모션컨트롤러는 그 이름처럼 모션컨트롤을 돕는 장치다. 그 종류에 따라 각기 다른 제어 작업을 수행한다. 모션컨트롤러를 구성하는 기술들과 모션컨트롤러의 종류에 대해 간단히 알아보고, 대표적인 장비 및 응용사례를 통해 각 장치의 특징과 기능을 살핀다.
글｜MSD(모션시스템디자인) 편집부 · 정리｜윤진근 기자(yoon@iomedia.co.kr)

상업적으로 판매되고 있는 보드 레벨 컴퓨터는 상당수가 서보 제어 분야를 겨냥하고 있다. 이 장치는 제어반이나 호스트 컴퓨터로부터 자료를 입력받는 등의 조작을 할 수 있다. 

예를 들어 오늘날의 많은 전용 컨트롤러(Dedicated Controller)가 산업용도로 특화된 PC 혹은 VME버스 카드 케이지에 사용되는 카드로 구성되어있다. 이들은 다른 카드의 컴퓨터로부터 10in.가량 이동시키는 작업 등 높은 수준의 위치결정 명령을 수행한다.

이러한 서보 제어 시스템은 또한 전용 인터페이스를 탑재한 하드웨어를 제공한다. 위치 인코더의 되먹임 신호(Feedback Signal)를 수신 및 처리하며, 서보 증폭기로 구동 신호를 생성해 전송한다. 마지막으로 피드백 루프를 닫고 시스템을 안정시키는 소프트웨어를 구동한다.

디지털 서보 컨트롤러는 전기적 소음이나 잡음이 많은 산업용 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있어야 한다. 장치의 잡음 여유도(Noise Immunity)는 차폐·우회·광결합 등의 기능보다 성능이 우수해야 한다. 

컨트롤러는 잡음으로 인해 신호를 왜곡해서 받아들였을 경우 작업을 불이행하도록 설계되어야 한다. 하지만 모든 컨트롤러가 안전장치를 탑재하거나 보호조치를 취할 수 있는 것은 아니다.

잡음 간섭으로부터 보호해야 하는 입출력 신호에는 세 가지 종류가 있다. 인코더 입력과 서보드라이브 출력 그리고 디지털 서보 컨트롤러가 제공 및 규정하는 불연속 I/O 신호(Discrete I/O)가 그것이다. 인코더의 되먹임 신호는 잡음에 특히 민감하다. 신호가 손상되면 부정확한 위치결정, 갑작스러운 움직임이나 고르지 못한 움직임, 예기치 못한 위험한 동작 등을 야기한다.

이러한 잡음 효과를 최소화할 수 있는 방법이 한 가지 있다. 차동 인코더(Differential Encoder)가 그것이다. 차동 인코더의 각 채널 신호는 두 개의 선을 통해 디지털 서보 컨트롤러로 전송된다. 이 장치는 접지(그라운드)에 대한 전압 크기(Voltage Level)가 아닌 두 신호 레벨의 차이를 통해 위치 정보를 전송한다.

하지만 모든 디지털 서보 컨트롤러 보드가 차동 인코더의 입력을 받아들일 수 있는 것은 아니다. 또한 모든 보드가 광학적으로 분리된(Optically Isolated) 입력을 활용한 서보제어를 할 수 있는 것도 아니다. 일반적으로 값이 상대적으로 저렴한 보드는 분리(Isolation) 기능을 제공하지 않는다. 이러한 제품은 각종 실험용도 및 경공업(輕工業. 중공업重工業을 상대적으로 비교할 때 쓰는 말)에 적합하다.

서보 컨트롤러는 일반적으로 ±10V 서보드라이브 출력을 제공한다. 이렇게 만들어진 신호는 작은 인코더 신호보다 광학적으로 분리하기가 더 어렵다. 

경우에 따라서는 디지털 서보 컨트롤러에 기존 디지털 아날로그 변환기(DAC)를 활용해 출력 전압을 제공하기도 한다. 이 경우 아날로그 절연증폭기를 디지털 아날로그 변환기의 출력에 사용할 수 있다. 혹은 별도의 광 커플러가 각 입력비트를 처리할 수도 있다. 하지만 두 분리 기술 모두 비용이 많이 든다.

분리 기술은 서보 컨트롤러가 고주파 펄스폭 변조(PWM) 신호를 생성하는 경우 더욱 저렴하다. 펄스폭 변조 출력은 기존의 광 커플러로도 쉽게 분리된다. 분리된 출력은 모터를 구동하기 위해 ±10V 신호로 변환된다.

광학적 분리를 온전히 유지하기 위해서는 별도의 ±12V~±15V 전압을 통해 컨트롤러의 펄스폭 변조 출력회로와 모터의 ±10V 출력회로에 전원을 공급해야 한다. 대부분의 서보 증폭기는 별도의 전원 없이 이러한 전압을 제공할 수 있다.

