EtherCATⓇ을 활용한 모션 제어 시스템 운영 기술

ADVANCED Motion Controls

개요

EtherCAT^Ⓡ은 모션이나 제어 시스템 아키텍처의 진화, 다수의 축, 단순 시스템을 실현하는 데 새로운 이점을 제공한다. OEM은 개발을 가속화하고 비용을 줄이는 여러 선택 사항으로, 자연스럽게 특정 아키텍처에 집중한다. 기계 시스템이나 주로 모션 제어는 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 표준화된다.

강조

소제목들은 네트워크 연결된 모션 제어 애플리케이션의 상승과 수용뿐만 아니라 정체 이유에 대해 설명한다. EtherCAT 기반 시스템이 제공하는 것과 같은 서보 솔루션에 대한 수요는 매우 빠르게 증가할 것이며, 구현 시스템 비용은 줄어들 것이다.

서보 드라이브 기술은 전력 밀도를 계속해서 높여 크기를 줄인다. 이는 하드웨어 비용뿐만 아니라 별도의 하우징 인클로저와 배선 복잡성의 필요성에 대한 추가 혜택을 제공한다. 저렴한 비용으로 더 나은 해결책을 제공한다.

모션 제어 솔루션 유형의 차별화

모션 제어 솔루션은 다양하며, 보통 다음의 요소에 따른다. 첫째, 애플리케이션을 충분히 만족시키는 데 필요한 동작 유형. 둘째, 애플리케이션이 작동 중인 기계/장비. 마지막으로, 지역적으로나 세계적으로, 애플리케이션의 다른 장비나 인력과 상호 운용할 가능성이다.

기존에는 서보 기반 모션 제어 시스템은 중앙 집중식과 분산형, 두 유형으로 분류되었다. 초기에는 하나의 모션 컨트롤 방법만 있었다. 아직까지도 그것이 일반적이지만, 분산 제어로 전환도 늘고 있다. 그것의 혁신적인 설계는 디지털 네트워크의 출현에 직접적인 공이 있다.

중앙 집중식 제어 시스템에서 컨트롤러는 모션과 기계 제어를 담당한다. 모션 프로파일링이나 계획은 각 해당 드라이브에 +/- 10V의 명령을 생성해 모든 축의 궤적을 계산하여 처리한다. 시스템 내에서 필요한 모든 I/O와 이벤트 처리는 동작과 함께 이뤄진다. 이 유형의 모션 컨트롤 솔루션은 전용 모션 컨트롤 카드에 포함되어, 대개 비표준 특정 프로그래밍 언어를 나타낸다.

드라이브는 보통 애플리케이션 방향에 따라 적절한 모터 토크나 힘을 제공하기 위해 전류 모드에서 작동한다. 그러나 서보 드라이브의 전류 루프는 일반적으로 50μsec 이상에 ‘폐쇠’된다. 따라서 컨트롤러는 매끄러운 성능 유지를 위해 적어도 두 번의 전류 루프 폐쇄 당 한 번, 혹은 100μsec당 한 번 궤도 명령을 보내야 한다.

해당 축 수에 따라 서보 루프를 업데이트하면 DSP의 처리 능력에 대한 부담이 커진다. 당면한 일 중 하나로, 특정 모션을 지시하는 복잡한 프로그램이 실행되는 동안, 컨트롤러는 모든 축 속도와 위치, I/O 작업을 고려하며, 궤적을 피드백과 비교해 프로파일 이동을 업데이트한다.

단지 확장성 때문에 많은 애플리케이션이 다루기 어렵게 된다. 컨트롤러의 DSP는 모든 모든 가능성을 고려하며, 그에 따라 가격을 책정해야 한다. 이러한 한계로, 더 나은 해결책이 필요하다.
모션은 분산 제어로 진화한다. 이 시스템에서 컨트롤러는 모션 프로파일링과 계획뿐 아니라 관련 I/O에 집중한다. 모든 모션 유형을 기술하는 포괄적인 명령 구조를 가진 CANopen과 같이, 기존의 개방형 표준을 쉽게 쓸 수 있는 네트워크를 통해 명령어 생성이 다소 단순하다. 또한 모션 명령은 드라이브가 속도나 위치 루프의 내부적 결합 때문에 덜 복잡하다. DSP가 드라이브에 통합 설계되었으므로 서보 루프도 이미 결합되었다.

장점은 드라이브 별로 각 축 궤도를 계산하여 네트워크 트래픽이 감소된다는 것이다. 많은 운영 모드로 컨트롤러나 드라이브 단계에서 유연성을 높여 컨트롤러 성능을 향상하고 다른 작업 처리 능력을 확보할 수 있다. 주 제어 장치는 CANopen 컨트롤러와 같은 통신 마스터로, 기계의 기능을 고려한 주 프로그램이 모션과 I/O 기능을 수행한다. 그러나 통신 속도가 특정 동작과 기계 요구 사항을 제한할 수 있으므로 몇 가지 제한이 있다. 결정론적으로 시스템은 만들 수 있어도, 단순한 공작 기계로는 수요에 맞는 역량에 도달하기 어렵다.

