일반적인 자기 엔코더는 모터의 자기장에 영향을 받습니다. 차동 홀 센서 방식의 자기 엔코더만이 이러한 간섭을 쉽고 완벽하게 제거할 수 있습니다. 

 

그림 4. 서보 모터의 자기장

 

 

02 | 자기 코딩 기반 "노브+버튼" 응용

 

현재 대부분의 조절 손잡이는 저렴하고 활용도가 높은 전통적인 전위차계를 사용하여 구현됩니다. 그러나 더욱 아름답고 편리하며 신뢰할 수 있는 스마트 가전제품에 대한 요구가 증가함에 따라, 전통적인 전위차계를 자기 각도 인코더 칩으로 대체하여 조절 손잡이를 구현하려는 수요가 증가하고 있습니다. 

 

그림 5. 기존 전위차계 노브형 자기 각도 엔코더 스위치

 

칩 노브에 자기 각도 엔코더를 사용하는 데에는 두 가지 장점이 있습니다.

 

1. 비접촉식 작동 방식으로, 가변저항기보다 훨씬 긴 수명을 제공합니다. 상시 작동하는 장치의 경우, 일반적으로 수만 회 ​​정도만 사용 가능한 가변저항기의 제한된 수명은 부족할 수 있지만, 자기각도계 방식은 사용 횟수에 관계없이 10년 이상의 일반적인 수명을 자랑합니다.

 

또한 비접촉식 작동 방식 덕분에 자석과 칩을 분리할 수 있어 방수 설계가 용이합니다. 예를 들어, PCB 기판과 손잡이(자석 포함)를 유리와 같은 재질로 완전히 분리할 수 있어 방수가 가능하며 사용에 전혀 지장을 주지 않습니다. 

 

그림 6 MT6701은 "노브+누름" 기능을 구현합니다.