스테이지, 드라이브 및 엔코더 설계.

고정밀 위치 제어 시스템을 구성하는 베어링, 위치 측정 시스템, 모터 및 구동 시스템, 그리고 컨트롤러는 최대한 원활하게 작동해야 합니다. 1부에서는 시스템 베이스와 베어링에 대해 다루었고, 2부에서는 위치 측정에 대해 다루었습니다. 이번 장에서는 스테이지, 드라이브, 엔코더 설계, 드라이브 증폭기, 그리고 컨트롤러에 대해 논의합니다.

선형 엔코더를 사용할 때 선형 스테이지를 조립하는 데 일반적으로 사용되는 세 가지 방법은 다음과 같습니다.
• 구동 장치와 엔코더는 슬라이드의 무게중심에 위치하거나 최대한 가깝게 위치해야 합니다.
• 구동 장치는 무게 중심 중앙에 위치하고, 엔코더는 한쪽에 부착됩니다.
• 구동 장치는 한쪽에 있고, 인코더는 반대쪽에 있습니다.

이상적인 시스템은 구동부와 엔코더가 슬라이드 질량의 중앙에 위치하는 것입니다. 그러나 이는 일반적으로 비현실적입니다. 보통은 구동부를 한쪽으로 약간 치우치게, 엔코더를 반대쪽으로 약간 치우치게 배치하는 절충안을 사용합니다. 이렇게 하면 구동 시스템 바로 옆에 동작 피드백 장치가 있으면서 중앙 구동 방식과 유사한 효과를 얻을 수 있습니다. 중앙 구동 방식이 선호되는 이유는 구동력이 슬라이드에 불필요한 힘 벡터를 발생시켜 비틀림이나 휨을 유발하지 않기 때문입니다. 베어링 시스템이 슬라이드를 단단히 고정하기 때문에 휨이 발생하면 마찰 증가, 마모 심화, 하중 위치 오차 발생 등의 문제가 생깁니다.

또 다른 방법으로는 슬라이드 양쪽에 각각 하나씩, 총 두 개의 구동 장치를 갖춘 갠트리형 시스템을 사용하는 것입니다. 이렇게 하면 중앙 구동 장치와 유사한 구동력을 얻을 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 위치 피드백 센서를 중앙에 배치할 수 있습니다. 만약 중앙에 배치하는 것이 불가능하다면, 양쪽에 엔코더를 설치하고 특수 갠트리 구동 소프트웨어로 테이블을 제어할 수 있습니다.

구동 증폭기
서보 드라이브 증폭기는 컨트롤러로부터 제어 신호(일반적으로 ±10Vdc)를 받아 모터에 동작 전압과 전류 출력을 제공합니다. 전력 증폭기는 일반적으로 선형 증폭기와 펄스 폭 변조(PWM) 증폭기의 두 가지 유형이 있습니다.

선형 증폭기는 효율이 낮아 주로 저전력 구동 장치에 사용됩니다. 선형 증폭기의 출력 전력 처리 용량에 대한 주요 제한 요소는 출력단의 열 특성과 출력 트랜지스터의 항복 특성입니다. 출력단의 전력 손실은 출력 트랜지스터 양단의 전류와 전압의 곱입니다. 반면, PWM 증폭기는 효율이 높아 일반적으로 100W 이상의 전력 용량에 사용됩니다. 이 증폭기는 최대 50MHz의 주파수로 출력 전압을 스위칭합니다. 출력 전압의 평균값은 명령 전압에 비례합니다. 이 유형의 장점은 전압을 켜고 끄는 스위칭 방식을 통해 전력 손실 용량을 크게 향상시킬 수 있다는 것입니다.

앰프 유형을 선택했으면 다음 단계는 해당 앰프가 애플리케이션의 최대 모터 회전 속도(또는 선형 모터의 경우 선형 속도)에 필요한 연속 전류와 출력 전압을 필요한 수준으로 제공할 수 있는지 확인하는 것입니다.

브러시리스 선형 모터의 경우, 증폭기를 구분하는 또 다른 방법이 있습니다. 모터 정류 방식에는 일반적으로 사다리꼴 정류와 정현파 정류 두 가지 유형이 사용됩니다. 사다리꼴 정류는 디지털 방식의 정류로, 3상 각각의 전류를 켜거나 끄는 방식으로 작동합니다. 모터에 내장된 홀 효과 센서가 이러한 역할을 수행합니다. 외부 자석이 센서를 작동시킵니다. 그러나 홀 효과 센서, 코일 권선, 자석 사이의 위치 관계는 매우 중요하며 항상 미세한 위치 오차가 발생합니다. 따라서 센서의 응답 시간은 코일과 자석의 실제 위치와 항상 약간의 위상 차이를 보입니다. 이는 코일에 공급되는 전류에 미세한 변동을 초래하여 불가피한 진동을 발생시킵니다.

사다리꼴 정류 방식은 매우 정밀한 스캐닝이나 등속 응용 분야에는 적합하지 않습니다. 하지만 정현파 정류 방식보다 비용이 저렴하기 때문에 고속 점대점 시스템이나 동작의 부드러움이 처리 속도에 영향을 미치지 않는 시스템에 널리 사용됩니다.

