Konzept und Entwicklung einer feldorientierten Motorsteuerung für ein High-Speed Motion Control Syst

This thesis deals with the development of an improved motor control system for a film studio, enabling more flexible responses to changing sets and requirements

COMPONENTS Hardware components

WIZnet - W5500

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PROJECT DESCRIPTION

Development of a Field-Oriented Motor Controller for High-Speed Motion Control Systems in Film Studios
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This is a paper by Prof. Dr. Frerk Haase of the Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Hamburg, Germany.

This paper is dated March 2024.

This paper describes the development of an improved motor control system for use at TM-Studios, a film studio in Germany. Film sets require the control of a variety of equipment, including camera lens control, special effects equipment, and linear rails, with requirements frequently changing from set to set. A modern, efficient system was needed to replace the existing Galil motor controller.
The system consists of three main components. First, the Control module handles Ethernet communication with the host system and implements a hardware TCP/IP stack using the WIZnet W5500 chip. Two STM32 microcontrollers handle the interface and system control, respectively. Second, the Drive module handles the actual motor drive and utilizes the Analog Devices TMC4671 FOC control IC and TMC6100 gate driver. Field-Oriented Control (FOC) minimizes torque ripple in the BLDC motor and ensures smooth operation even at low speeds. Switching losses were optimized by considering parasitic inductance and gate resistance in the MOSFET half-bridge design. Third, the power module generates 3.3V, 5V, and 12V from a 24-48V input, achieving up to 93% efficiency using an LM5012 asynchronous buck converter.
The software is designed with a modular architecture to facilitate future expansion. The communication protocol provides separate channels for commands, real-time data, and firmware updates. Routines such as A/D calibration, electrical angle calibration, and dynamic power control are implemented, and a Biquad filter removes quantization noise to ensure smooth operation.
The PCB is designed with a six-layer structure and features 70Ω impedance control wiring to ensure signal integrity. Measurements show that the design specifications are met, and future power supply optimization and integration into a single PCB are recommended.

More than 100 papers annually use the W5500 for its Ethernet functionality, and a simple search on scholar.google.com lists over 1,000 examples of W5500 Ethernet functionality.

https://scholar.google.co.kr/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=w5500+ethernet&oq=w

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영화 스튜디오용 고속 모션 컨트롤 시스템을 위한 필드 지향 모터 제어기 개발

독일 함부르크 대학 전기전자공학부 Prof. Dr. Frerk Haase 의 논문이다.

함부르크는 인구 180만명이 사는 독일 제2의 도시이다.

함부르크 - 위키원

이 논문은 2024년 3월 논문입니다.

이 논문은 독일 TM-Studios 영화 스튜디오에서 사용할 개선된 모터 제어 시스템의 개발에 관한 것이다. 영화 촬영 현장에서는 카메라 렌즈 제어, 특수효과 장치, 리니어 레일 등 다양한 장비를 제어해야 하며, 세트마다 요구사항이 수시로 변경된다. 기존에 사용하던 Galil 모터 제어기를 대체할 현대적이고 효율적인 시스템이 필요했다.

시스템은 크게 세 부분으로 구성된다.

첫째, Control 모듈은 호스트 시스템과의 Ethernet 통신을 담당하며, WIZnet W5500 칩을 사용해 TCP/IP 스택을 하드웨어로 구현했다.

두 개의 STM32 마이크로컨트롤러가 인터페이스와 시스템 제어를 각각 담당한다.

둘째, Drive 모듈은 실제 모터 구동을 담당하며, Analog Devices의 TMC4671 FOC 제어 IC와 TMC6100 게이트 드라이버를 사용한다. 필드 지향 제어(FOC)를 통해 BLDC 모터의 토크 리플을 최소화하고 저속에서도 부드러운 동작을 구현했다. MOSFET 하프브리지 설계 시 기생 인덕턴스와 게이트 저항을 고려해 스위칭 손실을 최적화했다.

셋째, Power 모듈은 24-48V 입력에서 3.3V, 5V, 12V를 생성하며, LM5012 비동기 벅 컨버터를 사용해 최대 93%의 효율을 달성했다.

소프트웨어는 모듈화된 구조로 설계되어 향후 확장이 용이하다. 통신 프로토콜은 명령, 실시간 데이터, 펌웨어 업데이트용 채널을 분리했다. A/D 캘리브레이션, 전기각 캘리브레이션, 동적 전력 제어 등의 루틴을 구현했으며, Biquad 필터로 양자화 잡음을 제거해 부드러운 동작을 구현했다.

PCB는 6층 구조로 설계했으며, 70Ω 임피던스 제어 배선으로 신호 무결성을 확보했다. 측정 결과 설계 사양을 충족했으며, 향후 전원부 최적화와 단일 PCB 통합이 권장된다.

결론적으로, 이 생체 모방 센서 아키텍처는 의료 모니터링, 산업 설비 건전성 관리, 달 탐사 로버 지형 감지와 같은 극한 환경 시나리오에서 현저한 성능 우위를 입증했습니다. 이는 적응형 지능형 센싱 시스템 개발을 위한 교차 스케일 구조-기능 시너지 최적화라는 새로운 패러다임을 제시하며, 생체 모방 유연 전자가 단일 장치 혁신을 넘어 체계적인 기술 통합으로 도약하는 중요한 이정표를 세웠음을 의미합니다.

이 논문에서는 5번이나 W5500 이 언급된다.

[1] 5장 Control 챕터에서 Ethernet 이 가장 먼저 언급된다.