HONPINE HPJM 하모닉 조인트 모터: 위치 모드와 속도 모드 비교 – 적합한 제어 모드 선택 방법

안녕하세요. 저는 HONPINE의 기술 디렉터 Theodore Li입니다. 고객과 상담할 때 자주 받는 질문 중 하나는 하모닉 조인트 모터의 위치 모드와 속도 모드의 차이입니다.

두 모드 모두 로봇 모션 시스템에서 널리 사용되지만, 서로 다른 제어 요구사항을 충족합니다. 모드를 잘못 선택하면 동작 정확도, 작동 효율 및 시스템 안전성에 영향을 줄 수 있습니다.

이 글에서는 HONPINE의 HPJM 하모닉 조인트 모터를 예로 들어 위치 모드와 속도 모드의 작동 방식과 차이점, 그리고 각 모드에 더 적합한 적용 분야를 설명하겠습니다.

1. 로봇 조인트 모터의 위치 모드란 무엇인가요?

위치 모드는 모터를 지정된 목표 위치로 이동하도록 제어합니다. 일반적으로 다음과 같은 3중 폐루프 제어 구조를 사용합니다.

위치 루프 → 속도 루프 → 전류 루프

외부 위치 루프는 PID 컨트롤러를 사용하여 목표 위치와 실제 위치를 비교합니다. 목표 위치는 일반적으로 엔코더 카운트(cnt)로 표현되며, 이는 특정 각도 위치에 해당합니다.

위치 컨트롤러는 내부 속도 루프에 속도 명령을 생성합니다. 그런 다음 모터 컨트롤러가 설정된 모션 프로파일에 따라 가속과 감속을 관리하여 조인트를 목표 각도로 이동시킵니다.

목표 위치에 도달하면 컨트롤러는 폐루프 제어를 통해 명령된 위치를 유지합니다.

추종 오차 모니터링: 컨트롤러는 목표 위치와 실제 위치 간의 차이를 모니터링합니다. 이 추종 오차가 설정된 임계값을 초과하면 드라이브의 보호 설정에 따라 모터가 오류 코드 0x8611(추종 오차)을 발생시키고 작동을 중지할 수 있습니다.

이 기능은 조인트가 정해진 각도에 도달한 후 해당 위치를 유지해야 하는 애플리케이션에 특히 유용합니다.

2. 로봇 조인트 모터의 속도 모드란 무엇인가요?

속도 모드는 모터의 회전 속도를 직접 제어합니다. 일반적으로 다음과 같은 2중 폐루프 제어 구조를 사용합니다.

속도 루프 → 전류 루프

위치 모드와 달리 속도 모드는 목표 각도를 명령하기 위한 활성 위치 루프를 사용하지 않습니다. 대신 컨트롤러는 모터 측 기준 0.01 Hz 단위로 지정된 목표 회전 속도를 입력받습니다.

모터는 입력된 명령에 따라 속도를 조절하며, 활성화 상태를 유지하고 0이 아닌 속도 명령을 받는 동안 계속 회전합니다.

이 모드에서는 다음과 같습니다.

모터는 목표 각도 위치가 아니라 회전 속도를 제어합니다.

조인트가 특정 각도에 도달해도 자동으로 정지하지 않습니다.

외부 위치 루프를 통해 위치 추종 오차를 능동적으로 보정하지 않습니다.

따라서 위치 모드와 관련된 추종 오차 보호 기능은 동일한 방식으로 제공되지 않습니다.

중요: 속도 모드라고 해서 모터에 보호 기능이 없는 것은 아닙니다. 하지만 기계적 부하가 걸려 움직이지 못하게 되면 모터는 전류 제한 및 보호 설정에 따라 계속 토크를 발생시킬 수 있습니다. 상위 제어기는 적절한 전류 모니터링, 스톨 감지 및 이동 한계 보호 기능을 구현해야 합니다.

3. 위치 모드는 언제 사용해야 하나요?

로봇 조인트를 지정된 각도로 이동하거나, 정해진 위치 사이에서 이동하거나, 목표 자세를 유지해야 하는 경우 일반적으로 위치 모드가 적합합니다.

일반적인 적용 분야에는 휴머노이드 로봇, 재활용 외골격, 협동 로봇 암, 팬·틸트 시스템 및 왕복 운동 메커니즘이 포함됩니다.

휴머노이드 로봇 조인트: 엉덩이, 무릎, 발목, 어깨 및 팔꿈치

애플리케이션 요구사항:

걷기, 쪼그려 앉기, 일어서기 등의 동작 중에는 각 조인트가 목표 각도로 이동하고 필요한 자세를 유지해야 합니다.

권장 모드: 위치 모드

상위 모션 플래너는 각 조인트의 목표 각도를 계산하고 이를 해당 엔코더 카운트(cnt)로 변환합니다. 그런 다음 이러한 위치 명령을 HPJM 모터로 전송합니다.

