외부 분석 도구 없이 모터 제어 정보 관측과 결과 확인
[테크월드뉴스=박응서 기자] 최근 텔레다인르크로이가 자동차 산업에서 주요 이슈인 모터 제어와 전자제어장치(ECU) 수 증가에 따라 필요한 네트워크의 데이터 전송 대역폭 문제를 해결하기 위해 적용한 자동차 이더넷 MGBASE-T1에 관련된 측정 솔루션을 선보였다.
고정자와 회전자로 구성된 모터는 주로 3상 입력 신호를 다룬다. 그런데 시간에 따라 변하는 3상 신호는 다루기가 힘들어 현장에서는 변하는 양을 고정된 값으로 변환해 다루는 기법을 사용한다. 이 방법이 바로 dq0(Direct Quadrature Zero)변환이다. 모터 분석 소프트웨어를 탑재한 텔레다인르크로이 오실로스코프는 dq0 변환 도구(툴)를 제공해 모터 제어에 필요한 정보를 외부 분석 도구 도움없이 신호를 관측하면서 동시에 결과를 확인할 수 있다.
또 자율주행과 첨단운전자보조시스템(ADAS), AVB, 커넥티드카처럼 주변 센서와 컨트롤러 사이에 데이터 전송량이 증가하면서 2.5GBASE-T1, 5GBASE-T1, 10GBASE-T1의 MGBASE-T1에 대한 관심이 증가하고 있다. 텔레다인르크로이는 QPHY-MGABSE-T1 컴플라이언스 테스트 솔루션을 발표하고, 발빠르게 자동차 MGBASE-T1 디바이스를 개발하는 엔지니어들이 쉽고 빠르게 사양 준수 여부를 판단할 수 있는 솔루션을 공급하고 있다.
여기서는 텔레다인르크로이 MDA(Motor Drive Analyzer)에서 동작하는 dq0 변환과 MGBASE-T1 솔루션을 소개한다.
3상 dq0 변환 툴
텔레다인르크로이의 8채널 오실로스코프 기반의 MDA 모델은 기본적으로 1초에 10GS라는 높은 샘플링 속도를 가진 시간축 정밀도와 수직축 12비트라는 높은 정밀도를 제공한다. MDA는 모터 제어 시스템에서 광범위하게 사용되고 있는 클라크(Clarke)와 파크(Park) 변환을 모터 드라이브 분석기에 도입했다. 현재 dq0 기반 모델은 전기 기계와 드라이브 모델링과 제어, 인버터 모델링, 마이크로 그리드 시뮬레이션 같은 다양한 응용 분야에서 사용하고 있는 방법이다.
텔레다인르크로이의 dq0 변환 기능을 수행하는 dq0 변환 소프트웨어 패키지는 3상 분석 또는 모터 분석 소프트웨어에 추가 옵션으로 3상 신호 입력 신호를 이용해 αßγ(Clarke)와 dq0(Park) 변환을 실시간으로 처리해 표시한다. MDA가 제공하는 프레임 변환 기능을 통해 전동기 모델링에서 시간 변화 시스템을 시간 불변 시스템으로 매우 빠르고 간단하게 변환한다. 이를 이용해 제어 엔지니어들이 설계한 시스템 성능을 시뮬레이션 결과나 예상 기대값과 분석 결과를 실시간으로 비교, 분석해 알고리즘을 조정하거나 성능을 평가할 수 있다.
MDA는 αßγ와 dq0, dq0rf 3가지 파형 변환 결과를 제공한다. 3상으로 입력되는 교류전력(AC) 입력 또는 드라이브(Drive) 출력단의 3상 신호를 정지 좌표계인 αßγ 프레임으로 변환하는 방법과 입력 신호를 기준 각도 없이 입력 신호에서 곧바로 dq0로 변환하는 방법, 그리고 모터 센서 출력으로부터 기준 각도를 해석해 이를 기준으로 변환하는 dq0rf 방식을 선택해 변환할 수 있다.