정현파 정류 방식에서는 온-오프 스위칭이 발생하지 않습니다. 대신, 전자 스위칭을 통해 3상 전류의 360도 위상차가 정현파 패턴으로 변조됩니다. 이로 인해 모터에서 부드럽고 일정한 힘이 발생합니다. 따라서 정현파 정류 방식은 정밀한 윤곽 가공이나 스캐닝 ​​및 비전 기술과 같이 정밀하고 일정한 속도가 요구되는 응용 분야에 매우 적합합니다.

컨트롤러
컨트롤러의 종류는 매우 다양하며, 여기서 모두 자세히 다룰 수는 없습니다. 기본적으로 컨트롤러는 프로그래밍 언어와 제어 로직에 따라 여러 범주로 나눌 수 있습니다.

프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)는 "래더" 논리 회로를 사용합니다. 주로 여러 개의 개별 입출력(I/O) 기능을 제어하는 ​​데 사용되지만, 일부 제품은 제한적인 모션 제어 기능도 제공합니다.

수치 제어(NC) 시스템은 산업 표준 언어인 RS274D 또는 그 변형을 통해 프로그래밍됩니다. 이러한 시스템은 다축 제어를 통해 구형 및 나선형과 같은 복잡한 동작을 수행할 수 있습니다.

NC(노이즈 컨트롤) 기능이 없는 시스템은 기본적인 모션 프로파일을 위한 사용하기 쉬운 인터페이스 프로그램을 포함하여 다양한 독자적인 운영 체제를 사용합니다. 이러한 컨트롤러 대부분은 모니터나 키보드가 없는 기본 컨트롤러 모듈로 구성됩니다. 컨트롤러는 RS-232 포트를 통해 호스트와 통신합니다. 호스트는 PC, 단순 터미널 또는 휴대용 통신 장치가 될 수 있습니다.

최근 출시되는 거의 모든 컨트롤러는 디지털 컨트롤러입니다. 디지털 컨트롤러는 아날로그 컨트롤러에서는 상상할 수 없었던 수준의 신뢰성과 사용 편의성을 제공합니다. 속도 피드백 정보는 일반적으로 축 위치 신호에서 얻습니다. 모든 서보 파라미터는 소프트웨어를 통해 조정되므로, 사용 후 또는 온도 변화에 따라 드리프트가 발생하기 쉬운 드라이브 앰프의 가변 저항을 수동으로 조정하는 번거로움에서 벗어날 수 있습니다. 또한 대부분의 최신 컨트롤러는 모든 축 서보 파라미터의 자동 튜닝 기능을 제공합니다.

더욱 발전된 컨트롤러에는 분산 처리 및 디지털 신호 처리기(DSP) 축 제어 기능이 포함되어 있습니다. DSP는 본질적으로 수학적 계산을 매우 빠르게 수행하도록 특별히 설계된 프로세서입니다(마이크로프로세서보다 최소 10배 빠름). 이를 통해 서보 샘플링 시간을 약 125ms까지 단축할 수 있습니다. 이러한 방식의 장점은 일정한 속도 제어와 부드러운 윤곽 제어를 위한 정밀한 축 제어입니다.

비례-적분-미분(PID) 필터 알고리즘과 속도 및 가속도 피드포워드는 축의 서보 제어 성능을 향상시킵니다. 또한, S자형 가속 및 감속 프로파일 프로그래밍을 통해 테이블의 시작 및 정지 시 발생하는 급격한 움직임(저크)을 제어합니다. 이를 통해 더욱 부드럽고 안정적인 작동이 가능하며, 위치와 속도 모두의 안정화 시간을 단축할 수 있습니다.

컨트롤러는 또한 광범위한 디지털 또는 아날로그 입출력 기능을 포함합니다. 사용자 프로그램 또는 서브루틴은 위치, 시간 또는 상태 정보, 변수 값, 수학 연산, 외부 또는 내부 I/O 이벤트 또는 오류 인터럽트에 따라 변경될 수 있습니다. 사용자는 프로세스를 쉽게 자동화할 수 있습니다.

또한 대부분의 컨트롤러는 전자적 곱셈을 통해 위치 피드백 해상도를 향상시킬 수 있습니다. 일반적으로 4배 곱셈이 일반적이지만, 일부 고급 컨트롤러는 최대 256배까지 곱셈을 지원합니다. 이는 정확도 향상에는 영향을 미치지 않지만, 축 위치 안정성을 크게 향상시키고, 많은 용도에서 더욱 중요한 반복성을 제공합니다.

전반적인 접근 방식을 취할 때, 위에서 언급한 요소 외에도 예산, 환경, 수명, 유지보수 용이성, 평균 무고장 시간(MTBF), 최종 사용자 선호도 등 구성 요소 선택에 영향을 미칠 수 있는 다른 요소들을 고려해야 합니다. 모듈식 접근 방식을 통해 표준적이고 쉽게 구할 수 있는 구성 요소로 시스템을 조립할 수 있으며, 시스템의 전체적인 구성 요소 호환성을 처음부터 분석한다면 가장 까다로운 애플리케이션 요구 사항까지 충족할 수 있습니다.