기획연재 ①
모션 제어기와 모션 제어

모션 제어 기술은 모션 제어기의 성능에 의해 크게 좌우된다. 그런데 이러한 모션 제어기는 그 종류와 형태가 매우 다양하기 때문에 사용자가 자신에게 맞는 제어기를 선택하는 데에 있어 혼란을 느낄 수 있다.
따라서 이 글은 종류에 따른 모션 제어기 분류, 모션 제어기 선정 방법, 모터 드라이버와 연결되는 제어 시스템 구성 및 모션 제어에 관한 전반적 사항 등에 대해 설명한다.

Ⅰ. 모션 제어기의 종류
1. 속도형 제어기
2. 위치형 제어기

Ⅰ. 모션 제어기의 종류

1. 속도형 제어기
산업현장에서 활용되는 모션 제어기는 동시 제어가 가능한 제어축의 수와 동작 특성에 따라 다양하게 구분 가능하지만 단일 제어 축으로 분류 시 크게 속도형 제어기와 위치형 제어기로 나뉘어진다.
이중 속도형 제어기는 모션 제어에 있어 중요한 요소로 꼽히는 속도를 효과적으로 제어하기 위해 활용되는 제어기이다.
이러한 속도형 제어기는 공작기계 주축의 회전을 일정하게 제어하거나 연속적으로 움직이는 이송기구상에서 속도 편차가 발생하지 않도록 제어해야 하는 분야에 적용된다.
이 때 제어기에서 속도 명령의 제어 출력은 아날로그 혹은 디지털 펄스열로서 제어를 수행할 수 있는데, 아날로그 출력을 갖는 제어기보다 정밀한 속도 제어를 수행하기 위해 서보 모터와 결합해 속도에 대한 피드백(되먹임)제어를 실행해야 한다.
피드백되는 신호는 속도 감지 센서로 결정 가능하며, 일반적으로 Tacho-Generator(타코)를 사용해 회전 시 발생하는 유기 전압을 아날로그 값으로 피드백하거나 광학식 인코더를 활용해 펄스열로 피드백한다.
최근 정밀 속도 제어에서는 Tacho-Generator를 통한 피드백제어 대신에 인코더를 이용한 제어가 상대적으로 많이 활용되고 있는데, 최근의 인코더는 광학식 레졸버를 활용해 다시 A/D(Analog to Digital) 변환을 하는 방식으로 분해능 인코더를 이용하고 있다.
마이크로프로세서를 이용한 디지털 제어의 경우 인코더에서 발생하는 펄스열을 이용해 속도 데이터를 만들어 사용해야 하는데, 일반적으로 광학식 인코더의 펄스열을 이용해 속도를 감지하는 방법으로 일정 시간 동안 펄스열을 계수하는 방법과 펄스열의 간격을 감지하는 두 가지 방법을 병행 활용하고 있다.
또한 비교적 정밀하면서 간단한 속도 제어 시에는 일정 주파수를 갖는 펄스열을 발생시켜 기준 속도를 설정하고 이를 인코더에서 발생하는 펄스열 주파수와 비교한 후, 위상차로서 제어하는 PLL(Phase Lockes Loop) 제어가 주로 활용되고 있다.
속도 제어는 모터에 공급되는 전류를 제어하는 전류 제어가 가능한 드라이버와 연결해 이용할 수 있는데, 일반적으로 서보 드라이버 모두가 이러한 전류 제어를 포함하고 있기에 서보 드라이버는 모든 속도 제어 응용에 적용 가능하다.
다만 사용자는 서보 드라이버 선정 시에 아날로그 제어형인가 아니면 펄스 제어형인가를 구분해 시스템을 구성해야 하는데, 이러한 속도 제어 서보 시스템의 제어 블록은 다음 <그림 1>과 같다.

<그림 1> 속도 제어 시스템의 구성

<그림 1>과 같이 속도 제어에서 서보 드라이버는 모터에 주어지는 전력을 제어한다. 하지만 서보 모터를 사용하지 않고 스테핑 모터를 사용해 제어하는 경우라면, 스테핑 모터 특성상 서보 모터와 같이 제어하지 않고 Open-Loop 제어를 실시하도록 되어 있다.

2. 위치형 제어기
모션 제어기의 또 다른 종류인 위치형 제어기는 위치 제어에 필요한 속도 제어를 포함해 위치 제어를 수행하는 제어기로 이송장치 등에서 활용된다.
이러한 위치형 제어기는 위에서 설명한 속도 제어기와 같은 구성을 갖추고 있는데, 이는 곧 속도를 피드백 해 제어를 하는 것이 아니라 현재의 위치를 피드백 해 제어하도록 구성되어 있다는 것을 의미한다.
이 때 서보 드라이버의 형태에 따라 제어를 다르게 수행하는데, 아날로그 서보 드라이버의 경우에는 상위 제어기에서 아날로그 신호를 주어 서보 드라이버를 제어해야 한다.
이와 같은 서보 드라이버를 아날로그형 혹은 속도형 서보 드라이버라고 하는데, 펄스열로서 위치를 명령하는 서보 드라이버는 위치형 서보 드라이버라고 불리며, 제어기와의 인터페이스를 펄스열로서 수행하도록 되어 있다.
한편, 최근 유통되고 있는 서보 드라이버는 아날로그 속도형과 위치형 두 가지 모두를 지원할 수 있는데, 구형 서보 드라이버의 경우 한 가지만을 지원하도록 되어 있어 구입 시 사용자의 주의가 필요하다.
아날로그 속도형 서보 드라이버는 제어기상에서 위치 제어를 수행하기 위해 상위 제어기에서 서보 모터 위치를 제어하는 알고리즘을 갖춰야 하는데, 이러한 제어구조는 아래의 <그림 2>와 같다.

