[논문]실시간 이더넷 기반 스테핑 모터 드라이브 개발

김진호; 하경재

doi:10.22156/cs4smb.2019.9.8.045

실시간 이더넷 기반 스테핑 모터 드라이브 개발
Design of a Closed-Loop Stepping Motor Drive based on Real-Time Ethernet 원문보기

융합정보논문지 = Journal of Convergence for Information Technology, v.9 no.8, 2019년, pp.45 - 52

초록
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본 논문에서는 다양한 실시간 이더넷 프로토콜에 쉽게 적용할 수 있는 폐루프 스테핑 모터 드라이브를 개발하는 방법을 제안한다. 제안 방법은 다양한 유형의 실시간 이더넷 프로토콜에 공용으로 재사용할 수 있는 모터 드라이브 모듈과 각 실시간 이더넷 프로토콜마다 개발되는 통신 인터페이스 모듈로 나누어진다. 또한 계층적 구조를 사용하여 모션 제어알고리즘을 다양한 실시간 이더넷 프로토콜과 모션 프로파일에 독립적으로 재사용할 수 있도록 하였다. 제안하는 방법을 검증하기 위해 EtherCAT 및 Mechatrolink III를 활용하여 폐루프 모터 드라이브를 개발하였으며, 실시간 이더넷 기반에서 정상적으로 제어되는 것을 확인하였다. 개발한 EtherCAT 및 Mechatrolink III의 실시간 통신 성능을 확인하기 위해 Cycle time을 측정하였으며, 그 결과 32개의 모터 드라이브를 연결한 경우 EtherCAT이 Mechatrolink III 보다 7.5배 정도 더 빠른 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the design of a closed-loop stepping motor drive for real-time Ethernet (RTE), which can be easily applied to a variety of RTE protocols. The proposed design is divided into a closed-loop step motor drive which can be reused for various types of RTE protocol and RTE module developed for each specific RTE protocol. It is based on a layered architecture so that the motion control algorithm can be easily reused independently of the RTE protocol and motion profile. To verify the proposed design, closed-loop motor drives based on EtherCAT and Mechatrolink III were developed and their performances were evaluated. Cycle time was measured to verify the real-time communication performance of the developed EtherCAT and Mechatrolink III based motor drive. As a result, the EtherCAT was 7.5 times faster than the Mechatrolink III when 32 motor drives were connected.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Architecture of the proposed closed-loop stepping motor drive
그림 Fig. 2. Block diagram of the proposed closed-loop stepping motor drive
그림 Fig. 3. Block diagram of interface between motor drive and RTE module.
표 Table 1. Proposed common motion interface
그림 Fig. 4. Developed closed-loop stepping motor drive
그림 Fig. 5. Experiment environment for the developed motor drive.
표 Table 2. Proposed common parameters
그림 Fig. 6. Experiment environment to measure cycle time
그림 Fig. 7. Measured signals for EtherCAT and Mechatrolink III

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 앞서 설명한 문제를 해결하기 위해 다양한 실시간 이더넷에 적용할 수 있는 스테핑 모터 드라이브를 개발할 수 있는 방법을 제안한다. 제안하는 개발 방법은 통신 프로토콜에 독립적인 폐루프 스테핑 모터 드라이브 모듈과 각 통신 프로토콜 별로 개발이 필요한 통신 인터페이스 모듈로 구성되며, 통신 인터페이스 모듈만 변경하여 다양한 실시간 이더넷 프로토콜을 쉽게 적용할 수 있도록 하는 것이다.

가설 설정

마스터 소프트웨어의 시간오차를 최소화하기 위해 Cycle time은 하드웨어로 측정할 수 있는 가장 가까운 지점을 오실로스코프로 측정하였다. 통신 배선의 길이는 슬레이브 개수 및 데이터 길이에 비해 매우 짧은 시간이므로 본 논문에서는 무시한다.

