스마트 제조를 위한 지능형 모션 제어 설계 시작

스마트 제조로의 전환은 첨단 기술을 활용하여 수율, 생산성, 민첩성, 효율성 및 안전성을 향상시키면서 비용을 줄입니다. 지능형 모션 제어는 이러한 변화에 필수적입니다. 고정 속도 모터와 제어 장치를 우수한 모션 제어 장치로 교체하여 오래된 공장을 업데이트해야 하는 경우가 많습니다. 이러한 장치는 고급 감지 기능에 의존하여 정밀한 모션 및 전력 제어를 실현합니다. 최적의 워크플로우와 생산 민첩성을 달성하기 위해 설계자는 생산 기계와 제조 실행 시스템 간의 실시간 연결도 구현해야 합니다.

지능형 모션 제어로의 마이그레이션을 가능하게 하는 많은 고급 기술과 시스템 수준 솔루션을 사용할 수 있지만, 설계자는 보통 스스로 시스템을 종합해서 구성해야 합니다. 이러한 상황은 바뀌고 있으며 이제 모션 제어 설계를 시작하는 데 도움이 되는 포괄적인 솔루션 세트를 사용할 수 있습니다. 여기에는 모터 속도 및 토크의 다축 제어를 위한 분리된 전류 감지 및 위치 피드백을 위한 부품뿐만 아니라 불시의 가동 중지 시간을 줄이기 위한 기계 상태 모니터링용 센서도 포함됩니다. 고속 네트워크 인터페이스도 포함되어 있어 기계와 상위 수준 제어 및 관리 네트워크 간의 데이터 공유가 용이합니다.

이 기사에서는 향상된 모터 제어의 중요성에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 전력, 감지, 네트워킹 부품을 포함한 지능형 모션 제어를 위한 Analog Devices의 솔루션을 소개하고 이를 적용하는 방법을 논의합니다.

보다 지능적인 모터 제어가 필요한 이유

전기 모터는 산업용 모션 제어의 기본이며 산업에서 사용되는 전력의 70%를 차지합니다. 산업용 전력의 이 비율은 전 세계 전력 소비의 약 50%를 나타냅니다. 이것이 바로 모션 제어 효율성을 개선하기 위해 많은 노력을 기울인 이유이며, 지능형 모터 제어를 통해 많은 이점을 얻을 수 있습니다.

초기 모션 제어는 기본 전력망 연결 모터에 의존했으며 이는 오늘날의 정교한 다축 서보 모터 로봇 액추에이터로 발전했습니다. 이러한 혁신적인 개발은 스마트 제조에 필요한 더 높은 수준의 효율성, 성능, 신뢰성 및 자급자족을 제공하는 데 필요한 복잡성 증가를 추적했습니다(그림 1).

그림 1: 모션 제어는 고정 속도의 그리드 연결 모터에서 다축 서보 모터 로봇 액추에이터를 갖춘 지능형 모션 제어 시스템으로 발전했습니다. (이미지 출처: Analog Devices Inc.)

다양한 유형의 모터 제어에는 다음이 포함됩니다.

• 고정 속도: 가장 오래되고 가장 기본적인 모션 제어는 고정 속도로 작동하는 그리드 연결 3상 AC 모터를 기반으로 합니다. 스위치 기어는 온/오프 제어 및 보호 회로망을 제공합니다. 필요한 출력 감소는 기계적 방식으로 달성됩니다.
• 인버터 구동 모터: 정류기, DC 버스 및 3상 인버터 스테이지를 추가하면 모터에 적용되는 가변 주파수 및 가변 전압 소스가 생성되어 가변 속도 제어가 가능해집니다. 이 인버터 구동 모터는 부하 및 용도에 따라 최적의 속도로 모터를 구동시켜 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다.
• 가변 속도 구동기(VSD): 모터 속도, 위치 및 토크 제어를 위해 추가적인 정밀도를 요구하는 응용 분야에 사용되는 VSD는 기본 전압 조정 인버터 구동기에 전류 및 위치 측정 센서를 추가하여 이러한 제어를 수행합니다.
• 서보 구동 시스템: 여러 VSD를 다축 서보 구동 시스템으로 동기화하여 매우 정확한 위치 피드백이 필요한 컴퓨터 수치 제어(CNC) 전동 공구와 같은 응용 분야에서 훨씬 더 복잡한 모션을 수행할 수 있습니다. . CNC 기계 가공은 일반적으로 5개의 축을 조정하며 조정된 최대 12개의 동작 축을 사용할 수 있습니다.

로봇: 산업, 협동, 모바일

산업용 로봇은 다축 모션 제어와 기계 통합 및 고급 제어 소프트웨어를 결합하여 일반적으로 6개 축을 따라 3차원 위치 지정을 가능하게 합니다.

