PLC와 서보모터 위치제어｜Pulse·Fieldbus 비교

PLC와 서보모터 위치제어는 Pulse 또는 Fieldbus 통신으로 서보드라이브에 위치 명령을 전달하는 방식입니다. Pulse Train·Direction 제어와 EtherCAT·PROFINET 등 Fieldbus 방식의 차이와 위치제어 원리를 알아봅니다.

PLC와 서보모터는 어떻게 위치를 제어할까?

PLC가 서보모터의 위치를 직접 전력으로 제어하는 것은 아닙니다. 일반적인 Servo System은 PLC·Motion Controller → Servo Drive → Servo Motor → Encoder Feedback 구조로 동작합니다. PLC 또는 Motion Controller는 목표 위치와 속도, 가속·감속 조건 등을 결정하여 서보드라이브에 Motion Command를 전달하고 Drive는 Encoder에서 확인한 실제 위치와 명령값의 차이를 줄이도록 모터를 제어합니다. 예를 들어 볼스크루가 연결된 축을 100mm 이동시켜야 한다면 Controller는 모터 회전량과 기계의 Lead, Gear Ratio 등을 기준으로 필요한 이동량을 계산합니다. Drive는 이 지령을 따라 모터를 회전시키면서 Encoder Feedback을 이용해 실제 위치를 지속적으로 확인합니다. 이러한 Closed-loop 구조 덕분에 컨베이어의 단순 ON·OFF 제어보다 정밀한 위치결정이 가능합니다. PLC가 Drive에 위치 명령을 전달하는 대표적인 방법에는 Pulse Train 방식과 EtherCAT·PROFINET 같은 Network 기반 방식이 있으며 장비 규모와 요구성능에 따라 적합한 제어방식이 달라집니다.

Pulse 방식은 위치와 방향을 어떻게 전달할까?

Pulse 방식에서는 PLC의 고속 Pulse Output을 서보드라이브의 Pulse Command Input에 전달하여 이동량을 지령합니다. 기본적으로 Drive가 받은 Pulse 수가 목표 이동량과 대응하며 Pulse Frequency는 이동속도와 관계됩니다. 예를 들어 설정상 10,000 Command Pulse가 모터축 1회전에 해당한다면 PLC가 50,000 Pulse를 출력했을 때 Drive는 명령기준으로 5회전의 이동량을 인식할 수 있습니다. 실제 기계의 이동거리는 Ball Screw Lead와 감속비 등의 기계조건을 추가로 반영해야 합니다. 방향을 지정하는 방식에는 Pulse + Direction과 CW/CCW Pulse 등 여러 Interface가 있으며 Controller와 Drive의 설정을 일치시켜야 합니다. PLC 역시 일반 Digital Output이 아니라 필요한 최대 Pulse Frequency를 지원하는 High-Speed Pulse Output 기능이 필요합니다. Pulse 방식은 비교적 구조가 단순하고 독립된 축의 위치제어에 활용하기 쉽지만 축 수가 증가하면 신호배선이 늘어나고 Controller와 여러 Drive 사이의 상태정보를 별도의 I/O나 통신으로 처리해야 할 수 있습니다.

Fieldbus 방식은 Pulse 제어와 무엇이 다를까?

Fieldbus 또는 Industrial Ethernet 기반의 Motion Control에서는 위치 명령을 개별 Pulse 선으로 전달하는 대신 Network를 통해 Digital Data로 교환합니다. EtherCAT, PROFINET 기반 Motion, EtherNet/IP 계열의 Motion Network 등이 시스템에 따라 사용될 수 있습니다. Controller는 Target Position, Target Velocity, Control Word 등의 데이터를 Drive에 전달하고 Drive는 Actual Position, Actual Velocity, Status Word, Alarm 등의 정보를 다시 Controller에 보낼 수 있습니다. 따라서 여러 개의 Servo Drive를 하나의 Network에 연결하면 Pulse 방식보다 배선을 단순화하고 각 축의 상태와 진단정보를 통합적으로 관리하기 쉬워집니다. 특히 여러 Servo Axis가 같은 시간기준에 맞춰 움직여야 하는 장비에서는 Network Synchronization과 결정성 있는 통신이 중요합니다. EtherCAT의 Distributed Clocks와 같은 기능은 이러한 다축 동기제어에 활용될 수 있습니다. 다만 Ethernet Port가 있다는 이유만으로 모든 Drive가 서로 통신하는 것은 아니며 Controller와 Drive가 동일한 Protocol과 필요한 Motion Profile을 지원하는지 확인해야 합니다.

Pulse와 Fieldbus 중 어떤 위치제어 방식을 선택할까?

Pulse 방식과 Fieldbus 방식은 어느 한쪽이 모든 시스템에서 더 좋은 것이 아니라 장비의 축 수와 제어성능, 유지보수 및 비용을 기준으로 선택해야 합니다. 한두 개의 Servo Axis를 비교적 단순하게 위치결정하고 기존 PLC가 충분한 고속 Pulse Output을 지원한다면 Pulse 방식이 실용적일 수 있습니다. 반면 여러 축을 동시에 제어하거나 Electronic Cam, Gear, Gantry와 같은 동기 Motion 기능이 필요하고 각 Drive의 Parameter와 진단정보를 통합 관리해야 한다면 Fieldbus 기반 시스템이 유리할 수 있습니다. 어떤 방식을 사용하더라도 Servo Motor의 최종 위치정확도는 Command Resolution 하나만으로 결정되지 않습니다. Encoder Resolution, Ball Screw Lead, Gear Ratio, Backlash, 기계강성, Servo Tuning 등이 함께 영향을 줍니다. 또한 이동축에는 Limit Sensor와 Home Sensor, Overtravel 방지기능 등이 필요할 수 있으며 사람의 안전과 관련된 정지기능은 위험성 평가와 적용 규격에 따라 Safety PLC나 STO 등의 안전기능을 검토해야 합니다. 결국 위치제어 시스템은 명령방식뿐 아니라 Feedback과 기계구조, 안전기능까지 하나의 시스템으로 설계해야 합니다.