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문제 정의
- 본 논문에서는 듀얼 서보모터 구동형 프레스 시스템의 동기화 제어기법을 제안하였다. 기존에 사용되는 독립 종속 피드백(Independent cascade feedback) 제어기법은 각 모터에 작용하는 외란 보상에는 효과적이나, 동기화 제어성능 향상에는 한계가 있는바 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종속 비례적분 미분(Cascade PID) 제어루프와 연동(Cross-coupling) 제어루프로 구성된 새로운 제어기법을 제안하였고 이에 대하여 수치 모의실험과 축소형 하드웨어를 이용한 실험을 실시하였다.
- 그러나 서보모터가 각각 독립적으로 구동될 때, 힘의 불균일 분포와 편심하중 등이 발생하여 공정의 생산효율을 저하시키거나, 하사점(; 下死點, Bottom Dead Center : BDC)에서의 불안정성을 야기할 수 있다는 단점을 가지고 있다(3~5). 이러한 문제점을 개선하기 위하여 현재까지 서보제어 기법에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 특히 본 논문에서는 종속 비례적분미분(Cascade PID) 제어루프와 연동(Cross-coupling) 제어루프를 이용한 동기화 제어기법이 제안되었다.
가설 설정
- 시험 시나리오는 먼저 일정 목표 값에 수렴한 후, 마스터와 슬레이브 모터에 각각 다른 크기를 갖는 사각파 형태의 외란이 서로 다른 시간에 작용하는 경우를 가정하였다. 수치모의실험에서 수행했던 실험과 유사한 외란을 적용하는 경우로, 다음의 Fig.
제안 방법
- MATLAB Simulink를 이용하여 2장에서 설계한 AC 서보 모터 모델을 바탕으로 듀얼 서보시스템을 설계하고, Fig. 12와 같은 구조로 제안한 새로운 제어 기법을 적용하여 수치 모의실험을 수행하였다. 수치 모의실험에서는 서보시스템의 AC 서보모터는 다음의 Fig.
- 기구부 고정판의 정면 좌‧우측에 리니어 엔코더를 부착하여 각 슬라이드의 위치를 측정하였다. 본 실험에서는 하이덴하인(Heidenhain)사의 증분형 리니어 엔코더를 사용하였으며, 자세한 제원은 Table 4와 같다.
- 본 논문에서는 듀얼 서보모터 구동형 프레스 시스템의 동기화 제어기법을 제안하였다. 기존에 사용되는 독립 종속 피드백(Independent cascade feedback) 제어기법은 각 모터에 작용하는 외란 보상에는 효과적이나, 동기화 제어성능 향상에는 한계가 있는바 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종속 비례적분 미분(Cascade PID) 제어루프와 연동(Cross-coupling) 제어루프로 구성된 새로운 제어기법을 제안하였고 이에 대하여 수치 모의실험과 축소형 하드웨어를 이용한 실험을 실시하였다. 제어기법의 성능에 대한 실험적인 검증을 위하여 실제 프레스의 슬라이드 모션을 모사할 수 있는 축소형 모델을 제작하였고, 제안한 제어기법이 기존의 종속 비례적분미분 제어기법보다 정밀한 위치제어와 안정적인 동기화 제어성능을 보인다는 것을 확인할 수 있었다.
- 기존의 서보제어 기법과 제안된 제어기법을 적용하여 그 성능을 비교하고, 검증하기에 앞서 적절한 수치 모의실험의 수행을 위해 다음과 같이 교류(AC) 서보모터 시스템을 설계하였다.
- 4장에서는 설계된 연동(Cross-coupling) 제어기법의 성능검증을 위하여 듀얼 서보시스템을 대상으로 수치 모의실험을 수행하였다. 듀얼 서보시스템에 대하여 보다 실증적인 검증을 수행하기 위하여 본 장에서는 축소형 하드웨어 설계를 통한 실험 환경을 다음과 같이 구축하였다.
- 본 실험에서 사용한 모터의 제원은 시뮬레이션과 같은 Table 2와 같다. 또한, 실제 서보프레스의 슬라이드 동작에 대한 상승 및 하강 속도를 구현하기 위하여 모터의 회전축에 감속기를 부착하여 낮은 속도의 회전을 실현하였다. 이 감속기의 제원은 다음의 Table 3과 같다.
