글: Roberto Scotti/ 필드 애플리케이션 엔지니어 ams / www.ams.com
자기 위치감지 센서는 자동차 설계 엔지니어들이 선호되는 부품이 되었다. 차량에서 여러 형태로 오랫동안 고장 없이 작동하는 이 부품은 각 변위를 정밀하고 정확하게 측정하면서도 튼튼하고 진동과 오염에 내성을 지니는 중요한 역할을 하고 있다. 이 같은 성과로 인해 자기 위치감지 센서의 공급자는 특정 자동차 기능에서 요구하는 바를 충족하며 보다 세분화된 용도에 적합한 기기의 기능을 위해 다양한 시리즈의 제품들을 내놓고 있다.
이 글에서는 이 같은 추세와, 전자식 스로틀 바디(electronic throttle body)라는 특정 용도에 맞도록 자기 위치감지 센서의 기능을 어떻게 수정할 수 있는지에 대해 설명하고자 한다.
전자식 스로틀의 작동 원리
가솔린(휘발유) 엔진을 장착한 차량 내부의 경우, 엔진으로 유입되는 공기의 양은 일반적으로 버터플라이 밸브의 형태인 스로틀 밸브에 의해 조정된다. 엔진의 각 사이클에서 배출을 적게 하면서 동력을 얻으려면 연소를 제어하는데 있어서 연료와 공기의 균형이 잡힌 배합이 필수적이다. 스로틀 밸브는 흡기 다기관(intake manifold)의 입구에 위치하거나, 보다 진보된 시스템에서는 전자식 스로틀 바디(ETB)에 설치된다.
구형 디젤 엔진의 경우, 연료는 공기 흐름 제어 없이 실린더로 분사된다. 반면, 현대식 디젤 엔진의 경우, 흡기 다기관에 스로틀 밸브가 있어서 배기가스 순환(EGR)을 돕는다. 배기 가스를 이용함으로써 연소온도를 낮출 수 있고, 이로 인하여 최근 대기오염관련 법규에서 요구되는 대로, 질소산화물(NOx) 배출량을 줄일 수 있다.
차량 운전자는 직접 스토를 밸브를 제어할 필요가 없다(그림 1 참고): 가속(혹은 가스) 페달을 밟으면 기계식 또는 전자식 링크를 통해 신호가 전자 제어 장치(ECU)로 전달된다. 오토바이에서는 센서가 가속기 핸들의 회전을 추적하는 링크의 위치를 측정한다.
그림 1. 가스 페달(가속기)은 직접 스로틀 밸브를 제어하지 않는다
그러면 ECU는 성능이나 배출량을 최적화하기 위해 전동 작동기(actuator)를 통해 밸브의 각도를 정밀하게 조절한다. 닫힌 위치는 종종 하단 기계식 정지(LMS)로 불리기도 한다. 최대 개방 각은 상단 기계식 정지(UMS)로 불린다. LMS에서 UMS까지의 폭은 일반적으로 약 90°이다. 스로틀 위치감지 센서의 기능은 밸브의 절대 각도를 탐지하고 안정적이고 정확한 신호를 ECU에 제공하는 것이다.
접촉에서 무접촉 솔루션으로의 이동
전통적인 각도-측정 시스템은 스로틀 밸브의 위치를 측정하기 위해 3개의 단자(VDD, OUT, GND)를 갖는 전위차계를 사용했다. 전위차계의 주요 결점은 그 작동 모드 때문에 발생한다. 전위차계는 저항성이 있는 원형 서브스트레이트 상에서 와이퍼를 미끄러트리는 방식을 통해 아날로그 전압을 만들며 그 크기는 축의 회전에 비례하므로 먼지와 마모에 민감하다. 안전을 중시하는 자동차 용도에서 전위차계는 상대적으로 신뢰도와 내구성이 낮다.
이에 따라 자동차 시스템 제조사들은 현재 홀-효과(자기) 감시 기술을 토대로 하는 무접점 센서로 전환하고 있다. 자기 위치감지 센서에서, 양극(SN) 자석 디스크는 밸브 축에 설치한다. 그 각위치는 자석디스크와 작은 공극으로 정렬된 IC 센서에 의해 탐지된다. 전위차계와는 달리 자기 위치 센서는 기계적 마모를 겪지 않고 먼지나 그리스 오염에 대한 내성을 갖는다.
전위차계와 연결되는 기존ECU와의 호환성을 유지하려면 ETB용 자기 센서도 3개의 단자 구조를 가져야 하고 비율측정식 아날로그 신호를 생성해야 한다. 위치센서에서 요구되는 출력 전압 기울기(예를 들어, LMS-UMS 범위가 VDD의 10~90%)를 설정하기 위해 생산라인 최종단계에서 프로그래밍이 되어야 한다.