협동 로봇 또는 코봇은 인간과 함께 안전하게 작동하도록 고안되었습니다. 또한 기능적으로 안전한 로봇 동료를 제공하기 위해 안전 감지는 물론 전력 및 힘 제한 기능을 추가하여 산업용 로봇 플랫폼을 기반으로 합니다.

마찬가지로 모바일 로봇은 기능적으로 안전한 기계 제어를 사용하지만 로봇 기능에 위치 감지, 경로 제어 및 충돌 회피를 추가합니다.

모션 제어 시스템 개발의 각 단계에서 복잡성이 크게 증가하는 경우가 종종 있습니다. 지능형 모션 시스템을 구동하는 네 가지 주요 요인은 다음과 같습니다.

• 에너지 소비 감소
• 민첩한 생산
• 디지털 혁신
• 가동 중지 시간 감소로 최대 자산 활용 보장

고효율 모터와 저손실 VSD를 채택하고 모션 제어 응용 제품에 지능을 추가하는 것은 스마트 제조를 통해 상당한 에너지 효율성을 달성하는 핵심 요인입니다.

민첩한 생산은 빠르게 재구성 가능한 생산 라인에 달려 있습니다. 이러한 유연성은 소량의 다양한 제품에 대한 소비자 수요 변동에 대응하는 데 필요하며, 이를 위해서는 보다 적응력 있는 생산 설정이 필요합니다. 산업용 로봇은 복잡하고 반복적인 작업을 수행하는 데 중추적인 역할을 하여 처리량과 생산성을 높입니다.

디지털 혁신에는 전체 생산 시설의 모션 제어 및 광범위한 센서 데이터를 네트워크로 연결하고 이러한 데이터를 실시간으로 공유하는 기능이 포함됩니다. 이러한 연결은 클라우드 기반 컴퓨팅과 인공 지능(AI) 알고리즘을 통해 제조 워크플로우를 최적화하고 자산 활용도를 높일 수 있습니다.

자산 활용은 다양한 새로운 비즈니스 모델의 기반이 되며, 초기 설치 비용뿐만 아니라 공장 자산의 생산성에 중점을 둡니다. 시스템 제조업체는 이러한 자산의 가동 시간이나 생산성에 따라 서비스 요금을 청구하는 데 점점 더 관심을 갖고 있습니다. 이 접근 방식은 각 기계 자산의 실시간 모니터링을 통해 생산성을 높이고 불시의 가동 중지 시간을 최소화하는 예측 유지 관리 서비스를 활용합니다.

지능형 모션 제어를 위한 부품 요구 사항

설계자는 지능형 모션 응용 분야에 일반적인 모터 구동 신호 체인의 여러 설계 영역에 대한 시스템 수준 솔루션이 필요하다는 점을 인식해야 합니다(그림 2).

그림 2: 여기에는 지능형 모션 응용 분야의 6가지 주요 영역에서 더 높은 수준의 성능을 가능하게 하는 부품 솔루션이 나와 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

설계자가 우선순위를 두어야 하는 주요 영역은 전력 전자 장치, 모션 제어, 전류 감지, 위치 감지, 네트워크 인터페이스 및 기계 상태 모니터링입니다. Analog Devices는 설계자가 기존 설계를 업데이트하거나 새로 시작할 때 고려할 수 있도록 각 영역에서 여러 장치를 제공합니다.

전력 전자 장치

전력 전자 장치는 모터 구동 시스템의 DC에서 펄스 폭 변조(PWM) 전력 입력으로의 전력 변환을 용이하게 합니다.

모터 구동 시스템의 전력 변환은 일반적으로 AC 전력 공급선에서 파생되는 고전압 DC 소스로 시작됩니다. 그림 2에 표시된 것처럼 전력 전자 섹션은 MOSFET이 포함된 3상 하프 브리지 토폴로지를 사용하여 구성됩니다. 상부 MOSFET의 게이트는 접지에 대해 플로팅되어 있으며 분리된 구동기가 필요합니다. 적합한 옵션은 Analog Devices의 ADUM4122CRIZ입니다. 이는 최대 5kV(킬로볼트) rms(제곱평균제곱근) 분리를 제공하는 분리형 게이트 구동기입니다. 고속 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS)와 모놀리식 변압기 기술을 결합하여 높은 수준의 분리가 달성됩니다. 이 게이트 구동기는 스위칭 전력 손실과 전자기 간섭(EMI)을 최소화하는 조정 가능한 슬루율 제어 기능을 갖추고 있습니다. 이는 질화갈륨(GaN) 또는 탄화규소(SiC) 장치를 사용하는 경우 스위칭 속도가 더 빠르기 때문에 특히 중요합니다.

하부 MOSFET는 접지에 레퍼런싱되는 소스 소자가 있으며, 플로팅 접지를 가진 100V 하프 브리지 구동기인 Analog Devices의 LTC7060IMSE#WTRPBF를 사용할 수 있습니다.

