복잡한 장비를 제작하는 업체들은 뛰어난 성능을 제공하는 동시에 엄격한 납기를 맞추고 비용을 절감해야 한다. 성능을 향상시키고 비용을 낮추는 한 가지 방법은 모터와 모터 제어 시스템을 향상시키는 것이다. 하지만 더 우수한 모터 제어 시스템 성능과 정확도에 대한 요구가 빠르게 증가함에 따라 기존 설계 및 검증 방법론은 한계에 부딪히게 됐다.

기존의 워크플로우를 보면 모터, 센서, 액추에이터 등의 하드웨어가 실제 사용할 수 있는 개발 단계 후반에서야 비로소 제어 시스템을 테스트 및 검증할 수 있었다. 시스템 동작을 예상할 수 있다면 이러한 접근방식으로도 충분하다. 문제가 발생하면 최종 시스템 통합 과정에서 제어 시스템을 보완하고 조정해 해결할 수 있었다.
그러나 전통적인 워크플로우는 오늘날의 복잡한 기계 시스템에 적합하지 않다. 뒤늦게 문제가 부각되면 보통 값비싼 시스템 하드웨어 수정으로 이어지는, 시간과 노력이 많이 드는 변경이 필요한 경우가 태반이기 때문이다. 또한 제어 시스템 설계의 요구사항 및 복잡성의 증가로 모든 운영 조건 가능성을 테스트하기가 어렵다. 따라서 새로운 검증방법이 필요하다.
앞서가는 시스템 설계자들은 이런 점에 착안하여 모델 기반 설계를 도입하고 있다. 모델 기반 설계를 통하면 엔지니어는 오류를 더욱 쉽게 찾을 수 있고, 적은 비용으로 수정 가능한 개발 초기 단계에서 물리적 플랜트를 시뮬레이션하고 제어 시스템 로직과 알고리즘을 테스트할 수 있다.
설계자는 모델 기반 설계를 통해 다음을 할 수 있다.

- 다양한 제어 전략을 빠르게 평가하고 시스템 동작을 최적화
- 모터 및 기타 기계 하드웨어를 사용하기 전에 미리 오류 발견
- 시뮬레이션을 사용하여 전체 운용 영역선도(operating envelope) 테스트
- 실시간 설계에 모델 재사용

모델 기반 설계와 기존 설계 워크플로우 비교
그림 1은 사양 및 요구사항이 인쇄물이나 문서 형식으로 제공되는 기존의 워크플로우를 보여준다. 기계, 전자, 제어 및 소프트웨어를 포함한 서브시스템은 일반적으로 여러 설계 툴을 통해 사양을 바탕으로 독립적으로 설계된다. 이러한 절차에서는 설계 주기 후반, 일반적으로 최종 통합과 구축 과정에서 시스템 검증이 이루어진다. 엔지니어는 이 시점이 되어야만 시스템의 물리적 구성요소와 제어 시스템 설계 사이의 상호작용을 완전히 관찰할 수 있다.
구성요소나 서브시스템의 동작을 예측하기 쉬운 단순한 시스템에서는 이러한 접근방식을 사용해도 무방하다. 하지만 시스템 설계자가 더 많은 기능을 추가하고 최적의 성능을 추구하면 서브시스템 상호작용이 더 복잡해진다. 따라서 모터 제어 시스템 설계의 어려움이 커지고, 결과적으로 오류 가능성도 높아진다. 기계, 유압, 제어 및 소프트웨어의 각 구성요소에 대한 성능 요구사항, 구현 세부 사항, 테스트 조건이 독립적으로 확립되기 때문에 위험성이 커진다. 이러한 차이로 인해 요구사항이 상충하거나 설계 중 요구사항을 잘못 해석해 테스트를 불완전하게 수행하거나 관계없는 테스트를 수행할 가능성이 증가한다.
설계 과정 초기에 오류가 발견되지 않으면 서브시스템 간의 복잡한 상호작용으로 인해 문제의 원인을 추적하는 것이 어려워지고 이를 해결하는 것은 더욱 힘들어진다. 심지어 불완전하거나 부정확 또는 상충하는 요구사항에 관련된 오류로 인해 기초 설계를 변경해야 할 수도 있다.

