*강좌4
서보/스텝핑모터를 다루는데 있어서 필자의 생각.
미쯔비시 서보나 파나소닉, 야스까와, 도에이, OEMAX, LG 같은 회사의 서보모터를 다루는데 있어서 중요한 것 한가지가 있다.
그것은 서보모터의 경우, 어느 한 회사의 모델을 완전히 이해하고, 다룰줄 안다면, 다른 회사의 서보도 다루는 데, 큰 어려움이 없다는 것이다.
필자는 과거, 미쯔비시, 파나소닉, 야스까, OEMAX, LG, 기타 국내에서 판매되는 왠만한 서보는 다 다루어 봤다. 그리고, 미쯔비시 서보, 인버터의경우는 부분적이기는 하지만, A/S를 한적도 있다.
앞에서 얘기한 것처럼, 한가지를 완전히 이해하고, 원리를 파악하고, 다룰줄 안다면, 이러한 것들이 가능해 지는 것이다.
그래서 몇 번째 강좌가 될런지는 알수 없지만...앞으로 강좌를 진행 해 나가면서 서보모터와 관련해서 조금은 깊게 내용을 다루게 될 것이다.
서보와 스텝핑의 장단점을 약간의 예를 들어 설명해 보겠다.
몇가지 용어.
Encoder : 모터의 회전되는 위치와 회전량을 알기 위해 부착한 장치.
로타리형 엔코더와 직선모양으로 되어 있는 리니어서보에서 사용되는 엔코더 크게 두종류가 있다. 그냥 엔코더만을 판매하기도 하는 데, 이러한 엔코더는 회전량을 알아내는 데 사용한다.
비교적 정밀하고, 응답이 빠르다. 일반적으로 충격에 약하다.
리졸버 : 엔코더처럼 모터의 회전량을 알아내는 사용하는 장치.
그렇게 많이 사용하는 장치는 아니지만, 엔코더와 리졸버는 장단점이 있다. 신호는 엔코더와 같은 A, B, Z 상으로 출력 가능하다.
엔코더에 비해 응답성과 정밀도가 떨어지고, 충격에 강하다.
축(axis) : 모터의 갯수를 의미하는 단어이다. 4축이라면, 4개의 모터를 제어하는 것을 의미한다.
보간(interpolation) : 보간이라함은 대각선으로 된 직선, 원호 같은 동작을 의미한다. 동시에 몇축을 보간할수 있는가도 제어를 할 때에 중요한 변수가 되기도 한다. 현재, 판매되고 있는 Motion Controller는 동시 16축을 동시보간 할수 있는 보드까지 나와 있다.
동시제어와 동기제어 :
동시제어 : 보간제어와 비슷한 의미로 생각하면 된다. 그러나 동시제어는 보간이 아닌, 동시에 몇 개의 축을 동시에 제어 한다는 의미도 같이 있기 때문에 보간제어와 동시제어라는 말로 구분하고 있다.
동기제어 : 하나의 동작이 끝남과 동시에 다른축을 구동하는 형태의 제어이다. 흔히들 시퀀스 제어라고도 한다.
스텝핑모터의 장단점:
스텝핑모터는 장점으로 꼽히는 것이 크게 두가지로 요약될 것이다.
제어하기 쉽다와 정지시 움직이지 않는 다는 것일 것이다.
일반적으로 전자를 하는 사람의 입장에서는 펄스를 발생시켜서 무언가를 제어한다는 것은 다른 방법들에 비해서 비교적 쉽고 저렴한 가격으로 제어를 할수 있는 방법이기 때문이다.
또한 스텝핑모터는 치차에 의한 구조(이와 이가 맞물리는 형태의 구조)로 되어 있기 때문에 모터가 견딜수 있는 외란(외부에서 가해지는 임의의 힘)에 대해서는 꼼짝하지 않고, 그 위치를 유지한다. 모터가 견딜수 없는 외란이 발생되었을 경우, 스텝핑에서는 탈조라는 표현을 사용하는 데, 외부의 힘에 견디지 못하고, 획 돌아버리는 것을 의미하며, 사실상의 제어가 불가능해진 상태라 하겠다.
그러나, 장점이 단점으로 작용하는 부분이 있다.
그 하나는 펄스로 제어된다는 점이다. 펄스는 0 과 1 두가지 경우밖에 없다. 예를 들어, 스텝모터를 1 rpm으로 제어한다고 해보자
그리고, 계산하기 쉽게, 이 스텝모터는 60 pulse를 주면, 1회전하는 스텝핑 모터라고 해보자.
아마, 이 스텝모터는 디지털시계의 초침과 똑같이 움직일 것이다.
1초라는 긴 시간동안에...펄스가 하나 튀어 나올 때까지 기다렸다가 펄스가 나오면 그때, 한 스텝을 움직이는 것이다.
제어하기 쉬운 반면, 이러한 단점이 있다.
