What is Motion Control?
Advantages of Motion Control
Feedback
Actuators
Electric Motors
Controllers
Servos
Feedback Placement
Multiple Axes
Leader/Follower
Interpolation
Performance
11.1 모션 제어란 무엇인가?(What is Motion Control?)
Motion Control
기계 및 공정의 모션 제어는 사람이 크랭크를 돌리거나 레버를 움직여 동작을 작동시키고, 눈금(scale)을 보며 위치를 조정하던 것에서 시작되었습니다. 사람의 두뇌가 제어 역할을 하며, 원하는 위치와 실제 눈금을 비교하고 이를 일치시키기 위해 필요한 수정 동작을 수행했습니다.
자동화가 도입되면서 눈금은 피드백 장치(feedback device)로, 사람의 근육은 액추에이터(actuator, 모터)로, 두뇌는 전자 제어기(controller)로 대체되었습니다. 운전자(또는 입력 장치)는 원하는 위치를 입력하고, 제어기는 피드백 위치와 원하는 위치를 비교하여 도달하기 위해 필요한 방향과 속도를 결정합니다. 제어기는 원하는 위치에 도달할 때까지 지속적으로 모터에 명령을 전달합니다.
초기에는 공작기계(machine tools)가 이러한 자동화의 주요 수혜자였지만, 오늘날에는 포장, 자재 취급, 식음료 처리, 그리고 움직이는 부품을 사용하는 모든 산업에서 모션 제어의 혜택을 누리고 있습니다.
11.2 모션 제어의 장점(Advantages of Motion Control)
모션 제어의 주요 장점 중 하나는 시간 절약입니다. 사람이 손으로 크랭크를 돌려 기계를 짧은 거리 이동시키고 눈금에 맞추는 데 1~2분이 걸릴 수 있지만, 일반적인 서보(servo)는 이를 0.5초 이내에 수행합니다.
또 다른 장점은 정확성입니다. 서보는 0.5초 안에 시스템의 정확도 범위 내에서 기계를 원하는 위치로 이동시킬 수 있습니다. 이러한 정확도를 수동으로 달성하려면 버니어(vernier)나 기타 시간이 많이 소요되는 방법이 필요할 수 있습니다.
11.3 피드백(Feedback)
피드백 장치는 시스템의 “눈”이라고 할 수 있습니다. 이는 모션 시스템에서 축의 속도와 위치를 결정합니다. 모션 제어 시스템에서는 아날로그 또는 디지털 방식의 다양한 피드백 장치를 사용하며, 증분형(incremental)과 절대형(absolute) 구성으로 제공됩니다.
증분형과 절대형 장치 모두 위치 변화를 추적할 수 있지만, 전원 손실 시의 반응 방식에 차이가 있습니다. 절대형 장치는 전원이 켜졌을 때 자신의 위치를 파악할 수 있으며, 이는 축이 시동 시 보정(calibration)되었을 경우에 가능합니다. 반면, 증분형 장치는 위치 정보를 잃게 되며, 전원이 켜질 때 홈 위치 복귀(homing) 절차를 거쳐야 합니다.
이 장에서는 널리 사용되는 여러 피드백 장치 유형에 대해 간략히 설명합니다.
11.3.1 리졸버(Resolvers)
리졸버는 자기 결합(magnetic coupling)을 기반으로 위치를 결정하는 아날로그 장치입니다. 회전 권선(rotor)의 자기 결합 상태를 두 개의 고정 권선(stator)과 비교하여 위치를 판단합니다(그림 11-1 참조). 이 결합은 축의 각도에 따라 달라지며, 리졸버는 회전형 변압기(rotary transformer)로 간주됩니다. 일반적으로 디지털 제어기와 함께 사용하기 위해 A/D 회로와 인터페이스되며, 이 회로는 보통 12~13비트의 해상도를 제공하지만 최대 16비트 모델도 존재합니다.
리졸버는 브러시리스 AC 서보모터에서 속도 피드백 장치로 널리 사용되며, 매우 견고하고 축 1회전 동안 절대 피드백을 제공합니다. 이는 드라이브가 모터 축의 위치를 인식할 수 있게 하여, 모터의 정류(commutation)를 가능하게 합니다. 정류에는 적합하지만, 위치 절대 피드백에는 다소 제한적입니다. 일반적으로 축은 모터 축의 1회전 이상을 이동하기 때문에, 단일 리졸버는 절대 위치 장치로서의 기능을 상실하게 됩니다.
