정밀 모션 제어 시스템의 최근 기술 동향 및 발전 방향 ②

전자 모션 제어에서 눈에 띄는 크기 감소를 이끈 가장 중요한 변화는 디지털 스위칭 증폭기, 특히 MOSFET 스위치의 성능 향상이 다. 처음에는 고장이 잦고 과열에 취약하며 크기가 컸던 이 IC들은 이제 98% 이상의 효율로 스위칭할 수 있을 만큼 안정성이 뛰어나고, 놀라운 밀도로 축소됐다. 

바이너리 스위치(binary switch)는 연속적으로 변하는 출력 전압을 어떻게 제어할 수 있을까? 모터 레그를 HV 공급 전압 또는 GND 연결에 완전히 연결하거나 완전히 연결 해제(스위칭)하여 증폭한다.

PWM(펄스 폭 변조) 방식은 아날로그 명령 신호를 디지털 방식의 온/오프 스위칭 체계에서 표현할 수 있도록 한다. 예를 들어, 64볼트의 고전압(HV)에서 특정 모터 코일에 평균 37.3볼트를 전달하려면, PWM 출력은 고전압에 58.3%의 시간 동안 연결하고 (37.3 / 64 = 58.3%), 나머지 시간 동안 접지에 연결한다.

<그림1> 스위칭 증폭기

침착하고 효율적인 스위칭
 

드라이브 전자 장치에 의해 영향을 받는 기본적인 영역 중 하나이지만 여전히 중요한 부분은 PWM 구동 주파수이다. 더 큰 모터 드라이 브에서 마이크로 크기의 모터로 변경할 때 PWM 구동 주파수를 조정해야 할 수도 있다. 최적의 PWM 주파수는 궁극적으로 모터의 인덕턴스에 의해 결정되지만, 일반적으로 크기에 따라 비례한다.

모터가 작을수록 인덕턴스가 낮아진다. 작은 모터에서 많은 소음과 열 발생의 주요 원인은 스위칭 증폭기에서 과도한 전류 리플이 나오는 경우이다. 과거에는 PWM 주파수가 20kHz가 일반적이 었지만, 오늘날에는 이러한 모터를 올바르게 제어하려면 40kHz, 80kHz 또는 그 이상의 PWM 주파수가 필요한 경우가 많다.

PWM 주파수가 열 생성에 미치는 영향은 무엇일까? 그 답은 디지털 스위칭 증폭기가 주어진 전류 명령에 대해 톱니 모양의 패턴으로 외부 에너지를 전달한다는 것이다. PWM 주파수를 증가 시키면 이 잡음 유발 및 열 발생 전류 흐름의 크기가 줄어들고, 전류 측정의 정확도가 향상된다. <그림2>는 20kHz와 40kHz의 전류 파형을 비교한 것으로, 톱니 모양의 정확한 형태는 전류 명령과 모터 코일 인덕턴스에 따라 달라진다.

<그림2> 전류 리플

PWM 주파수를 증가시키면 스위칭 증폭기의 효율성이 다소 감소하지만, 이는 최근에 크게 발전한 집적 회로(IC) 기술 분야이다. 특히 MOSFET는 ‘스위칭 손실’이라고 알려진 고정된 에너지 손실을 크게 줄였다. 과거에는 스위칭 손실이 40kHz 이상의 주파수에서 MOSFET의 전체 효율의 5% 이상을 차지할 수 있었다. 최신 세대의 MOSFET에서는 이 손실이 크게 줄어들어, 100kHz까지 스위 칭할 수 있는 증폭기가 여전히 90% 이상의 효율 로 작동할 수 있다.

<그림3> PWM 주파수

이와 관련된 흥미로운 새로운 트렌드는 새로운 스위치 반도체 재료인 질화갈륨(Gallium Nitride, 약칭 GaN)의 사용이 서서히 증가하는 것이다. 전통적인 스위칭 반도체는 실리콘으로 만들 어지지만, <그림3>에서 보듯 GaN은 스위칭 손실 측면에서 더 높은 주파수에서 실리콘보다 뛰어나다.

