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프로젝트별 애플리케이션에 알맞은 서보컨트롤러 선택요령

서보 컨트롤러 이해하기



자동화 분야 프로젝트를 하나로 묶어 알맞은 방향으로 이끌어가기 위해서는 설계 단계에서 고려해야 할 항목이 많다. 힘과 모션 프로파일은 자동화 결과를 주도하는 주요 요소이기 때문에 때때로 설계 접근 방식을 지배할 수 있는 기계적 기준이 된다. 기계적 기준과 모션 컨트롤 전자 장치 설계 과정을 시작할 때 진지하게 고려해야 한다. 제어 장치와 역학을 잘 통합하면 합리적인 비용으로 잘 작동하는 강력한 기계를 만들 수 있다.



프로젝트에 가장 적합한 제어 방식을 선택하기 위해 먼저 사용 가능한 기본 구성 요소 옵션을 살펴봐야 한다. 제어 제품은 종류가 아주 방대하며 제어 시스템을 완전히 작동하는데 얼마나 많은 개발 노력이 필요한지에 따라 그룹으로 나눌 수 있다. 그 그룹은 ASIC 모션 컨트롤 칩을 사용하는 FPGA 기반 설계, 보드 레벨 컨트롤러, 박스 레벨 컨트롤러로 나뉜다.
칩 레벨 설계를 시작하려면 전반적인 회로 설계, 부품 조달, PCB 설계 및 제조, 펌웨어와 인터페이스 코드 작성 및 교정, 전체 제품 테스트 등이 필요하기 때문에 가장 많은 양의 개발 노력이 요구된다.
블랭크(blank) FPGA로 시작하는 데는 엄청난 양의 프로그래밍과 문제 해결 시간이 필요하지만, 모션 시스템을 제어하기 위해 정밀하게 설계된 ASIC 모션 컨트롤 칩을 사용하면 많은 위험과 개발 시간을 크게 줄일 수 있고 비용 측면에서는 큰 차이가 없다. 보드와 박스 레벨 컨트롤러는 제어 시스템의 기본 구조가 개발되고 검증됨에 따라 개발 시간을 크게 단축시키지만 이 컨트롤러의 단점은 개당 비용이 더 높고 성능과 기능을 변경하거나 커스터마이즈하기 어렵다는 것이다. 어떤 과정을 추구할 것인가를 결정할 때, 제조해야하는 제어 시스템의 양과 마찬가지로, 자체 역량을 평가할 필요가 있다.
소량의 경우, 개발 비용이 더 높은 수준의 시스템 비용을 정당화 할 정도로 낮기 때문에 상위 구성 요소로 시작하는 것이 더 합리적이다. 서보 모션 컨트롤러를 선택할 때 고려해야 할 요소와 애플리케이션에 따라 유용할 일반적인 모션 프로필과 기타 기능 고려사항에 대해 소개한다.

축의 수 정의하기

첫 번째 단계는 시스템에 몇 개의 모터가 있고 어떻게 제어돼야 하는지를 결정하는 것이다.
전자적으로 제어될 각 모터는 축으로 정의된다. 만약 3개의 모터를 사용해 모두 직선인 3개의 선형 슬라이드를 이동할 경우 이는 데카르트(Cartesian) 공간을 정의하며 밀링 기계와 같은 3축 시스템에 대한 일반적인 접근 방식이다. 일반적으로 회전하는 4번째 모터를 데카르트 공간에 추가하면 4-축 기계 센터가 생성된다. 모터의 수가 결정되면 다음 단계는 이러한 모터가 이동 중에 조정되어야 하는지 여부를 결정하는 것이다.

모션의 유형 정의하기

필요한 모터의 수와 모터의 상호작용 방식을 정의했다면 다음 단계는 필요한 이동 유형을 결정하는 것이다. 모터 간 조정에는 선형 보간과 원형 보간 두 종류가 있다.
선형 보간은 두개 이상의 모터가 선형으로 함께 이동할 때 사용된다. 두개의 선형 모터의 경우, 이동은 두 모터 사이의 선을 나타낸다. 원형 보간법은 모터를 비선형 방식으로 이동시키므로 원형 보간법을 사용하는 두 모터는 모터 사이에서 원형 모션을 생성한다. 선형, 원형 그리고 선형/원형 보간 이동을 사용하여 작성할 수 있는 기본 모양은 그림 4에 나와 있다.

- 선형 독립 축
모터 제어가 서로 독립적으로 움직이는 경우 모터 제어기의 어떤 조합에서도 사용할 수 있다. 예를 들어, 하나의 시스템에 모터가 4개 있을 경우, 모터들이 적절한 시간에 작업을 수행할 수 있도록 컨트롤러 사이에 통신이 가능한 4개의 1축 컨트롤러를 사용할 수 있다. 기계의 구조에 따라, 모든 단일 축 제어 장치를 조립체에 통합하거나 와이어를 다운 상태로 유지하기 위해 멀티축 컨트롤러를 사용하는 것이 좋다.

