서보 시스템의 위치 피드백 장치 선택시 고려해야 할 필수 요소

서보 시스템의 정밀도와 반응 속도는 위치 피드백 장치의 성능에 크게 좌우된다. 일부 피드백 장치는 생산성과 안전성을 획기적으로 높여주는 기능까지 갖추고 있어, 장치 선택에 신중을 기할 필요가 있다. 현재 사용 가능한 다양한 기술들을 정확히 이해한다 면, 각자의 애플리케이션에 가장 적합한 서보 시스템 위치 피드백 장치를 선택할 수 있다.

위치 피드백 장치란 무엇인가?
 

위치 피드백 장치는 모터의 기계적 출력이 정지된 부분에 대해 어느 위치에 있는지를 측정해 주는 장치다. 일반적인 회전형 모터에 서는 샤프트(축)나 로터의 위치를 모터 하우징이나 고정자에 대해 측정하며, 리니어 모터에서는 움직이는 코일의 위치를 고정된 자석 구조에 대해 측정한다. 이러한 위치 정보를 시간에 따라 분석하면 모션 속도는 물론 가속도까지 계산할 수 있다. 위치 피드백 장치는 다양한 아날로그 센서 기술에 기반한 여러종류가 있으며, 가장 흔한 감지 방식은 다음과 같다.

광학식 엔코더: Kollmorgen의 다회전 절대값 스마트 피드백 장치(SFD-M)

유도식: 리졸버나 하이덴하인의 EQI 시리즈 장치

정전식: SICK사의 EEM37 시리즈 장치

각 감지 방식은 비용, 크기, 성능, 내구성, 작동 온도 범위 등 다양한 요소에 따라 장단점이 있다. 표준 회전 서보 모터의 경우, 위치 피드백 장치는 보통 모터 뒷부분에 장착된다. <그림1>은 Kollmorgen의 AKM2G 서보 모터에 SFD-M 피드백 장치를 장착한 구조를 분해도 형태로 보여준다.

<그림1> Kollmorgen AKM2G 서보 모터에 SFD-M 피드백 장치를 장착한 분해도

서보 모터는 왜 위치 피드백 장치가 필요할까?
 

모든 모터가 위치 피드백 장치를 필요로 하는 것은 아니다. 예를 들어, AC 전원으로 구동되는 모터나, 가변 속도 유도 모터, 스테퍼 모터 등은 위치 피드백 없이도 작동할 수 있다. 하지만 정밀한 모션 제어가 필요한 애플리케이션에서는 위치 피드백 장치 없이 오픈 루프 방식으로 모터를 운용할 경우 다음과 같은 문제들이 발생할 수 있는데, 이와 같은 문제는 서보 제어 루프에서 모터의 실제 위치를 지속적으로 추적함으로써 해결할 수 있다.

· 기계적 위치를 일정하게 유지하지 못함

· 일정한 속도를 유지해야 할 때 속도 제어가 불안정함

· 속도 변화에 시간이 오래 걸림

· 위치 간 이동 시간이 느림

· 모션이 부드럽지 않음

· 원래 위치로 정확히 돌아가지 못하고 엉뚱한 위치에 멈춤

· 열 효율이 떨어지거나 더 큰 모터를 써야 하는 상황 발생

위치 피드백은 어떻게 사용될까?
 

서보 제어 루프에서의 활용

서보 시스템은 ‘모터 드라이브’가 위치 피드백 장치로부터 받은 데이터를 바탕으로, 명령된 목표 위치와 실제 위치의 차이를 줄여 가는 방식으로 작동한다. <그림2>는 이러한 제어 루프의 기본 구조를 보여주며, ‘피드백 센서’ 블록이 바로 모터의 위치를 측정하는 핵심 장치를 나타낸다. 피드백 장치가 제공하는 데이터는 위치 제어뿐만 아니라 속도 제어용으로도 활용될 수 있다.

<그림2> 기본 서보 제어 루프

정밀한 피드백 장치는 모터의 위치를 더 정확하게 제어할 수 있게 해주지만, 모터가 실제로 구동하는 시스템은 풀리, 기어박스, 리드 스크류 등 여러 기계적 링크를 포함한다. 결국 중요한 건 이 기계 구조물의 끝단에서 얼마나 정밀한 모션을 구현할 수 있는가이 다. 아무리 고정밀 피드백 장치를 사용하더라도, 연결 구조물에서몇 아크분 수준의 오차가 발생하면 전체 모션 품질에는 큰 차이가 없다. 따라서 필요 이상으로 고사양 피드백 장치를선택하는 것이 항상 효율적인 선택은 아니다.

