휴대전화에 이용되던 DSP, 이제 중장비를 움직이다

중장비 영역으로 진출한 DSP

중장비 제어 기계는 전체 기계의 동작을 하나의 통합된 시스템으로 자동 조절된다. 동시에 운전자는 엔진출력, 변속기 기어, 유압전달, 차량이동과 방향 그리고 집게의 위치와 압력을 조정하게 된다. 예전에는 고속 수치 연산과 정보통신에만 적합하다고 여겨지던 TI의 DSP가 이제 MCU에 국한되던 영역에서도 크게 이용되고 있다.전통적으로 이동형 중장비 생산업체들은 제어 시스템을 경쟁적인 기술이라기보다 필요악으로 인식해왔다. 초창기 장비들은 각각 엔진, 변속기 또는 유압 등의 특정 하위 시스템을 취급하는 여러 제어 시스템을 갖췄다. 대부분, 하위 시스템의 생산업체가 제어기를 공급하거나, 필요에 따라 장비 생산업체가 이를 개발해왔다.하지만 성능과 운전자 안전, 환경규정이 강화됨에 따라 장비 생산업체들은 자사의 제어기를 스스로 업그레이드 할 수밖에 없게 됐다. 그러기 위해서는 다양한 하위 시스템 간의 조정을 늘리는 것과, 이러한 조정으로 하위 시스템 생산업체가 보다 나은 마이크로컨트롤러(MCU)나 캔버스(CANbus)와 같은 표준 연결 프로토콜을 채택하는 두 가지 방법이 있다.그러나 통합형 제어 시스템에는 보다 많은 비용이 소요된다. 일부 오프로드 장비 생산업체는 이미 개발된 하이엔드 제어 시스템을 상대적으로 로우엔드인 모델에 내장해 비용을 완화시키고 있다. 물론, 로우엔드 장비에도 용량이 낭비되고 사용되지 않는 제어 기능이 여럿 있다.저비용, 고응답성을 위한 모듈형 시스템제어 시스템 개발업체는 개발 비용을 줄이기 위해서 여러 방법을 모색하여 혼용/조합 가능한 구성블록을 제공하는 모듈형 시스템을 개발했다. 제어 시스템은, 특정한 종류의 이동장비에 필요한 모듈만을 선택함으로써, 특정 기계에 적합한 조건을 갖추게 된다. 물론, 선택된 모든 모듈에 대한 요구사항을 취급할 정도의 충분한 처리능력이 보장되어야 한다.주요 이동장비 제어장치 생산업체인 사우어댄포스(Sauer-Danfoss)의 이동 전자기기 담당 제품군 관리자인 Dan Ricklefs는 이 같은 사실에 대해 “중장비 산업에서는 기계장치의 이동속도가 상대적으로 낮기 때문에 제어 시스템의 성능은 필수적이지 않다는 인식이 팽배하다. 실제로 기계가 움직일 때마다 상당량의 수치연산이 실행되는데, 장비가 가속 또는 감속하는 속도는 궁극적으로 제어기가 밸브를 원만하게 온/오프 할 수 있는 능력에 의해 결정된다”고 밝혔다.원만한 동작을 위해서는 측정값의 작은 변화에도 신속하게 응답해야 한다. 모듈형 제어기는, 아날로그는 물론 디지털 신호도 신속하게 처리할 수 있는 프로세서를 필요로 했다. 이에 비해 디지털 신호처리 프로세서 또는 DSP는 완전한 이동식 장비를 제어하는 데 필요한 유연성 및 성능 상의 요구를 충족한다. DSP 기반 제어기는 농업, 건설, 임업, 도로건설 등의 산업에 배치되는 크레인, 로더, 그리고 동력삽 등의 광범위한 장비에 채택되고 있다.DSP 기반 제어기는 전통적인 MCU에 비해 10배 이상으로 향상된 처리능력을 제공한다. 이러한 성능에 의해 제어 루프의 실행 시간이 한 차수만큼 감소되며 다양한 일반적 작업이 가속화된다. 실제로, 어느 잔디 수확 시스템의 제조업체는 루프시간을 20ms에서 10ms 미만으로 줄일 수 있었다. 이는 잔디 팰릿(pallet) 하나를 처리하는 시간이 3.66분에서 2분으로, 40% 이상 단축시킨 것에 해당되며 결과적으로 생산성이 75% 향상되었다.사우어댄포스 플러스 1은 신형의 모듈형 및 통합형 이동제어 시스템의 예로, 프로그래밍과 개발도구, MCU, I/O모듈, 그래픽 단말기, 그리고 조이스틱을 하나의 환경으로 통합한 것이다. 서브루틴들은 엔진 실속 방지, 부하 제한, 또는 속도 제어와 같은 각각의 일반 애플리케이션에 대해 제어 시스템에 사전 패키지화되어 공급된다. 소프트웨어 제어 객체의 라이브러리를 이용하여, 개발자들은 커스텀화 작업을 실시할 수 있다. 기본적으로 제조업체 기술자들은 커스텀화 제어기를 위해 차량관리 시스템에 소프트웨어 모듈을 ‘드래그-드롭’하게 된다.프로세서 코어의 선택DSP를 사용하도록 한 사우어댄포스의 결정은 해당 기술의 우수성을 증명하는 것이다. 이전 세대의 제어기에는 8비트 및 16비트 MCU가 사용되었다. 