무선 충전 방식으로 모바일 로봇의 활성화

최신 무선 충전 방식은 전자기 유도 원리 기술을 사용한다. 교류가 송신기의 유도 코일을 지날 때, 진동을 발생시키는 자기장이 생성된다.

제조업은 현재까지 200여년 이상 지속적으로 성장하여 왔다. 인더스트리 4.0은 연결, 자동화, 머신 러닝, 실시간 데이터 처리 등에 초점을 맞춘 4차 산업 혁명이다. 다양한 제조업 영역에서 인더스트리 4.0을 향해 경쟁력을 제고하고 생산 비용을 줄이기 위해, 더 많은 장비와 더 적은 인력으로 공장을 운영하고 있다.

 최근 아마존의 배송 창고와 선진 제조기업의 조립라인에 첨단 모바일 로봇에 비중을 두어 투자를 감행하고 있다. 또한 건설, 조립, 물류 등에서 경쟁 우위를 차지하기 위해 웨어하우스에 대한 비중 있는 투자도 진행되고 있다. 

그러나, 이러한 모바일 로봇들은 주기적으로 충전되어야 하는데 산업 현장에 큰 부담으로 작용될 수 밖에 없다. 그래서 로봇을 더 유연하게 활용할 수 있도록 몇 가지 개선이 이루어졌는데 이는 제조 능력과 공장의 효율성을 향상시켰다. 

적절한 부품 선택, 코일 디자인, 보드 레이아웃 등의 기술로 이루어진 무선 충전방식은 제조업의 패러다임을 바꿀 수 있는 요소로서 자리매김하고 있으며 전 산업 부문에 영향을 미치고 있다.

무선 충전 방식의 작동 원리

최신 무선 충전 방식은 전자기 유도 원리기술을 사용한 것이다. 교류가 송신기의 유도 코일을 지날 때, 진동하는 자기장이 생성된다. 해당 자기장이 수신기의 유도 코일과 쌍을 이룰 때, 교류가 수신기 코일에서 발생한다. 

무선충전 방식은 송신기 코일, 동조 콘덴서, 코일 드라이브, 그리고 수신기 코일을 포함한 수많은 부품들을 필요로 한다. 또 다른 부품으로 정류 다이오드, DC-DC 변환기, 전송기, 그리고 수신기 제어 전자회로와 다양한 알고리즘, 배터리 충전 회로 등이 있다.

아래 예시처럼 전자기 유도 무선 충전 시스템은 공장에 설치된 충전 패드에서 전기 에너지를 모바일 로봇에 있는 수신 패드까지 이동시킬 수 있다. 

공장에서 무선 충전 방식의 장점

향상된 효율성과 비용 최적화된 부품들로 구성된 첨단 무선 충전 방식은 다양한 측면에서 제조 현장을 혁신하는 중요한 변수로서 증명되었다. 

첫째, 무선 충전 방식은 생산성을 향상시키고 생산 비용을 다양한 측면에서 절감한다. 무선충전 방식은 여가 시간을 활용하여 지속적으로 충전할 수 있다.

 또한 다양한 생산 활동에서 로봇들을 통해 투자 비용을 절감한다. 더욱이 무선 충전 과정은 자동화되어 사람의 개입을 최소화하고, 커넥터와 케이블 없이 완전한 무선 방식으로 충전 되기 때문에 관리 비용도 줄어든다.

둘째로, 이 무선 충전 시스템은 안전성과 보안성이 향상되었다. 무선 충전 시스템은 오염과 내부의 습기로 인해 커넥터와 짧은 회로에서 발생하는 스파크 위험성이 제거된다. 송신기와 수신기 코일 사이의 금속 조각이나 기타 외부 물질들을 탐지할 수 있는 기능도 또 다른 안전상의 혜택 중 하나이다. 

또한 권한 없는 접근을 막기 위한 충전기와 로봇 사이의 안전한 인증 절차를 용이하게 하며 충전 중 데이터를 보낼 수 있어 비가동시간을 개선하기 위한 관리도 예측 가능하게 된다. 

또한 유선 충전 시스템과 비교했을 때 무선 충전 시스템은 관리하기 쉽고 청결성 또한 뛰어나다. 이는 COVID-19 같은 전염성 질병을 예방하여 보다 더 안전한 환경을 만들고 사람의 개입을 최소화함으로써 자동화된 공장을 만드는데 기여할 수 있는 가장 중요한 요소라 할 수 있다.

무선 충전의 장애물 극복

공장을 운영함에 있어서, 무선 충전 기술은 제조 산업을 한 차원 높은 수준으로 이끌고 제조업이 처한 생산 난제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 

하지만, 무선 충전 기술에도 장애물은 있다. 이러한 장애물로 유선 충전과 비교했을 때 기반 시설을 확보하기 위한 상대적으로 많은 투자금과 낮은 효율성, 전자 방해의 위험성 등이다. 또한 송신기와 수신기 코일 사이에 이물질이 있을 때 발생할 수 있는 과열 또한 장애물 중 하나다. 효율적인 BOM비용 관리와 구성 부품의 선택이 특히 중요하다.

전기 스위치, 공진 캐피시티, 그리고 코일은 무선전력 전송기에서 고전력의 무선 전력 시스템 교류의 중요한 루프를 형성한다. 이 루프에는 고전압, 고전류, 그리고 높은 스위치 주파수가 흐른다. PCB레이아웃과 부품 배치, 그리고 라우팅은 해당 고전력 무선 송수신 시스템에서 효율성, 전자방해, 열분산 등에 영향을 미쳐 결국 시스템의 작동과 효율성에 영향을 준다. 또한 제조 과정에서 코일의 변화 가능성으로 코일 매개변수의 변화 역시 하나의 난제다. 코일의 품질은 제품의 품질 차이로 이어져 해당 필드에서 편차가 발생하고 신뢰성이 떨어져 산업활동에 문제를 초래할 수 있다. 

