브러시리스 DC모터 및 스텝모터, 임베디드 모션 제어 보드 구축을 위한 세가지 방법

이 기사에서는 일반적인 NEMA 23 또는 NEMA 34 크 기의 브러시리스 DC 모터 또는 스텝 모터를 구동할 수 있는 임베디드 모션 제어 보드를 구축하기 위한 세 가 지 접근 방식을 살펴본다. 특히 실험실 자동화, 모바일 로봇, 테스트 장비, 패키징 장비 및 로봇 팔 제어와 같 은 최종 애플리케이션에 사용되는 포지셔닝 모션 컨트 롤러에 중점을 둘 것이다.
일반적인 모션 제어 솔루션은 <그림1>에 표시된 것 과 비슷할 것이다. 보드는 완전히 독립되어 있으며 제 어되는 기계 내부 또는 위에서 작동하는 데 필요한 모 든 커넥터와 장착 하드웨어가 있다. 여기에는 온보드 마이크로프로세서가 포함되어 있어 사용자가 작성한 애플리케이션 코드를 제어 보드에서 직접 실행하여 기 계 작동을 제어할 수 있다.

왜 임베디드 컨트롤인가?

<그림2A>와 <그림2B>는 설계자가 모션 컨트롤러를 구성하는 데 사용할 수 있는 두 가지 전반적인 접근 방식을 보여준다. 즉, 제 어되는 기계 하드웨어에서 원격으로 위치한 중앙 집중식 컨트롤러와 기계 내부 또는 내부에 위치한 임베디드 컨트롤러다.
이 두 가지 다른 옵션을 고려할 때 임베디드 PCB 기반 컨트롤러를 구성 또 는 구매하는 이유를 묻는 것이 합리적이다. 대답은 하나의 간단한 원칙으로 요약된다. 가까이 구성될수록 좋다. 임베디드 컨트롤러는 제어할 센서와 모 터에 더 가깝다.
즉 케이블이 짧아져 소음이 적고 응답 시간이 빨라진다. 또한 원격 컨트롤 러가 포함된 박스·랙과 제어되는 기계에 연결하기 위한 두꺼운 케이블 묶음 을 제거하기 때문에 비용이 적게 든다.


PCB 기반 모션 컨트롤러 설계


‘구성 vs 구매’ 비교를 제공하기 위해 아래의 사항들은 원하는 PCB 기반 컨 트롤러의 설계를 위한 지표들이다.
• 제어되는 기계 하드웨어에 장착하도록 설계된 소형 임베디드 PCB
• 축당 최대 350W 온보드 모터 증폭 기능이 있는 3축
• 브러시리스 DC와 스텝 모터의 혼합 제어
• 인코더, 홈 센서, 리미트 스위치 및 범용 I/O와 같은 일반적인 모션 제어 기 능을 위한 입력 및 출력을 제공
• 단일 DCV 입력(모터 구동 전압)으로 전원 공급
• 온보드 사용자 작성 소프트웨어 코드 실행으로 독립형 작동 이더넷 호스트 인터페이스와 통신하는 기능

<그림3>은 원하는 제어 아키텍처를 보여준다. 총 3개의 축 컨트롤러가 있지 만 컨트롤러 PCB와 이더넷 호스트 네트워크 사이에는 하나의 연결만 있다. 컨트롤러 보드의 마이크로프로세서는 호스트 네트워크와 인터페이스하고 수신된 명령을 분석한다. 그런 다음 이 수신된 명령에 따라 제어 중인 축의 이동을 조정한다. 축 X, Y 및 Z에 레이블을 지정했지만 이는 임의적이다.
시스템 호스트에서 전송되는 명령은 ‘XYZ 위치로 이동’ 또는 ‘슬롯 A1에서 B7로 테스트 튜브 이동’과 같은 상위 수준 명령이라는 점에 유의해야 한다. 마 이크로프로세서에는 시퀀스를 실행하기 위해 이러한 고급 명령을 각 축에 대 한 일련의 저급 모션 명령으로 변환하는 방법을 알고 있는 사용자 작성 애플 리케이션 코드가 포함되어 있다. 또는 pmd의 임베디드 PCB 기반 컨트롤러는 완전히 독립형으로 작동할 수 있으며, 터치 스크린이나 버튼을 사용하여 인간 작업자의 명령을 받고 호스트 네트워크만 사용하여 결과를 보고할 수 있다.


