스테이지, 드라이브 및 인코더 설계.

고정밀 위치 결정 시스템을 구성하는 구성 요소(베어링, 위치 측정 시스템, 모터 및 구동 시스템, 컨트롤러)는 가능한 한 서로 잘 작동해야 합니다. 1부에서는 시스템 베이스와 베어링에 대해 다루었고, 2부에서는 위치 측정에 대해 다루었습니다. 여기에서는 스테이지, 드라이브, 인코더 설계, 드라이브 증폭기, 그리고 컨트롤러에 대해 논의합니다.

선형 인코더를 사용할 때 선형 스테이지를 조립하는 데 일반적으로 사용되는 세 가지 방법은 다음과 같습니다.
• 드라이브와 인코더는 슬라이드의 질량 중심 또는 가능한 한 가까운 곳에 위치합니다.
• 드라이브는 질량 중심에 위치하고, 인코더는 한쪽에 부착됩니다.
• 드라이브는 한쪽에 있고, 인코더는 다른 쪽에 있습니다.

이상적인 시스템은 슬라이드 질량 중앙에 드라이브를 배치하고 인코더를 배치하는 것입니다. 하지만 이는 일반적으로 비현실적입니다. 일반적인 절충안은 드라이브를 한쪽으로, 인코더를 다른 쪽으로 약간 치우치게 배치하는 것입니다. 이렇게 하면 모션 피드백이 드라이브 시스템 바로 옆에 있는 중앙 드라이브와 유사한 형태를 얻을 수 있습니다. 중앙 드라이브는 구동력이 슬라이드에 불필요한 힘 벡터를 가하여 비틀림이나 코킹을 유발하지 않으므로 더 선호됩니다. 베어링 시스템이 슬라이드를 단단히 고정하기 때문에 코킹은 마찰, 마모 및 하중 위치 부정확도를 증가시킵니다.

또 다른 방법은 슬라이드 양쪽에 각각 하나씩 두 개의 구동 장치가 있는 갠트리 방식 시스템을 사용하는 것입니다. 이 구동력은 중앙 구동 장치를 에뮬레이트합니다. 이 방법을 사용하면 위치 피드백을 중앙에 배치할 수 있습니다. 이것이 불가능하다면 양쪽에 인코더를 배치하고 특수 갠트리 구동 소프트웨어로 테이블을 제어할 수 있습니다.

드라이브 앰프
서보 드라이브 증폭기는 컨트롤러로부터 일반적으로 ±10Vdc의 제어 신호를 수신하여 모터에 작동 전압과 전류 출력을 제공합니다. 일반적으로 전력 증폭기에는 선형 증폭기와 펄스 폭 변조(PWM) 증폭기의 두 가지 유형이 있습니다.

선형 증폭기는 비효율적이기 때문에 주로 저전력 드라이브에 사용됩니다. 선형 증폭기의 출력 전력 처리 용량에 대한 주요 제한 사항은 출력단의 열 특성과 출력 트랜지스터의 항복 특성입니다. 출력단의 전력 소모는 출력 트랜지스터에 걸리는 전류와 전압의 곱입니다. 반면, PWM 증폭기는 효율적이며 일반적으로 100W 이상의 전력 용량에 사용됩니다. 이 증폭기는 최대 50MHz의 주파수에서 출력 전압을 스위칭합니다. 출력 전압의 평균값은 명령 전압에 비례합니다. 이 유형의 장점은 전압이 켜지고 꺼지므로 전력 소모 용량이 크게 증가한다는 것입니다.

증폭기 유형을 선택한 후 다음 단계는 증폭기가 해당 애플리케이션의 최대 모터 회전 속도(선형 모터의 경우 선형 속도)에 필요한 수준의 필요한 연속 전류와 출력 전압을 제공할 수 있는지 확인하는 것입니다.

브러시리스 선형 모터의 경우, 증폭기를 구분하는 또 다른 방법이 있습니다. 일반적으로 사다리꼴 정류와 사인파 정류의 두 가지 유형의 모터 정류가 사용됩니다. 사다리꼴 정류는 세 상 각각의 전류가 켜지거나 꺼지는 디지털 정류 방식입니다. 일반적으로 모터에 내장된 홀 효과 센서가 이러한 기능을 수행합니다. 외부 자석이 센서를 트리거합니다. 그러나 홀 효과 센서, 코일 권선, 그리고 자석 간의 관계는 매우 중요하며 항상 작은 위치 공차를 포함합니다. 따라서 센서의 응답 타이밍은 실제 코일 및 자석 위치와 항상 약간씩 어긋납니다. 이로 인해 코일에 인가되는 전류에 약간의 차이가 발생하여 불가피한 진동이 발생합니다.