제안 방법

6의 (b)는 Mechatrolink III 기반 모터드라이브 3개를 연결한 실험 환경이다. EtherCAT과 다르게 Mechatrolink III는 Cycle time 시뮬레이터를 제공하고 있어, 3개의 실제 모터드라이브를 연결하여 Cycle time을 실측하고 시뮬레이션 결과와 같은지 확인하였다. 결과적으로 실측한 Cycle time과 시뮬레이션 결과는 동일하여 EtherCAT과 같이 32개 슬레이브를 개발하지 않고 시뮬레이션 결과를 제시하였다.
마스터가 전송하는 EtherCAT 프레임의 데이터 크기는 CiA 402 프로파일에 따라 각 모터 드라이브 별로 8byte를 사용한다. EtherCAT의 경우 PC SW로는 마스터에서 HW 신호 측정이 어려워 첫 번째 슬레이브 장치의 Ethernet PHY 칩과 통신 컨트롤러 칩인 ET1100 사이의 TX_EN 신호와 RX_DV 신호를 측정하였다. TX_EN 및 RX_DV 신호는 이더넷 컨트롤러와 Ethernet PHY를 연결하는 표준 MII(Media Independent Interface) 신호 중 하나로, 해당 슬레이브의 통신 채널로 이더넷 메시지를 전송할 때 TX_EN 신호가 Enable 되고, 이더넷 메시지가 수신될 때 RX_DV 신호가 Enable 된다.
실험을 위해 각 모터 드라이브는 1미터의 선으로 연결하였으며, 각 제어기는 Mechatrolink III 표준 스테핑 모터 드라이브 프로파일에 따라 48byte의 메시지를 사용한다. Mechatrolink III는 PC의 마스터 인터페이스 카드 내의 Ethernet PHY와 통신 컨트롤러 NT112 사이의 TX_EN 및 RX_DV 신호를 측정하였다.
본 논문에서는 다양한 실시간 이더넷 프로토콜에 쉽게 적용할 수 있는 폐루프 스테핑 모터 드라이브를 개발하는 방법을 제안하고, 실제 EtherCAT 및 Mechatrolink III를 적용하여 구현하였으며 제안하는 방법이 실제 모터 드라이브 개발에 유용함을 증명하였다. 개발된 모터 드라이브를 이용하여 간단한 원호 운동을 통해 동기 제어가 가능한지 확인하였으며, 실제 모터 드라이브를 이용하여 Cycle time을 측정하였다. 측정 결과 32개의 모터 드라이브를 연결한 경우 EtherCAT이 Mechatrolink III 보다 7.
제안하는 방법을 검증하기 위해 EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology) 및 Mechatrolink III 기반의 폐루프 스테핑 모터 드라이브를 개발하였다. 개발된 모터 드라이브에 대해 X-Y 스테이지를 이용하여 정상 동작 여부를 확인하였고, 실시간 통신 성능을 확인하기 위해 Cycle time을 측정하였다.
모터 드라이브를 평가하기 위해 EtherCAT 및 Mechatrolink III의 상용 마스터 프로그램을 이용하였으며, 본 논문에서 제안 설계한 모터 드라이브를 정상적으로 제어할 수 있었다. 개발된 모터 드라이브의 성능을 확인하기 위해 두 개의 모터 드라이브를 이용하여 Fig. 5와 같이 X-Y 스테이지를 통해 마스터 상에서 간단한 제어 알고리즘을 이용하여 원을 그리는 시험을 진행하였다. 결과적으로 EtherCAT은 TwinCAT 이라는 표준 마스터 프로그램 기반에서 성공적으로 원호 제어가 가능하였고, Mechatrolink III 역시 마스터 샘플 코드 상에서 원호 제어가 가능하였다.
EtherCAT과 다르게 Mechatrolink III는 Cycle time 시뮬레이터를 제공하고 있어, 3개의 실제 모터드라이브를 연결하여 Cycle time을 실측하고 시뮬레이션 결과와 같은지 확인하였다. 결과적으로 실측한 Cycle time과 시뮬레이션 결과는 동일하여 EtherCAT과 같이 32개 슬레이브를 개발하지 않고 시뮬레이션 결과를 제시하였다. 실험을 위해 각 모터 드라이브는 1미터의 선으로 연결하였으며, 각 제어기는 Mechatrolink III 표준 스테핑 모터 드라이브 프로파일에 따라 48byte의 메시지를 사용한다.
제안하는 설계 방법에서 폐루프 스테핑 모터 드라이브 모듈은 다양한 실시간 이더넷에 재사용 가능하나, 탑재되는 SW는 실시간 이더넷에 맞게 변경되어야 한다. 따라서 제안하는 방법은 다양한 실시간 이더넷 적용 시 SW 변경을 최소화하기 위해 계층 구조를 사용하여 기존의 모션 제어 알고리즘을 재사용하며, 다음 3.2절에서 설명한다.
