자동차 제조업체, 서보 전동식 테스트 시스템을 통해 품질 향상
자동차 업계는 1980년대 초부터 OEM 부품 및 완성차의 주행 속도와 도로 조건을 시뮬레이션하기 위해 유압 작동 방식의 서보유압 테스트 시스템을 사용해 왔다. 이 기술은 전 세계 생산 라인에서 출고되는 차량의 품질, 안전성, 신뢰성을 크게 향상시키는 데기여했다. 그러나 최근에는 전통적인 서보유압 시스템을 대체할수 있는 전기 작동 방식의 서보 전동식(servo-electric) 테스트 시스템이 새로운 대안으로 주목받고 있다.
미국 미시간주에 본사를 둔 eMpulse Test Systems는 이 분야의 선두주자로, 자사의 ‘4포스터 로드 시뮬레이터’에 서보 전동식 액추에이터(SEA) 기술을 적용해 세계 유수의 완성차 제조사에 200 여 개 이상의 시스템을 공급한 바 있다. 특히 전기차(EV) 생산이 빠르게 증가하면서 에너지 효율성과 환경 친화성이 뛰어난 전동식 시스템이 서보유압 방식을 대체하는 추세다.
이 회사의 매튜 존슨 대표는 “SEA 기반 기술은 정밀도와 성능이 높을 뿐 아니라 에너지 효율적이고 환경에도 부담이 적은 테스트 시스템을 가능하게 한다”고 설명했다. 그는 “서보 전동식 액추에 이터는 내구성 시험, 수명 단축 시험, 소음·진동 등 다양한 시험을 보다 정밀하고 정확하게 수행할 수 있도록 한다”며 “실제로 우리의 SEA 테스트 시스템은 서보유압 시스템 대비 에너지 소비량이 20% 이하로, 에너지 비용과 탄소 배출량을 약 80%까지 줄일 수있다. 또한 유압유 누출 우려가 전혀 없는 매우 청결한 솔루션”이 라고 강조했다.
▲ eMpulse Test Systems의 4포스터 로드 시뮬레이터는 사진에 보이는 서보 전동식 액추에이터를 이용해 주행 및 도로 조건을 시뮬레이션하며, 차량의 '버즈(Buzz), 스퀵 (Squeak), 래틀(Rattle, BSR)' 문제를 찾아내고 소음·진동·충격(NVH) 특성을 평가한다.
<Challenge> 서보 전동식 시스템의 정밀도·응답성 등 극대화
eMpulse Test Systems의 최고기술책임자(CTO) 더그 보얼스 (Doug Boals)에 따르면, SEA 기반 로드 시뮬레이터와 seaMAST 시스템을 개발하는 데 있어 가장 중요한 과제는 최고 수준의 성능과 정확도, 신뢰성을 갖춘 모션 제어 및 자동화 기술을 확보하는 것이었다.
보얼스 CTO는 “우리 시스템의 액추에이터에서 핵심 역할을 하는 것은 리니어 모터”라며 “연속 작동이 가능한 고정격 출력의 드라 이브가 통합된 리니어 모터가 필요했고, 이를 통해 고객이 가능한한 다양한 시험 조건을 수행할 수 있도록 해야 했다”고 설명했다. 이어 “고객은 이 장비를 연구개발 및 내구성 시험용으로 상시 운전할 수 있어야 했다”고 덧붙였다.
그는 특히 SEA 기반 테스트 시스템이 제공하는 정밀한 모션 제어 성능은 자동차 제조사에게 매우 중요하다고 강조했다. 자동차 업체들이 점점 더 다양한 도로 조건(노면 유형, 지형, 기후 등)을 실제처럼 재현하고자 하기 때문이다.
그는 “많은 자동차 제조사는 도로를 레이저로 정밀 스캔한 후, 아스팔트나 콘크리트 이음 도로, 벨기에 블록, 그리고 심지어 포트 홀(도로 파임)까지 포함한 다양한 노면을 테스트 시스템으로 재현하려 한다”며 “그러나 서보유압 시스템은 유압 라인 내부의 오일이 충격을 흡수하는 완충재 역할을 하므로 고주파수 이벤트를 재현할 수 없다. 반면, 서보 전동식 액추에이터는 더 나은 주파수 응답 특성을 제공하는 모터 및 드라이브를 사용한다”고 말했다.
보얼스 CTO는 신뢰성과 유지보수 편의성 또한 주요 설계 및 엔지 니어링의 목표였다고 밝혔다. “예기치 않은 다운타임은 시험 일정뿐 아니라 생산성에도 악영향을 줄 수 있다”며 “계획되지 않았든 계획된 것이든, 정지시간은 곧 비용 손실이기 때문에 우리는 고객에게 최대의 설비 가동률과 가용성을 보장할 수 있는 신뢰도 높은 테스트 시스템을 제공하고자 했다”고 말했다.
▲ eMpulse Test Systems의 seaMAST 셰이커는 6~8개의 서보 전동식 액추에이터를 사용해 다양한 진동 조건을 시뮬레이션하며, 시트, 인스트루먼트 패널, 서브시스템등 특정 부품을 대상으로 한 시험에 적합하도록 설계된 장비다.