...1, 2, 3, (4, 5, 6)만큼 쉽다.


3축 모터 컨트롤러의 엔지니어링 설계에 수반되는 것은 무엇인가? 물론 모든 프로젝트는 조금씩 다르지만 컨트롤러를 구축하려 면 다음과 같은 작업이 광범위하게 필요하다.

커넥터 및 배선 체계 선택: 이 단계는 전기 엔지니어 (EE) 또는 시스템 엔지니어가 수행하며 전체 PCB 회 로도 설계 단계의 예비 단계다.
 

사용할 모터 앰프 방식 결정: 임베디드 모션 컨트롤 분야에서 모터 앰프에 대해 해야 할 일이 큰 갈림길이 다. 350와트를 구동할 수 있는 브러시리스 DC 또는 스 텝 모터용으로 처음부터 완전히 설계된 증폭기는 심각 한 설계 프로젝트이며 EMI, 전류 제어 및 PCB 레이아 웃에 대한 고려 사항을 포함한다. 대안은 기성품 PCB 장착 증폭기다. 이 소형 모듈은 500W(또는 그 이상) 를 구동할 수 있으며 고성능 전류 제어, 증폭 및 모터 권선 구동을 위한 안전 기능을 제공한다.

모션 제어 IC 구축 또는 구매 여부 결정: 임베디드 모션 컨트롤러 작업 목록의 또 다른 큰 갈림길은 기성품 모션 제어 IC를 사용할지 대신 범용 모션 엔진 코드를 작성할 지 여부다. DSP, 마이크로프로세서 또는 FPGA 기성품 모 션 제어 IC는 축당 ~이며 풍부한 프로파일링, 서 보 제어 및 증폭기 제어 기능을 제공한다. 이 경로를 선 택하면 아래의 관련 소프트웨어 작성 작업을 건너뛸 수 있다.

PCB 도식 설계 및 배치:이전 두 가지 설계 작업에서 내린 결정을 활용하는 이 단계는 한 명 이상의 EE가 수 행하며 필요한 다양한 전기 기능을 달성하기 위해 IC 구성 요소를 조사 및 선택하고 PCB의 회로도를 구성 하는 것으로 구성된다.

모션 엔진 소프트웨어 코드 작성: 모션 엔진 IC에 대 한 완전 맞춤형 솔루션을 사용하려면 프로필 생성, 서 보 루프 클로저(종종 PID 제어) 및 기타 E-stop, 리미 트 스위치 등과 같은 실시간 관리 기능을 위해 소프트 웨어를 작성해야 한다.

마이크로프로세서 시스템 소프트웨어 코드 작성: 이 마이크로프로 세서는 호스트 네트워크와 통신하고 모션 시퀀스, 사용자 인터페이 스, 안전 모니터링 및 기타 기능을 포함한 전체 기계 동작을 조정한 다. 이는 모션 엔진 IC와 동일한 마이크로프로세서일 수 있지만 이 러한 접근 방식을 사용하면 복잡성이 추가되어 고속 멀티태스킹 실 시간 운영 체제가 필요하다. 오늘날 마이크로프로세서의 비용과 크 기로 인해 대부분의 3축 모션 컨트롤러는 대신 메인 PCB 마이크로 프로세서를 모션 제어 마이크로프로세서에서 분리한다.

마이크로프로세서 애플리케이션 소프트웨어 코드 작성: PCB의 모 션 및 주변 IC에 연결하기 위한 작동하는 운영 체제 및 소프트웨 어 드라이버를 갖는 것은 최종 기계 제어 솔루션을 갖는 것과 다 르다. 따라서 여기서 전체 마이크로프로세서 기능을 세 부분으로 나눌 것이다. 그 중 위에 자세히 설명된 시스템 소프트웨어 코드 가 첫 번째이고 이 작업이 두 번째다.