물론, 이해하기 쉽게 하느라, 이렇게 과장된 예를 들었지만, 일반적으로, 스텝모터는 1000 pulse 로 1회전을 하는 것과 500 pulse 로
1회전을 하는 두가지 타입이 있다. Full Step과 Half Step 이란 말로 얘기하기도 한다. 회전각도를 보면, 0.36도, 0.72도가 된다. 뒤집어서 얘기하면 이 중간의 각도로는 제어가 되지 않는다는 의미이다.
요즘의 고성능 스텝핑 모터들은 4000펄스이상의 것들도 나오긴 한다. 마이크로 스텝핑이라고 해서 더 정밀하게 제어되는 스텝핑모터가 있기는 하지만, 엔코더까지 장착한다면, 아마도 서보보다도 더 비싸거나 같은 수준으로 가격이 될 것이다.
그리고 스텝모터는 대용량의 모터가 생산되지 않는다.
대용량이라함은, 수KW 이상의 것들을 말한다. 물론 스텝모터에서는 watt 로 용량을 표현하지 않고, 전류로 몇 암페어라는 것으로 용량을 표현한다.
또한가지 단점은 소음이 난다는 것이다.
전에 개그맨들의 개그중 틴틴파이브의 로보캅이 냈던 소리이다.
"잉~차칵 마이네임 이즈 XX로보캅3" 뭐 이런 대사 말이다.
여기에서 잉~ 소리이다. 스텝모터에서는 고유의 이러한 소음이 나는 데, 서보모터에서는 스텝모터에 비해 비교적 이러한 소음이 적은편이다.
서보모터의 장단점:
스텝모터에 비해 서보모터의 장점은 꽤 많다.
단점부터 얘기하면,
스텝모터는 정지시 외란에 대해 움직이지 않지만, 서보는 움직인다. 왜냐하면, 서보드라이브는 P, I, D 제어 알고리즘을 가지고 동작한다. 외란이 없는 상태에서 외란이 들어오면, 일단 몇 펄스를 외란이 가해진 쪽으로 움직였다가 원래 위치로 돌아간다.
또 한가지는 정지시에도 최소한 ±1펄스를 흔들고 있다는 것이다.
이유는 P, I, D 제어 알고리즘에 기인한다. 엔코더를 읽어서 위치를 제어하기 때문에 나타나는 현상이다.
또 한가지는 엔코더를 사용한 것으로 인한 문제점이다. 엔코더에 노이즈가 들어오거나 결선상태가 부분 단선인 경우, 그대로 에러로 나타나며, 찾아내기도 어렵다.
정지시에 움직이지 말아야 하는 Application 의 경우, 서보를 적용할 수 없다는 것이다. 물론, 여러 가지 방법으로 이러한 문제를 해결하고 있기는 하지만, 스텝모터에 비해 불리한 조건임에는 틀림없는 사실이다.
또한, 아날그로 제어하는 경우, 제어부를 구성하는 데 복잡하고, 비용이 많이 든다는 점도 단점의 하나이다. 그러나, 제어하는 모터의 축수가 많아지면 많아질수록, 제어가 복잡하면 복잡할수록 PC를 이용한 제어쪽이 상대적으로 가격이 저렴해지고, 상대적으로 구성이나 배선이 간단해지는 장점을 가지고 있다.
장점은, 고속으로 제어되면서 정밀하게 제어할 수 있다는 것이다.
보편적으로 3000rpm의 서보가 보통이지만, 고속으로 동작하는 서보는 10000rpm 이상으로 동작하는 서보도 있다. 또한, 엔코더의 분해능도 적게는 1000 pulse 부터 131072 pulse 까지 나와 있기 때문이다.
131072 라고 하면, 0.00274658203125 도의 정밀도이다. 이는 스텝모터의 0.36도에 비하면, 어마어마한 정밀도이다.
이것을 제어정밀도로 환산해 보면, 볼스크류 10㎜를 사용하고, 10000 pulse 가 1회전인 서보의 경우, 1펄스로 제어할 수 있는 최저 정밀도는 1㎛이다. 1㎛는 1000 분의 1 ㎜정밀도이다.
131072인 경우는 0.0762939453125 ㎛의 정밀도이다. 물론, 기구부의 정밀도가 이를 따라와 주어야 하겠지만 적어도 제어부의 정밀도는 이정도가 된다는 말이다.
대부분의 서보에 내장된 Auto Tunning 기능이 있고 내장된 보호기능과 추가 기능이 많다는 것이다. 보호기능에는 메이커나 기종에 따라 다르긴 하지만 과전류, 과전압, 저전압, Self Test, 편차과대, 엔코더의 파손, 과속도, 모터과열, 과부하 이러한 많은 보호기능과 자체진단 기능들이 있다. 리미트센서와 EMERGENCY, 기타 모니터링을 위한 부분들도 상당수 AC서보드라이브들은 갖추고 있다.
리니어서보의 경우는 조금 다른 부분이 있다. 일단, 제어는 Motion Controller 라는 제어보드에 의존하는 경우가 많다. 대부분의 제어가 이 Motion Controller에 의존하며, 대부분이 PC를 이용한 제어이다.
독립적인 어떠한 Controller를 사용하는 것은 어렵다고 생각된다.