오픈 소스 소프트웨어를 이용한 실시간 모션 제어기의 설계 및 구현 = Design and Implementation of a Real-Time Motion Controller using Open Source Software

국문 초록 (Abstract)

다중 모터로 구성된 고정밀 동기 모션 제어 시스템은 다양한 산업 분야에 사용되고 있다. 모션제어기는 기본적으로 시스템을 구성하는 모터 드라이브들에게 정해진 시간 내에 주기적으로 제어 명령을 전달할 수 있어야 하고 드라이브 장치간의 정밀한 동기화를 지원해야 하며, 시스템의 원격 감시 및 제어와 같은 관리의 편의성도 제공하여야 한다. 실시간 이더넷 통신 기술은 이러한 요구사항을 쉽게 만족시킬 수 있는 여러 가지 장점을 가지고 있다. 한편, 모션 제어 응용 분야에서 또 다른 중요한 경향은 개방성 지원이다. 산업용 제어 응용 시장의 확대를 위해서는 각 제조사 솔루션간의 호환성 확보 문제와 확장 가능성 제한 문제를 해결하기 위한 개방형 프로그래밍 표준의 지원이 필수적이다. 본 논문에서는 산업용 제어 프로그래밍 표준을 지원하는 오픈 소스 통합 개발환경을 확장하여 대표적인 실시간 이더넷 기술 중 하나인 EtherCAT을 지원하는 실시간 모션 제어기를 구현하였다. 구현된 모션 제어기는 응용 프로그램 작성, EtherCAT 네트워크 관리, 실시간 EtherCAT 통신을 지원하는 런타임 등을 포괄하는 통합 개발환경을 제공한다. 구현된 실시간 동기 모션 제어기의 성능 평가를 위해 범용 리눅스 및 Xenomai 환경에서 태스크 활성화 주기의 지터와 태스크 응답시간을 측정하고 그 결과를 분석하였다. 실험 결과 범용 리눅스 환경은 10 ms 이상의 제어주기를 갖는 비교적 낮은 정밀도의 모션 제어에 적합한 반면, Xenomai 환경은 1 ms 이하의 제어주기를 요구하는 고정밀 모션 제어에도 큰 무리 없이 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, high-precision synchronous motion control systems with multi-motor actuation are widely deployed in various industry fields. The primary requirement for motion control systems is real-time periodic control and precise synchronization between motor drives. They also need system management functions such as remote monitoring and control. Considering those requirements, Real-time Ethernet (RTE) technologies can offer many advantages for motion control applications. Another important trend in motion control application is openness. To resolve compatibility issues among different products from various vendors and limitation of scalability, it is essential to support the open standards for programming industrial control systems. In this paper, we designed and implemented a real-time synchronous motion controller with EtherCAT support by extending an open source IDE (Integrated Development Environment) for standardized industrial automation platforms. Our system provides application programming environment, EtherCAT network management, automatic code generation, and real-time data communication through EtherCAT network in a single IDE. We also measured and analyzed task release time jitter and task response time on legacy Linux kernel and Xenomai real-time extension. The result show that Xenomai can support high-precision motion control of which cycle time is under 1 ms while legacy Linux kernel can only provide deterministic performance for low-precision motion control of which cycle time is higher than 10 ms

목차 (Table of Contents)

• 요약
• Abstract
• 1. 서론
• 2. 연구 배경 및 관련 연구
• 3. 실시간 모션 제어기의 설계 및 구현
• 4. 성능 평가
• 5. 결론 및 향후 과제
• 참고문헌

참고문헌 (Reference)

1 "Xenomai: Real-Time Framework for Linux"

2 D. Jansen, "Real-time Ethernet - The EtherCAT solution" 15 (15): 16-21, 2004

3 문용선, "Real-time EtherCAT Master Implementation on Xenomai for a Robot System" 한국지능시스템학회 9 (9): 244-248, 2009

4 M. Felser, "Real-Time Ethernet-Industry Prospective" 93 (93): 1118-1129, 2005

5 M. Felser, "Real Time Ethernet: Standardization and implementations" 3766-3771, 2010

6 L. Seno, "Real Time Ethernet networks evaluation using performance indicators" 1-8, 2009

7 M. Cereia, "Performance Evaluation of an EtherCAT Master using Linux and the RT Patch" 1748-1753, 2010

8 J. Jasperneite, "Limits of increasing the performance of Industrial Ethernet protocols" 17-24, 2007

9 "Implementation Guideline for CiA402 Drive Profile"

10 "IgH EtherCAT master for Linux"

11 "EtherCAT evaluation kit: EL9820, EL9821, EL9830, EL9840"

12 IEC, "EC 61131-3, 2nd Ed. Programmable Controllers-Programming Languages" International Electrotechnical Comission 2003

13 K. Kim, "Design and Implementation of a Delay-guaranteed Motor Drive for Precision Motion Control" 2011

14 F. Benzi, "Communication Architectures for Electrical Drives" 1 (1): 47-53, 2005

15 "CAN in Automation (CiA): CANOpen"

16 "Beckhoff TwinCAT-PLC and Motion Control on the PC"

17 E. Tisserant, "An Open Source IEC 61131-3 Integrated Development Environment" 2007

18 G. Prytz, "A performance analysis of EtherCAT and PROFINET IRT" 408-415, 2008