모션 컨트롤의 기본 사항

본 튜토리얼은 내쇼날인스트루먼트의 측정 기본 사항 시리즈 중 일부입니다. 본 시리즈의 각 튜토리얼은 개념 설명과 실질적인 예시를 통해 일반적인 측정 어플리케이션의 세부 토픽에 대해 설명합니다. 본 튜토리얼에서는 소프트웨어, 모션 컨트롤러, 드라이브, 모터, 피드백 디바이스 및 I/O와 같은 모션 컨트롤 시스템의 기본 사항에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

또한 인터랙티브 프리젠테이션을 통해 본 튜토리얼의 내용을 각자의 속도에 맞게 살펴볼 수 있습니다.

더욱 자세한 정보는 NI 측정 기본 사항 메인 페이지를 참조하십시오.

 

모션 컨트롤 시스템의 구성 요소

아래의 그림은 모션 컨트롤 시스템의 각 구성 요소를 보여줍니다.

그림 1: 모션 컨트롤 시스템의 구성 요소

어플리케이션 소프트웨어 – 어플리케이션 소프트웨어를 사용하여 타겟 위치 및 모션 컨트롤 프로파일을 지정할 수 있습니다.

모션 컨트롤러 – 모션 컨트롤러는 원하는 타겟 위치 및 모션 프로파일을 택하고, 모터의 경로 (trajectories) 생성, 서보 모터를 위한 ±10 V 신호 출력, 스텝 모터를 위한 스텝 및 방향/펄스 출력 등의 기능을 수행함으로써 시스템의 중추적인 역할을 합니다.

증폭기 (또는 드라이브) – 드라이브라고도 불리는 증폭기는 컨트롤러로부터 명령을 받고, 모터 구동에 필요한 전류를 생성합니다.

모터 – 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 바꾸고, 원하는 타겟 위치로 운동하기 위해 필요한 토크 (torque)를 생성합니다.

기계적인 요소 – 모터는 기계 장치에 토크 (torque)를 공급하도록 설계되었습니다. 기계 장치에는 선형 슬라이드 (linear slides), 로봇 팔 (robotic arms), 특수 액추에이터 등이 있습니다.

피드백 디바이스 (또는 위치 센서) – 위치 피드백 디바이스 (position feedback device)는 일부 모션 컨트롤 어플리케이션 (스텝 모터 컨트롤 등)에서는 필요하지 않지만, 서보 모터에는 필수적인 장치입니다. 피드백 디바이스 (주로 구적 엔코더)는 모터의 위치를 감지하고 그 결과를 컨트롤러에 보고함으로써 모션 컨트롤러로 폐루프 (Closed Loop)를 구성합니다.

 

구성, 프로토타입 및 개발을 위한 소프트웨어

어플리케이션 소프트웨어는 구성, 프로토타입 및 어플리케이션 개발 환경 (ADE)의 세 가지의 주요 카테고리로 세분화됩니다. 다음의 다이어그램은 모션 컨트롤 시스템의 프로세스와 그 프로세스에 적합하도록 제작된 NI의 제품을 나타냅니다.

그림 2: 모션 컨트롤 시스템 개발 프로세스

구성
최우선적으로 해야할 작업은 바로 시스템 구성입니다. 이를 위해 내쇼날인스트루먼트는 모션 컨트롤 및 모든 NI 하드웨어의 구성을 돕기 위한 인터랙티브한 툴인 Measurement and Automation Explorer (MAX)를 제공하고 있습니다. Measurement and Automation Explorer (MAX)는 모션 컨트롤을 위해 인터랙티브한 테스트 및 튜닝 패널을 제공하므로 사용자가 프로그래밍을 시작하기 전에 시스템의 기능을 점검할 수 있습니다.

그림 3: NI Measurement and Automation Explorer (MAX)는
모션 컨트롤 시스템을 구성하고 튜닝하기 위한 인터랙티브한 툴입니다.