현재 모션 제어 증폭기에서 GaN의 사용은 일반적이지 않지만, 지난 10년 동안 GaN 스위치의 신뢰성 및 제조 수율이 개선됨에 따라, 고주파수에서 스위칭해야 하는 소형 모터 및 낮은 인덕턴스를 가진 모터에 GaN MOSFET이 점차적으로 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.

MCPCB 인기 급부상
 

MOSFET 및 일반 IC 성능의 개선 외에도 열 흐름 관리 분야에서 덜 알려졌지만 두 번째 혁명이 일어나고 있다. 대량의 소비자 LED 조명 시장과 이러한 소형 패키지에서 발생하는 열을 관리해야 하는 과제로 인해, ‘금속 클래드 인쇄 회로 기판(MCPCB, metal clad printed circuit board)’ 또는 때때로 열전도성 PCB 라고 불리는 새로운 특수 PCB가 모션 제어 증폭기에서 빠르게 인기를 얻고 있다.

<그림4> Metal Clad PCB Layers

<그림4>에서 보듯, 이 기술은 MOSFET, 저항기, 커패시터와 같은 집적 회로를 담고 있는 전통적인 구리 PCB를 상대적으로 두꺼운 금속 기판에 쌓는 방식이다. 이를 작동시키는 기술의 핵심은 구리 PCB에서 금속 층으로 열을 효율적으로 전달하는 기계적으로 강한 절연층을 사용하는 것이다.

이 열 관리 기술이 개발되기 전에는 제조업체들이 전통적인 비열전도성 PCB를 금속 기판에 결합하는 별도의 제조 단계를 사용 했다. 이 접근법은 시간이 더 걸리고 열을 전달하는 효율이 떨어 진다.

PMD가 자사 증폭기 설계를 인증하기 위해 수행한 여러 열성능 테스트 중 하나에서, 열 싱크 인터페이스 면적이 약 10cm² 인 새로운 N-Series ION 디지털 드라이브는 <그림4>에 표시된열 스택의 바닥 면에서 MOSFET의 작동 면까지 온도 차가 단 7도 C에 불과하다는 결과를 기록했다. 이 점이 주목할 만한 이유는, 이 측정이 증폭기가 거의 2kW의 출력을 연속적으로 내보내는 동안 이루어졌다는 점이다.

전체적으로 이 중요한 새로운 패키징 기술은 모션 제어 증폭기의 전력 밀도를 가속화하는 데 도움이 되었으며, 최신 세대의 모터 및 액추에이터 증폭기가 100W per cc³ 이상의 출력 밀도를 달성할 수 있도록 했다.

모터의 열 생성을 줄이는 제어 기술
 

지금까지 소형 모터 작동에 영향을 미치는 모션 컨트롤러의 발전에 대해 알아보았다. 이제 효율성을 향상시켜 모터의 열 생성을 줄이는 두 가지 제어 기술을 살펴보겠다. 하나는 브러시리스 DC 모터용, 다른 하나는 스텝 모터용이다.

효율성을 높이는 첫 번째 기술은 FOC(Field Oriented Control)와 이와 유사한 사인파 정류이다. 이 두 가지 기술은 브러 시리스 DC 모터 제어에 적용되어, 명령된 전압이 보다 효율적으로 사용 가능한 토크를 생성하도록 한다.

브러시리스 DC 모터를 정류하는 전통적인 방법은 사다 리꼴 또는 6단계 정류라 불리며, Hall 센서를 이용해 60도 마다 새로운 정류 벡터를 제공하는 방식이다. 이는 전기 주기당 6개의 불연속 위치를 나타낸다. <그림5>에 는 사인파 및 6단계 정류파형이 함께 표시되어 있다.

