순천향대학교 - DC 서보 모터를 이용한 모션 제어 시스템의 원격 제어

Author(s):
이태봉 대학원생 - 순천향대학교

Industry:
Electromechanics/ Electrotechnics

Products:
LabVIEW

The Challenge:
산업 현장에서 주로 쓰이는 Manipulator의 기본을 3축의 모션 제어 시스템으로 구현 하고, 이 시스템을 LabVIEW 프로그램을 이용하여 PC에서 GUI를 구성하여 별도의 네트워크 전용 장비를 사용하지 않고 일반 PC에서 인터넷 또는 소규모 네트워크를 통하여 실시간으로 모니터링 및 제어를 할 수 있게 한다.

The Solution:
시스템은 크게 모션 제어 시스템, 서버 컴퓨터, 클라이언트 컴퓨터로 나뉜다. 모션 제어 시스템은 3축이며 DC 서보 모터인 Animatics社의 Smartmotor 모델명 SM2315D (Z축), SM2315D(Y축), SM2337D(X축)를 사용하였다.

요약 :
3축 DC 서보모터를 실시간으로 모니터링 및 제어를 할 수 있도록 한다. 모니터링은 모터 각각의 위치와 속도, X, Y, Z축 중 Z축이 표시되는 그래프, 통신 설정 등이 표시 된다. 그리고 제어모드는 명령어로 제어하는 Command 모드, 사각형, 삼각형 모드, 한 축을 움직일 수 있는 제어 모드로 구성 되어 진다.

개발 배경 :
자동화 산업 부분에서 원격 제어 및 모니터링은 유지 보수가 쉽고 시간적 공간적으로 많은 효율성을 기대 할 수 있기 때문에 중요한 부분을 차지하고 있다. 산업 현장에서 주로 쓰이는 Manipulator의 기본을 3축의 모션 제어 시스템으로 구현 하고, 이 시스템을 LabVIEW 프로그램을 이용하여 PC에서 GUI를 구성하여 별도의 네트워크 전용 장비를 사용하지 않고 일반 PC에서 인터넷 또는 소규모 네트워크를 통하여 실시간으로 모니터링 및 제어를 할 수 있게 한다.

본 론 :

시스템 구성

그림 1. 시스템 구성

시스템은 크게 모션 제어 시스템, 서버 컴퓨터, 클라이언트 컴퓨터로 나뉜다. 모션 제어 시스템은 3축이며 DC 서보 모터인 Animatics社의 Smartmotor 모델명 SM2315D (Z축), SM2315D(Y축), SM2337D(X축)를 사용하였다. 각각의 서보 모터는 Daisy Chain 방식으로 연결되어 있다. 서버 컴퓨터는 CPU Intel社의 펜티엄4 Northwood 2.8C를 사용하는 일반 PC를 사용하였고, 클라이언트 컴퓨터는 Toshiba 社의 펜티엄4 일반 노트북을 사용하였다.
서버 컴퓨터와 모션 제어 시스템간의 통신은 RS232로 이루어 졌으며, 서버 컴퓨터와 클라이언트 컴퓨터간의 통신에는 무선 인터넷을 사용하였다. 무선망은 학내에서 이용 가능한 SK Mobile Internet을 활용하였다.

서보 모터
사용한 DC 서보 모터는 Animatics사의 Smartmotor 모델명 SM2315D, SM2337D를 사용하였다. 기본적으로 두 제품은 모두 모터 드라이브 내장형이고, 8K의 EEPORM을 내장 하고 있다. 두 제품 모두 2000 Count Encoder를 사용한다. PC와의 통신은 RS232, RS485를 사용하고, PC에서 제어 할 때에는 확장 ASCII 코드를 사용하여 예약 명령어를 전송하면 각각의 모터에서 이를 실행하는 방법으로 구동한다.

GUI

그림 2. 구현된 프런트패널

구현한 프런트패널은 크게 통신설정, 모니터링부, 4가지의 모드로 나눌 수 있다. 통신 설정은 기본적으로 COM1, 통신속도 9600 bps, 데이터비트 8 비트, 스탑비트 1 비트, 패러티 없음으로 되어 있다. 모니터링부는 모터 3개 각각의 속도 및 위치를 실시간으로 보여주며, XY 그래프에서는 X, Y축의 위치를 실시간으로 표시한다. 4가지의 모드는 Command Mode, Rectangle Mode, Triangle Mode, Control Mode로 나뉜다. Command Mode는 직접 Smartmotor의 예약 명령어를 타이핑 하여 제어 할 수 있다. Rectangle Mode와 Triangle Mode는 X,Y축의 길이를 주어지면 사각형, 삼각형이 그려지는 모드이다. 마지막으로 Control mode는 각각 모터의 정방향, 역방향의 버튼을 누르면 모터가 움직이는 모드이다.

블록다이어그램
프로그램은 기본적으로 통신설정부, 초기화부, 모니터링부로 나뉘는데, 초기화부와 모니터링부는 멀티쓰래드로 동작한다. 그렇기 때문에 모터에서 PC로 받은 모터의 위치, 속도 값들을 전역변수로 설정하여 모니터부에서 모니터링 하게 된다. 위에서 보이는 R_1_P1, R_1_V1 등이 전역 변수들이다. 위에 보이는 Graph 아이콘은 WandR과 같이 Sub_VI이다.

모터 초기화부
ECHO 명령어를 전달하여 모터를 초기화 하고 있다. 초기화를 하게 되면 모터가 각각의 주소값을 인식하며, 모터의 EEPROM에 입력된 초기 위치(원점)으로 이동을 하게 된다. 위에서 보이는 는 Sub_VI화 한 것이다.

그림 3. 모터 초기화

그림 4. WandR Sub_VI의 내부 Block Diagram

모터 제어부 블록다이어그램
모든 제어부는 예약 명령어을 모터에 전송하고 모터 각각의 Encoder 값을 PC로 받는 형식으로 되어 있다.

그림 5. 제어부의 일부(Rectangle Mode의 제어부)

LabVIEW를 이용한 Network 설정
본 실험에서는 이용한 인터넷 통신 방법은 www에 작성한 VI를 올리고 웹에서 제어 하는 방법을 사용하였다. Web을 이용한 설정은 프런트패널의 Web Publishing Tool를 이용하여 간단히 서버 구축이 가능하다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
본 실험에서는 DC 서보 모터를 이용하여 모션 제어 시스템을 구현함으로써 기본적인 산업 현장 환경을 구성하고 일반 PC를 이용하여 시스템의 모니터링 및 제어용 GUI를 구현함으로써 고가의 네트워크 전용 장비 대신 상대적으로 저가의 일반 PC로 네트워크 구성이 가능함을 확인 하였다. 또한 Web을 통한 시스템의 제어 및 모니터링을 구현함으로써 자동화 시스템의 유지 및 관리 부분에서 시간적, 공간적인 제한을 극복하는 이점을 확인 하였다.
본 실험의 GUI를 LabVIEW 프로그램을 사용함으로써 개발시간을 단축하였고, 간편하면서도 고급스럽고 편리한 프런트패널을 구성할 수 있어서 LabVIEW로 선택한 것을 만족한다.

그림 6. Explorer창으로 본 프런트패널

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이태봉 대학원생
순천향대학교

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