NI SoftMotion: LabVIEW로 모든 플랫폼에서 맞춤형 모션 컨트롤러 구축하기

개요

모션 컨트롤에는 회전 또는 선형 전자기기 디바이스의 위치, 속도 및 토크를 정확하게 컨트롤하는 작업이 포함됩니다. 모션 컨트롤러는 특정 어플리케이션을 타겟으로 하는 독립형 시스템의 일부였던 것이 계속 발전하여 DSP 기반이 되었으며, 현재 여러 다양한 유형의 버스에서 다양한 어플리케이션에 사용가능합니다. NI SoftMotion 기술은 차세대 모션 컨트롤을 제공하며 이를 통해 사용자는 각자의 가격-성능 요구 사항에 맞추어 선택한 프로세서 및 I/O에서 맞춤형 모션 컨트롤러를 정의할 수 있습니다. LabVIEW용 NI SoftMotion Development Module이 있으면, M 시리즈 DAQ 디바이스 또는 Compact FieldPoint (최고 1 kHz 서보 업데이트 속도)를 사용하여 맞춤형 모션 컨트롤러를 구축할 수 있습니다. R 시리즈 재구성가능한 I/O 모듈 또는 CompactRIO (모션 축당 최고 200 kHz의 서보 업데이트 속도)를 사용하여 고정밀의 매우 유연성있는 모션 컨트롤러를 구축할 수 있습니다.

그림 1. 모션 컨트롤 시스템 아키텍처

NI SoftMotion: 차세대 모션 컨트롤 제품

일반적으로, 지금까지 모션 컨트롤 컴포넌트는 단일 시스템에 통합되었습니다. 각 모션 컨트롤러 운동에 대한 총 주기 시간은 운동의 시작과 끝 간격, 다른 작동 수행을 위한 간격, 소프트웨어 대기시간에 대한 추가 간격 등이 포함되었습니다. 주기 시간은 비선형 하드웨어에 의해 야기되는 타이밍 에러 (반동, 상태 변화 등)를 설명할 길이 없으므로 지속성을 보장할 수가 없었습니다. 가속, 감속을 위해 시간을 줄이면 전체 주기 시간이 줄어들지만 또한 더욱 높은 힘 조건이 생기므로 비용이 증가합니다. 또한 독립형 모션 컨트롤러는 변화하는 어플리케이션 조건을 수용하거나, 고정밀 모션 어플리케이션에서 요구되는 빠른 업데이트 속도를 구현하지 못합니다.
현재 많이 사용되는 DSP 기반 모션 컨트롤러는 고정밀 어플리케이션을 위한 최고 30 kHz의 신속한 서보 업데이트 속도를 구현합니다. 개방 아키텍처로, PCI, PXI 또는 IEEE 1394 버스에서 신호 및 데이터를 공유하기 위해 시스템을 프로그램할 수 있습니다. 내쇼날인스트루먼트의 PCI 및 PXI 모션 컨트롤러에는 또한 Real-Time System Integration (RTSI) 버스라고 불리는 고속 전용 트리거 버스가 있어 여러 디바이스간에 디지털 신호 공유를 가능하게 합니다. 모션 컨트롤러가 특정 위치에 이르게 되면 모터를 멈출 필요없이 다른 작업을 트리거하므로, 과도한 감가속과 소프트웨어 대기시간을 줄입니다. 따라서, DSP 기반 모션 컨트롤러는 총 주기 시간을 향상시킬 뿐 아니라, 전체 모션 시스템 비용을 줄이는 동시에 다양한 어플리케이션을 위한 유연성 및 정확성을 제공합니다.

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.  

LabVIEW용 NI SoftMotion Development Module이란?

LabVIEW용 NI SoftMotion Development Module은 LabVIEW를 NI 하드웨어(NI RIO 디바이스, DAQ 디바이스, Compact FieldPoint 등)와 함께 사용할 때 작동하는 맞춤형 모션 컨트롤러를 구축할 수 있도록 VI 및 함수를 제공합니다.