<그림5> 사인파(Sinusoidal) 및 6단계(Six-step) 정류파형

하지만 이상적인 상황에서는 정류 벡터가 항상 회전자의 N-S(북-남) 벡터와 정확히 90도 각도로 유지되어야 한다. 그러나 Hall 기반 컨트롤러는 60도마다 새로운 업데 이트를 수신하기 때문에, 드라이브 벡터가 최대 30도 까지 벗어나게 되며, 이로 인해 비효율이 발생한다. <그림6>에서 모터의 유효 토크 출력이 주기적인 패턴으로 최대 13% 까지 감소하는 것을 볼 수 있다. 전체 회전에 걸쳐 평균적 으로 평균 효율 손실은 5%이다.

<그림6> 6단계 정류를 사용한 토크 감소

Hall 센서 대신 인코더를 피드백으로 사용할 경우, 인코더는 일반적으로 전기 주기당 수십에서 수백 개의 위치 업데이트를 제공 하므로 이 문제가 해결된다. 인코더를 사용하면 회전자 위치와 상관없이 모터 고정자의 벡터 각도를 N-S 벡터에서 정확히 90도로 유지할 수 있어, 부드러움과 효율성이 개선된다.

폐쇄 루프 스텝퍼
 

두 번째로 주목할 제어 기술은 스텝 모터에 적용되는 것으로, ‘폐쇄 루프 스텝퍼(closed loop stepper)’ 또는 ‘스텝퍼 서보(stepper servo)’라고도 불리는 새로운 유형의 제어 방식이다. 폐쇄 루프 스텝퍼의 강력한 점은 표준 스텝 모터를 사용하면서도, 특히 전 구동 속도 범위에서 더 높은 유효 토크를 추출할 수 있다는 것이다.

<그림7> 폐쇄 루프 스텝퍼 작동

폐쇄 루프 스텝퍼는 어떻게 작동할까? 폐쇄 루프 스텝 모터 작동 방식은 전통적인 개방 루프 스텝 모터 작동 방식과 세 가지 주요 방식에서 다르다. 첫 번째는 고해상도의 인코더를 스텝 모터에 장착해야 한다는 점이 다. 표준 1.8도 스텝 모터의 경우, 기계적 회전당 최소 2500 카운트를 갖는 인코더가 필요하다.

두 번째 차이점은 폐쇄 루프 스텝퍼가 모터를 2상 브러시리스 DC 모터처럼 작동시키며 실제 인코더 위치를 사용해 위상 각도를 정류한다는 점이다. 세 번째 차이점은 전류 파형의 크기와 부호가 고정된 것이 아니라, 위치 PID(비례, 적분, 미분) 루프의 출력에 따라 지속적으로 조정된 다는 것이다.

이는 폐쇄 루프 스텝퍼가 필요한 만큼의 전력만으로 스텝 모터를 구동한다는 뜻이다. 개방 루프 스텝 시스템은 최악의 프로파일과 부하 상황을 처리하기 위해 높은 전력 수준으로 모터를 구동해야 하지만, 폐쇄 루프 스텝퍼 는 훨씬 적은열 발생으로 모터를 구동할 수 있다.

앞서 언급했듯이, 소형 스텝 모터는 폐쇄 루프 스텝퍼 제어 방식의 혜택을 특히 많이 본다. 인코더가 위치를 결정하기 때문에, 치 간격의 미세한 변동으로 인해 발생할 수 있는 작은 진동과 흔들림을 서보가 보이지 않게 처리 하여, 이를 보상하기 위해 적용되는 토크를 증가 또는 감소시킨다.

<그림8> 폐쇄 루프 대 개방 루프 스텝 모터 토크 생성

아키텍처의 중요성

<그림9>는 모션 컨트롤러 기능을 구현하는 두 가지 접근 방식을 보여준 다. 첫 번째 방식에서는 모터와 센서가 목표 장치에 위치해 있으며, 모션 컨트롤러와 증폭기는 랙에 설치되거나 산업용 컴퓨터에 장착된 모션 컨트롤 보드 형태로 원격에 위치할 수 있다.

