선형 축 서보 시스템

오늘날의 AC 서보 시스템은 불과 10년 전의 시스템과는 크게 다릅니다. 더 빠른 프로세서와 더 높은 해상도의 인코더 덕분에 제조업체는 튜닝 기술의 놀라운 발전을 구현할 수 있습니다. 모델 예측 제어(MPC)와 진동 억제는 복잡한 서보 시스템에도 성공적으로 적용할 수 있는 이러한 두 가지 기술 발전입니다.

AC 서보 시스템과 관련된 서보 튜닝은 연결된 기계 시스템에 대한 전기 제어 시스템의 응답을 조정하는 것입니다. 전기 제어 시스템은 PLC 또는 모션 컨트롤러로 구성되며, PLC는 서보 앰프에 신호를 보내 서보 모터가 기계 시스템을 움직이도록 합니다.

서보모터는 전기 기계 장치로서 두 시스템을 통합하는 핵심 구성 요소 역할을 합니다. 전기 제어 시스템 내에서는 기계 시스템의 동작을 예측하기 위해 많은 작업을 수행할 수 있습니다.

이 글에서는 현대 서보 튜닝 기술의 두 가지 기법인 모델 예측 제어(MPC)와 진동 억제에 대해 살펴보고, 각 기법의 애플리케이션 수준에서의 고려 사항을 살펴보겠습니다.

CPU 속도 - 그 어느 때보다 빠름

더 빠른 CPU 속도는 어디에나 있으며, 서보 앰프도 예외는 아닙니다. 한때 비용이 많이 들었던 CPU가 서보 앰프 설계에 도입되면서 더욱 복잡하고 효과적인 튜닝 알고리즘이 가능해졌습니다. 10년 전에는 속도 루프에서 100Hz 또는 200Hz 대역폭이 일반적이었지만, 오늘날에는 1,000Hz를 훨씬 넘는 속도도 가능합니다.

제어 루프를 해결하는 것 외에도, 더 빠른 프로세서는 서보 앰프가 토크, 속도 및 위치를 실시간으로 온보드 분석하여 이전에는 감지할 수 없었던 기계 특성을 파악할 수 있도록 지원합니다. 이제 복잡한 수학적 모델을 서보 앰프 내에 비용 효율적으로 구현하여 표준 PID 튜닝을 훨씬 뛰어넘는 고급 튜닝 제어 알고리즘을 활용할 수 있습니다.

더욱이, 더 빠른 프로세서는 더 높은 해상도의 인코더에서 생성된 데이터도 처리할 수 있지만, 향상된 해상도가 시스템의 위치 결정 성능을 향상시키는 것은 아닙니다. 위치 결정의 제한 요인은 일반적으로 인코더가 아니라 기계 시스템입니다. 하지만 더 높은 해상도의 인코더는 제어 시스템이 저해상도 인코더로는 감지할 수 없는 기계 시스템의 미세한 움직임을 감지할 수 있도록 합니다. 이러한 미세한 움직임은 종종 진동이나 공진의 결과이며, 감지될 경우 기계 시스템의 동작을 이해하고 예측하고 보상하는 데 중요한 데이터를 제공할 수 있습니다.

모델 예측 제어의 기본

간단히 말해, 모델 예측 제어는 과거 명령된 프로파일을 사용하여 미래의 토크와 속도를 예측합니다. 특정 동작의 속도와 토크가 대략적으로 알려져 있다면, 오류에만 반응하는 PID 루프를 통해 동작 프로파일을 강제로 적용할 필요가 없습니다. 대신, 예측된 속도와 토크를 서보 제어 루프에 피드포워드로 제공하고 루프가 남은 최소한의 오류에 반응하도록 하는 것이 핵심입니다.

이 기능이 제대로 작동하려면 증폭기가 관성, 마찰, 강성과 같은 속성을 기반으로 기계의 유효한 수학적 모델을 가져야 합니다. 그런 다음 모델의 토크 및 속도 프로파일을 서보 루프에 적용하여 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 모델은 복잡한 수학 함수를 사용하지만, 서보 증폭기의 더 빠른 프로세서 덕분에 모션 제어 업계에서 이러한 모델이 구현되기 시작했습니다.

모델 예측 제어는 많은 이점에도 불구하고, 단점이 있습니다. 지점 간 위치 결정에는 효과적이지만, 이동 중 시간 지연이 발생한다는 단점이 있습니다. 모델 예측 제어는 최근 과거 이동 데이터를 사용하여 미래 응답을 예측하기 때문에 시간적 요소가 필수적입니다. 이러한 지연으로 인해 컨트롤러의 정확한 명령 프로파일을 따르지 못할 수 있습니다. 대신, 이동 종료 시 빠른 위치 결정을 가능하게 하는 유사한 프로파일이 생성됩니다.

