3가지 서보 모터 제어 모드 설명

1. 서보 모터 펄스 제어 모드

서보 모터는 정밀도와 신뢰성으로 인해 다양한 애플리케이션에서 널리 사용됩니다. 특히 소형 독립형 장비에서 서보 모터를 제어하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 펄스 제어입니다. 이 방법은 간단하고 이해하기 쉬워 모터 포지셔닝에 널리 사용됩니다.

기본 제어 개념

펄스 제어 모드는 두 가지 기본 원칙에 따라 작동합니다:

1. 총 펄스 수: 모터의 변위를 결정합니다. 서보 모터로 전송되는 펄스 수는 모터가 이동하는 거리와 직접적으로 일치합니다. 예를 들어 서보 모터가 한 번 완전히 회전하는 데 2000개의 펄스가 필요한 경우 1000개의 펄스를 보내면 절반만 회전하게 됩니다.
2. 펄스 주파수: 모터의 속도를 결정합니다. 모터에 펄스가 전송되는 주파수에 따라 모터가 움직이는 속도가 결정됩니다. 펄스 주파수가 높을수록 모터 속도가 빨라지고, 주파수가 낮을수록 움직임이 느려집니다.

펄스 제어 구현

서보 모터에 펄스 제어를 구현하려면 다음 단계를 따르세요:

1. 펄스 제어 모드 선택: 서보 모터와 컨트롤러가 펄스 제어 모드로 작동하도록 설정되어 있는지 확인합니다. 이는 일반적으로 모터의 구성 설정을 통해 또는 컨트롤러의 소프트웨어에서 적절한 모드를 선택하여 수행할 수 있습니다.
2. 펄스 요구 사항 결정: 펄스와 모터 움직임의 관계를 이해하려면 서보 모터의 설명서를 참조하세요. 매뉴얼에는 특정 동작에 필요한 펄스 수를 나타내는 표 또는 공식이 나와 있습니다.
3. 펄스 생성: 펄스 발생기 또는 마이크로 컨트롤러를 사용하여 필요한 펄스를 생성합니다. 펄스 발생기는 원하는 주파수와 횟수로 펄스를 생성할 수 있어야 합니다.
4. 모터에 펄스 보내기: 펄스 발생기를 서보 모터의 입력에 연결합니다. 모터가 펄스를 수신하고 그에 따라 움직입니다. 연결이 단단히 고정되어 있고 펄스 발생기가 올바르게 구성되었는지 확인합니다.

서보 모터 매뉴얼의 예제 표

다음은 서보 모터 매뉴얼의 일반적인 표의 예시입니다:

명령 펄스 형식	신호 이름	양수 방향 명령	음의 방향 명령
90비트 위상차   2상 펄스 A + B 위상	펄스 사인	B 단계는 A 단계보다 90도 빠릅니다.	B 단계는 A 단계보다 90도 느립니다.
포지티브 펄스 트레인 + 네거티브 펄스 트레인	펄스 사인
펄스 + 기호	펄스 사인

펄스 제어의 장점

• 단순성: 펄스 제어는 구현과 이해가 쉬워 다양한 애플리케이션에 적합합니다.
• 정밀도: 펄스의 수와 주파수를 제어하여 정밀한 위치 및 속도 제어가 가능합니다.
• 유연성: 펄스 제어는 다양한 유형의 서보 모터 및 컨트롤러와 함께 사용할 수 있어 시스템 설계에 유연성을 제공합니다.

펄스 제어 모터 드라이버 구현 방법

특히 고속 애플리케이션의 경우 모터 제어 영역에서 펄스 제어 방법은 모터의 회전 방향과 속도를 결정하는 데 매우 중요합니다. 아래에서는 각각 고유한 특성, 장점 및 한계가 있는 세 가지 펄스 제어 방법을 살펴봅니다.

방법 1: 차동 제어

구현:

• 드라이버는 𝑎로 표시된 두 개의 고속 펄스를 수신합니다.a 및 𝑏b.
• 모터의 회전 방향은 이 두 펄스 사이의 위상차에 의해 결정됩니다.
  • 펄스 𝑏b 리드 펄스 𝑎a 를 90도 올리면 모터가 양의 방향으로 회전합니다.
  • 펄스 𝑏b 지연 펄스 𝑎a 를 90도 올리면 모터가 반대 방향으로 회전합니다.

