[Tech Report] 모바일 로봇을 통해 인더스트리 4.0을 구현하는 무선 충전

[마이크로칩테크놀로지= 프라밋 낸디(Pramit Nandy), 비제이 바푸(Vijay Bapu)] 인더스트리 4.0은 상호연결성, 자동화, 머신러닝, 실시간 데이터 처리에 초점을 맞춘 4차 산업혁명이다. 다양한 제조업이 인더스트리 4.0으로 나아가는 가운데, 제조업체들은 경쟁력 유지와 제조 비용 절감을 위해 공장에 더 많은 장비를 배치하고 인력을 줄이고 있다.

각 제조업체는 첨단 모바일 로봇 기술에 대규모 투자를 수행하여 공장과 창고에서 대부분의 적재, 조립, 운반 작업을 자동화하고 있다. 그러나 이러한 모바일 로봇은 정기적인 충전이 필요하며 이는 산업 현장에서 점점 더 큰 도전과제가 되고 있다.

현재 무선 충전 공간이 개선됨으로써 이러한 로봇 작업들이 보다 유연해지고 공장의 생산 능력과 효율성이 향상되었으며, 부품, 코일 설계, 보드 레이아웃의 올바른 조합을 통해 무선 충전은 제조업의 판도를 바꾸고 전체 경제에 영향을 미치고 있다. 

무선 충전 동작 원리 

최신 무선 충전 솔루션은 전자기 유도 원리에 기반한 기술을 사용한다. 교류 전류가 송신기의 유도 코일을 통과하면 진동자기장이 생성되고, 이 진동자기장이 수신기의 유도 코일과 결합하면 수신기 코일에 교류 전류가 생성되는 원리다. 

무선 충전 시스템에는 송신기 코일, 튜닝 커패시터, 코일 드라이브, 수신기 코일을 비롯한 많은 구성 요소가 필요하다. 다른 구성 요소로는 다이오드 정류회로, DC-DC 컨버터, 송신기/수신기 제어회로 및 알고리즘, 배터리 충전 회로가 포함된다.  

작업현장에서 무선 충전의 이점 

효율성을 높이고 비용을 최적화한 최신의 무선 충전 시스템은 다음과 같은 이유로 공장 환경의 판도를 새롭게 바꿀 요소로 입증됐다.

첫째, 다양한 방식으로 생산성을 향상시키고 제조비용을 절감한다. 기회 충전으로 연속 가동이 가능하고 로봇을 다양한 작업에 다목적으로 사용할 수 있기 때문에 투자 비용을 줄일 수 있다. 또한 충전 프로세스 자동화로 사람의 개입을 줄이며 커넥터와 케이블 등이 제거된 완전한 비접촉식 솔루션이기 때문에 유지보수 비용이 절감된다. 

둘째, 이러한 충전 시스템은 안전성과 보안성을 향상시킨다. 커넥터 내부의 오염이나 커넥터 내부 습기로 인해 합선이 발생할 수 있는 위험을 없애 주며, 송신기와 수신기 코일 사이의 금속 파편과 기타 이물질을 안정적으로 감지하는 기능을 갖추고 있어 안전성을 높여준다.

또한 충전기와 로봇 간 보안 인증을 구현하여 무단 액세스를 방지하고, 충전 중 데이터 전송을 예측적인 유지보수에 사용함으로써 다운타임을 방지할 수 있다. 이외에도 무선 충전 시스템은 유선 충전 시스템에 비해 공장 현장에서 유지관리 및 청소가 훨씬 더 용이하다는 장점을 갖는다. 이는 인간의 개입을 최소화한 완전 자동화 공장을 위한 중요한 요소로, 코로나19와 같은 감염병이 근로자들 사이에 확산되는 것을 막아 안전한 환경을 조성하는 데 기여한다. 

무선 충전 구현이 당면한 과제와 극복

이러한 점들을 고려해 볼 때, 공장 환경에서의 무선 충전 기술 적용은 제조업을 한 단계 끌어올리고 어려운 생산 관련 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그러나 무선 충전에는 아직 몇 가지 과제들이 남아 있다. 기존의 유선 충전과 비교할 때 무선 충전 인프라를 구현하기 위해서는 상대적으로 많은 투자가 필요하며 투자 대비 상대적으로 낮은 효율성과 전자기 간섭(EMI) 문제가 있다. 또한 송신기와 수신기 코일 사이에 이물질이 있을 경우 과열이 발생할 수 있다는 안전 문제도 있다. BOM 비용 관리 및 구성요소 선택도 특히 중요하다. 

무선 전력 송신기에서 고출력 무선 전력 시스템의 스위칭 전류에 대한 임계 루프에는 전원 스위치, 공진 커패시터 및 코일이 포함된다. 이 루프에는 고전압, 고전류 및 높은 스위칭 주파수가 포함되어 있다. 이 고전력 무선 전력 전송 시스템에서 PCB 레이아웃, 부품 배치 및 라우팅은 효율성, EMI 성능과 열 방출에 영향을 미치며 결과적으로 시스템 성능과 신뢰성에 영향을 준다. 또한 코일의 제조 변동성으로 인한 코일 매개변수 변동에도 문제가 존재한다. 일정하지 않은 코일은 제품 전반에 걸쳐 변동을 일으키므로 현장에서 일관성 없는 동작을 발생시켜 성능의 신뢰도를 저하시킬 수 있다.

