정밀 모션 제어 시스템의 최근 기술 동향 및 발전 방향 ①
정밀 모션 제어에 사용되는 모터, 제어 장치, 센서의 크기가 점점더 작아지고 있다. 수술, 환자 치료, 모바일 로봇, 드론 및 배터리 구동 애플리케이션에 사용되는 모션 제어 부품에 대한 수요가 증가하면서 모션제어 소형화 트렌드가 빨라지고 있다. 이 기사에서는 엔지니어가 적은 전력을 통해 소음을 줄이며 공간을 적게 차지 하는 시스템을 구축할 수 있도록 지원하는 모션 제어 기술의 최근 개발 동향을 소개하기로 한다.
먼저 모터에 대해 살펴보고 모터가 어떻게 진화하고 새로운 센서 및 제어 기술을 흡수하여 성능을 향상시키는지에 대해 알아본 다. 그런 다음 모션 제어 부품이 물리적으로 축소되는 방법과 이유뿐만 아니라 모터와 시스템 성능을 극대화하기 위해 새로운 제어 기술이 어떻게 사용되고 있는지 보여주기 위해 제어에 초점을 맞출 것이다. 마지막으로 모터와 제어의 진화가 아키텍처에 어떤 영향을 미치고 있는지 살펴보기로 한다.
<그림1> 두 가지 주요 성능 지표의 모터 유형 비교
소형 모터 101
<그림1>은 두 가지 주요 성능 지표, 즉 출력 대비 무게와 토크 출력 대비 무게에서 다양한 모터 유형을 비교하는 두 개의 그래프를 보여준다. 특정 용도에서는 일반적으로 이 두 가지 요소 중 하나가 더 중요하며, 사실 이 두요소는 서로 연관되어 있다.
왜냐하면 출력은 토크에 회전 속도를 곱한 값으로 정의되기 때문이다. 그래프에서 볼 수 있듯이, 브러시리스 DC 모터는 높은 회전 속도 에서도 일정한 토크를 생성할 수 있어 일반적으로 출력 대비 무게 에서 가장 높은 성능 지표를 제공한다. 일반적인 값은 DC 브러시 모터의 비율보다 두 배 정도 높다. 스텝 모터는 휴대용 장치에 자주 사용되지만, 회전 속도가 증가함에 따라 토크가 급격히 감소하기 때문에 출력 대비 무게 측면에서는 일반적으로 논의되지 않는다.
만약 토크 대비 무게를 최적화하려고 한다면, 스텝 모터가 다시 논의 대상이 된다. 전통적으로 개방형 루프 방식으로 작동하는 스텝 모터는 높은 유지 토크를 제공하지만, 작업 속도 범위에서 그토크를 전달하는 능력은 진동 경향에 의해 영향을 받는다. 실질적 으로 이는 스텝 모터가 전달하는 유효 토크가 모터의 정격 유지 토크의 50%에서 70% 사이에 있다는 것을 의미한다.
그러나 이 문제를 거의 해결할 수 있는 스텝 모터의 다른 운용 방식이 있다. ‘스테퍼 서보’라고도 하는 ‘폐쇄 루프 서보’라는 기술은 엔코더를 사용하여 스텝 모터를 마치 2상 브러시리스 DC 모터처럼 작동시킨다. 그 결과, 중간 범위의 불안정성이 제거되므로 오픈 루프 스텝 모터에서 문제가 되는 토크 감소 현상이 사라지 고, 모터의 작동 범위 전반에서 토크가 크게 향상된다.
변화를 감지한다
모터/액추에이터의 발전에서 흥미로운 측면 중 하나는 센서를 얼마나 활용하는지 또는 활용하지 않는지에 있다. 모터가 점점 더작아지고, 환자에게 이식되거나 착용되거나 모바일 로봇에 사용 됨에 따라 센서를 추가하는 것이 모터 패키지의 크기나 모터와 센서의 조합의 견고성에 영향을 미치지 않고 점점 더 어려워지고 있다.