<Solution> 지멘스 모션 제어 및 자동화 부품으로 표준화
모션 제어 및 자동화 기술의 공급업체를 선정하는 과정에서 매튜 존슨 대표와 더그 보얼스 CTO, 그리고 eMpulse Test Systems의 엔지니어링 팀은 단순한 부품 공급업체가 아닌 전략적 글로벌 파트너를 원했다. 이들은 업계 경험과 검증된 통합 부품, 전 세계적인 지원 및 서비스를 제공할 수 있는 파트너를 찾고 있었다. 이들은 결국 지멘스를 선택했고, 지멘스의 유통 파트너인 지역 딜러 Electro-Matic에 연락했다.
맞춤형 시험 솔루션을 위한 유연성 확보
eMpulse는 모션 제어를 위해 다양한 서보모터를 지멘스의 모듈형 서보 드라이브 ‘SINAMICS S120’에 통합해 활용하고 있다. 이드라이브는 벡터 제어와 서보 제어 기능을 모두 제공하며, 다축 구동 기능도 갖춰 로드 시뮬레이터와 seaMAST 테스트 시스템을 모두 지원한다.
더그 보얼스 CTO는 “지멘스의 제품은 고객의 요구에 맞는 시험 솔루션을 설계할 수 있도록 탁월한 유연성을 제공한다”며 “또한 높은 동적 성능, 정밀도, 컴팩트한 설계, 그리고 극강의 신뢰성을 함께 갖췄다”고 평가했다.
해당 시스템에 적용된 전기 액추에이터 어셈블리는 절대형(비증 분형) 고해상도 광학 인코더를 포함하고 있으며, 이를 통해 모터 제어에는 1nm 수준의 내부 해상도를 제공하고, 데이터 분석용으 로는 10nm 미만의 해상도도 구현할 수 있다.
eMpulse는 자사의 전용 서보 컨트롤러와 사용자 맞춤형 GUI(그 래픽 사용자 인터페이스)를 활용해 다양한 테스트 애플리케이션을 운영하고 있으며, 이 컨트롤러는 고속 실시간 이소크로너스 (Ethernet 기반 동기식) 통신 프로토콜인 PROFINET을 통해 지멘스 드라이브 시스템과 디지털 통신한다.
이를 통해 모든 내부 드라이브 파라미터와 신호를 테스트 제어 시스템이 실시간으로 모니터링, 제어, 진단할 수 있으며, 경쟁사의 제품에서 흔히 발생하는 아날로그-디지털 변환 인터페이스 기반의 전기적 노이즈 문제도 발생하지 않는다.
장비와 작업자 보호를 위한 안전 기능 내장
eMpulse의 테스트 시스템에 적용된 지멘스 SIMATIC 컨트 롤러는 모션 제어 기능이 통합된 페일세이프(failsafe) 모델로, 0.125ms에 달하는 고속 명령 처리 주기와 함께 Safety Integrated 기능을 제공한다. 이 기능은 SIL 2(EN 61508) 및 퍼포먼스 레벨 d(EN ISO 13849-1) 기준에 따라 드라이브를 안전하게 정지시키고 모션 상태를 안전하게 모니터링할 수 있다.
보얼스 CTO는 “테스트 시스템에서 안전은 매우 중요한 기능”이 라며 “우리는 지멘스의 DRIVE-CLiQ 인터페이스와 PROFINET 연결을 활용해 모션 인코더 신호를 실시간으로 지속적으로 모니 터링하며 위치 피드백의 정확도를 평가한다”고 설명했다.
<Results> 더 스마트한 고성능 테스트 시스템 구현
eMpulse Test Systems는 지멘스의 모션 제어 및 자동화 부품을 표준화함으로써, 자사의 로드 시뮬레이터와 seaMAST, 기타 시험 장비가 최고 수준의 성능, 효율성, 신뢰성을 제공할 수 있음을 고객에게 보장하게 되었다. 이는 기존의 서보유압 테스트 시스템보다 더욱 지속 가능하고 환경친화적인 운영을 가능하게 한다.
기존 대비 최대 4배 빠른 응답성과 정밀 제어
eMpulse의 SEA 기반 테스트 시스템은 기존 서보유압 시스템과 비교해 훨씬 지능적인 시험이 가능하며, 특히 고주파 대역에서 훨씬 넓은 주파수 범위를 지원해 실제 도로 조건의 미세한 차이까지 정밀하게 시뮬레이션할 수 있다. 보얼스 CTO는 “우리는 고속 디지털 통신이 가능한 자체 개발 하드웨어 모듈을 사용하고 있으며, 이를 PROFINET을 통해 지멘스 구성요소와 직접 연결한다”며 “이 방식은 기존 아날로그 제어 방식에서 발생할 수 있는 노이즈와 정확도 저하 문제를 제거한다” 고 밝혔다.
80% 이상의 에너지 절감
서보유압 테스트 시스템은 예비 대기 상태로 작동해야 하며, 수백 피트 떨어진 거리에서 유압유를 지속적으로 펌핑해야 하는 구조로 인해 막대한 에너지 손실이 발생한다. 반면 eMpulse의 SEA 기반 시스템은 시험이 진행될 때에만 에너지를 사용하므로 에너지 소비를 80% 이상 절감할 수 있다.
매튜 존슨 대표는 “에너지 절감 효과는 매우 중요하다”며 “장비의 수명이 10~20년에 달하는 동안 고객은 수십만 달러에 이르는 전력 비용을 절감할 수 있다”고 말했다. 그는 이어 “이러한 절감 효과는 고객의 투자 회수 기간을 앞당기고, 총소유비용을 줄이는 데도 큰 도움이 된다”고 덧붙였다.
자료제공: 지멘스(usa.siemens.com)
