텔레다인르크로이의 8채널 모델인 MDA800시리즈가 10GS/s의 샘플링속도를 제공하는 –A 버전을 출시하면서 타임축 정밀도를 더욱 높였다. A버전 모델은 샘플링 속도는 물론 다양한 분석 툴들과 새로운 인터페이스를 제공하여 다이내믹한 동작을 통해 분석결과를 쉽게 도출할 수 있도록 제작됐다.

충분한 채널 수와 정밀도

일반적으로 4채널의 오실로스코프가 테스트용으로 많이 사용된다. 3상을 측정하기 위해서는 각상의 전압과 전류를 동시에 측정하기 때문에 4채널 장비를 사용하기에는 어려움이 많고, 2 와트 메터 방법을 사용하더라도 입력과 출력, 또는 인버터와 모터의 출력 사이의 상관관계를 파악하기에는 채널이 부족할 수밖에 없다. 

 

텔레다인르크로이의 MDA800 시리즈와 HDO8000 모델의 경우, 아날로그 8 채널과 디지털 16 채널을 제공하여, 입출력의 상관관계는 물론 모터 출력되는 스피드와 토오크를 동시에 측정, 비교 및 분석할 수 있다. 그림 1에서는 DC 버스의 전압-전류, 인버터 3상 출력 신호의 전압-전류와 모터에서 출력되는 아날로그 토오크-스피드 그리고 BLDC 모터의 Hall Sensor에서 출력되는 디지털 신호를 동시에 프로빙하여 분석하고 있는 예를 보이고 있다.

▲ 그림 1. DC 버스, 드라이브 출력 및 토오크/스피드 신호 동시 포착

파워 측정에서의 측정 관심 대상은 주로 Vrms, Irms 및 실효전력, 피상전력, 역률, 위상 및 입출력 관계에서의 효율이다. 어떤 측정이 되었건 오실로스코프의 기본 정밀도가 측정 결과에 영향을 줄 수 밖에 없다는 것은 누구나 인지하고 있는 사실이다. 오실로스코프의 수직축 분해능은 샘플링 속도는 물론 측정 결과의 정확도에 영향을 준다. 일반적인 오실로스코프의 경우 8비트의 수직축 분해능을 갖고 있으며, 8비트 장비의 경우, 적게는 1%~2% 정도의 정확도를 갖는다. HD4096 기술을 적용한 MDA800의 경우, 12비트의 수직축 분해능을 가지고 있어서 0.5% 미만의 정확도를 제공하여 신호를 더욱 자세하게 파형을 관측하고 정확한 측정 결과 값을 얻을 수 있다.

파워 측정법 재정의

일반적인 파워측정에서는 정상 상태에서의 측정을 주로 측정했다. 모터 드라이브 및 제어 시스템 측정에서는 시스템이 안정화되고 로드의 변화가 없는 정상동작 상태에서 측정하는 정상상태 측정과 시스템의 로드 변화 또는 처음 시작 동작 상태 등의 상태가 변화될 때에서 측정하는 과도 상태로 구분해 측정할 수 있다. 정상 상태 측정에서는 오랜 시간에서의 평균 값을 사용한다. 

과도 상태 측정은 시스템이 사용되는 환경에 따라 어떤 상태 변화가 발생하는 지 그리고 그에 따라 어떤 결과나 나타나는 지를 파악하여, 상태 변화에 의해 발생될 수 있는 문제를 미리 파악해야 하기 때문에 매우 중요한 측정이다. 과도 상태의 측정은 정상상태 측정과 다르게 어느 특정 순간에서의 변화를 파악하고 그 때의 전력을 측정해야 하는 과도 상태의 파워 측정은 그 방법이 달라져야만 한다. 

텔레다인르크로이의 MDA800 시리즈는 오실로스코프에서 제공하고 있는 모든 트리거를 설정하여 적용가능하기 때문에 시스템 변화에 따른 신호 포착에 어려움이 없다. 또한, MDA800A의 경우 최대 10GS/s의 높은 샘플링 속도에 250Mpts의 긴 메모리 사양을 제공하여 최대 25초 동안 시스템의 변화를 10MS/s의 높은 샘플링속도를 유지하여 단 한번에 포착할 수 있다.

