실험8. 모터제어/로보틱스 실험실험 보고서1. 실험 목적자동화 설비라는 이름의 ‘산업용 로봇’은 이미 생산 현장인 공장에서 인간을 대신해 산업 역군으로서 그 역할을 충실히 하고 있다. 보통 작업환경이 나쁜 현장이나 원자력 발전소, 탄광의 채탄 작업과 같이 위험한 곳에서 사람을 대신해 산업용 로봇이 쓰이는데 단순한 반복 작업으로 인한 권태감과 부주의에서 오는 제품 불량률을 최소화 하기 위한 수단으로도 이용된다.특히 이번에 사용하게 될 장비는 수평 다관절형 로봇으로 특히 수평면에서의 조립 작업에 매우 적합한 형태이므로, 전자 제품의 조립공정에서 많이 사용된다. 이번 실험은 어떻게 기술을 단순화하고, 제조 공정을 자동화 하는 가를 보며, 자동화 요소와 제어장치의 동작을 이해하는가를 목적으로 한다.2. 실험 이론모터는 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기 에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이며 전동기라고도 불린다. 전원의 종류에 따라서 직류와 교류 모터로 구분된다. 모터가 작동하는 원리는 전류가 흐르는 도체를 자기장 속에 놓으면 자기장의 방향에 수직한 방향으로 전자기적인 힘(로렌츠 힘)이 발생하게 되는데, 이를 이용하기 위해 모터 내부에 자석을 놓아 자기장을 만들고, 축에 연결된 도선에 전류를 흘리면 전자력이 발생하여 플레밍의 왼손법칙에 의해 회전하여 동력을 창출하는 방식이다. 이때 도선에 작용하는 전자기력은 자기장의 세기, 전류의 세기 그리고 도선의 길이에 비례한다. 이를 식으로 표현하면,F=BI ELL sin theta로 표현된다. 여기서 F는 로렌츠 힘, B는 자기장의 세기, I는 전류의 세기, ℓ은 도선의 길이이고 θ는 각도를 의미한다. 모터는 내연기관, 외연기관, 우마차, 인력거, 물레방아 등에 사용된다.모터제어는 각각의 모터가 동작하는 기구적 메커니즘과 제어기구성, 프로그래밍으로 이루어진다.3. 실험 과정이번 실험은 SCARA 로봇을 이용하여 모터제어와 로보틱스에 대해서 이해하는 실험을 진행하게 된다.프로그램 작성은 다음과 같이 진 코딩을 해주게 된다. 이때 속도는 SPD를 사용하여 지정해주며, 직선 방향의 이동은 MLIN을, 두 점을 경유하는 원호 구간의 움직임은 MARC, 두 점을 경유하는 원 구간의 경우에는 MCIR을 사용하여 코딩을 해주도록 한다. 프로그램을 종료할 때에는 MEND를 사용해 준다.이러한 과정을 통해서 코딩을 완료한 이후 팬턴트에서 코드를 실행해주면 SCARA 로봇이 짜여진 프로그램에 따라 움직이는 것을 확인 할 수 있다.4. 실험 결과 및 고찰위의 도면과 같은 움직임을 SCARA 로봇이 하도록 프로그램을 하기위해서 아래와 같은 프로그램을 작성해준다.SPD = 7000MPTP P0MLIN P1MARC P2 P3MLIN P4MLIN P5SPD = 3000MCIR P6 P7MLIN P8SPD = 2000MARC P9 P10MLIN P11MPTP P0MEND작성한 코드를 보면 SPD를 이용해서 해당 로봇이 움직이게 될 속도를 지정해 주었으며, MPTP를 이용해서 특별히 선형으로 움직일 필요없이 이동을 할 때 명령을 해주었으며, MLIN을 이용해서 원하는 지점으로 선형적으로 이동, MARC를 이용해서 두 점을 경유하는 원호를 그리며 이동, MCIR을 사용해서 두 점을 경유하는 원을 그리며 이동하는 프로그램을 작성할 수 있었다. 