프로토타입
시스템을 구성한 후, 어플리케이션의 프로토타이핑 및 개발을 시작할 수 있습니다. 이 단계에서, 모션 컨트롤 프로파일을 생성하여 사용자의 시스템에서 테스트하면 의도한 방식대로 진행되는지 여부를 확인할 수 있습니다. 내쇼날인스트루먼트는 프로토타입을 위한 도구인 NI Motion Assistant을 제공합니다. NI Motion Assistant는 인터랙티브 툴이므로 포인트 앤 클릭 인터페이스를 이용하여 운동을 구성하고, 구성한 운동에 기반하여 LabVIEW 코드를 생성할 수 있습니다.

구성 가능한 환경과 프로그램 가능한 환경의 차이점을 살펴봄으로써 NI Motion Assistant이 주는 주요 혜택에 대해 알아보도록 하겠습니다. 먼저, 구성 가능한 환경에서는 프로그래밍 없이 개발을 시작할 수 있습니다. NI Motion Assistant에서 사용가능한 태스크는 사용자의 요구에 맞게 간단하게 구성할 수 있는 미리 작성된 코드 블록으로 생각하면 됩니다. 반면, 프로그램 가능한 환경에서는 태스크를 완성하기 위해 LabVIEW, C, 또는 Visual Basic과 같은 표준 프로그래밍 언어를 사용해야 합니다.

그러나 구성 가능한 환경은 기능적인 면 또는 모션 외의 I/O와 통합 능력에 있어 한계가 있습니다. NI Motion Assistant는 모든 구성 가능한 시스템의 기능 뿐 아니라 LabVIEW 코드 생성까지도 제공함으로써 프로그램 가능한 환경과 구성 가능한 환경을 절충합니다.

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그림 4: NI Motion Assistant로 어플리케이션을 신속하게
프로토타입하며, 향후의 개발을 위해 프로젝트를
LabVIEW VI 또는 코드로 변환 가능

소프트웨어 평가판
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개발
프로토타입 완성 후의 다음 단계는 최종 어플리케이션 코드 개발입니다. 이를 위해 LabVIEW, C, 또는 Visual Basic 등의 ADE에서 드라이버 레벨 소프트웨어를 사용할 수 있습니다. 내쇼날인스트루먼트의 모션 컨트롤러에는 NI-Motion 드라이버 소프트웨어를 사용하면 됩니다.

NI-Motion 드라이버 소프트웨어에는 Windows 또는 LabVIEW Real-Time에서 NI 모션 컨트롤러와 통신할 수 있는 함수가 포함됩니다. NI-Motion에는 또한 Measurement and Automation Explorer (MAX)가 포함되어 있으므로 시스템을 간편하게 구성하고 조정할 수 있습니다.

Windows 시스템이 아닌 경우, Motion Control Hardware DDK 매뉴얼을 사용하여 고유 드라이버를 개발할 수 있습니다. 매뉴얼은 NI 모션 컨트롤러로 하위 레벨에서 통신하는 방법을 설명합니다. 드라이버 개발을 위한 시간 또는 전문 지식이 없는 사용자를 위해, NI 협력 업체인 Sensing Systems에서 Linux 및 VxWorks 드라이버를 제공하므로, Mac OS X 또는 RTX와 같은 다른 OS용 드라이버를 생성할 수 있습니다.

 

모션 컨트롤러

모션 컨트롤러는 모션 컨트롤 시스템의 중추적인 역할을 하며, 명령을 받은 각 이동 경로 (trajectory)를 연산합니다. 본 태스크는 매우 중요하므로 호스트 컴퓨터의 간섭을 방지하기 위해 보드 자체의 디지털 신호 프로세서 (DSP)에서 주로 진행됩니다. (가령, 안티바이러스 소프트웨어가 실행되어 모션이 작동 중지할 수도 있기 때문입니다.) 모션 컨트롤러는 연산한 경로를 사용하여 모터 증폭기에 보낼 적절한 토크 명령을 결정하며 실제로 모션을 진행합니다.

