모션컨트롤 관련 전문지를 만들며, 가장 기본적인 궁금증을 갖게 되었다. 모션컨트롤이란 무엇인가? 오늘날 모션컨트롤은 어떤 과정을 거쳐 이루어질까? 모션컨트롤을 도입하기 위해 꼭 알아야 할 것들에는 무엇이 있을까? 명쾌한 답변을 얻기 위해 업계 곳곳에서 자료를 모았다.

■ 목차

1. 모션컨트롤 기본 유형

5. 여과 작업

6. 적응 제어 장치

  2. 위치결정장치

오늘날 위치결정장치는 대부분의 산업용 폐회로 시스템에 쓰이고 있다. 위치결정장치는 일반적으로 컨트롤러, 기계적으로 위치를 측정하는 부품, 피드백 변환기 그리고 모터 등과 함께 쓰인다. 
 

폐회로 위치결정 시스템은 회전형 혹은 선형 움직임을 생성한다. 출력하는 힘이 100hp 이하인 경우라면 일반적으로 DC 모터를 사용한다. 스테핑 모터도 사용하기는 하지만, 스테핑 모터는 토크에 제한이 있으며 대부분 출력 한계가 3hp에 불과하다. 따라서 스테핑 모터는 서보 모터처럼 빠르게 동작하거나 가속할 수 없다.
 

최근에는 AC 유도 전동기(인덕션 모터)로 폐루프 모드를 구동하는 것에도 관심이 높아지고 있다. 적절한 컨트롤러와 함께 사용하기만 한다면 10hp 이상으로 구동하는 브러시리스 DC 드라이브와 비슷하거나 더 나은 동적 응답을 제공한다. 하지만 이런 모터를 사용한 드라이브는 구조 및 사용이 DC 드라이브보다 더욱 복잡하며 가격도 비싸다.
 

위치결정장치에는 여러 위치 변환기가 쓰인다. 일반적인 변환기로 레이저·전위차계(포텐쇼 미터)·광학식 인코더·리졸버·마그네틱 스케일 등이 쓰인다.
 

변환기는 기능적 측면에서 절대형(Absolute) 및 증분형(Incremental)으로 나뉜다. 
 

증분형 인코더는 일반적으로 물체가 이동하는 동안 움직임이 만들어지고 늘어날 때마다 펄스를 생성한다. 위치를 측정하기 위해 컨트롤러가 펄스를 센다. 증분형 인코더의 가장 일반적인 형태로는 회전형 광학식 인코더와 선형 광학식 인코더 그리고 선형 자기식 인코더 등이 있다. 다른 형태의 인코더도 많이 쓰이고 있는데, 리졸버, 싱크로(회전·병진의 변위를 멀리 전달하는 장치. 편집자 주) 그리고 인덕토신(Inductosyn)이라고 부르는 장비들이 그것이다. 이런 인코더는 특히 고해상도 응용사례에서 많이 쓰인다.

절대형 변환기는 직접 위치를 지정하는 것이 특징이다. 하지만 일반적으로 가격이 비싸다. 절대형 변환기는 증분형 변환기와 달리 시스템 내에서 움직임이 생성 및 증가함에 따라 개별적 신호를 생성해 위치를 측정한다. 컨트롤러는 시스템 변환 테이블을 사용해 변환기와 시스템 위치 사이의 코드를 읽고 이를 비교한다. 절대형 변환기는 현재 회전형 및 선형 광학식 인코더 등에서 찾아볼 수 있다.
 

속도변환기로 가장 많이 쓰이는 장치를 꼽으라면 대부분 주저없이 회전 속도계(태코미터)를 꼽는다. 몇몇 응용사례에서는 속도변환기에 홀 효과 센서를 사용하기도 한다. 한편 일부 시스템에는 속도를 계산하기 위해 위치 피드백 신호를 구별하는 기능이 탑재되어있다. 따라서 속도변환기가 필요하지 않다.
 

폐회로 시스템이든 개회로 시스템이든 간에 위치결정장치의 각 구성요소 및 기계적 결합은 다양한 형태를 취할 수 있다. 기존의 모션컨트롤 장치는 보통 벨트 혹은 기어를 이용해 구동축과 모터 사이를 결합해 왔다. 하지만 최근에는 드라이브 모터와 피드백 인코더를 구동축 내에 통합했다. 이를 통해 백래시 및 여타 불안요소들을 제거한다.
 

위치결정 구조는 볼나사·엄지나사·유성 롤러 나사(Planetary Roller Screw) 그리고 단순한 볼·너트 구조 등으로 이루어진다. 직선 운동을 직접 생성하거나 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸는 장치 중 대부분이 이들 요소를 포함하고 있다. 전형적인 예로 XY 테이블 움직임을 들 수 있다.
 