위에서 잠깐 언급한 것처럼 과도 상태 측정에서는 포착한 전체 파형에서의 평균은 의미를 갖지 못한다. 매 사이클의 전압, 전류, 전력 값을 측정해야 하며, 추가적으로 매 사이클에서 측정된 값들이 시간에 따라 어떻게 변화 되었는지를 파악하고 순간순간의 측정값 계산이 필요하다.

그림 2는 50초동안 포착한 3상 라인-라인 전압과 전류 파형이다. 신호 포착을 위해 사용한 결선은 라인-라인 방식을 사용하였고, 측정은 라인-뉴트럴 결선으로 변환하여 측정을 수행하고 있다. 그림 2의 아래 테이블에서는 각 사이클마다 측정한 Rrms, Irms, Real Power(P), Apparent Power(S), Reactive Power(Q)와Power Factor, phase를 측정한 결과를 보이고 있다. 모든 측정은 매 사이클을 기준으로 측정된 결과이다. 현재 테이블에서 보이고 있는 측정 값들은 각 사이클에서 측정된 결과들의 평균값이다.

▲ 그림 2. 50초동안 관측된 Vrms, Irms 측정값 변화 플로팅(왼쪽 각 상의

전압, 전류 파형, 오른쪽 상단 측정된 Vrms,하단 측정된 Irms 값을 플롯한 파형

MDA800A에서는 모든 측정들이 각 사이클을 기준으로 하여 측정되며, 측정된 모든 값을 화면에 파형으로 확인할 수 있는 기능을 제공하고 있다. 그림 2의 오른쪽 위의 파형은 각 사이클에서 측정한 RMS 라인-뉴트럴 전압 파형이며, 아래에서 보이고 있는 파형은 3상 라인 전류를 50초동안 측정한 결과 파형이다. 전압과 전류 파형들은 모두 시간은 동일하다. 결과 파형에서는 각 사이클당 측정된 RMS 전압은 3개의 상에서 거의 동일한 반면, 각 사이클당 측정된 전류는 로딩에 의해 두 개의 위상에서 RMS 전류값이 크게 변하고 있다는 것을 확인할 수 있다. 

텔레다인르크로이의 MDA 시리즈에서는 측정 테이블에 표시하고 있는 모든 파라메터들을 화면에 플롯팅이 가능하다. 그림 3에서는 그림 2와 동일한 신호원에서 측정된 각 사이클당 위상을 플롯한 결과(그림 오른쪽 위)와 무효 전력(Q)을 (오른쪽 아래)에 표시한 결과이다. 해당 파형을 표시한 그리드의 수직축 중앙 값은 0°와 0 VAR이다. 이 파형으로부터 모터가 로딩을 받으면서 무효전력이 복잡하게 흐르고 있다는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 3. 50초동안 관측된 위상과 무효전력 측정 값들의 파형

이 결과에 Zoom+Gate 기능을 적용하면 무효전력 값이 음의 값을 갖는 단일 사이클에서의 측정 값들을 쉽게 확인이 가능하다. Zoom+Gate 기능을 적용하게 되면 테이블에 표시하는 결과 값이 평균에서 게이트가 적용된 사이클에서의 측정 값들로 업데이트된다. 일부 영역에서 측정된 값들로부터 해당 영역에서 3상 전력과 각 상간의 관계를 쉽게 파악할 수 있다. 물론, 라인-라인 또는 라인-뉴트럴 변환을 통해 다각도로 그 결과들을 파악할 수 있다.