두 번째 방식에서는 모터, 센서, 모션 컨트롤러 전체가 로컬에 배치된다. 로컬에 배치될 경우, 모션 컨트롤러는 케이블로 연결된 모듈 형태, PCB 장착 모듈로 제작된 특정 애플리케이션용 제어 보드, 또는 여러 IC를 조합해 제작된 특정 애플리케이 션용 제어 보드 형태로 구현될 수 있다.

<그림9> 원격 제어와 로컬 제어

모터와 앰프의 크기가 점점 더 많은 애플리케이션에서 ‘작을수록 좋다’는 것이 밝혀진 것처럼, 모션 제어를 사용하는 특히 아날로그 센서(예:사인/코사인 인코더)를 통합하는 기계를 구축할 때는 ‘가까울수록 좋다’ 는 말이 적용된다.

그 이유는 두 가지 단순한 원칙으로 요약된다. 신호 전송 거리가 짧을 수록 더 깨끗하고 정확한 신호를 얻을 수 있으며, 신호 전송 거리가 짧을 수록 서보 루프가 안전한 위상 여유를 유지하면서 더 빠르게 작동할 수 있다. 이 두 가지 요소는 모션 성능에 중요한 영향을 미치며, 특히 위치 정확도에 큰 영향을 준다.

일부 기계 애플리케이션에서는 신호 전송 거리가 짧아 져도 큰 성능 향상을 보지 못할 수 있지만, 더 작은 모터를 사용하는 시스템이나 나노미터 또는 피코미터 단위의 초고정밀도를 목표로 하는 사인/코사인 인코더와 같은 최신 인코더를 사용하는 시스템에서는 큰 성능 향상을 기대할수 있다. 마찬가지로, 높은 위치 또는 속도 제어 정확도를 유지해야 하는 스핀들에서는 빠른 서보 루프와 깨끗한 센서 신호가 성능에 큰 차이를 가져올 수 있다.

임베디드 모션 제어 솔루션
 

위에서 언급한 ‘가까울수록 좋다’는 원칙은 원격 장착 솔루션보다 임베디드 모션 제어 솔루션에서 뚜렷하다. 이러한 추세는 특히 소형 기계에서 두드러지지만, 반도체 장비, 실험실 장비, 포장 장비와 같은 대형 기계에서도 관찰할 수 있다.

이 ‘대형’ 애플리케이션에서는 임베디드 제어로 인해 큰모션 성능 향상이 없을 수 있지만, 기계 바로 근처에 위치한 단일 PCB 기반 임베디드 모션 솔루션은 기계에서 나오는 케이블 번들을 사용하여 원격 장착 제어 랙이나 산업용 컴퓨터에 연결하는 제어 설정이 있는 기계에 비해 최종 솔루션이 더 컴팩트해진다.

비용 측면에서 임베디드 제어는 모듈 또는 보드 기반 제어보다 저렴할 수 있지만, 이는 생산량에 따라 달라진다. 로컬 PCB가 IC 레벨로 설계된 경우 초기 설계 노력이 더많이 필요하지만, 생산량이 충분하면 더 많은 기계에 걸쳐 비용이 분산되어 시스템당 비용이 더 낮아질 수 있다.

또한 애플리케이션 맞춤형 임베디드 제어 보드를 구축 하는 장벽을 낮추는 새로운 모션 제어 장치가 등장했다. 지능형 앰프, 프로그래밍 가능 앰프 또는 모션 제어 모듈로 불리는 이 PCB 장착형 장치는 맞춤형 제어 보드 제작 작업을 크게 간소화한다.

이러한 장치들이 기계 제어 기능과 관련된 모든 무거운 작업을 처리하기 때문에 그렇다. 이 장치들은 사용자 애플 리케이션 코드를 실행하고, 모션 프로파일을 생성하며, 서보 위치 결정을 처리하고, 온보드 앰프를 통해 모

터를 구동할 수있다. 또한 이 장치들은 일반적으로 직렬, CAN 및 Ethernet 인터 페이스를 제공한다. 가장 중요한 점은 이 장치들이 작고, 보통 한면이 3~4cm 정도라는 것이다. <그림10>은 이러한 PCB 장착형 모션 제어 모듈 장치의 대표적인 예를 보여준다.