다양한 목적으로 이용 가능한 디바이스들은 무선 충전 방식을 사용할 수 있지만 단일 목적을 위해 생산된 장치들과 동일 선상의 효율성을 발휘할 수는 없다. 무선 충전 방식은 구성부품의 선택, 보드의 레이아웃에 따라 비용과 효율성 측면에서 차이가 난다. 현재 무선 충전의 이러한 과제 해결을 최적화하기 위한 많은 기술과 방법들이 있다.

최적화된 솔루션 제시

고정 기능을 가진 장치들은 안전하고, 신뢰성이 보장되며 고전력 무선 충전 능력을 실행하는 데 있어 발생하는 문제들을 해결할 수 있도록 무선 충전 솔루션을 최적화하는 데에 효율적으로 사용된다. 매우 고도화된 통신 알고리즘, 전력 통제, 이물질 자동 탐지(FOD)를 처리하는 송신기와 수신기의 회로를 최적화하는 단계가 매우 중요하다. 이 알고리즘은 폭넓은 조사와 개발에서 수많은 특허를 토대로 이루어졌다.

이상적인 무선 충전 솔루션의 커뮤니케이션 방식은 out-of-band(컨트롤 트래픽을 사용자 트래픽과 분리)방식보다는 in-band(컨트롤 트래픽이 사용자 트래픽과 같은 흐름)방식이어야 한다. 

100KHz 범위에서의 전력 전환 주파수를 예로 들어보자. 전력 통제는 다양한 주파수와 송신기의 풀브리지 인버터를 움직이는 펄스 폭 변조의 다양한 듀티 사이클(신호의 한 주기에서 신호가 켜져 있는 시간의 비율을 백분율로 나타낸 것)을 활용해서 이루어진다. 고전력 단계에서 이물질로 인한 손상은 치명적이다. 전력의 스위칭은 수 마이크로초 동안 잠시 멈추고 코일의 전압은 무선 충전 솔루션의 고전력 주변부와 코어를 이용해서 측정한다. 외부 이물질의 존재는 FETs의 출력이 제어될 때 코일 전압의 경사를 계산하여 탐지한다.   

컨트롤러, FETs, 제어기, 코일을 포함한 무선 충전 솔루션의 모든 구성부품들은 습기와 먼지의 사용 환경 속에서 제품의 신뢰성을 높이기 위해 비싼 금속을 구매해야 할 수도 있기 때문에 전체 시스템의 예산에 맞도록 적절한 방식으로 선택해야 한다. 

무선 충전 솔루션의 효율성은 전력 제어 방식과 코일설계의 최적화에 달려있다. 단적인 예로 바로 100와트 이상의 부하에서 90퍼센트 이상의 효율성을 보여주는 마이크로칩의 무선원격 제어포드가 있다. 이 효율성은 송신기의 DC 입력과 수신기의 DC 출력으로 측정할 수 있다. 무선 충전 솔루션은 12-36볼트의 DC 입력 전압에서 사용할 수 있으며 수신기 쪽에서는 비슷한 전압 범위에서 제어할 수 있다. 

PCB 레이아웃, 구성부품 배치, WP300기반 솔루션의 PCB stack-up은 최고의 효율성을 높이기 위해 최적화되었다. PCB는 디지털 섹션, 아날로그, 그리고 전력 섹션이 각각 분리되도록 하는 방식으로 설계되어서 노이즈 커플링을 최소화할 수 있다. 

EMI 또한 적절한 송신기 컨트롤, 소음삭감 디커플링 캐패시터의 적절한 사용, 그리고 스위칭 주파수의 감소로 완화된다. 디커플링 캐패시터는 스위칭 노이즈 커플링을 줄여주지만 증가된 열 분산과 효율성 감소 등 손실 또한 발생한다. 이러한 점들이 설계 최적화의 평가기준으로 매우 중요하다. 

코일 패러미터는 생산라인의 조립공정에서 교정할 수 있다. 이 솔루션의 장점은 바로 교정된 데이터가 제품 테스트 과정에서 WP300TX IC에 기록되는 점이다. 이 결과는 제품과 생산에 일관성 있는 결과를 도출해 낸다. 

마지막으로, 오직 송신기에 의해 인증 받은 수신기만 전력이 공급되도록 하기 위해 통신 내용이 in-band 방식을 통해 저장되어 송신기와 수신기 사이에 1대1 짝을 만들어낼 수 있다. 

시스템 개발자들은 부품 선택, 코일 디자인, 보드 레이아웃 등 무선 충전 솔루션을 사용하기 위한 디테일한 가이드라인을 제공하는 공급자와 협업해야 한다. 또한 공급자들은 최종 생산품의 원활한 사용을 담보하기 위해서 체계적인 가이드라인을 제공해야 한다. 

이러한 방식으로 접근하여야 개발자들은 전자기 유도 기술을 완전히 이행할 수 있다. 시간을 절약하고, 위험을 완화하며, 무선 충전 설계를 단순화시키는 동시에 생산성을 향상시키고 생산 비용을 절감하며 안전과 보안을 개선해야 한다.

출처 : manufacturingtomorrow