[특집] 제어의 첨단 ‘서보시스템’ : ②서보시스템의 오늘을 보다
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[특집] 제어의 첨단 ‘서보시스템’ : ②서보시스템의 오늘을 보다
  • 신현성 기자
  • 승인 2019.08.04 13:05
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제어기술의 최첨단을 살펴보다

서보시스템은 지난 수십 년 동안 지속적인 발전을 이루었다. 가장 정밀한 제어기술이라는 호칭 뒤에는 첨단 기술의 발전과 함께 사용자 및 제조업체의 노력이 숨어있다. 사용자들이 새로운 필요성을 느끼지 않았다면, 그리고 제조업체가 새로운 기술들을 도입하고자 노력하지 않았다면, 오늘날의 서보시스템은 존재하지 않았을 것이다. 서보시스템의 어제와 오늘을 기억해야 하는 이유이다.

01. 서보모터, 대중 곁으로
공장자동화는 고성능에 대한 열병을 앓고 있다.

고성능을 원하는 것은 생산하고자 하는 제품의 질을 계속해서 높여야 하기 때문이다. 오늘날에는 소형화와 기능 집적을 원하지 않는 분야가 드물다. 대형화가 필요한 분야에서 역시 보다 많은 기능이 집중된 제품을 요구한다.

한편, 사용자는 심미적으로 유려한 제품을 원한다. 유려한 곡선이나 아주 세밀한 표면 등에 대한 요구가 증가함에 따라 정밀도가 높은 기술을 활용할 필요성이 생겨났다. 제조업체에서 일반 금형 기술이 아닌 첨삭가공 등의 기법을 활용하는 이유이다.

기존에 활용하던 스테핑 모터 등으로는 오늘날의 고 기능·심미성·소형화 등을 충족하기 어렵다. 모터의 분해능이 상대적으로 낮아 세밀한 제어를 실현하기 어려운 탓이다.

반면 서보모터는 엔코더와 드라이브를 활용하여 보다 세밀한 제어를 실현하고, 통신기술을 도입하여 보다 정밀한 신호전송을 구현한다. 따라서 높은 분해능이 필요한 환경에서 적극적으로 활약한다.

02. 필수요소로 등극하다
과거의 생산현장에는 서보모터 및 드라이브 기술을 반드시 도입하지 않아도 되었다. 일단 장치를 구축하는 비용이 비쌌으며, 굳이 서보 기술이 아니더라도 제어나 생산 등에는 별 무리가 없었기 때문이다.

하지만 오늘날에는 서보 기술이 없으면 생산 자체가 이루어지지 않는 분야도 존재한다. 서보 기술이 제조업의 핵심으로 떠오르게 된 배경이다.

예를 들어, 액추에이터 분야 역시 기존의 공압 기술에서 서보 기술로 변화하는 과정에 있다. 분진 등이 없어 활용이 용이한 덕이다. 공압 기술은 압축공기를 활용하는데, 공기가 있으면 제품에 먼지가 유입되므로 제품의 품질이 낮아지고 불량품이 늘어난다. 반면 서보 기술을 활용하면 이러한 문제를 원천적으로 방지할 수 있다.

또한 픽 앤 플레이스 작업을 공기로 제어하게 되면 힘을 세밀하게 조절하거나 공정 내에서 각 장치의 위치를 미세한 단위로 지정하는 등의 구체적인 제어가 어렵다. 공기의 세기를 정밀하게, 그리고 균일하게 조절하는 것은 결코 쉬운 일이 아니다.

반면 서보 기술은 보다 정밀한 힘 제어와 위치제어를 실현한다. 소형화와 박막화가 진행되는 산업현장에서 유용한 기능이다.

03. 대한민국, 첨단 기술을 선보이는 무대
현재 서보시스템 분야에서는 치열한 경쟁이 일어나고 있다. 최철 하이젠모터 상무이사에 따르면, 대한민국에서는 이러한 경향이 그 어느 곳보다 두드러진다.

우선 일본 업체가 돋보인다. 미쓰비시와 파나소닉 그리고 야스카와와 후지의, 이른바 4대 일본 기업이 한국의 서보 시장에서 활약하고 있다.

미국의 로크웰 오토메이션과 유럽의 지멘스 등도 빼놓을 수 없다. 서구권의 거대 기업들도 경쟁하고 있는 것.