모션 제어 프로필 및 매개변수: 이것은 소프트웨어 개발 프로세 스의 세 번째이자 마지막 부분이며 실제 기계 하드웨어와 함께 작 동하여 모션 프로필, 서보 설정 및 기타 모션 제어 설정을 최적화 하는 작업으로 구성된다. 이러한 노력에는 일반적으로 시행 착오 와 추적 기능의 사용이 포함되므로 다른 최적화 중에서 궤적 오버 슈트 및 언더슈트를 최소화할 수 있다.


옵션 1: 구성


아래 표는 구성 옵션을 선택할 때 위에 나열된 각 프로젝트 개 발 단계에 대한 매우 대략적인 추정치를 제공한다.

구성 옵션 요약: 3축 모션 컨트롤러 PCB를 구축하기 위한 설계 노 력과 관련 비용이 상당하다. 적절한 엔지니어링 기술 조합이 필요 하지만 이것으로도 2~3명의 팀이 컨트롤러를 완성하는 데 일반 적으로 18개월이 걸린다. 기성 모션 제어 IC 및 증폭기가 설계에 사용되는 경우 이 값을 줄일 수 있다. 구성 접근 방식의 주요 이점은 결과 컨트롤러가 커넥터 및 폼 팩터 측면에서 애플리케이션에 완전히 맞춤화되고 단위당 비용 이 가장 낮다는 것이다. 연간 1,000개의 컨트롤러를 생산한다고 가정하면 달성 가능한 전체 PCB 비용은 5~0이며 축당 비용은 ~0다.


옵션 2: 구매

이 접근 방식을 위해 바로 사용할 수 있는 PCB 기반 모션 컨트롤 러를 선택한다. 선택할 수 있는 보드 기반 제품이 많이 있지만 이 분석의 목적을 위해 PMD의 Prodigy/CME 머신 컨트롤러를 사용한다.
아래 이미지에 표시된 구성은 4축 컨트롤러이지만 3축 구성으 로도 구입할 수 있다. Prodigy/CME 머신 컨트롤러는 당사의 모 든 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 대표적인 모션 컨트롤러 보드다. 또한 프로파일 생성, 서보 위치 제어 및 인코더 입력과 같은 일반적인 기능인 이 제품은 온보드 증폭기, C 언어 라이브러리 로 작성된 사용자 다운로드 가능 코드를 지원하고 이더넷 및 기타 호스트 연결 옵션을 제공한다.

구매 옵션 요약: 구매 옵션의 매력은 두 가지 요소를 중심으로 한 다. 첫 번째는 엔지니어링 노력이 훨씬 적게 든다는 것이다. 두 번 째는 설계 작업에 소요되는 시간이 줄어들어 제어되는 기계가 더 빨리 시장에 출시될 수 있다는 것이다. 그러나 절충안도 두 배가 된다. 첫 번째는 결과 컨트롤러가 축 당 더 많은 비용이 든다는 것이다. 다시 연간 1,000개의 컨트롤러 를 가정하면 전체 컨트롤러 비용은 0 ~ tpf=board/list&board_code=2,200이고 각 제어 축의 비용은 일반적으로 0 ~ 0다. 이는 빌드 옵션을 사용 하여 만든 보드의 축당 비용의 2~3배이다. 두 번째 장단점은 PCB 가 애플리케이션에 맞춰져 있지 않다는 것이다. 폼 팩터는 커넥터 유형 및 핀 배열과 마찬가지로 미리 결정된다.