모터의 전자적 정류(Electronic Commutation)

많은 모터들은 원하는 동작을 구현하기 위해 일정한 방식으로 동기화된 AC 파형이 필요하다. 초기의 브러시 모터에서는 이 동기화 작업을 기계적인 정류자(commutator)가 수행했다. 반면 브러시리스 영구자석 서보 모터에서는 위치 피드백 장치가 전자 드라이브에 필요한 정보를 제공해 전기적으로 코일의 여자(통전) 타이밍을 제어한다.

이 과정을 통해 모션 제어 작업에 필요한 정밀한 동기화가 가능해진다.전자적 정류는 여러 가지 성능상의 이점을 제공한다. 예를 들어, 같은 기계적 출력과 토크를 내기 위해 더 작고 비용이 낮은 모터를 사용할 수 있게 해준다. 특히 일부 모터 타입에서는 전기적 한주기 내에서의 ‘절대 위치 정보’가 반드시 필요하며, 이러한 정보를 기반으로 정밀한 전자 정류가 이루어진다.

절대 위치(Absolute Position)란 무엇일까?
 

가장 기본적인 위치 피드백 장치는 ‘증분형 위치(incremental position)’만을 제공한다. 이 장치는 전원이 켜질 때마다 실제 로터의 물리적 위치와는 관계없이 항상 0 위치에서 시작하며, 이후 움직인 거리를 누적해서 측정한다. 일정한 속도로 움직이는 것처럼 단순한 작업이라면 이 정도 정보만으로도 충분할 수 있다.

하지만 대부분의 애플리케이션에서는 작업 공간 내에서의 ‘실제 위치’를 알아야 한다. 이럴 때 필요한 것이 바로 절대 위치 피드백 장치 다. 절대 위치 장치는 전원을 껐다가 다시 켜더라도 기준점이 항상 고정되어 있어, 매번 다른 위치에서 0점을 잡는 것이 아니라 언제나 같은 기준 위치를 바탕으로 현재 위치를 제공한다. 이렇게 고정된 기준점을 기반으로 제공되는 위치 정보를 ‘절대 위치’라고 한다.

위치 피드백 장치의 주요 사양

해상도(Resolution): 측정 가능한 최소 움직임 거리로, ‘위치 정량’이라고도 불린다. 해상도는 보통 비트 수로 표현되며, 숫자가 클수록 더 정밀하다. 예를 들어 산업용 회전 서보 모터라면 최소 16비트/회전, 가능하다면24비트/회전을 기준으로 삼는 것이 좋다. 참고로 24비트는 한 바퀴 회전에 대해 약 1677만 스텝으로, 모터 회전당 매우 정밀한 측정이 가능하다. 하지만 24비트를 넘으면 투자대비 효과가 빠르게 감소한다.

정확도(Accuracy): 장치가 측정한 위치와 실제 모터의 위치 간의 차이를 말한다. 일반적으로 오차 범위는 ± 아크분 단위로 표시 되며, 보통 해상도보다 정확도가 훨씬 낮다. 해상도는 얼마나 세밀하게 측정할 수 있는지를뜻하고, 정확도는 실제 위치와 얼마나잘 일치하는지를 나타낸다.

속도 리플(Velocity Ripple): 모터가 일정한 속도로 움직일 때, 측정된 속도 값에 리플(진동처럼 들쭉날쭉한 흔들림)이 생길 수 있다. 이는 피드백 센서 측정 오차에서 비롯된다. 속도 리플은 보통 퍼센트(%)로 나타내며,계산식은 리플 % = (리플 위치) × (모터 RPM)이다. 위치 오차가 속도 리플의 원인이 될 수 있지만, 위치 오차 범위가 넓다고 해서 반드시 리플이 커지는 것은 아니다.

위치 노이즈(Position Noise): 모터가 정지해 있을 때도, 피드백 값이 고정되지 않고 오락가락하는 현상을 말한다. 센서의 아날로그 신호 내 고유 노이즈, EMI(전자기 간섭), PWM 전압 등에 의해 발생하며, 고해상도 장치일수록 더 잘 나타난다. 노이즈는 일반적 으로 RMS(평균 제곱근) 변동량으로 표현되며, 해상도와 정확도 사양 내에서 고려해야 한다. 일부 시스템에서는 이런 노이즈를 평균화하거나 필터링해 해결하기도 한다.