국내 업체로는 LS메카피온과 하이젠모터 등 자웅을 겨루고 있다. 코모텍 역시 서보모터 분야의 강자다. 컨트롤러 분야에서는 커미조아와 아진엑스텍 그리고 LS산전 등이 포진해있다.

이들 업체는 각자가 추구하는 목표를 바탕으로 경쟁력을 갖추고 있다. 업체의 특성에 따라 소형화·대형화·고속화·고 기능화·특수목적 맞춤형 등 다양한 가치를 두고 있는 것. 실제로 각 업체마다 중량 대 추력 비율을 높인다든지, 모터 크기를 다양화한다든지 함으로써 차별화를 시도하고 있다.

어느 모터가 훌륭한 모터일까? 이 질문에 대한 정답은 없다. 다양한 기준만이 있을 뿐이다. 작은 무게로 큰 출력을 낼 수 있는가? 전력 소모가 얼마나 적은가? 발열이 얼마나 적은가? 같은 크기의 제품으로 더 큰 출력을 만들 수 있는가? 등.

각 업체는 각자가 가지고 있는 기술력을 아낌없이 뽐낸다. 기업들에게 있어 한국 시장은 이러한 최신 서보 기술들을 가감없이 선보일 수 있는 장으로 기능한다.

04. 커지고, 작아지고
오늘날 범용으로 활용하는 서보모터는 그 크기가 제법 크다. 보통 40각(□40)을 가장 작은 경우로 취급한다.

하지만 최근에는 보다 작은 모터에 대한 요구가 늘어나고 있다. 장치가 소형화되고 전체 시설 내에서 장비가 차지하는 면적을 줄이려다보니 보다 작은 크기의 모터가 대두되고 있는 것.

소형 모터에 대한 요구는 시간이 지날수록 늘어날 전망이다. 소형 모터로만 대응할 수 있는 응용사례가 점차 늘고 있기 때문이다.

예를 들어 휴대전화 내부에는 AP(Application Process)라고 하는 칩이 내장되어 있다. 이 칩은 보통 12㎜ 내지 14㎜ 가량의 크기를 자랑한다. 또한, 여기에 그치지 않고 기술이 발전함에 따라 그 크기가 점점 작아지고 있다.

제품의 크기가 작아지면 작아질수록 제품을 원활하게 제어하기가 어려워진다. 작은 제품을 정밀하게 제어하기 위해서는 제어장치의 피치(여러 뜻이 있지만, 여기서는 ‘정해진 단위 내에서의 밀도’ 정도로 받아들일 수 있겠다. 편집자 주) 역시 작아야 한다. 피치가 작아야 여러 장치를 동시에 제어하기 용이하기 때문이다. 소형화에 대한 요구가 늘어나는 이유이다.

소형화와 동시에 대용량에 대한 요구도 존재한다. 프레스 및 철강 등의 분야에서는 대용량 모터를 추구하고 있다.

05. 네트워크로 나아가다
최철 하이젠모터 상무이사에 따르면, 최근 공장자동화 시장에서 분야를 막론하고 떠오르는 쟁점 중 하나가 네트워크 기술의 도입이다.

모터는 기본적으로 전력을 활용해 드라이브와 명령을 주고받았다. 하지만 시간이 지남에 따라 엔코더를 활용한 고성능 통신을 구현함은 물론, 한 개의 드라이브로 복수의 모터를 제어하는 기능에 대한 요구도 늘고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 전문가들은 네트워크 기술을 도입하기에 이른다.

서보드라이브 역시 새로운 도전에 직면했다. 오늘날 산업용 장비는 고집적화와 다양화라는 서로 다른 가치를 동시에 추구하고 있다.

이러한 업계의 요구를 충족하는 방법은 간단하다. 보다 많은 기능을 구현해야 하며, 다양한 장비를 동시에 제어해야 한다.

뿐만 아니라, 서보드라이브의 상위 장치인 컨트롤러와 주고받는 정보 역시 처리량이 많아지고 속도가 빨라진다. 따라서 보다 보다 빠르고 간결한 네트워크 기술을 통해 제어해야 할 필요성이 대두되었다.