모든 입력 및 출력을 광학적으로 분리하는 것은 이미 산업적으로 흔한 사례다. 산업 응용사례를 위한 완벽한 디지털 서보 컨트롤러는 움직임(모션) 관련 기능에 쓰이는 별도의 I/O를 제공하며, 동시에 과도현상 및 고장 전압(Fault Voltage)으로부터 장치를 보호하기 위해 보드 내에 광학적 분리 기능을 통합해야 한다.

산업용 입출력장치는 일반적으로 120V AC전원 혹은 24V DC전원을 통해 작동한다. 많은 응용사례에서 두 가지 종류를 모두 사용한다. 하지만 디지털 서보 컨트롤러는 24V DC전원만을 제공한다. 120V 선간전압과 민감한 마이크로프로세서 회로망 사이에 일정 거리를 유지하기 위해서다.

일반적으로 서보 컨트롤러는 축 운동 제어와 직접적으로 연관되어 있는 몇몇 개별 입력 및 출력장치를 처리할 수 있어야 한다. 입출력 장치에는 홈 리미트 스위치·인코더 마커·축 초과이동 스위치(Axis Overtravel Switch)·구동오류 입력(Drive-Fault Input)·구동 가능 출력(Drive-Enable Output) 등이 있다. 

서보 컨트롤러는 움직임에 특화된 입출력 장치를 직접 처리한다. 장치 성능을 최적화하기 위해서다. 하지만 모든 컨트롤러가 이러한 전문적인 I/O를 제공하는 것은 아니다.

위치 되먹임 인코더(Position Feedback Encoder)는 일반적으로 증분형태를 띠고 있다. 따라서 서보 컨트롤러는 움직임을 측정하기 위해 절대적인 정위치(Home Position)를 찾아야 한다. 측정 작업에는 홈 리밋 스위치와 인코더의 마커 채널을 모두 사용한다. 따라서 서보 컨트롤러는 인코더 마커와 홈 리밋 스위치 입력을 모두 처리할 수 있어야 한다.

인코더 마커는 증분형 인코더에서 세 번째 출력을 담당하며, 단 하나의 고유한 위치를 나타낸다. 일부 응용사례에서 인코더 마커만으로도 축 교정을 위한 고유한 기준위치를 설정하기에 충분한 정보를 얻을 수 있다. 이러한 부류의 응용사례로는 회전 인덱스 테이블 혹은 선형 인코더를 활용한 장비 등이 있다. 하지만 인코더는 보통 축 이동거리 내에서 많은 공전을 실행하므로 인코더 마커만으로 고유한 기준위치를 설정하기에는 불충분하다.

홈 리밋 스위치는 축의 총 이동거리 내에서도 단 한 지점에서만 작동한다. 이 스위치는 기계식은 물론이고 광학식, 자석, 홀 효과 센서 등 다양한 장치로 만들 수 있다. 장치는 우선 홈 리밋 스위치 신호를, 이후 인코더 마커 신호를 탐색한다. 이를 통해 디지털 서보 컨트롤러가 축의 원점을 찾고, 넓은 이동범위 전체의 정확한 기준위치를 신속하게 설정한다.

초과이동 스위치(Overtravel Switch)는 축 장치(Axis Mechanic)의 손상으로 인한 프로그래밍 오류나 고장을 예방한다. 사전에 정의한 이동거리의 한계점에 도달하면 축이 스위치를 활성화한다. 디지털 서보 컨트롤러는 초과이동 스위치가 닫히는 것을 감지하면 축 운동을 막음으로써 기계 손상을 방지할 수 있다.

대부분의 서보 증폭기는 장치가 설정한 범위 내에서 오류가 발생하면 특정한 출력을 활성화한다. 이 경우 서보 증폭기가 제대로 작동하지 않으면 디지털 서보 컨트롤러는 축을 제대로 제어할 수 없게 되고, 따라서 문제가 해결될 때까지 이후의 장비 작동을 억제해야 한다. 따라서 컨트롤러를 통해 구동 실패 입력(Drive-Fault Input) 기능을 제공함으로써 서보 드라이브가 구동 실패 출력(Drive-Fault Output)을 다룰 수 있도록 해야 한다.

대부분의 서보 증폭기는 또한 구동 가능 입력(Drive-Enable Input) 기능을 제공한다. 이를 통해 서보 컨트롤러는 시스템이 구동 및 중지하는 동안 일어나는 예기치 않은 동작을 방지하기 위해 앰프의 사용 및 중지 여부를 결정할 수 있다. 

또한 서보 증폭기는 서보 컨트롤러가 오류를 감지할 때마다 즉각적으로 작동을 멈추어야 한다. 따라서 컨트롤러는 서보 증폭기를 활성화 및 비활성화할 수 있는 구동 가능 출력 기능을 제공해야 한다.

