FA제어관련[강좌7]

[nf타]

*강좌 7
강좌7에 앞서 몇가지 참고 될만한 내용을 얘기하고 넘어가자!

스핀들 모터 : 5000∼20000 rpm 이상의 고속회전을 필요로 하는 제어에 사용한다. 모터의 속도를 제어하는 것은 인버터로 속도를 제어 한다.
모터의 용량, 크기, 성능등에 따라 다양한 종류와 메이커가 있는 데, 가격이 천차만별이다. 사용하는 목적에 따라 속도를 올리기 위해 벨트와 풀리를 이용해서 증속이나 감속을 하기도 하고, 토크를 키우기도 한다.
보통 사용하는 경우가 조각기나 밀링이나 선반의 재료를 깍는 용도로도 사용되고, 반송이나 운송 같은 곳에도 사용한다.

엔코더의 체배 : 일반적으로 모터의 엔코더는 체배기능을 가지고 있다.
보통은 4체배가 최대 값이다. 또한, 체배 기능은 1, 2, 4 의 3가지의 경우밖에 없으며, 3체배는 사실상 않된다.
예를 들어 1회전당 1000펄스의 모터가 있다면, 4체배 하여, 4000펄스의 정밀도까지 제어가 가능하다는 얘기다.
이러한 체배기능은, 모터와 드라이브의 성능에 좌우되므로, 모터와 드라이브의 판매처에 문의해야 알수 있는 사항이다. 매뉴얼을 자세하게 검토해봐도 알수 있을 것이다.

서보모터의 제어에 있어서 전자기어비 :
앞에서 얘기한 엔코더의 체배기능을 이용한, 제어에 있어서 기어비를 설정하는 것이다. 서보모터를 펄스를 입력으로 하여, 위치형 서보로 제어하는 경우에 적용가능한 기능이다.
입력된 펄스에 대해서 얼마의 비율로 동작 시킬 것인가를 설정하는 값이다.
예를 들어, 모터의 1회전당 펄스의 수가 1024 펄스인 서보모터가 있는 경우, 그리고, 4체배 했을 경우, 4096 펄스가 1회전이 되는 서보 모터라고 한다면, 적은 펄스로 많은 회전수를 얻기위해서는 1:2 와 같이 설정하면, 1펄스의 입력에 2펄스만큼을 움직이므로, 적은 펄스로 회전량을 빠르게 할 수 있고, 반대로 2:1로 하면, 2개의 펄스로 1펄스를 움직이게 한다.
요즘의 AC서보는 보통은 위치형으로 제어하는 경우와는 상관 없지만...
속도형으로 제어하는 경우, 1회전당 엔코더의 출력펄스의 수를 유저가 설정하는 것이 가능한 것이 많다. 예를 들면, 8192인 것을 8000으로 설정하는 것이 가능하다는 얘기다.
전자기어비는 서보를 펄스로 제어할 때, 사용하는 파라메터이다.

Tunning : 모터를 제어하기에 적합하도록 P, I, D 의 값을 설정하는 것. 우리말로는 시정수를 맞춘다라고 표현하기도 한다. 대부분의 AC 서보는 드라이브가 자동으로 튜닝을 해주는 파라메터가 있기 때문에 대부분의 펄스로 제어를 하는 AC 서보 사용자들은 튜닝을 할 기회가 별로 없다.
그러나, 모션보드를 사용하여 아나로그로 모터를 제어하는 경우 모든 모터의 튜닝은 제어를 하는 사람의 몫이 된다. 그러므로, 모터를 튜닝하는 방법을 알고, 각각의 부하나 구동하는 구조물의 특성을 얼마나 많이 다루어 봤고, 어떠한 구조물에서는 어떠한 파라메터가 제어에 영향을 주는 가에 대한 것을 숙지하고 있는 것도 중요한 것 중의 하나이다.
경험이 없이 모터를 튜닝하는 경우, 심한 경우에는 모터 하나를 튜닝하는 데 걸리는 시간이 하루 이상이 걸리는 경우도 있기 때문이다.

그럼, 이제 튜닝에 대한 내용을 이번 강좌에서 시작할까 한다.
이 튜닝은 모터에서만의 튜닝과 보드를 사용한 튜닝이 조금 다른 부분이 있긴하지만...상당부분이 비슷하다.

모터를 튜닝하는 경우를 얘기해 보자!
일반적으로 튜닝을 하는데 있어서 보통 P, I, D 세가지의 게인을 맞추는 것을 튜닝이라고 한다.

PID 의 P 는 Proportional Gain, I 는 Integration Gain, D 는 Derivative Gain 의 머리글자이다.

각각의 게인이 의미하는 것이 제어공학을 배운사람이라면, 그 의미는 기본적으로 어떤 성분인지 대충은 알 것이다.
실제로 모터를 제어하는 데, 부하나 부하의 조건, 상태에 따라 어떻게 튜닝을 하는 지를 얘기하려는 것이다.
일반적인 AC서보에서는 Auto Tuning 이라는 것이 있어서 비교적 튜닝이 쉽긴하지만...간혹 수동 튜닝을 해야 하는 경우도 있다.