고 분해능 정보를 고속으로, 또한 안정적으로 송수신하기 위해서는 이에 합당한 송수신 기술이 필요하다. 하위 제품, 즉 모터 및 엔코더가 만들어내는 정보를 그대로 받아들이고 이를 상위 레벨로 전송하며, 반대로 명령을 빠르게 전달할 수 있어야 한다. 신호처리 기능이 강조되고 있는 이유이다.

 

06. 네트워크의 다양화
업계 전문가들은 배선 절감과 속도 향상이라는 두 마리 토끼를 잡기 위해 네트워크 기술을 도입하였다. 이로 인해 현재 생산현장은 하드와이어 기반에서 필드버스 기반으로, 그리고 이더넷 기반으로 점차 옮겨가고 있다.

장치에 네트워크 프로토콜, 즉 통신 기술을 도입할 경우, 해당 프로토콜이 국제표준을 준수하는지, 그 표준이 널리 쓰이는 표준인지를 살펴보아야 한다. 많은 이들이 사용하는 통신규격일수록 활용성 및 확장성은 증가한다.

이는 Mechatrolink와 EtherCAT 그리고 POWERLINK 등 다양한 프로토콜 협회가 등장한 이유이기도 하다. 이들 협회는 각자의 프로토콜 기술을 배포하고 제품 인증 등을 수행한다. 협회가 인증한 제품은 해당 표준을 준수하는 다른 장치와의 혼용에 제약이 없음을 뜻한다.

이는 표준 프로토콜 기술을 적용한 제품을 보다 용이하게 사용할 수 있도록 만든다. 사용자가 제조업체에 얽매이지 않고 보다 쉽게 각 장치를 호환·사용할 수 있게 되는 것이다.

따라서 현재는 단순히 통신 기능을 갖춘 제품인가? 라는 기준을 넘어서, ▲통신 프로토콜 규격을 준수하는가? ▲규격을 준수하는 제품 중 원하는 성능을 갖춘 것이 있는가? 라는 두 가지 요소가 제품의 성능을 나타내는 척도로 부각되고 있다.

07. 통신 규격, 안정성이냐 편의성이냐
통신 규격의 종류는 실로 다양하다. 이들을 크게 분류하자면, 크게 동기 방식과 비동기 방식으로 나눌 수 있다.

한국에서는 일본의 타마가와에서 제공하는 비 동기 통신 방식인 시리얼 통신 방식이 한 축을 담당하고 있다. 또 하나의 방식인 동기형 통신 방식은 고 성능 솔루션을 필요로 하는 현장에서 보다 효율적으로 사용할 수 있다.

동기형 방식은 데이터 프레임을 클럭에 맞추어 동기화하므로 신호의 송수신이 안정적이다. 동기형 통신 프로토콜로는 씨크의 Hiperface 통신이나, 하이덴하인의 EnDat이 유명하다. EnDat 프로토콜은 최대 400만 펄스까지 신호를 전송할 수 있는데, 이는 모터가 한 바퀴 돌 때의 움직임을 400만 개 단위로 쪼갤 수 있음을 뜻한다. 25비트까지 적용할 수 있다는 점도 고성능을 입증한다.

반면 타마가와의 시리얼 통신은 일반적인 산업현장에 적합한 수준(17비트에서 20비트가량)의 성능을 자랑한다. 이는 고도의 성능을 요하는 산업에는 부적절하다.

통신 규격을 선택하는 과정의 첫 단추는 원하는 제어의 형태를 정하는 것이다. 즉, 신호의 안정성에 관점을 두는지(동기 방식), 시스템 구축의 편의성을 추구하는지(비동기 방식)에 따라 사용하는 통신 및 케이블의 종류가 달라진다.

최근에 각광을 받는 네트워크 프로토콜로는 미쓰비시전기의 CC-Link IE, 벡호프의 EtherCAT, 야스카와의 Mechatrolink, 파나소닉의 RTS 프로토콜 등이 있다.

여기에 미쓰비시전기는 서보시스템 전용 네트워크 프로토콜인 SSCNET 프로토콜도 갖추고 있다.

08. 안전을 지켜라
안전의 중요성은 몇 번을 강조해도 지나치지 않다. 작업자와 장비 그리고 작업현장에 이르는 안전체계의 구축이야말로 오늘날 산업현장의 가장 큰 과제이다.