만약 응용 분야에서 전원 켜짐 시 홈 위치 복귀가 가능하다면, 단일 피드백 장치를 사용하는 구성은 장점이 있습니다. 리졸버는 드라이브에서는 정류용으로, 제어기에서는 위치 및 속도용으로 사용할 수 있습니다.
여러 회전에 걸쳐 절대 위치를 구현하려면, 이중 리졸버 세트(dual resolver set) 또는 마스터 버니어 리졸버 세트(master vernier resolver set)를 사용해야 합니다. 두 개의 리졸버가 부하에 연결되며, 각각 다른 기어비로 구성됩니다. 두 리졸버 간의 위상 차(phase shift)를 분석함으로써 축의 절대 위치를 여러 회전에 걸쳐 결정할 수 있습니다.
11.3.2 자기제한형 변환기(Magnetorestrictive Transducers)
자기제한형 변환기는 비접촉 방식의 피드백 장치라는 점에서 독특하며, 이로 인해 선형 유압 응용 분야에 이상적인 장치입니다. 자기제한형 변환기는 소나(sonar)와 유사한 방식으로 작동합니다. 감지 자석(sensing magnet)은 실제 부하에 부착되거나, 유압 실린더의 경우 내부에 위치합니다. 자기제한형 변환기는 이동하는 자석에 펄스를 전송하며, 이로 인해 발생한 기계적 변형(strain)이 다시 장치로 전달됩니다. 이 변형이 전달되는 데 걸리는 시간이 축의 위치를 결정합니다.
이 장치는 절대형(absolute)이며 반드시 선형 응용 분야에 사용되어야 합니다. 단점은 해상도가 제한적이라는 점으로, 일반적으로 인치당 수백 카운트 수준이며 정확도는 중간 정도입니다.
11.3.3 엔코더(Encoders)
엔코더는 모션 제어 응용 분야에서 매우 널리 사용됩니다. 디지털 방식이며, 비교적 저렴하고 해상도 및 정확도가 매우 높습니다. 엔코더는 증분형(incremental)과 절대형(absolute) 구성으로 제공되며, 다양한 제조사에서 공급됩니다.
증분형 엔코더는 특히 인기가 높으며, 다양한 모션 제어 응용 분야에서 사용됩니다. 기본적으로 슬롯이 절삭된 디스크와 투광형 포토 센서(through-beam photo sensor)로 구성되어 있습니다(그림 11-2 참조). 이 구성은 엔코더 축이 회전할 때 펄스열(pulse train)을 생성하며, 제어기는 이 펄스열을 카운트하여 축이 기준 위치로부터 얼마나 이동했는지를 판단합니다. 기준 위치는 전원 켜짐 시 홈 위치 복귀(homing) 절차를 통해 결정됩니다.
일반적으로 두 개의 포토 센서 채널 A와 B가 90도 간격으로 배치되어 있으며, 어떤 채널이 먼저 상승하는지를 통해 제어기가 이동 방향을 판단합니다. 증분형 엔코더의 가격은 주로 해상도에 따라 결정됩니다. 1000카운트 이하의 증분형 엔코더는 매우 저렴하며, 10,000카운트 이상의 제품은 가격이 상당히 높습니다. 회전당 50,000카운트 이상의 고급 엔코더도 존재하지만, 가격은 매우 비쌉니다.
절대형 엔코더(Absolute Encoders)는 그 이름에서 알 수 있듯이 절대 위치를 제공하는 장치입니다. 펄스열(pulse train)을 생성하는 대신, 절대형 엔코더는 디스크를 사용하여 디스크의 위치에 따라 특정 이진 코드(binary code) 또는 그레이 코드(gray code)를 표시합니다.
절대형 엔코더는 단일 회전(single turn) 또는 다중 회전(multiturn) 방식으로 제공됩니다. 단일 회전 절대형 엔코더는 리졸버처럼 축의 한 바퀴 회전 내에서 절대 위치를 제공합니다. 다중 회전 절대형 엔코더는 회전 수를 기록할 수 있도록 인코딩된 기어를 내장하고 있습니다.
