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[전문가 기고] 서비스 로봇용 모터 드라이버의 CANopen 통신과 듀얼 채널 드라이버의 특장점 서비스 로봇 구동 동향에 따른 모터 드라이버의 기술 트렌드 정대상 기자입력 2021-04-27 11:20:25

스마트물류 공장의 핵심장비인 서보 모터는 모션 컨트롤에서 언제나 중요한 역할을 한다. 최근에는 서비스 로봇 시장의 증가 추세에 따라 장비의 콤팩트(Compact)화에 대한 요구가 점점 더 높아지고 있다. 이와 동시에 여러 축의 모터를 필요로 하는 장비에서는 기존의 ‘모터+드라이버’ 구조의 분리형 방식 대신, 더 작은 크기와 더 높은 수준의 통합, 그리고 더욱 안정된 성능의 제품을 요구한다. 이에 본문에서는 우선 서비스 로봇의 구동부에 적용하는 CANopen 통신 방식에 대해 알아보고, 일체형 서보 시스템 제품의 사양을 소개한다.

 

2축 듀얼 채널 휠 인 서보 드라이버(사진. 모터114)


1. 서비스 로봇 구동부의 CANopen 통신 제어가 지닌 장점 

 

1) CAN 통신의 정의
CAN(Controller Area Network)이란, 호스트 컴퓨터 없이 마이크로컨트롤러나 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격이다. 컨트롤러 간 ‘ECU(Electronic Control Unit)’들은 CAN 프로토콜을 사용해 통신한다. 초기에는 차량 네트워크용으로 개발됐으나 최근에는 차량뿐만 아니라 산업 전 분야에 폭넓게 적용되고 있다.


초기에는 자동차 안에 모듈이 많지 않았기 때문에 UART 방식, 즉 일대일(Point-To-Point) 방식으로 ECU를 연결했다. 하지만 이 방식의 경우 서로 다른 모듈 간 통신을 위해서는 많은 선(Line)이 필요한 것이 문제가 된다. 이는 배선의 증가로 인한 유지 보수 문제 및 무게 증가, 연비 하락과도 연결됐으며 기술의 발전으로 차량 내부에 모듈 수가 점점 증가하고 있는 만큼 이에 대한 대안이 필요했다. 이러한 문제를 해결한 것이 바로 CAN이다.


기존의 서보 모터 역시 여러 드라이버와 컨트롤러를 연결하기 위해 많은 하네스가 필요했는데, 이를 해결한 CANopen 통신 제어 방식의 특장점을 살펴본다.

 

2) 단순화된 배선(Simplified Wiring)
CANopen 버스 통신 제어는 하나의 버스 통신 포트를 통해 여러 모터/드라이버를 연결할 수 있는데, 드라이버들이 두 가닥의 선을 이용해 멀티드롭(Multi-Drop)으로 연결되면서 하네스 배선량과 공간을 절약할 수 있다.
CANopen 배선은 CAN_High, CAN_Low, GND(Ground) 이렇게 세 개의 와이어를 이용하는데 동일한 전원을 이용하는 디바이스라면 두 개의 선만 연결해주면 된다

 

3) 빠른 통신 속도(Fast Communication Speed)
2선식(Two-wire) 시리얼 반이중 통신 모드가 적용되는데, 통신 매체는 트위스티드 페어(Twisted Pair, 두 가닥으로 꼰 동축 케이블선) 혹은 광섬유일 수 있으며, 통신 속도는 최대 1MB/s에 이른다.
직렬(Serial) 통신 방식은 속도가 느린 대신 긴 거리를 송수신 할 수 있어 CANopen의 경우 긴 거리를 안정적으로 통신할 수 있다.

 

4) 높은 전송 신뢰도 및 강력한 노이즈 간섭 방지(High Transmission Reliability)
CANopen의 경우 짧은 프레임 구조를 이용하는데 각 프레임의 유효 바이트 수는 8개이다. 8바이트는 버스의 시간을 많이 차지하지 않기 때문에 이는 통신의 실시간성을 보장하고, 신호 간섭 가능성과 재전송 시간을 줄인다.
CAN은 버스의 상태를 항상 모니터링하기 때문에 실시간으로 결함이 있는 노드를 감지해 해당 노드를 비활성화함으로써 네트워크의 신뢰성을 보장한다.
또한 트위스트 형태의 2선(Twist Pair Wire, CAN_H, CAN_L)을 이용해 전기적으로 차별되는 통신을 하기 때문에 전기적 노이즈에 매우 강하다.

