EtherCAT 기반 제어시스템의 올바른 작동모드 선택 방법

올바른 작동 모드를 선택 하는 것은 매우 복잡하다. 각 모드는 운영 체제와 마스 터의 처리 능력에 대한 요구 사항이 다르기 때문이다. 동적으로 변화하는 부하, 사용자 지정 제어 루프 알고 리즘, 즉석 궤적 변경의 필요성과 같은 애플리케이션 문제도 모드 선택에서 중요한 역할을 한다.


작업 계층

아래 차트는 모션 제어 시스템의 작업 계층을 나타낸 다. 작업자 인터페이스, 머신 시퀀서 및 모션 태스크는 마스터에 위치하며, 모터 종속 서보 루프는 서보 드라 이브에 위치한다. Load Dependent Servo Task의 위 치(마스터 또는 서보 드라이브)는 EtherCAT 작동 모 드 선택의 핵심이다. 정도는 덜하지만 경로 플래너 위 치도 모드 선택에서 역할을 한다.

 

분산 및 중앙 집중식 제어

단순화를 위해 기계의 동작 모드에 초점을 둔다. 오른 쪽 <표2>는 세 가지 기본 구성의 작업 할당을 보여준다. 고성능 시스템의 경우 중앙 집중식 제어(Centralized Control) 및 분산 제 어(Distributed Control)가 선호된다.

이 두 구현 모두에서 중앙 경로 플래너 는 각 서보 드라이브에 대한 궤적을 생성한다. 로컬 서보 드라이브 경로 플래 너(느슨하게 결합됨)를 사용한 분산 제어는 주로 다른 축과 밀접하게 조정되 지 않은 독립형 축에 사용된다. 여기서 초점은 긴밀하게 결합된 구현에 있다.

위치 및 속도 루프는 상대적으로 계산 집약적이다. 특히 축 수가 많은 경우 이러한 작업을 서보 드라이브에 분배하여 마스터 계산 부담을 줄이는 것이 매우 효율적이다. 위치 루프 샘플링 기간은 현재 루프보다 느리므로(일반적 으로 1msec 대 100μsec), 분산 제어에서 서보 드라이브는 마스터에 대한 요 구와 네트워크 속도를 더 적게 업데이트해야 한다.

분산 제어는 광범위한 애플리케이션의 요구를 충족한다. 부하 종속 서보 루프의 게인이 동적으로 변경되어야 하는 경우 중앙 집중식 제어가 선호된 다. 이것은 팔이 확장됨에 따라 변화하는 하중을 경험하는 로봇 팔의 경우에 종종 발생한다. 게인 변경의 필요성은 위치 종속 게인 스케줄링 조회 테이블 을 통해 분산 제어에서 처리할 수 있지만 중앙 집중식 제어는 보다 유연한 솔 루션이다. 중앙 집중식 제어의 또 다른 장점은 마스터에서 맞춤형 제어 알고 리즘을 구현할 수 있는 유연성이다.

언급한 바와 같이 중앙 집중식 제어에서 마스터는 매우 빠른 속도로 서보 드 라이브 전류 루프를 업데이트해야 한다. 주요 결과는 실시간 운영체제(RTOS) 가 거의 확실하게 요구되어 비용과 복잡성이 증가한다는 것이다. 또 다른 중요한 고려 사항은 네트워크 대기 시간이다. 마스터는 현재 명령 업데 이트를 생성하기 전에 네트워크를 통해 위치를 읽어야 하다. 후속 네트워크 지연은 서보 성능을 저하시킬 수 있다.

오늘날 일반적으로 구현되지 않는 레거시 하이브리드 아키텍 처는 위치 루프를 마스터에 배치하고 속도 및 전류 루프를 서보 드라이브에 배치한다. 이 솔루션은 서보 드라이브가 모션 컨트롤 러의 아날로그 속도 명령으로 제어되던 때로 거슬러 올라간다. 아 키텍처는 분산 및 중앙 집중식 제어로 대체되었다.


서보 드라이브 버퍼링 및 보간

서보 드라이브의 버퍼링 및 보간은 마스터의 실시간 부담을 줄이 기 위한 두 가지 기술이다. 예를 들어 궤적 위치 지점을 미리 계산 하여 각 드라이브에 저장할 수 있다. 운영 체제의 대기 시간을 수 용하기 위해 충분한 수의 포인트를 버퍼링 할 수 있다. 이 기술의 단점은 궤적을 동적으로 변경해야 하는 경우 버퍼를 비우고 새 경 로로 다시 채워야 한다는 것이다. 이것의 전형적인 예는 코봇 장 애물 회피이다.