증분형 엔코더와 마찬가지로, 해상도가 높을수록 가격도 비싸집니다. 일반적인 시스템에서는 회전당 12비트(4096카운트) 또는 13비트(8192카운트)의 해상도를 가진 절대형 엔코더를 사용합니다. 또한, 다중 회전 절대형 엔코더는 12비트 또는 13비트의 회전 수를 기록할 수 있습니다. 예를 들어, 13비트 해상도 디스크(8192카운트)에 12비트 회전 수(4096회전)를 기록할 수 있는 경우, 이를 25비트 다중 회전 절대형 엔코더라고 부릅니다.
오늘날의 많은 절대형 엔코더는 프로그래밍이 가능하며, Asi, CAN, Devicenet, Profinet 등 다양한 산업용 네트워크에 연결될 수 있습니다.
Figure 11-3: A Three-bit Absolute Encoder Rotary Disc
선형 엔코더(Linear Encoders)는 축의 길이를 따라 설치된 증분형(incremental) 엔코더입니다. 글라스 스케일(glass scale)이라고도 불리며, 수십 년 동안 공작기계(machine tool) 응용 분야에서 사용되어 왔습니다. 리더(reader)는 이동 축에 설치되어 글라스 스케일을 따라 이동하면서 생성되는 펄스열(pulse train)을 감지합니다. 최근에는 선형 모터(linear motor)의 사용이 증가함에 따라 이 형태의 엔코더도 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
11.3.4 기타 피드백 장치(Other Feedback Devices)
이 장에서 다루지 않은 다양한 피드백 장치들이 존재합니다. 여기에는 선형 가변 변위 변환기(LVDT, Linear Variable Displacement Transducer), 레이저 간섭계(laser interferometer), 신크로(synchro), 그리고 홀 효과(Hall effect) 장치 등이 포함됩니다.
이러한 장치들은 현재도 사용되고 있지만, 산업 시스템에서는 앞서 설명한 피드백 장치들만큼 널리 사용되지는 않습니다. LVDT는 항공우주 분야에서 여전히 많이 사용되며, 레이저 간섭계는 매우 높은 정밀도가 요구되는 응용 분야에서 사용됩니다.
오늘날에는 특수 인터페이스와 사인 및 코사인 신호(sine/cosine signals)를 사용하는 엔코더를 통해 **회전당 400만 카운트(4 million counts per rev)**의 해상도를 달성할 수 있습니다. 많은 서보 드라이브 및 모터 제조사들이 이 기술을 제공하며, 이는 독일의 한 회사에서 특허를 보유하고 있습니다.
11.4 액추에이터(Actuators)
액추에이터는 제어기(controller)로부터 명령을 받아 축을 이동시키는 장치입니다. 피드백 장치로부터 전달된 신호를 기반으로, 제어기는 액추에이터에 특정 속도로 축을 원하는 위치까지 이동시키도록 명령합니다. 액추에이터는 축을 가속 및 감속시키고, 속도와 위치를 유지하는 역할을 합니다.
액추에이터는 모션 제어 시스템에서 근육(muscle)에 해당하며, 공압식(pneumatic), 유압식(hydraulic), 또는 전기식(electric)으로 구성될 수 있습니다.
11.4.1 공압식(Pneumatic)
공압 시스템은 고압의 압축 가스를 이용하여 축을 이동시킵니다. 압축 가스는 탱크에 저장되며, 로드가 부착된 팽창 가능한 챔버로 전기식 밸브를 통해 공급됩니다. 가스가 챔버 내에서 팽창하면 로드를 앞으로 밀어냅니다. 로드는 반대편에 위치한 두 번째 챔버를 통해 또는 스프링과 같은 기계적 장치를 통해 뒤로 당길 수 있습니다.
가스는 압축성이 있기 때문에, 공압 시스템은 일반적인 산업용 모션 제어 응용에 필요한 강성을 확보하기 어렵습니다. 이러한 시스템은 특수 로봇이나 플리퍼(flipper), 디버저(diverger)와 같은 점간(point-to-point) 위치 제어에 제한적으로 사용됩니다. 일반적으로 이 시스템은 오픈 루프(open loop) 방식이며, 축이 위치에 도달했는지를 기계적 스위치나 근접 스위치(prox switch)를 통해 확인합니다.
11.4.2 유압식(Hydraulic)
유압 시스템은 축과 부하를 이동시키기 위해 큰 힘이 필요한 경우에 사용됩니다. 공압 시스템과 유사하게 펌프와 밸브를 사용하지만, 이 경우에는 액체를 사용합니다. 액체는 비압축성이므로, 시스템이 적절히 튜닝되면 매우 높은 강성을 제공합니다.
