2~3축의 전기 액추에이터만 필요한 기계를 자동화하는 경우, 펄스 출력이 가장 간단한 방법일 수 있습니다.

PLC의 펄스 출력을 사용하는 것은 간단한 모션 제어를 구현하는 데 비용 효율적인 방법입니다. 대부분의 PLC 제조업체는 펄스 트레인 신호를 사용하여 서보 모터와 스테퍼 모터를 제어하는 ​​기능을 제공합니다. 따라서 간단한 기계를 전기 액추에이터를 사용하여 2축 또는 3축으로만 자동화해야 하는 경우, 아날로그 신호를 사용하는 것보다 펄스 출력을 사용하는 것이 설치, 배선 및 프로그래밍이 훨씬 간편할 수 있습니다. 또한 이더넷/IP와 같은 네트워크 기반 모션 제어 방식보다 비용이 적게 들 수도 있습니다.

그럼 컨트롤러와 모터 사이에 드라이버나 앰프를 연결하여 스테퍼 모터나 서보 모터를 제어하는 ​​방법을 살펴보고, 특히 컨트롤러나 인덱서에서 나오는 펄스 신호에 초점을 맞춰 보겠습니다.

펄스 트레인 기본 사항

스테퍼 모터와 펄스 제어 방식의 서보 모터는 양방향으로 회전할 수 있습니다. 따라서 컨트롤러는 최소한 두 개의 제어 신호를 드라이브에 제공해야 합니다. 이러한 신호를 제공하는 방법에는 두 가지가 있으며, 제조사마다 명칭이 다릅니다. 일반적으로 사용되는 두 가지 제어 신호 방식은 "1P 모드"(스텝/방향 모드)와 "2P 모드"(시계 방향/반시계 방향 모드)입니다. 두 모드 모두 컨트롤러에서 드라이브로 두 개의 제어 신호를 보내야 합니다.

1P 모드에서는 하나의 제어 신호가 펄스 트레인 또는 "스텝" 신호이고, 다른 하나는 방향 입력 신호입니다. 방향 입력이 켜져 있고 스텝 입력에 펄스 신호가 있으면 모터는 시계 방향으로 회전합니다. 반대로 방향 신호가 꺼져 있고 스텝 입력에 펄스 신호가 있으면 모터는 반대 방향, 즉 반시계 방향으로 회전합니다. 원하는 회전 방향과 관계없이 펄스 트레인은 항상 동일한 입력에 인가됩니다.

2P 모드에서는 두 신호 모두 펄스 트레인입니다. 한 번에 하나의 입력에만 주파수가 부여되므로, CW 펄스 트레인이 있으면 모터는 CW 방향으로 회전합니다. CCW 펄스 트레인이 있으면 모터는 CCW 방향으로 회전합니다. 어떤 입력에 펄스 트레인이 전달되는지는 원하는 회전 방향에 따라 달라집니다.

컨트롤러에서 출력되는 펄스가 모터를 회전시킵니다. 모터는 드라이브의 펄스 입력에 가해지는 펄스마다 1회전씩 회전합니다. 예를 들어, 2상 스테핑 모터의 회전당 펄스 수가 200개(ppr)라면, 펄스 1개는 모터를 1/200회전(1.8도)시키고, 펄스 200개는 모터를 1회전시킵니다.

물론 모터마다 해상도가 다릅니다. 스테퍼 모터는 마이크로 스텝 방식으로 작동하여 회전당 수천 개의 펄스를 생성할 수 있습니다. 또한 서보 모터는 일반적으로 최소 해상도로 회전당 수천 개의 펄스를 제공합니다. 모터 해상도와 관계없이 컨트롤러 또는 인덱서에서 전달되는 펄스는 모터를 한 단위만큼만 회전시킵니다.