<그림10> 대표적인 올인원 모션 제어 모듈

아키텍처가 배선에 미치는 영향
 

기계 제어 설계에서 아키텍처의 중요성에 대한 논의를 마무리하 면서, 이번에는 아키텍처가 배선에 미치는 영향을 살펴보겠다.

<그림11>은 중앙 집중형/원격 제어와 분산형/로컬 제어가 적용된 6축 제어 시스템을 보여준다. 두 시스템 모두 최신 모션 제어 기술을 사용한다고 해도, 연결 아키텍처는 배선의 차이로 인해 시스템 무게에 영향을 미친다. 

<그림11> 중앙 집중식 및 분산형 아키텍처

간단한 예시를 통해 설명해보겠다. 여기에서는 중앙 집중형 제어 방식과 분산형 제어 방식이 동일한 6개의 모터를 서빙하는데 필요한 배선들을 비교해 본다. 각 모터는 중심에서 반지름 0.31m (12인치) 거리에 위치해 있다. 3상 브러시리스 DC 모터와 케이 스/쉴드 선이 사용된다고 가정하고, 각 축마다 더 무거운 (14 AWG) 모터 연결 4개와 더 가벼운 (24 AWG) 센서/신호 선 10개가 사용된다고 가정한다.

분산형 시스템에서는 각 드라이브가 모터 근처에 위치하며, 2 선 (14 AWG) HV 전원과 6선 (28 AWG) 네트워크 연결이 제공된다. 다른 모든 선들, 예를 들어 모터 코일에 연결되는 더 무거운 선과 모터의 센서로 연결되는 더 가벼운 선은 모두 로컬에 위치하며 길이는 2인치로 가정된다.

이 예시 계산은 두 가지를 보여준다. 첫째, 많은 시스템에서 배선의 무게가 제어 장치의 무게를 초과할 수 있다는 점이다. 둘째, 분산형 아키텍처는 중앙 집중형 시스템에 비해 배선의 무게를 최대 절반까지 줄일 수 있다는 점이다. 그럼에도 불구하고 이 예시 에서 보여주듯이, 배선의 무게는 모터의 무게에 비해 상대적으로 작은 비율을 차지하며, 일반적인 기계에서 약 5%에서 10% 정도에 불과하다.

놀라운 발전 이룬 모션 제어 장치
 

모바일 및 휴대용 모션 응용 프로그램이 환자 치료 장치, 모바일 로봇, 드론 등으로 작동하는 다양한 장치들의 요구로 인해 급격히 인기를 얻고 있다. 작은 모터들은 출력 비율 면에서 의미 있는 개선을 이루었으며, 특히 폐쇄 루프 스텝 모터는 DC 브러시 모터, 브러시리스 DC 모터, 전통적인 스텝 모터 외에 사실상 네 번째 위치 지정 모터 유형을 형성하고 있다.

모션 제어 전자 장치는 지난 20년 동안 놀라운 발전을 이루었 으며, 크기와 무게가 한 차원 이상 줄어들었다. 또한, 이러한 새로운 제어 장치들은 효율성을 최적화하고 열 발생을 최소화하는 새로운 제어 기법을 실행할수 있는 충분한 전력을 제공한다. 여기 에는 FOC(필드 지향 제어), 폐쇄 루프 스텝퍼, PWM 주파수 최적화 등이 포함된다.

마지막으로, 아마도 점점 더 소형화된 제어 장치들이 미치는 가장 큰 영향은 기계 아키텍처를 재구성할 수 있게 한다는 점일 것이다. 중앙 집중형 모션에서 로컬/임베디드 모션으로 전환함으로써 신호 무결성 향상, 서보 루프 속도 향상, EMI 감소, 신뢰성 향상, 비용 절감 등의 이점을 얻을 수 있다.

자료제공: PMD(www.pmdcorp.com)