 

5) 낮은 비용 및 높은 적용성(Low Cost & High Applicability)
저가형 CANopen 모듈 칩은 다양하며, 대부분의 MCU는 CAN 주변 장치를 지원한다. 이에 따라 CANopen은 유럽을 비롯한 여러 국가에서 가장 흔한 필드버스 모듈이라고도 불리는데, 현재 수십 개의 반도체 제조업체가 다양한 CAN 컨트롤러와 트랜시버를 개발 및 판매하고 있어 가격이 저렴하고 조달이 용이하다.

 

6) 고 신뢰성 오류 처리 및 검사 매커니즘(Reliable Error Checking Mechanisim)
CANopen 노드는 심각한 오류 상태에서는 자동으로 버스를 종료하는 기능을 가지고 있는데, 데이터 전송 중 정보가 손상되면 자동으로 재전송된다. 순환중복검사(CRC; Cyclic Redundancy Check) 등이 데이터 통신의 신뢰성을 보장하기 위해 해당 오류 처리 기능을 제공하는 데 사용된다.
또한 CANopen은 다양한 에러 감지 메커니즘이 상호 보완적으로 에러를 감지하기 때문에 높은 안정성을 보장한다. 또한 메시지 전송 시 에러가 감지되면 자동적으로 해당 메시지를 즉시 재전송하는 기능이 있기 때문에 다른 프로토콜에 비해 에러 회복 시간이 짧다.


7) CANopen 통신 제어 가능한 드라이버 일체형 저전압 서보 모터
최근 서비스 로봇의 활용이 확장됨에 따라 시장에서 배터리 구동 일체형 저전압 서보 모터에 대한 수요가 증가하고 있다. 더 작은 크기, 더 나은 가격, 더 높은 통합 수준 및 더 큰 기능성을 갖춘 드라이버 일체형 서보 모터는 의심할 여지없이 고객이 선호하는 솔루션이 될 것이다. 


Figure1은 Leadshine에서 최근 개발, 판매하는 CANopen 통신 제어 기능이 탑재된 드라이버 일체형 저전압 서보 모터로서 AGV, 소터(Sorter), OHT 등 저전압 구동 물류장비에 적용할 수 있다.

 

자료. 모터114 / 로봇기술 재편집

 

2. AGV용 듀얼 채널 드라이버(Dual Channel Driver)의 특장점

 

1) 듀얼 채널 서보 드라이버
서보 컨트롤러 또는 서보 앰프라고도 불리는 서보 드라이버는 서보 모터를 제어하는 컨트롤러로서 이는 AC 인덕션 모터에 작용하는 주파수 변환기와 유사하다. 이는 서보 시스템의 일부로서 주로 고정밀 위치 결정 시스템에서 사용되고 있어 서보는 고정밀, 고성능, 높은 응답 속도의 응용 분야에 적용되는 모터의 대명사가 됐다. 이에 따라 서보 드라이버의 비용은 전체 서보 시스템 비용에서 큰 비율을 차지한다.  

 

ZLTECH의 2축 듀얼 채널 드라이버 8015D 개념도(자료. 모터114)

 

2) 휠 인 서보 모터용 듀얼 채널 드라이버
2개의 휠 인 서보 모터를 동시에 제어하는 기능을 가진 드라이버를 ‘듀얼 채널 서보 드라이버’라고 한다.


ZLAC8015D는 ZLTECH가 독자적으로 개발한 고성능 디지털 듀얼 채널 휠 인 서보 모터 드라이버이다. 최첨단 모터 제어 전용 디지털 프로세서 ARM을 기반으로 위치 제어, 속도 제어, 토크 제어 및 기타 작동 모드를 지원한다. 또한 과전압, 과전류 및 기타 보호 기능을 지원하고 간단한 시스템 구조, 높은 통합, 높은 응답 속도, 높은 신뢰도와 일련의 장점을 제공하는 2채널 드라이버로서, 애플리케이션으로는 휠 인 서보 모터가 장착된 AGV, 음식 배달 로봇, 검사 로봇, 방역 로봇 등 자율 주행 장비에 주로 사용된다.

 

Profile velocity mode synchronization control 사례

- 2축 AGV모터 드라이버 싱크로나이즈드 콘트롤 코맨드 방법(CANopen 통신)
- 가감속 시간 100ms, 최대 속도 60r/min. Slave Driver Station수는 1.

자료. 모터114 / 편집. 로봇기술


향후 듀얼 채널 서보 드라이버는 AGV, 서비스 로봇의 구동부 모션 컨트롤의 핵심 파트로서, 저비용으로 고성능과 높은 신뢰성을 확보할 수 있어 스마트팩토리의 물류 장비 개발 추세에 맞춰 빠르게 자리를 잡을 것이며 서비스 로봇 분야에서 널리 사용될 것으로 전망된다.

 

필자

(주)모터114 기술연구소 전용철 상무

정대상 기자
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