모션 컨트롤러는 반드시 PID 컨트롤 폐루프 (Closed Loop)를 유지해야 합니다. 본 과정은 높은 수준의 결정성을 필요로하며, 지속적인 작업을 위해 매우 중요하므로 컨트롤 루프는 보드 자체에서 폐루프 (Closed Loop)를 유지하게 됩니다. 컨트롤 폐루프와 더불어, 모션 컨트롤러는 안전한 작업을 보장하기 위해 리미트 (limits) 및 비상 정지 (emergency stops)를 모니터하는 등의 관리자 컨트롤을 수행합니다. 보드 또는 리얼타임 시스템에서 각 작업이 진행되도록 관리하여 모션 컨트롤 시스템에 필요한 높은 신뢰성, 결정성, 안정성 및 안전성을 구현합니다.

내쇼날인스트루먼트의 DSP 기반 모션 컨트롤러의 FlexMotion 아키텍처에 대해 자세히 알아보십시오.

경로 연산
모션 경로는 모션 컨트롤러 보드 컨트롤 또는 드라이버/증폭기로의 명령 신호 출력을 설명하며 그 결과로 프로파일을 따르는 모터/모션 동작이 진행됩니다. 일반적인 모션 컨트롤러는 사용자가 프로그래밍한 파라미터 값을 바탕으로 모션 프로파일 경로 세그먼트를 연산합니다. 모션 컨트롤러는 사용자가 부여한 타겟 위치, 최대 타겟 속력 및 가속도 값을 이용하여 세 가지의 주요 운동 세그먼트 (가속도, 등속도 및 감속도)에 필요한 시간을 파악합니다.

일반적인 사다리꼴 (trapezoidal) 프로파일의 가속도 세그먼트의 경우, 모션은 정지된 위치 또는 이전의 운동에서 시작하며, 속도가 타겟 속도에 도달할 때까지 미리 지정된 가속 경사 (acceleration ramp)를 따릅니다.

그림 5: 일반적인 사다리꼴 속도 프로파일

모션은 컨트롤러가 감속 결정을 하기 전까지 미리 지정된 시간 동안 타겟 속도로 진행하며, 원하는 타겟 위치에서 속도를 낮추고 정확하게 정지합니다.

운동이 충분히 길지 않아서 가속이 완료되기 이전에 감속을 시작한 경우, 프로파일은 사다리꼴이 아닌 삼각형으로 나타나며 실제 얻어진 속도는 원하는 타겟 속도에 미치지 못합니다. S 곡선 가속/감속은 기본적인 사다리꼴 이동의 향상된 형태로 가속/감속 경사가 비선형, 곡선 프로파일로 변경됩니다. 이처럼 경사의 형태에 대한 미세하게 컨트롤하면 관성, 마찰력, 기타 기계적 모션 시스템 제약을 바탕으로 모션 이동 성능을 맞춤화하는 데에 매우 유용합니다.

적합한 모션 컨트롤러 선택하기
NI는 세 가지 DSP 기반 모션 컨트롤러의 주요 제품군인 저가형 NI 733x 시리즈, 중간급 NI 734x 시리즈 및 고성능 NI 735x 시리즈를 제공합니다. NI 733x 시리즈 저가형 컨트롤러는 4-축 스테퍼 모터 컨트롤을 제공하며, 단일 및 다축 포인트 투 포인트 모션 등의 광범위한 어플리케이션에 필요한 기본적인 기능을 제공합니다. NI 734x 시리즈는 중간급의 시리즈로, 스테퍼와 서보 컨트롤의 최대 4개 축 뿐만 아니라, 컨투어링 및 전자식 기어링과 같은 고성능 기능도 제공합니다. NI 735x 시리즈는 최고급 시리즈로써 최대 8-축의 스테퍼 및 서보 컨트롤, 추가 I/O를 제공하며 또한 브러시리스 (brushless) 모터를 위한 사인꼴 정류 및 고속 통합을 위한 4 MHz 주기적 브레이크포인트 (또는 위치 트리거)를 제공합니다.

맞춤형 모션 컨트롤러 생성하기
현재 사용되는 DSP 탑재 모션 컨트롤러가 여러가지 어플리케이션에 적합한 것이 사실이지만, 200 kHz나 되는 빠른 서보 업데이트 속도의 고정밀 모션 컨트롤이 요구되는 경우, 머신 제조사는 보통 맞춤형 PCB에 모션 컨트롤러를 자체 제작해야 합니다. 그러나 이러한 개발은 시간 및 비용 측면에서 비효율적일 뿐만 아니라, 모션 컨트롤러의 고정적인 특성 때문에 향후 재설계나 작동 중인 모션 컨트롤 알고리즘 변경 등에 필요한 유연성이 결여됩니다.

