서보 기반의 모션제어 시스템 성능 개선을 위한 과학적 고려 사항

Yaskawa

프로세스 세분화

자동화 애플리케이션에서는 항상 생산량을 늘리기를 원한다, 때로는 개선을 이루기 위해서 프로세스를 근본적인 기초사항으로 세분해야 한다. 비효율적인 부분을 없애려고 할 땐 서보 기반의 모션제어 시스템 기술에 대한 과학을 고려해야 한다.

검토할 4가지 기본요소는 다음과 같다.
• 관성 • 공진 • 진동 억제 • 재생성

1. 관성

관성은 서보 시스템의 사이징, 선정, 그리고 튜닝 과정에서 매우 중요하다. 고성능 애플리케이션은, 모터의 로터 관성에 대한 반사 부하 관성의 비율이 낮은 시스템으로 설계하는 것이 중요하다. 부하 관성은 변속기를 통해 ‘반영’된다. 변속기와 벨트 및 풀리 설계에서는 이 비율의 제곱으로 감소된다. 비율이 너무 높으면 튜닝 게인이 증가함에 따라 서보 시스템이 금세 불안정해진다. 시스템은 게인을 낮춰도 정지할 때 귀중한 공정 시간을 낭비할 가능성이 높다. 적절한 관성비로 설계하면 튜닝 게인이 높아져서 안정 시간이 짧아지고 이동 시간이 빨라진다.

2. 공진

서보 기술이 발전함에 따라 서보 루프가 작동하는 속도가 빨라진다. 대역폭 안에서 작동속도가 증가하는 것은 외란에 대해 더 빠른 응답을 가능하게 한다. 그러나 기계에서 더 높은 기구적인 발진 주파수를 발생시킬 수도 있다. 모든 기계에는 자연 공진 주파수가 있다. 기계가 이 주파수에서 또는 그 근처에서 흔들리면, 다음 진동에서 더 큰 진폭으로 응답하게 된다. 만약 확인 없이 내버려두면 심한 진동과 기계를 손상하는 결과로 이어진다.

비용을 절감하기 위해서 많은 기계가 자연 주파수를 낮출 수 있는 덜 견고한 재료와 공법을 사용해 제작된다. 서보 시스템의 반응성이 높아짐에 따라 주파수를 자극할 수 있다. 이점이 노치 필터가 서보 시스템에서 중요한 부분이 되는 이유이다(그림 2 참조). 노치 필터는 파라미터 ‘notch’로 변경하거나 피드백 루프에서 주파수를 잘라내서 서보 시스템 때문에 증폭되지 않도록 조정할 수 있다. 현대의 서보는 노치가 필요할 수 있는 여러 고조파가 있을 수 있으므로, 노치 필터 여러 개를 갖는 것이 중요하다. 이 주파수를 노칭(notching)하면 튜닝 게인을 높일 수 있고 높은 생산 속도를 얻을 수 있다.

3. 진동 억제

빠르고 정확한 움직임을 수행할 때 메커니즘의 안정 시간은 난폭한 진동을 유발하지 않더라도 생산에 타격을 줄 수 있다. 긴 엔드 이펙터(end effector)는 움직임 끝에 있는 팔 끝부분에 진동이 느껴지는 것이 일반적이다. 현대식 서보 시스템은 일반적으로 진동 억제라고 알려진 특징을 갖고 있다. 이는 진동을 감지해 대칭 신호를 서보 루프에 주입해서 진동을 크게 줄이고 제거할 수 있다. 진동을 크게 줄이면 안정 시간이 최소화되고 생산 속도가 크게 높아질 수 있다.

4. 재생성

일반적으로 모터와 발전기의 전기 설계는 같다. 모터는 전류가 권선에 주입되고 샤프트가 회전한다. 샤프트가 대신 회전하면 모터 권선에 전류가 흐르게 된다. 이것은 모두 움직이는 자기장에서 전도성 물질의 물리적 특성 때문이다. 모터가 서보 시스템의 앰프로 에너지를 재생성할 때 문제가 발생할 수 있다. 높은 관성 부하를 신속히 멈추거나, 수직 운동을 하는 애플리케이션은 과도하게 재생성할 수 있는 시스템의 예시이다. 모터의 토크와 회전 방향이 반대가 될 때마다 모터는 에너지를 앰프로 재생성한다. 수직 애플리케이션에서 중력의 일정한 당김은 카운터 밸런스와 상쇄될 수 있다. 이는 부하 관성을 증가시킨다.

그러나 관성비가 적절하게 설계되면 과도한 재생성을 제거하는 매우 효과적인 해결책이 될 수 있다. 설계자가 과도한 에너지 생성에 대한 설계 방법을 못 찾으면 다른 방법으로 처리해야 한다.대부분의 앰프는 내부 ​​커패시터(capacitor) 또는 저항으로 일부 재생성 에너지를 처리​​할 수 ​​있다. 내부 용량이 초과되면 외부 저항을 추가하거나, 전원을 다시 AC로 변환해 전력선으로 되돌릴 수 있는 장치 사용과 같은 외부 수단을 사용해야 한다. 이 유형의 장치는 과도한 에너지를 여러 축에 대해 동시에 변환할 수 있다. 또한 서보가 동일한 버스의 다른 서보에서 재생된 에너지를 사용할 수 있도록 돕는 공통 버스 서보 해결책이 있다. 재생 문제를 해결하면 더 빠른 감속이 가능하므로 이동 시간이 빨라지고 생산량이 는다.

자료 제공 : Yaskawa(www.yaskawa.com)