[그림1]은 인버터 출력 신호와 홀센서(Hall Sensor) 출력을 화면 왼쪽에 표시하고, 화면 오른쪽에는 αßγ 변환한 전압과 전류 신호를 보이고 있다. 변환된 전압(DOVα, DOVß)과 전류(DOIα, DOIß)가 각각 90도 위상차를 가진 사인 파형(Sine Wave)으로 보이고 있으며, 해당 파형들을 각각 Xy 디스플레이에 표시함으로써 위상관계를 쉽게 파악할 수 있음을 확인할 수 있다.
텔레다인르크로이 MDA는 다양한 센서 입력으로 계산된 모터 샤프트 각도 데이터를 추가로 활용해 dq0 변환을 회전축 기준 프레임으로 변환할 수 있다. 이 변환 결과를 dq0rf라는 이름으로 사용할 수 있다. 레졸버, 엔코더, 홀센서 출력 등 다향한 모터 출력 신호를 MDA 속도와 각도 설정 인터페이스에 입력할 수 있다.
[그림2]는 R·S·T의 홀센서(왼쪽 하단 보라색 파형) 출력을 기준으로 dq 변환을 수행한 결과(오른쪽 하단)다. 모터가 처음 작동할 때 토크 변화와 전류를 d축으로 변환한 결과를 오른쪽 그리드에서 동시에 비교하고 있다. 변환된 신호가 토크 변화를 잘 추적하고 있음을 알 수 있다.
텔레다인르크로이의 MDA는 전원 입력부터 모터에 관련된 기계적인 부분은 물론 모터 제어에 필요한 기능까지 제공한다. 이로써 정적 파워(Static Power)와 동적 파워(Dynamic Power)는 물론 하모닉스(Harmonics) 계산은 3상 벡터 기능과 αßγ, dq0와 dq0rf를 제공해 모터 제어에 필요한 대부분의 정보를 외부 분석툴 도움없이 장비 하나에서 모두 확인할 수 있다.
PAM-4 시그널링 방식을 적용한 멀티기가 BASE-T1 측정 솔루션
NRZ에 비해 동일한 단위시간에 두 배의 데이터를 전송할 수 있는 장점과 채널의 대역폭 특성을 유지하면서 빠르게 많은 데이터를 전송할 수 있다는 장점으로 PCIe Gen6, 자동차이더넷 MGBase-T1와 같은 인터페이스에서는 PAM4 시그널링을 채택했다.
자동차 이더넷에서 PAM4 시그널링을 채택한 멀티기가 Base T1 컴플라이언스 테스트에 추가된 항목과 텔레다인르크로이의 QPHyMGBASE-T1 자동 측정 툴을 소개한다
PAM-4 시그널링 대 NRZ 시그널링
데이터 전송에 사용하는 대표적인 시그널링이 NRZ 방식이다. NRZ 신호에서는 비트 하나가 0 또는 1을 표현할 수 있는 전압 레벨을 가지고 있다. 비트당 전송할 수 있는 데이터양을 심볼이라고 하며, 심볼은 보드(baud)로 표현한다. NRZ방식은 한 비트 당 하나의 심볼을 전송하므로, NRZ 방식으로 1Gbps를 속도로 신호를 전송한다면, 심볼로는 1Gbuad라고 표현할 수 있다. 전송 속도와 전송률은 같다.
이에 비해 PAM4은 비트 하나에 고유한 전압 레벨을 4개 갖는다. 각 레벨은 두 개 비트가 심볼 하나로 표현돼 전송된다. 심볼 당 비트 2개를 전송하므로, NRZ 방식의 전송률보다 ½ 속도에서 같은 데이터양을 처리할 수 있다. 예를 들어 28Gbaud의 심볼 속도를 NRZ에서는 56Gbps와 같다. 결국 PAM4는 NRZ방식보다 절반의 대역폭을 사용하고, 동일한 속도에서는 데이터를 두 배 처리할 수 있다.
PAM4 송신기 테스트
자동차 MGBase-T1은 IEEE802.3ch 멀티기가 자동차 이더넷 PHy Task Force그룹에서 사양을 정의하고, PMA 전기사양(Electrical Spec)과 테스트 절차는 오픈 동맹(OPEN Alliance)에서 정의하고 있다.