모터 내부의 3중 루프 제어 시스템은 가속, 감속 및 위치 유지를 포함하여 각 목표 위치로 이동하는 동작을 관리합니다.

이를 통해 메인 컨트롤러는 각 조인트의 저수준 위치 루프를 외부에서 직접 구현하는 대신 로봇 전체의 움직임을 조정하는 데 집중할 수 있습니다.

보호 관련 고려사항:

조인트가 기계적으로 걸리거나 과도한 저항을 받으면 추종 오차가 설정된 임계값을 초과하여 0x8611 추종 오차 오류를 발생시키고 모터를 정지시킬 수 있습니다. 단, 관련 보호 기능이 활성화되어 올바르게 설정된 경우에 한합니다.

튜닝 권장사항:

쪼그려 앉기나 일어서기처럼 부하가 큰 동작에서는 위치 루프의 Kp 게인을 지나치게 높게 설정하지 마십시오. 진동이나 흔들림이 발생할 수 있습니다.

실용적인 튜닝 순서는 먼저 속도 루프의 Kp 및 Ki 게인을 최적화한 다음 위치 루프 게인을 조정하는 것입니다. 컨트롤러가 지원하고 애플리케이션에서 필요한 경우 위치 루프의 Kd도 조정할 수 있습니다.

가속도 설정은 조인트의 관성에 적합해야 합니다. 과도한 가속은 추종 오차를 증가시켜 오류를 유발할 수 있으며, 특히 조인트가 큰 관성 부하를 지탱하는 경우 그러할 수 있습니다.

재활용 외골격 조인트: 보행 보조 및 재활 훈련

애플리케이션 요구사항:

외골격은 사용자의 사지를 지정된 관절 각도로 유도하고 목표 자세를 유지하며, 비정상적인 저항이 발생할 때 안전하게 대응해야 합니다.

권장 모드: 위치 모드

컨트롤러는 재활 프로그램에 따라 목표 관절 각도를 설정합니다. 그런 다음 모터가 조인트를 지정된 위치로 이동시킵니다.

안전 관련 고려사항:

사용자가 움직임에 저항하거나 외부 부하가 과도해지면 위치 추종 오차가 설정된 임계값을 초과하여 오류를 발생시킬 수 있습니다.

그러나 추종 오차 보호만으로는 사람과 상호작용하는 시스템의 안전을 충분히 보장할 수 없습니다. 재활용 외골격에는 적절한 토크 또는 힘 제한, 기계적 이동 한계, 비상 정지 및 독립적인 안전 메커니즘도 적용해야 합니다.

협동 로봇 및 소형 로봇 암

애플리케이션 요구사항:

로봇은 정해진 위치 사이를 이동하고, 픽앤플레이스 작업을 수행하며, 지정된 조인트 자세를 유지해야 합니다.

권장 모드: 위치 모드

상위 컨트롤러는 조인트 모터에 목표 위치를 전송합니다. 여러 목표 위치를 설정하여 간단한 점대점 이동을 구현할 수 있습니다.

예를 들어, 기본 모터 시운전 중에는 서로 다른 목표 위치를 반복적으로 명령하여 정방향 및 역방향 위치 제어 테스트를 수행할 수 있습니다.

위치 모드는 반복 가능한 조인트 위치 제어와 정해진 동작 종점이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.

팬·틸트 시스템 및 왕복 구동기

애플리케이션 요구사항:

메커니즘은 지정된 각도까지 회전한 뒤 정지하여 해당 위치를 유지하고, 이후 다시 움직여야 합니다.

권장 모드: 위치 모드

컨트롤러는 목표 엔코더 카운트(cnt)를 전송하고, 모터는 해당 각도 위치로 이동한 뒤 폐루프 제어를 통해 그 위치를 유지합니다.

위치 모드의 한계:

지정된 속도로 제한 없이 연속 회전해야 하는 애플리케이션에는 일반적으로 위치 모드가 적합하지 않습니다.

감속비가 높은 모터의 경우 엔지니어는 엔코더 카운트와 실제 출력 각도 간의 변환에도 주의를 기울여야 합니다. 듀얼 엔코더 구성에서는 모터 측과 출력 측의 엔코더 판독값을 구분하고, 해당하는 단회전 또는 다회전 카운팅 방식을 확인해야 합니다.

4. 속도 모드는 언제 사용해야 하나요?

메커니즘을 지정된 속도로 연속 회전시켜야 하거나 상위 컨트롤러가 위치 및 궤적 제어를 담당하는 경우 일반적으로 속도 모드가 적합합니다.

이 구성에서는 모터가 회전 속도를 조절하고, 메인 컨트롤러가 외부 피드백을 처리하여 필요한 속도 명령을 결정합니다.

