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

PLC의 펄스 출력을 사용하면 간단한 모션을 구현하는 데 비용 효율적인 방법이 됩니다. 대부분의 PLC 제조업체는 펄스 열 신호를 사용하여 서보와 스테퍼를 제어하는 ​​방법을 제공합니다. 따라서 전동 액추에이터에서 2축 또는 3축으로만 간단한 기계를 자동화해야 하는 경우, 펄스 출력은 아날로그 신호를 사용하는 것보다 설정, 배선 및 프로그래밍이 훨씬 간편할 수 있습니다. 또한 이더넷/IP와 같은 네트워크 모션을 사용하는 것보다 비용이 저렴할 수 있습니다.

그러면 컨트롤러와 모터 사이에 드라이버나 증폭기를 넣어 스테퍼 모터나 서보를 제어하는 ​​방법을 살펴보겠습니다. 특히 컨트롤러나 인덱서에서 사용하는 펄스 신호를 중심으로 살펴보겠습니다.

펄스 트레인 기본 사항

스테퍼 모터와 펄스 제어 서보 모터는 양방향으로 회전할 수 있습니다. 즉, 컨트롤러는 드라이브에 최소 두 개의 제어 신호를 제공해야 합니다. 이러한 신호를 제공하는 방법에는 두 가지가 있으며, 제조업체마다 명칭이 다릅니다. 사용하는 두 가지 제어 신호 체계를 일반적으로 두 가지로 구분합니다. "1P 모드"는 "스텝/방향 모드"라고도 하고, "2P 모드"는 "CW/CCW 모드" 또는 시계 방향/반시계 방향 모드라고도 합니다. 두 모드 모두 컨트롤러에서 드라이브로 두 개의 제어 신호를 전달해야 합니다.

1P 모드에서 하나의 제어 신호는 펄스 열 또는 "스텝" 신호입니다. 다른 신호는 방향 입력입니다. 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. 펄스 열은 원하는 방향과 관계없이 항상 동일한 입력에 연결됩니다.

2P 모드에서는 두 신호 모두 펄스열입니다. 한 번에 하나의 입력만 주파수를 가지므로, CW 펄스열이 있으면 모터는 시계 방향으로 회전합니다. CCW 펄스열이 있으면 모터는 반시계 방향으로 회전합니다. 어떤 입력이 펄스열을 수신하는지는 원하는 방향에 따라 달라집니다.

컨트롤러에서 출력되는 펄스가 모터를 움직입니다. 모터는 드라이브의 펄스 입력에 입력된 펄스 1개에 대해 증분 단위(incremental unit)만큼 회전합니다. 예를 들어, 2상 스테핑 모터의 회전당 펄스(ppr)가 200개라면, 1개의 펄스는 모터를 1/200 회전, 즉 1.8도 회전시키고, 200개의 펄스는 모터를 1회전시킵니다.

물론 모터마다 분해능이 다릅니다. 스테퍼 모터는 마이크로 스텝핑이 가능하여 회전당 수천 개의 펄스를 생성할 수 있습니다. 또한, 서보 모터는 일반적으로 최소 분해능으로 회전당 수천 개의 펄스를 갖습니다. 모터 분해능에 관계없이 컨트롤러나 인덱서에서 펄스가 발생하면 모터는 한 단위의 증분값만 회전합니다.

모터의 회전 속도는 펄스의 주파수, 즉 속도에 따라 달라집니다. 펄스가 빠를수록 모터의 회전 속도가 빨라집니다. 위의 예에서, 200ppr 모터의 경우, 초당 200펄스(pps)의 주파수는 모터를 초당 1회전(rps) 또는 분당 60회전(rpm)으로 회전시킵니다. 모터를 1회전(ppr)하는 데 필요한 펄스가 많을수록 동일한 속도를 얻기 위해 더 빠른 펄스를 보내야 합니다. 예를 들어, 1,000ppr 모터는 200ppr 모터보다 동일한 rpm으로 회전하려면 펄스 주파수가 몇 배나 높아야 합니다. 계산은 매우 간단합니다.

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

rpm = rps(60)

펄스 제어

대부분의 컨트롤러는 모터가 CW(시계 방향) 또는 CCW(반시계 방향)로 회전해야 하는지 판단하는 기능을 갖추고 있으며, 신호를 적절히 제어합니다. 즉, 프로그래머가 어떤 출력을 켜야 할지 직접 판단할 필요가 없습니다. 예를 들어, 많은 PLC에는 펄스 신호를 사용하여 동작을 제어하는 ​​기능이 있으며, 이 기능은 컨트롤러가 1P 또는 2P 모드로 구성되었는지 여부에 관계없이 출력을 자동으로 제어하여 정확한 회전 방향을 얻습니다.

