Velocity Loop란? 서보모터 속도 보정 원리

Velocity Loop란 서보모터의 목표 속도와 실제 속도를 비교하여 속도오차를 줄이는 제어루프입니다. Velocity Gain과 Current Loop가 모터 속도를 보정하는 원리를 알아봅니다.

Velocity Loop란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

Velocity Loop는 Servo Control System에서 목표 속도인 Velocity Command와 Encoder 등으로 측정한 Actual Velocity를 지속적으로 비교하여 Speed Error를 줄이는 Closed-loop Control 구조입니다. Servo Drive가 목표 회전속도를 1,500rpm으로 명령했는데 실제 Motor Speed가 1,450rpm이라면 Controller는 두 값의 차이를 계산하고 Motor Torque를 증가시켜 목표속도를 추종하도록 제어합니다. 이를 단순화하면 Velocity Error = Velocity Command - Actual Velocity로 표현할 수 있습니다. Servo Position Control에서는 Position Loop가 Position Error를 기반으로 Velocity Command를 만들고, Velocity Loop가 이 명령을 받아 필요한 Torque 또는 Current Command를 생성합니다. 따라서 Velocity Loop는 바깥쪽 Position Loop와 안쪽 Current Loop를 연결하는 중요한 역할을 합니다. Load Torque가 갑자기 변하더라도 Feedback을 통해 Speed 변화가 감지되면 이를 보정하기 때문에 Open-loop 방식보다 일정한 속도를 유지하기에 유리합니다.

서보모터의 실제 속도는 어떻게 측정할까?

Servo Motor에는 일반적으로 Encoder 또는 Resolver와 같은 Feedback Device가 설치되어 Rotor Position을 측정합니다. Drive는 일정 시간 동안 Position Feedback이 얼마나 변했는지를 계산하여 Actual Velocity를 구할 수 있습니다. 개념적으로 속도는 위치의 시간에 대한 변화율이므로 v=dx/dt, 회전운동에서는 ω=dθ/dt 관계로 표현할 수 있습니다. Encoder Resolution이 높고 Sampling과 Signal Processing이 적절하면 작은 Position 변화도 정밀하게 검출할 수 있습니다. 그러나 Position 값을 단순히 미분하면 Quantization과 Measurement Noise가 Velocity Signal에 크게 나타날 수 있기 때문에 실제 Servo Drive에서는 Digital Filter와 Observer 등 다양한 Signal Processing 기법을 사용합니다. Resolver를 사용하는 시스템도 SIN·COS Signal에서 Rotor Angle을 계산한 뒤 Speed를 추정합니다. 따라서 Servo Velocity Feedback의 품질은 Feedback Device뿐 아니라 Sampling Time, Resolution, Filter와 Speed Estimation Algorithm의 영향을 함께 받습니다.

Velocity Gain은 속도응답을 어떻게 변화시킬까?

Velocity Loop에서는 Speed Error에 따라 필요한 Torque Command를 생성하며 이 과정에서 Velocity Gain이 중요한 역할을 합니다. Gain이 높으면 작은 Speed Error에도 Controller가 강하게 반응하여 Motor Speed를 빠르게 보정할 수 있습니다. 예를 들어 Load Torque가 갑자기 증가하여 Motor Speed가 순간적으로 떨어지면 높은 Velocity Loop Gain은 Torque-producing Current를 빠르게 증가시켜 Speed를 회복하는 데 도움을 줍니다. 하지만 Gain을 지나치게 높이면 Mechanical Resonance와 Feedback Noise를 증폭하여 Vibration이나 Oscillation이 발생할 수 있습니다. 반대로 Gain이 너무 낮으면 Motor의 반응이 둔해지고 Load Disturbance가 발생했을 때 Speed Recovery가 느려집니다. 많은 Servo Drive의 Velocity Controller는 Proportional Gain과 Integral Action을 함께 사용하는 PI Control 형태를 사용합니다. Proportional 항은 현재 Error에 빠르게 반응하고 Integral 항은 시간이 지나도 남아 있는 Steady-state Error를 줄이는 역할을 합니다.

Velocity Loop와 Position·Current Loop는 어떤 관계일까?

일반적인 Servo System은 Position Loop, Velocity Loop, Current Loop를 계층적으로 구성한 Cascaded Control을 사용합니다. 가장 바깥쪽 Position Loop는 목표 위치와 실제 위치를 비교하여 Velocity Command를 생성하고, 중간의 Velocity Loop는 목표 속도와 실제 속도의 차이를 이용해 Current 또는 Torque Command를 만듭니다. 가장 안쪽 Current Loop는 실제 Motor Current를 빠르게 조절하여 Electromagnetic Torque를 발생시킵니다. 일반적으로 내부 Current Loop가 가장 빠르고 Velocity Loop가 그보다 느리며 Position Loop가 상대적으로 더 느린 Bandwidth를 갖도록 구성합니다. 이러한 속도 차이가 충분하지 않으면 각 Loop가 서로 간섭하면서 안정성이 저하될 수 있습니다. 따라서 Position Gain만 높인다고 Position Response가 계속 개선되는 것은 아닙니다. Velocity Loop와 Current Loop가 외부 명령을 충분히 빠르게 처리할 수 있어야 전체 Servo Response도 향상됩니다. Servo Tuning에서 각 Loop의 Gain을 서로 연관된 Parameter로 다루는 이유입니다.

Velocity Loop는 실제 설비에서 어떻게 조정할까?

Velocity Loop를 조정할 때는 빠른 Response와 충분한 Stability를 동시에 확보해야 합니다. 먼저 Load Inertia와 Motor Inertia의 비율, Coupling과 Ball Screw의 Rigidity, Belt의 Elasticity와 Mechanical Resonance를 확인하는 것이 중요합니다. Velocity Gain을 높이면서 Command와 Actual Speed의 Response, Torque Current, Overshoot와 Vibration을 Monitoring하면 Gain이 부족한지 또는 과도한지 판단하는 데 도움이 됩니다. 특정 Frequency에서 진동이 나타난다면 Gain을 단순히 낮추는 것뿐 아니라 Notch Filter나 Vibration Suppression 기능을 검토할 수 있습니다. Acceleration과 Jerk가 지나치게 큰 Motion Profile 역시 높은 Torque Demand와 Speed Error를 발생시킬 수 있으므로 Command Profile도 함께 살펴야 합니다. 현대 Servo Drive에서는 Auto Tuning을 통해 Load Inertia와 Resonance를 추정하고 Velocity Gain과 Filter를 자동으로 설정하기도 합니다. 결국 Velocity Loop는 목표속도와 실제속도의 차이를 실시간으로 보정하여 Load 변화에도 안정적인 Motor Speed를 유지하도록 하는 Servo Control의 핵심 중간 제어루프입니다.