앞서 말한 높은 수준의 정밀도 및 유연성이 필요한 어플리케이션으로는 반도체 산업의 웨이퍼 프로세싱 (wafer processing) 머신 또는 자동차 업체의 ILVS (in-line vehicle sequencing) reconfigurable-at-run-time 조립 생산 라인을 들 수 있습니다. 내쇼날인스트루먼트의 재구성가능한 I/O (RIO) 기술과 NI SoftMotion 기술의 결합으로 머신 제조사들은 FPGA와 완벽 호환하는 고정밀도의 맞춤화된 모션 컨트롤을 구축할 수 있습니다. 고정밀 어플리케이션 이외에도, 머신 제조업체 및 OEM 업체들은 NI SoftMotion Development Module의 사용으로 다양한 플랫폼에서 NI LabVIEW를 사용하여 다축 조율된 모션 컨트롤을 실행할 수 있습니다.

그 예로는 산업용 PC 및 PXI용 NI 플러그인 M 시리즈 DAQ 디바이스에서부터 NI CompactRIO를 사용하는 견고한 시스템 및 NI Compact FieldPoint 프로그램 가능한 자동화 컨트롤러 (PACs) 등이 있습니다.

 

운동 유형

단일 축, 포인트 투 포인트 모션
가장 보편적으로 사용되는 프로파일은 간단한 단일 축, 포인트 투 포인트 운동이며 축이 이동할 위치가 필요합니다. 보통 모션이 이동하는 속도 및 가속도 (보통 기본 설정에서 제공)도 요구됩니다. 다음의 다이어그램은 속도 및 가속도 기본값을 사용하여 LabVIEW에서 단일 축을 이동시키는 방법입니다.

그림 6: LabVIEW에서 단일 축, 포인트 투 포인트 모션

조율된 다축 모션
모션의 다른 유형은 조율된 다축 모션 즉, 벡터 모션입니다. 본 운동은 포인트 투 포인트 모션이지만, 2D 또는 3D 공간에서 진행됩니다. 벡터 운동은 X, Y, 그리고/또는 Z 축에서 위치를 요구합니다. 또한 모션 컨트롤러는 특정 유형의 벡터 속도 및 가속도를 요구합니다. 이러한 모션 프로파일은 스캐닝 또는 자동화된 현미경 검사와 같은 XY 유형 어플리케이션에서 찾아볼 수 있습니다. 다음의 다이어그램은 LabVIEW에서 2-축 운동을 완성하는 방법입니다. 조율된 모션에 관한 더욱 자세한 정보는 NI-Motion 드라이버 소프트웨어의 LabVIEW Multiaxis.llb 라이브러리의 예제를 확인하십시오.

그림 7: LabVIEW의 조율된 다축 모션

혼합 모션
혼합 모션에서는 두 개의 운동이 혼합되어 하나로 동작합니다. 혼합 운동을 위해서는 두 개의 운동과 혼합 크기를 지정하는 혼합 요소 (blend factor)가 필요합니다. 블렌딩은 두 개의 다른 운동간 연속적인 모션이 필요한 어플리케이션에 유용합니다. 그러나, 혼합 모션에서 사용자의 시스템은 원래 경로의 모든 지점을 통과하지 않습니다. 따라서 경로 상의 특정 부분이 중요한 경우, 컨투어링 모션을 사용하십시오.

그림 8: 혼합 모션

아래의 그림은 LabVIEW에서 두 개의 벡터 운동 사이의 블렌딩을 설명합니다. 블렌딩에 관한 자세한 정보는 NI-Motion 드라이버 소프트웨어에 있는 Sequence of Blended Vector Moves 예제를 참조하십시오.

그림 9: LabVIEW에서의 혼합 모션

컨투어링 모션
컨투어링을 사용하면, 위치 버퍼 (position buffer)를 공급하며 버퍼를 통해 원활한 경로 또는 스플라인 (spline)을 생성할 수 있습니다. 컨투어링은 시스템의 각 위치 통과 여부를 보장하므로 블렌딩에 비해 우위에 있습니다.