로우사이드 및 하이사이드 구동기의 출력 단계는 플로팅 상태이며 접지에 연결되어 있지 않습니다. 이 고유한 이중 플로팅 아키텍처는 게이트 구동기 출력을 견고하게 만들고 접지 잡음에 대한 민감도를 완화시킵니다. 또한 이 장치에는 두 하프 브리지 스위칭 장치가 동시에 켜지는 것을 방지하기 위해 부동 시간을 프로그래밍할 수 있는 적응형 슛스루 보호 기능이 통합되어 있습니다.

모션 컨트롤러

모션 컨트롤러는 모션 제어 시스템의 두뇌 역할을 합니다. 중앙 프로세서로 작동하는 모션 컨트롤러는 전력 전자 장치를 구동하는 PWM 신호를 생성합니다. 이러한 신호는 중앙 제어 센터의 명령과 모터의 피드백(예: 전류, 위치, 온도)을 기반으로 합니다. 모션 컨트롤러는 이 데이터를 기반으로 하여 모터의 속도, 방향 및 토크를 결정합니다. 대개 멀리 떨어진 곳에 위치하고 FPGA 또는 전용 프로세서를 통해 구현되는 이 컨트롤러에는 분리된 통신 링크가 필요합니다.

이를 위해 Analog Devices의 ADM3067ETRZ-EP와 같은 직렬 데이터 링크를 사용할 수 있습니다. 이는 정전기 방전(ESD) 보호, 전이중, 50Mbps RS485 트랜시버입니다. 이는 위치 피드백 센서에서 모션 컨트롤러로 고대역폭 직렬 통신을 제공하도록 구성됩니다. 이 직렬 회선은 최대 ±12kV까지 ESD로부터 보호되며 -55°C ~ +125°C의 온도 범위에서 작동할 수 있습니다

전류 감지

모터의 전류 피드백은 제어를 위한 기본 피드백 파라미터입니다. 전류 피드백에 따라 전체 제어 대역폭과 모션 제어 시스템의 동적 응답이 결정되므로 피드백 메커니즘은 정밀한 모션 제어를 보장하기 위해 매우 정확하고 높은 대역폭을 가져야 합니다.

일반적으로 사용되는 전류 측정 기술에는 다음 두 가지가 있습니다.

• 션트 기반 측정 시에는 측정 중인 컨덕터와 직렬로 연결된 낮은 값 저항기 또는 션트를 삽입해야 합니다. 그런 다음 일반적으로 고해상도 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 션트의 차동 전압 강하를 측정합니다. 션트 전류 측정은 션트 저항기의 전압 강하 및 전력 손실에 의해 제한되며 중저 전류 응용 제품으로 제한됩니다.
• 자기 전류 감지는 비접촉 이방성 자기 저항(AMR) 측정을 사용하여 컨덕터 근처의 자기장을 평가하여 전류를 측정합니다. 자기장 및 전류에 따라 달라지는 AMR 장치의 저항은 저항 브리지를 사용하여 측정됩니다.

자기 전류 측정은 션트 저항기의 전압 강하 및 그에 따른 전력 손실을 제거하므로 고전류 측정에 더 적합합니다. 또한 측정은 측정된 컨덕터로부터 전기적으로 분리됩니다.

분리된 전류 측정의 경우 Analog Devices의 ADUM7701-8BRIZ-RL을 사용할 수 있습니다. 이는 감지 저항기의 전류 감지 전압 강하에서 고속, 단일 비트 디지털 분리 데이터 스트림으로 아날로그 입력 신호를 변환하는 고성능 16비트 2차 시그마-델타 ADC입니다.

대체 전류 측정 장치는 AD8410AWBRZ 고대역폭 전류 감지 증폭기입니다. 이는 이득 20, 대역폭 2.2MHz, 낮은 오프셋 드리프트(섭씨 온도당 ~1마이크로볼트(μV/°C))를 제공하는 차동 증폭기입니다. 123dB(데시벨)의 DC CMRR(공통 모드 제거비)을 통해 최대 100V의 공통 모드 입력으로 양방향 전류 측정을 처리할 수 있습니다.

위치 감지

AMR 자기 위치 센서를 기반으로 한 회전 위치 감지는 광학 인코더보다 비용 효율적인 대안을 제공합니다. 이러한 센서는 먼지와 진동에 자주 노출되는 산업 환경에서 견고하다는 추가적인 이점도 있습니다. 모터 샤프트 각도에 대한 피드백은 서보 시스템의 직접 위치 제어 또는 회전 속도 결정에 사용될 수 있습니다.

Analog Devices의 ADA4571BRZ-RL은 신호 조정 및 ADC 구동기 회로가 패키지 내에 통합된 AMR 센서입니다(그림 3).

