전방 액슬의 전동식 조향 장치와 능동적인 후방 액슬 기구의 조합은 자동차의 안전을 향상시킨다. 사진출처: ZF Friedrichshafen AG, Germany

신뢰할 수 있는 조향 장치는 모든 차량의 가장 중요한 안전 관련 요소 중 하나이다. 따라서 개발 프로세스에 수반되는 시스템 테스트에 대한 높은 요구가 있다. 독일의 Cologne 소재의 ZF Friedrichshafen AG와 함께 Akka DNO GmbH는 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술에 직접 통합된 하이엔드 측정 기술을 통해 필요한 데이터를 수집하는 고성능 Hardware-in-the-Loop 테스트 시스템을 개발했다.

표준 EtherCAT 터미널에 통합된 측정 기술은 Beckhoff의 PC 기반 제어의 필수 구성 요소이다. 사진출처: Beckhoff Automation

전 세계 230개 지점을 보유한 ZF Friedrichshafen AG는 능동 및 수동 안전 기술뿐만 아니라 구동계 및 섀시 기술 분야의 글로벌 리더다. Akka DNO GmbH(구 Gigatronik Koln GmbH)는 자동차 업계의 엔지니어링 파트너로 전문화되어 있으며, ZF와 함께 최신 Hardware-in-the-Loop(HiL) 테스트 시스템을 개발한다. Akka DNO의 Team Management Function Development인 Soren Ole Kuklau는 다음과 같이 설명한다. “우리는 테스트 사양 작성, 테스트 자동화 및 테스트 인프라 구축에 대한 오랜 전문 지식을 지원합니다. 이에 대한 좋은 예가 ZF와 긴밀하게 협력하여 개발된 차량 조향 장치의 EPP(전자 파워 팩)용 HiL 테스트 시스템입니다. 우리는 2016년에 개발을 시작했으며 그 당시에도 이미 Beckhoff의 측정 I/O 터미널 (예: EL3751 EtherCAT 입력 터미널)을 사용하고 있었습니다.

독일 Akof DNO의 Soren Ole Kuklau, ZF의 Michael Moczala 박사, 독일 Monheim의 Beckhoff 영업소 Wilm Schadach 박사와 전기 자동차 조향 시스템의 제어 장치 및 전기 모터 용 Hardware-in-the-Loop 테스트 시스템 (왼쪽 오른쪽으로). 사진출처: Backhoff Automation

오버 샘플링, 추가 필터 및 조정 가능한 측정 범위를 갖춘 이 다기능 터미널은 업계에서 특히 중요한 특정 아날로그 값을 안정적으로 수집할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다.”
뒤셀도르프의 ZF에서 조향하는 액티브&패시브 안전 기술 분야의 팀 리더 소프트웨어/시스템 테스트 툴링 매니저인 Michael Moczala는 이 HiL 테스트 시스템에 대한 자세한 내용을 다음과 같이 설명한다. “EPP-in-the-Loop(EPPiL) 테스트 EPP, 즉 전자 제어 유닛과 자동차의 전기식 조향 시스템을 구동하기 위해 제어하는 전기 모터의 조합은 시뮬레이션 환경에서 테스트됩니다. 실제로 이는 차량의 두 하드웨어 요소와 상호 작용하는 모든 구성 요소가 가상 모델로 매핑되고 특수 실시간 시스템에서 시뮬레이션 된다는 것을 의미합니다.”

PC 기반 제어는 보편적이고 개방적이며 확장 가능하다.

HiL 영역의 테스트 시스템은 PC 기반 컨트롤을 통해 완벽하고 보편적으로 자동화할 수 있으며 완벽하게 통합된 측정 및 안전 기술로 확장된다. Soren Ole Kuklau는 EPPiL 테스트 장비의 구체적인 이점을 다음과 같이 설명한다. “EPPiL 시스템에서 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술은 완벽한 I/O 인프라를 제공합니다. 실제 시뮬레이션은 별도의 실시간 시스템에서 실행됩니다. 컴퓨팅 파워와 관련하여 CX5140 임베디드 PC는 데이터 처리에 이상적인 것으로 입증되었습니다. 뿐만 아니라, Beckhoff 하드웨어는 필요한 경우 개별 애플리케이션 요구 사항에 따라 고성능 멀티 코어 시스템까지도 쉽게 확장할 수 있습니다.”

