양호, 우수 그리고 최상의 동작 제어 프로파일

동작 제어는 모터의 성능 파라미터 및 원하는 목표에 최적으로 도달할 수 있는 부하를 제어하는 기술이자 예술입니다. 이 단순한 문장에는 위치, 속도, 가속도 또는 변화율(가속에서의 변화) 중 어떤 파라미터 속성(또는 속성들)을 제어하고자 하는가 등의 다양한 의미가 포함되어 있습니다. 정확한 위치 또는 속도를 달성하는 것이 주된 목표인가요? 원하는 수준의 정확도로 최대한 빨리 목표를 달성하는 것이 최적의 솔루션이라고 생각하시나요? 오버슈트나 부하의 변화는 어떤가요? 전력 효율이나, 스톨과 같은 어쩔 수 없는 고장에 대해 생각해 보셨나요?

이러한 목표들은 보통 일정 부분 상충되기 때문에 목표를 모두 달성하기란 쉽지 않습니다. 이는 거의 모터에 있는 모션 컨트롤러의 기능이 담당하는 것으로, 이 컨트롤러는 제어 시스템의 '두뇌'의 역할을 함으로써 응용 제품의 목적에 맞춰 설계되고 조정된 알고리즘을 구현합니다. 더불어 이 알고리즘은 여러 다른 조건 중 모터 유형(스테퍼, 브러시, 브러시리스 DC(BLDC) 또는 AC)을 고려해야 합니다. 또한 부하의 특성(고체, 액체, 분말, 기어, 레일)과 연결 및 백래시도 고려해야 합니다.

컨트롤러는 모터 구동기와 함께 작동하며, 모터 구동기에는 MOFET과 같은 전원 장치가 있어 컨트롤러에서 지시하는 대로 모터로의 전류를 변조합니다. 이 두 가지 역할 사이에는 몇 가지 기능이 겹치는 부분이 있는데, 어떤 구동기는 기본적인 컨트롤러 성능을 갖추고 있으며 어떤 컨트롤러는 저전력 MOFET을 포함하고 있기 때문입니다.

양호한 프로파일로 시작하기

모터가 필요한 지점에 도달하도록 하는 확실한 방법은 단순히 전력을 '충분히 제공'하여 가능한 최대 속도로 모터를 가속시켜 해당 속도를 유지한 다음, 모터가 원하는 종단점 위치 또는 속도에 도달하면 멈추는 것입니다(그림 1).

그림 1: 모터 동작 관리를 위한 가장 간단하고 효과적인 방법은, 가능한 최대 속도로 모터를 가속시킨 다음 원하는 종단점에 도달할 때 갑자기 멈추는 것입니다. (이미지 출처: Trinamic Motion Control GmbH)

사다리꼴 프로파일이라고 불리는 이 방식은 유용하며 널리 사용되고 있지만, 다양한 응용 제품에서 사용될 수 있는 방법은 아닙니다. 예를 들어, 시작 및 멈춤으로의 전환에서 0부터 최대치로 가속되면서 결과적으로 발생되는 큰 변화율로 인해 고장이 발생하거나 액체가 튈 수 있습니다. 또한 실제 모터 및 그 부하는 순간적으로 멈출 수 없기 때문에, 허용 불가능한 오버슈트가 종종 발생하기도 합니다.

더 나은 프로파일 달성

일반적인 개선 방안은 시작과 실행 구간, 그리고 실행과 멈춤 구간 사이의 전환을 좀 더 부드럽게 만드는 것입니다. 이를 S커브 프로파일이라고 합니다(그림 2).

그림 2: S커브 프로파일은 멈춤과 실행 구간, 그리고 그 반대의 구간 사이에서 속도 전환 지점을 더욱 부드럽게 만듭니다. (이미지 출처: Trinamic Motion Control GmbH)

'S' 부분의 굴곡이 얼마나 급격하거나 완만해야 하는지, 그리고 전체 프로파일 내에서 얼마나 오래 지속되는지는 응용 제품, 부하, 그리고 다양한 성능적 목표 및 제약 조건 사이에서의 절충점의 균형에서 시스템이 선택해야 하는 우선순위에 따라 달라집니다.

또한 변화율을 반드시 최소화해야 하는 이유는, 변화율 값이 높으면 모션 프로파일의 스펙트럼에 더 많은 주파수를 발생시키므로 부하의 진동을 유도하게 되며, 그 중에 하나 또는 다수가 시스템의 고유한 공진과 일치할 수도 있습니다. 실제 상황에서 이러한 진동은 불쾌한 잡음에서부터 해롭고 파괴적인 진동에 이르기까지 다양한 결과를 초래할 수 있습니다.

결과적으로, 더 단순하고 또한 원치 않은 오버슈트와 구별되는 그러한 모든 진동은 일반적으로 허용되지 않습니다.

'최상의' 프로파일을 위하여

기본 S커브는 효율적이긴 하지만 응용 제품에서 최적화된 모션 프로파일을 제공하지 못할 수도 있습니다. 그 이유는 모터의 역학, 부하로의 연결 및 부하 그 자체가 원래는 단순한 모션 모델을 대단히 복잡하게 만들기 때문입니다.

제어되는 모터의 유형에 따라 그 복잡성은 더욱 증가됩니다. 또한 폐쇄 루프 제어를 위해 피드백 센서를 추가하면 더 높은 정밀성과 더 빠른 응답을 기대할 수 있지만, 이러한 작업을 위해서는 비례 적분 미분(PID) 알고리즘과 같은 더 앞선 제어 전략을 사용해야 합니다.