이를 통해서 로봇을 원하는 경로로 이동하도록 설정할 수 있었다.이번 실험을 통해서 실제 산업현장에서 사용되는 로봇을 비록 아주 단순한 움직임에 대한 것이었지만 어떤 방식으로 움직이는지 알 수 있었다. 실제 산업현장의 로봇은 반복되는 작업에 대한 움직임을 하므로 위와 같이 해당하는 상황에 맞는 프로그램을 따라서 움직일 것이다.5. 연구과제(1) 모터의 종류-1. DC 모터?구동원리DC 모터의 내부의 자석 또는 전자석이 내뿜는 자기장 하에 석쇠 모양으로 감긴 코일이 자기장 방향에 수직 방향을 회전축으로 회전한다. 코일에 전류를 흘려주면 플레밍의 왼손법칙에 의해 도체에 전기력이 발생하여 원운동을 하게 된다. 어느정도 회전하게되면 회전이 멈추기 때문에 한쪽으로 비례하며, 또한 출력 효율이 양호하다.4. 가격이 저렴하다.1. 브러시와 정류자 사이에 기계식 접점이 있어 스파크와 회전 소음이 발생하며, 수명이 짧다.2. 노이즈가 자주 발생한다.-2. STEP 모터?구동원리스테이터에 통합된 자극 휠은 항상 로터의 1개의 N극(또는 S극)이 스테이터의 S극(또는 N극)과 서로 마주 보도록 극성이 제어된다. 스테이터 코일 W1에 흐르는 전류의 극성이 바뀌면, 수직 자극쌍의 극성이 바뀐다. 그러나 수평 자극쌍에서는 자극이 바뀌지 않는다. 로터는 자신의 이 폭의 절반만큼 회전한다. 이어서 스테이터 코일 W2에 흐르는 전류의 극성이 바뀌면, 이제 수평 자극쌍에서의 극서잉 바뀐다. 로터는 다음 이 (teeth)까지 회전한다. 스테이터 코일의 극성이 연속적, 교대적으로 바뀌면, 로터는 그에 대응하여 이 (teeth) 1개씩 차례로 회전한다. 스테이터 코일의 극성에 대응하여, 로터 회전방향을 역방향으로 바꿀 수 있다. 스테이터 코일에 전류가 흐르지 않으면, 성층 스테이터와 자극 휠 간의 자기효과 때문에 로터는 자신의 최종위치에서 정지상태를 유지한다.?장단점장점단점1. 저렴한 가격2. 개방형 루프에서 동작(피드백 필요 없음)3. 뛰어난 홀딩 토크(브레이크/클러치 제거)4. 저속에서 우수한 토크5. 유지 보수 필요성 낮음(브러시 X)6. 매우 견고함(모든 환경)7. 정밀한 위치 제어에 탁월8. 튜닝 불필요1. 마이크로스텝핑을 사용하지 않는 한 저속에 서 고르지 않은 성능2. 부하에 관계없이 전류 소비3. 다양한 크기로 제공되지 않음4. 소음이 심함5. 속도가 증가하면 토크 감소(고속에서 더 높 은 토크를 얻으려면 대형 모터 필요)6. 제어 루프 없이 작동하면 멈추거나 고정하지 못할 수 있음-3. SERVO 모터(DC)?구동원리내부의 자석 또는 전자석이 내뿜는 자기장 하에 석쇠 모양으로 감긴 코일이 자기장 방향에 수직 방향을 회전축으로 회전한다. 코일에 전류를 흘려주면 플레밍의 왼손법칙에 의해 도체에 전기력이 발생하여 원운동을 하게 된다4. 속도 제어에 적합5. 다양한 크기로 제공됨6. 정숙한 작동1. STEP 모터보다 비싼 가격2. 개방 루프 구성으로는 작동할 수 없음3. 제어 루프 파라미터 튜닝 필요4. 브러시 DC 모터의 경우 브러시로 인해 유 지 보수 필요성이 더 높음-4. BLDC 모터?구동원리BLDC 모터는 브러시가 없는 DC 모터를 말하는데, 이 모터의 회전자는 영구자석, 고정자는 코일이다. 코일은 마주보고 있는 코일들끼리 함께 전류가 통하는데, 마주보고 있는 코일끼리는 전류가 같은 방향으로 흐르면서 N,S극을 만들어 낸다. 