그러나 이는 세계적인 추세일 뿐이다. 한국에서는 사실상 안전 측면에 대한 요구가 낮다. 미국이나 유럽 등 기술 선진국에 비하면 ‘소외받고 있다’고 해도 좋을 정도다.

최근에 들어서는 한국에서도 안전에 대한 중요성이 높아지고 있다. 그 이유 중 하나는 세계 시장으로의 진출이 있다. 세계 각국에 한국의 장비를 수출하기 위해서는 세계 시장에서 요구하는 안전 관련 기준을 충족해야 하기 때문이다. 최근 등장하는 제품들이 앞다투어 안전 관련 기능을 충족하고, 인증을 받으려는 이유이기도 하다.

최근 안전 표준을 준수하는 서보 관련 제품군이 점차 늘어나고 있다. 안전 규격을 충족하는 장비는 사용자와 장비 그리고 시설 전체를 안전하게 지킬 수 있는데, 장비의 오작동을 줄여 사고가 발생할 확률을 낮추기 때문이다.

09. 영구자석의 보편화
최근 영구자석을 기반으로 하여 제작하는 서보모터가 늘어나고 있다. 서보모터를 비롯한 다양한 모터 내부에 영구자석을 사용하는 것이 일반적인 사항으로 받아들여지고 있을 정도이다.

영구자석을 기반으로 하여 만들어진 서보모터를 영구자석형 서보모터라고 일컫는다.

방금 설명했듯 오늘날의 서보모터에는 영구자석을 활용하는 것이 일반적이다. 여기에는 많은 이유가 있겠지만, 영구자석 모터는 영구자석이 자속을 만듦으로 인해 전류 소모가 적고, 전류를 효율적으로 사용할 수 있어 모터의 역률이 증가하기 때문이다.

물론 영구자석을 사용하지 않는 서보모터도 존재한다. ‘권선형 동기 전동기’라고 부르는 이러한 모터들은 그러나 점차 설 곳이 줄어들고 있다. 일반 산업현장에서는 점차 자취를 감추고 있고, 특수용도로만 활용되고 있을 뿐이다. 지금은 가히 ‘영구자석의 시대’라고 불러도 좋을 법하다.

영구자석 분야에서 현재 화제가 되는 것은 영구자석의 재질이다. 희토류 자석을 사용할지, 페라이트 자석을 사용할지, 사마륨코발트를 사용할지 하는 식의 이야기가 계속해서 나오고 있는 것.

10. 엔코더의 고성능화
엔코더 분야에서는 엔코더의 분해능, 즉 엔코더가 한 바퀴 회전할 때 몇 펄스를 측정할 수 있는지가 중요한 역할을 한다.

과거 엔코더의 분해능은 최대 수천 펄스, 즉 높아봐야 1만 펄스 이하에 불과했다. 하지만 기술의 발전을 거듭한 오늘날의 엔코더 세계에는 100만 펄스 이상을 낼 수 있는 제품도 있다.

최철 하이젠모터 상무이사의 설명에 따르면, 일반적인 산업현장에서는 40만 펄스 내외의 제품을 주로 사용한다. 하지만 일부 응용사례에서는 100만 펄스 이상의 제품을 필요로 한다. 극도로 높은 정확도가 불필요하기 때문.

엔코더 역시 통신기술을 등에 업고 눈부신 발전을 거듭하고 있다.

일반적인 증분형 엔코더의 경우, 각각의 펄스를 같은 시간 안에 드라이브로 전송한다. 증분형 엔코더의 성능 척도인 분해능을 높인다는 것은 결국 같은 시간 안에 내보내는 펄스 양을 늘려야 함을 의미한다.

하지만 이 지점에서 문제가 발생한다. 우선 펄스가 많아지면 케이블을 통한 정보 전송 과정에서 왜곡이 발생한다. 또한 모터 속도가 빨라지면 단위시간당 전송량이 증가한다. 이 두 가지 요인으로 인해 신호가 불균일하게 전달될 위험이 있다.

이 문제를 해결할 수 있는 방법이 통신기술이다. 통신 데이터는 전송과정에서의 왜곡이나 손실이 적다. 따라서 데이터를 전송할 경우 엔코더의 분해능이 아무리 높아도 통신 데이터 자체는 왜곡되거나 깨지지 않게 된다. 전송 속도가 크게 향상되는 것은 덤이다.