MGBase-T1는 최대 출력 감소, 송신기 선형성, 송신기 타이밍 지터, MDI 랜덤지터 전송, MDI 결정론적 지터 전송, 송신기 PSD 전원 레벨, 피크 차등 출력, 송신기 클럭 주파수, PMA 전송 테스트 항목에 규정돼 있다.
MGBase-T1에서는 PAM4 시그널링에 대한 선형성을 확인하는 직선형(Linearity) 항목이 추가됐고, 지터 측정도 RJ와 DJ를 별도로 측정하고 있다. 그림6에서는 텔레다인르크로이 오실로스코프에서 포착한 5GBASE-T1 시그널에 대한 아이다이어그램과 선형적합파동반응(Linear fit Pulse Response)과 파라미터 값을 보이고 있다.
LFPR(선형적합파동반응)은 실제 송신기 출력 신호와 이상적인 신호 사이의 차를 나타낸다. 하지만 노이즈에 의한 영향은 받지 않고, 오로지 신호 모양에 영향을 받는다(그림6의 오른쪽 위 초록색). 파라미터로 측정된 EstRLM은 PAM3를 구성하고 있는 레벨들이 얼마나 일정한 간격을 두고 분리돼 있는지를 나타낸다. 컴플라이언스 테스트에서는 필수 또는 정보 제공용으로도 사용하지 않는다.
실제 컴플라이언스에서 선형성을 측정할 때는 SNDR(신호 대 잡음과 왜곡 비율, Signal to Noise and Distortion Ratio)를 사용하며, [그림6]의 파라미터 측정항목에서 37.41dB로 측정됐음을 확인할 수 있다. 오픈동맹 사양에서는 2.5GBASE-T1의 경우 35dB, 5GBASE-T1은 36dB, 10GBASE-T1의 경우 38dB보다 높아야 한다고 규정하고 있다.
SNDR은 실제 트랜스미터 출력 신호와 이상적인 신호 사이의 차이인 LFPR(p(k))와 선형적합에러(linear fit error, e(k)) 값을 사용해 계산한다.
pmax는 p(k)의 최대값,
σe : e(k)의 표준편차,
σn : PAM4 전압 레벨의 RMS
텔레다인르크로이 MGBASE-T1 솔루션
텔레다인르크로이는 PAM4 신호 분석에 PAM4-56G 테스트 솔루션을 이미 제공하고 있다. MGBASE-T1 분석에서도 기존 100BASE-T1, 1000BASE-T1 솔루션에 이어 MG-BASE-T1 컴플라이언스 테스트를 자동화해 매우 쉽게 컴플라이언스 테스트를 수행할 수 있다.
QualiPHy는 PMA(물리적 미디어 첨부파일, Physical Media Attachment)의 전기적인 적합성 테스트를 자동으로 수행한다. MGBASE-T1, 1000Base-T1, 100Base-T1, BroadR-Reach, 10Base-T1S와 TC8 사양에 따른 측정과 자세한 연결 다이어그램을 제공해 사용자 실수를 줄일 수 있다.
또 테스트 세션이 완료되면 합격·불합격 결과를 자동으로 생성하고, 보고서 파일을 제공한다. 컴플라이언스 테스트 도중 에러가 발생하면 측정을 잠깐 멈추고 파형 디버깅 소스를 찾을 수 있도록 오실로스코프 제어권을 사용자에게 넘겨주는 기능도 제공한다.
텔레다인르크로이는 MGBASE-T1 PMA에 대한 컴플라이언스 테스트는 물론 이미 직렬데이터분석(Serial Data Analysis) 툴에서 입증된 EyeDr2 툴을 이용해 PAM4 신호의채널 임베딩 또는 디임베딩 적용 또는 피드포드균등화(Feed Forward Equalization)를 적용해 채널에서 발생하는 ISI에 대한 보상을 어느 정도로 해야 하는지 확인할 수 있는 툴도 제공하고 있다.
자료제공 : 텔레다인르크로이 teledynelecroy.com/korea
그래도 삭제하시겠습니까?