선형 축 서보 시스템

오늘날의 AC 서보 시스템은 불과 10년 전의 시스템과는 상당히 다릅니다. 더욱 빠른 프로세서와 고해상도 엔코더 덕분에 제조업체들은 튜닝 기술에서 놀라운 발전을 이룰 수 있었습니다. 모델 예측 제어(MPC)와 진동 억제는 복잡한 서보 시스템에서도 성공적으로 적용할 수 있는 대표적인 기술 발전입니다.

AC 서보 시스템에서 서보 튜닝이란 연결된 기계 시스템에 대한 전기 제어 시스템의 응답을 조정하는 것을 말합니다. 전기 제어 시스템은 PLC 또는 모션 컨트롤러로 구성되며, 이 컨트롤러는 서보 증폭기로 신호를 보내 서보 모터를 작동시켜 기계 시스템을 움직이게 합니다.

서보모터는 전기기계 장치로서 두 시스템을 연결하는 핵심 구성 요소입니다. 전기 제어 시스템 내에서 기계 시스템의 동작을 예측하기 위해 많은 작업을 수행할 수 있습니다.

이 글에서는 최신 서보 튜닝 기술의 두 가지 기법인 모델 예측 제어(MPC)와 진동 억제, 그리고 이러한 기법의 적용 시 고려 사항에 대해 살펴보겠습니다.

CPU 속도 - 이전보다 훨씬 빠릅니다.

CPU 속도 향상은 모든 곳에서 볼 수 있으며, 서보 증폭기도 예외는 아닙니다. 한때 가격 때문에 도입이 어려웠던 CPU들이 이제 서보 증폭기 설계에 사용되면서 더욱 복잡하고 효율적인 튜닝 알고리즘 구현이 가능해졌습니다. 10년 전만 해도 속도 제어 루프의 대역폭은 100Hz 또는 200Hz가 일반적이었지만, 오늘날에는 1,000Hz를 훨씬 넘는 속도를 구현할 수 있습니다.

제어 루프를 해결하는 것 외에도, 더욱 빨라진 프로세서는 서보 증폭기가 토크, 속도 및 위치를 실시간으로 분석하여 이전에는 감지할 수 없었던 기계 특성을 파악할 수 있도록 해줍니다. 이제 복잡한 수학적 모델을 서보 증폭기 내에 비용 효율적으로 구현하여 표준 PID 튜닝을 훨씬 뛰어넘는 고급 튜닝 제어 알고리즘을 활용할 수 있습니다.

게다가, 더 빠른 프로세서는 고해상도 엔코더에서 나오는 데이터도 처리할 수 있지만, 해상도 향상이 시스템의 위치 결정 성능을 직접적으로 개선하는 것은 아닙니다. 위치 결정의 제한 요소는 대개 엔코더가 아니라 기계 시스템 자체입니다. 하지만 고해상도 엔코더를 사용하면 제어 시스템은 저해상도 엔코더로는 감지할 수 없는 기계 시스템의 미세한 움직임까지 파악할 수 있습니다. 이러한 미세한 움직임은 종종 진동이나 공진으로 인해 발생하며, 이를 감지하면 기계 시스템의 동작을 이해하고 예측하며 보정하는 데 중요한 정보를 얻을 수 있습니다.

모델 예측 제어의 기초

간단히 말해, 모델 예측 제어(MPC)는 과거에 명령된 프로파일을 사용하여 미래의 토크와 속도를 예측합니다. 특정 동작에 대한 속도와 토크를 대략적으로 알고 있다면, 오차에만 반응하는 PID 제어 루프를 통해 동작 프로파일을 맹목적으로 적용할 필요가 없습니다. 대신, 예측된 속도와 토크를 서보 제어 루프에 피드포워드로 제공하고, 루프가 남은 최소한의 오차에만 반응하도록 하는 것이 핵심입니다.

이러한 방식이 제대로 작동하려면 증폭기는 관성, 마찰, 강성 등의 특성을 기반으로 하는 기계의 유효한 수학적 모델을 가지고 있어야 합니다. 그런 다음 모델의 토크 및 속도 프로파일을 서보 루프에 입력하여 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 모델은 복잡한 수학 함수를 사용하지만, 서보 증폭기의 프로세서 속도가 빨라짐에 따라 모션 제어 산업에서 이러한 모델의 적용이 점차 확대되고 있습니다.

모델 예측 제어(MPC)는 여러 장점에도 불구하고 단점이 있습니다. 지점 간 위치 제어에는 매우 효과적이지만, 이동 중 시간 지연이 발생한다는 것입니다. 이러한 시간 지연은 MPC의 본질적인 특징인데, 최근의 이동 데이터를 기반으로 미래의 응답을 예측하기 때문입니다. 따라서 제어기의 정확한 명령 프로파일을 따르지 못하고, 이동의 마지막 단계에서 빠른 위치 제어 시간을 확보하기 위해 유사한 프로파일이 생성될 수 있습니다.