모델 기반 설계
모델 기반 설계는 시뮬레이션과 초기 검증을 통해 이러한 문제를 완화한다. 이 경우 검증은 더 이상 최종 단계가 아니다. 대신 설계 시뮬레이션과 함께 시작하고 실시간 테스트가 뒤따르는 지속적인 과정이 된다(그림 2 참조).
시스템 엔지니어는 모델 기반 설계를 통해 기계, 전기, 유압 및 기타 물리적 구성요소를 포함한 물리적 플랜트 또는 기계와 제어 시스템 모두에 대한 수학적 모델을 제작할 수 있다. 모델이 설계 요구사항에 연결되면 실행 가능한 요구사항이 되므로 모호성이 줄고 설계 오류 위험성이 최소화된다.
또한 모델 기반 설계는 공통 설계 및 검증 플랫폼을 제공한다. 엔지니어가 시스템에 대한 직관적이고 도식적인 관점을 얻을 수 있어서 다른 분야의 설계자에게도 같은 환경이 제공된다. 모델 기반 설계 툴은 CAD, FEA, 회로 에뮬레이션 툴(SPICE 포함)과 같은 CAE 툴에 후크를 제공함으로써 기존 설계 및 엔지니어링 데이터를 쉽게 재사용할 수 있게 한다.
엔지니어가 실행 가능한 요구사항을 활용하면 컨트롤러, 모터 및 시스템 간의 상호작용을 더욱 잘 이해하고 제어 시스템 전략 개선을 위한 통찰력을 갖게 된다. 설계자는 모호한 사항이 내재된 사양서에 따라 설계하는 대신 모델을 통해 실험하고 동작 시뮬레이션을 실행하여 설계 변경 사항을 신속히 구현할 수 있다. 따라서 시스템의 정확성과 성능을 개선할 수 있다. 향상된 성능을 달성하는 동시에 모터 제한 사항 및 시스템 제약을 충족하는 제어 설계를 조기에 파악하기가 쉽다.

시뮬레이션 및 조기 검증
기존 워크플로우를 사용하는 제어 시스템 설계자는 주로 설계 과정의 후반에 모터와 시스템 하드웨어가 사용 가능하게 되기 전에는 설계를 검증할 수 없다. 반면, 모델 기반 설계를 사용하면 이러한 구성요소의 모델을 통해 검증과 테스트를 시작할 수 있기 때문에 시간과 비용이 절약되고 전반적인 시스템 품질, 정확도 및 성능이 향상된다.
시뮬레이션 및 조기 검증을 이용하면 개발 과정 초기에 오류를 파악할 수 있으므로 비용과 수고를 절감할 수 있다. 설계자는 시뮬레이션을 통해 하드웨어 변경이 필요한 문제를 찾는다. 하드웨어 변경은 소프트웨어 수정보다 훨씬 비용이 많이 들기 때문에 특히 중요하다. 또한 오류는 현장에서보다 시뮬레이션에서 해결하기가 더 쉽다. 시뮬레이션에서 오류가 발생하면 알고리즘 설계자는 데이터를 시각화하며, 동일한 운영 조건에서 시뮬레이션을 반복 실행하여 문제를 재현한 후 모델에서 변경사항을 구현하여 오류가 수정되었는지 확인할 수 있으므로 각 구성요소의 상태와 이력을 점검할 수 있다. 현장에서는 설계 변경 유연성이 훨씬 적어진다.
또한 모델을 통한 테스트는 보다 철저한 검증을 가능하게 한다. 다수의 모터와 모터 제어 시스템이 있는 복잡한 기계 시스템은 수많은 제어 모드 및 로직 상태와 함께 큰 운용 영역선도를 갖는 경우가 많다. 실제 모터 및 시스템 하드웨어로 전체 운용 영역선도를 테스트하는 것은 비현실적이거나 위험하다. 시뮬레이션을 이용하면 장비 손상이나 안전 위험을 걱정할 필요가 없으므로 전체 테스트 범위를 처리하기가 용이하다.