많은 서보 드라이브에는 선형 또는 다항식(큐빅/퀀틱 스플라 인) 보간기가 있다. 이는 루프 업데이트 속도가 빠른 서보에 특히 유용하다. 예를 들어 고성능 드라이브의 위치 루프 샘플링 시간은 40µsec이다. 다축 구성의 경우 이 속도로 명령된 위치를 업데이 트하면 마스터에 큰 부담이 된다. 마스터가 매 msec마다 서보 드 라이브 보간기에 위치 포인트를 공급하는 것이 더 효율적이다. 보 간기는 차례로 샘플링 속도로 서보 루프에 대한 위치 명령을 업데이트한다.


서보 드라이브 동기화

EtherCAT의 기본 작동 모드는 사전 정의된 주기 시간으로 주 기적인 데이터 전송을 포함한다. 이 주기에 서보 드라이브를 동 기화하는 방법에는 두 가지가 있다. 둘 다 드라이브에 상주하는 EtherCAT 서보 드라이브 컨트롤러(ESC) 하드웨어를 사용한다.

▶ 동기화 관리자 이벤트 모드: ESC는 마스터 데이터가 수신되면 드라이브 프로세서에 대한 인터럽트를 생성한다. 서보 드라이 브의 로컬 사이클은 인터럽트 이벤트에 의해 트리거된다.

▶ SYNC0 동기화 모드: 서보 드라이브는 미리 정의된 수의 로컬 클 럭 사이클에서 발생하도록 구성된 ESC SYNC0 펄스 이후에 데이 터를 샘플링 한다. 네트워크의 모든 시계는 시작 시 동기화된다.

마스터는 일반적으로 서보 드라이브의 실시간 성능이 없을 수 있 는 복잡한 PC 운영 체제에서 실행된다. 마스터가 보내는 데이터에 타이밍 지터가 있을 수 있다. SYNC0 동기화 모드로 문제를 해결할 수 있다.

이 모드에서 마스터는 데이터가 SYNC0 신호 전에 수신되 도록 충분히 일찍 서보 드라이브에 데이터를 전송하여 최악의 지 터를 보상할 수 있다. 서보 드라이브는 SYNC0이 발생할 때까지 수 신된 프로세스 데이터를 사용하지 않으므로 마스터에서 타이밍 지터가 있어도 시스템이 동기화된 상태를 유지할 수 있다.


EtherCAT을 통한 CANopen(CoE)

CANopen은 자동화에 사용되는 임베디드 시스템용 통신 프로토 콜이다. CAN in Automation(CiA)에 의해 관리된다. CANopen은 다양한 유형의 장치(서보 드라이브, I/O 모듈 등)에 대한 특정 프 로필을 정의한다. CoE를 통해 전체 CANopen 프로필 제품군을 훨 씬 더 빠른 EtherCAT 네트워크에서 활용할 수 있다. CiA DS402는 서보 드라이브용 장치 프로필이며 사용 가능한 작동 모드를 정의 한다.


실시간 통신 및 구성

DS402는 또한 두 가지 통신 방법을 정의한다. 두 방법 모두 서보 드라이브의 객체 사전을 통해 통신한다. 개체 사전은 단순히 서보 드라이브와 마스터 모두에서 액세스할 수 있는 메모리 블록이다. 객체의 예로는 실제 전류(상태), 대상 위치(명령), 전류 루프 비례 이득(파라미터)이 있다.

▶ 서비스 데이터 개체(SDO): SDO는 전원을 켠 후 드라이브 구성, PDO 매핑(다음 섹션 참조) 및 간헐적인 낮은 우선순위 통신에 사용된다. SDO는 쓰기 또는 읽기를 위해 객체 사전의 특정 매 개변수를 처리한다. SDO 통신에는 마스터와 서보 드라이브 간 의 핸드쉐이킹(요청/확인)이 포함된다.

▶ 프로세스 데이터 객체(PDO): PDO는 실시간 통신을 위한 것이 다. 최대 실시간 효율성을 위한 핸드 셰이킹이 없다. PDO는 개 체 사전의 매개변수를 직접 처리하지 않으므로 효율성이 더욱 향상된다. 대신 PDO는 식별자와 데이터를 전달한다. 특정 식 별자에 대한 데이터는 네트워크 초기화 단계에서 객체 사전의 특정 매개변수에 매핑된다(SDO를 통해). 기본 아이디어는 송 신기와 수신기 모두 PDO 콘텐츠가 해석되는 방식을 미리 알고 있다는 것이다.

PDO의 데이터 콘텐츠는 유연하고 구성 가능하다. 실제로 드라이 브 제조업체는 특정 PDO를 특정 작동 모드 전용으로 지정하는 경 우가 많다. 구성 가능한 PDO가 제공되는 경우 PDO 데이터에 포 함될 수 있는 매개변수는 사전에 있는 개체의 하위 집합으로 제한 된다. 서보 게인은 일반적으로 하위 집합에 포함되지 않으므로 실 시간 게인 설정이 불가능할 수 있다. PDO는 모든 EtherCAT 작동 모드에서 사용된다.


