[특집] 제어의 첨단 ‘서보시스템’ : ①서보시스템이란 무엇인가
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[특집] 제어의 첨단 ‘서보시스템’ : ①서보시스템이란 무엇인가
  • 신현성 기자
  • 승인 2019.08.04 12:50
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정밀·정확·신속한 제어를 위하여

서보모터와 서보드라이브로 이루어져있는 서보시스템은 오늘날 진정한 정밀 제어를 위한 필수요소로 등극했다. 이제는 더 이상 선택사항이 아니라는 이야기. 서보시스템은 액추에이터는 물론, 고 정밀 장비, 반도체, 일반 산업기계, 2차 전지 등 그야말로 수많은 분야에서 쓰이고 있다. 산업분야에서 서보시스템이 쓰이지 않는 곳을 찾는 것이 더 어렵다고 말할 정도다. 서보시스템의 기초에 대해 알아보자.

서보시스템은 여러 장치가 한 몸처럼 움직인다. 서보시스템을 구성하는 요소는 서보모터와 서보드라이브 그리고 엔코더라는 세 가지 장치로 나눌 수 있다.

서보모터
서보모터는 모터의 일종이다. 이 모터 역시 여타 전기모터처럼 모터 내의 회전체(로터)에 자석이 붙어있고, 그 밖으로 코일이 감겨있는 형태를 취한다. 혹은 반대로 코일이 먼저 감겨있고, 그 밖에 자석이 놓여있기도 하다.

사실 서보모터가 단독적으로 어떤 작업을 수행할 수 있는 것은 아니다. 모터가 직접 위치정보를 계산하고 이를 바탕으로 제품을 이동시킬 수 있는 것이 아니기 때문이다. 이러한 동작은 서보드라이브와 엔코더를 통해 이루어낸다.

서보드라이브
서보드라이브는 서보모터와 직접 연결하여 신호를 주고 받는 역할을 한다. 컨트롤러나 PC 등에서 서보드라이브로 명령을 내리면, 이를 서보모터로 전달하여 장치가 원활하게 움직이도록 돕는다. 반대로 서보모터의 위치정보를 컨트롤러로 전달하는 역할도 맡는다.

서보시스템에서는 서보드라이브가 핵심적인 역할을 한다. 모터의 움직임을 직접적으로 제어할 수 있는 장치이기 때문이다.

서보시스템의 미덕은 모터가 정확하게 정해진 위치를 찾아 작업을 완료하며, 필요한 만큼의 힘과 속도를 내는 것이다. 이를 원활히 수행하기 위해서는 서보드라이브가 중심을 잘 잡아주어야 한다.

서보드라이브는 서보모터 및 엔코더와도, 컨트롤러와도 통신해야 하는 임무가 있다. 다양한 통신 기능이 필요한 것. 따라서 장치가 수용하는 통신 프로토콜의 다양성이 기술력의 척도로 기능한다.

엔코더
엔코더는 모터의 세밀한 작동을 돕는다. 구체적으로, 모터가 회전한 값을 측정하는 역할을 맡는다.

서보모터에는 대부분 영구자석이 설치되어 있다. 원활한 제어를 위해서는자석의 N극과 S극이라는 위치를 정확히 파악하고 이를 추적해야 한다. 여기서 자력선의 위치를 정확히 추적하는 역할을 하는 것이 바로 엔코더다.

엔코더의 성능은 곧 서보시스템의 성능으로 이어진다. 엔코더의 성능이 위치제어의 정밀도로 귀결되기 때문이다. 장치의 움직임을 세밀한 단위로 구분할 수 있는 정도, 즉 엔코더의 분해능은 서보모터의 회전 분해능으로 직결된다.

엔코더는 장치가 현재 위치에서 목표로 하는 위치까지 보다 정확하게 이동할 수 있도록 돕는다. 서보시스템이 세밀한 위치제어를 실현하는 비결은 장치가 제대로 작동했는지에 대한 피드백을 받을 수 있는 것이다.

엔코더는 실제 위치와 명령한 위치가 일치하도록 만든다. 회전형 서보모터의 경우 엔코더가 기본적으로 탑재되어있다. 다이렉트 드라이브(직접구동. 모터의 회전력을 기어박스 등의 기구를 통하지 않고 직접 구동 대상에 전달하는 방식 또는 기구다. 자료 위키백과), 즉 리니어 서보시스템의 경우 장치 외부에 리니어 스케일을 장착하여 사용한다.

오늘날의 서보시스템은 모터와 드라이브 그리고 컨트롤러라는 세 가지 요소가 맞물려 작동한다.

보다 정밀한 서보시스템을 구축하기 위해서는 ▲정밀한 엔코더 ▲정확한 운동을 만들 수 있는 모터 ▲적절하게 신호를 처리할 수 있는 컨트롤러라는 세 가지 요소가 동시에 갖추어져야 한다.

서보 기술의 기원
서보모터는 약 40여 년 전부터 산업현장에 등장했다.

servo의 어원은, 라틴어의 servus이다. 이를 알기 쉬운 말로 변환하면 serf, 즉 ‘농노·노예’라는 뜻이 된다. 결과적으로 서보는 사용자의 명령에 따라 움직이는 장치를 의미한다.

