[A-note] 정밀 제어시스템을 위한 필수조건 : 고성능 서보 드라이브

라이모션시스템스, 극저온·고진공·클린룸 등 다양한 요구사항 대응

[자료제공 : 라이모션시스템스, 정리 최종윤 기자] 정밀 모션 제어시스템에 필요한 부품은 서보모터, 스크류, 베어링, 가이드, 엔코더, 제어장치 등이 있다. 이러한 부품 중 모터, 베어링, 가이드, 센서 및 엔코더를 조합해 직선, 회전 운동이 가능한 모션 시스템을 제작하며 이러한 모션 시스템은 제어장치를 통해 사용자가 원하는 방향으로 동작을 수행할 수 있다. 모션 시스템은 모터 전력, 부품의 가공정도 및 환경요인 등에 의해 정밀 사양이 정해지는 경우가 대부분이다.

최근에는 이러한 오류를 최소화할 수 있는 에어 베어링과 오염에 강하고 온도변화에도 에러율이 적은 고성능 엔코드를 적용한 모션 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히 반도체, 디스플레이 산업 등 고정밀 산업 분야에서 필수적으로 요구되고 있다.

서보 드라이브

서보 드라이브는 컨트롤러에 입력된 위치 명령을 받아 서보 모터가 정해진 위치 또는 이동량만큼 움직일 수 있도록 모터 코일에 원하는 전류를 입력시켜 모터가 운동하도록 만들어주는 모션 시스템에 필수적인 제어장치다. 정밀 모션 시스템의 구동축 수가 적을 경우 컨트롤러와 드라이브가 통합된 제품을 사용하는 것이 용이할 수 있지만 축 수가 많고 타 모듈과 통합이 필요한 경우에는 서보 드라이브와 컨트롤러를 분리하는 것이 용이하다.

고성능 모션 제어는 반도체 제조, 레이저 및 재료 가공, 광학 검사 시스템, 정밀 3D 프린팅과 같은 다양한 어플리케이션에서 점점 필수적으로 요구되고 있다. 이를 위해 제어 신호의 신뢰성 외에도 대기 시간의 최소화, 나노미터 등급의 경로 정확도, 정확한 위치 반복성, 빠른 모션 반응 속도와 신호 처리량을 달성하려면 레이저 및 카메라와 같은 외부 장치와의 고속 동기화가 필요하다. 서보 드라이브는 EtherCAT 통신 프로토콜을 통해 컨트롤러와 고속 동기화가 가능하며 정밀 모션 시스템의 완벽한 제어가 가능하다.

고성능 서보 드라이브

Triamec Motion은 ‘Control loop with a PWM frequency of fPWM = 100kHz’이라는 슬로건을 바탕으로 2001년 스위스에 설립된 회사다. 그동안 생산성과 정확성에 대한 요구사항에도 불구하고, 기계적 진동과 시스템 견고성 요소로 속도와 정밀성에 한계가 있어 왔다. Triamec Motion은 요구사항에 완벽히 부합하는 서보 드라이브 솔루션을 제공하고 있다. 필요한 특징들은 다음과 같다.

① 100kHz Control & Current Loop

Triamec Motion의 서보 드라이브는 제어주기가 100kHz로 기존 서보 드라이브보다 4~10배가 빠르기 때문에 제어 편차를 1/10으로 줄일 수 있다. 따라서 진동(공진)을 능동적으로 억제 가능하고, 강성 최적 제어도 가능하기 때문에 모션 에러를 최소화할 수 있다. 따라서 최고의 정밀도와 견고한 모션 구현을 가능하게 해주는 고성능 서보 드라이브다.

② Minimization of Dead Time

100kHz의 제어주기는 Dead Time을 최소화할 수 있으므로 모션 반응속도가 극대화된다. 극대화된 반응속도는 모든 모션 시스템의 목표인 경로 또는 위치 편차를 최대한 빨리 억제하는 동시에 보상을 가능하게 한다. 또한 Dead Time이 감소할수록 측정 변수 획득부터 증폭기 출력까지의 시간이 감소한다는 것을 의미한다. 즉 이러한 Dead Time이 감소한 비율만큼 시스템의 강성이 증가한다는 것을 의미한다.

높은 제어 샘플링을 사용하면 최대 수 kHz 범위까지 공진을 능동적으로 억제할 수 있기 때문에 공진발생으로 인해 원하는 모션 구동이 제한되는 경우를 회피할 수 있다. Triamec Motion의 서보 드라이브 제어 장치에는 자유롭게 프로그래밍 가능한 5개의 범용 2차 필터가 있다. 모든 제어 매개변수와 상태는 서보 드라이브의 SI 단위로 저장되며, TAM System Explorer 소프트웨어에서 최대 100kHz 샘플링 속도로 실시간으로 표시하고 분석할 수 있다.

