오늘날 수많은 솔루션이 존재한다. 모션 시스템을 설계할 때 어떤 서보 시스템을 선택해야 할까? 제대로 된 선택은 비용과 시간의 낭비를 줄이고, 최적의 효율성을 확보할 수 있게 한다. 니폰펄스의 자료를 바탕으로 최고의 서보 컨트롤러를 선택하기 위한 방법을 살핀다. 

자동화에서는 설계 단계부터 고려해야 할 많은 항목이 존재한다. 그 중 가장 중요한 요소는 힘과 모션 프로파일이다. 힘과 모션 프로파일은 자동화의 결과를 좌우하는 핵심으로 설계 접근법을 정의할 수 있는 기계적 기준을 제시한다. 

이러한 기계적 기준과 더불어 살펴야 할 요소는 모션 제어 장치이다. 설계 프로세스를 시작 단계부터 모션 제어 장치를 신중하게 검토해야 컨트롤과 메커닉이 잘 통합될 수 있으며, 이때 합리적인 비용으로 효과적으로 작동하는 견고한 기계가 완성되기 때문이다.

최고의 선택은?
프로젝트에 가장 적합한 제어 방법을 선택하려면, 먼저 사용 가능한 기본 구성 요소 옵션을 살펴보아야 한다. 오늘날 시장에는 방대한 제어 솔루션이 존재하지만, 이들은 일반적으로 완벽하게 작동하는 제어 시스템을 개발하는데 필요한 노력의 정도에 따라 몇 가지의 정의된 그룹으로 분류할 수 있다. ASIC 모션 제어 칩을 사용하는 FPGA 기반 설계, 보드 레벨 컨트롤러 및 박스 레벨 컨트롤러 등의 구분이 그것이다.

가장 많은 양의 개발 노력이 필요한 그룹은 바로 FPGA 기반 설계이다. 칩 레벨 설계를 시작하려면 전반적인 회로 설계, 부품 공급, PCB 설계 및 제조, 펌웨어 및 인터페이스 코드 작성 및 교정 및 전체 제품 테스트 등 많은 개발 노력이 필요하기 때문이다.

하지만 ASIC은 이러한 시간과 노력을 크게 줄일 수 있게 한다. 빈 FPGA로 시작하는 동안 엄청난 양의 프로그래밍 및 문제 해결 시간이 필요하지만, 모션 시스템 제어를 위해 정밀하게 설계된 ASIC 모션 제어 칩을 사용함으로써 큰 비용 차이 없이 FPGA 개발의 위험과 시간을 크게 줄일 수 있다.
컨트롤 시스템의 기본 구조가 개발되고 입증된 보드 및 박스 레벨 컨트롤러의 경우, 개발 시간을 크게 단축할 수 있다. 그렇지만, 이 컨트롤러는 유닛당 비용이 더 높고 성능과 기능의 변경이나 사용자 정의가 어려울 수 있다는 단점을 지닌다. 

각각의 장단점이 명확하기에 필요에 따라 더 적합한 방법을 선택하는 것이 좋다. 서보 모션 컨트롤러의 경우도 마찬가지이다. 
이제 서보 모션 컨트롤러의 선택 시 고려해야 하는 주요 요소를 살펴보자.

축 수 정의
서보 모션 컨트롤러의 선택에 있어 첫 번째 단계는 시스템에 몇 대의 모터가 있고 어떻게 제어해야 하는지를 결정하는 것이다. 전자적으로 제어될 각 모터는 축으로 정의되는데, 3개의 모터를 사용하여 모두 직각인 3개의 선형 슬라이드를 이동시킬 경우, 이는 데카르트 공간을 정의하며, 밀링 머신과 같은 3축 시스템에 대한 일반적인 접근 방법이다. 만약 네 번째 모터가 데카르트 공간에 추가되면 (일반적으로 회전) 4축 머시닝 센터가 생성된다. 

모터의 수가 결정되었다면 다음 단계는 이들 모터가 자신의 움직임에 조정될 필요가 있는지를 결정해야 한다. 