유압 유체(hydraulic fluid)는 다양한 화학 물질로 구성되어 있으며, 일반적으로 인체와 환경에 유해합니다. 따라서 장비의 적절한 유지보수와 저장 및 취급이 매우 중요하며, 이는 시스템의 지속적인 운영 비용을 증가시킵니다. 그럼에도 불구하고, 요구 시 강력한 힘을 제공할 수 있는 특성 때문에 반드시 유압 액추에이터를 사용해야 하는 응용 분야가 존재합니다.
일반적인 응용에서는 자기제한형 변환기(magnetorestrictive transducer)를 피드백 장치로 사용하고, 유압 액추에이터를 통해 큰 부하를 이동시킵니다. 예를 들어, 자동차 엔진 가공 센터의 이송 라인에서는 여러 개의 엔진 블록을 한 작업 스테이션에서 다음으로 들어 올리는 이송 바(transfer bar)가 유압 액추에이터에 의해 작동됩니다.
11.4.3 전기식(Electric)
서보모터와 드라이브로 구성된 전기식 시스템은 산업 현장에서 모션 제어 응용에 널리 사용됩니다. 이 조합은 영구 자석형 DC 모터(permanent magnet DC motor) 또는 브러시리스 AC 모터(brushless AC motor)와 드라이브로 구성될 수 있습니다.
오늘날에는 가변 주파수 드라이브(variable frequency drive)와 유도 모터(induction motor)의 성능이 크게 향상되어, 간단한 응용에서는 축의 위치 제어에도 사용됩니다. 그러나 고성능이 요구되는 응용에서는 여전히 서보모터가 표준 드라이브보다 우선적으로 사용됩니다. 현재는 많은 서보 드라이브가 동기형 모터(synchronous motor, 서보) 또는 표준 유도 모터를 모두 사용할 수 있도록 설계되고 있습니다.
또한 선형 모터(linear motor)의 사용도 증가하고 있습니다. 선형 모터는 기본적으로 평면에 펼쳐진 동기형 모터이며, 놀라운 가속력, 높은 힘, 매우 정밀한 위치 제어가 가능합니다.
11.5 전기 모터(Electric Motors)
모션 제어 산업에서는 여러 종류의 전기 모터를 사용합니다. 스테퍼 모터(stepper motor)는 서보보다 저렴하기 때문에 간단한 응용에 사용되며, 그 단순성으로 인기가 있습니다. 원하는 스텝 수만 지정하면 되며, 일반적으로 피드백은 없고, 설정된 만큼 이동했다고 가정합니다.
많은 모션 제어 응용에서는 위치 제어가 필요하지 않습니다. 가변 주파수 드라이브(VFD)는 입력 신호에 비례하여 모터 속도를 제어합니다. 드릴이나 밀링 커터를 회전시키는 데에는 이 정도로 충분합니다. 더 정밀한 속도 제어가 필요할 경우에는 속도 피드백을 사용하여 속도 루프를 폐쇄(closed loop)합니다. 속도 제어의 정확도는 속도 피드백 장치의 성능에 따라 결정됩니다.
더 높은 성능이 요구되는 응용에서는 서보 드라이브와 모터를 사용하며, 일반적으로 특정 제조사에서 세트로 판매됩니다. 이를 통해 모터와 드라이브가 정밀하게 매칭되어 시스템의 최대 성능을 끌어낼 수 있습니다. 가장 일반적인 서보모터 유형은 영구 자석형 DC 모터와 브러시리스 AC 모터입니다.
11.5.1 영구 자석형 DC 모터(Permanent Magnet DC)
영구 자석형 DC 서보모터는 대부분의 DC 모터에서 사용하는 전류가 흐르는 계자 권선(field winding) 대신, 영구 자석(permanent magnet)을 이용해 자기장을 생성하는 DC 모터입니다. 계자 권선이 필요 없다는 장점이 있지만, 고품질의 희토류 자석이 필요하기 때문에 비용이 증가합니다.
DC 모터는 권선된 회전자(wound rotor)를 사용합니다. 회전자에는 전류가 흐르는 권선이 있으며, 이 전류는 두 번째 자기장을 생성합니다. 이 자기장은 영구 자석이 만든 자기장과 상호작용하여 모터 축에 토크(torque)를 발생시킵니다.
