오늘날 서보모터를 비롯한 서보시스템은 정밀제어에서 빠지지 않는 요소다. 엔코더를 활용한 정밀한 위치제어와 보다 빠른 속도 그리고 쉬운 관리 등으로 인해 고급 제어기능을 활용하고자 하는 응용사례라면 어디에든 사용할 수 있다. 오늘날 서보시스템을 적용하고자 한다면 어떤 요소를 중요시해야 할까? 그리고 최근 어떤 기능이 각광받고 있을까?
자료 | 야스카와전기(www.yaskawa.co.jp)

Q. 서보모터를 선택할 때 해상도가 중요한 이유는?
A. 신형 서보모터에는 보다 정밀한 엔코더를 탑재한다. 이를 통해 높은 해상도(분해능)을 가지고 있다. 24bit 엔코더의 해상도는 1회전 당 1600만 카운트 이상을 자랑한다. 물론 1600만분의 1이라는 위치제어 해상도가 그렇게까지 합리적이거나 비용효율적인 숫자는 아니다. 하지만 24bit 해상도는 보다 풍부한 데이터를 획득함으로써 엔코더 정확도를 높이고, 그 결과 보다 효율적인 서보 시스템을 실현케 한다.

서보는 모터가 작동하는 동안 지속적으로 회전한다. 사전에 입력한 속도와 위치를 가능한 한 동일하게 유지하기 위해서다. 오실로스코프로 움직임을 관찰해보면 실제 움직임이 명령한 움직임과 다른 것을 발견할 수 있을 것이다. 아주 미세하지만 상하로 움직이며 진동을 만드는 것. 

서보는 명령한 움직임 범위 내에서 벗어나지 않는 것이 관건이다. 앰프의 처리 전력을 높이면 수신할 수 있는 정보의 양이 늘어나고, 이 정보를 적절히 결합함으로써 오류를 줄일 수 있다. 모터의 작동 강도 역시 전보다 낮아져 보다 적은 열을 내고, 조용하게 실행하며, 기계적 마모 역시 줄어든다. 응답시간 역시 빨라지는데, 정정 시간(Settling Time)이 감소하고, 에너지를 적게 사용함으로써 효율성 역시 높아지는 덕이다.

Q. 소프트웨어 알고리즘이 서보시스템 동작에 어떤 영향을 미치는가?
A. 오늘날 고급 서보 시스템은 서보앰프 내에 알고리즘을 내장하고 있다. 

알고리즘은 진동 저감·마찰 변동 및 속도 변동 보상·보다 향상된 튜닝 성능 등을 보장한다. 알고리즘의 이러한 성능은 앰프(증폭기)의 대역폭을 높이거나 속도를 높임으로써 향상시킬 수 있다. 

앰프의 성능이 높아지면 동조 없는(Tuningless) 모터를 구현할 수 있으며, 조절 가능한(Adaptive) 튜닝 알고리즘을 활용해 지속적으로 튜닝을 조정할 수 있다. 비 동조 모드를 활용하면 ▲안정시간이 절반으로 줄어들고 ▲로터 관성비(Inertia Ratio)를 향상시켜 보다 높은 하중을 가할 수 있으며 ▲속도 루프 게인을 증가고 ▲강성 수준 또한 높일 수 있다.

성공적인 진동 억제 모델은 앰프의 성능에 좌우된다. 앰프는 축이 움직이는 동안 엔코더가 제공하는 정보를 수신한다. 앰프의 알고리즘 모델은 보다 부드럽고 정밀한 움직임을 실현하도록 조절할 수 있다. 따라서 앰프의 대역폭이 커지면 보다 효율적인 진동 억제 모델을 구현할 수 있다.