동작 집합의 정의
필요한 모터의 수와 상호 작용 방식을 정의한 다음 단계는 필요한 동작 유형의 결정이다. 모터 사이에는 선형 보간과 원호 보간이라는 두 가지 유형이 존재한다. 선형 보간은 두 개 이상의 모터가 선형으로 결합되어 움직이는 경우로, 두 개의 리니어 모터를 사용한다면 동작은 두 개의 모터 사이에 하나의 선으로 나타난다. 원호 보간은 비선형 방식으로 모터를 이동시키므로 두 개의 모터 사이에 원 운동이 생성된다. 
 [그림 1]은 선형, 원형 및 선형/원형 보간 동작으로 생성될 수 있는 기본 모양을 나타낸 것이다.

● 선형 독립 축
제어되는 모터가 서로 독립적으로 움직이는 경우, 모터 컨트롤러의 모든 조합을 사용할 수 있다. 
예를 들어, 기계에 4개의 모터가 있는 경우에는 모터가 적절한 시기에 작업을 수행할 수 있도록 컨트롤러간에 통신 또는 메커니즘이 있는 4개의 1축 컨트롤러를 사용할 수 있다. 이때 기계 구조에 따라 모든 단일 축 컨트롤을 어셈블리에 통합하거나 다중 축 컨트롤러를 사용하여 와이어가 엉망이 되는 것을 방지해야 한다.

● 선형 좌표축
기계가 두 개 이상의 모터를 조정해야하는 경우에는 컨트롤러가 보간 기능을 갖춰야 한다.
보간 시 각 모터의 상대 이동은 보간 그룹의 다른 모터를 기준으로 하며, 두 개 또는 세 개의 직교 축을 처리할 때 좌표 선형 이동을 시각화하는 것이 쉽다. X, Y 및 Z의 고전적인 데카르트 좌표계는 이를 설명하는 데 유용한 방법으로, X축과 Y축이 리니어 모터 1과 2를 나타내어 평면을 형성한다. 
두 모터 사이의 협조된 움직임은 X 축 또는 Y 축 사이에 각도 θ가있는 선으로 표현된다. 이 시스템을 Z축을 포함하도록 확장하면, X-Y 평면을 기준으로 한 선의 높이를 나타내는 각도 θ 및 각도 φ를 사용하여 이동을 설명할 수 있다. 

이는 축 간의 선형 보간을 시각적으로 표현한 것으로 모터 사이에 선형 관계가 있는 모든 유형의 다중 모터 동작에 적합하다. 예를 들어, 모터 1이 동일한 시간 동안 모터 2보다 2.5배 움직일 필요가 있다면, 이들 사이에 선형 관계가 존재한다.

모터가 좌표 동작을 통해 링크되면 모든 동작은 상대적으로, 조정될 수 있다. 무언가로 인해 하나의 모터가 느려지게 되면 컨트롤러가 모션을 부드럽게 유지하기 위해 보정할 수 있는 것이다. 이러한 조정된 움직임을 갖기 위해서는 모터 또는 유도된 움직임이 컨트롤러로 피드백 되어야 한다. 

선형 보간은 일반적으로 컨트롤러가 계산하기 때문에 프로그램하기가 더 쉽다. 모든 관련 모터에 대한 최종 목표 위치를 지정하면 컨트롤러는 해당 정보를 가져 와서 움직임이 실행될 때 출력 펄스를 계산하고 조정하여 각 축이 동시에 해당 위치에 도달하게 하도록 만든다. 니폰펄스의 PMX-4EX 박스 컨트롤러를 예로 들면, 축 중 하나에 값이 부여되지 않을 경우, 해당 모터를 공회전시켜 유휴 상태로 만든다.

● 원형 좌표축
원은 수학적으로 [R2 = X2 + Y2]로 설명된다. 이 방정식에서 선형적 사고와 이어지는 요소는 존재하지 않는다. 즉 모터 사이에 비선형 유형의 이동 관계를 원한다면 원형 보간에 대해 알아야 한다. 

원형 이동 관계로 두 개의 모터를 움직이는 기능은 윤곽선을 생성하거나 원호 보간 그룹의 다른 모터와 비교하여 모터 속도를 높이거나 느리게 만들 수 있다. 이는 원의 상단에서 π/2 라디안의 Y 및 X 값의 변화율로 시각화할 수 있는데, Y의 값은 원의 상단을 지나 X의 값과 비교하여 거의 변하지 않으므로 Y 속도는 낮고 X 속도는 높다. 원 위의 π 라디안 위치에서 Y 속도가 높고 X 속도가 낮은 경우에는 상황이 반전된다.([그림 2] 참조)
 
● 선형 및 원형 좌표축
선형, 선형 좌표 또는 원형 좌표 방식의 동작은 가능한 모양을 제한하며, 3축 가공 시 피라미드 (직선) 또는 원뿔과 같이 뾰족한 물체를 만들 수 있다. 선형/원호 보간에 대해 두 가지 보간 유형을 결합하면 더욱 흥미로워지며, 이러한 유형의 모션 기능으로 거의 모든 3차원 형상을 생성하거나 고도로 복잡하거나 복잡한 조각 및 에칭을 수행할 수 있게 된다. 