ETB 설계에서 센서 요건제
ETB 용도에 사용된 위치감지 센서는 몇 가지의 특수 요건들을 갖고 있다. 일반 산업 및 소비재용으로 고안된 센서는 ETB에 필요한 정밀도와 정확성을 제공할 수 있지만 안전이 필수적인 자동차 환경에서 요구하는 추가적인 기능들에 부합하지 못한다. 이 때문에 적용 최적화된 차세대 위치센서가 자동차 부품 시장에서 차차 등장하고 있다.
이들 특수 요건들 중 첫 번째는 중복성(redundancy)이다. 이중 중복 센서는 ETB 스토틀 밸브 시스템의 기능 안정성 필수적이다.
그림 2. 단일 패키지 내에서 이중 중복성을 제공하는 AS5262의 듀얼 다이 구조
모터바이크의 스토틀 시스템에서는 심지어 3중 중복시스템을 요구한다. 그림 2에서 스로틀밸브와 페달위치감지용에 맞춤 개발된 위치센서 AS5262로 어떻게 중복환경이 제공되는지를 볼 수 있다. 이 센서는 싱글 다이나 듀얼 스택 다이로 제작될 수 있고; 듀얼 다이변종은 다이들 간에 유전체 스페이서로 완전히 절연되어 있다.
스택 다이 구조의 장점은 두 다이 모두 동일한 자기장 값을 거의 정확하게 측정한다는 것이다. 따라서, 두개의 다이 각각의 측정값은 쉽게 비교될 수 있는 뿐만 아니라, 이중 한 개의 다이로부터 생길 수 있는 어떠한 오류에 대한 감지도 가능해 질 수 있다.
센서IC는 스로틀 바디의 플라스틱 커버에 부착된 PCB에 납땜되는데, 플라스틱 커버는 센서와 ECU를 연결할 수 있는 외부 케이블을 위한 커넥터를 수반하고 있다. 자석은 밸브의 축에 부착된다. 센서를 스로틀 밸브 커버에 설치하는 효과는 자석이 시스템의 기계적 설계에 의해 결정된 거리에 따라 두개 또는 세 개의 다이와 정렬이 될 수 있음을 만족시킨다.
ETB 적용의 두 번째 요건은 정확한 아날로그 출력이다. 예를 들어, AS5262는 90°만큼의 LMS과 UMS 구간에 걸쳐 전압출력 범위를 VDD 의 10%부터 90% 로 제공한다. 이러한 12bit 출력은 측정된 각도와 선형 비례한다.
IC 내부의 실제 각도 측정은 완전히 한 바퀴 회전에 대한 14-비트 분해능을 갖는다. 스로틀 밸브 90° 회전의 경우, 12 비트의 분해능이 가능한데 이는 ETB 용도에 충분하다. 또한 가속도 페달과 모터바이트의 핸들에서 측정될수 있는 최대 각도인 22.5°에 대한 구간은 10 비트의 분해능을 제공한다. AS5262의 고 분해능 출력은 ECU가 정밀하게 스로틀 밸프의 개방을 조정해서 운전자의 가속기 패달 작동에 대해 정확하게 응답하도록 해준다. 선형 출력은 또한 ECU가 복잡한 보상 알고리즘을 처리할 필요를 없애준다.
그림 3. AS5262의 듀얼 -다이 버전은 각도와 선형으로 비례하는 전압출력을 생성한다
ETB 적용의 3번째 요건은 특히 자동차 업계의 ISO26262 기능 안전 표준에 따른 기능적 안전성을 지원하기 위한 부가적인 기능에 대한 것이다. 이들 요건들에는 다음의 사항들이 포함된다.
- 시스템 컨트롤러에게 센서의 고장에 대해 알리기 위한 진단 기능. 예를 들어, AS5262에서는 진단 기능에 자석 탐지, 단선 탐지, 그리고 진단 신호 대역 제공(VDD 의0-4% 혹은 96-100% )이 포함된다.
- 과전압, 역전압 및 영구 단락에 대한 보호
- 외부 표류 자기장에 대한 보호. 많은 자기 위치감지 센서에서는 이 기능을 센서 주변에 차폐 장치를 설치하는 방식으로 얻는다. 이와 같은 방식은 특허된 차등 감지 기술을 이용한 AS5262 사용자에게는 필요로 하지 않는다. 이는, 기기 내에 2쌍의 차등 감지 홀 센서를 이용한다. 한 쌍은 SN 자기장 벡터의 x(코사인) 성분에 대해, 그리고 다른 한 쌍은 SN 자기장 벡터의 y(사인)쌍에 사용된다. 내부 DSP는 이들 x 및 y 값을 자석의 SN 자기장 각도나 그 크기 계산을 위해 비교 사용한다. 센서에서 절대 값이 아닌 비교 값을 사용하기 때문에 표류 자성(stray magnetism)의 영향에 내성을 갖는다.