그래서 모터에 영향을 미치는 한 가지 트렌드는 센서 없는 운용이다. 이는 센서를 제거하고 브러시리스 DC 모터의 역기전력 (back-EMF)이나 스텝 모터의 전자적 스톨 감지와 같은 제어 기술을 사용하여 모터를 작동시키는 방식이다.
<그림2> 브러시리스 DC 모터용 Back-EMF
브러시리스 DC 모터의 각 권선에서 발생하는 역기전력을 활용 하는 방법에는 단순한 방법과 복잡한 방법이 있다. <그림2>는 가장 간단한 방법을 나타내며, 두 개의 레그가 구동되는 동안 플로팅 레그(floating leg)의 역기전력을 측정하는 방식이다. 이 floating leg는 증폭기의 구동 출력에 더 이상 영향을 받지 않으며, 그 안에 포함된 역기전력 전압을 사용하여 영점 교차 지점을 감지할 수 있다. 이를 통해 정류 주기의 특정 위치를 결정할 수 있다.
back-EMF은 적절한 조건에서 매우 효과적으로 작동하지만, 아직까지 일반적인 모션 애플리케이션에서는 채택되지 않았다. 첫 번째 문제는 모터의 속도가 감소할 때 역기전력 신호가 사라진 다는 점이다. 따라서 실질적으로 센서 없는 브러시리스 DC 애플 리케이션은 모터가 정지 상태에 가까운 위치에서 제어되어야 하는 위치 제어 애플리케이션에서는 사용할 수 없다.
그러나 속도 제어 애플리케이션에서는 센서 없는 구동 방식이 상당히 많이 채택되었다. 저속에서 back-EMF 신호를 감지할 수없는 문제는 여전히 존재하지만, 컨트롤러는 마이크로스테핑 구동 기술을 사용하여 이 한계를 극복할 수 있다. 이 방식은 브러시 리스 DC 모터를 스텝 모터처럼 작동시켜 일정 속도에 도달하게한 후, 측정된 역기전력 신호의 신호 대 잡음비가 충분히 높아지면 역기전력 정류로 전환하는 것이다.
스텝 모터의 경우, 센서리스 작동은 거의 반대의 의미를 가진다. 스텝 모터는 제로 속도까지도 위치 제어가 가능하지만, 속도가 증가할수록 도움을 필요로 하며, 이때 스텝 손실이나 모션 붕괴가 발생하기 쉽다. 센서리스 전자 기술은 특정 속도에서 진동을 줄이고 로터가 멈췄을 때 이를 감지하는 데 도움을 줄 수 있다. 그러나 ‘작동은 잘 되다가 갑자기 멈출 수 있다’는 한계는 스텝 모터에도 적용된다. 전자식 스톨 감지가 100% 신뢰성 있게 작동할 것이라고 보장하기 어려우므로, 매우 중요한 스텝 모터 애플리케 이션에서는 엔코더를 사용하여 모션을 확인하는 것이 일반적이다.
열악한 환경의 요구 사항 해결
흥미롭게도, 초소형 모터를 포함한 모든 종류의 모터도 앞서 언급한 한계를 극복하기 위해 센서를 업그레이드하거나, 이전에는 센서를 사용하지 않았던 모터 유형에 센서를 추가하는 등 반대 방향으로 나아가고 있다.
견고성을 위한 센서 업그레이드는 종종 광학 센서를 대체하는 것을 의미하며, 광학 센서는 일반적으로 사분할 증분형 엔코더의 형태로 모터 위치 감지의 주력 기술이다. 하지만, 가혹한 환경이나 의료 애플리케이션의 요구를 해결하기 위해 비광학 센싱 솔루션, 예를 들어 자기 및 정전용량식 엔코더의 사용이 증가하고 있다.