기타 고려 사항
제어 방법 및 방법에 따라 필요한 수준의 컨트롤러 정교함이 변경된다. 많은 컨트롤러는 축을 통한 선형 보간 및 선형/원호 보간 모델을 포함하는 정교함을 갖고 있다. 

여러 모터에 걸쳐 모션을 조정할 수있는 기능 외에도 컨트롤러를 선택할 때 고려해야 할 사항이 있다. 출력 제어 기능, I/O 구성 방법, 프로그래밍/컨트롤 세트 등이 그것이다. 이러한 기능은 유연성이 없고 기능이 거의 없거나, 많은 유연성과 많은 기능 등 다양한 형태로 존재한다. 스펙트럼의 최저 수준에서는 비용이 낮아지고, 향상된 기능에 대해 비용을 지불하게 되며 최상의 활용 방법을 배우는 데는 시간이 걸리게 된다.
 
● 출력 제어
어떤 유형의 출력 제어가 필요한가? 피드백 시스템없이 스테퍼 모터를 제어하려고 하는가? 아니면 위치 또는 속도 제어 모션이 필요한가? 이동 속도와 해상도는 얼마나 빠른가? 
이러한 질문에 대한 답이 위치 또는 속도를 제어할 수 있도록 엔코더 피드백이 필요한지 여부를 결정한다. 속도와 분해능은 컨트롤러의 출력 펄스 주파수 기능과 동작을 충족시키는 데 필요한 엔코더 입력 주파수 기능을 결정하며, 일반적으로 출력 펄스는 엔코더 펄스의 이동과 동일하다. 

● I/O 구성
완전히 작동하는 시스템은 일반적으로 인코더 이외의 입력을 필요로 하고, 펄스 및 방향 이외의 출력은 모터 드라이버에 전달해야 한다. 추가 입력은 컨트롤러에 엔드 리미트 스위치, 홈 스위치 및 기타 트리거 스위치를 사용하여 모션이 공간에 있는 다른 안전 관련 정보를 제공하는 데 도움이 된다. 

이들이 트리거되면 컨트롤러는 해당 정보를 사용하여 좌표계를 정의할 수 있다. 이것은 잘 정의된 모션 프로파일을 허용하며, 후속 조치가 실행되기 전에 특정 동작이나 동작이 완료되도록 할 수 있다.

추가 출력을 사용하여 트리거 신호 또는 완료된 동작 표시도 보낼 수 있다. 일반적으로 출력은 온/오프 상태의 디지털이며, 여러 컨트롤러 사이에서 동작이나 동작을 동기화하는 데 사용되는 신호를 보내는 데 사용된다. 예를 들어 니폰 펄스 컨트롤러의 PMX 라인은 8개의 범용 디지털 입력과 8개의 범용 디지털 출력과 함께 일련의 안전 입력을 갖고 있다. 또 일부 컨트롤러에는 조이스틱을 제어할 수 있는 아날로그 입력이 있다.

● 프로그래밍/제어 세트
컨트롤러와 통신하는 방법은 하드웨어 설계의 고유한 기능만큼이나 중요하다. 유용한 컨트롤러는 외부 사용자 작성 프로그램 및 온보드 프로그램/인터페이스로부터 명령을 수신할 수 있는 기능을 지니며, 이러한 프로그램은 필요한 경우 스스로 실행될 수 있다. 

외부 프로그램을 통해 제어하면, 외부 데이터를 모션 제어 프로세스에도 통합할 수 있다. 외부 프로그램이 데이터를 처리 및 분석하고 이를 입력으로 사용하여 필요한 다음 동작 집합을 결정할 수 있는 것이다. 이러한 수준의 정교함이 필요하지 않은 경우, 사용자 인터페이스의 개발 필요성을 줄이기 위해 프로그래밍 기능이 있는 온보드 제어장치에 접근할 수 있어야 한다.

오현식 기자 다른기사 보기