CST, 주기적 동기식 토크 모드

CST는 중앙 집중식 제어를 위한 기본 모드이다. 마스터는 부하 종속 서보 루프를 닫고 전류(토크) 명령을 서보 드라이브에 보낸 다. 전류 루프 업데이트 속도가 매우 빠른 드라이브는 아래 그림 과 같이 보간법을 사용하여 마스터와 네트워크의 부담을 줄일 수 있다. 명령된 전류는 현재 벡터의 구적(Q) 토크 생성 구성 요소이 다. 드라이브는 최적의 자기장 정렬을 위해 Direct(D) 구성 요소 를 0으로 서보한다. 일부 인버터는 더 빠른 속도를 위해 약화 계 자법을 사용하는 경우 D 및 Q 전류 명령을 모두 수용할 수 있는 옵션이 있다.

장점: 부하 종속 서보 루프 게인의 실시간 조정을 위한 최대 유연 성, 맞춤형 부하 종속 서보 루프 알고리즘을 구현하는 기능
단점: 일반적으로 마스터 RTOS가 필요함, 마스터 계산 부담 증가, 빠른 드라이브 업데이트 속도, 잠재적인 서보 성능 감소


CSP, 순환 동기 위치 모드

CSP는 분산 제어의 기본 모드이다. 마스터 경로 플래너는 서보 드라이브 위치 루프 샘플링 시간과 동일한(또는 정수배) 주기적인 속도로 궤적 지점을 생성한다. 모든 서보 루프는 서보 드라이 브에서 닫힌다. 루프 사이에 네트워크 지연이 없으므로 최적의 튜 닝이 가능하다. 샘플링 시간이 매우 빠른 일부 드라이브는 포인트 버퍼링과 샘플링 시간보다 느린 속도로 전송되는 포인트 간 보간 을 허용한다.

장점: 최고의 서보 성능, 버퍼 및 보간에 대한 유연성으로 마스터 및 통신 부담 감소
단점: 부하에 따라 달라지는 서보 루프 게인의 실시간 조정이 필 요한 애플리케이션에 적합하지 않음, 맞춤형 루프 아키텍처는 일반적으로 불가능


PVT, 위치·속도·시간 모드

비주기적 분산 제어 모드인 PVT는 네트워크 속도에 대한 부담을 최소화하기 때문에 CANopen 기반 애플리케이션에서 자주 사용 된다. PVT 모드는 훨씬 더 빠른 EtherCAT 시스템인 CSP에서 덜 사용된다.

잠재적으로 더 긴밀한 동기화를 위해 선호되는 모드이다. PVT 모 드에서 마스터는 서보 드라이브에 버퍼링되는 위치, 속도, 시간 벡터를 생성한다. 서보 드라이브는 최적 곡선을 생성하기 위해 다 항식 보간을 수행한다. 특히 직선 세그먼트의 경우 몇 개의 PVT 벡터만 필요하다.

장점: 마스터 운영 체제의 네트워크 및 실시간 기능에 대한 요구 를 최소화한다.
단점: 버퍼링이 필요하므로 실시간 경로 변경에 덜 반응하고 곡선 맞춤으로 인해 다축 경로가 덜 정확할 수 있다.


PP, 프로필 위치 모드

PP 모드는 서보 드라이브의 내부 프로필 생성기를 사용한다. Servo Drive는 사다리꼴 또는 S-곡선 프로파일로 구성할 수 있 다. 마스터는 이동 거리, 속도, 가속, 감속 및 저크를 지정한다. 이 동이 완료되기 전에 대상 위치를 업데이트하여 복합 이동 프로필 을 생성할 수 있다. PP 모드는 조정된 세트의 일부가 아닌 독립 실 행형 축에 주로 사용된다.

장점: 마스터 운영 체제의 네트워크 및 실시간 기능에 대한 요구가 매우 낮음.
단점: 긴밀하게 조정된 다축 모션을 위한 솔루션이 아님


CSV, 순환 동기 속도 모드

CSV 모드는 주로 AGV, 스핀들 및 전자 기어 웹 라인과 같은 애 플리케이션에서 속도 제어에 사용된다. 마스터는 서보 드라이브 속도 루프에 대한 명령을 생성한다. 고속 루프 업데이트 속도가 있는 서보 드라이브는 종종 아래 그림과 같이 보간 기능이 있다. CSV 모드는 마스터의 위치 루프와 드라이브의 속도 및 전류 루프 가 있는 하이브리드 아키텍처에서 사용할 수 있다. 하이브리드 아 키텍처는 속도 제어를 위한 CSV가 논의된 위치 제어 모드와 적절 하게 비교되지 않기 때문에 아래 장단점에 사용된다.

장점: 마스터의 계산 부담 중 일부를 서보 드라이브로 분산, 네트 워크 부담 감소
단점: 실시간 속도 루프 게인 변경이 필요한 동적으로 변경되는 부하에 적합하지 않음


자료제공: CeleraMotion (www.celeramotion.com)