실시간 테스트
모델 기반 설계에서는 시뮬레이션에서 사용한 것과 동일한 모델을 실시간 테스트를 수행함으로써 검증 단계를 한 단계 발전시킬 수 있다. 실시간 테스트는 일반적인 운영 모드에서 통합 하드웨어-소프트웨어 시스템 설계를 실행, 검증 및 테스트하는 과정이다. 가장 일반적인 실시간 테스트 방식 2가지는 RCP(Rapid Control Proto-
typing)와 HIL(hardware-in-the-loop) 시뮬레이션이다.
RCP에서는 제어 시스템 모델로부터 생성된 실행 가능한 응용 프로그램이 실제적인 모터와 기계 하드웨어에 연결된 상태로 실시간 계산 플랫폼에서 테스트된다. 또한 설계(모델)와 구현(실행 가능한 응용 프로그램)이 직접적으로 연관되어 있기 때문에 실시간 테스트 중 발견한 제어 설계 결함을 개선하기가 쉽다. 엔지니어는 데스크톱 시뮬레이션에서 사용한 것과 동일한 테스트를 실행할 수도 있다. RCP는 또한 시뮬레이션 중 플랜트(모터 및 기계) 모델의 근사치 오류 및 부정확성을 찾아내는 데 도움이 되므로 시스템 시뮬레이션을 개선할 수 있다. 엔지니어는 실시간 테스트를 통해 제어 설계를 검증한 후 코드 생성을 통해 모델을 재사용하여 임베디드 또는 양산용 제어 하드웨어에서 설계를 구현할 수 있다.
HIL(hardware-in-the-loop) 시뮬레이션에서는 양산용 컨트롤러가 플랜트(모터 및 기계)의 실시간 시뮬레이션에 대해 테스트된다. 이 기능은 실제 시스템에 대한 액세스가 제한되어 있거나 차단된 경우, 예를 들어 모터가 인쇄 프레스나 포장 장비와 같은 대형 산업 기계에 연결된 경우에 유용하다. HIL 시뮬레이션은 플랜트의 전체 운용 영역선도를 테스트하기가 위험한 경우에도 매우 유용하게 사용된다. 산업 환경에서 복잡한 모터 제어 알고리즘을 시험하는 것은 위험하다. 문제가 발생하면 시스템 오류로 인해 장비가 손상되고 주변 사람이 다칠 수도 있다. 모터와 기계의 실시간 시뮬레이션에 대해 양산용 컨트롤러를 테스트하는 것이 훨씬 안전하다. 또한 HIL 시뮬레이션을 사용하여 실제 모터와 기계에서는 테스트가 어렵거나 불가능한 시스템 진단(응급 상황 감지, 종료 절차 등)을 완벽히 수행할 수도 있다.

모델 기반 설계의 이점
시뮬레이션, 조기 검증 및 실시간 테스트를 포함한 모델 기반 설계는 산업 자동화, 기계, 사무 장비, 소비재, 계측 장비, 의료 기기 및 공정 산업을 포함한 다양한 모터 제어 응용 분야를 위한 중요한 워크플로우가 되었다.
모터 제어 응용 분야에서 시뮬레이션과 조기 검증에서 실시간 테스트에 이르는 모델 기반 설계는 설계 주기를 단축하고 비용을 줄일 뿐 아니라 설계자가 더욱 강력하고 성능이 우수한 제어 시스템을 제작할 수 있게 한다. 제어 시스템이 점점 복잡하게 진화함에 따라 하드웨어로 전환하기 전의 설계 검증은 모범 사례일 뿐만 아니라 필수 과정이 될 것이다.  ES