특성:

• 교대 펄스: 2상 펄스가 번갈아 가며 "차동 제어"라는 용어로 이어집니다.
• 간섭 방지: 이 방식은 간섭 방지 기능이 뛰어나 전자기 간섭이 강한 환경에 적합합니다.

제한 사항:

• 리소스 집약적입니다: 하나의 모터 샤프트에 두 개의 고속 펄스 포트가 필요하므로 고속 펄스 포트 가용성이 제한된 시스템에서는 제한이 될 수 있습니다.

방법 2: 순차적 펄스 제어

구현:

• 드라이버는 여전히 두 개의 고속 펄스를 수신하지만 동시에 존재하지 않습니다.
• 한 펄스가 활성화되면 다른 펄스는 비활성 상태여야 합니다.
• 한 펄스는 양의 방향을 제어하고 다른 펄스는 음의 방향을 제어합니다.

특성:

• 순차적 펄스: 한 번에 하나의 펄스만 출력되도록 하여 동시 펄스 충돌을 방지합니다.

제한 사항:

• 리소스 집약적입니다: 차동 제어와 마찬가지로 이 방법도 단일 모터 샤프트에 두 개의 고속 펄스 포트가 필요합니다.

방법 3: 방향성 IO 신호가 있는 단일 펄스

구현:

• 드라이버는 단일 고속 펄스 신호를 수신합니다.
• 모터의 회전 방향은 추가적인 방향성 IO 신호로 제어됩니다.

특성:

• 더 간편한 제어: 이 방법은 필요한 펄스 신호의 수를 줄여 제어 로직을 간소화합니다.
• 리소스 효율적: 고속 펄스 포트를 적게 차지하므로 리소스가 제한된 소규모 시스템에 이상적입니다.

제한 사항:

• 낮은 간섭 방지: 이 방법은 더 간단하지만 차동 제어와 같은 수준의 간섭 방지 기능을 제공하지 못할 수 있습니다.

요약

각 펄스 제어 방법은 뚜렷한 장점을 제공하며 다양한 애플리케이션 시나리오에 적합합니다:

• 차동 제어: 우수한 간섭 방지 기능으로 간섭이 많은 환경에 가장 적합하지만 더 많은 리소스를 필요로 합니다.
• 순차적 펄스 제어: 제어 복잡성과 리소스 사용량 간의 균형을 제공하지만 여전히 두 개의 고속 펄스 포트가 필요합니다.
• 방향성 IO 신호가 있는 단일 펄스: 리소스가 제한된 소규모 시스템에 적합하며, 간섭 방지 기능이 잠재적으로 낮아지는 대신 단순성과 효율성을 제공합니다.

제어 방법을 선택할 때는 간섭 수준, 리소스 가용성, 제어 복잡성 등 애플리케이션의 특정 요구 사항을 고려하세요.

2. 서보 모터 아날로그 제어 모드

서보 모터의 정밀한 속도 제어가 필요한 애플리케이션에서는 아날로그 제어가 효과적인 방법이 될 수 있습니다. 이 모드는 아날로그 신호를 사용하여 모터의 속도를 조절하므로 간단하고 유연한 접근 방식을 제공합니다.

아날로그 수량 선택

아날로그 제어 신호는 전압 또는 전류일 수 있습니다. 각 방법에는 고유한 장점과 고려 사항이 있습니다:

전압 모드

전압 모드에서 제어 신호는 서보 모터의 제어 입력에 적용되는 특정 전압입니다. 이 방법은 구현이 비교적 간단하며 포텐셔미터를 사용하여 수동으로 조정할 수도 있습니다. 핵심 사항은 다음과 같습니다:

• 구현: 제어 신호 끝에 특정 전압을 적용합니다.
• 사용 편의성: 간단한 설정, 전위차계를 사용하는 경우가 많습니다.
• 적합성: 환경 간섭을 최소화하는 간단한 애플리케이션에 이상적입니다.

그러나 전압 신호는 특히 복잡한 환경에서 노이즈와 간섭에 취약합니다. 이로 인해 모터 제어가 불안정해져 이러한 시나리오에서는 안정성이 떨어질 수 있습니다.