EtherCAT을 통한 모션 컨트롤의 시대

EtherCAT는 기계 제어는 중앙 집중화하고, 모션 제어는 분산하는 가장 진화된 장치이다. 또한 각각의 장점을 결합한다.
사실 EtherCAT에 대한 CANopen은 쉽게 구현되며 점점 더 많은 관심을 얻고 있다. EtherCAT 인터페이스는 전 세계 하드웨어 표준인 이더넷을 토대로 하며, 비용도 가장 적게 든다. 네트워크에 마스터가 있어도 필요하면 수천 개의 I/O 포인트를 포함하여, 설정이 훨씬 쉽다. 또한 한 축에서 수백 축까지 완벽하게 확장할 수 있다.

EtherCAT을 통한 성능 구현

EtherCAT은 이더넷 프레임을 '즉시 처리'하는 이더넷 기반 해결책이다(그림 1).
이는 데이터 패킷이 모든 노드에서 더 이상 지연되지 않으므로 이더넷의 시스템 한계를 극복한다. 패킷은 다음 장치로 전달되는 동안 각 슬레이브 노드에서 처리된다. 마찬가지로 입력 데이터는 프레임이 통과하는 동안 삽입되기 때문에 불과 수 nsec만 지연된다. 성능은 유지될 뿐만 아니라 크게 향상된다.

마스터 컨트롤러의 데이터 전송은 직접 메모리 액세스(DMA)로 이뤄진다. 따라서 네트워크 액세스하는 데 프로세서 용량이 소모되지 않는다. EtherCAT 프로토콜은 기준을 다시 정의하지 않고 이더넷 프레임 안에서 직접 제어 데이터를 전송할 수 있게 한다.

프레임은 여러 부분으로 구성되며, 각 부분은 최대 4GB까지 논리적 프로세스의 특정 메모리 영역을 제공한다. 가장 중요한 점은 데이터 시퀀스는 물리적 순서가 아니므로 노드 어드레싱(addressing)은 어떤 순서로도 가능하다.

EtherCAT 네트워크 구성은 유연하며 거의 모든 토폴로지를 지원한다. 라인, 트리, 스타나 각각의 변형(스텁이나 분기 형성)은 문제가 되지 않는다(그림 2). 장치 사이 케이블 길이는 최대 100m이며 네트워크 크기는 거의 무제한이다(최대 65,535개의 장치를 연결할 수 있음).

또한 서보 드라이브(슬레이브) 사이의 브로드캐스트(Broadcast)나 멀티 캐스트와 직접 통신할 수도 있다. EtherCAT 구성 요소는 마스터 컨트롤러와 똑같은 서브넷에서 작동한다. 제어 소프트웨어가 이더넷 컨트롤러에 직접 액세스하는 경우 이더넷 프레임 내에서 직접 전송한다. 많은 시스템 변형이 생길 수 있으며 EtherCAT 네트워크 자체의 응답 시간은 거의 제한되지 않는다.
EtherCAT 데이터 교환은 '마스터 타임키퍼(master timekeeper)'를 바탕으로 하는 완벽한 하드웨어이다. 이 마스터키는 네트워크 상의 노드 클록으로 선택할 수 있으며 반드시 컨트롤러일 필요는 없다.

그 외 모든 것은 시스템 내의 ‘로컬’ 클록(슬레이브 노드)이 된다. 통신은 완전 이중 이더넷 물리적 링 구조(a full duplex Ethernet physical ring structure)를 쓴다. 분배된 클록은 설정된 값을 바탕으로 조정되므로 각 클록은 다른 클록 런 타임 오프셋을 간단하고 정확히 결정할 수 있다. 이 기반은 1μsec 미만의 정확도를 가가진 매우 정확한 네트워크를 넘어선 시간 축을 가진 지터(jitter)를 제공한다.

EtherCAT이 다른 네트워크보다 우선하는 또 다른 요인은 ‘핫 커넥트(hot connect)’이다(그림 3). 이 기능은 네트워크의 일부가 작동하면서 링크나 디커플링, 재구동을 한다. 작동 중에 I/O 구성을 변경해야 하는 경우, 즉 지능형 유연한 공작물 캐리어가 있는 센서 장착 공구 시스템과 이송 장치가 있을 수 있다. EtherCAT의 프로토콜 구조는 구성 변경을 설명한다.

정확한 동기화는 광범위하게 분산된 프로세스가 동시에 작업해야 할 때 특히 중요하다. 여러 서보 축으로 동시에 조정되는 애플리케이션, 즉 연속 웹 인쇄나 웹 라인 처리의 경우, 동기화는 예상 성능에 대한 최소한의 요구 사항이다. 이와 반대로 ‘완전 동기 전용’ 시스템에서는 통신 오류 시 즉시 품질에 문제가 발생한다. 반면 분산 정렬된 클록은 통신 네트워크 시스템에서 잠재적인 오류 관련 지연으로 인한 허용 수준이 높다.