모터의 회전 속도는 펄스의 주파수, 즉 속도에 따라 달라집니다. 펄스가 빠를수록 모터 회전 속도도 빨라집니다. 위 예시에서 펄스당 펄스 수(ppr)가 200인 모터의 경우, 초당 200펄스(pps)의 주파수는 모터를 초당 1회전(rps) 또는 분당 60회전(rpm)으로 회전시킵니다. 모터를 1회전시키는 데 필요한 펄스 수가 많을수록, 동일한 속도를 얻기 위해서는 펄스를 더 빠르게 보내야 합니다. 예를 들어, 펄스당 펄스 수가 1,000인 모터는 동일한 rpm을 얻기 위해 펄스당 펄스 수가 200인 모터보다 몇 배 더 높은 주파수가 필요합니다. 계산은 매우 간단합니다.

rps = pps/ppr (초당 회전수 = 초당 펄스 수/회전당 펄스 수)

rpm = rps(60)

펄스 제어

대부분의 컨트롤러는 모터가 시계 방향(CW)으로 회전해야 하는지 반시계 방향(CCW)으로 회전해야 하는지를 판단하는 방법을 가지고 있으며, 그에 따라 신호를 적절하게 제어합니다. 다시 말해, 프로그래머가 어떤 출력을 켜야 하는지 직접 결정할 필요는 일반적으로 없습니다. 예를 들어, 많은 PLC에는 펄스 신호를 사용하여 동작을 제어하는 ​​기능이 있으며, 이 기능은 컨트롤러가 1P 모드 또는 2P 모드로 설정되어 있는지 여부와 관계없이 출력을 자동으로 제어하여 올바른 회전 방향을 구현합니다.

간단한 예로 두 가지 동작을 생각해 보겠습니다. 두 동작 모두 1,000펄스입니다. 하나는 정방향(양의 방향)이고 다른 하나는 음의 방향(반시계 방향)입니다. 컨트롤러는 명령된 펄스 수가 1,000펄스일 때 1P 또는 2P 출력 중 적절한 출력을 켜서 모터가 정방향(일반적으로 시계 방향)으로 회전하도록 합니다. 반대로 프로그램에서 -1,000펄스를 명령하면 컨트롤러는 적절한 출력을 켜서 모터가 음의 방향(일반적으로 반시계 방향)으로 회전하도록 합니다. 따라서 프로그래머는 프로그램 코드에서 사용할 출력을 선택하여 모터 회전 방향을 제어할 필요가 없습니다. 컨트롤러가 자동으로 제어합니다.

일반적으로 컨트롤러와 드라이버는 딥 스위치 또는 소프트웨어 설정을 통해 사용자가 펄스 유형을 선택할 수 있는 기능을 제공합니다. 컨트롤러와 드라이버의 설정이 동일한지 확인하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 작동이 불안정하거나 전혀 작동하지 않을 수 있습니다.

절대적 이동과 점진적 이동

모션 제어 프로그래밍에서 가장 흔하게 사용되는 두 가지 이동 명령은 증분 이동 명령과 절대 이동 명령입니다. 절대 이동과 증분 이동의 개념은 모터 제어 방식과 관계없이 많은 사용자를 혼란스럽게 합니다. 하지만 이 정보는 모터가 펄스, 아날로그 신호 또는 이더넷/IP나 이더캣과 같은 네트워크로 제어되는 경우 모두에 적용됩니다.

첫째, 모터에 엔코더가 장착되어 있더라도 동작 유형은 엔코더 종류와는 무관합니다. 둘째, 절대 이동과 증분 이동은 엔코더가 있든 없든, 또는 엔코더가 전혀 없더라도 수행할 수 있습니다.

볼 스크류 액추에이터와 같은 선형 축을 모터로 움직일 때, 액추에이터의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지의 거리는 (당연히) 유한합니다. 다시 말해, 캐리지가 액추에이터의 한쪽 끝에 있을 때, 모터는 캐리지가 반대쪽 끝에 도달할 때까지만 회전할 수 있습니다. 이 거리가 스트로크 길이입니다. 예를 들어, 이동 거리가 200mm인 액추에이터의 경우, 액추에이터의 한쪽 끝은 일반적으로 "원점" 또는 홈 위치입니다.

절대 이동은 캐리지의 현재 위치와 관계없이 명령된 위치로 캐리지를 이동시킵니다. 예를 들어, 현재 위치가 0이고 명령된 이동 거리가 100mm인 경우, 컨트롤러는 액추에이터를 100mm 지점까지 이동시킨 후 정지할 수 있도록 충분한 펄스를 보냅니다.

하지만 액추에이터의 현재 위치가 150mm라면, 100mm의 절대 이동은 컨트롤러가 음의 방향으로 펄스를 보내 액추에이터를 50mm 뒤로 이동시켜 100mm 위치에서 멈추게 합니다.