회전자가 계속 회전하려면, 전류는 반 바퀴마다 방향을 바꿔야 합니다. 현대의 DC 모터는 이보다 훨씬 복잡하지만, 이 예시는 기본적인 작동 원리를 설명합니다. DC 모터는 회전자 권선의 전류 방향을 전환하기 위해 브러시(brush)를 사용하며, 이를 브러시 정류자(brush commutator)라고 합니다.
DC 서보모터의 브러시는 장시간 운전 후 마모로 인해 교체가 필요합니다.
브러시는 회전하는 회전자와 접촉하면서 마모되며, 이로 인해 일정 시간이 지나면 교체가 필요합니다. 브러시 정류자(brush commutator)는 아크 오버(arc over)라는 현상도 발생할 수 있습니다. 이는 모터 속도가 매우 빨라져 정류자의 한 플레이트에서 다른 플레이트로 스파크(spark)가 발생하는 현상입니다.
또한, 권선된 회전자(wound rotor) 구조로 인해 DC 모터는 열 방출 성능이 좋지 않은 경향이 있습니다. 그럼에도 불구하고 DC 서보모터는 비교적 저렴하고, AC 서보모터보다 전자 장치가 덜 필요하다는 장점이 있습니다.
11.5.2 브러시리스 AC 모터(Brushless AC)
브러시리스 AC 모터는 구조적으로 영구 자석형 DC 모터를 뒤집은 형태입니다. 권선은 고정자(stator)로 이동하고, 자석은 회전자(rotor)로 이동합니다. 이름에서 알 수 있듯이 브러시가 사용되지 않으며, 대신 전자식 정류(electronic commutation)를 통해 전류를 적절한 권선에 분배하여 모터를 회전시킵니다.
권선은 일반적으로 3상 Y형(three-phase Y)으로 구성되며, 회전자에 리졸버(resolver)를 사용하면 드라이브가 회전자의 위치, 즉 자석의 위치를 파악할 수 있습니다. 이 정보를 바탕으로 권선에 흐르는 전류를 조절하여 부드러운 토크(smooth torque)를 생성합니다. 권선의 전류 분배는 사인파 정류(sinusoidal commutation)를 형성하므로, 이러한 모터는 동기형 AC 모터(synchronous AC motor)로 분류됩니다.
이 구성에서는 권선이 고정자에 위치하므로 모터 본체를 통해 열을 효과적으로 방출할 수 있습니다. 이로 인해 동급 DC 모터에 비해 더 높은 피크 토크(peak torque)를 제공할 수 있습니다. 브러시가 제거됨으로써 아크 오버가 발생하지 않으며, AC 모터는 더 높은 속도를 달성할 수 있습니다.
11.6 제어기(Controllers)
제어기는 시스템의 두뇌(brain) 역할을 합니다. 명령은 수동으로 입력하거나 다운로드할 수 있습니다. 수동 입력은 운전자의 조작 패널(키보드, 스위치 등)을 통해 이루어지며, 초기 제어기는 천공된 종이 테이프(punched paper tape)를 사용해 명령을 입력했습니다. 현재는 거의 모든 컴퓨터 친화적인 매체를 사용할 수 있으며, 호스트 컴퓨터나 웹 브라우저를 통한 다운로드도 가능합니다.
제어기는 프로그램을 실행하고, 명령 신호를 생성하며, 피드백을 읽고, 이를 명령과 비교하여 증분을 판단하고, 이를 증폭기/모터에 전달하여 차이를 0으로 만듭니다.
모션 제어기는 시간이 지나면서 발전해 왔습니다. 초기에는 기계 내 다른 CPU(예: PLC)와 인터페이스하는 전용 장치(dedicated unit)였지만, 현재는 PLC와 통합된 형태로 발전했습니다. 일부 제조사는 모션 제어기에 제한적인 PLC 기능을 추가했고, 다른 제조사는 모션 제어기를 PLC에 통합했습니다.
이러한 변화는 모션 시스템에 많은 개선을 가져왔습니다. 예를 들어, 서로 다른 언어로 두 개의 CPU를 프로그래밍하거나 비동기 프로세서를 위한 핸드셰이킹 루틴을 작성할 필요가 없어졌습니다. 단일 소프트웨어 패키지와 단일 CPU를 사용함으로써 현대 시스템의 프로그래밍과 문제 해결이 훨씬 쉬워졌습니다.