EtherCAT I/O 시스템은 제어 캐비닛 측면의 매우 좁은 공간에 구현된다. 사진출처: Beckhoff Automation

Soren Ole Kuklau에 따르면, 세계적으로 확립된 EtherCAT 표준을 통한 I/O 범위의 인상적인 깊이와 개방성은 더욱 중요한 이점을 제공한다. “우리는 시간과 가치의 해결과 관련하여 I/O 요구가 매우 높았으며 오버샘플링과 같은 EtherCAT에서 사용할 수 있는 추가 기능에 주의를 기울였습니다. Beckhoff의 EtherCAT 측정 터미널은 이상적인 솔루션을 제공합니다. 특히 EtherCAT의 광범위한 사용은 자동차 관련 버스 시스템을 사용하기 위해 타사 구성 요소를 간단하게 통합할 수 있습니다. 또한 테스트 콘솔과 컨트롤 캐비닛 간의 데이터 연결을 모니터링하기 위해 EtherCAT의 유용한 진단 옵션을 테스트 벤치에서 활용할 수 있습니다. 그 외에도 우리가 의존하는 데이터 전송의 높은 신뢰성과 성능이 있습니다.” Dr. Michael Moczala는 다음과 같은 측면을 추가한다. “매우 높은 데이터 양으로, 두 가지 다른 샘플링 속도로 정보를 수집하고 전송할 수 있도록 도와줍니다. 즉, 4k 샘플에서 위치 사양과 토크 측정과 같은 중요한 신호, 다시 말해서 250μs 사이클로, 나머지 데이터는 1ks 샘플 또는 1ms 샘플로 수집하여 전송할 수 있습니다. 이러한 방식으로 EtherCAT 슬레이브로 임베디드 PC에 연결된 별도의 실시간 시뮬레이션 시스템으로의 데이터 전송에서 전형적인 병목 현상을 피할 수 있습니다.”

아날로그 I/O는 EPPiL 테스트 시스템 아키텍처의 백본을 형성한다.

Michael Moczala 박사는 테스트 시스템의 작동 원리를 다음과 같이 설명한다. “EPPiL 시뮬레이터의 하드웨어 인터페이스(소위 테스트 콘솔)에는 연결 모터의 상태를 감지하는 로드 모터와 토크 센서가 포함됩니다. 실제 시험 시료, 즉 제어 장치와 서포트 모터로 구성된 전자 파워 팩에 연결됩니다. EtherCAT I/O 시스템은 시뮬레이션 기술, 실제 기계적 조향 구성 요소, 다양한 형태의 차량 및 도로를 차량 통신 등을 대표하는 모델에 연결합니다. 모델링 기술과 부하 모터 및 토크 측정 축 사이의 통신도 EtherCAT I/O를 통해 구현됩니다. 시뮬레이션 기술을 통해 EPP 모터의 샤프트 각도를 얻어 로드 모터의 컨버터로 전송합니다. 측정 축의 토크 센서가 결과 토크를 공급합니다. 이 정보를 이용하여 운동 방정식을 시뮬레이션으로 풀면 HiL 루프를 닫기 위해 로드 모터로 전달할 새로운 위치 값을 얻을 수 있습니다.”

전자 파워 팩 (오른쪽), 토크 측정 축 (중앙) 및 부하 모터 (왼쪽)가 있는 테스트 콘솔. 사진출처: Beckhoff Automation

EtherCAT I/O 시스템은 5개의 EK1100 EtherCAT 커플러와 57개의 다른 EtherCAT 터미널을 포함한다. 아날로그 값 처리에는 3개의 EL4732 XFC(eXtreme Fast Control) 출력 단자, 7개의 EL3702 XFC 입력 단자 및 18개의 EL3104 입력 단자가 포함된다. Soren Ole Kuklau는 구체적인 작업에 대해 설명한다. “EL4732 출력 터미널은 설정 값을 테스트 시스템의 프로그래밍 가능한 전원 공급 장치로 전송하고 EL3702는 실제 값을 다시 읽습니다. 단락 회로 또는 개방 회로와 같은 전기적 오류가 발생하는 소위 오류 삽입 장치(FIU)의 64개 채널은 18개 EL3104 터미널을 통해 타당성이 검사됩니다.” Dr. Michael Moczala는 “정확한 FIU 기능이 모니터링 되고 각각의 스위칭 절차의 시간이 결정됩니다. 밀리 초 범위의 스위칭 시간이 일반적이기 때문에 데이터 수집 속도가 특히 중요합니다.”
3개의 EL3751 다기능 입력 단자가 추가로 구현된다. 토크 센서는 단자 중 하나를 통해 읽는다. 나머지 두 입력은 전원 공급 장치의 전압을 읽는다. Soren Ole Kuklau는 “전압 범위에 대한 유연성은 터미널이 토크 센서의 경우 +/- 10V 또는 전원 공급 장치의 경우 +/- 30V로 설정될 수 있기 때문에 작업을 대폭 간소화합니다.” Michael Moczala는 EL3751을 통해 측정된 데이터 수집의 품질이 매우 중요하다고 강조한다. “토크 센서 신호는 시뮬레이션 모델과 함께 안정적인 시스템 동작을 달성하는데 근본적으로 중요합니다. 따라서 토크 센서의 값은 최소 지연, 매우 낮은 잡음 및 가능한 최대 정확도로 전송되어야 합니다.”