그림 10: 컨투어링 모션

아래의 다이어그램은 LabVIEW를 사용한 컨투어링 운동을 나타냅니다. 컨투어링에 대한 더욱 자세한 정보는
NI-Motion 드라이버 소프트웨어
의 Countouring.llb 예제 라이브러리에 있는 예제를 참조하십시오.

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그림 11: LabVIEW의 컨투어링 모션

전자식 기어링
전자식 기어링으로, 실제의 기어를 사용하지 않고 두 개의 기어 사이에서 발생하는 모션 시뮬레이션 가능 슬레이브 축 및 마스터 축, 엔코더 또는 ADC 채널 간 기어 비율을 제공함으로써 전자 기어링을 사용할 수 있습니다.

아래의 다이어그램에서는 마스터 축을 따르도록 슬레이브 축을 구성하는 방법을 보여줍니다. 전자 기어링에 대한 더욱 자세한 정보는 NI-Motion 드라이버 소프트웨어의 Gearing.llb 예제 라이브러리를 살펴보십시오.

그림 12: LabVIEW에서의 전자식 기어링

 

모터 증폭기 및 드라이브

모터 증폭기 (또는 드라이브)는 모션 컨트롤러로부터 저전류의 아날로그 전압 신호의 형태로 명령을 받은 후, 모터를 구동시키기 위한 높은 전류의 신호로 변환합니다. 모터 드라이브에는 여러가지 다양한 종류가 있으므로 모터의 종류도 달라집니다. 예를 들어, 스테퍼 모터 드라이브는 스테퍼 모터만을 연결하며 서보 모터를 연결하지 않습니다. 또한 드라이브는 모터를 구동하기 위해 정확한 피크 전류, 연속 전류, 전압을 제공해야 합니다. 드라이브가 과도한 전류를 공급한다면 모터 손상의 위험이 있습니다. 드라이브가 극소량의 전류를 공급하면 모터는 충분한 토크 용량에 도달하지 못합니다. 전압이 극도로 낮으면 모터는 최상의 속도로 작동할 수 없습니다.

증폭기를 컨트롤러에 연결하는 방법에도 주의를 기울여야 합니다. 일부 모터 업체들은 자사의 모터에 간편하게 연결 가능한 드라이버를 판매하고 있습니다. 내쇼날인스트루먼트는 2-상 스테퍼 모터와 DC 브러시드 서보 모터를 위한 드라이브를 제공합니다. 본 드라이브에는 스크류 터미널이 있어 여러 다른 모터에 연결할 수 있습니다. 하단의 그림에서는 NI 모터 드라이브의 차이점에 대해 설명합니다.

내쇼날인스트루먼트는 타사 드라이브 및 증폭기에 연결하기 위해 범용 모션 인터페이스 (UMI) – 스크류 터미널 연결을 갖춘 표준 UMI-7764, 24V 로직 디지털 I/O 및 D-SUB 연결을 갖춘 산업용 UMI-7774를 제공합니다.

 

모터 및 기계적 요소

모터 선택 및 기계적 디자인은 모션 컨트롤 시스템을 설계하는 데 있어 중요한 부분입니다. 여러 모터 업체들이 적합한 모터 선택을 위한 가이드를 제공하고 있지만, 우선 모터의 기본에 대해 이해하는 것은 도움이 됩니다. 아래의 그림은 다양한 모터 기술에 대해 설명합니다.