③ Continuous Auto-Calibration of Sin/cos Encoders

모든 정밀 모션 시스템은 더 우수한 절대 정확도, 축 강성, 온도 보상 등에 대한 과제를 안고 있다. 사실 정밀 모션 시스템의 엔코더 정렬은 매우 어렵다. 전체 모션 범위에 엔코더를 완벽하게 설치 및 얼라인 한다는 것이 불가능한 경우가 많다. 실행 가능하다고 하더라도 온도에 의한 변형, 운송 또는 노후화로 인한 진동으로 작업이 필요하거나 파손될 수 있다.

Triamec Motion은 완벽하게 얼라인되지 않은 Sin/cos Encoder의 타원 오류를 자동으로 보상하는 알고리즘을 서보 드라이브에서 지속적으로 실행해 문제를 쉽게 해결했다.

Auto-Calibration은 타원 오류(1차 오류)의 5개 매개변수(오프셋 2개, 진폭 2개, 위상 1개 또는 Sine신호와 Cosine신호 사이의 각도)를 모두 보상한다. 이는 서보 드라이브의 FPGA에서 100kHz 간격으로 지속적으로 수행된다. 그 결과 전체 모션 범위에 걸쳐 거의 완벽한 엔코더 신호가 생성되며 이는 △위치의 절대 정확도 및 기계 정밀도 향상 △음향 소음 감소 △컨트롤러 댐핑(D 구성요소) 크게 증가 △온도 변동으로 인한 엔코더 장착부의 기계적 팽창 보상 △평가 장치 드리프트 오류 수정 등의 효과를 가질 수 있다.

④ 3-Level 100kHz PWM

100kHz 스위칭 주파수와 결합된 3-Level 기술은 모터의 전력 손실을 크게 줄인다. 이는 기존 16kHz 드라이브가 제공하는 권선 전류와 Triamec TSP700 3레벨 PWM 서보 드라이브의 권선 전류를 비교해 보면 분명하다. 아래 그래프는 80,000rpm에서 실제 6kW 밀링 스핀들에 대한 권선 전류 데이터를 보여준다. 이러한 모터에 일반적으로 사용되는 1.2mH의 낮은 인덕턴스는 500V의 높은 DC 버스 전압으로 매우 빠른 전류 상승을 가져온다. 너무 낮은 PWM 주파수(위 그래프)는 전류의 큰 오버슈트(빨간색 곡선)로 이어진다. 실제로 원하는 값보다 높다(녹색 곡선).

Triamec Motion의 TSP700 제품의 경우 PWM에 의해 설정된 전압이 훨씬 더 자주 그리고 정확하게 회전 주파수의 사인 그래프와 비슷하게 인가된다. 그 결과 권선 전류의 리플이 10배 감소해 모터의 손실이 감소하고, 회전자가 더욱 원활하게 회전하며 베어링의 누설 전류가 더 작아진다. 전반적으로 100kHz의 빠른 제어 주기는 전류, 속도 및 위치 제어도 향상시켜 스핀들뿐만 아니라 모든 직접 구동 시스템에 이점을 제공한다. 즉, 더 높은 강성, 더 나은 댐핑, 더 정확한 가이드 동작을 제공한다.

또 높은 스위칭 주파수로 인해 다극 버전을 스핀들 모터에 사용할 수도 있다. 이를 통해 한편으로는 더 높은 토크를 달성하고 다른 한편으로는 필터가 필요없고 추가 냉각장치가 필요 없기 때문에 비용을 많이 절감할 수 있다.

리니어 스테이지 및 로테이션 스테이지

정밀 모션 시스템을 위해서는 고성능 서보 드라이브가 필수적이지만 정확한 설계, 고품질 모터 및 부품, 고성능 엔코더가 적용된 모션 시스템 또한 필수적으로 요구된다. Gorman Dynamics는 Tecnotion의 영국 공식 대리점으로 스테이지 & 모션 시스템 솔루션을 위한 효율적이고 안정적인 엔지니어링 및 서비스를 전문적으로 제공하는 글로벌 업체다.

스탠다드 제품 중 GNT160-230 리니어 모터 XY 스테이지는 Triamec Motion의 고성능 드라이브와 구성해 △0.1 nm Incremental Motion △±30 nm Bi-directional Repeatability △±120 nm Calibrated Accuracy 사양에 도달할 수 있다.

GRS180IC 로테이션 스테이지는 Triamec Motion의 고성능 드라이브와 함께 △0.0003 arcsec Resolution(Biss-C Absolute 32Bit) △±1.5 arcsec Bi-directional Repeatability △<0.02 arcsec Jitter 등 사양을 만들 수 있다.

Gorman Dynamics는 커스터마이징에 특화된 기술을 보유하고 있다. 따라서 고객이 원하는 사양 및 설치 조건에 만족하는 시스템 제작 및 공급이 가능하다. 또한 프로토 타입으로 제작된 커스터마이징 제품은 이후에 생산될 모든 제품도 모두 동일한 성능을 낼 수 있도록 제작 및 공급되며 월별로 납품 가능 수량을 예측해 안정적이고 정확한 공급 스케쥴 제공도 가능하다.