진동 억제

MPC의 가장 유용한 기능 중 하나는 기계의 저주파 진동을 모델링, 예측 및 억제하는 기능입니다. 기계에서 진동은 한 자릿수 Hz부터 수천 Hz까지 발생할 수 있습니다. 특히 1Hz에서 10Hz 사이의 저주파 진동은 이동의 시작과 끝에서 흔히 나타나며, 기계의 작동 주파수 범위 내에 있기 때문에 문제가 됩니다.

특정 장비 구성(예: 길고 가느다란 그리퍼 암을 가진 기계)은 다른 장비 구성보다 이러한 낮은 공진 주파수를 더 많이 나타내는 경향이 있습니다. 이러한 진동에 취약한 설계는 길이, 예를 들어 개구부를 통해 부품을 삽입하는 경우 필요할 수 있습니다. 또한, 낮은 주파수에서 진동하는 큰 부품으로 구성된 대형 기계도 진동에 취약합니다. 이러한 유형의 적용 분야에서는 모터의 이동 종료 위치에서 진동이 발생합니다. 서보 앰프의 진동 억제 기술은 이러한 기계 진동을 크게 줄입니다.

듀얼 모터 서보 시스템의 MPC

MPC를 단축 액추에이터에 적용하는 것은 간단하며, 지점 간 모션에서는 정확한 명령 프로파일과의 편차가 중요하지 않습니다. 그러나 한 서보 축이 다른 축에 기계적으로 연결되어 있는 경우, 모션 프로파일은 서로 영향을 미칩니다. 듀얼 모터 볼스크류 액추에이터가 그러한 구성 중 하나입니다.

이 듀얼 모터 구성은 모터 회전자를 가속하는 데 필요한 토크가 크고, 더 큰 단일 모터로는 필요한 토크와 가속을 감당할 수 없는 대형 응용 분야에서 유리할 수 있습니다. 튜닝 관점에서 중요한 요소는 비교적 큰 두 대의 서보 모터가 무거운 부하를 위치시키고 거의 최대 정격 토크와 속도로 작동한다는 것입니다. 모터가 비동기화되면, 위치 경쟁에 소모되는 토크가 낭비됩니다. 그러나 두 서보 모터의 이득이 동일하다면 모델 예측 제어 지연 시간도 동일하고 모터는 서로 동기화 상태를 유지합니다.

이러한 애플리케이션을 튜닝하는 첫 번째 단계는 모터 중 하나를 물리적으로 제거하고 하나의 모터만으로 시스템을 평소처럼 튜닝하는 것입니다. 서보 모터 하나로 안정적인 축 제어에는 충분하지만, 필요한 프로파일을 구동하기에는 토크가 부족합니다. 이 경우, 제조업체의 자동 튜닝 시퀀스를 사용하여 관성 매개변수를 설정하고 모델 예측 제어 기능을 활성화합니다. 참고: 한 모터에서 얻은 시스템 이득은 궁극적으로 두 모터 모두에 동등하게 공유되어야 합니다. 관성 매개변수는 서보 루프 이득에 대한 배율 인자 역할을 하므로 각 증폭기에서 원래 튜닝 결과의 절반으로 설정되므로 이 단계가 쉽습니다. 나머지 튜닝 결과는 1축에서 2축으로 복사할 수 있습니다. 마지막 조정은 2축에서 적분 요소를 제거하는 것입니다. 즉, 두 번째 모터에 "가속 지원" 역할을 할당하고, 작은 적분 보정은 1축 모터에만 남겨둡니다.

이러한 애플리케이션의 튜닝 개념은 두 단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계는 제조업체에서 제공하는 자동 튜닝 기능을 시작점으로 사용하여 각 축을 개별적으로 튜닝하고 모델 예측 제어를 활성화하는 것입니다. 진동 억제 기능도 적용됩니다. 이 단계가 끝나면 각 축은 진동을 최소화하면서 깨끗하고 부드러운 응답을 보입니다.

두 번째 단계에서는 축을 함께 작동시키고, 컨트롤러 관점에서 "드라이 런" 동안 발생하는 오차를 모니터링합니다. MPC 게인을 동일하게 설정한 상태에서 시행착오를 통해 낮은 위치 오차, 동일한 위치 오차, 그리고 부드러운 동작의 균형을 이루는 최적의 MPC 게인 설정을 찾습니다. 위치 오차가 같으면 두 축 모두 같은 시간만큼 지연되고, 동작 중 위치 오차가 크더라도 부품은 정확한 치수로 절단됩니다.