간단한 예로 두 번의 동작을 생각해 보겠습니다. 두 동작 모두 1,000 펄스입니다. 하나는 양의 방향이고 다른 하나는 음의 방향입니다. 제어기는 1P 또는 2P 중 어떤 출력을 사용하든 적절한 출력을 켜서 명령된 펄스 수가 1,000일 때 모터를 양의 방향(일반적으로 CW)으로 회전시킵니다. 반면, 프로그램에서 -1,000 펄스를 명령하면 제어기는 적절한 출력을 켜서 음의 방향(일반적으로 CCW)으로 회전시킵니다. 따라서 프로그래머는 프로그램 코드를 사용하여 사용할 출력을 선택함으로써 모터 회전 방향을 제어할 필요가 없습니다. 제어기가 자동으로 이 작업을 수행합니다.

컨트롤러와 드라이버는 일반적으로 사용자가 딥 스위치 또는 소프트웨어 선택 설정을 통해 펄스 유형을 선택할 수 있는 기능을 제공합니다. 컨트롤러와 드라이버가 동일하게 설정되어 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 작동이 불규칙하거나 전혀 작동하지 않을 수 있습니다.

절대 이동 및 증분 이동

모션 제어 프로그래밍에서 가장 일반적인 두 가지 동작 명령은 증분형과 절대형 동작 명령입니다. 절대형과 증분형 동작이라는 개념은 모터 제어 방식에 관계없이 많은 사용자에게 혼란을 줍니다. 하지만 이 정보는 모터가 펄스, 아날로그 신호, 또는 이더넷/IP나 이더캣과 같은 네트워크로 제어되는지 여부에 관계없이 적용됩니다.

첫째, 모터에 엔코더가 있는 경우, 모터의 동작 유형은 엔코더 유형과 아무런 관련이 없습니다. 둘째, 절대 엔코더나 증분 엔코더가 있든, 엔코더가 전혀 없든 절대 및 증분 동작이 가능합니다.

볼스크류 액추에이터와 같은 선형 축을 이동시키기 위해 모터를 사용할 때, 액추에이터의 한쪽 끝과 다른 쪽 끝 사이에는 (물론) 유한한 거리가 있습니다. 즉, 캐리지가 액추에이터의 한쪽 끝에 있으면 모터는 캐리지가 반대쪽 끝에 도달할 때까지만 회전하여 이동할 수 있습니다. 이것이 스트로크 길이입니다. 예를 들어, 200mm 이동 거리를 가진 액추에이터의 경우, 액추에이터의 한쪽 끝은 일반적으로 "영점" 또는 원점입니다.

절대 이동은 캐리지의 현재 위치와 관계없이 캐리지를 명령된 위치로 이동합니다. 예를 들어, 현재 위치가 0이고 명령된 이동 거리가 100mm인 경우, 컨트롤러는 액추에이터를 100mm 지점까지 전진시키고 정지시키기에 충분한 펄스를 전송합니다.

하지만 액추에이터의 현재 위치가 150mm인 경우 100mm의 절대 이동은 컨트롤러가 음의 방향으로 펄스를 보내 액추에이터를 50mm 뒤로 이동시키고 100mm 위치에서 멈추게 합니다.

실용적인 사용

펄스 제어 사용 시 가장 흔한 문제는 배선입니다. 신호가 실수로 역방향으로 연결되는 경우가 많습니다. 2P 모드에서는 CCW 출력이 CW 입력에 연결되고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 1P 모드에서는 펄스 신호 출력이 방향 입력에 연결되고, 방향 신호 출력이 펄스 입력에 연결됩니다.

2P 모드에서는 이러한 배선 오류로 인해 모터가 CCW 방향으로 회전할 때는 시계 방향으로, CW 방향으로 회전할 때는 반시계 방향으로 회전합니다. 1P 모드에서는 문제 진단이 더 어렵습니다. 신호가 서로 바뀌면 컨트롤러가 방향 입력에 펄스 열을 보내는데, 이 신호는 아무런 역할을 하지 않습니다. 또한 스텝 입력에 방향 변경(방향에 따라 신호를 켜거나 끄는) 신호를 보내 모터가 펄스를 회전시킬 수 있습니다. 한 번의 움직임 펄스는 일반적으로 보기 어렵습니다.

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

펄스 및 방향 축 문제 해결에 소요되는 시간을 최소화하는 방법을 소개합니다. 이 방법을 사용하면 엔지니어가 한 번에 한 가지 작업에만 집중할 수 있습니다. 이렇게 하면 어떤 배선 오류로 인해 동작이 방해되는지 알아내느라 며칠씩 허비하다가 결국 PLC에서 펄스 출력 기능이 잘못 구성되어 펄스가 출력되지 않았다는 사실을 알게 되는 상황을 방지할 수 있습니다.

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

2. 컨트롤러를 적절한 모드로 설정하세요.

3. 드라이브를 적절한 모드로 설정하세요.

4. 컨트롤러에서 가장 간단한 프로그램(보통 조그 기능)을 만들어 모터가 한 방향이나 다른 방향으로 느린 속도로 회전하도록 명령할 수 있도록 합니다.

5. CW 동작을 명령하고 컨트롤러에서 펄스가 출력되고 있음을 나타내는 모든 상태를 확인합니다.

– 컨트롤러 출력의 LED나 PLC의 사용 중 플래그와 같은 상태 플래그가 여기에 해당할 수 있습니다. 컨트롤러의 펄스 출력 카운터도 모니터링하여 값의 변화를 확인할 수 있습니다.