NI SoftMotion Development Module은 NI LabVIEW Real-Time Module, LabVIEW FPGA Module 및 LabVIEW Control Design and Simulation Bundle과 함께 작동합니다. NI SoftMotion Development Module은 모션 컨트롤러의 DSP가 갖춘 모든 기능을 제공합니다. 본 모듈로, NI LabVIEW 환경에서 경로 계획, 궤도 생성, 위치 및 속도 루프 컨트롤을 처리하고, 코드를 NI LabVIEW Real-Time이나 LabVIEW FPGA 기반의 타겟 하드웨어에 배포합니다.

그림 2. LabVIEW용 NI SoftMotion Development Module로
모든 플랫폼에서 맞춤형 모션 컨트롤을 진행할 수 있습니다.

NI SoftMotion Development Module에는 궤도 생성, 스플라인 엔진을 위한 함수와 PID 알고리즘을 사용한 관리자 제어, 위치 및 속도 컨트롤 루프를 위한 완벽한 소스 코드가 있는 예제가 포함되어 있습니다. 관리자 컨트롤 및 경로 생성기는 LabVIEW Real-Time 타겟에서 밀리초의 루프 속도로 실행됩니다. 스플라인 엔진 및 컨트롤 루프는 LabVIEW Real-Time 타겟에서 밀리초 루프 속도로 실행되거나 또는 LabVIEW FPGA 타겟에서 마이크로초 속도로 실행됩니다.  

LabVIEW용 NI SoftMotion Development Module을 사용하여 맞춤형 모션 컨트롤러 구축하기

모션 컨트롤러는 관리자 컨트롤, 경로 생성 및 컨트롤 루프로 구성된 일반적인 모션 시스템의 핵심에 있습니다. 컨트롤러는 하이레벨의 사용자 명령을 액추에이터를 움직이는 데 사용되는 명령 신호로 변환합니다. 모션 컨트롤러는 또한 시스템이 속도, 방향, 액추에이터 시작/정지를 바꾸도록 만드는 에러 상태, 결함, 비동기 이벤트를 모니터링합니다. 다음에서는 일반적인 모션 컨트롤러의 파트 및 과정에 대해 설명합니다.

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그림 3. 모션 컨트롤러 아키텍처

관리자 컨트롤
관리자 컨트롤은 모션 컨트롤 시스템의 주요 루프입니다. 본 루프는 사용자로부터의 명령을 차단하고, 경로 생성기가 움직임을 시작하거나 멈추도록 신호를 보냅니다. 관리자 컨트롤 루프는 또한 초기화 태스크 (레퍼런스 또는 origin 검색 등)를 수행하기 위해 필요한 모든 I/O를 모니터합니다. 본 루프는 또한 시스템 결함을 모니터하며, 외부 조건의 변화와 관련있는 움직임을 동기화하는 데에 도움을 줍니다. 관리자 컨트롤용 코드는 밀리초 루프 속도로 LabVIEW Real-Time 환경에서 실행됩니다. NI SoftMotion Development Module에는 관리자 컨트롤을 위한 여러가지 예제가 포함됩니다.

경로 생성기
경로 생성기는 컨트롤 루프를 위한 기준점을 생성하는 경로 플래너입니다. 다축, preemptive, 64-비트 부동점 엔진으로써, 선형 및 회전 보간이 있는 조율된 모션을 지원합니다. 경로 생성기는 사용자가 제공한 이동 제한에 기반하여 매 루프 주기마다 새로운 기준점을 생성합니다. 이러한 이동 제한에는 기계 시스템이 견딜 수 있는 최고 속도, 최고 가속/감속, 및 최고 지터 (jerk)가 포함됩니다. 컨투어링 및 registration 이동으로 2-D, 3-D (roll, yaw, pitch), 및 나선형 구형 보간을 수행할 수 있습니다. 궤도 생성기는 또한 3차 스플라인 (cubic splining)이 지원되며, 스플라인 보간을 위한 계수를 제공합니다.