다양한 측정 설정 및 직관적인 인터페이스

텔레다인르크로이 오실로스코프의 인터페이스는 터치스크린을 제공한다. 기본적인 오실로스코프의 기능을 사용할 때 휴대형 디바이스인 스마트폰이나 테블릿을 사용하는 것처럼 스코프를 다룰 수 있기 때문에 매우 쉽고 편리하게 기본 기능을 사용할 수 있다. 또한, 분석용 소프트웨어의 인터페이스를 매우 쉽게 디자인하여 처음 사용자라도 적용할 수 있는 인터페이스를 제공한다.

3상 이상의 시스템에서 신호를 측정하는 데는 사용하는 전압, 전류 프로브의 올바른 연결이 요구된다. 사용중인 차동프로브의 극성이 바뀌거나 전류 프로브의 방향이 바르지 못하면 측정 값에 오차는 물론 그 결과가 잘못될 수 있기 때문에 연결에 주의를 기울여야 한다. 그림 4에서는 드라이브 출력 신호를 프로빙하기 위한 설정 메뉴를 보이고 있다. 드라이브 출력과AC 입력은 동일한 메뉴와 연결도를 제공한다. 이 결선도를 통해 엔지니어들이 프로브를 연결할 때 오류가 없도록 안내한다. 그림 5에서 2Watt Meter 방법으로 설정하여 결선하고 설정한 결과의 요약을 보이고 있다. 

▲ 그림 4. 유연한 설정 메뉴 (Drive Out 설정화면과 그림의 하단에서 측정

가능한 결선방식을 보이고 있다.

▲ 그림 5. 6상 모터 드라이브 측정 준비를 위한 설정 요약 및 측정 결과 테이블,

Phase 별 설정을 AC input과 Drive Out 부분에서 개별적으로 적용하고 있다.

8채널 오실로스코프를 이용하여 6상 모터 드라이브를 측정하는 예를 들어 보자. 3상을 측정하기 위해서도 6채널 이상이 필요한데 8채널 스코프에서 어떻게 6상을 측정할 수 있을까? 그림 5에서는 6상 측정을 위한 설정들을 요약해서 보여주고 있다. 

MDA800A 분석기는 각 부분별로 전력과 각 파라메터들을 구분하여 측정하며, 각 부분별로 프로브 결선 방식을 결정할 수 있다. 그림 4에서는 6상 측정을 위해 AC Input 부분과 Drive Out 부분의 설정을 2-Watt Meter 방식을 선택하고, 각 부분에서의 측정 값을 테이블을 통해 확인하고 있다. 6상에서의 파워는 그림의 결선에서는 AC Input부분의 파워(Σabc) 와 Drive Out 부분의 파워(Σrst)의 합일 것이다. 이것은 단순히 파라메터를 연산하는 기능을 사용하면 쉽게 그 결과를 확인할 수 있다.

채널 수가 전부는 아니다

전용 전력 분석계나 단순히 다 채널만 제공하는 오실로스코프에서는 파형과 기본 측정만 수행할 수 있다. 텔레다인르크로이의 MDA800A의 경우, 모터 전용 분석툴은 물론 다양한 어플리케이션에서 적용 가능한 툴은 제공하고 있다. Power Management IC에서 사용하는 SPMI 버스 트래픽을 디코딩 할 수 있는 소프트웨어와 I2C, SPI, CAN, CANFD, SENT, 오디오 인터페이스인 I2S등 다양한 트리거 디코딩은 물론 지터, 파워 디바이스 측정 솔루션, 디지털 필터링 등 다양한 측정에서 필요한 기능을 제공한다.

디코드 솔루션들 중 CANbus TDME를 탑재한 모델에서 모터에 대한 분석이 이루어지는 예를 들어보자. 자동차 분야에서는 CAN 인터페이스를 통해 ECU간 많은 정보들을 주고 받는다. CAN 데이터에는 Motor shaft 속도가 인코딩 될 수도 있다. MDA에서는 CAN 버스에 인코딩되어 있는 데이터를 아날로그 값으로 변환하여, 스케일을 적용하고 MDA에서 모터의 속도를 구하는 소스로 사용할 수 있다. 그림 6(a)에서는 1Mbps 속도의 CAN bus 신호를 채널 4에서 입력 받으면서 디코딩을 하도록 설정하는 셋업 화면을 보이고 있다. 그림 6(b)에서는 MDA의 메뉴 중 Mechanical 부분에서 디코딩 된 CAN bus 데이터로부터 Speed를 측정하도록 설정하는 화면이다.