앰프 대역폭이 높아지면 여타 알고리즘의 성능 역시 증가한다. 진동 성능을 높이는 것과 같은 방식으로 여타 성능 또한 향상시킬 수 있는 것. 마찰 변동(Friction Fluctuation)은 장비의 기계적 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 안정적 동작을 어렵게 만들 수 있는 요소다. 서보 알고리즘을 기반으로 한 마찰 모델은 중력 혹은 연삭 등 외부 요소에 의한 교란을 보상할 수 있다. 모터의 코깅은 속도 변동 보상을 통해 줄일 수 있다. 응용사례 내의 제한으로 인해 속도 루프 게인이 한계에 달했다면 변동 보상(Ripple Compensation) 기능을 활용해 코깅 효과를 상쇄할 수 있다.

Q. 서보를 선택할 때 고려해야 할 설계 요소가 있다면?
A. 서보를 선택할 때는 최적의 성능 달성에 중점을 두어야 한다. 서보는 모터 작동 시 일어나는 잡음으로 인한 진동을 상쇄할 수 있으며, 장비 적용 시 장비로 인해 발생하는 공진이나 마찰 효과 역시 줄일 수 있다. 또한 이동 명령으로 인해 발생한 인위적 요소를 제거함으로써 새로운 장비 사이클을 생성할 수 있다. 보다 빠르고 조용하면서 효율적인 시스템을 위한 첫걸음이다.

튜닝 기능은 몹시 중요하다. 비 동조 모드로 작동할 경우 수정 기능을 활용해 부하 관성의 예기치 않은 변화를 보상할 수 있다. 위치 루프의 갱신률(Update Rate)을 기반으로 서보 게인을 조절함으로써 변화에 대한 보상을 실현한다. 

고급 조정 매개변수를 설정하는 기능은 장비의 전체적인 동작 개선에 도움이 된다. 기존 동작 매개변수에 영향을 미치지 않은 채, 대상이 되는 매개변수만을 미세하게 조절할 수 있다.

이러한 개선을 통해 기계 설계를 단순화하고 장비 고장을 최소화하며 서보 수명을 높일 수 있다. 부품 수를 줄이고 장비 조립 및 설치시간을 줄임으로써 장비의 유지관리 지점을 최소화하고, 안전성을 높이며, 기어박스 크기를 줄이거나 제거할 수도 있다. 또한 기계적 연결부에 대한 조작을 유연한 서보 제어로 대처함으로써 전체적인 부품 개수를 줄일 수 있다.

케이블 관리 또한 장비 크기를 줄이는 데에 도움이 된다. 샤프트 방향으로 케이블이 나와 있는 모터는 작동에 문제를 일으킬 소지가 있다. 케이블을 후면 혹은 이동 대상이 있는 방향으로 배치한다면 서보의 설치 및 작동에 도움이 된다.

Q. 서보 모니터링 시스템 혹은 데이터 수집 기능이 시스템 유지보수에 어떤 영향을 미치는가?
A. 제품 수명을 모니터링할 수 있는 서보는 장치의 오작동을 예측하고 장비 작동을 최적화하는 데에 도움을 준다. 이러한 시스템은 앰프 구성요소의 남은 수명을 알아내는 데에 유용하다. 쿨링 팬·커패시터·유입 릴레이·다이내믹 제동 릴레이 등이 그 예다. 모터와 앰프의 온도, 전력 사용량, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 분석 또한 구현할 수 있다.

초기에 FFT 플롯을 생성하고 주기적으로 새로운 FFT 플롯을 생성케 하면 시스템이 동작하는 상태의 변화를 검출해낼 수 있다. 이를 통해 사용자에게 장비의 기계적 변화를 알릴 수 있다. 예를 들어 커플링이 느슨해졌다면 FFT 플롯은 진동의 변화를 표시하며 기계적인 결함이 임박했다는 경고를 송출한다. 

전력 소비량 분석 역시 주기적으로 관찰할 수 있는 패턴 중 하나다. 사용자는 에너지 소비 데이터를 활용해 시스템 전체적인 에너지 효율을 최대화하기 위해 기계 축을 동기화한다. 한 축에서 전류를 소모하는 동안 특정 축이 에너지를 재생성함으로써 이 기능을 구현할 수 있다. 이러한 매개변수들을 관찰함으로써 제품을 원활하게 유지보수하는 것은 물론, 예방정비에 대한 명확한 시야를 제공한다.