Beckhoff는 EtherCAT 측정 모듈을 사용하여 견고한 금속 하우징을 갖춘 차세대 고정밀 측정 I/O를 제공한다. 사진출처:  Beckhoff Automation

미래의 잠재력을 제공하는 PC 기반 제어
2016년 시작된 이래, Beckhoff 기술을 갖춘 3세대 EPPiL 테스트 시스템을 현재 이용할 수 있다. Michael Moczala 박사는 다음과 같이 설명한다. “Beckhoff 기술에 대한 우리의 경험은 매우 훌륭했기 때문에 앞으로 테스트 시스템 세대에 이를 유지할 것이며 가능한 한 어디서든지 EtherCAT 터미널의 새로운 개발을 사용할 것입니다.” Soren Ole Kuklau는 또한 발전 잠재력을 더욱 높였다. “Beckhoff 기술을 기반으로 하는 자동차 전용 테스트 시스템을 위한 사전 개발 프로젝트가 이미 마련되어 있습니다. 또한 서보 드라이브 기술이 포함되어 있어 고성능과 속도는 물론 TwinCAT 소프트웨어의 편리한 구성으로 인해 유리합니다. 또 다른 사전 개발 프로젝트는 TwinCAT에 MATLAB/Simulink를 통합하여 실시간 시뮬레이션을 임베디드 PC로 재배치하여 결과적으로 비용을 절감할 수 있도록 하는 것입니다. 그 외에도 우리는 ASAM 표준 XiL-API를 사용하여 테스트 케이스, 테스트 자동화 도구 및 HiL 테스트 하드웨어를 TwinCAT으로 분리하는 작업을 진행하고 있습니다.”

인터뷰

시스템 통합 측정기술 - 고급 요구 사항에도 적합

PC 기반 제어는 제어 기술에 완벽하게 통합될 수 있는 측정 기술을 제공한다. 이번 인터뷰에서 Martin Podrouschek 제품 관리자는 하이엔드 어플리케이션까지 확장된 자사의 장점과 광범위한 사용법을 설명한다.

Beckhoff Automation의 Fieldbus Systems 제품 매니저 Martin Podrouschek. 사진출처: Beckhoff Automation
 

Q. 제어 기술에 직접 통합된 Beckhoff의 측정 기술은 무엇이며 테스트 기술 분야에서 어떤 이점을 제공합니까?

Martin Podrouschek: 여기에는 두 가지 영역이 언급되어야 합니다. 우선, 개발자, 설계 엔지니어, 프로그래머 및 사용자가 프로세스 실행에 대한 자세한 내용을 알고 싶어 하는 기존의 생산 시스템이 있습니다. 여기에는 제조된 부품의 품질, 운영 자원의 소비 및 주기 시간이 포함됩니다. 제어 기술은 일반적으로 그러한 기계에 이미 존재하며, 별도의 측정 및 데이터 로깅 시스템의 추가는 재정적 또는 조직적 장애물로 인해 종종 실패합니다. 반대로 PC 기반 제어 또는 적어도 EtherCAT 기반 I/O 시스템을 사용하면 Beckhoff의 EtherCAT 측정 터미널이 제어 시스템에 아날로그 값의 빠르고 정확한 획득을 지원하는 측정 기술을 보완할 수 있는 간단한 방법을 제공합니다. 100 Mbit/s EtherCAT 이상의 대형 아날로그 데이터 전송도 가능합니다. 이것의 큰 장점은 추가 공정 지식을 확보함으로써 후 공정 측정 기술자가 광범위한 재작업을 수행할 수 있다는 것입니다. 사실, 제어 시스템 프로그래머는 이제 고품질 데이터를 바탕으로 기계의 제어 루프에 더 잘 영향을 미치고 제어 프로세스를 최적화할 수 있습니다. 두 번째 응용 분야는 주로 테스트 기술의 측정 어플리케이션과 관련됩니다. Beckhoff의 일반적인 측정 및 제어 기술을 통해 사용자는 테스트 응용 프로그램에 적극적으로 개입하고 자동화할 수 있습니다. 또한 정확한 드라이브 및 스위치, 입력 및 출력 모듈, 아날로그 및 디지털 기술, 산업 환경의 위치 감지 및 피드백 단자와 라이브러리, 마법사 및 데이터 연결 옵션을 갖춘 TwinCAT 소프트웨어의 무제한 프로그래밍 유연성을 결합한 제품입니다. 이러한 사용자가 자동화된 테스트 벤치를 위한 완전히 새로운 개념을 가능하게 합니다. PC 기반 제어 기술의 개방성으로 인해 사용자는 특수 장치 및 산업별 소프트웨어의 통합에 여전히 유연합니다.

