로봇은 조립 라인 작업, 수술 지원, 창고 픽업/수거, 심지어 지뢰 제거와 같은 위험한 작업과 같은 미리 계획된 특정 작업을 수행합니다. 오늘날의 로봇은 매우 반복적인 작업뿐만 아니라 방향과 움직임에 유연성이 필요한 복잡한 기능도 처리할 수 있습니다. 기술이 발전하고 속도와 손재주가 증가하고 비용이 감소함에 따라 로봇은 점차 널리 채택될 것입니다. 노동보다 낮은 비용 이점은 또한 로봇 산업을 엿볼 수 있게 해줍니다. 또한 머신 비전, 컴퓨팅 파워 및 네트워킹의 발전은 로봇 애플리케이션의 대중화를 촉진할 것이며 이러한 고성능 머신
인간의 실현은 다음과 같은 향상 측면에 기인합니다.
1. 복잡한 센서
2. 실시간 의사결정과 이동을 가능하게 하는 컴퓨팅 파워와 알고리즘.
3. 복잡한 작업을 실현하기 위해 기계적 힘을 빠르고 정확하게 전달하는 모터!
구체적으로 모터 유형과 모델을 선택할 때 설계자는 세 가지 주요 요소를 고려해야 합니다.
1. 모터의 최소 및 최대 속도(및 가속도).
2. 모터가 전달할 수 있는 최대 토크와 토크 곡선과 속도 곡선의 관계.
3. 모터 작동의 정확성과 반복성(센서 및 폐쇄 루프 제어 없음). 물론 모터를 선택할 때 고려해야 할 다른 중요한 요소가 많이 있습니다. 크기, 무게, 비용 등이 있습니다. 거의 모든 소형에서 중형 로봇 액추에이터의 경우 구동 모터 선택은 일반적으로 브러시 DC 모터, 브러시리스 DC 모터(BLDC) 및 스테퍼 모터 사이에서 이루어집니다. (그러나 어떤 경우에는 유압 프레스 대 공압 프레스가 가장 좋은 선택입니다.)
브러시 DC 모터는 가장 오래된 DC 모터 기술이며 가장 간단하고 저렴합니다. 모터의 로터 회전은 브러시와 로터 사이의 접촉으로 인해 로터 주변의 권선의 자기장을 전환(정류)합니다. 모터의 속도는 인가된 전압의 함수이므로 구동 요구 사항은 적지만 토크를 관리하는 것은 어렵습니다. 또한 브러시가 마모되거나 세척 및 유지 관리가 필요하거나 잠재적으로 전자 노이즈(전자기 간섭)의 원인이 될 수 있는 요인으로 인해 작동 시 신뢰성 문제가 있습니다. 이러한 문제로 인해 브러시 DC 모터는 대부분 로봇 설계에 가장 매력적이지 않은 옵션입니다.
무브러시 DC 모터는 1860년대에 등장했으며 두 가지 개발의 혜택을 받았습니다. 견고하고 작고 저렴한 영구 자석의 출현과 권선으로의 전류 흐름을 전환하는 작고 효율적인 전자 스위치(일반적으로 MOSFET)의 출현입니다. "전자 정류"는 브러시 모터의 기계적 정류를 대체하여 자기장의 스위칭을 제어하고, 회전 코어의 자석과 주변의 고정 스위칭 코일 간의 상호 작용은 브러시 모터의 기계적 정류를 대체합니다. 즉, 자기장과 전기장 간의 상호 작용을 활용합니다. MOFSET의 스위칭 주파수를 변경하면 모터 속도를 제어할 수 있습니다. 또한 모터 컨트롤러는 브러시 모터에 비해 모터 성능을 더 잘 제어할 수 있습니다.
더 나은 점은 PID(비례-적분-차등) 보정 알고리즘이나 FOC(필드 지향 제어, 벡터 제어라고도 함) 제어 알고리즘과 같은 고급 알고리즘을 모터 컨트롤러에 통합할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 이상적인 모터 작동을 실제 부하 및 부하 변화에 맞춰 조정할 수 있어 더욱 견고하고 정확한 모터 성능을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 모터 제어 알고리즘/프로그램은 로터 관성과 같은 관련 요소를 고려하고 모터 드라이브가 적응하고 기계적 요소로 인한 오류를 점진적으로 줄일 수 있도록 할 수 있습니다. 이러한 알고리즘을 통해 가속 및 토크를 정확하게 제어할 수 있습니다.