현재 모드

전류 모드 제어는 제어 신호를 생성하기 위해 해당 전류 출력 모듈이 필요합니다. 추가 하드웨어 요구 사항에도 불구하고 전류 신호는 안정성과 신뢰성 측면에서 상당한 이점을 제공합니다:

• 구현: 전류 출력 모듈이 필요합니다.
• 간섭 방지: 환경 소음 및 간섭에 대한 강력한 내성.
• 적합성: 안정적인 제어가 중요한 복잡한 환경에 최적입니다.

전류 신호의 견고한 특성으로 인해 환경 조건이 신호 무결성에 영향을 미칠 수 있는 산업 환경이나 기타 애플리케이션에서 선호됩니다.

3. 서보 모터 통신 제어 모드

서보 모터는 다양한 산업 분야에서 모션을 정밀하게 제어하는 핵심 부품입니다. 서보 모터의 통신 제어 모드는 특히 복잡하고 대규모 시스템에서 효율적이고 정확한 작동을 달성하는 데 필수적입니다. 여기에서는 서보 모터 제어에 사용되는 일반적인 통신 프로토콜과 그 이점을 살펴봅니다.

일반적인 통신 프로토콜

1. CAN(컨트롤러 영역 네트워크)
   • 개요: CAN은 마이크로컨트롤러와 디바이스가 호스트 컴퓨터 없이도 서로 통신할 수 있도록 설계된 강력한 차량 버스 표준입니다.
   • 장점: 높은 신뢰성, 실시간 기능 및 오류 감지 메커니즘.
   • 애플리케이션: 자동차 및 산업 자동화 시스템에서 널리 사용됩니다.
2. EtherCAT(제어 자동화 기술용 이더넷)
   • 개요: EtherCAT은 실시간 제어 애플리케이션을 위해 설계된 이더넷 기반 필드버스 시스템입니다.
   • 장점: 고속 통신, 짧은 지연 시간 및 동기화 기능.
   • 애플리케이션: 로봇 공학, CNC 기계 및 모션 제어 시스템과 같은 고성능 애플리케이션에 이상적입니다.
3. MODBUS
   • 개요: MODBUS는 원래 Modicon에서 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)와 함께 사용하기 위해 발표한 직렬 통신 프로토콜입니다.
   • 장점: 단순성, 구현 용이성, 광범위한 채택.
   • 애플리케이션: 산업 환경에서 전자 장치를 연결하기 위해 일반적으로 사용됩니다.
4. PROFIBUS(프로세스 필드 버스)
   • 개요: PROFIBUS는 자동화 기술에서 필드버스 통신을 위한 표준입니다.
   • 장점: 빠른 데이터 전송 속도, 안정성 및 광범위한 진단 기능.
   • 애플리케이션: 공장 자동화 및 프로세스 자동화에 사용됩니다.

서보 모터에서 통신 제어의 이점

통신 프로토콜을 사용하여 서보 모터를 제어하면 특히 복잡하고 대규모 시스템 애플리케이션에서 여러 가지 이점을 얻을 수 있습니다:

• 확장성: 인프라를 크게 변경하지 않고도 시스템의 크기와 모터 샤프트 수를 쉽게 조정할 수 있습니다.
• 배선 복잡성 감소: 통신 제어는 광범위한 제어 배선의 필요성을 줄여 설치 및 유지보수를 간소화합니다.
• 유연성: 구축된 시스템은 매우 유연하여 구성 요소를 쉽게 통합하고 재구성할 수 있습니다.
• 향상된 진단: 통신 프로토콜에는 시스템 모니터링 및 문제 해결에 도움이 되는 진단 기능이 포함되어 있는 경우가 많습니다.
• 실시간 제어: EtherCAT과 같은 프로토콜은 정확한 타이밍과 동기화가 필요한 애플리케이션에 필수적인 실시간 제어 기능을 제공합니다.