사다리꼴 정류는 매우 정밀한 스캐닝이나 등속 응용 분야에는 적합하지 않습니다. 그러나 사인파 정류보다 비용이 저렴하기 때문에 고속 점대점 시스템이나 동작의 부드러움이 처리에 영향을 미치지 않는 시스템에 널리 사용됩니다.

정현파 정류에서는 온-오프 스위칭이 발생하지 않습니다. 오히려 전자 스위칭을 통해 세 상의 360도 전류 위상 편이가 정현파 패턴으로 변조됩니다. 이로 인해 모터에서 부드럽고 일정한 힘이 발생합니다. 따라서 정현파 형태의 정류는 정밀한 윤곽을 만드는 데 적합하며, 스캐닝 및 비전 사용과 같이 정밀하고 일정한 속도가 요구되는 분야에도 적합합니다.

컨트롤러
컨트롤러의 종류는 여기서 충분히 논의하기에는 너무 많습니다. 기본적으로 컨트롤러는 프로그래밍 언어와 제어 로직에 따라 여러 범주로 구분될 수 있습니다.

프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)는 "래더" 논리 방식을 사용합니다. 주로 여러 개의 개별 입출력(I/O) 기능을 제어하는 ​​데 사용되지만, 일부 PLC는 제한된 동작 제어 기능을 제공합니다.

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

비NC 시스템은 기본 동작 프로파일을 위한 사용하기 쉬운 인터페이스 프로그램을 포함한 다양한 독점 운영 체제를 사용합니다. 이러한 컨트롤러의 대부분은 모니터나 키보드가 없는 기본 컨트롤러 모듈로 구성됩니다. 컨트롤러는 RS-232 포트를 통해 호스트와 통신합니다. 호스트는 개인용 컴퓨터(PC), 덤 터미널 또는 휴대용 통신 장치일 수 있습니다.

거의 모든 최신 컨트롤러는 디지털 컨트롤러입니다. 디지털 컨트롤러는 아날로그 컨트롤러에서는 상상도 할 수 없었던 수준의 신뢰성과 사용 편의성을 제공합니다. 속도 피드백 정보는 일반적으로 축 위치 신호에서 파생됩니다. 모든 서보 파라미터는 사용 후나 온도 변화에 따라 변하는 경향이 있는 구동 증폭기 "포텐셜"을 힘들게 조정하는 대신 소프트웨어를 통해 조정됩니다. 대부분의 최신 컨트롤러는 모든 축 서보 파라미터의 자동 튜닝 기능도 제공합니다.

고급 컨트롤러에는 분산 처리 및 디지털 신호 프로세서(DSP) 축 제어 기능도 포함됩니다. DSP는 본질적으로 수학적 계산을 매우 빠르게(마이크로프로세서보다 최소 10배 빠르게) 처리하도록 특별히 설계된 프로세서입니다. 이를 통해 125ms 단위의 서보 샘플 시간을 제공할 수 있습니다. 이 기술의 장점은 등속 제어 및 부드러운 윤곽 형성을 위한 정밀한 축 제어입니다.

비례-적분-미분(PID) 필터 알고리즘과 속도 및 가속도 피드포워드는 축의 서보 제어를 향상시킵니다. 또한, 가속 및 감속 프로파일의 S-커브 프로그래밍은 일반적으로 테이블 동작의 시작 및 정지 시 발생하는 저크(jerk)를 제어합니다. 이를 통해 더욱 부드럽고 제어된 작동이 가능해져 위치 및 속도 모두의 정착 시간이 단축됩니다.

컨트롤러는 광범위한 디지털 또는 아날로그 입출력 기능도 제공합니다. 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. 사용자 프로세스는 쉽게 자동화될 수 있습니다.

또한, 대부분의 컨트롤러는 전자 곱셈을 통해 위치 피드백 해상도를 높일 수 있습니다. 4배 곱셈이 일반적이지만, 일부 고급 컨트롤러는 최대 256배까지 곱할 수 있습니다. 이는 정확도 향상에는 영향을 미치지 않지만, 축 위치 안정성과, 더 중요하게는 여러 용도에서 반복성을 실질적으로 향상시킵니다.

전반적인 접근 방식에서는 위에서 언급한 요소 외에도 예산, 환경, 기대 수명, 유지 보수 용이성, MTBF, 최종 사용자 선호도 등 구성 요소 결정을 수정할 수 있는 다른 요소들을 고려해야 합니다. 모듈식 접근 방식은 표준적이고 쉽게 구할 수 있는 구성 요소를 사용하여 시스템을 조립할 수 있도록 하며, 시스템을 처음부터 분석하여 전반적인 구성 요소 호환성을 고려한다면 가장 까다로운 애플리케이션 요구 사항도 충족할 수 있습니다.