로봇 시스템은 반복 작업을 자동화하고, 복잡하고 강력한 동작을 처리하며, 사람에게 위험하거나 유해한 환경에서 작업할 수 있다. 보다 통합된, 고성능 마이크로컨트롤러(MCU)를 통해 전력 효율을 높이고 훨씬 더 높은 정확도로 부드럽고 안전한 동작을 구현하여 생산성과 자동화를 향상시킨다. 예를 들어 레이저 용접, 정밀 코팅, 잉크젯 또는 3D 프린팅을 처리하는 애플리케이션의 경우 0.1mm 이내의 높은 정확도가 중요하다.
로봇 팔의 축 수와 필요한 제어 아키텍처 유형(중앙 집중식 또는 분산형)에 따라 궁극적으로 해당 시스템에 적합한 MCU 또는 모터 제어 집적 회로(IC)가 결정된다. 최신 공장에서는 다양한 제조 단계를 처리하기 위해 다양한 수의 축, x, y 또는 z 평면에서의 이동과 회전 정도를 가진 로봇을 혼합하여 사용하므로 공장 현장 전체에 다양한 제어 아키텍처가 혼재되어 있다.
향후 확장성을 제공하기 위해 추가 성능 헤드룸과 애드온 기능을 지원할 수 있는 용량을 갖춘 MCU를 선택하는 것이 중요하다. 확장성 및 추가 기능을 계획하면 설계 과정에서 비용, 시간, 복잡성을 줄일 수 있다.
이 기고문에서는 중앙 집중식 및 분산형(또는 탈중앙화)이라는 두 가지 유형의 모터 제어 아키텍처와 이를 지원하는 통합 실시간 MCU에 대한 설계 고려 사항을 살펴본다.
중앙 집중식 아키텍처
중앙 집중식 시스템에서는 여러 축을 제어하는 데 하나의 MCU가 사용된다. 이 접근 방식은 대형 방열판과 냉각 팬이 필요한 고출력 모터 드라이버(일반적으로 2~3kW 이상)의 방열을 처리하는 데 효과적이다. 이 아키텍처에서는 일반적으로 리졸버 보드 또는 인코더에 연결된 애그리게이터를 통해 외부에서 위치 데이터를 획득한다.
그림 1: 다중 축 시스템을 위한 분산형 모터 제어 아키텍처의 블록 다이어그램
일반적으로 이 아키텍처에서는 여러 개의 전력계가 동일한 PCB에 있거나 근접해 있으므로 하나의 MCU로 여러 축을 제어할 수 있다. 이 접근 방식은 여러 모터 제어 MCU 간에 통신 회선을 길게 연결할 필요가 없으므로 여러 축 간의 실시간 제어 및 동기화가 간소화된다.
중앙 집중식 아키텍처의 모터 제어 MCU/MPU에는 주로 R5F 코어 또는 DSP와 같은 고성능 실시간 처리 코어, EtherCAT과 같은 실시간 통신 인터페이스, 전압 및 전류 감지를 위한 충분한 PMW 채널과 주변장치가 필요하다. Am243x와 같은 MCU는 확장 가능한 다중 축 시스템을 구현하고 단일 칩으로 최대 6개의 축에 대한 실시간 제어 주변 장치와 실시간 통신을 제공할 수 있다.
과거에는 자동화 시스템에서 중앙 집중식 모터 제어를 위해 주로 FPGA 또는 ASIC 장치가 사용되었다. 하지만 최근 AM243x와 같은 최신 ARM Cortex 기반 MCU의 인기가 높아지고 있습니다. 높은 수준의 통합과 비용 효율성으로 설계자는 시스템의 성능 요구 사항을 충족하는 동시에 설계 확장성과 유연성을 확보할 수 있다.
중앙 집중식 제어 아키텍처는 높은 페이로드의 산업용 로봇과 같은 고출력 자동화 시스템의 성능 및 효율성 설계 요구 사항을 충족할 수 있지만, 캐비닛에서 조인트의 기계식 모터까지, 위치 센서에서 애그리게이터까지 추가 케이블을 연결해야 한다는 단점이 있다. 이러한 와이어는 비용이 더 많이 들 뿐 아니라 마모되어 유지보수가 필요하다.
탈중앙화 또는 분산형 아키텍처
탈중앙화 또는 분산형 아키텍처(그림 2)는 최근 전력 요구 사항이 낮은 시스템에서 인기가 높아지면서 협동 로봇(코봇) 조작기의 표준 접근 방식이 되었다.
그림 2: 단일 축 시스템을 위한 분산형 모터 제어 아키텍처의 블록 다이어그램
분산형 아키텍처는 여러 개의 단일 축 모터 드라이브를 로봇 내의 각 조인트에 통합하고 EtherCAT과 같은 실시간 통신 인터페이스를 통해 연결 및 동기화한다. 각 드라이브는 일반적으로 하나의 단일 축을 제어하고 특정 안전 기능을 로컬에서 처리한다. 따라서 각 MCU에는 실시간 제어 및 통신 기능, 단일 축을 위한 모터 제어 주변 장치, 3~6개의 PWM 채널, 온칩 연속 근사화 레지스터 아날로그-디지털 컨버터 또는 델타 시그마 변조기 입력이 필요하다.
이러한 애플리케이션에서 위치 센서는 일반적으로 MCU 옆에 위치하므로 위치 센서에서 데이터를 읽으려면 디지털 또는 아날로그 인터페이스가 필요하다. 이 아키텍처는 더 많은 MCU를 필요로 하지만, 전원 버스와 통신 인터페이스 사이에 케이블이 덜 필요하기 때문에 시스템 수준에서 비용을 크게 절감할 수 있다. F28P65x와 같은 최신 실시간 MCU는 필요한 모든 주변 장치뿐 아니라 안전 주변 장치를 통합하여 작은 크기에 고성능을 갖춘 분산형 아키텍처에서 통합 축을 위한 단일 또는 두 칩 솔루션을 구현할 수 있다.
마무리
모터는 로봇에서 가장 최신 유행하는 시스템은 아닐 수 있지만(특히 인공지능 지원 시스템과 비교할 때), 공장을 계속 움직이게 하는 '근육'입니다. 이는 현대 제조업에서 가장 중요한 부분일 수 있으므로 올바른 제어 장치를 선택하는 데는 많은 고려가 필요하다. 이러한 장치가 더욱 통합됨에 따라 에지 컴퓨팅 및 무선 연결과 같은 추가 기능이 모터 제어 설계에 적용될 수 있다.
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