최근 세대의 제품은 20~40ms의 루프 실행속도를 제공했는데, 이는 제어 시스템, 제어 대상 장비 그리고 폐회로 궤환을 위한 센서 간의 1사이클의 통신을 완료하는 데에 소요되는 시간이다. 제어 시스템이 더욱 복잡해짐에 따라 루프시간은 주된 제약요인이 되었다.초기에는 시스템 기술자들이 DSP를 유력한 대안으로 취급하지 않았다. 사우어댄포스의 하드웨어 개발 기술자인 Joe Schottle는 “당시에는 DSP가 고도의 수치연산용이고, 가격대도 높으며 산업제어용에 필요한 충분한 입출력능력이 없다는 것이 상식이었다. 산업 내 주요 업체들 모두 MCU를 채택하고 있었으며, MCU가 충분한 성능을 제공한다는 인식이 정착되어 있었다”고 요약했다. 그러나 추가 조사 결과, DSP 시스템이 플래시 메모리, 캔버스 지원, 타이머 채널 그리고 모터 제어 기능과 같은, 산업용에 필요한 모든 주변장치를 지원하는 것으로 나타났다.엄격한 코어 선택 과정과 DSP를 선택하도록 한 결정은, 사우어댄포스 팀에게는 획기적인 사건이었다. 이에 대해 “가장 놀라운 것은, TI의 TMS320F2810과 F2812 디지털 신호제어기가 전체 시스템 가격면에서 경쟁력이 있다는 사실이었다. 물론 DSP의 부품 당 가격은 더 높았으나, 이들의 신호처리능력으로 인해 부품 목록은 MCU를 이용했을 때보다 모듈 당 가격면에서 경쟁력이 있을 정도로 감소되었다”는 의견을 냈다. 하나의 예로, 시스템 기술자들은 각 인쇄기판 상에 4~10개의 하드웨어 필터를 추가하는 대신, DSP에 소프트웨어 필터를 활용했다.또 다른 문제는, 내장형 제어 시스템의 MCU들이 플래시 메모리에 많은 비용을 발생시킨다는 것이다. 시스템 기술자들은, TI의 DSP가 대량의 제어 시스템에 충분한 메모리를 제공한다는 결론에 도달했다.제어 객체와 모듈형 소프트웨어 라이브러리를 활용하면 시스템을 구체적인 요구사항에 맞출 수 있다. 소프트웨어 커스텀화 제어기를 이용하여 제조업체들은 기계장비에 유연성을 실현할 수 있다. Plus 1 모듈 내의 DSP기반 C2000 제어기에 변속기 구동장치와 밸브 등을 제어하기 위한 통합형 코어를 구성했다. 이러한 기능은 블레이드, 그리퍼, 버킷과 같은 장비의 제어는 물론 유압 및 전기식 운전 등에도 확장할 수 있다.또한 단일 제어 아키텍처를 사용하면 비용이 최소화된다. 특정 기계의 기능을 취급하기 위해 모듈이 추가, 제거된다. 동작 파라미터는 프로그래밍에 의해 결정되는데 예를 들어, 바퀴 로더의 운전자가 바퀴 속도를 올리기 위해 조이스틱을 위로 올리면, 제어 시스템은 엔진을 조절할지, 유압변속기의 기어비를 줄일지, 혹은 양측 모두를 실행할지를 결정하게 된다.제어 모듈은 광범위한 크기와 구성을 취급한다. 실례로, Plus 1 시스템은 3종류의 수납함 크기와 9종류의 구성으로 제공된다. 인터페이스 옵션에는 캔버스, 카메라 입력, USB 포트 그리고 RS-232 연결이 포함된다. 설계 기술자들은 미조정과 진단기능을 활용할 수 있으며, 서비스 기술자들은 노트북 또는 PDA를 이용하여 작업할 수 있다. 그래픽 단말기들은 유압이나 기계각과 같이 선택된 기능들을 표시한다.변화하는 법 규정의 요구사항에 제어기를 맞추기 위해서는 파라미터를 재프로그래밍하기만 하면 된다. 구체적인 예로, EPA의 오프로드 엔진 관련 규정에 대한 취급을 들 수 있다. 관련 규정은 3단계로 진행되며 각 단계에 대해 수 년 간의 도입 기간이 존재한다.Tier 1의 표준은 1996년에서 2000년에 걸쳐 도입됐다. 더욱 엄격한 Tier 2 표준은 2006년까지 도입됐다. 이보다 엄격한 Tier 3 도입기는 2007년에서 2008년까지 계속되는데, Tier 3은 37~560kW의 엔진에 대해서만 적용된다. Tier 1~3에서는 규정을 준수하기 위해 발전된 엔진설계를 사용한다.지난해 EPA는 2008년부터 2015년까지 지속되는, Tier 4 방출표준을 도입하는 최종규칙에 서명했다. Tier 4는 최근 규정에 비해 입자와 산화질소 방출의 90% 감소를 요구한다. 기술자들은 발전된 제어 기술과 배기가스 처리기술의 결합을 통해 이러한 목표를 달성할 수 있을 것이다.

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조진현 (webmaster@techworld.co.kr)

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