M03.02 · 서보·DC·스테퍼·엔코더·모터 드라이버

같은 층위의 이름부터 비교한다

DC 모터, 스테퍼 모터, 서보를 서로 배타적인 세 상자에 넣으면 제품 설명을 잘못 읽기 쉽다. DC라는 이름은 넓게 쓰이므로 이 단위의 DC 예제는 브러시가 있는 직류 모터로 한정한다. 전류가 흐를 때 회전 토크를 만들며, 브러시와 정류자가 회전자에 흐르는 전류 방향을 기계적으로 바꾼다. 브러시리스 모터는 전자적인 정류가 필요하므로 같은 연결 방식이라고 가정하지 않는다.

스테퍼는 여러 상의 권선을 정해진 순서로 여자하여 목표 회전 위치를 이동시키는 모터다. 풀 스텝(full step)은 여기서 정한 기본 명령각이고, 마이크로스테핑은 권선 전류를 조절하여 그 사이의 명목 목표를 더 잘게 나누는 방법이다. 펄스를 보냈다는 사실은 회전자가 그 각도까지 도달했다는 측정이 아니다. 부하·가속·사용 가능한 토크 같은 조건이 맞지 않으면 명령과 실제 위치가 어긋날 수 있다. 제조사 기초 설명의 개루프 한계도 이 구분으로 읽는다.

서보(servo)는 목표와 피드백의 차이를 이용하는 제어 구조를 가리킨다. 위치 서보라면 목표 위치와 측정 위치의 차이를 줄이도록 구동을 조절한다. 속도나 전류를 제어하는 루프도 있을 수 있으므로 어떤 물리량의 루프인지 적어야 한다. 브러시 DC 모터와 엔코더를 묶어 위치 서보를 만들 수도 있고, 스테퍼에 피드백을 넣은 시스템도 가능하다. 따라서 ‘스테퍼이므로 반드시 개루프’ 또는 ‘서보이므로 특정 모터 원리 하나’라는 판정은 성립하지 않는다.

작은 일체형 서보 제품은 모터·전달기구·센서·제어기 등을 한 패키지에 넣기도 한다. 그러나 서보라는 이름만 보고 전압, 명령 프로토콜, 센서 종류, 제어 주기를 알 수는 없다. maxon의 제어기 설명은 제어 모드·명령 인터페이스·피드백을 따로 확인하는 실제 사례다. 특정 제품의 기능을 모든 서보에 일반화하지 않는다.

명령을 계산하는 곳과 동력을 전달하는 곳

상위 프로그램은 ‘목표각 2도’ 같은 값을 만들고 제어기는 오차를 계산한다. 모터 드라이버의 전력단은 전원에서 권선으로 흐르는 전류를 제어한다. 제어기와 드라이버가 한 보드에 들어갈 수도 있지만 역할은 구별한다. 논리 명령을 받아들였다는 응답은 전력단의 정상 동작이나 축의 움직임을 보증하지 않는다. 가상의 3.3V 논리와 12V 모터 전원은 서로 다른 계약의 예이며 직접 연결하라는 뜻이 아니다. 전압 호환성은 M03.04와 M03.06에서 문서로 판정한다.

그림 원본 크기로 보기

그림 M03.02-1. 각 칸은 서로 다른 역할/근거다. 아래 방향은 자료/처리의 연결이며 실제 성공을 자동으로 보장하지 않는다. 직접 제작한 개념도이며 본문의 조건과 함께 읽는다.

엔코더는 자신이 연결된 축의 회전 관련 신호를 제공한다. 증분형의 누적 count는 기준점과 시작 상태가 있어야 절대 각도로 해석할 수 있다. 재시작 후 0은 기계의 물리적 원점과 자동으로 같지 않다. 절대형도 단회전/다회전 범위와 기준, 기어 뒤의 결합 상태를 확인해야 한다. 모터 축 센서라면 출력 기어의 유격을 직접 측정한 것이 아니다. 센서 데이터와 실제 출력 위치 사이에 어떤 기구가 있는지 그림으로 그린다.

두 종류의 눈금을 같은 축으로 환산한다

가상 스테퍼의 풀 스텝을 1.8도, 풀 스텝당 마이크로스텝 명령을 16개, 감속비를 i=10으로 정하자. 한 명령의 모터 명목각은 1.8/16=0.1125도이고 출력 명목각은 다시 10으로 나눈 0.01125도다. 160개 명령은 모터 18도, 출력 1.8도를 뜻한다. 여기서 분할 수는 목표의 눈금이지 그만큼 정확하게 멈췄다는 증거가 아니다.

모터 엔코더가 1회전당 최종 디코딩된 2000count를 낸다고 추가로 가정한다. 제조사의 PPR 표기는 디코딩 배수에 따라 의미가 다를 수 있어 이 예에서는 최종 count를 명시했다. 모터 눈금은 360/2000=0.18도/count, 출력 환산은 0.018도/count다. 모터 18도 명령에 대응하는 기대 증분은 18/0.18=100count다. 같은 기준·같은 이동 구간의 관측이 80count라면 모터 환산은 14.4도, 출력 환산은 1.44도다. 출력 명목 목표와 차이는 0.36도다.

명령 눈금 0.01125도가 센서의 출력 환산 눈금 0.018도보다 작다고 센서가 고장인 것은 아니다. 서로 다른 해상도의 명령과 관측을 비교하는 것이다. 어느 쪽도 이 숫자만으로 출력 정확도를 입증하지 않는다. 또 이동 중간의 80count와 이동 종료 뒤 목표를 비교하면 지연을 위치 실패로 잘못 판단할 수 있다. 타임스탬프, 명령 완료 조건, 기준점, 오류 상태를 함께 읽어야 한다. 폐루프가 있더라도 힘·속도·전류 한계와 고장을 모두 없애지는 못하며 안전성 인증을 뜻하지도 않는다.

위 본문과 같은 가상 장치를 사용한다. 기준점은 두 로그에서 같고 모터 축 증분만 기록한다. 명령 구간은 t=0~0.10s, 관측 시각은 t=0.12s이며 관측에는 ‘완료 여부 미상’이라고 적혀 있다. 명령 수신 응답은 성공, 명령 수는160개, 관측 증분은80count다.

1. 상위 목표→제어기→드라이버 전력단→모터→기어→출력의 흐름을 그리고 모터 축 엔코더의 피드백 위치를 표시한다. 이 모터에 피드백을 사용하면 왜 스테퍼와 서보라는 설명이 함께 가능할지 적는다.
2. 한 명령의 출력 명목각, 전체 명목 출력각, 기대 count, 관측의 출력 환산각과 차이를 계산한다. 각 수치가 명령인지 측정 환산인지 구별한다.
3. ‘성공 응답이므로 출력은 정확히1.8도 도달했다’라는 결론을 판정한다. 완료 시각·드라이버 상태·별도 출력 관측 가운데 필요한 추가 기록을 이유와 함께 두 개 이상 제안한다.

관찰할 것은 실제 회전이 아니라 기록의 의미다. 단위가 막히면 모터 축에서 계산한 뒤 i로 나눈다. 완료 시점이나 센서 위치가 빠졌다면 원인을 단정하지 않는 것이 정상 판정이다. 실제 구동으로 빈 기록을 채우지 않는다.