4. 서보 모터 제어 모드 확장

1. 서보 모터 토크 제어

토크 제어 모드에서는 외부 아날로그 신호 입력 또는 직접 주소 할당을 통해 모터 샤프트의 외부 출력 토크를 정밀하게 설정할 수 있습니다. 이 모드는 재료 응력을 일정하게 유지하는 것이 중요한 애플리케이션에 특히 유용합니다.예시:

• 10V 입력이 5Nm의 토크에 해당하는 경우 5V 입력은 2.5Nm의 토크 출력으로 이어집니다.
• 모터 샤프트 부하가 2.5Nm 미만인 경우 모터가 앞으로 회전합니다.
• 외부 부하가 2.5Nm이면 모터는 정지 상태를 유지합니다.
• 부하가 2.5Nm를 초과하면 모터의 방향이 반전됩니다(중력 부하 시스템에서 일반적).

애플리케이션:

• 섬유 제조 또는 광섬유 당김 장비에 사용되는 감기 및 풀기 장치와 같이 재료 응력이 일정하게 유지되어야 하는 장치.
• 아날로그 입력을 변경하거나 통신 프로토콜을 통해 값을 변경하여 토크 설정을 실시간으로 조정할 수 있어 권선 반경의 변화에도 일관된 재료 응력을 보장합니다.

2. 서보 모터 위치 제어

위치 제어 모드에서 모터의 회전 속도는 일반적으로 외부 입력 펄스의 주파수에 의해 결정되며, 회전 각도는 펄스 수에 의해 제어됩니다.기능:

• 일부 서보 시스템에서는 통신을 통해 속도와 변위 값을 직접 할당할 수 있습니다.
• 이 모드는 속도와 위치를 정밀하게 제어할 수 있어 높은 정확도가 필요한 애플리케이션에 이상적입니다.

애플리케이션:

• 포지셔닝 장치
• CNC 공작 기계
• 인쇄 기계

3. 서보 모터 속도 모드

속도 모드에서는 아날로그 입력 또는 펄스 주파수를 통해 모터의 회전 속도를 제어할 수 있습니다.기능:

• 상위 제어 장치에서 외부 루프 PID 제어를 사용하면 속도 모드를 포지셔닝에 사용할 수도 있습니다.
• 모터 또는 직접 부하의 위치 신호는 처리를 위해 상위 컴퓨터로 다시 피드백되어야 합니다.
• 모터 샤프트 인코더가 속도만 측정하고 부하 끝에 있는 별도의 장치가 위치 신호를 제공하는 직접 부하 외부 링 위치 감지를 지원합니다.

장점:

• 중간 전송 오류 감소
• 전반적인 시스템 위치 정확도 향상

4. 세 가지 루프 이해

서보 시스템은 일반적으로 전류 루프, 속도 루프, 위치 루프의 세 가지 폐쇄 루프 네거티브 피드백 PID 레귤레이션 시스템을 사용하여 작동합니다.현재 루프:

• 가장 안쪽 루프는 전적으로 서보 드라이버 내에서 처리됩니다.
• 홀 장치를 사용하여 각 모터 위상의 출력 전류를 감지하고 조정합니다.
• 최소한의 계산 부하와 빠른 동적 응답으로 모터 토크를 제어합니다.

스피드 루프:

• 두 번째 루프는 모터 인코더의 피드백을 활용합니다.
• 속도 루프의 PID 출력은 전류 루프를 설정하므로 속도 제어에는 본질적으로 전류 제어가 포함됩니다.
• 현재 루프가 제어 기반을 형성하므로 모든 제어 모드에 필수적입니다.

위치 루프:

• 드라이버와 모터 인코더 사이 또는 외부 컨트롤러와 모터 인코더/최종 부하 사이에 구성할 수 있는 가장 바깥쪽 루프입니다.
• 위치 제어 루프의 내부 출력은 속도 루프를 설정하므로 위치 제어 모드에서 세 개의 루프가 모두 작동해야 합니다.
• 이 모드는 가장 많은 계산 작업이 필요하며 동적 응답이 가장 느립니다.

결론

서보 모터의 다양한 제어 모드와 3루프 시스템을 이해하는 것은 다양한 산업 분야에서 성능을 최적화하는 데 필수적입니다. 각 모드는 고유한 장점을 제공하며 특정 작업에 적합하여 토크, 위치 및 속도를 정밀하게 제어할 수 있습니다.