진동 억제

MPC의 가장 유용한 측면 중 하나는 기계의 저주파 진동을 모델링, 예측 및 억제하는 기능입니다. 기계에서 발생하는 진동은 수 Hz에서 수천 Hz에 이르는 다양한 주파수 대역에서 발생할 수 있습니다. 특히 동작의 시작과 끝 부분에서 두드러지게 나타나는 1Hz 및 수십 Hz 대역의 저주파 진동은 기계의 작동 주파수 범위 내에 있기 때문에 문제가 됩니다.

특정 장비 구성(예: 길고 가는 그리퍼 암을 가진 기계)은 다른 구성보다 낮은 공진 주파수를 나타내는 경향이 있습니다. 이러한 진동에 취약한 설계는 부품을 개구부를 통해 삽입해야 하는 등 길이 때문에 필요할 수 있습니다. 또한 대형 기계는 일반적으로 낮은 주파수에서 진동하는 큰 부품으로 구성되어 있어 진동에 취약합니다. 이러한 유형의 응용 분야에서는 모터가 최종 이동 위치에 있을 때 진동이 발생합니다. 서보 증폭기에 진동 억제 기술을 적용하면 이러한 기계 진동을 크게 줄일 수 있습니다.

듀얼 모터 서보 시스템의 MPC

단축 액추에이터에 MPC를 적용하는 것은 간단하며, 점대점 운동의 경우 정확한 명령 프로파일에서 벗어나는 것은 중요하지 않습니다. 그러나 하나의 서보 축이 다른 서보 축과 기계적으로 연결된 경우, 두 축의 운동 프로파일은 서로 영향을 미칩니다. 이중 모터 볼스크류 액추에이터가 이러한 구성의 한 예입니다.

이중 모터 구성은 모터 로터를 가속하는 데 필요한 토크가 상당한 대형 애플리케이션에서 유리할 수 있으며, 이러한 경우 단일 대형 모터로는 필요한 토크와 가속도를 제공할 수 없습니다. 튜닝 관점에서 중요한 요소는 두 개의 비교적 큰 서보 모터가 무거운 부하를 위치 제어하고 거의 정격 토크와 속도로 작동한다는 점입니다. 모터의 동기화가 어긋나면 토크가 서로 위치를 차지하기 위해 소모되어 낭비됩니다. 그러나 두 서보 모터의 게인이 같으면 모델 예측 제어(MPC) 지연 시간도 같아져 모터가 서로 동기화된 상태를 유지합니다.

이러한 애플리케이션을 튜닝하는 첫 번째 단계는 모터 하나를 물리적으로 제거하고 하나의 모터만으로 시스템을 평소처럼 튜닝하는 것입니다. 안정적인 축 제어에는 서보 모터 하나로도 충분하지만, 필요한 프로파일을 실행하기에는 토크가 부족합니다. 이 경우 제조사의 자동 튜닝 시퀀스를 사용하는데, 이 시퀀스는 관성 파라미터를 설정하고 모델 예측 제어(MPC) 기능을 활성화합니다. 참고: 하나의 모터로 얻은 시스템 게인은 궁극적으로 두 모터에 동일하게 분배되어야 합니다. 관성 파라미터는 서보 루프 게인의 스케일 팩터 역할을 하므로 이 단계를 쉽게 수행할 수 있도록 해줍니다. 따라서 각 증폭기에서 원래 튜닝 결과의 절반으로 설정합니다. 나머지 튜닝 결과는 첫 번째 축에서 두 번째 축으로 복사할 수 있습니다. 마지막 조정은 두 번째 축에서 적분 구성요소를 제거하는 것입니다. 두 번째 모터를 "가속 보조" 역할로 지정하고, 작은 적분 보정은 첫 번째 모터에만 남겨둡니다.

이러한 애플리케이션의 튜닝 개념은 두 단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계는 제조사에서 제공하는 자동 튜닝 기능을 시작점으로 사용하여 각 축을 개별적으로 튜닝하고 모델 예측 제어(MPC)를 활성화하는 것입니다. 진동 억제 기능도 적용됩니다. 이 단계가 완료되면 각 축은 최소한의 진동으로 깨끗하고 매끄러운 응답을 나타냅니다.

두 번째 단계에서는 두 축을 동시에 구동하면서 컨트롤러 관점에서 "예행 연습" 동안 발생하는 오차를 모니터링합니다. MPC 게인을 동일하게 설정한 후 시행착오를 통해 위치 오차를 최소화하고, 위치 오차를 동일하게 유지하며, 부드러운 동작을 구현하는 최적의 MPC 게인 설정을 찾아냅니다. 위치 오차가 동일하면 두 축의 지연 시간이 같아지므로, 동작 중 위치 오차가 크더라도 부품이 정확한 치수로 절삭됩니다.