중요한 안전 고려사항: 속도 모드는 위치 모드와 동일한 위치 추종 오차 모니터링 기능을 제공하지 않습니다. 기계 시스템이 걸려 움직이지 못하게 되면 모터가 설정된 한도 내에서 계속 토크를 발생시킬 수 있습니다. 따라서 상위 제어 시스템은 적절한 이동 한계, 스톨 감지 및 전류 임계값 모니터링 기능을 구현해야 합니다.

모바일 로봇 구동 바퀴

애플리케이션 요구사항:

로봇 조인트 모터는 모바일 로봇의 바퀴 구동 모터로도 사용할 수 있습니다. 로봇이 전진하거나 후진하거나 회전 경로를 따라 이동하려면 바퀴가 지정된 속도로 회전해야 합니다.

권장 모드: 속도 모드

메인 컨트롤러는 모터 측 기준 0.01 Hz 단위로 표현된 목표 회전 속도를 모터에 전송합니다.

모터는 명령된 속도를 유지하고, 상위 컨트롤러는 로봇의 위치 및 이동 제어를 담당합니다.

예를 들어, 메인 컨트롤러는 IMU 및 휠 엔코더 또는 오도메트리의 피드백을 사용하여 필요한 휠 속도를 계산하고 로봇의 이동을 추정할 수 있습니다.

보호 관련 고려사항:

장애물로 인해 바퀴가 막혀도 속도 모드에서는 위치 추종 오차 오류가 자동으로 발생하지 않습니다. 모터는 전류 제한에 따라 계속 토크를 발생시킬 수 있습니다.

따라서 상위 컨트롤러는 모터 전류 및 기타 관련 피드백 신호를 모니터링해야 합니다. 전류가 설정된 임계값을 초과하거나 스톨 상태가 감지되면 시스템은 안전 전략에 따라 모터 출력을 줄이거나 정지해야 합니다.

내구성 시험 및 연속 회전 시험 장비

애플리케이션 요구사항:

피로 시험, 내구성 시험 또는 장시간 성능 평가 중 조인트 모터는 일정한 속도로 연속 회전해야 합니다.

권장 모드: 속도 모드

고정 목표 속도를 설정하고 필요한 시험 시간 동안 모터를 연속 운전합니다.

이러한 애플리케이션의 주요 요구사항은 특정 목표 위치로 이동하는 것이 아니라 안정적인 회전 속도이므로 속도 모드가 적합합니다.

시험 시스템에는 적절한 온도 모니터링, 과부하 보호 및 비상 정지 기능도 포함해야 합니다.

5. 속도 모드는 힘 제어 및 임피던스 제어에 적합한가요?

반드시 그렇지는 않습니다.

HONPINE HPJM 모터는 위치 및 속도 제어 모드뿐 아니라 전류 모드도 지원합니다. 힘 제어, 토크 제어 또는 임피던스 제어가 필요한 애플리케이션에서는 일반적으로 속도 모드보다 전류 모드가 더 적합한 출발점입니다.

전류 모드에서는 컨트롤러가 모터 전류를 직접 조절합니다. 모터 토크는 모터 전류와 관련이 있으므로 토크 관련 제어 전략을 개발하기 위한 기반이 됩니다.

임피던스 제어 및 고급 힘 제어 애플리케이션의 경우 엔지니어는 외부 제어 알고리즘과 함께 출력 측 토크 감지와 같은 추가 피드백 신호가 필요할 수 있습니다.

속도 모드는 특정 제어 아키텍처의 일부로 사용할 수 있지만, 전류 기반 토크 제어를 직접 대체하는 수단으로 간주해서는 안 됩니다.

6. 위치 모드와 속도 모드: 주요 차이점

7. 결론: 애플리케이션에 맞는 제어 모드를 선택하세요

위치 모드와 속도 모드는 서로 다른 모션 제어 요구사항을 충족하도록 설계되었습니다. 어느 한쪽이 항상 더 우수한 것은 아닙니다.

로봇 조인트가 특정 각도에 도달하거나 점대점 이동을 수행하거나 정해진 자세를 유지해야 한다면 일반적으로 위치 모드가 더 적합합니다.

모터가 지정된 속도로 연속 회전하고 상위 컨트롤러가 로봇의 위치와 이동을 관리해야 한다면 일반적으로 속도 모드가 더 적합합니다.

힘 제어 및 임피던스 제어 애플리케이션에는 전류 모드가 더 적합한 기반을 제공할 수 있습니다.

HONPINE HPJM 하모닉 조인트 모터의 제어 모드를 선택할 때 엔지니어는 동작 목표, 기계적 부하, 제어 아키텍처, 피드백 구성 및 안전 요구사항을 종합적으로 고려해야 합니다.

로봇 애플리케이션을 위한 HPJM 하모닉 조인트 모터, 제어 모드, 기술 사양 및 통합 솔루션에 대한 자세한 내용은 HONPINE에 문의하십시오.