<그림3> 모터로부터 완전히 분리된 마그네틱 엔코더
<그림3>에 나타난 마그네틱 엔코더는 모터와 기밀하게 분리 되어, 작은 공기 틈을 통해 위치를 측정할 수 있다. 모터의 로터는 일반적으로 모터 축 끝에 장착된 자기 인코딩 디스크를 가지고 있으며, 엔코더의 전자 부품은 홀 센서나 자저항 감지 기술을 사용해 로터의 위치를 결정한다. 마그네틱 엔코더는 도입된 이후 해상 도가 크게 향상되었으며, 현재는 회전당 1024 카운트 이상의 직교 해상도를 제공할 수 있다.
정전식 엔코더도 가혹한 환경과 의료 애플리케이션에서의 사용에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 새로운 엔코더 유형의 채택을 돕는 요소는 고정밀 아날로그-디지털 변환기(A/D)와 알고리즘 기술의 개선이다. 이들은 엔코더의 아날로그 출력 신호에서 작은 불규칙성을 보정하고, 빠른 아크탄(arc-tan) 계산을 통해 해상도가 향상된 위치 값을 생성하는 데 사용된다.
새로운 모터 유형
스텝 모터는 일반적으로 엔코더를 사용하지 않지만, 현재는 엔코 더를 사용하여 서보 모터처럼 작동하는 진화가 진행되고 있다. 이는 본질적으로 위치 제어 애플리케이션을 위한 네 번째 모터 유형의 출현을 의미한다. 기존 의 모터 유형에는 브러시리스 DC 모터, DC 브러시 모터, 전통적인 스텝 모터가 포함된다.
이 기술을 좀 더 자세히 살펴보면, 이 새로운 모터 유형의 특징은 매우 높은 가속도, 높은 토크 대 중량 비율, 그리고 전통적인 스텝 모터에서 발생하던 진동 문제의 감소 또는 제거이다. 이 새로운 접근 방식은 스텝 모터 자체의 진화를 주도하고 있다. 예를 들어, 폐쇄 루프 스텝 모터 제어 모드에서 사용되는 스텝 모터는 전통적인 1.8도/스텝 구성 대신 3.6도/스텝 설계를 채택 하며, 로터가 가벼워져 높은 가속이 가능해지고 있다. 폐쇄 루프 스텝 모터의 전형적인 애플리케이션으로는 코일 권선 기계, 섬유 장비, 고속 피크 앤 플레이스, 다이 본딩 등이 있다.
결국, 스텝 모터 디자인은 두 가지 그룹으로 나뉠 것으로 보인다. 하나는 엔코더 없이 전통적으로 풀스텝, 하프스텝, 또는 마이 크로스텝 방식으로 제어되는 스텝 모터이고, 다른 하나는 서보 모터처럼 제어되도록 설계된 스텝 모터이다.
이와 관련하여 흥미로운 사실이 있다. 이는 폐쇄 루프 스테퍼가 특히 매우 작은 스텝 모터에 큰 영향을 미친다는 것이다. NEMA 23 또는 NEMA 17과 같은 전통적인 크기의 스텝 모터에서는 회전자와 ‘일치하는’ 고정자의 기계 가공을 일관되게 유지하여 움직 이는 동안 일관된 스텝 크기를 유지하는 것이 그리 어렵지 않다.
<그림4> 스텝 모터 가공의 부정확성
위의 <그림4>에서 보여주듯이, 스텝 모터는 회전자의 ‘톱니’가 많으며, 각 톱니는 최적의 동일 스텝 동작을 위해 고정자의 대응 하는 톱니와 정확하게 맞아야 한다. 그러나 회전자가 점점 작아질 수록, 작은 기계 가공 부정확성의 상대적 영향이 모터의 성능에더 큰 영향을 미치게 된다.