데이터의 길이는 사용하는 모션 프로파일에 따라 고정되기 때문에 실질적으로는 슬레이브 개수에 따라 변경된다. 마스터 소프트웨어의 시간오차를 최소화하기 위해 Cycle time은 하드웨어로 측정할 수 있는 가장 가까운 지점을 오실로스코프로 측정하였다. 통신 배선의 길이는 슬레이브 개수 및 데이터 길이에 비해 매우 짧은 시간이므로 본 논문에서는 무시한다.
모터 드라이브를 평가하기 위해 EtherCAT 및 Mechatrolink III의 상용 마스터 프로그램을 이용하였으며, 본 논문에서 제안 설계한 모터 드라이브를 정상적으로 제어할 수 있었다. 개발된 모터 드라이브의 성능을 확인하기 위해 두 개의 모터 드라이브를 이용하여 Fig.
실시간 이더넷 기반 모터 드라이브는 모터 드라이브를 제어하는 제어 SW와 각 실시간 이더넷 프로토콜별로 정의된 모션 프로파일, 그리고 실시간 이더넷 프로토콜별로 통신 기능을 담당하는 통신 스택으로 구성된다. 본 논문에서 제안하는 설계 방법은 제어 SW가 다양한 실시간 이더넷에서 사용되는 제어 방법을 공용 인터페이스 형태로 제공하고 모션 프로파일 개발 시 공용 인터페이스를 활용함 으로써 제어 SW를 실시간 이더넷에 독립적으로 재사용하고, 각 실시간 이더넷 프로토콜별로 제공되는 프로토콜 스택도 변경 없이 재사용할 수 있다.
모션 프로파일은 앞서 설명한 바와 같이 기본적인 제어 방법은 모두 동일하지만 프로토콜 개발사에 따라 세부 정의가 조금씩 달라 모션 프로파일은 각 프로토콜별로 별도로 개발되고 있는 실정이다. 본 논문에서는 이와 같은 문제를 개선하기 위해 대다수의 모션 프로파일에서 사용되는 공통적인 기능은 공용 인터페이스로 정의하고 모션 프로파일에서는 기존 통신 표준형태로 명령을 수신한 후 이를 해석하여 공용 인터페이스로 변환하여 호출하는 역할을 수행한다. 이와 같은 방식을 이용하여 개발된 모터 드라이브의 제어 SW는 대다수의 실시간 이더넷에서 별도의 제어 SW의 변경 없이 재사용이 가능 하다.
본 장에서는 앞서 설명한 실시간 이더넷 프로토콜에 독립적인 모터 드라이브 설계 방법을 활용하여 실제 EtherCAT 및 Mechatrolink III 기반 폐루프 스텝 모터 드라이브를 개발하고, 그 결과를 검증한다.
본 논문에서는 앞서 설명한 문제를 해결하기 위해 다양한 실시간 이더넷에 적용할 수 있는 스테핑 모터 드라이브를 개발할 수 있는 방법을 제안한다. 제안하는 개발 방법은 통신 프로토콜에 독립적인 폐루프 스테핑 모터 드라이브 모듈과 각 통신 프로토콜 별로 개발이 필요한 통신 인터페이스 모듈로 구성되며, 통신 인터페이스 모듈만 변경하여 다양한 실시간 이더넷 프로토콜을 쉽게 적용할 수 있도록 하는 것이다. 특히, 제안하는 방법은 계층적 구조(Layered Architecture)를 사용하여, 개발이 어려운 모션 제어 알고리즘을 다양한 실시간 이더넷용 모션 프로파일에 독립적으로 재사용할 수 있도록 하였다.
특히, 제안하는 방법은 계층적 구조(Layered Architecture)를 사용하여, 개발이 어려운 모션 제어 알고리즘을 다양한 실시간 이더넷용 모션 프로파일에 독립적으로 재사용할 수 있도록 하였다. 제안하는 방법을 검증하기 위해 EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology) 및 Mechatrolink III 기반의 폐루프 스테핑 모터 드라이브를 개발하였다. 개발된 모터 드라이브에 대해 X-Y 스테이지를 이용하여 정상 동작 여부를 확인하였고, 실시간 통신 성능을 확인하기 위해 Cycle time을 측정하였다.
제안하는 설계 방법에서 폐루프 스테핑 모터 드라이브 모듈은 다양한 실시간 이더넷에 재사용 가능하나, 탑재되는 SW는 실시간 이더넷에 맞게 변경되어야 한다. 따라서 제안하는 방법은 다양한 실시간 이더넷 적용 시 SW 변경을 최소화하기 위해 계층 구조를 사용하여 기존의 모션 제어 알고리즘을 재사용하며, 다음 3.
제안하는 설계 방법은 Fig. 1과 같이 다양한 프로토콜에 적용 가능한 모터 드라이브 모듈과 실시간 이더넷 모듈로 구성된다. Fig.
제안하는 설계 방법의 검증을 위해 EtherCAT 및 Mechatrolink III 기반의 스테핑 모터 드라이브를 개발하였다. Fig.