Q. ELM3xxx 아날로그 측정 모듈 사용자에게 특별한 속성이 있습니까?

Martin Podrouschek: 1년 내내 동작하는 생산 기계에 측정 기술을 통합하는 사용자는 측정 구성 요소가 제어 시스템 자체만큼 원활하게 작동 할 것으로 기대합니다. 특히, 측정 기술은 전체 기간 동안 그리고 필요한 경우 불리한 상황에서도 해야 할 일을 해야 합니다. 즉, 정확하게 측정해야 합니다. 그것이 바로 Beckhoff 측정 기술의 핵심 부분입니다. 광범위한 내부 기능과 일치된 생산 방식으로 인해 측정 솔루션은 이러한 고객 기대치를 충족시킵니다. 이러한 예로는 측정 모듈이 완벽하게 작동할 수 있도록 하는 광범위한 통합 자체 테스트뿐 아니라 생산 과정에서 모듈을 철저하게 사전 처리하고 공장 및 DakkS 준수 인증서(선택 사양)를 Beckhoff 재교정 서비스를 통해 제공합니다.

Q. 시스템 통합 Beckhoff 측정 기술의 일반적인 적용 분야는 무엇이며 이 범위는 어떻게 확장되어 왔습니까?

Martin Podrouschek: 전통적인 생산 기계에는 점점 더 통합적인 측정 기술이 탑재되고 있습니다. 에너지 측정 및 소비 데이터 수집뿐만 아니라 제조된 물체에 대한 인라인 부품 측정에서도 사용자 관심이 증가하고 있습니다. 이 환경에서 12mm 플라스틱 하우징의 12/16/24 비트 아날로그 입력은 오래 전부터 허용되었습니다. 여기에는 100ppm 정확도를 가진 새로운 세대의 최초 정밀 측정 터미널로서 애플리케이션 보고서에 제시된 EL3751 EtherCAT 터미널이 포함됩니다. 2016년에 소개된 30mm 금속 하우징을 갖춘 ELM3xxx 측정 모듈은 특히 하이 엔드 부문에서 더욱 광범위한 어플리케이션을 개방합니다. 무엇보다도 테스트 시장은 일반적으로 이러한 개발에 매우 적극적으로 반응하며 EtherCAT 모듈은 TwinCAT를 통해 사용할 수 있을 뿐만 아니라 모든 EtherCAT 마스터에서 작동할 수 있습니다. 테스트 애플리케이션의 자동화 요구 사항이 증가함에 따라 단일 플랫폼에서 안전, 비전, 클라우드 연결 및 모션 제어를 통합할 수 있는 시스템 통합 Beckhoff 접근 방식이 이상적입니다.

Q. 하이엔드 어플리케이션을 위한 새로운 EtherCAT 측정 모듈의 특징은 무엇입니까?

Martin Podrouschek: 기술적인 관점에서 아날로그 데이터 처리는 측정 모듈에서 로컬로 수행할 수도 있고 I&C 분야의 TwinCAT 기반 컨트롤러에서 중앙에서 처리할 수도 있습니다. 시스템 콘셉트에 따라 하나 또는 둘 모두가 더 유용할 것이고 Beckhoff 아날로그 입력은 언제나 두 가지를 모두 지원할 것입니다. 현재 50 kSamples/s까지의 오버 샘플링 기능을 사용하는 온도 안정적이고 정밀한 측정은 두 가지 응용 분야에서 모두 유리합니다. 특히 로컬 처리를 위해 모듈은 다단계, 자유 사전 설정 필터링, 실제 RMS 계산 및 드래그 인디케이터와 같은 광범위한 아날로그 기능을 제공합니다. 또한 일부 터미널에는 센서 연결을 위한 특수 기술이 적용됩니다. 테어, 브리지 확장 및 션트 교정과 같은 특수 기능이 계량 및 변형 응용 프로그램 용 ELM350x 측정 모듈에 통합되어 있으며 TEDS 및 AC/DC 커플 링은 ELM360x IEPE 터미널에서 사용할 수 있습니다. Beckhoff의 통합 측정 기술은 생산 및 시험 장비 및 시장 선도적인 응용 분야에 확립된 측정 기술 방법의 설치에서 기술 지향 사용자에게 사실상 제한하지 않습니다.

Links:
 www.akka-technologies.com
 www.zf.com
 www.beckhoff.com/el3xxx
 www.beckhoff.com/automotive