무브러시 모터(BLDC)는 더 복잡한 제어 회로가 필요하지만 브러시 모터보다 더 나은 성능을 보일 수 있습니다. 일반적으로 BLDC 모터에는 홀 효과 센서, 광학 인코더 또는 역전위 감지 장치와 같은 위치 피드백 센서가 장착되어 있어야 합니다.
로봇에 일반적으로 사용되는 또 다른 유형의 BLDC 모터는 스테퍼 모터로, 영구 자석 링의 중앙 코어 옆에 위치한 스위칭 전자석이 사용됩니다. 스테퍼 모터는 기존 방식으로 "회전"하지 않습니다. 대신, 지속적으로 회전하는 샤프트의 도움으로 속도를 점차 높여 특정 회전 각도 또는 연속 회전을 허용합니다. 스테퍼 모터는 반복 가능한 모션 제어가 있습니다. 필요할 때 이전 위치로 돌아갈 수 있습니다.
스테핑 각도는 1.8도(200단계/회전)에서 30도(12단계/회전)까지입니다. 스테핑 각도 또는 단계 수는 모터에 있는 영구 자석의 수에 따라 달라지지만 이 범위를 벗어난 값도 가능합니다.
스테퍼 모터의 경우 전원이 공급되지만 계단이 가리키지 않으면 원래 위치에 그대로 유지됩니다. 스테퍼 모터는 낮은 rpm에서 높은 토크를 제공합니다. 스테퍼 모터를 회전시키는 가장 직접적인 방법은 솔레노이드에 순서대로 전원을 공급하고 차단하는 것이지만, 이렇게 하면 지터나 진동이 발생할 수 있습니다. 무브러시 모터와 스테퍼 모터는 부분적으로 겹치는 적용 분야가 있습니다. 스테퍼 모터는 장시간의 지속적인 회전보다는 정밀한 인-아웃 동작(예: 픽 앤 플레이스)이 필요한 적용 분야와 모터에서 높은 토크나 속도가 필요하지 않은 작은 적용 분야에 더 적합합니다. 또한 스테퍼 모터는 무브러시 DC 모터보다 에너지 효율 요구 사항이 낮습니다. 여기에 나열된 모터 외에도 사용 가능한 다른 유형이 많이 있습니다. 모터 제품군은 많고 복잡하며 많은 하위 구분이 있습니다. 예를 들어, 영구 자석 동기 모터(PMSM)는 무브러시 DC 모터(로터 기준)와 AC 유도 모터(스테이터 구조 기준)의 조합입니다. 높은 에너지 효율, 작은 부피당 높은 상대 밀도, 토크 대 중량 비율, 빠른 응답 시간, 비교적 쉬운 제어 등의 특징이 있지만, 비교적 비용이 많이 듭니다.
로봇 모션 시스템은 모터만으로 구성되는 것이 아니라, 세 가지 주요 기능 모듈로 구성됩니다.
1.실시간 컨트롤러는 다음 세 가지 형태로 나타납니다.
일반 용도에 적합한 빠른 계산 프로세서로, 모션 제어 펌웨어를 실행합니다.
제어 애플리케이션을 위한 DSP 지향 FPGA.
하드와이어링과 내장 알고리즘을 갖춘 특수 컨트롤러 IC 회로.
2. 하나 이상의 드라이버 레이어가 계단식으로 연결되어 컨트롤러 출력에서 저레벨 신호를 받아 제어 전자 장치를 켜거나 끄는 데 필요한 고전압/전류를 출력합니다.
3.모터 권선에 대한 전류 흐름을 제어하는 MOSFET(또는 IGBT나 바이폴라 트랜지스터와 같은 다른 스위칭 장치)
MOSFET 선택은 주로 모터와 권선의 필요한 전류 및 전압 크기에 따라 달라집니다. MOSFET 모델은 MOSFET 정격에 따라 MOSFET 드라이버 선택 후 드라이버를 선택하기 위해 아래로 결정합니다. 때로는 일련의 상승 반발 드라이버가 필요할 수 있으며, 드라이버를 결정하기 위한 특정 결정이 필요합니다. 때로는 MOSFET의 크기에 따라 일련의 부스트 드라이버가 필요할 수 있습니다.