	장점	단점	어플리케이션
스테퍼 모터	저가, 개방형 루프 실행 가능, 로엔드 토크 (low-end torque), 클린룸 (clean room)	소음 및 울림, 고속 토크, 높은 온도에 부적합, 다양한 로드에 부적합	포지셔닝, 미세 움직임 (micro movement)
브러시드 DC 서보 모터	저가형, 중간급 속도, 하이엔드 토크 (high-end torque), 간단한 드라이브	유지보수 필요, 클린룸 (clean room)에서 사용 불가, 브러시 스파크가 폭발 위험 환경에서 EMI 및 위험 유발	속도 컨트롤, 고속 위치 컨트롤
브러시리스 서보 모터	유지보수 불필요, 긴 수명, 스파크가 없음, 고속, 클린룸에서 사용 가능, 조용, 열발생이 적음	고가 및 복잡한 드라이브	로봇 공학, 픽 앤 플레이스 (pick-and-place), 높은 토크 (high torque) 어플리케이션

어떤 기술을 사용할 것인지를 결정한 후에는 모터 샤프트 (motor shaft)에서의 토크 및 관성을 확인해야 합니다. 시스템 토크 계산에 대한 더욱 자세한 정보는 zone.ni.com에 있는 모터 기본사항을 참조하십시오.

모터 및 다른 기계를 선택할 때 고려해야 할 또 다른 사항으로는 스테이지 (stage)와 같은 상용 액추에이터가 어플리케이션에 적합한지 여부입니다. 스테이지 (Stages)는 파워트렌스미션 (power transmission)을 제공하므로 설계 없이 유용한 회전 또는 선형 모션을 얻을 수 있습니다. 내쇼날인스트루먼트의 협력 업체에서 제공하는 여러가지 스테이지를 ni.com/motion/advisors에서 확인할 수 있습니다.

 

피드백 디바이스 및 모션 I/O

피드백 디바이스
피드백 디바이스로 인해 모션 컨트롤러는 모터의 위치를 알 수 있습니다. 가장 보편적인 위치 피드백 디바이스는 구적 엔코더로써 시작점과 연관된 위치을 제공합니다. 대부분의 모션 컨트롤러는 이러한 엔코더 유형과 함께 작업하도록 설계되었습니다. 다른 피드백 디바이스에는 아날로그 포지션 피드백을 제공하는 전위차계, 속도 피드백을 제공하는 타코미터, 절대 위치 측정을 위한 앱솔루트 엔코더 (absolute encoders), 절대 위치 측정을 제공하는 리졸버 (resolvers) 등이 있습니다. NI의 모션 컨트롤러 사용시에는 구적 엔코더와 전위차계를 사용할 수 있습니다.

모션 I/O
모션 컨트롤에 있어 중요한 기타 I/O로는 리미트 (limit) 스위치, 홈 (home) 스위치, 위치 트리거 및 위치 캡쳐 입력 등이 있습니다. 리미트 스위치는 작업의 끝을 알려주므로 시스템 손상을 방지하는 역할을 합니다. 모션 시스템이 리미트 스위치를 작동하면 일반적으로 작업은 중지됩니다. 이와는 반대로 홈 스위치는 시스템 홈 위치를 알려주므로 참조 포인트 역할을 합니다. 이는 픽 앤 플레이스 (pick-and-place)와 같은 어플리케이션에 있어 매우 중요합니다. .

그림 13: 모션 컨트롤 시스템에서의 리미트 및 홈 스위치

위치 트리거 출력 또는 위치 캡쳐 입력과 같은 트리거는 다른 다바이스와 통합시에 유용합니다. 위치 트리거 출력 (브레이크포인트 및 위치 비교라고도 불림)이 있으면 미리 지정된 위치에서 실행되는 트리거를 설정할 수 있게 됩니다. 미리 지정된 여러 위치에서 측정 수행을 위해 시스템을 구동해야 하는 스캐닝 작업 등에서 매우 유용합니다. 반면, 위치 캡쳐 입력은 모션 컨트롤러가 이벤트 발생 지점을 즉시 캡쳐하여 메모리에 저장하도록 합니다. 외부 트리거가 있으며, 시스템 내 발생 위치를 알고 싶을 때 유용합니다.

어플리케이션 노트
모션 컨트롤 메인 페이지 및 인덱스
모션 컨트롤에서의 리미트 스위치 (Limit Switches)
RTSI 사용으로 모션과 통합
모션 컨트롤러를 위한 ADC 세팅
브레이크포인트/트리거

 

관련 NI 제품

본 토픽을 읽은 고객들은 다음의 NI 제품도 살펴보셨습니다.

• LabVIEW
• 데이터 수집 (DAQ)
• 신호 컨디셔닝

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