서보모터 기술
서보모터 기술
1. 서보(Servo) 의 정의
서보란 서보메커니즘의 줄임말로써 일본공업규거 (JIS)에서는 "물체의 위치, 병위, 자세 등을
제어량으로 하고 목표치의 dal의 변화에 추종하도록 구성된 제어계" 라고 정의되어 있다.
또한 서보는 Servant(하인) 이라는 단어에 기인 하였다고 하는데 이는 "주인에 충실하다"
라는 의미를 가지고 있다.
즉, 서보모터란 "주인의 명령에 충실하게 동작하는 모터" 를 나타내며
동작이란 위치,속도 및 가속도의 3가지 요소를 말하지만 실제 서보모터의 적용에 있어서 위치
제어를 위한 적용처와 속도 제어를 위한 적용처의 두가지로 나타내어 질수있다.
위치 제어에는 속도를 제어하여 위치를 추종하게 되고 속도 제어는 순간 가속도를 제어하여
추종하게 된다.
서보 모터는 일반 모터와 달리 빈번하게 변화하는 위치나 속도의 명령치에 대하여 신속하고
정확하게 추종할수 있도록 설계된 모터를 말한다.
서보 모터는 급가속, 급제동에 대하여 대응할 수 있는 구조를 가지고 있어야 하므로 다음과
같은 두가지 조건을 만족해야 한다
1) 큰 회전력 (토크 Tourqe) 을 가질것
2) 회전자의 ※관성 모멘트가 작을 것
※ 관성 모멘트 : 물체가 계속해서 회전하려는 성질의 크기
2. 서보 모터의 분류
서보 모터는 경량, 소형, 설치의 용이성, 고효율성, 정확한 제어성, 유지보수의 용이성 등의
특징들을 갖어야 한다.
특히 무인화 공정이나 24시간 공정에 적용되는 서보 모터의 경우에는 유지 보수가 용이한 서보
모터가 곧 이점으로 작용한다.
서보 모터는 크게 DC서보 모터와 AC서보 모터로 구분되어 지며 AC 서보 모터는 브러시리스
모터라고도 한다.
1) DC 서보모터
DC 서보 모터의 고정자측 구성은 기계적 지지를 목적으로 하는 원통형 프레임과
프레임 내경에는 영구자석이 부착되어 있다.
회전자의 구성은 샤프트와 샤프트 외경에 정류자 및 철심이 부착되어 있고, 회전자 철심 내부에는
전기자 권선이 감겨있다.
정류자를 통하여 전기자 권선에 전류를 공급하는 브러시 및 브러시 홀더가 부착되어 있다.
모터의 뒤쪽에는 회전속도 혹은 위치를 검출하기 위한 검출기가 붙어 있는데 이는 광학식 엔코더
혹은 발전기의 원리를 이용한 타코 제네레이터가 많이 사용된다.
DC 서보모터는 토크와 전류가 비례하여 선형 제어계의 구성이 가능함으로 비교적 간단한 회로로
안정된 제어계 설계가 가능하다.
DC 서보모터의 구동 방식은 반도체 스위칭 소자를 이용한 펄스폭 변조 방식이 주류를 이룬다
이 방식은 사용 AC 전원을 정류하여 DC 전원을 얻고 이러한 DC 전원이 모터에 인가되는
시간폭을 가변시킴으로써 모터에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 방식이다.
2) AC 서보모터
AC 서보모터의 구조는 DC 서보모터의 고정자와 회전자 측을 바꾸어 놓은 것과 같이 구성되어 있다.
고정자측 구성은 기계적 지지를 목적으로 하는 원통형 프레임과 프레임 내경에 원통형의
고정자 코어 (core) 가 있고 코어에 전기자 권선이 감겨져 있다.
권선 끝단에는 리드선이 나와 있어 전류와 전압, 즉 전력이 공급된다.
회전자 측은 회전축과 그 외경에 영구 자석이 붙어 있다.
따라서 AC 서보모터는 DC 서보 모터와 같은 브러쉬가 필요없이 고정자 측에 전력을 공급할수
있으며 이와 같은 구조를 브러시리스 모터 라고도 부른다.