일본공업표준조사회(Japanese Industrial Standards Committee, JIS)의 정의에 따르면, 물체의 위치와 방위 그리고 자세 등을 제어하고, 이를 통해 목표로 하는 임의의 변화를 추종할 수 있도록 하는 장치를 의미한다.

결과적으로 서보모터를 한 문장으로 정의하면, ‘지령에 따라 구동하는 모터’라고 할 수 있다.
 

왜 서보모터인가
누구나 알다시피, 모터는 자동화와 공작기계 그리고 로봇 등 다양한 산업에서 활약하는 기본적인 동력제어장치다.

산업용 모터는 회전, 그러니까 ‘잘 돌아가는가?’가 중요한 덕목이었다. 회전을 잘 하면 성능이 높은 것으로 간주했던 것.

하지만 최근에는 ‘잘 가고 잘 멈추는 것’이 중요한 덕목으로 떠올랐다. 빠르고 정확하게 목표하는 위치에 도달하고, 흔들림이나 기복 없이 속도를 유지하며, 정확한 작업을 수행해야 하는 것.

이 중 ▲힘 제어 측면에서는 일정한 힘을 지속적으로 낼 수 있어야 하며 ▲속도제어 측면에서는 속도를 빠르고 지속적으로 내는 것이 중요하다. 또 ▲위치제어 측면에서는 보다 정확한 제어를 성능의 척도로 간주한다.

이러한 다양한 기준을 명확히 충족하는 제품이 바로 서보모터를 위시로 하는 서보시스템이다.

디지털 서보모터
서보 기술이 등장한 이후 1970년대까지는 아날로그 형태의 서보모터가 주를 이루었다. 이를 바꾸어 말하면, 디지털 서보 모터는 1980년대에 태동했다.

디지털 서보모터의 최초는 미쓰비시였다. 미쓰비시가 1980년대 초순 경 디지털 서보 MR-A(MELSERVO-A) 시리즈를 최초로 발매한 것. 펄스를 입력받아 명령을 내리는 형태의 이 제품은 미쓰비시 최초의 서보 제품군이었다. 미쓰비시전기의 이 서보시스템 라인업은 이후에도 발전을 거듭해 오늘날의 MELSERVO-J4에 이른다.

오차를 잡아라
서보시스템은 모터와 드라이브로 이루어져있다. 모터는 실질적으로 제어해야 하는 기구와 연결되어있다. 모터가 명령을 받아 적절한 속도로 회전 및 정지함으로써 기구의 움직임을 제어하는 것.

제어 장치, 즉 서보드라이브 측면에서는 목표로 하는 수치와 실제로 작동하는 수치 사이의 오차를 최대한 낮추는 것이 목표다.

컨트롤러가 내리는 지령과 실제 작업 사이의 오차를 줄이기 위해서는 ‘튜닝’이라고 하는 작업이 필요하다. 미쓰비시전기오토메이션은 튜닝 작업을 ‘지령치과 현재치를 적은 오차로 제어하는 것’이라고 정의한다.

기존의 튜닝 작업은 인간의 손으로 이루어졌다. 하지만 현재는 장치의 응답성만 설정해주면 서보드라이브가 자동으로 튜닝을 수행하는 수준에 다다랐다. 기구에 적합한 튜닝 수치를 자동으로 찾아내 지령치와 현재치를 적은 오차로 제어할 수 있게끔 하는 것.

‘오토 튜닝’이라고 하는 이 기능 역시 미쓰비시가 최초로 고안해낸 기술이라고 이경노 한국미쓰비시전기오토메이션 서보 그룹장은 설명했다.

진동을 잡아라
현존하는 물체는 그 어떤 것이든 저마다 고유한 진동주파수를 가지고 있다.

현악기인 기타를 떠올려보자. 기타 줄은 여섯 가닥으로 이루어져있다. 이 각각의 현을 울렸을 때 나는 소리는 전부 다르다. 이를 이용해 화음과 선율을 만들고, 음악을 연주한다. 이처럼 기타의 각 현마다 소리가 다른 것은 고유의 진동주파수가 있기 때문이다.

산업현장에서는 이 진동주파수가 결코 달갑지 않다. 정밀한 제어를 방해하는 골칫거리이다.

서보시스템을 활용한 제어를 구현할 경우, 각 장치의 진동주파수와 서보의 게인 설정이 부합하지 않으면 장치에 진동이 발생한다. 당연한 이야기지만, 진동은 세밀하고 정확한 제어를 방해한다.

전문가들은 진동을 막기 위해 ‘노치 필터’라는 기술을 개발했다. 노치 필터란 특정 주파수 대역의 성분만을 제거하는 필터로, 진동주파수를 없애 진동을 감쇠하는 데에 효과적이다.

최근에는 노치 필터 기술을 자동으로 설정할 수 있는 제품군이 속속 등장하고 있다.

이경노 한국미쓰비시전기오토메이션 서보 그룹장의 말에 따르면, 미쓰비시전기의 MELSERVO-J4 서보 제품군의 경우 총 5개까지 노치 필터 기능을 실현한다. 게인이 높은 튜닝을 손쉽게 구현할 수 있는 열쇠다.

제진 기능 역시 중요한 역할을 한다. 장치를 강하게 설계해 진동을 견뎌내는 것이 내진이라면, 제진은 기본 구조에 진동을 상쇄시키는 장치 혹은 기능을 말한다. 서보시스템의 경우 필터링 기술을 통해 제진을 실현할 수 있다.



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