EtherCAT의 새로 확장된 데이터 유형(타임 스탬프 데이터 유형, 오버 샘플링 데이터 유형)은 최대 10nsec의 분해능으로 측정값에 연결되는 로컬 시간을 제공한다.
예를 들어 제어 시스템은 차례로 측정된 위치에서 속도를 자주 계산한다. 샘플링 시간이 매우 짧으면, 작은 양의 지터라도 속도에 큰 변화를 가져올 수 있다. 속도 계산의 정확성은 이제 더 이상 네트워크 통신 지터와 등급에 의존하지 않는다.

다시 말해, 거의 모든 서보 애플리케이션은 위와 같은 사항으로 기존의 요구 사항을 넘어서게 된다.
따라서 EtherCAT은 다른 네트워크에서는 실현되지 않는 네트워크 성능을 구현한다. 제대로 구성된 완벽한 프로토콜 처리는 하드웨어 내에서 이뤄지므로 프로토콜 스택, CPU 성능, 소프트웨어 구현의 런타임(runtime)과는 독립적이다. 1,000개의 분산 I/O 포인트에 대한 업데이트 시간은 30μs에 불과하다.

단일 이더넷 프레임으로 최대 1,486 바이트의 프로세스 데이터를 교환할 수 있다. 이는 거의 12,000개의 디지털 입출력과 똑같다. 이 데이터양의 전송에는 300μs만 소요된다. 100 서보 축과의 통신은 단일 축에 대한 대부분의 중앙 집중식 제어 시스템보다 100 μs 더 빠르다. 이 시간 동안 모든 서보에 설정 값과 제어 데이터가 제공되고 실제 위치와 내부 드라이브 상태가 보고된다. 분산 클록 기술은 축이 1 μsec 미만의 편차로 동기화되도록 한다.

ETG(EtherCAT Technology Group) 조직은 이해 관계자가 네트워크를 구현하고 쓰게 해준다. EtherCAT은 개방형 국제 표준으로 통신 기술을 즉시 쓸 수 있고 오늘날 PC의 우수한 컴퓨팅 성능과 일치한다. 따라서 여러 가지 방법으로 시스템 구성/토폴로지에 배치할 수 있다.

또, 충분한 수의 I/O 포인트를 제공하여 기계와 모션 제어를 손쉽게 제공하는 데 필요한 많은 서보 축을 완벽하게 준수해야 한다. I/O는 대부분의 중앙 집중식 로컬 I/O 인터페이스보다 빠르게 처리된다. 서보 모션 제어 방법은 선택된 작동 모드나 프로파일에 관계없이 정확하고 매끄럽게 이루어진다.

향상된 모션 컨트롤^?은 EtherCAT을 통해 모션 컨트롤 시스템을 위한 새로운 해결책을 제공한다.

EtherCAT만큼이나 놀라운 기능인 ADVANCED Motion Controls는 새로운 차원의 추가 기능을 갖추었다. 시스템의 전반적인 유연성을 활용하고 잠재적인 성능을 극대화하여, 최근 DxM™ 혹은 DxI/O™ 역다중화 모션(demultiplexed Motion)과 I/O 기술을 도입했다.

이제 단일 EtherCAT 노드가 최대 4축 모션, 128 디지털 입력, 128 디지털 출력, 16 아날로그 입력, 8 아날로그 출력 또는 축당 70 입출력 포인트(그림 4) 조합을 수용할 수 있다.

서보 드라이브 자체는 가장 높은 설치 밀도와 넓은 출력 범위에서 쓸 수 있는 ‘Z-Drives(그림 5와 6)’로 알려진 임베디드, 플러그인 모듈 폼 팩터 제품군이다. 이러한 독보적인 성과로 비용은 크게 낮추고, 대량 OEM 생산을 가능하게 했다.

전형적으로 EtherCAT 시스템은 프레스 머신과 포장 라인, 제어 시스템 인클로저를 수용하는, 대규모 현장에 설치된 로봇 시스템과 같은 대형 기계에 장착됐다.
ADVANCED Motion Controls의 DxM™와 DxI/O™ 기술(그림 7, 그림 8)을 쓰면 워터 제트 커터, 라우터, 실험 자동화 장비, 생명 공학 처리 장비, 소형 모바일 로봇과 같은 소형 기계나 데스크탑 장비에 애플리케이션 해결법을 쓸 수 있다. 패널 공간이 좁거나 없는 경우에도 배선 절약으로 이점이 추가된다.

오늘날 EtherCAT 기술의 극도로 높은 성능은 다른 대부분의 필드 버스 시스템으로는 실현되지 못했던 제어 개념을 가능하게 한다. EtherCAT 기반 시스템은 이제 속도나 위치 프로파일링/제어뿐만 아니라 이전에는 불가능했던 대량의 서보 드라이브를 분산형으로 제어할 수 있다.

광대한 네트워크 대역폭으로 각 데이터 항목과 함께 상태 정보를 전송할 수 있다. 버스 시스템 전반의 트래픽은 더 이상 전체 통제 개념의 장애물이 아니다.
ADVANCED Motion Control의 중앙 집중식/분산형 하이브리드 제어와 낮은 비용, 신속한 구현 방식으로 EtherCAT은 이제 새로운 시장 영역을 아우르는 해결책이다.

자료 제공: ADVANCED Motion Controls(www.advanced.com)