<그림 2> 속도(아날로그)형 서보를 이용한 위치 제어 시스템

<그림 2>에 나타난 것과 같이 속도형 서보를 이용하는 위치 제어시스템은 아날로그 값을 통해 서보 모터 속도를 제어해야 하기 때문에 명령 출력부에 속도 명령을 위한 D/A(Digital to Analog)를 갖추게 된다.
또한 서보 드라이버는 인코더로부터 펄스를 받아 속도 제어를 실행하게 되며, 이 펄스를 상위 제어기로 전달하는데, 상위 제어기에서는 인코더의 펄스열을 계수해 현재 위치를 파악한다.
이와 같이 속도형 서보를 사용해 제어를 수행하는 경우 상위 위치 제어기에서 위치 제어를 하기 위한 위치 이득 제어가 가능하기 때문에 서보 드라이버 특성을 위치 제어기에서 조절할 수 있다는 장점이 분명 존재한다.
하지만 아날로그로 제어를 실행하기에 노이즈에 대한 영향이 클 수 있는데, 이 때문에 최근에는 이러한 서보 특성을 제어하기 위해 제어가 필요하지 않을 때에는 아날로그 제어를 거의 활용하지 않고 있다.
한편, 위치형 서보 드라이버는 상위 제어기로부터 명령을 펄스열로 받는데, 이 때 제어 펄스 하나는 서보 모터에 연결되어 있는 인코더의 분해능에 해당된다.
스테핑 모터의 경우에는 드라이버에서 제어 가능한 최소 분해능으로 일정한 펄스값을 제어하는데, 이 때 최소 분해능이 제어 펄스 1펄스에 해당한다. 서보 드라이버는 펄스열로 속도를 제어하고 위치를 피드백을 통해 제어하기도 하지만 일반적으로 위치형 서보 드라이버는 Open-Loop형으로 제어를 진행하고, 최종적으로 종점에서 위치 정도를 관측하도록 제어를 실행한다.
펄스로서 위치 제어 시 1펄스의 정밀도는 드라이버 및 모터 특성과 관련이 있는데, 이 때 정밀도는 이러한 분해능에 의해 결정된다. 분해능은 모터 및 인코더의 기계적 정밀도에 의해 영향을 받는다.
또한 펄스로 위치 제어를 하는 경우 제어 속도는 펄스열 주파수에 따라 제어되는데, 이러한 펄스 주파수를 부드럽게 증감시키는 것을 통해 부드럽고 정밀한 위치 제어가 가능해진다.
아래 <사진 1>은 산업용 모션 제어기인데, 사진에서 볼 수 있듯 제어기는 범용 제어기로 서보 드라이버 및 모터 혹은 스테핑 드라이버 및 모터를 부착해 사용할 수 있는 구조를 갖추고 있다.

<사진 1> 산업용 모션 제어기

<사진 2>는 카드형 구조의 산업용 제어기인데 12축 동시 제어가 가능하며, 한 사용자가 임의로 프로그램해 사용할 수 있을 뿐만 아니라 컴퓨터와 연결해 프로그램 및 모니터할 수 있는 기능을 갖추고 있다.

<사진 2> 모션 제어기

다음 <표 1>은 산업용으로 상용되는 제어기의 일반적인 사양을 나타내고 있는데, 이러한 <표 1>이 제안하는 여러 프로그램 방식 중 직접 수치 입력방식은 위치 좌표 데이터를 직접 연산을 통해 지정하는 방법이며, 좌표 교시방법은 실제 이송축을 움직여 지정되는 좌표를 기록해 사용할 수 있는 방법이다.

<표 1> 모션 제어기의 사양(예)

한편, 레지스터 제어 입력과 센서 제어방식은 제어기가 운전 중에 시스템 상황에 따라 이송 좌표값을 변경해야 할 경우에 사용되는 방식으로 여러 개의 좌표값을 연산해 사용할 때 효과적이다.
이렇게 좌표를 입력하는 방법에 따라 사용자가 실제 원하는 모션을 만들 수 있는지에 대한 문제가 제기될 수 있는데, 이는 제어기 선정과정에 있어 매우 중요한 요소이다.
또한 사용자가 실제 프로그램 할 수 있는 크기는 제어기 프로그램 용량에 의해 결정되는데, 가능한 큰 용량을 갖춘 제어기를 선정하는 것이 사용자에게는 바람직하다.
추가적으로 절댓값으로 이송할 수 있는 최대 지령값 또한 실제 제어기에서 현재 위치를 기록하기 때문에 제어기 선정 시 사용자는 모션 제어에 사용 가능한 최대 범위로 제어 시스템의 기계적인 구조와 비교해 고려해야 한다.

자료제공 와이에스엠테크(www.ysmtech.co.kr)