폐쇄 루프 스텝 모터 작동은 이러한 기본적인 변동을 완화할 수있는 능력 덕분에, 스텝 모터가 점점 더 작아질 수 있도록 해주는 중요한 기술로 자리잡고 있으며, 이로 인해 이국적이고 비싼 기계 가공 기술이 필요하지 않게 된다.
피에조 모터
모터와 모터 센서에 대한 논의를 마치기 전에, 또 다른 모터 유형인 피에조 모터를 언급할 필요가 있다. 왜냐하면 ‘매우 작은’ 크기가 항상 피에조 모터의 주요 운영 영역이었기 때문이다.
<그림5> 피에조 모터
<그림5>는 회전 피에조 모터를 다이어그램으로 나타낸 것이 다. 특히, 이 모터는 토크를 생성하기 위해 자성을 사용하지 않는 다. 대신, 전기장을 받았을 때 피에조 전기 재료의 미세한 차원을 활용한다. 이 원리를 이용하여 회전 피에조 액추에이터 컨트롤러는 로터 디스크를 신중하게 자극하여 정지파를 설정하고, 이 정지파의 위상은 전자적으로 변경할 수 있다. 고정자는 사실상 매우 낮은 높이의 기어헤드 역할을 하며, 정지파가 생성되면 로터를 잡아준다. 정지파의 위상이 변경되면 회전이 발생한다.
기능적으로 피에조 모터는 스텝 모터와 가장 유사하다. 위치를 유지하거나 상대적으로 낮은 속도로 이동하는 데 뛰어난 성능을 발휘한다. 스텝 모터와 마찬가지로, 이들은 엔코더 없이도 이러한 기능을 수행할 수 있다. 또한, 모터 내부에 특수한 드라이브 전자 장치가 있지만, 이러한 액추에이터는 점점 표준 인터페이스를 외부 세계에 제공하고 있어, 기성 모션 컨트롤러와 호환된다.
지금까지 피에조 모터는 카메라의 자동 초점 및 조리개 제어와 같은 특정 소비자 응용 분야에서 대량으로 채택되었으며, 초고정밀 XYZ 테이블 및 조준과 같은 응용 분야에서도 사용되었다. 피에조 모터는 매우 작은 크기 (2x2x5mm 또는 그보다 작은 크기) 로 제작될 수 있으며, 의료 및 로봇 분야에서 점점 더 작은 모터로의 전환이 진행되고 있는 추세를 고려할 때, 앞으로 피에조 모터가 더욱 많이 사용될 것으로 예상된다.
작아지는 모션 컨트롤러
<그림6> 대표적인 구형 드라이브와 최신 드라이브의 크기 비교
<그림6>은 두 개의 모션 컨트롤 드라이브를 보여준다. 하나는 2010년에 개발되었으며, 크기는 4.3" x 3.0" x 1.5" (109 mm x 76 mm x 38 mm)이고 무게는 9.3 oz (264 g)이다. 다른 하나는 2020년에 개발되었으며, 크기는 1.4" x 1.4" x 0.65" (37 mm x 37 mm x 17 mm)이고 무게는 1.15 oz (33 g)이다. 가장 흥미로운 점은, 더 작은 드라이브가 1킬로와트 이상의 출력 전력을 가지며, 이는 2010년 모델의 두 배에 해당한다는 것이다.
전자 제어의 발전 속도가 매우 빠르다. 사실, 내장 모션 컨트롤이 사용될 때, 예를 들어 그림에 나타난 모션 제어 ICs나 모듈과 같은 경우, 전자 모션 컨트롤이 전체 시스템의 무게에 미치는 기여도는 거의 무시할 수 있을 정도로 작아진다. 위의 표는 전체 시스템 무게에 대한 제어의 영향을 보여준다. 2010년 기술의 드라 이브라도 시스템 무게에 미치는 영향은 약 10%였으나, 2020년 기술의 경우 이 비율이 1.3%로 감소했다.
자료제공: PMD(www.pmdcorp.com)