통합 제어기는 PC에 설치되거나, 전통적인 전용 하드웨어 패키지로 제공될 수 있으며, 어떤 방식이든 공간 절약, 고장 지점 감소, 배선 간소화 등의 장점을 제공합니다.
11.7 서보(Servos)
서보는 앞서 설명한 세 가지 구성 요소(제어기, 액추에이터, 피드백 장치)를 결합한 시스템입니다. 기본 블록 다이어그램은 그림 11-5에 나타난 두 가지 요소로 구성됩니다. 디지털 명령에서 피드백 값을 빼서 오차(error)를 생성하는 합산 네트워크(summing network)는 제어기의 일부입니다.
앰프(amplifier)는 드라이브(drive)와 모터(motor)로 구성되어 있습니다. 모터의 움직임을 보여주는 피드백 장치(feedback device)는 실제 모터 출력부 또는 부하(load)에 부착됩니다. 합산 네트워크(summing network)에서 드라이브로 전달되는 오차 신호(error signal)는 사용하는 드라이브에 따라 디지털(digital) 또는 아날로그(analog)일 수 있습니다. 드라이브는 이 오차 신호에 비례하는 속도로 모터를 구동하도록 설계되어 있습니다.
서보(servo)의 핵심은 오차가 0일 때만 모터가 정지 상태에 있다는 점입니다. 즉, 모터는 명령값(command)과 피드백값(feedback)이 일치할 때까지 부하를 올바른 방향으로 계속 구동하며, 두 값이 같아졌을 때에만 정지합니다. 위치 제어(positioning) 서보의 경우, 외부 힘에 의해 부하가 방해받을 경우 발생하는 위치 루프 오차(position loop error)가 모터를 다시 원래 위치로 복귀시키는 효과도 있습니다.
서보 모션 제어 시스템은 일반적으로 세 개의 계단식 루프(cascaded loop)로 구성됩니다.
가장 안쪽 루프는 전류 루프(current loop) 또는 토크 루프(torque loop)입니다. 이 루프는 일반적으로 드라이브 모터 패키지 공급업체에 의해 설정되며, 모터가 생성하는 토크의 양을 제어합니다. 토크는 전류(current)에 의해 생성되며, 모터에 흐르는 전류가 많을수록 더 큰 토크가 발생합니다. 생성되는 토크의 양은 모터의 Kt 상수(Kt constant)에 따라 결정되며, 이는 암페어당 토크(torque per ampere)를 나타내는 단위입니다. 모터가 생성하는 토크는 다음 식으로 계산됩니다:
T=Kt×A
여기서 T는 토크(torque), A는 모터에 공급되는 전류(ampere)입니다. 이 루프는 항상 드라이브 내부에 존재합니다.
두 번째 루프는 속도 루프(velocity loop)입니다. 이 루프는 속도 명령(velocity command)을 받아 토크 루프에 전달하여 가속(acceleration) 또는 감속(deceleration)을 제어합니다. 이 루프는 드라이브의 운전 모드에 따라 드라이브 또는 모션 제어기(motion controller)에 위치할 수 있습니다.
드라이브가 토크 모드(torque mode)일 경우, 속도 루프는 제어기에 위치하며, 제어기가 드라이브에 토크 명령을 전달합니다. 반면, 드라이브가 속도 모드(velocity mode)일 경우, 속도 루프는 드라이브에 위치하며, 제어기는 드라이브에 속도 명령을 전달합니다.
속도 루프는 사용자가 직접 튜닝(tuning)해야 하며, 시스템이 속도 명령을 얼마나 정확하게 따라가는지, 그리고 축의 속도에 대한 외란(disturbance)을 얼마나 잘 극복하는지를 결정합니다. 위치 루프(position loop)를 튜닝하기 전에 반드시 속도 루프를 먼저 정확히 튜닝해야 합니다.
11.7 위치 루프(Position Loop)
위치 루프는 가장 바깥쪽 루프이며, 항상 모션 컨트롤러(Motion Controller)에 위치합니다. 이 루프는 어플리케이션 엔지니어가 마지막으로 조율해야 하는 루프입니다. 위치 루프를 조율하는 방법은 다른 루프를 조율하는 방법과 유사합니다. 최종적으로 사용자는 추종 오차(Following Error)를 확인하여 성능을 검증하게 됩니다. 추종 오차란 명령 위치(Command Position)와 실제 위치(Actual Position)의 차이를 의미합니다.