허용 가능한 최대 오차 정의
차량 제조사의 ETB 사양서에는 항상 이상 곡선의 각 측에 대해 허용된 INL(적분 비-선형성) 오차 대역이 포함되는데 이 요건은 INL이 VDD 의 1% 미만인 경우가 종종 있다. 밸브 회전 범위에 대한 전압 신호의 범위를 정의하는 데에는 EOL 프로그래밍 절차가 필요하다. AS5162를 프로그래밍 하는 방법은 사용자에게 제작자가 명시한 목표 INL을 충족할 기회를 제공한다.
일반적인 방법은 LMS와 UMS 위치에서 각각 스로틀 밸브를 설정하고 IC가 측정한 각도들을 읽어 소프트웨어에 맞춰 전압 신호범위를 설정하는 것이다. 이는 시스템의 INL을 VDD의 ±1% 이내로 유지할 수 있게 해준다. 훨씬 더 엄격한 정확도를 위해서 이 소자는 LMS, UMS 및 중간 지점들에서 다중점 교정도 지원한다. 이를 위해서는 보다 많은 시간이 필요하지만 INL을 VDD의 ±0.5% 이내로 유지할 수 있게 해준다.
동일한 이유로 LMS 위치에서 단일-점 교정을 수행하는 일은 훨씬 빠르지만, 이는 목표 INL 오차가 VDD 의 ±1% 보다 큰 경우에만 적합하다. AS5262도 미리 정의된 경사를 위한 사전 프로그래밍을 지원한다. 이 때 ECU는 LMS 위치에서의 출력 전압을 학습해서 자체 교정을 한다. 마찬가지로, 이는 목표 INL 오차가 VDD의 ±1% 보다 크고 ECU가 학습 능력을 가지고 있을 때 적합하다.
자석 선택의 유연성
비접촉식 위치감지 시스템에서 자석은 홀 효과 센서만큼 중요한 요소이다. ETB 용도의 경우, 시스템 개발자가 자석에 관련해서는 중요한 선택을 해야 한다. 지름 방향으로 자화되는 자석들(그림 4 참고)은 자기장이 약해지거나 왜곡될 수 있기 때문에 강자성(철) 축과 직접 접촉하도록 배치할 수 없다.
그림 4. AS5262같은 자기 위치감지 센서에는 두 가지 형태의 자석들을 사용할 수 있다
이는 곧 자석과 축을 최소 3mm 분리하는 비자성 홀더(플라스틱, 구리, 황동 또는 알루미늄 등)가 필요하다는 것을 의미한다. 지름 방향 자석들은 일반적으로 SmCo(온도계수가 매우 낮은) 나 NeFeB로 제작된다. 자석과 센서간의 공칭 공극은 일반적으로 1-2mm이다.
반면에 단면 자화 자석들은 강철 축에 직접 설치할 수 있다. 이들 자석들은 기본적으로 대형(일반적으로 지름이 16mm이고 두께가 2.5mm)이며 자기장 라인이 비대칭인 특성을 갖는다. 자기장이 한쪽 면에 집중되기 때문에 자석과 센서 간에 3mm정도의 큰 공극을 지원한다. 단면 자석들은 일반적으로 NeoFer 48/60p 같이 플라스틱 화합물과 NeFe로 제작한다.
AS5262 센서는 위와 같은 두 가지 종류의 자석들과 모두 호환된다. 이는 IC 내에 홀 센서가 위치한 원의 반경 1.25mm에 대해 30-70mT이내의 자속을 만족하는 수직 자기장 (Bz)만을 필요로 한다. 자석 및 그 지름의 선택은 기계적 설계 공차에 영향을 받는다. 측방 변위에 대한 공차를 보다 넓게 주고 INL은 줄이기 위해, 보다 큰 자석을 사용할 수 있다. 자기장의 강도 증가는 보다 두꺼운 자석을 사용하면 얻을 수 있다.
이는 측방 센터링(centering)과 공극 모두에 대해 ±0.5mm 수준의 보다 엄격한 공차를 만족시킨다. VDD 의 1% 미만의 INL을 만족 시키기 위해, 공칭 공극 1.5mm, 지름이 8mm, 두께가 3mm인 지름방향 자화식 SmCo 자석이 적합하다.
요약
ETB는 특히 비접촉식 위치감지 기술을 요구하고 있으므로 이를 위해 고성능과 내구성 및 기능적 안전 속성의 조합을 필요로 한다. 자동차 용도에 특히 적합한 기능을 제공하는 AS5262같은 자기 위치감지 센서를 선택함으로써 시스템 설계자는 측정 성능의 정확성, 정밀도 및 신뢰성를 위한 사양을 쉽게 충족시킬 수 있다.
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음
신윤오 기자
(yoshin@techworld.co.kr)