범용 디바이스를 사용하여 무선 충전 솔루션을 구축할 수는 있지만, 고정된 기능을 가진 대안과 동일한 수준으로 성능을 발휘하는 것은 불가능하다. 또한 하나의 솔루션은 구성요소 선택 및 보드 레이아웃 결정에 따라 비용과 효율성이 달라질 수 있다. 오늘날 무선 충전 솔루션을 최적화하기 위해서는 다양한 방법이 존재한다. 

최적의 솔루션 구축

고정 기능(fixed-function) 디바이스는 무선 충전 솔루션을 최적화하는 데 사용되므로 고전력 수준에서 안전하고 안정적이며 효율적인 무선 전력을 구현하는 문제를 해결할 수 있다. 여기서 중요한 단계는 통신, 전력 제어 및 이물질 감지(Foreign Object Detection, FOD)를 위해 고도로 전문화된 알고리즘을 실행하는 무선 충전 솔루션의 송/수신기 회로를 최적화하는 것이다. 이러한 알고리즘은 광범위한 R&D와 다수의 특허 기술을 기반으로 한다.

이상적으로 무선 충전 솔루션의 통신은 대역 내 통신이어야 하며, 대역 외 통신 방식에 드는 추가 시스템 비용이 없어야 한다. 약 100KHz 범위에서 전력 전송 주파수를 찾는 것이 권장되며, 전력 제어는 송신기에서 풀 브리지 인버터를 구동하는 PWM의 가변 주파수 및 가변 듀티 사이클 제어를 사용해 수행해야 한다. 높은 전력 수준에서는 FOD의 중요성이 커진다. 이 방법에서는 전력 전송을 몇 마이크로초 동안 잠시 중지하고 무선 충전 솔루션의 주변장치와 코어를 사용하여 코일 전압을 측정하며, 출력 FET가 꺼졌을 때 코일 전압의 기울기를 계산하여 이물질의 유무를 감지할 수 있다.

컨트롤러, FET(Field-Effect Transistor), 레귤레이터와 코일을 포함한 솔루션의 모든 구성요소는 그 비용이 전체 시스템 예산에 맞도록 선택해야 하며, 여기에는 습기나 먼지가 있는 환경에서도 신뢰성을 유지할 수 있도록 고급 금속 접지가 포함될 수 있다. 솔루션의 효율은 전력 제어 방식과 최적의 코일 설계에 따라 달라진다. 예를 들어 마이크로칩의 WP300 솔루션은 100와트 이상의 부하에서 90% 이상의 효율성을 제공하도록 설계되어 있으며, 이 효율은 송신기의 DC 입력에서 수신기의 조정된 DC 출력까지 측정된 것이다. 이 솔루션은 12~36V DC의 입력 전압에서 동작할 수 있으며 수신기 측에서 유사한 전압 범위로 조정할 수 있다.

WP300 기반 레퍼런스 솔루션의 PCB 레이아웃, 부품 배치 및 PCB 스택업은 최상의 성능을 위해 최적화되어 있다. PCB는 디지털 섹션, 아날로그 섹션, 전원 섹션이 절연되도록 설계되어 노이즈 커플링이 최소화된다.

또한 EMI는 송신기에서 적절한 제어 방법과 최적의 디커플링 커패시터를 사용하여 스위칭 주파수를 줄이는 것과 스위칭 잡음을 줄임으로써 완화된다. 디커플링 커패시터는 스위칭 노이즈 커플링을 감소시키지만 손실을 증가시켜 열 손실을 증가시키고 효율성 감소를 초래한다. 이러한 상충관계는 설계 최적화를 위한 평가를 하는 데 있어 매우 중요하다.

코일 매개변수는 생산 라인에서 조립하는 동안 보정할 수 있다. 솔루션의 이점은 제품 테스트 중에 코일 보정 데이터가 WP300TX IC에 기록된다는 것이다. 그 결과 제품 전반에 걸쳐 일관된 동작과 안정적인 성능을 보장한다. 마지막으로 송신기와 수신기 간에 1:1 페어링을 만들기 위해 대역 내 보안 통신 기능이 포함되어, 송신기에서 인증한 수신기 디바이스에만 전원이 공급되도록 할 수 있다. 그림 4에는 이러한 기능을 제공하도록 최적화된 300W 송신기 컨트롤러 및 300W 수신기 컨트롤러의 블록 다이어그램이 제시되어 있다. 

시스템 개발자는 구성요소 선택, 코일 설계 및 보드 레이아웃을 포함하여 무선 충전 솔루션 사용에 대한 자세한 지침을 제공하는 공급업체와 협력해야 한다. 공급사는 또한 최종 제품의 원활한 실행을 보장하기 위해 단계별 지침을 제공해야 한다. 이러한 접근 방식을 통해 개발자는 시간을 절약하고 위험을 완화하며 무선 충전기 설계를 단순화하여 전자기 유도 기술의 모든 가능성을 실현하는 동시에, 생산성을 향상시키고 제조비용을 절감하며 안전성과 보안성을 개선할 수 있다.