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[전문가 기고] 서비스 로봇용 휠 인 모터의 FOC(Field Oriented Control) 제어 모터114 전용철 상무, 서비스 로봇 트렌드에 적합한 휠 인 모터 제어 방식 제안 정대상 기자입력 2021-06-28 09:00:55

이동성을 기반으로 한 서비스 로봇의 활용성이 지속적으로 확장될 것으로 예상됨에 따라 사용자의 요구를 충족시킬 수 있는 안정성과 정확성을 확보하기 위한 진보된 모터 제어 알고리즘이 요구된다. (주)모터114 기술연구소 전용철 상무는 이와 관련해 서비스 로봇에 적용되는 휠 인 모터의 여러 제어 방식과 각각의 장·단점에 대해 전했다. 

 

FOC 기술이 적용된 ZLTECH사 휠 인 모터 & 드라이브(사진. 로봇기술)

 

1. 서비스 로봇 구동을 위한 모터 제어

 

지능형 AI 기술의 지속적인 발전으로 로봇 산업의 속도와 유연성이 크게 향상됐고, 비용도 어느 정도 절감돼 서비스 로봇과 배달 로봇은 점점 더 널리 쓰이게 될 것으로 예상된다. 한편 정보화와 함께 자동화 정도가 지속적으로 개선되면서 기존 모터 제어 시스템은 사용자의 모터 제어 정밀도 요구를 충족시키지 못함에 따라 모터 제어 시스템의 안정성과 정확성을 확보하기 위해서는 진보된 알고리즘이 요구된다.
펄스 폭 변조(PWM)는 일정 진폭이지만 듀티비(Duty Cycle)가 다른 펄스는 시간 주기를 변조해 만들어지는데 이 변조는 하나의 반송파와 하나의 기준 신호가 비교기에 전달되고 해당 신호는 비교기의 논리에 따라 생성된다. 기준 파형은 사인 파형 또는 사각 파형이고, 반송파는 일반적으로 기준 신호보다 훨씬 높은 주파수를 갖는 톱니 또는 삼각파이다. 
PWM 기술의 장점은 추가 구성 요소를 사용하지 않고도 모터의 출력 전압을 제어할 수 있다는 점으로, 기본 PWM 기법은 단일 펄스/다중 펄스/사인파 PWM 등으로 구분된다.
ZLTECH 휠 인 서보 모터는 영구 자석 동기 모터를 휠 허브 모터로 사용하는데, 영구 자석 동기 모터에 가장 일반적으로 사용되는 제어 방법은 PWM(사각파 제어), SPWM(사인 전압 제어), FOC(벡터 제어)의 3가지 유형이다. 
이 3가지 제어 방법에 대한 모터의 위상 전류 파형은 아래와 같으며, 각각의 특·장점을 살펴보고자 한다. 

 

3가지 제어 방법에 대한 모터의 위상 전류 파형(자료. 모터114)


2. PWM 제어(Pulse Width Modulation) : Square Wave Control
 

삼각파와 제어신호를 동시에 입력시켜, 제어 입력 신호 값에 비례하는 듀티비를 갖는 Square 펄스를 만들어, 일정한 주기 내에서 듀티비를 변화시켜서 평균전압으로 제어하는 방법이다.
이는 출력 트랜지스터가 ON하고 있는 동안에만 모터에 전류가 흐르게 되는데, 듀티비가 클수록 모터에 전류가 흐르는 전체 시간이 길어지므로, 모터의 속도제어를 입력 신호의 변화만으로 간단히 제어할 수 있다.


​이 제어 방식의 단점은 전류 변동이 커서 제어 정밀도가 나쁘며, 노이즈가 발생하고, 속도제어의 효율이 떨어진다. 장점은 전압을 제어하므로 열 발생이 적어 효율이 높고, 프로그램 방식으로서 알고리즘과 회로도가 간단하다. 이 방식은 제어기가 코스트에 민감하고, 성능 요구 사항이 낮은 시스템에 적합하나, 가변 부하나 고속 다이내믹 응답이 요구되는 애플리케이션에서는 성능이 제한적이다.

 

PWM Timing Diagram(자료. 모터114)

 

3. SPWM(Sinusoidal PWM) 제어 : Sine Voltage Control 
 

SPWM제어는 신호파(피변조파, 被變調波)와 시간적으로 동기된 반송파(변조파, 變調波)를 이용해 변조하는 방식으로서, 모터를 회전시키기 위해서는 3상 a, b, c상을 120° 위상차의 사인파 전류를 모터 권선으로 보내야 한다. 이때 전류의 양을 디지털로 제어하기 위해서 PWM 기법을 사용하는데, 펄스의 듀티 폭을 제어함으로써 아날로그의 효과를 통해 MOSFET등 스위칭 소자를 제어해 모터 권선에 원하는 전류를 보낼 수 있다. 
사인파(Sinusoidal) PWM에서 각 펄스의 폭은 동일한 펄스의 중심에서 평가된 사인파의 진폭에 비례해 변한다. 하프 사이클 당 여러 펄스가 사용되며, 펄스 폭은 사이클 내 펄스 각도 위치의 사인파 함수이다. 고주파 반송파는 비교기를 통해 원하는 주파수를 갖는 기준 제어 신호 값과 비교된다.

 

3상 SPWM(자료. 모터114)


사인파의 크기가 크면 출력이 높아짐에 따라 비교기 출력은 출력 전압파가 비교기 펄스 폭과 일치하는 펄스 폭을 갖도록 트리거 펄스 발생기에서 처리된다.
이 제어 방식의 단점은 사인파 전압의 제어 정확도가 떨어지고, 알고리즘이 약간 복잡하다. 반면 장점으로는 회로가 직관적이고 쉽게 구현이 가능하다. 
이 방식 역시 코스트에 민감하고 노이즈에 대한 요구 사항이 낮은 시스템에 적합하며, 가변 부하 및 고속 다이내믹 응답 로봇의 어플리케이션에는 성능이 제한적이다.