▲ 그림 6. (a)CANbus 디코딩을 위한 설정 메뉴

(b)Motor Drive Analyzer 툴에서 디코딩된 CAN결과를 분석에 적용하여 사용가능

설정이 완료되면 디코드 결과는 물론 인코딩된 정보를 측정하고 아날로그 파형으로 변환할 수 있는 기능을 제공한다.

텔레다인르크로이의 솔루션에서는 분석 툴이 서로 각각 실행되면서 동시에 그 결과들을 다른 분석에서 능동적으로 사용할 수 있다. 그림 7에서는 CAN버스 디코드 결과를 포함시켜 모터의 스피드를 측정하고 인버터의 출력을 프로빙하여 파워를 측정하는 최종 결과를 표시하고 있다. 그림의 왼쪽에서는 인버터의 3상 출력 전압과 라인 전류를 표시하고 있으며, 오른쪽 위에서는 포착한 CAN 신호와 디코딩 결과를 표시하고 있으며, 그림의 중앙 테이블에서 볼 수 있는 것처럼 텔레다인르크로이의 CAN버스 디코더는 dbc 데이터베이스를 이용하여 심볼릭 디코딩이 가능하여, 쉽에 인코딩 데이터의 정보를 확인할 수 있다. 오른쪽 아래(노랑색 파형)에서는 디코딩된 데이터로부터 추출한speed를 파형으로 표시하고 있다.

▲ 그림 7. 인터버3상 출력 전압, 전류포착 및 CAN 데이터로부터 추출된

speed 파형, CAN 디코드 결과는 dbc 파일을 이용하여 심볼로 디코딩하여

테이블에 표시하고 있다.

노란색Speed1이라고 표시된 파형에서 추가적으로 분석이 필요한 현상들을3sec와 4sec 지점에서 확인할 수 있으며, 다른speed 센서의 출력과 비교해 볼 수도 있을 것이다. 물론, speed2라는 이름으로 다른 방식(QEI, Resolver, Analog Tachometer, SineCosine 등)을 추가로 적용하여 비교가 가능하다.

임베디드 시스템 분석, 모터 드라이브 분석, IoT 측정에서는 여러 현상과 상황을 동시에 관측하여 시스템 전반의 성능파악이 중요하다. MDA800 시리즈는 아날로그 8채널 디지털 16개의 입력채널을 제공하여, 아날로그 신호는 물론 제어기에 입력되는 디지털 신호들까지 동시에 포착할 수 있는 성능을 제공함으로써 시스템의 특성은 물론 전반적인 동작을 이해하는 데 통찰력을 제공한다.

채널 수와 샘플링 속도, 메모리 등의 사양은 물론 다양한 분야에서 사용 가능한 트리거 및 디코딩 솔루션과 분석 솔루션을 통해 각종 이벤트 제어 신호와 응답 신호 사이의 상관성을 파악하고 디버깅 및 분석에 쉽게 분석기를 적용할 수 있다. 분석 기능이 뛰어나면서 동시에 쉬운 사용자 인터페이스를 제공하여, 쉽게 복합적인 툴들을 동시에 사용할 수 있다. 

텔레다인르크로이의 MDA800A, HDO8000 시리즈 오실로스코프는 1GHz, 10GS/s, 250Mpts의 신호 포착 능력을 보유하고 있어, 모터 드라이브 동적 응답 분석 또는 긴 시간에서 변화하는 여러 신호들은 동시에 포착하여 서로 비교 분석 또는 상관성을 파악하는 분야에서 탁월한 능력을 가지고 있다. 

텔라다인르크로이 기술지원팀 오창훈 부장