- 이 모터의 제원은 다음의 Table 2와 같다. 또한, 외란 보상효과와 동기화 제어성능을 보다 효과적으로 검증하기 위하여 Fig. 14와 같이 서로 다른 시간에 다른 크기를 갖는 계단(Step) 형태의 외란을 각 서보시스템에 적용하였다.
- 듀얼 서보모터 구동형 프레스 시스템의 축소형 모델 설계를 위한 기구부는 시스템 기구부의 고정판 후면에 2개의 듀얼 서보모터를 배치하며, 각 모터의 회전축에 캠(CAM) 을 부착한다. 또한, 원형 캠의 가장자리와 각 슬라이드를 링크(Link)구조로 연결하여 모터 축의 회전운동을 슬라이드의 직선 왕복운동으로 변환하도록 설계하였다. 이렇게 동작하는 슬라이드의 위치를 측정하기 위하여 그림의 정면도에서 볼 수 있듯이 기구부고정판의 정면에 리니어 엔코더(Linear Encoder)를 부착하여 슬라이드와 연결하였다.
- 본 논문에서 고려하는 듀얼 서보모터 구동형 프레스 시스템에서는 앞에서 언급한 완전 폐쇄 피드백 제어구조를 응용하여 Fig. 10과 같은 구조로 적용된다. 이 기법은 종속 피드백(Cascade feedback) 제어구조를 각 서보시스템에 독립적으로 사용하여 독립 종속 피드백(Independent cascade feedback) 제어기법이라고 정의한다.
- 1절에서는 듀얼 서보모터 구동형 프레스 시스템의 축소모델과 데이터의 전송 및 통신을 위한 모듈을 이용하여 하드웨어 실험환경을 구축하였다. 본 장에서는 제안된 연동(Cross-coupling) 제어기법과 기존의 독립 종속 피드백(Independent cascade feedback) 제어기법을 서보프레스의 축소형 모델에 적용하여, 제안한 제어기법의 외란에 대한 제어 성능과 동기화 오차의 개선효과를 실증적인 실험으로 비교하고 확인하였다.
- 실제 서보프레스 시스템의 슬라이드 동작을 모사하기 위하여 축소형 모델을 제작하였다. 이는 크게 다음의 세 가지 부분으로 구분할 수 있다.
- 하지만, 고토크 및 고출력이 요구되는 재료를 성형하기 위해서 단일 서보모터로 구성된 서보프레스 시스템을 이용하여 가공할 경우, 제작 비용이 높아질 뿐만 아니라 생산 및 에너지 소비 측면에서 비효율적인 단점이 발생한다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 고토크의 단일 서보모터를 저토크의 서보모터 2개로 대체하여 구성된 듀얼 서보프레스 시스템이 개발되었다.
- 또한, 원형 캠의 가장자리와 각 슬라이드를 링크(Link)구조로 연결하여 모터 축의 회전운동을 슬라이드의 직선 왕복운동으로 변환하도록 설계하였다. 이렇게 동작하는 슬라이드의 위치를 측정하기 위하여 그림의 정면도에서 볼 수 있듯이 기구부고정판의 정면에 리니어 엔코더(Linear Encoder)를 부착하여 슬라이드와 연결하였다.
대상 데이터
- 프레스 시스템의 축소 모델에서 슬라이드의 위치를 측정하기 위하여 리니어 엔코더를 사용하였다. 또한, 측정된 신호는 모터에 정현파의 형태로 전송이 되어야 하므로 정현파 신호 터미널(EL5021)을 사용 한다. 이 터미널은 리니어 엔코더와 직접적으로 연결되어 측정된 슬라이드의 위치 값에 대한 피드백 신호를 PC 내 제어 프로그램으로 전송한다.
- 기구부 고정판의 정면 좌‧우측에 리니어 엔코더를 부착하여 각 슬라이드의 위치를 측정하였다. 본 실험에서는 하이덴하인(Heidenhain)사의 증분형 리니어 엔코더를 사용하였으며, 자세한 제원은 Table 4와 같다. 듀얼 서모모터와 기구부가 결합되어 모터의 구동에 따라 움직이는 슬라이드의 위치 및 동기화 제어를 수행하기 위해서 개인용 컴퓨터(PC)를 사용하여 프로그래밍 한다.