일반적으로 축(Axis)이 가속하거나 감속할 때 추종 오차가 급격히 증가하며, 축이 일정한 속도로 움직일 때는 오차가 작아지는 경향이 있습니다. 속도 피드포워드(Velocity Feedforward)를 사용하면 속도가 변할 때 발생하는 위치 오차의 급증을 최소화할 수 있습니다. 속도 상태에서 추종 오차가 작을수록 해당 축은 더 민감하게 조율된 것입니다. 어플리케이션에 따라 이러한 조율이 좋을 수도 있고 나쁠 수도 있습니다.
예를 들어, 점대점(Point-to-Point) 이동에서는 지나치게 민감한 시스템이 오버슈트(Overshoot)를 일으킬 수 있어 바람직하지 않습니다. 반면, 두 개의 축이 동기화되어야 하는 전자 기어링(Electronic Gearing) 또는 캠(Camming)과 같은 어플리케이션에서는 추종 오차를 최소화하는 것이 바람직합니다. 축을 조율하는 최적의 방법과 기대되는 성능 수준은 사용자에게 달려 있습니다.
11.8 피드백 위치(Feedback Placement)
피드백이 모터 샤프트(Motor Shaft)에 직접 연결되어 있는 경우가 일반적이며, 시스템이 정지 상태에 도달했을 때 샤프트는 서보가 명령한 위치에 정확히 위치하게 됩니다. 그러나 모터와 실제 하중(Load) 사이에 커플링(Coupling), 기어박스(Gearbox), 회전-선형 변환기(Rotary-to-Linear Converter) 또는 기타 요소가 있을 수 있으므로 하중이 정확한 위치에 있지 않을 수 있습니다.
이러한 차이를 설명하는 주요 원인은 백래시(Backlash)와 윈드업(Wind-up)이며, 기계 설계는 허용 가능한 최대 오차 이하로 이를 유지해야 합니다. 대안으로는 피드백을 하중 자체에 설치하는 방법이 있지만, 이 경우 백래시와 윈드업이 서보 루프 내에 포함되어 안정성 문제를 일으킬 수 있습니다. 노치 필터(Notch Filter)나 기타 보상 네트워크(Compensation Network)를 통해 일부 안정성 문제를 완화할 수 있지만, 이는 초보자에게 적합하지 않습니다. 견고한 기계 설계가 가장 중요합니다.
11.9 다축(Multiple Axes)
대부분의 어플리케이션은 다축(Multiple Axes)을 필요로 하며, 이들 축의 조율이 중요한 문제가 됩니다. 대부분의 “셋업(Set-up)” 유형 어플리케이션에서는 축들이 독립적으로 작동하여 서로 다른 시간에 위치에 도달할 수 있습니다.
예를 들어, 골판지 박스 제작에서는 다양한 박스 크기에 맞춰 수십 개의 축을 셋업 중에 이동시켜야 합니다. 이 축들은 절단, 접힘, 인쇄 위치를 결정하며, 모두 독립적으로 이동할 수 있습니다. 그러나 기계가 실제로 박스를 생산하기 시작하면 모든 움직임은 조율되어야 합니다. 과거에는 기어(Gear)와 캠(Cam)을 통해 이러한 움직임을 기계적으로 조율했지만, 현재는 전자 장치가 많은 기능을 대체하고 있습니다.
11.10 리더/팔로워(Leader/Follower)
자동차 이송 라인이나 시리얼 포장기와 같은 많은 기계들은 원래 기계 전체 길이에 걸쳐 라인 샤프트(Line Shaft)를 설치하여 설계되었습니다. 각 작업이 수행되는 스테이션에는 하나 이상의 캠이 샤프트에 부착되어 해당 스테이션 내 및 다른 스테이션과의 동작을 동기화했습니다. 캠의 형상은 특정 축이 수행해야 할 움직임을 결정했습니다. 전체 라인은 라인 샤프트의 속도를 변경함으로써 제어되었습니다.