예를 들어 단위시간당 1만 펄스를 보낼 수 있는 케이블을 통해 10만 펄스를 전송한다고 생각해보자. 물리적인 케이블이 성능을 초과하는 전송량을 전송하면 앞서 설명한 두 가지 요인으로 인해 신호가 왜곡될 위험이 있다. 이때 기존의 직접전송방식이 아닌 정주기성을 갖는 통신방식을 사용하면 신호 왜곡에 대한 문제가 줄어든다.

엔코더의 데이터를 통신 방식으로 전송함으로써 엔코더의 분해능을 높이면서도 원활한 제어를 실현할 수 있다.

11. 드라이브, 통신을 품다
엔코더의 분해능이 점차 높아지고 있다. 날로 높아져가는 엔코더의 신호를 처리하기 위해서는 모터를 정밀하게 만들어야 함은 물론, 컨트롤러의 제어 분해능 역시 센서 분해능 수준에 맞추어 발전해야 한다.

이처럼 서보 기술을 구성하는 제품이 계속해서 발전함에 따라 드라이브 역시 기술적 발전이라는 과제를 맞이한다.

수도꼭지에서 수돗물을 열고 닫는 동작을 상상해보자. 이 경우 수돗물을 흘려보내는 양을 센서, 즉 엔코더의 분해능으로 치환할 수 있다. 수도꼭지의 분해능이 높다면 보다 세밀하게, 작은 단위로 쪼개어 통제할 수 있다. 그렇다면 수도꼭지를 세밀하게 열고 닫도록 명령을 내리는 것이 드라이브의 역할이다.

세밀한 제어를 실현하고자 한다면 드라이브가 다양한 피드백 신호를 받을 수 있어야 한다. 또한 엔코더의 분해능이 높을수록 드라이버가 모터에 전달하는 전류의 양을 세밀하게 제어할 수 있어야 한다. 엔코더의 성능을 뒷받침하기 위함이다.

서보드라이브는 아날로그 데이터를 읽어 디지털 형태의 제어신호로 변환한다. 기존에는 분해능이 높지 않아 10비트 혹은 12비트에 달하는 아날로그 샘플러를 사용해도 작업에 무리가 없었다. 하지만 엔코더 분해능이 높아짐에 따라 전류를 보다 작은 단위로 주고받을 수 있어야 했다. 이는 서보드라이브가 15비트, 16비트, 필요에 따라 17비트 이상으로 세밀한 제어를 실현해야 함을 의미한다.

쉽게 말하자면, 처리해야 하는 정보의 양이 늘어났을 때 이를 계산할 수 있는 연산 속도가 뒷받침되어야 한다. 이를 해결하는 장치가 서보드라이브다.

현재는 PLC와 로봇 그리고 CNC 등의 컨트롤러와 서보드라이브가 필드버스 방식으로, 나아가 이더넷 기반의 네트워크 기술을 바탕으로 통신한다.

통신 기술은 드라이브의 고성능화를 실현한다. 모터가 고성능·고속·고 정밀 데이터를 전송할 수 있다면, 드라이브 역시 이러한 정보를 원활히 수신·처리할 수 있어야 한다. 뿐만 아니라 상위 컨트롤러와도 정밀도가 높고 빠른 고성능 데이터를 송수신해야 한다. 통신 기술은 보다 빠르고 안정적인 데이터 전송을 실현함으로써 드라이브의 성능 향상을 돕는다.

12. 핵심은 소프트웨어
최철 하이젠모터 상무이사는 국내에서 보다 높은 경쟁력을 위한 요소로 소프트웨어를 꼽았다.

현재 하드웨어 관련 기술은 날로 발전하고 있다. 과거 그 어느 때보다 정교하고, 강하며, 기술적 특징이 다양하다. 하지만 하드웨어의 능력을 120% 발휘하기 위해서는 하드웨어를 뒷받침해줄 소프트웨어가 필요하다.

소프트웨어를 활용하면 장치를 보다 효율성 있게 구동하는 것은 물론, 전체적인 시스템을 보다 쉽게 설계한다. 또한 사용자가 필요로 하는 네트워크 프로토콜과의 호환을 보장하고, 원격진단 기능을 비롯한 여러 부가기능을 제공한다. 소프트웨어를 고도화하면서도 유연하게 만드는 것이 경쟁력의 핵심인 이유이다.



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