성능/효과

Mechatrolink III에 대한 Cycle time은 본 논문에서의 실험 결과와 Mechatrolink 협회에서 제공하는 시뮬레이션 결과와 동일함을 확인하였다. EtherCAT의 Cycle time에 대해서는 기존의 Cycle time에 대하여 이론적으로 분석한 연구[18]와 비교하였다.
5와 같이 X-Y 스테이지를 통해 마스터 상에서 간단한 제어 알고리즘을 이용하여 원을 그리는 시험을 진행하였다. 결과적으로 EtherCAT은 TwinCAT 이라는 표준 마스터 프로그램 기반에서 성공적으로 원호 제어가 가능하였고, Mechatrolink III 역시 마스터 샘플 코드 상에서 원호 제어가 가능하였다.
이와 같은 성능 차이는 EtherCAT이 Summation frame 기법 및 On-the-Fly 기법을 사용하여 하나의 실시간 이더넷 기반 스테핑 모터 드라이브 개발 51 Ethernet Frame에 32개 슬레이브의 송/수신 데이터를 모두 처리하는 데 비해 Mechatrolink III는 48byte 데이터를 각 슬레이브마다 송수신하므로 더 많은 시간이 소요된다. 결론적으로 32개 스테핑 모터 드라이브를 데이지 체인토폴로지로 연결한 경우 EtherCAT이 7.5배 정도 더 빠르며, 고속의 Cycle time이 필요한 경우 EtherCAT이 더 적합하다.
EtherCAT의 Cycle time에 대해서는 기존의 Cycle time에 대하여 이론적으로 분석한 연구[18]와 비교하였다. 기존의 연구에서 각 36 Byte를 통신하는 32개의 슬레이브를 연결한 경우 최소 133 us가 소요된다는 결과와 비교할 때, 본 연구에서 각 8 Byte 씩 32개 슬레이브를 연결한 경우 측정한 최소 Cycle time이 77us로서 데이터 사이즈의 차이를 고려할 때 유사한 수준 으로 판단된다. 다만, 본 연구에서 측정된 최대 Cycle time 215us는 기존 연구에서 제시한 최소 Cycle time과 큰 차이를 보여 이에 대한 추가 분석이 필요하다.
본 논문에서는 다양한 실시간 이더넷 프로토콜에 쉽게 적용할 수 있는 폐루프 스테핑 모터 드라이브를 개발하는 방법을 제안하고, 실제 EtherCAT 및 Mechatrolink III를 적용하여 구현하였으며 제안하는 방법이 실제 모터 드라이브 개발에 유용함을 증명하였다. 개발된 모터 드라이브를 이용하여 간단한 원호 운동을 통해 동기 제어가 가능한지 확인하였으며, 실제 모터 드라이브를 이용하여 Cycle time을 측정하였다.
개발된 모터 드라이브를 이용하여 간단한 원호 운동을 통해 동기 제어가 가능한지 확인하였으며, 실제 모터 드라이브를 이용하여 Cycle time을 측정하였다. 측정 결과 32개의 모터 드라이브를 연결한 경우 EtherCAT이 Mechatrolink III 보다 7.5배 정도 빠른 성능을 가진다는 것을 확인하였다. 다만, 본 연구에서는 Cycle time에 대한 실제 측정 결과만을 제시하여, 향후 다양한 실시간 이더넷에 대한 Cycle time의 이론적 분석 방법에 대한 연구가 필요하며, Cycle time 이외에 시간 동기화, 결함 발생 시 복구 시간 등 실시간 이더넷에서 중요한 다양한 성능에 대한 비교 분석에 관한 연구가 필요하다.
제안하는 개발 방법은 통신 프로토콜에 독립적인 폐루프 스테핑 모터 드라이브 모듈과 각 통신 프로토콜 별로 개발이 필요한 통신 인터페이스 모듈로 구성되며, 통신 인터페이스 모듈만 변경하여 다양한 실시간 이더넷 프로토콜을 쉽게 적용할 수 있도록 하는 것이다. 특히, 제안하는 방법은 계층적 구조(Layered Architecture)를 사용하여, 개발이 어려운 모션 제어 알고리즘을 다양한 실시간 이더넷용 모션 프로파일에 독립적으로 재사용할 수 있도록 하였다. 제안하는 방법을 검증하기 위해 EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology) 및 Mechatrolink III 기반의 폐루프 스테핑 모터 드라이브를 개발하였다.