서보 컨트롤러는 외부의 결함을 경고하는 각 센서 신호를 관찰 및 반응할 뿐 아니라, 내부 상태를 관찰하고 장치에 손상을 줄 위험이 있는 경우 적절한 반응을 취해야 한다.

일부 안전 방안은 산업용으로 특화된 컴퓨터의 표준이 되었다. 안전 방안의 예를 들어보면, 현존하는 여러 장치가 감시계시자 회로를 포함하고 있다. 이 회로는 릴레이 접점을 제어함으로써 장치의 전원을 차단할 수 있다. 

일반적인 감시계시자가 장비를 정지시키는 일반적인 사례로는 인코더의 되먹임 신호를 놓치거나(혹은 손실하거나) 기계가 제어 범위를 벗어날 위험이 있는 경우 등이 있다.

감시계시자 회로의 다른 종류로는 컨트롤러가 작동에 실패했을 때 장비의 전원을 정지시키는 것이 있다. 이러한 기능을 구현하는 방법 중 하나는 서보 컨트롤러부터 신호를 주기적으로 수신하면서 활성화를 유지하는 회로를 활용하는 것이다. 회로의 강성 접촉(Hard-Contact) 출력은 일반적으로 장비의 응급 멈춤 회로 혹은 여타 안전 차단장치와 통합되어있다.

서보 증폭기가 오작동을 일으키면 디지털 서보컨트롤러의 구동 실패 입력 신호를 활성화한다. 이후 컨트롤러가 오작동에 의한 영향을 최소화하기 위한 조치를 취한다. 이러한 조치에는 축 움직임을 멈추게 하고, 피드백을 비활성화하며, 작업자 혹은 주요 제어장치에 이를 알리는 것 등이 있다. 

구동장치의 결함이 해결되면 서보 컨트롤러는 예상 밖의 축 움직임 없는 제어를 복원시킬 수 있어야 한다. 또한 인코더에 전원이 지속적으로 공급된다는 전제 하에, 서보 컨트롤러는 정위치로 복귀하지 않고도 작업을 재개할 수 있어야 한다.

축이 자신이 가진 최대 이동범위를 넘어설 경우 중대한 손상이 일어날 수 있다. 이를 방지하기 위해 리밋 스위치를 사용한다. 초과이동이 일어났을 때 이를 서보 컨트롤러에 경고하기 위해서다. 또한 인코더는 축의 실제 위치(Actual Position)를 지속적으로 제공한다. 이를 사전에 정의된 최대 이동범위와 비교함으로써 이차적인 초과이동을 막을 수 있다. 

이러한 이차적인 보호 기능은 일반적으로 소프트웨어 이동거리 제한(Sotfware Travel Limit)라고 부른다. 소프트웨어 이동거리 제한 기능은 초과이동 스위치와 함께 사용하거나 스위치 대신으로 사용할 수 있다.

소프트웨어 이동거리 제한 기능을 초과이동을 막기 위해 사용할 경우, 이 기능이 작동하는 것을 치명적인 오류로 간주한다. 컨트롤러는 하드웨어 리밋 스위치를 작동시키는 경우와 마찬가지로 축 내의 모든 움직임을 정지시키고, 소프트웨어 피드백 루프 및 드라이브를 비활성화시키며, 작업자에게 문제에 대해 통보한다.

리밋 스위치를 설치할 경우에는 소프트웨어 이동거리 제한 장치와 초과이동 스위치 사이에서 속도를 줄일 수 있는 충분한 거리를 제공해야 한다. 그렇지 않으면 시스템은 초과이동 제한 스위치(Overtravel Limit Switch)의 오작동을 막을 수 있을 만큼의 충분한 공간을 갖지 못하게 된다. 

초과이동 제한 스위치가 활성화되는 것은 치명적인 오류가 일어난 것으로 해석한다. 이때 서보 컨트롤러가 다시 장비를 멈추어야 한다. 또한 각 축에 대해 충분한 이동거리를 제공함으로써 초과이동 제한 스위치가 기계장치 및 기계역학에 손상을 주는 일 없이 완전히 장치를 멈출 수 있어야 한다.

서보 추종오차(Servo Following Error)는 축 위치 오차(Axis-Position Error) 혹은 축이 이동할 때 사전에 지시한 위치와 실제 위치 사이의 차이로 정의한다. 

디지털 서보 컨트롤러는 서보 추종오차를 관찰하고 이를 사전에 설정한 추종오차의 허용치와 지속적으로 비교해야 한다. 추종오차가 허용치를 초과할 경우, 컨트롤러는 모든 축 움직임을 멈추고 피드백 및 서보 증폭기를 비활성화하며 이를 작업자에게 알려야 한다.

☞ 다음호에 계속