- 실험에서 사용하는 서보모터의 구동전원을 제공하고, 리졸버에서 출력되는 피드백 신호를 PC로 전송하기 위하여 서보모터 터미널(EL7201)을 사용한다.
- 프레스 시스템의 축소 모델에서 슬라이드의 위치를 측정하기 위하여 리니어 엔코더를 사용하였다. 또한, 측정된 신호는 모터에 정현파의 형태로 전송이 되어야 하므로 정현파 신호 터미널(EL5021)을 사용 한다.
이론/모형
- 듀얼 서보모터 구동형 프레스 시스템 설계를 위하여 다음의 [그림 13]과 같은 백호프(Beckhoff) 사의 영구자석형 동기모터(PMSM) 2개를 사용하였다. 이 모터는 정현파(Sine파 혹은 Cosine파) 형상의 전류 및 전압을 출력하여 부드러운 회전운동이 가능하며, 리졸버(Resolver)가 통합 구성되어 있어 회전축의 각위치 및 각속도 정보를 피드백(Feedback) 하기에 유용한 특징을 가지고 있다.
- 12와 같은 구조로 제안한 새로운 제어 기법을 적용하여 수치 모의실험을 수행하였다. 수치 모의실험에서는 서보시스템의 AC 서보모터는 다음의 Fig. 13과 같은 백호프(Beckhoff) 사의 3상 영구자석형 동기모터(Permanent Magnet Synchronous Motor : PMSM)의 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 이를 통하여 각 모터 시스템의 외란에 대한 정성적인 제어성능을 확인할 수 있다. 3초까지의 모의실험 구간에서 제안한 제어기법은 마스터와 슬레이브 시스템의 위치 편차를 모두 저감시키며 기존의 제어기법보다 빠른 수렴성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 반면에 외란이 적용되는 3초 이후에는 마스터 시스템과 슬레이브 시스템의 제어 응답이 기존의 제어응답과 비교하여 차이가 나는 것으로 보인다.
- 반면, 연동(cross- coupling) 제어 기법을 통한 동기화 제어성능은 각 시스템에 외란이 적용된 시점에만 정점(Peak) 편차가 발생할 뿐, 전체적인 모의실험 구간에서 ‘0’에 가까운 동기화 오차가 발생한다. 따라서 제안한 제어기법의 동기화 제어성능은 기존의 방법보다 그 성능이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
- 24와 Table 5를 이용하여 정량적으로 평가하였다. 마스터 모터에 외란이 발생하기 전과 그 직후까지는 기존의 제어기법에 의한 동기화 오차의 제곱 평균 제곱근 (Root Mean Square of Synchronous Error :RMSSE)보다 새롭게 제안한 제어기법에 의한 수치가 더 높게 산출된다. 하지만, 외란 발생 후, 연동(cross-coupling) 제어기법의 동기화 루프(Loop) 영향으로 그 오차가 빠르게 저감되며 기존의 제어기법보다 오차가 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 이는 제어기의 구조적인 차이에서 기인하는 것으로 각각의 독립적인 폐루프(closed loop)만을 가지는 기존의 독립 종속 피드백(Independent cascade feedback) 제어기법은 슬레이브 시스템이 마스터의 응답을 고려하지 않는 반면에 제안한 기법은 슬레이브 시스템이 마스터 시스템의 응답으로 동기화시키려는 구조를 갖기 때문이다. 이에 제안한 연동(cross-coupling) 제어기법에 의한 각위치의 오차는 기존 제어기법에 의한 결과보다 최소 약 5.6% ~ 최대 약 25%로 개선되었다는 것을 확인할 수 있다.
- 제안된 제어기법을 통한 결과에서 각 외란에 대해 발생하는 순간, 최대 동기화 오차와 슬라이드의 편심오차는 약 60°와 30mm로 비교적 큰 값을 갖는다.