- 선형 좌표 축
기계가 두개 이상의 모터를 조정해야 하는 경우 컨트롤러에 보간 기능이 필요하다. 보간법을 사용할 경우 각 모터의 상대 이동이 보간 그룹의 다른 모터를 기준으로 한다. 두개 혹은 세 개의 직교축을 다룰 때 조정된 선형 이동을 시각화하는 것은 쉽다. X, Y, Z의 고전적인 데카르트 좌표계는 이것을 설명하는데 유용하다. X축과 Y축이 선형 모터 1과 2를 나타내면 평면을 형성한다. 두 모터 사이의 조정된 이동은 X 또는 Y축 사이의 각도 θ를 갖는 선으로 설명할 수 있다. 이 시스템이 Z축을 포함하도록 확장되면 X-Y 평면을 기준으로 선의 표고를 설명하는 각도 θ와 각도 φ으로 이동이 설명된다.
이는 축 간 선형 보간을 시각적으로 표현한 것일 뿐이며 선형 보간법을 사용할 수 있는 유일한 방법은 아니다. 모터 사이에 선형 관계가 있는 모든 유형의 다중 모터 이동이 가능하다.
예를 들어 만약 같은 시간동안 모터 1이 모터 2의 2.5배 움직일 필요가 있다면, 모터들 사이에 선형 보간이 필요하다. 이렇게 하려면 독립 컨트롤러를 사용해 원하는 기능을 프로그래밍하면 된다. 하지만 정지된 상태에서는 효과가 있어 보일 수 있으나 실제 운영에서는 오류가 발생해 혼란을 야기할 수도 있다.
모터가 좌표 동작을 통해 링크되면 동작은 상대적이게 된다. 조정할 수 있게 되고 무언가로 인해 하나의 모터 하나가 느려지게 되면 컨트롤러에서 모션을 부드럽게 유지하도록 보정할 수 있다. 진정으로 조정된 움직임을 위해 모터 혹은 유도 모션이 컨트롤러에게 피드백을 요구할 수 있는데 이를 통해 이동 오차를 감지 할 수 있다.
일반적으로 선형 보간은 컨트롤러가 계산을 수행하는 것처럼 프로그래밍하기가 더 쉽다. 모든 관련 모터에 대한 최종 목표 위치를 지정하면 컨트롤러가 해당 정보를 취해 이동이 실행될 때 출력 펄스를 계산하고 조정한다. 그 후 각 축은 동시에 목표 위치에 도달하게 된다. 니폰펄스(Nippon Pulse)의 PMX-4EX 박스 컨트롤러가 이에 해당하며 X[타켓] Y[타켓] Z[타겟] U[타켓]과 같이 4축 보간 이동을 명령한다. 만약 축들 중 한 개에 값이 부여되지 않으면 해당 모터는 공회전하게 된다.

- 원형 좌표 축
원은 수학적으로 방정식 R2 = X2 + Y2로 정의된다. 이 방정식에는 선형적인 면과 이어지는 것은 없지만 만약 모터 사이에 비선형적 형태의 이동관계를 가지려면 순환 보간에 대해 생각해봐야 한다.
원형 이동 관계로 2개의 모터를 움직이는 기능은 윤곽선을 생성하거나 원형 보간 그룹의 다른 모터에 비해 모터 속도를 높이거나 낮출 수 있다. 이것은 원의 위쪽(π/2)에서 Y 와 X 값의 변화율을 보면 알 수 있다. Y 값은 원의 상단을 통과해 X 값과 비교했을 때 거의 변하지 않았으므로 Y 속도는 낮고 X 속다는 것을 알 수 있다. 원의 π 위치에서 Y 속도가 높고 X 속도가 느린 경우 상황은 반전 된다. 그림 5가 이해에 도움을 줄 수 있을 것이다.

- 선형 및 원형 좌표 축
선형, 선형 좌표 혹은 원형 좌표 방식의 동작은 움직임이 가능한 모양을 제한한다. 3축 가공의 경우 피라미드(선형) 또는 원과 같은 뾰족한 물체를 만들 수 있다.
선형/원형 보간법을 위해 두 가지 보간 유형을 결합하면 더욱 흥미로워진다. 이러한 유형의 움직임 능력 등고선은 거의 모든 3차원 형상을 만들거나 매우 엉클어지거나 복잡한 조각 및 식각 작업을 수행하는 기능을 개방할 수 있다.