후속연구

기존의 연구에서 각 36 Byte를 통신하는 32개의 슬레이브를 연결한 경우 최소 133 us가 소요된다는 결과와 비교할 때, 본 연구에서 각 8 Byte 씩 32개 슬레이브를 연결한 경우 측정한 최소 Cycle time이 77us로서 데이터 사이즈의 차이를 고려할 때 유사한 수준 으로 판단된다. 다만, 본 연구에서 측정된 최대 Cycle time 215us는 기존 연구에서 제시한 최소 Cycle time과 큰 차이를 보여 이에 대한 추가 분석이 필요하다.
5배 정도 빠른 성능을 가진다는 것을 확인하였다. 다만, 본 연구에서는 Cycle time에 대한 실제 측정 결과만을 제시하여, 향후 다양한 실시간 이더넷에 대한 Cycle time의 이론적 분석 방법에 대한 연구가 필요하며, Cycle time 이외에 시간 동기화, 결함 발생 시 복구 시간 등 실시간 이더넷에서 중요한 다양한 성능에 대한 비교 분석에 관한 연구가 필요하다.
Table 2는 제안하는 공용 인터페이스에서 사용되는 파라미터로서 대다수의 실시간 이더넷에서 지원되는 항목으로 구성하였다. 본 논문은 스텝 모터를 대상으로 인터페이스를 정의하고 실제 개발하였으나, 제안하는 아키텍처를 활용하여 다양한 서보 드라이브, I/O, 인버터 등의 장치에도 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스테핑 모터 드라이브가 서보 모터 대비 더 빠른 Settling time을 제공할 수 있는 요인은 무엇인가?	스테핑 모터 및 서보 모터의 제어 방법의 차이[4]와 스테핑 모터의 강한 정지 토크로 인해 스테핑 모터 드라이브는 큰 힘이 필요 없는 단거리 고속 움직임이 필요한 디스펜서, 비전 검사기와 같은 시스템에서 서보 모터 대비 더 빠른 Settling time을 제공한다. 이와 같은 스테핑 모터 드라이브의 장점으로 인해 현재 소형 모터시장에서 스테핑 모터 사용이 증가하고 있으나, 아직 실시간 이더넷을 기반으로 하는 스테핑 모터 드라이브가 많지 않은 실정이다.
	어떠한 문제점을 해결하기 위해 이더넷 프로토콜 기반의 슬레이브 장치를 개발하는 연구가 수행되었는가?	일반적으로, 전통적인 필드버스 기반의 스테핑 모터 드라이브를 실시간 이더넷 기반의 시스템에 사용하기 위해서는 게이트웨이를 이용하여 서로 다른 통신을 통해 연결하고 있다. 그동안 다양한 게이트웨이 관련 연구[5-9]가 수행되었으나, 이들 연구에서 게이트웨이를 사용하는 방법은 게이트웨이 내에서의 메시지 전달 지연 문제와 필드버스의 낮은 통신 속도로 인해 높은 실시간 성능이 필요한 고성능 장비에 적용하기 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
	실시간 이더넷의 특징은 무엇인가?	실시간 이더넷(RTE, Real-Time Ethernet)은 높은 대역폭, 시간 동기화, 실시간 데이터 전송 등 많은 장점을 제공한다[1]. 따라서, 다양한 종류의 실시간 이더넷이 개발되었으며, IEC(Internation Electrotechnical commission) 표준으로 등재되었다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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