선형 액추에이터는 볼나사를 슬립 클러치(토크가 과하게 걸리면 연동連動이 멈추는 구조의 마찰 클러치. 편집자 주) 및 피드백 조절 등 여타 요소에 통합한 것이 특징이다. 음성 코일(Voice Coil) 등 특별한 위치결정 메커니즘은 빠른 응답을 필요로 하는 응용사례에 쓰인다. 이런 장비에 일반적으로 쓰이는 장치는 고속 하드디스크 드라이브다. 무거운 화물 등의 위치를 조절해야 할 때에는 유압 액추에이터를 사용하기도 한다. 이러한 장치를 전기 실린더 잭(Electric Cylinder Jacks)이라고 부른다. 장치는 20톤 정도의 무게를 옮길 수 있으며 작업에 필수적인 위치 혹은 속도 제어 기능을 내장하고 있다.
 

유압 액추에이터 및 공압 액추에이터 모두 위치결정장치를 내장하고 있다. 유압 밸브는 폐루프 제어에 통합할 수 있는 것이 장점이다. 이 장치는 밸브 위치를 비례 제어한다. 또 폐루프 액추에이터 시스템을 실현하기 위해 밸브론 선형 및 회전형 유압 액추에이터에 통합시키기도 한다. 이런 장치의 일반적인 응용사례로는 수십 분의 일 정도로 정확하게 위치를 제어해야 하는 경우를 들 수 있다. 대표적으로 비행 시뮬레이션에 이런 장치를 사용한다.
 

폐루프 시스템은 공기압 실린더와 컨트롤러로 이루어져있다. 선형 위치 센서를 사용할 수 있는 이 장치들은 보통 수 파운드 단위의 부하를 처리하며 0.001in부터 0.0001in 단위의 더 나은 정확도를 제공한다. 볼나사 시스템 등의 기계적 위치결정 장치를 대체할 수 있는 수단이기도 하다.
 

컨트롤러는 단일 칩 마이크로컨트롤러에서 산업용 컴퓨터에 이르기까지 그 범위가 다양하다. 컨트롤러를 선택하는 기준으로는 위치결정 속도나 외부 하중 및 적재량 변화에 대한 응답속도 등 여러 요인이 있다.

  3. 루프 배리에이션

지난 수십 년 동안 공작기계를 이용한 절삭 작업에 단순한 폐루프 제어를 사용하는 추세였다. 하지만 시간이 지나면서 여러 방면에서 개선이 일어났다. 이런 개선들은 주로 특수한 제어 관련 작업을 원활하게 수행하기 위해 발생했다. 그 결과 여러 축을 갖춘 장치 혹은 윤전 인쇄기(Web Presses)의 작업을 동기화할 수 있게 되었다. 또한 고속 정밀 위치결정 작업을 처리함은 물론, 로봇 팔 관절의 부하 혹은 관성을 변경하는 작업도 가능하다.
 

폐루프 기술의 변화는 크게 네 가지 주요 요소에 영향을 미친다. 필터링, 다축 동기화, 기어 백래시로 인한 불안정성 조절, 가속 및 감속 시 더 낮은 위치 관련 오차가 그것이다.

  4. 백래시의 불안정

백래시는 모터가 기어 혹은 엄지나사를 통해 부하와 연결될 때 발생한다. 부하가 일어나는 곳에 위치 인코더를 장착하면 백래시로 인한 피드백이 지속적으로 일어난다. 정확한 움직임을 방해 및 제한하는 원인이다. 이중 루프 제어 기술을 백래시로 인한 불안정성을 보완하기 위해 사용한다.
 

이중 루프 제어는 두 개의 피드백 인코더를 사용한다. 하나는 모터와, 다른 하나는 부하와 연결한다. 모터 인코더는 모터를 제어하는 루프를 닫는다. 부하 인코더는 부하 위치 오류를 관찰함과 동시에 모터 제어 루프로 이동 명령을 내리는 관리 루프(Supervisory Loop)를 닫는 역할을 한다.
 

이중 루프 알고리즘은 먼저 모터에 지정된 속도로 일정한 간격을 두고 이동하도록 명령한다. 이동을 마치면 프로그램은 위치 오류가 남아있는지 확인하기 위해 부하 인코더의 위치를 확인한다. 만약 오류가 있다면 오류가 사라질 때까지 다시 움직이도록 명령한다.

알고리즘의 또 다른 역할로는 클러치가 모터와 부하 사이를 짝짓는 것이 있다. 이중 루프 제어는 모터 속도 및 부하 위치 프로파일을 통해 매끄러운 동작을 보장한다. 예를 들어 모터가 일정한 속도로 가속하고 일정 시간 속도를 유지한 뒤 서서히 감속해 정지해야 한다고 가정하자. 부하 위치는 모터 속도 프로파일 안에 내장되어 있다. 이런 알고리즘에 대한 접근법 중 하나는 부하 위치가 최종 위치로부터 특정한 숫자만큼 변화했다면 그 수치만큼 모터가 감속하도록 명령하는 것이다. 부하가 장치의 마지막 부분에 가까워지면 모터가 멈춤 명령을 내린다.
 

이 방법은 슬립이 없는 것이 강점이다. 모터가 회전할 때 발생하는 미끄러짐을 만회함으로써 더 오랫동안 작동하도록 만들기 때문이다. 모션 프로파일 분야는 또한 더 복잡한 프로파일을 소화하기 위해 세트포인트 숫자와 속도 등을 변경할 수도 있다.