실용적인 용도

펄스 제어를 사용할 때 가장 흔한 문제는 배선 문제입니다. 신호가 실수로 반대로 연결되는 경우가 많습니다. 2P 모드에서는 반시계 방향 출력이 시계 방향 입력에 연결되고, 반대로 시계 방향 입력이 반시계 방향 입력에 연결되는 경우가 있습니다. 1P 모드에서는 펄스 신호 출력이 방향 입력에 연결되고, 방향 신호 출력이 펄스 입력에 연결되는 경우가 있습니다.

2P 모드에서 이 배선 오류로 인해 모터가 반시계 방향으로 회전하라는 명령을 받으면 시계 방향으로 회전하고, 시계 방향으로 회전하라는 명령을 받으면 반시계 방향으로 회전합니다. 1P 모드에서는 문제 진단이 더 어렵습니다. 신호가 서로 바뀌면 컨트롤러는 방향 입력에 펄스 열을 보내지만 아무런 동작도 하지 않습니다. 또한 스텝 입력에는 방향 변경(방향에 따라 신호를 켜거나 끄는) 신호를 보내 모터가 펄스 형태로 회전하게 할 수 있습니다. 하지만 이러한 미세한 움직임은 육안으로 확인하기가 매우 어렵습니다.

2P 모드를 사용하면 문제 해결이 더 쉬워지고, 이러한 유형의 모션 제어에 경험이 많지 않은 사람들도 이해하기가 더 쉽습니다.

펄스 및 방향 축 문제 해결에 소요되는 시간을 최소화하는 방법을 소개합니다. 이 방법을 사용하면 엔지니어는 한 번에 한 가지 문제에 집중할 수 있습니다. 따라서 배선 오류 때문에 동작이 제대로 작동하지 않아 며칠씩 허비하다가 결국 PLC에서 펄스 출력 기능이 잘못 설정되어 펄스가 전혀 출력되지 않았다는 사실을 알게 되는 상황을 방지할 수 있습니다.

1. 사용할 펄스 모드를 결정하고 모든 축에 동일한 모드를 사용하십시오.

2. 컨트롤러를 올바른 모드로 설정하십시오.

3. 드라이브를 올바른 모드로 설정하십시오.

4. 컨트롤러에 가장 간단한 프로그램(일반적으로 조그 기능)을 만들어 모터가 저속으로 한 방향 또는 다른 방향으로 회전하도록 명령할 수 있도록 합니다.

5. 시계방향(CW) 움직임을 명령하고 컨트롤러에서 펄스가 출력되고 있음을 나타내는 상태 표시를 확인합니다.

컨트롤러 출력단의 LED나 PLC의 상태 플래그(예: 작동 중 플래그)를 통해 상태를 표시할 수 있습니다. 또한 컨트롤러의 펄스 출력 카운터를 모니터링하여 값의 변화를 확인할 수도 있습니다.

모터는 출력 펄스에 연결할 필요가 없습니다.

6. 시계 반대 방향으로 테스트를 반복하십시오.

7. 양방향으로 펄스를 출력하는 데 성공하면 다음 단계로 진행합니다. 그렇지 않으면 먼저 프로그래밍 방법을 파악해야 합니다.

8. 컨트롤러를 드라이버에 연결합니다.

9. 모터를 한 방향으로 움직여 봅니다. 작동하면 10단계로 진행합니다. 작동하지 않으면 배선을 점검합니다.

10. 모터를 반대 방향으로 돌려보세요. 작동하면 성공입니다. 작동하지 않으면 배선을 확인하세요.