대역폭(Bandwidth): 센서가 입력 변화에 얼마나 빠르게 반응할수 있는지를 나타낸다. 보통 주파수(Hz)로 표시되며, 정현파 운동 에서 신호 감쇠가 -3 dB(또는 0.707배) 이하로 떨어지는 주파수를 대역폭으로 본다. 요구되는 제어 시스템의 주파수보다 더 높은 대역폭을 제공해야 한다.

지연 및 위상차(Latency, Phase): 측정값이 입력으로부터 출력 되기까지 걸리는 시간 지연이나 위상 지연을 말한다. 위상 지연은 보통 입력 주파수에 따라 전기적 각도 단위로 표현된다. 폐루프 서보 시스템에서는 이 지연이 너무 크면 안정성 문제를 야기할 수있다.

온도(Temperature): 장치가 얼마나 높은 온도까지 견딜 수 있는 지도 중요한 요소다. 일반적으로 피드백 장치보다 모터가 더 높은 온도에서 동작할 수 있기 때문에, 장치가 견디는 최대 온도가 시스템의 최대 토크를 제한하는 요소가 되기도 한다.

내구성(Ruggedness): 프레스 기계나 로봇처럼 충격과 진동이 많은 환경에서는 피드백 장치의 내구성이 매우 중요하다. 피드백 장치마다 견딜 수 있는 기계적 충격 범위와 진동 조건이 다르기 때문에 사양 내에서 문제없이 작동할 수 있는 내구성이 요구된다.

위치 피드백 장치의 유용한 부가 기능들

모터 ID 인식 기능(Motor ID): 디지털 통신 기능이 포함된 피드백 장치는 종종 모터 정보가 저장된 비휘발성 메모리를 함께 탑재한 다. 이 메모리는 공장에서 모터 데이터를 저장해두며, 드라이브가 전원이 켜질 때 이 정보를 통해 어떤 모터에 연결됐는지를 자동으로 인식하고, 해당 모터에 최적화된 설정으로 자동 구성할 수 있다. Kollmorgen의 모든 드라이브는 이 기능을 지원하며, Kollmorgen 의 모터 ID 데이터를 바탕으로 자동 설정이가능하다.

열 센서 기능(Thermal sensor): 일부 디지털 피드백 장치는 모터 권선에 연결된 온도 센서를 위한 입력 단자를 제공하며, 측정된 온도 데이터를 디지털 통신을 통해 드라이브로 전송할 수 있다.이 기능은 센서에서 드라이브까지의 별도 배선을 줄일 수 있어 설치가 간편해진다.

단일 케이블 전송(Single cable): 드라이브와 디지털 통신이 가능한 피드백 장치는 최소한의 배선으로도 동작이 가능하다. 예를 들어, Kollmorgen SFD-M이나 SICK Hiperface DSL 같은 장치는 4개 또는 그 이하의 배선만으로도 충분하다. 반면, 리졸버는 보통 8가닥, 증분형 + 홀 이펙트 방식은 13가닥, EnDat 2.2/01은 최대 14가닥의 배선을 요구한다.

피드백 선 2~4가닥만으로 모터 전원과 피드백 신호를 동시에 전달할 수 있어 하이브리드 케이블 구성도 가능하다. 아날로그 센서처럼 선이 많은 시스템은 일반적으로 전원선과 피드백선을 따로 배선해야 하므로 비용과 설치가 더많이 든다. 단일 케이블 기술은 이러한 부담을 줄여주는 경제적인 대안이다.

기능 안전성(Functional safety): 최근에는 작업자가 기계를 완전히 정지시키지 않고도 안전하게 작업할 수 있는 환경이 점점 중요해지고 있다. 이를 위해 일부 시스템에서는 제3자 인증을 받은 기능안전용 위치 피드백장치를 도입한다. 이 피드백 장치는 기계가 정해진 안전 위치를 유지한 채 작업자가 안전하게 조작할 수있도록 보조하며, 특히 고정 위치를 유지할 수 있는 액티브 서보 모터에서 유용하다. 이러한 기능은 작업자의 안전을확보함과 동시에 기계의 평균 생산성을 높이는 데도 기여한다.

자료제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)