4. 컨트롤러 선택 시 발생할 수 있는 문제점
컨트롤러 모델 선택도 매우 전략적이며 특정 공급업체와 모델을 선택하기 전에 결정을 내려야 합니다. 모터 제어 전용 범용 프로세서, 로컬 연산 능력이 있는 FPGA 또는 특수 제어 IC 회로(일반적으로 특정 모터 제어 공급업체에서 제공)를 사용할지 여부를 선택할 때 많은 트레이드오프가 있습니다. 설계자는 다음과 같은 요소를 고려해야 합니다.
어떤 복잡도의 제어 알고리즘이 필요하며, I/0 포트는 몇 개나 필요합니까?
제어 알고리즘과 코드를 제공할 사람은 누구인가요? IC 공급업체, 제3자 파트너, 아니면 관련 없는 제3자 개발자? 그들은 모터와 그 응용 프로그램의 성능을 어떻게 검증하고 검증할까요?
얼마나 많은 사용자 프로그래밍 기능이 필요합니까? 전용 비프로그래밍 컨트롤러조차도 사용자가 알고리즘 유형, 폐쇄 루프 제어 모드(위치, 속도 또는 가속도)를 선택해야 하며 여러 작동 매개변수를 설정해야 합니다. 모터와 애플리케이션에 설정할 고유한 속성이 있습니까? 답이 '예'라면 프로그래밍 가능한 I를 선택하는 것이 좋습니다. 반대로 알고리즘을 수정할 필요가 없다면 하드와이어링되고 고정된 알고리즘이 있는 전용 IC가 완전 프로그래밍 가능한 IC보다 바람직합니다. 컨트롤러가 여러 모터 유형을 지원해야 합니까? 동일한 유형이더라도 컨트롤러가 해당 모델에서 한 가지 크기의 모터만 지원해야 합니까, 아니면 여러 크기를 지원해야 합니까?
공급업체는 어느 수준의 기술 지원을 제공합니까? 그들은 어떤 실무 모터 개발 경험을 가지고 있습니까? 그들은 제어 IC와 MOSFET 드라이버 간의 인터페이스 회로를 포함하여 구축되고 검증된 특정 참조 설계를 제공할 것입니까?
주의해야 할 규제 문제가 있습니까? 예를 들어, 승인된 에너지 효율성 평가
(많은 모터 애플리케이션은 이제 다양한 "녹색" 환경 요구 사항을 충족해야 합니다.) 그렇다면 공급업체는 이러한 문제를 이해하고 있으며 해당 구성 요소와 알고리즘이 이러한 요구 사항을 충족합니까?
5. 개발 키트는 컨트롤러 및 인터페이스 성능을 보여줍니다.
많은 엔지니어에게 모든 조각(컨트롤러, 드라이버, MOSFET 등)을 통합하는 것은 "처음부터 시작"하고 싶지 않은 다학제적 작업입니다. 이러한 이유로 많은 공급업체가 샘플 컨트롤러 알고리즘, 드라이버 및 MOSFET이 포함된 평가 보드 또는 완전한 키트를 제공합니다. 예를 들어, Freescale MTRCKTSPNZVM128 3상 센서리스 PMSM 키트는 센서리스 모터 제어 기술을 사용하여 3상 BLDC 또는 PMSM 모터를 구동하며, 마이크로컨트롤러의 도움으로 통합 ADC 모듈에서 지원하는 역전위를 사용하여 신속한 프로토타입 제작 및 평가를 위해 설계되었습니다. 또한 이 키트(MC9S12ZVML12 마이크로컨트롤러 포함)는 홀 센서 또는 리졸버를 사용하여 센서 기반 작동 평가를 위해 구성할 수도 있습니다. 개선된 모터 제어 및 감지를 통한 정밀 작동을 포함한 기술의 발전으로 새로운 기회가 창출됨에 따라 로봇공학의 미래도 매우 유망합니다. 감지, 제어, 모터 등 핵심 분야의 혁신은 로봇공학에 앞으로도 큰 영향을 미칠 것입니다.