다른 고려사항들

제어해야 하는 방법과 대상에 따라 필요한 컨트롤러의 정교함은 달라진다. 많은 컨트롤러는 축 전체에 걸친 선형 보간과 선형/원형 보간 모델만 포함하는 정교함의 수준을 가지고 있다.
여러 모터에서 모션을 조정할 수 있을 뿐만 아니라 컨트롤러를 선택할 때 고려해야 할 사항도 있다. 출력 제어 기능, I/O 구성 방식과 프로그래밍/컨트롤 세트의 모양을 고려해야 한다. 이러한 기능은 유연성이 없거나, 기능이 적거나, 많은 유연성과 기능에 이르기까지 다양하다. 이 스펙트럼의 낮은 쪽에서는 비용이 낮지만(개발/학습 곡선과 동일), 다른 쪽에서는 향상된 기능에 대한 비용을 지불하고 이 기능을 최적으로 활용하는 방법을 익히는데 시간이 걸릴 것이다.

- 출력 제어
어떤 유형의 출력 제어가 필요한가지를 제대로 파악해야 한다. 피드백 시스템이 없는 스테퍼 모터를 제어할 것인가? 혹은 위치 또는 속도 제어 모션이 필요한가? 얼마나 빨리 움직여야하고 어떤 해상도로 움직일 수 있어야 하나?
이러한 질문에 대한 답변은 위치 또는 속도를 제어할 수 있도록 인코더 피드백이 필요한지 여부를 결정한다. 속도와 해상도는 컨트롤러의 출력 펄스 주파수 기능과 이동을 충족하는데 필요한 인코더 입력 주파수 용량을 결정한다. 일반적으로 출력 펄스는 인코더 펄스의 이동과 동일하다. Nippon Pulse의 박스 컨트롤러 PMX 라인에는 6㎒ 출력 펄스 주파수와 5㎒ 인코더 입력 주파수가 있어 어떤 스테퍼 애플리케이션이나 대부분의 서보 시스템으로도 충분하다.

- I/O 구성
완전 작동 시스템에는 일반적으로 인코더 외의 입력과 모터 드라이버에 대한 펄스와 방향 이외의 출력이 필요하다. 추가 입력은 엔드 리미트 스위치, 홈 스위치, 그리고 다른 기타 안전 관련 정보를 컨트롤러에 제공하는데 도움이 된다.
이러한 정보가 유발되면 컨트롤러는 이 정보를 사용해 좌표계를 정의할 수 있다. 이렇게 하면 모션 프로파일이 잘 정의될 수 있다. 또한 후속 조치를 실행하기 전에 특정 모션 혹은 동작을 완료할 수 있다.
추가 출력을 사용해 유도 신호 혹은 완료된 작업의 표시를 전송할 수 있다. 일반적으로 출력은 on/off 상태의 디지털 방식이다. 이러한 신호를 사용해 여러 컨트롤러 간의 모션 혹은 동작을 동기화할 수 있다.
예를 들어, Nippon Pulse의 컨트롤러 PMX 라인은 일반적으로 9개의 범용 디지털 입력과 8개의 범용 디지털 출력과 함께 안전 입력 세트(+/- 엔드 리미트, 홈 및 활성화)를 가지고 있다. 게다가, 일부 컨트롤러에는 조이스틱 제어를 활성화하기 위한 아날로그 입력이 존재한다.

- 프로그래밍/제어 세트
컨트롤러와 통신하는 방법과 컨트롤러에서 지시하는 것은 시스템 하드웨어 설계의 고유한 기능만큼이나 중요하다.
유용한 컨트롤러는 외부 사용자 작성 프로그램 및 온보드 프로그램/인터페이스로부터 명령을 수신할 수 있는 기능을 가지고 있으며 이 프로그램은 필요한 경우 스스로 실행될 수 있다. 외부 프로그램을 통해 제어하면 움직임 제어 프로세스에 외부 데이터를 통합할 수 있다. 외부 프로그램은 데이터를 처리, 분석하고 이를 입력으로 사용해 필요한 다음 동작 유형을 결정할 수 있다.
그러한 수준의 정교함이 필요하지 않은 경우 사용자 인터페이스를 개발할 필요성을 완화하기 위해 프로그래밍 기능이 있는 온보드 제어장치에 접근할 수 있어야 한다.

컨트롤러 선택하기

이러한 요소와 요구 사항을 염두에 두면 컨트롤러 요구 사항에 맞춰 쉽게 결정할 수 있다.
특히 박스형 컨트롤러와 같이 컨트롤러 칩 사용이나 커스터마이징 기회가 거의 없는 턴키(turnkey) 일체형 솔루션을 사용하면 주요 솔루션에서 제공되는 모든 이점과 함께 애플리케이션의 이점을 가장 잘 활용할 수 있다.

출처 : Nippon Pulse (www.nipponpulse.com)


  기자 : 편집부 
  관련 URL :
  날짜 : 2018-12

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