이러한 메커니즘은 전자식 리더/팔로워(Electronic Leader/Follower)로 대체되고 있습니다. 이제 각 축은 서보를 가지고 있으며, 명령은 데이터 테이블(Data Table)에서 생성됩니다. 각 축의 데이터 테이블에는 리더의 각 카운트 위치에서 해당 축이 필요한 위치가 포함되어 있습니다. 리더는 라인 속도 변화를 시뮬레이션할 수 있도록 카운트 속도를 조절할 수 있는 카운터가 될 수 있습니다. 이러한 “전자 캠(Electronic Cam)” 방식은 여러 축을 가변적인 리더에 동기화할 수 있게 해줍니다.
11.11 보간(Interpolation)
선형/원형 보간(Linear/Circular Interpolation)은 두 축을 조율하는 일반적인 방법입니다. 이 방식은 고정된 시간 간격(일반적으로 1밀리초 기준)으로 각 축 서보에 이동 명령을 분배하는 알고리즘을 사용합니다. 보간은 1950년대 초기 기계 공구용 수치 제어(Numerical Control)에 도입되었으며, 현재까지도 널리 사용되고 있습니다.
밀링이 필요한 부품은 매우 복잡할 수 있지만, 이론적으로는 모든 복잡한 형상을 직선과 원의 조합으로 설명할 수 있습니다. 전자 산업 협회(Electronic Industry Association)는 1960년대 초에 기계에 명령을 내리는 프로그래밍 표준(RS-274)을 개발했습니다. 선형/원형 알고리즘은 이 명령을 실행합니다.
선형 보간에서는 끝점(End Point)과 속도(Velocity)만 프로그래밍하면 됩니다. 컨트롤러는 현재 위치에서 끝점까지 필요한 속도로 이동하기 위해 각 시간 간격마다 축이 얼마나 움직여야 하는지를 계산합니다. 원형 보간에서는 현재 위치에서 원의 중심(Center), 원 위의 끝점, 속도, 그리고 시계 방향 또는 반시계 방향으로 실행할지를 프로그래밍해야 합니다. 속도는 작업자가 개입하여 변경할 수 있으며, 조율에는 영향을 주지 않으므로 공정을 느리게 하거나 빠르게 조절할 수 있습니다.
11.12 성능(Performance)
모션 제어 축의 성능은 일반적으로 대역폭(Bandwidth) 또는 계단 입력(Step Input)에 대한 응답으로 지정됩니다. 대역폭은 서보 루프 출력이 명령에서 벗어나기 시작하는 주파수를 의미합니다. 위치 루프 서보에 AC 함수를 명령하면 저주파에서는 정확히 따라갑니다. 주파수를 높이면 출력이 감소하기 시작하며, 이후 급격히 감소합니다.
대역폭은 출력이 입력의 0.7071배가 되는 지점으로 정의됩니다. 일반적인 산업용 기계에서는 약 3헤르츠(Hertz)입니다. 앰프/드라이브 제조업체는 자사 제품의 성능을 평가할 때 대역폭을 사용하며, 이는 위치 루프가 아닌 속도 루프(Velocity Loop)의 대역폭입니다. 실제 기계에 연결되었을 때 속도 루프의 대역폭은 약 30헤르츠 수준입니다. 일부 공급업체는 100헤르츠 이상을 주장할 수 있지만, 산업용 기계에서는 불가능합니다.
계단 입력에 대한 응답은 서보가 작은 명령을 받았을 때 최종 상태에 도달하는 속도를 측정하는 방식입니다. 스프링/질량(Spring/Mass) 시스템은 한 시간 상수(Time Constant) 내에 최종 값의 63.6%에 도달하며, 자연 로그 곡선을 따릅니다. 이 시간 상수와 오버슈트(Overshoot) 여부가 성능을 평가하는 기준입니다. 산업용 기계의 일반적인 위치 루프 서보는 약 50밀리초의 시간 상수를 가지며, 앰프/드라이브(속도 루프)는 약 5밀리초의 시간 상수를 가집니다.
11.13 결론(Conclusion)
모션 제어는 공장 자동화에 많은 이점을 제공해 왔으며, 경제 성장 속도보다 빠르게 그 사용이 확산되고 있습니다. 기업들은 많은 어플리케이션을 이 더 나은 기술로 전환하고 있으며, 공급업체들도 컨트롤러를 더 쉽게 적용하고 조율할 수 있도록 개선하고 있어 과거의 복잡함을 상당 부분 해소하고 있습니다.