– 모터를 출력 펄스에 연결할 필요가 없습니다.

6. CCW 방향으로 테스트를 반복합니다.

7. 양방향 펄스 출력이 성공하면 다음으로 넘어가세요. 그렇지 않으면 먼저 프로그래밍 방법을 알아내야 합니다.

8. 컨트롤러를 드라이버에 연결합니다.

9. 모터를 한 방향으로 돌려 보세요. 작동하면 10번 단계로 넘어가세요. 작동하지 않으면 배선을 확인하세요.

10. 모터를 반대 방향으로 돌려 보세요. 작동하면 성공입니다. 작동하지 않으면 배선을 확인하세요.

이 첫 번째 단계에서는 펄스 주파수가 너무 낮아 모터가 1/100 rps와 같이 매우 느리게 회전하기 때문에 많은 시간이 낭비되었습니다.작동 여부를 알 수 있는 유일한 방법이 모터 샤프트를 보는 것이라면 저속으로 움직이는 것처럼 보이지 않아 펄스를 출력하지 않는다고 생각할 수 있습니다.테스트를 위해 속도를 설정하기 전에 모터 분해능과 응용 프로그램 매개 변수를 기반으로 안전한 속도를 계산하는 것이 가장 좋습니다.일부에서는 추측만으로 사용 가능한 속도를 설정할 수 있다고 믿습니다.그러나 모터가 한 바퀴 회전하는 데 10,000개의 펄스가 필요하고 펄스 주파수가 1,000pps로 설정된 경우 모터는 한 바퀴 움직이는 데 10초가 걸립니다.반대로 모터가 한 바퀴 회전하는 데 1,000개의 펄스가 필요하고 펄스 주파수가 1,000으로 설정된 경우 모터는 초당 한 바퀴 또는 60rpm으로 움직입니다. 모터가 볼스크류 액추에이터처럼 제한된 운동 거리를 가진 부하에 연결되어 있는 경우, 테스트하기에는 너무 빠를 수 있습니다. 펄스가 출력되고 있음을 나타내는 표시기(LED 또는 펄스 카운터)를 확인하는 것이 중요합니다.

실제 적용을 위한 계산

사용자는 종종 HMI에서 기계의 거리와 속도를 밀리미터와 같은 공학 단위가 아닌 펄스 단위로 표시하는 것을 보게 됩니다. 프로그래머는 기계 작동에 급급하여 기계 단위를 확인하고 공학 단위로 변환하는 데 시간을 허비하는 경우가 많습니다. 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 되는 몇 가지 팁을 소개합니다.

모터의 단계 분해능(회전당 펄스 수)과 모터 1회전당 이동량(mm)을 알고 있다면 명령 펄스 상수는 분해능/회전당 거리 또는 회전당 펄스/회전당 거리로 계산됩니다.

상수는 특정 거리를 이동하는 데 필요한 펄스 수를 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.

현재 위치(또는 거리) = 펄스 수/명령 펄스 상수.

공학 단위를 펄스로 변환하려면 먼저 주어진 동작에 필요한 펄스 수를 결정하는 상수를 구해야 합니다. 위의 예에서 모터가 1회전하는 데 500펄스가 필요하고 1회전은 10mm라고 가정합니다. 상수는 500(ppr)을 10(mm p/r)로 나누어 계산할 수 있습니다. 따라서 상수는 500펄스/10mm 또는 50펄스/mm입니다.

이 상수는 주어진 거리를 이동하는 데 필요한 펄스 수를 계산하는 데 사용할 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 6,000이라면 위 예시에서 계산된 명령 펄스 상수로 나누면 액추에이터 위치는 6,000 펄스/50 ppm = 120 mm가 됩니다.

속도를 mm 단위로 명령하고 컨트롤러가 적절한 주파수(Hz, 초당 펄스 수)를 계산하도록 하려면 먼저 속도 상수를 결정해야 합니다. 이는 명령 펄스 상수(위 그림 참조)를 구하는 방식으로 수행되지만, 단위는 변경됩니다. 즉, 모터가 500ppr의 출력을 내고 액추에이터가 1회전당 10mm 이동한다면, 초당 500펄스를 명령하면 액추에이터는 초당 10mm 이동합니다. 초당 500펄스를 초당 10mm로 나누면 초당 50펄스/mm가 됩니다. 따라서 목표 속도에 50을 곱하면 적절한 펄스 주파수가 됩니다.

공식은 동일하지만 단위는 변경됩니다.

pps 단위의 속도 상수 = 회전당 펄스 수/회전당 거리

펄스 속도(pps) = (속도 상수) × 속도(mm)

펄스열 신호를 사용하여 동작을 제어하는 ​​설정은 처음에는 어려울 수 있지만, 처음부터 컨트롤러와 드라이브의 신호 유형과 설정에 세심한 주의를 기울이면 작동 시간을 단축할 수 있습니다. 또한, 바로 기본적인 계산을 수행해 보면 속도와 거리를 프로그래밍하기가 더 쉬워지고 기계 운전자는 HMI에 표시되는 정보를 더욱 직관적으로 확인할 수 있습니다.