S커브를 제공하기 위한 하나의 옵션이자 보다 고급의 제어는 더욱 향상된 수식 처리 성능의 마이크로 프로세서를 사용하여 실시간으로 필요한 방정식을 구현하는 것이며, 이는 동작 제어를 중점으로 하는 기타 통합 하드웨어 기능 및 특징으로 지원됩니다. 이와 같이 응용 제품에 최적화된 프로세서는 동작 제어 소프트웨어를 실행할 수 있으며, 보통 프로세서 판매자를 통해 제공됩니다.

예를 들어, Texas Instruments C2000 제품군은 이러한 응용 제품에서의 사용을 위한 것으로 F28M35H52C1RFPS, 100MHz에서 실행되는 32비트 이중 코어 프로세서가 있는 C28x/ARM Cortex-M3 계열 마이크로 컨트롤러를 포함하며, 512Kbytes의 플래시 메모리, 2Kbytes의 RAM 및 여러 통신 포트가 지원됩니다.

프로세서는 알고리즘을 응용 제품에 알맞게 맞춤화하는 솔루션 중 일부일 뿐이며, Texas Instruments에서는 C2000 기반 동작 제어를 위해 두 가지 다른 방법을 제공합니다. 디지털 동작 제어(DMC) 라이브러리는 여러 해 동안 제작된 모터 제어 소프트웨어 빌딩 블록의 광범위한 세트로, 사용자가 스스로 최적의 제어 루프 튜닝을 개발할 것으로 가정합니다. 이 라이브러리에는 하드웨어 평가 모듈에서 이용 가능한 기준 시스템 예시가 제공되어, 숙련된 동작 제어 엔지니어는 이를 사용하여 작업을 시작할 수 있습니다.

반면에 동작 제어에 대한 경험이 많지 않은 설계자는 TI의 InstaSPIN 동작 제어 솔루션을 사용하면 고성능 알고리즘에 액세스하는 동시에 고급 솔루션을 개발하면서 경험하게 되는 많은 실제적인 문제를 단순화할 수 있습니다. 자동화된 자체 튜닝 기능도 포함되어, 사용자 최적화된 튜닝보다는 품질이 낮을 수 있으나 응용 제품에는 충분할 수 있습니다.

어떤 판매자는 독립형 IC 및 완전한 PC 기판 모듈과, 정교한 동작 제어 알고리즘으로 완전히 사전 프로그래밍되어 있으면서도 사용자가 주요 파라미터를 설정하고 맞춤형 프로파일을 제공할 수 있는 관련 모터 구동기를 일반적으로 함께 제공합니다. 적합한 예로는 Trinamic 동작 제어 GmbH TMC5041-EVAL 개발 기판에서의 스테퍼 전력 관리를 위한 TMC5041-LA-T 이중 컨트롤러/구동기가 있습니다(그림 3).

그림 3: 여기에 표시된 TMC5041-EVAL 평가 기판의 스테퍼 전력 관리를 위한 TMC5041 이중 컨트롤러/구동기는 정교한 내장형 동작 제어 알고리즘 및 기능을 포함하며 주요 작동 파라미터의 사용자 프로그래밍 기능을 지원합니다. (이미지 출처: Trinamic Motion Control GmbH)

TMC5041에는 고급 스테퍼 모터 구동기에서 자동 대상 위치 확인을 위한 유연성 높은 램프 발생기와 같은 기능이 포함되며, 최대 효율 및 최고의 모터 토크와 함께 완전한 무소음 작동을 제공합니다. 또 다른 사전 프로그래밍된 기능 중에는 가속과 감속으로 인한 모터의 백 기전력(백 EMF)의 변형을 위한 기능으로, 더 빠른 조정이 필요할 수 있는 부분입니다. 이를 통해 사용자는 가능한 가장 빠른 가속 및 감속 램프를 위해 관련 설정(PWM_GRAD로 지정됨)을 조정하고 최적화할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: TMC5041의 정밀성 수준은 가장 빠른 가속 및 감속을 보장하기 위한 전류 구동값의 사용자 지정 설정을 제공함으로써, 그리고 그에 상응하는 우수한 성능 및 최소화된 오버슈트를 통해 보여집니다. (이미지 출처: Trinamic Motion Control GmbH)

결론

효율적인 동작 제어와 프로파일 관리를 위해서는 위치, 속도 및 가속이라는 절충점 사이에서의 균형이 잘 이루어짐과 동시에 정확성과 우수한 성능이 제공되어야 합니다. 정밀한 모션 컨트롤러를 사용하여 모터를 구동하는 전류 및 전압을 위한 주요 파라미터를 설정하면, 탁월한 정확성 및 정밀성과 빠른 응답을 동시에 실현할 수 있습니다.

모션 컨트롤러는 고성능 마이크로 프로세서에서 실행되는 알고리즘을 통해, 또는 내장형 펌웨어로 사전 프로그래밍된 전용 장치에서 구현될 수 있으며, 이를 통해 사용자가 작업 지점을 조정하고 튜닝하여 더 발전된 성능을 달성할 수 있습니다.

추천 자료

1: Digital Motor Control Methodology for C2000™ Real-Time Control Microcontrollers(C2000™ 실시간 제어 마이크로 컨트롤러를 위한 디지털 동작 제어 방법론)

https://www.digikey.com/en/articles/digital-motor-control-methodology-for-c2000-real-time-control-microcontrollers

2: 정밀한 동작 제어를 위해 BLDC 및 PMS 모터를 탑재한 센서리스 벡터 제어 사용

https://www.digikey.com/en/articles/use-sensorless-vector-control-with-bldc-and-pms-motors

3: Use Specialized MCUs to Simplify Motion-Control Design(동작 제어 설계 단순화를 위한 특수 MCU 사용)

https://www.digikey.com/en/articles/use-specialized-mcus-to-simplify-motion-control-design

4: Control for Advanced Motion(고급 동작 제어)

https://www.digikey.com/en/articles/control-for-advanced-motion