Servo Tuning이란? 부하에 맞춘 게인 조정

Servo Tuning이란 서보모터와 실제 부하의 관성·강성·공진 특성에 맞춰 제어게인을 조정하는 과정입니다. Auto Tuning과 Gain, Filter를 설정하는 원리를 알아봅니다.

Servo Tuning이란 무엇이며 왜 필요할까?

Servo Tuning은 Servo Motor와 실제 Mechanical Load의 특성에 맞게 Position Gain, Velocity Gain, Integral Gain과 각종 Filter Parameter를 조정하여 원하는 Response와 Stability를 확보하는 과정입니다. Servo Drive는 Encoder 또는 Resolver의 Feedback을 이용해 Command와 실제 Motion의 Error를 지속적으로 보정하지만 같은 Motor를 사용하더라도 연결되는 Load에 따라 필요한 Control Parameter는 달라집니다. 예를 들어 가벼운 Table과 무거운 Table은 Load Inertia가 다르며 Belt, Coupling, Gearbox와 Ball Screw의 Rigidity도 서로 다릅니다. 기본 Gain이 너무 낮으면 목표 Position을 따라가는 속도가 느리고 Following Error와 Settling Time이 증가할 수 있습니다. 반대로 Gain을 지나치게 높이면 Mechanical Resonance가 자극되어 Vibration, Oscillation이나 Audible Noise가 발생할 수 있습니다. 따라서 Tuning의 목적은 Gain을 최대한 높이는 것이 아니라 실제 Machine이 요구하는 Cycle Time과 Position Accuracy를 만족하면서 충분한 Stability Margin을 확보하는 데 있습니다.

부하관성은 Servo Tuning에 어떤 영향을 줄까?

Servo Tuning에서 중요한 기계적 요소 중 하나가 Load Inertia입니다. Motor가 Load를 가속할 때 필요한 Torque는 기본적으로 T=J×α 관계를 따르므로 Total Inertia가 클수록 동일한 Acceleration을 얻기 위해 더 큰 Torque가 필요합니다. 특히 Motor Inertia에 대한 Load Inertia의 비율인 Inertia Ratio는 Servo Response를 설정할 때 중요한 지표가 됩니다. Drive가 실제보다 Load Inertia를 너무 작게 추정하거나 반대로 크게 추정하면 Feedforward와 Gain 설정이 적절하지 않아 원하는 응답을 얻기 어려울 수 있습니다. 그러나 관성비 하나만으로 Servo System의 안정성이 결정되는 것은 아닙니다. Belt의 탄성, Coupling의 Torsional Stiffness, Ball Screw와 Frame의 Rigidity, Backlash 등은 Motor와 Load 사이에 Resonance를 만들 수 있습니다. 같은 Inertia Ratio를 가진 두 Machine이라도 Mechanical Structure에 따라 허용 가능한 Gain이 크게 달라질 수 있으므로 실제 Motion Response를 확인하면서 조정해야 합니다.

Auto Tuning은 서보 게인을 어떻게 자동으로 설정할까?

현대 Servo Drive에는 Auto Tuning 또는 One-touch Tuning 기능이 제공되는 경우가 많습니다. Auto Tuning은 Motor의 Acceleration과 Deceleration 과정에서 Torque, Speed와 Position Feedback을 분석하여 Load Inertia를 추정하고 이를 기반으로 여러 Control Gain을 자동으로 조정합니다. 일부 Drive는 운전 중 Load 변화를 지속적으로 추정하는 Real-time Auto Tuning 기능을 제공하기도 합니다. 또한 Mechanical Resonance가 검출되면 Notch Filter나 Vibration Suppression Parameter를 자동으로 설정하는 기능도 사용할 수 있습니다. 하지만 Auto Tuning이 모든 Machine에서 항상 최적의 결과를 보장하는 것은 아닙니다. Load가 운전 중 크게 변하거나 Backlash와 마찰이 크고 기계강성이 낮은 경우, 또는 여러 축이 서로 기계적으로 영향을 주는 Gantry 구조에서는 추가적인 Manual Tuning이 필요할 수 있습니다. Auto Tuning을 실행할 때는 실제 Load와 가능한 한 유사한 운전조건을 사용하고 Manufacturer가 지정한 이동범위와 안전조건을 확인하는 것이 중요합니다.

Gain과 Filter는 어떤 순서로 조정할까?

Servo System은 일반적으로 Current Loop, Velocity Loop, Position Loop가 중첩된 Cascaded Control 구조를 사용하며 내부 Loop가 외부 Loop보다 빠르게 동작하도록 설계됩니다. 사용자가 조정할 수 있는 Parameter는 Drive마다 다르지만 Position Gain과 Velocity Gain을 높이면 일반적으로 Response가 빨라지고 Following Error가 감소합니다. 그러나 Gain을 높이는 과정에서 특정 Frequency의 Vibration이 발생하면 Mechanical Resonance가 존재하는지 확인해야 합니다. 이때 Notch Filter는 특정 Resonance Frequency 부근의 Gain을 낮춰 진동을 억제하는 데 사용할 수 있습니다. Low-pass Filter는 고주파 Noise와 Resonance 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 지나치게 강한 Filtering은 Phase Delay를 증가시켜 오히려 Response를 제한할 수 있습니다. 따라서 Filter를 많이 적용한다고 항상 안정성이 좋아지는 것은 아닙니다. Gain과 Filter를 조정할 때는 Position Error, Velocity Response, Torque Current와 Frequency Response 등 Drive가 제공하는 Monitoring Data를 함께 확인하는 것이 효과적입니다.

Servo Tuning 결과는 어떤 항목으로 판단할까?

Servo Tuning이 적절한지는 Motor가 움직이는 모습만 보고 판단하기보다 여러 성능지표를 함께 확인해야 합니다. Position Control에서는 Command Position과 Actual Position의 차이인 Following Error, 목표점에 도달한 뒤 안정될 때까지 걸리는 Settling Time과 Overshoot가 중요한 항목입니다. Speed Control에서는 Command 변화에 대한 Rise Time과 Speed Ripple을 확인할 수 있으며 Torque Current가 Motor와 Drive의 허용범위를 초과하지 않는지도 살펴야 합니다. 설비가 정지한 상태에서 떨림이나 고주파 Noise가 발생한다면 Gain 또는 Mechanical Resonance를 다시 검토해야 합니다. 또한 Servo가 안정적이더라도 Motion Profile의 Acceleration과 Jerk가 지나치게 크면 기계충격과 진동이 발생할 수 있으므로 S-curve와 Feedforward 설정도 함께 고려합니다. 결국 Servo Tuning은 부하관성만 입력하는 단순한 작업이 아니라 Motor, Drive와 Mechanical System의 동특성을 분석하여 Gain과 Filter, Motion Parameter를 균형 있게 맞추는 과정입니다.