- 반면에 외란이 적용되는 3초 이후에는 마스터 시스템과 슬레이브 시스템의 제어 응답이 기존의 제어응답과 비교하여 차이가 나는 것으로 보인다. 제안한 연동(Cross-coupling) 제어기법을 적용한 마스터 시스템의 응답 패턴(pattern)이 전체적으로 기존의 제어기법의 패턴과 유사한데에 반하여 슬레이브 시스템의 응답패턴은 기존의 제어기법과는 다르게 마스터 시스템의 응답패턴과 유사하다. 이는 제어기의 구조적인 차이에서 기인하는 것으로 각각의 독립적인 폐루프(closed loop)만을 가지는 기존의 독립 종속 피드백(Independent cascade feedback) 제어기법은 슬레이브 시스템이 마스터의 응답을 고려하지 않는 반면에 제안한 기법은 슬레이브 시스템이 마스터 시스템의 응답으로 동기화시키려는 구조를 갖기 때문이다.
- 기존에 사용되는 독립 종속 피드백(Independent cascade feedback) 제어기법은 각 모터에 작용하는 외란 보상에는 효과적이나, 동기화 제어성능 향상에는 한계가 있는바 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종속 비례적분 미분(Cascade PID) 제어루프와 연동(Cross-coupling) 제어루프로 구성된 새로운 제어기법을 제안하였고 이에 대하여 수치 모의실험과 축소형 하드웨어를 이용한 실험을 실시하였다. 제어기법의 성능에 대한 실험적인 검증을 위하여 실제 프레스의 슬라이드 모션을 모사할 수 있는 축소형 모델을 제작하였고, 제안한 제어기법이 기존의 종속 비례적분미분 제어기법보다 정밀한 위치제어와 안정적인 동기화 제어성능을 보인다는 것을 확인할 수 있었다.
- 하지만, 외란 발생 후, 연동(cross-coupling) 제어기법의 동기화 루프(Loop) 영향으로 그 오차가 빠르게 저감되며 기존의 제어기법보다 오차가 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, Table 5에서 확인할 수 있듯이 총 실험 구간에서의 최종적인 동기화 오차의 제곱 평균 제곱근은 제안된 제어기법을 통하여 정점(Peak) 오차의 크기가 약 0.71만큼 작아 졌으며, 그에 따라 동기화 제어성능은 오차에 관한한 기존의 기법보다 5.2% 개선되었다.
- 하지만, 그 이후 마스터와 슬레이브 모터의 동기화 동작에 의하여 동기화 오차와 편심 오차가 빠르게 '0'에 가까운 값으로 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 마스터 모터에 작용하는 외란에 대해 나타나는 응답의 구간에서 수렴시간을 기존의 기법보다 약 10초정도 앞당기며 빠르게 동기화되어 안정적으로 제어되는 것을 확인할 수 있다.
- 마스터 모터에 외란이 발생하기 전과 그 직후까지는 기존의 제어기법에 의한 동기화 오차의 제곱 평균 제곱근 (Root Mean Square of Synchronous Error :RMSSE)보다 새롭게 제안한 제어기법에 의한 수치가 더 높게 산출된다. 하지만, 외란 발생 후, 연동(cross-coupling) 제어기법의 동기화 루프(Loop) 영향으로 그 오차가 빠르게 저감되며 기존의 제어기법보다 오차가 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, Table 5에서 확인할 수 있듯이 총 실험 구간에서의 최종적인 동기화 오차의 제곱 평균 제곱근은 제안된 제어기법을 통하여 정점(Peak) 오차의 크기가 약 0.
후속연구
- 이 시스템은 서보모터가 가지는 디지털 제어방식의 속도 가변화 특성을 기반으로 성형구간에서 자유롭게 제어 할 수 있는 자율동작(Free Motion)의 특성을 효율적으로 활용할 수 있다. 이러한 자율동작의 특성으로 인하여 재질의 특성에 따른 하사점에서의 위치와 속도 제어가 가능하고, 성형구간에서의 거동 변화를 다양하게 부여할 수 있다는 장점을 갖는다.
- 향후 연구로는 제안한 제어기법의 초기 동기화 성능을 보완하고 전체적인 신뢰성을 높이기 위한 감시제어기법이나 상황별 제어기법을 적용해 보고자 한다.
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