이때 회전자의 N,S극이 고정자에 의해 끌려오게 되고, 옆에서는 고정자가 반대 방향의 자기장을 만들어주어 회전자를 밀어낸다. 이렇게되면 회전자가 옆의 코일에 가까워지면서 동력이 발생하게 된다. 이러한 과정을 계속 반복하게 되며 모터가 회전하게 된다.?장단점장점단점1. 브러시가 없어 전기적, 기계적 잡음이 적다.2. 브러시의 마모가 없으므로 반영구적이며 유 지보수가 필요 없으며 고속회전에 무리가 없다.3. 기계의 접점이 없으므로 고속화가 용이하다.4. 기계적 접점에서 스파크나 잡음 등의 에너지 손실이 없어 배터리 효율이 개선된다.5. 기계적 접점이 없어 신뢰성이 높고 모터의 소형화와 경량화가 가능하다.6. 홀센서로부터 모터의 속도를 정확히 알 수 있어 일정속도제어 및 가변속도제어가 용이 하다.7. 자석을 이용하기 때문에 전력밀도와 효율성 이 상대적으로 높다.1. DC 모터에 비해 제어가 복잡하다.2. 별도의 구동회로가 요구된다.3. 위치 검출 소자와 구동회로가 요구되어 단가 가 상승한다.4. 회전자에 영구자석을 사용하므로 저관성화에 제한이 있다.(2) 모터 제어방법-1. DC 모터전동기의 결선 방법을 직렬, 직병렬, 병렬 등으로 변경하면 견인전동기의 단자 전압을 변화 시킬 수 있는데 이를 단자 전압 제어라고 한다. 이를 보완하는 방법으로 전동기 회로에 연결된 여러 개의 저항기를 단계적으로 차감하여 견인전동기에 공급되는 전압을 제어하여, 전압만을 제어했을 때 발수에 대응하여 일정 각도씩 움직이게 되므로 이를 조정하여 제어할 수 있다. 입력 펄스 수와 모터의 회전각도가 완전히 비례하므로 회전각도를 정확하게 제어할 수 있다. 회전방향은 코일에 가해지는 전압을 반대로 자화 시켜서 회전방향을 바꿀 수 있다.-3. SERVO 모터 (DC)SERVO 모터는 피드백 제어에 의한 자동 제어 기구로 기구의 운동 부분에 위치와 속도를 검출하는 센서가 부착되어 있어 센서의 신호를 지령값과 비교함으로써 위치, 속도, 방위, 자세 등의 목표값을 수정하여 서보 모터를 제어한다.-4. BLDC 모터DC 모터와 같이 입력 DC 전압/전류를 제어함으로써 회전 속도를 제어할 수 있다. 이때 회전 속도는 전압에 비례하고, 자속에 반비례한다. 위치 제어는 고정자에 있는 홀센서를 이용해서 영구자석인 회전자의 위치를 추정하여 전압을 흐르게 하여 원하는 위치로 이동하도록 제어를 한다.(3) 로봇의 제어방식-점대점(PTP) 제어방식과 연속경로제어(CP) 방식의 차이PTP 제어방식은 공간상에 정해진 위치로부터 다음 위치로 이동하는 동안 로봇의 이동 경로에 관계업싱 지정된 작업점만을 찾아 가도록 제어하는 방식이다. 중간 경로를 생각하지 않고 제어를 하는 방식이므로 경로와 무관한 작업을 할 때 이용된다. CP 제어방식은 공간상에 정해진 위치로부터 다음 위치로 이동하는 동안에 로봇의 이동 경로가 경로 보간에 의해 생성되고, 이를 추종하며 이동 경로를 제어하는 방식이다. 따라서 CP 제어방식은 경로가 중요한 작업에 사용된다.-연속경로제어(CP) 방식으로 가능한 작업선반, 밀링, 레이저 절단기 제어, 도장 로봇, 아크 용접 로봇(4) Encoder-1. Incremental Encoder(증분형 엔코더)증분형 엔코더는 위치(변위)를 펄스 수로 나타내며 위치나 각도의 증가량 또는 증가량과 증가방향을 알 수 있다. 속도 감지에 주로 쓰인다. 발광소자와 수광소자 사이에 회전하는 코드 원판이 있는 구조이며, 회전 원판은 금속, 플라스틱 또는 유리로 만들어지며, 원판에는 빛이 하다.