그림 4. LabVIEW용 NI SoftMotion Development Module로
경로 생성 실행

스플라인 엔진
스플라인 엔진 함수는 3차 스플라인 (cubic spline) 알고리즘과 네 개의 기준점을 사용하여 경로 생성기의 두 위치간 보간된 위치를 계산합니다. 스플라인 엔진 함수를 사용하면 부드러운 모션이 나타나며, 이는 컨트롤 루프보다 더욱 느린 속도로 경로 생성기를 실행할 수 있다는 의미입니다.

컨트롤 루프
컨트롤 루프는 경로 생성기에 의해 제공되는 기준점을 기반으로 하여 명령 신호를 생성합니다. 대부분의 경우, 컨트롤 루프에는 위치 루프와 속도 루프가 포함되며, 일부 경우 컨트롤 루프는 위치 루프만을 포함하기도 합니다. 위치는 엔코더에 의해 읽혀지며 아날로그 입력 (ADC)에 의해 읽혀지기도 합니다. 속도는 위치값에 의해 계산되며, 위치 센서 (타코미터 등)에서 직접 읽혀지기도 합니다. 스테퍼 모터에서는 피드백이 요구되지 않으므로 컨트롤 루프는 경로 생성기에 의해 생성된 기준점을 스테퍼 신호로 (step/direction) 통합합니다.

NI SoftMotion Development Module에는 PID로 컨트롤 루프를 실행하기 위한 예제가 포함됩니다. 예제에는 듀얼 피드백, 위치 및 속도 루프, 속도 피드포워드 및 가속 피드포워드 파라미터를 지원하는 향상된 PID 알고리즘이 포함되어 있습니다. 컨트롤 루프는 LabVIEW Real-Time 및 LabVIEW FPGA를 통해 프로그램됩니다. PID 컨트롤 루프를 위한 완벽한 소스 코드는 NI SoftMotion Development Module의 일부로 제공됩니다.

I/O
아날로그 및 디지털 I/O는 명령 신호를 보내고, 액추에이터로부터 피드백을 받기 위해 요구됩니다. 모션 컨트롤러를 위한 대부분의 I/O 요구조건은 디지털입니다. 대부분의 경우 위치 패드백은 디지털 엔코더로에서 받습니다. 그러나 일부 서보 모터 드라이브는 아날로그 I/O를 필요로 하며, 피드백은 아날로그 소스 (ADC)로부터 얻어집니다.

NI SoftMotion Development Module에는 M 시리즈 DAQ 디바이스, CompactRIO I/O 모듈, R 시리즈 재구성가능한 I/O 모듈 및 Compact FieldPoint I/O 모듈을 사용하여 I/O를 실행하는 예제가 포함되어 있습니다. 엔코더 실행 코드로, LabVIEW FPGA를 사용하여 맞춤형 엔코더를 실행하여 20 MHz의 속도로 방향 및 속도를 계산할 수 있습니다.  

가격-성능 요구 조건에 기반하여 적절한 하드웨어 플랫폼 선택하기

Compact RIO 및 R 시리즈 하드웨어는 NI SoftMotion Development Module을 사용하여 5 µs의 컨트롤 루프 속도로 최고 레벨의 맞춤화 및 성능을 제공합니다. 사용자는 1 ms 루프 속도를 요구하는 어플리케이션 (패키지 및 재료 처리 등)용 구적 엔코더로부터 아날로그 출력 라인 및 직접 입력을 제공하는 플러그인 DAQ 디바이스를 사용할 수 있습니다. Compact FieldPoint는 5 ms의 낮은 루프 속도를 제공하며, 서보 수압 기계, 컨베이어, 또는 관성이 높은 시스템 등 간단한 모션 컨트롤 어플리케이션에 적합합니다. 테이블 1은 모든 플랫폼과 기존의 플러그인 모션 컨트롤러의 성능을 비교합니다.

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테이블 1. 여러 플랫폼에서의 모션 컨트롤러 성능

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