그림 3: 회전 각도의 함수로서 사인 및 코사인 출력 플롯과 함께 ADA4571BRZ-RL 각도 센서의 기능별 제품 구성도가 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

ADA4571BRZ-RL은 이중 온도 보상 AMR 센서를 사용하여 <0.1° 오차(수명/온도에 걸쳐 <0.5°)의 정확도로 180°(±90°) 범위에서 샤프트 각도를 감지하는 자기 저항 각도 센서입니다. 이 장치는 주변 자기장의 각도 위치를 나타내는 사인 및 코사인 단일 종단 아날로그 출력을 모두 생성합니다. 이 장치는 자기적으로 열악한 환경에서 작동할 수 있으며 넓은 공극으로 인해 각도 판독 오차 악화가 발생하지 않습니다.

각도 센서의 출력은 이중 16비트 입력, 연속 근사 레지스터(SAR) ADC인 Analog Devices의 AD7380BCPZ-RL7에 연결할 수 있습니다. 이 ADC는 최대 4MSPS(메가샘플/초)의 속도로 두 차동 입력 채널에서 동시에 샘플링합니다. 내부 오버샘플링 기능은 성능을 향상시킵니다. 오버샘플링은 ADC 정확도를 높이기 위해 사용되는 일반적인 기술입니다. 이 기능은 아날로그 입력의 여러 샘플을 캡처하고 평균화함으로써 일반 평균 또는 연속 평균 오버샘플링 모드를 사용하여 잡음를 줄입니다. 오버샘플링은 더 느린 작동 조건에서도 더 높은 정확도를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

네트워크 인터페이스

스마트 제조는 공장 현장의 기계와 중앙 제어 및 관리 네트워크 간에 데이터를 공유하는 지능형 모션 응용 제품 네트워크에 의존합니다. 이러한 공유를 달성하려면 강력한 연결이 필요합니다. 이를 위해 설계자는 ADIN1300CCPZ 이더넷 PHY 트랜시버를 포함한 Analog Devices의 저전력 및 저지연 이더넷 물리 계층(PHY)을 사용할 수 있습니다. 10Mbits/s, 100Mbits/s 또는 1000Mbits/s의 데이터 속도로 작동하는 ADIN1300CCPZ는 최대 105°C의 주변 온도를 포함하여 열악한 산업 환경에서 작동하도록 설계되었습니다.

스위치는 이더넷 연결을 라우팅하는 데 사용됩니다. Analog Devices는 산업용 이더넷 계층 2 내장형 듀얼 포트 스위치인 FIDO5200BBCZ를 제공합니다. 이 스위치는 10Mbits/s 및 100Mbits/s에서 IEEE 802.3을 준수하며 PROFINET, 이더넷/IP, EtherCAT, Modbus TCP 및 이더넷 POWERLINK 산업용 이더넷 프로토콜을 지원하기 위해 반이중 및 전이중 모드를 모두 지원합니다.

기계 상태

기계 상태 모니터링은 센서를 사용하여 진동, 충격, 온도와 같은 물리적 파라미터를 측정하여 기계 상태에 대한 실시간 통찰력을 제공합니다. 표준 모션 제어 작업 중에 이 데이터를 기록하고 시간 경과에 따라 분석함으로써 기계의 기계적 상태를 정확하게 평가하는 것이 가능해집니다. 이러한 데이터 주도 접근 방식을 통해 예측 유지 관리를 계획할 수 있으므로 기계의 작동 수명을 연장할 뿐만 아니라 불시의 가동 중지 시간도 크게 줄일 수 있습니다.

기계 상태를 적용하려면 모터에 진동 및 충격 센서를 설치해야 합니다. ADXL1001BCPZ-RL ±100g MEMS(미세 전자 기계 시스템) 가속도계는 11kHz의 -3dB 대역폭을 가진 저잡음 센서의 예입니다. 이는 압전 센서에 대한 고대역폭 및 저전력 대안입니다. 3개 축을 따라 측정해야 하는 응용 제품의 경우 ADXL371이 적합할 수 있습니다.

결론

지능형 모션 제어는 스마트 공장을 구현하는 데 매우 중요하며 이를 효과적으로 구현하려면 전자 부품을 신중하게 선택해야 합니다. 위에서 설명한 것처럼 이러한 부품 대부분은 이미 설계를 시작하기 위해 선별되었습니다. 여기에는 모터를 구동하는 전력 전자 장치, 정밀하고 정확한 모션 제어를 위한 정확한 피드백 데이터를 제공하는 전류 및 위치 센서, 제조 흐름을 최적화하기 위한 시스템 수준 통찰력을 제공하는 산업용 네트워크 연결, 기계 상태 모니터링을 가능하게 하고 자산의 작동 수명을 연장하기 위한 진동 및 충격 센서가 포함됩니다.