옵션 3: 혼합

구성 옵션이나 구매 옵션이 아닌 완전 맞춤형 모션 제어 보드를 빌드하는 흥미로운 새로운 접근 방식이 있다. 이 하이브리드 ‘혼 합’ 접근 방식은 완전한 기능을 갖춘 모션 컨트롤러가 포함된 소 형 모션 제어 모듈을 사용한다. 이러한 모듈은 사용자가 작성한 애플리케이션 소프트웨어를 실행할 수 있도록 코드를 다운로드 하는 기능을 제공한다.

이러한 제품은 거의 항상 단일 축 구성으로 제공되며 최대 1킬 로와트, 경우에 따라 더 많은 전력을 구동할 수 있다. <그림5>는 PMD의 ION/CME N 시리즈 디지털 드라이브와 같은 제품을 보여준다.

100% 구매 옵션과 마찬가지로 이 모듈은 프로파일링, FOC 및 전류 모니터링 안전 기능과 같이 바로 사용할 수 있는 다양한 모 션 제어 기능을 제공한다. 그러나 100% 구매 옵션과 달리 사용자 가 설계한 애플리케이션별 상호 연결 보드에 장착된다. 이러한 보 드의 예는 <그림 6A> 및 <그림 6B>의 상단 보기 및 하단 보기 렌 더링 모두에 표시된다. 모듈 자체 외에도 PCB에는 커넥터와 몇 개의 커패시터만 있다.

모션 제어 모듈을 사용하여 보드를 만드는 것과 관련된 노력은 회로도를 만드는 것이 아니라 배선 다이어그램을 만드는 것과 비 슷하다. 이러한 배선 다이어그램의 단순화된 버전이 <그림7>에 나와 있다. 또한 중요한 것은 결과 보드가 10, 12 또는 14 레이어 가 아니라 일반적으로 4 레이어라는 것이다. 따라서 필요한 엔지니어링 기술 수준은 모터 증폭 및 신호 처리와 같은 모든 어려운 작업이 모듈 내에서 수행되기 때문에 상당히 낮다.

<그림8>과 같이 PCB 장착 가능 모듈을 사용하여 수행할 수 있 다. 모듈 중 하나는 사용자 애플리케이션 코드를 보유하고 한 축 을 제어한 다음 차례로 다른 두 축에 명령을 내린다. 혼합 옵션을 사용하면 여전히 일부 EE 작업이 있지만 풀 모션 제어 보드를 구축하는 것보다 훨씬 간단하다. 그 후 애플리케이션 개발 및 동작 매개변수 개발에 중점을 두며 이는 구성 또는 구매 옵션에서 변경되지 않는다.


혼합 옵션 요약: 홉합 옵션의 매력은 사용자가 선택한 폼 팩터와 커넥터를 사용하여 완전히 맞춤형 PCB 기반 컨트롤러를 생성할 수 있지만 기존 빌드 옵션에 비해 엔지니어링 노력의 일부만 필요 하다는 것이다. 이것은 PCB 설계 작업을 배선 상호 연결 보드 생 성 작업으로 줄이는 완전한 기능의 모션 모듈을 사용하여 달성된 다. 비용 측면에서 혼합 옵션은 구매 옵션과 동일하거나 단위당 비용이 약간 낮다. 따라서 연간 1,000개의 3축 컨트롤러 생산 속 도를 가정하면 제어되는 축당 0 - 0이다.


요약

아래 표에는 구성, 구매 및 혼합 옵션을 사용하는 3축 모션 컨트 롤러 PCB의 엔지니어링 노력, 설계 비용 및 축당 비용이 요약되어 있다.

위 수치는 비교를 위한 추정치이다. 실제 결과는 설계 팀의 경험, 일부 이전 설계 작업을 새 설계에 활용할 수 있는지 여부, 제어되 는 기계의 복잡성 등 여러 요인에 따라 달라진다. 3축 PCB 기반 컨 트롤러의 엔지니어링 노력과 단위 비용 비교가 도움이 되었기를 바란다. 구성, 구매 및 혼합 옵션 간의 장단점을 이해하면 다음 모 션 컨트롤러 설계에서 올바른 선택을 하는 데 도움이 될 것이다.

자료제공: pmd(www.pmdcorp.com)