 

3상 모터 전력 트랜지스터 순환 다이어그램(자료. 모터114)

 

4. FOC(Field Oriented Control) 제어 : Vector Control

 

FOC 제어는 벡터 주파수 변환이라고도 불리는 Field Oriented Control이다. FOC 제어의 정밀도는 사각파(Square) 제어와 사인파(Sinusoidal) 전압 제어보다 20배 이상 높다. 동시에 가장 낮은 노이즈 발생과 다양한 제어 방법, 복잡한 알고리즘을 가지고 있으며, 특히 서비스 및 배달 로봇에 있어 성능 요구사항이 높은 애플리케이션에 적용할 수 있다. FOC는 자기장의 크기와 방향을 정밀하게 제어해, 모터 토크를 안정적이고 효율적으로 제어함으로써 고속의 동적 반응을 보여준다. 


장점으로는 에너지 절약, 저소음, 빠른 동적 반응, 긴 제품 수명 등이 있으며, 또한 Stepless 속도 조절로 모터 전류의 크기를 정확하게 제어할 수 있어 모터 속도를 일반적으로 5~100% 이내에서 조절할 수 있다.


FOC는 이와 같은 장점 때문에 많은 응용 분야에서 점차 전통적인 제어 방법을 대체해 왔으며, 모션 제어 산업에서 두각을 보이고 있는데, 상세 제어 알고리즘은 다음과 같다. 
모터 회전자(Rotor)의 위치, 모터 속도, 전류 및 기타 정보를 피드백으로 얻기 위해서는 모터의 위상 전류를 먼저 파악해야 하며, 독립적으로 사용하기 쉬운 제어 피드백을 얻기 위해 일련의 수학적 변환 및 추정 알고리즘을 수행해야 한다. 이후 피드백 값 및 목표 커맨드 값과의 오차에 따라 동적 조정을 하고, 마지막으로 3상 사인파를 출력해 모터를 회전 구동한다. 아래는 FOC의 표준 Control Block Diagram이다.

 

FOC 표준 Control Block Diagram(자료. 모터114)

 

공작기계, 저소음 팬 및 일반적인 신에너지 차량, 의료 로봇, 서비스 로봇, 수송 로봇 등의 일부 고급 응용 프로그램에서는 원활한 토크 출력이 중요한데, 이는 변동부하에 빠르게 반응해야 하며, 모터의 순간 효율이 높으면서도 토크가 안정적이고, 위치 제어가 가능해야 하므로 FOC 벡터 컨트롤이 요구된다. 따라서 FOC는 서비스, 배달 로봇의 모션 제어 시스템에서의 휠 인 서보 모터에 가장 적합한 제어 기술이다.
최근 인공지능 기술이 크게 발전함에 따라, 무인화와 지능형 애플리케이션은 외식산업에 새로운 트렌드를 불러왔다. 업계의 발전 추세를 따라잡기 위해 외식업체들이 서비스 로봇을 선택해 인력난과 고비용 문제를 해결하는 사례가 늘고 있다. 이는 케이터링 서비스업의 고용과 관리가 어려운 문제도 부분적으로 해결할 것이다. 사람들의 삶이 풍요로워지면서 저평가된 일자리는 채용이 어려워지고, 현 사회에서 이러한 저평가 작업에 로봇을 활용하는 것은 큰 흐름이 될 수 있다. 고령화와 인건비 상승 추세로 인해 전통 기업의 인력 확충이 어려워짐에 따라 인적 자원을 로봇 자동화로 대체하고 수작업에 대한 의존도를 없애 기업의 경쟁력을 더욱 높이려는 기업이 점점 더 많아지고 있다. 향후 효율성을 높이고 인건비를 줄이려는 기업이 늘면서, 로봇이 케이터링 산업이나 식품 산업을 대규모로 대체할 수 있다.

 

FOC 기술이 적용된 ZLTECH사 휠 인 모터 & 드라이브(사진. 모터114)

 

하지만 로봇이 다양한 환경의 식당 내에서 정말 유용한 서비스를 제공하기란 쉽지 않다. 식사 고객들의 혁신 요구를 충족시킬 뿐만 아니라, 식당의 복잡한 환경에서 안정적으로 운영되면서 대상 테이블에 음식을 배달하고, 식탁 다리, 의자 다리 등 정밀하게 고정된 장애물을 피해야 한다. 또한 지능적으로 음식 배달 경로를 계획해야 하며, 업무의 안정성과 안전을 보장하고 웨이터를 효과적으로 대체해야 한다. 이러한 작업을 수행하기 위해서는 로봇의 플랫폼이 안정적이고 부드럽게 작동해야 한다. 


ZLTECH사는 대규모 고객 흐름과 보다 복잡한 식당 환경에 대처하기 위해 설계·제작한 휠 인 서보 모터와 구동시스템을 사용해 CAN/RS232/RS485 통신 등 다양한 제어 방식을 활용한다. 이를 통해 고객은 필요에 따라 위치(Position) 모드, 속도(Velocity) 모드, 토크(Torque) 모드를 선택, 안정적으로 플랫폼의 저속 구동제어를 할 수 있다. 또한 ZLTECH사 모터는 홀 센서 신호와 1024/4096 P/R 광학/자기식 엔코더를 사용함으로써 고해상도의 분해능으로 외력에 강성(Rigidity)을 가지며, 장거리 신호 전송에 대응해 높은 내 노이즈 신뢰성을 가진다.
 

정대상 기자
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