초기 단계에서 펄스 주파수가 너무 낮아 모터가 1/100rps처럼 극도로 느리게 회전하기 때문에 많은 시간이 낭비됩니다. 모터 축의 움직임을 관찰하는 것만으로 작동 여부를 확인하는 경우, 축이 느리게 움직이는 것처럼 보이지 않아 펄스가 발생하지 않는다고 오해할 수 있습니다. 테스트 속도를 설정하기 전에 모터 해상도와 애플리케이션 매개변수를 기반으로 안전한 속도를 계산하는 것이 가장 좋습니다. 어떤 사람들은 단순히 추측으로 사용 가능한 속도를 설정할 수 있다고 생각하지만, 모터가 한 바퀴 회전하는 데 10,000펄스가 필요하고 펄스 주파수가 1,000pps로 설정되어 있다면 모터는 한 바퀴 회전하는 데 10초가 걸립니다. 반대로 모터가 한 바퀴 회전하는 데 1,000펄스가 필요하고 펄스 주파수가 1,000으로 설정되어 있다면 모터는 초당 1회전, 즉 분당 60회전(rpm)으로 회전합니다. 모터가 제한된 동작 거리를 가진 볼 스크류 액추에이터와 같은 부하에 연결된 경우, 테스트에 필요한 속도보다 너무 빠를 수 있습니다. 펄스가 출력되고 있음을 나타내는 표시기(LED 또는 펄스 카운터)를 주의 깊게 관찰하는 것이 중요합니다.

실제 적용을 위한 계산

사용자는 종종 HMI에서 기계의 거리와 속도를 밀리미터와 같은 공학 단위가 아닌 펄스 단위로 표시하는 경우가 있습니다. 프로그래머는 기계를 작동시키는 데 급급하여 기계 단위를 파악하고 이를 공학 단위로 변환하는 데 시간을 할애하지 않는 경우가 많습니다. 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 되는 몇 가지 팁을 소개합니다.

모터의 스텝 해상도(회전당 펄스 수)와 모터 회전당 이동 거리(mm)를 알고 있다면, 명령 펄스 상수는 해상도/회전당 거리 또는 회전당 펄스 수/회전당 거리로 계산됩니다.

이 상수를 이용하면 특정 거리를 이동하는 데 필요한 펄스 수를 구할 수 있습니다.

현재 위치(또는 거리) = 펄스 수/명령 펄스 수 (일정).

공학 단위를 펄스로 변환하려면 먼저 주어진 동작에 필요한 펄스 수를 결정하는 상수를 구해야 합니다. 위 예시에서 모터가 한 바퀴 회전하는 데 500펄스가 필요하고 한 바퀴 회전 거리가 10mm라고 가정해 보겠습니다. 이 상수는 500(펄스/펄스)을 10(mm/r)으로 나누어 계산할 수 있습니다. 따라서 상수는 500펄스/10mm, 즉 50펄스/mm입니다.

이 상수를 이용하여 주어진 거리를 이동하는 데 필요한 펄스 수를 계산할 수 있습니다. 예를 들어 15mm를 이동하려면 15mm × 50ppm = 750펄스가 필요합니다.

펄스 카운터 값을 공학 단위로 변환하려면 펄스 카운터 값을 명령 펄스 상수로 나누면 됩니다. 예를 들어 펄스 카운터 값이 6,000이면 위 예시에서 계산한 명령 펄스 상수로 나누면 액추에이터 위치는 6,000펄스/50ppm = 120mm가 됩니다.

속도를 mm 단위로 명령하고 컨트롤러가 적절한 주파수를 Hz(초당 펄스 수) 단위로 계산하도록 하려면 먼저 속도 상수를 결정해야 합니다. 이는 명령 펄스 상수(위 그림 참조)를 구하는 방식으로 이루어지지만 단위를 변경합니다. 즉, 모터가 500 ppr을 출력하고 액추에이터가 회전당 10 mm 이동하는 경우, 초당 500 펄스를 명령하면 액추에이터는 초당 10 mm 이동합니다. 초당 500 펄스를 초당 10 mm로 나누면 mm당 초당 50 펄스가 됩니다. 따라서 목표 속도에 50을 곱하면 적절한 펄스 주파수가 됩니다.

공식은 같지만 단위가 다릅니다.

속도 상수(pps) = 회전당 펄스 수 / 회전당 거리

펄스 속도(pps) = (속도 상수) × 속도(mm)

펄스 트레인 신호를 사용하여 동작을 제어하는 ​​방식은 처음에는 다소 복잡해 보일 수 있지만, 초기에 컨트롤러와 드라이브의 신호 유형 및 설정을 꼼꼼히 살펴보면 작동시키는 데 걸리는 시간을 줄일 수 있습니다. 또한, 기본적인 계산을 바로 수행하면 속도와 거리를 프로그래밍하는 것이 더 쉬워지고, 기계 조작자는 HMI에 표시되는 정보를 더욱 직관적으로 이해할 수 있습니다.