P 는 지령한 값에 얼마만큼 빨리 추종하게 하는 가에 대한 게인이다.
이 게인값이 낮으면, 지령한 값에 도달하는 데 걸리는 시간이 많이 걸리고, 반면, 시스템은 비교적 안정된 형태로 동작한다.
즉, P 게인이 높으면, 제어에 대한 응답성은 높아지고, 시스템은 불안정한 상태에 가까워 지고, P 게인이 낮으면, 응답성은 낮아지고, 시스템은 상대적으로 안정한 쪽에 가까워 진다는 얘기다.

shooting 이나 hunting 은 모터가 제어가 되지 않고, 제어권을 벗어나는 상태를 의미한다.
외란에 대해서 shooting 이나 hunting(맞는 표현인지는 모르지만...
필자는 헌팅이라고 말을 많이 사용한다) 같은 현상이 게인이 높은 경우에 비해 적다는 것이다.

I 는 P 게인에 대해 오버슈팅한 것을 목표값으로 끌어 내리는 작용을 한다. 이 P 게인과 I 게인의 값에 의해 대부분의 모터를 제어가 가능한 상태가 되는 데, 문제는 얼만큼 빨리 목표값으로 빨리 끌어 내리는 가에 대한 것이 이 게인이 얼만큼 큰가에 따라 변하게 된다.
보편적으로 기계부의 조립과 가공이 정상적이라면, 이 P, I 게인만으로도 비교적 정밀하게 제어되는 것을 볼수 있다.

D 는 시간지연요소를 포함한 게인이다. 이 게인은 대부분 벨트나 원판부하에서 많이 사용되는 게인으로, 이러한 부하에서는 P, I 게인만을 사용하는 경우, 벨트나 원판에서 웅~하고 울리는 소리가 나거나 심한경우 가만히 제위치에 있지를 못하고, 마구 흔들리고 떠는 현상이 발생한다. 이러한 것을 제어 가능하게 해주는 게인이 D 게인이다.

자! 그럼! 실제로 튜닝하는 순서를 실제의 예를 들어가며 얘기해 보자!
우선, 서보모터에 연결된 모든 부하를 제거한, 무부하 상태에서...
서보모터와 드라이브를 엔코더선과 전원 케이블을 연결한 상태에서...
전원을 인가한다. 물론 기본적인 파라메터를 설정하고, 위치형으로 쓴다는 가정하에...
요즘의 AC서보는 내부적으로 튜닝을 할수 있는 파라메터들이 내장되어있다. 그러한 것들을 이용하자!
우선은 P 게인을 드라이브 내부에 있는 Default 값을 가지고, 조그로 운전을 해본다. 이때, 가감속 시간과 이동거리값을 펄스값으로 설정하고, 조그운전을 해본다. 이렇게 하면, I, D 게인이 없는 경우, 입력한 거리만큼을 이동하지 않고, 덜 가서 정지할 것이다.
P값을 조금씩 올려본다. 이렇게 P 게인을 조금씩 올리면, 정지하는 위치에서의 에러값이 조금씩 줄어드는 것을 볼수 있을 것이다.
어느정도 이상 P 게인을 올리면, 그 이상 에러에 대한 편차가 줄지 않는 값에 도달한다. 이때가 P 게인의 최소값이라고 보면 된다.
이때의 값 보다 약간 작은 값을 설정해 놓는다.
다음은 I 게인을 조금씩 올려본다. 이때는 에러값이 정정되는 시간이, I 게인이 작을 때보다, 커지면서 정정되는 시간이 줄어드는 것을 볼수 있다.
너무 큰값을 사용하면, 시스템이 불안정해지고, 외란에 빠르게 반응하므로 P 게인을 설정할 때처럼 어느정도 에러 정정 시간이 줄어든 이후, 더 값을 높여도, 줄지 않게 되는 값이 나타난다. 이때보다, 약간 작은 값을 설정하면 된다.
D 게인은 보통은 볼스크류 같은 부하에서는 거의 D 게인이 사용되지않지만, 기계의 특성이 D 게인을 사용해야 하는 경우도 있다.
일반적으로 D 게인을 사용하지 않게 만들어진 구조물에서는 D 게인을 사용하면, 시스템이 떠는 현상이나, 웅∼ 하면서 진동음이 발생하는 현상이 나타난다. 이 D 게인은 시스템이 진동하는 주파수에 대해 상쇄시키는 역할을 담당한다고 생각하면 거의 맞을 것이다.

이상은 기본적인 P, I, D 게인을 사용하는 데 있어서 기본적인 내용들을짚어봤다. 추가적으로 게인에 해당하는 것들은 Feedforward 게인이 있다.
서보드라이브의 메이커나 성능에 따라 있는 것과, 없는 것이 있다.

Feedforward 게인 : 이 게인은 성분은 P 게인과 비슷한 성분이다.
부하의 관성이 많은 경우, 이 Feedforward 게인을 사용하여 에러가 커지는것을 감안하여 미리 더 큰값을 가지고 모터를 제어하게 하여 에러의 크기를 줄이는 파라메터이다.
Velocity Feedforward 게인, 가감속 Feedforward 게인 등이 있으며, 가감속 Feedforward 게인은, 말그대로 가속할 때와 감속할때에 관계된 Feedforward 게인이고, Velocity Feedforward 게인은, 등속구간에서의에러 값을 줄이기 위한 게인이다.
지금까지 설명한 P, I, D 게인에 대한 설명을 했는 데, 다음 강좌에서는 모션보드를 이용한 튜닝에 대해 설명하려한다.