AC 서보 모터의 장점으로는
1. 기계적 구조가 간단하여 최대 속도가 높다
2. 권선이 고정자에 있어 용량을 크게 할 수 있다.
3. 구조가 밀폐형으로 환경이 나쁜 곳에서도 신뢰성이 높다.
4. 유지 보수가 용이하고 기계적 마칠이 없어서 소음이 적다.
<그림> AC 서보 모터의 구동 시스템
DC 모터와 AC모터의 비교
DC 서보모터 AC 서보모터
1. 브러시 모터 1. 브러시리스 모터
2. 제어구조가 간단하고 쉽다. 2. 제어구조가 복잡하고 어렵다.
3. 단상제어 3. 3상으로 제어한다.
4. 회전 전기자형 4. 회전 자계형
5. 회전자가 권선으로 방열이 나쁘다 5. 고정자가 권선으로 방열이 쉽다.
6. 브러시의 유지 보수가 필요하다 6. 브러시의 유지 보수가 필요 없다.
7. 기계적 구조로 최대 속도가 낮다. 7. 전기적 구조로 최대 속도가 높다.
3. 서보 드라이버
서보 모터는 단독으로 구동할 수 없으며 모터를 구동하기 위한 장치가 필요하게 된다
이러한 구동 장치를 서보 드라이버라 한다.
모터를 제어하는 전압과 전류는 연속적인 물리량을 가지고 있다. 이러한 연속적인 물리량을 시간축에
대하여 끊어짐 없이 연속적인 제어를 실시하는 것이 아날로그 제어 방식이다.
즉, 아날로그 제어는 연속적인 물리량에 대하여 회로에 구성된 제어 회로 소자의 시간 지연만이 존재한다.
그러나 아날로그 제어는 제어기의 구성이 하드웨어에 준하여 구성되어 회로의 변경이 용이하지 않고
하드웨어적 연산을 실시하게 되어 회로가 복잡하여 지고 제어계 전체에 외란(Noise) 가 작용할 위험이
많다.
또한 제어기 입력 전압의 변동에 따라 모터 제어의 변수들이 변화되어 제어상태가 불완전한 요소를
상당부분 발생시킬 우려가 있다.
특히 서보모터 드라이브의 경우 모터에 작용하는 부하의 변동에 따라 모터에 인가되는 전류의 변동이
심하고 모터를 제어하기 위한 인버터는 고전압의 DC전원을 스위칭 하여 PWM 제어를 하게 됨으로
노이즈가 많이 발생하게 된다.
그러므로 아날로그 제어 방식을 사용하던 기존의 서보모터 드라이버는 드라이버에 입력되는 전압의 변동
및 외부 환경에 민감하게 반응하는 사례가 많이 발생되어 이를 개선하기 위한 방법이 개발되게 되었다.
최근 디지털 회로 및 마이크로 프로세서의 발달에 따라 고속 고성능의 연산을 수행할 수 있게 되고
디지털 신호 처리기 (DSP)는 수치 연산을 고속으로 수행할수 있게 되어 제어기의 디지털화가 가속되었다.
이에 따라 아날로그 제어의 문제점을 개선하여 외란에 강하고 소프트웨어에 의한 처리가 가능하여 짐에
따라 보다 다양하고 유연한 제어기를 구성할 수 있게 되며 복잡한 제어 알고리즘을 적용할 수 있게 되었다.
디지털 제어는 아날로그 물리량을 디지털 신호로 변환하는 변환기와 디지털 신호를 아날로그 물리량으로
변환하는 변환기가 적용 되어야 한다.
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<그림> 디지털 제어 시스템
아날로그 회로에서 구성되어지는 복잡한 제어회로는 디지털 마이크로 프로세서가 담당하게 되어
서보 드라이버의 디지털화는 아날로그 제어의 문제점을 없애며 드라이버의 크기를 획기적으로 줄일수 있게
되었다.
또한 디지털화가 이루어지면서 드라이버의 하드웨어에 대한 부담이 줄고 드라이버 구동의 핵심기술은
소프트웨어에 있게 되었다.
위 그림에서 서보 모터의 출력은 아날로그 물량을 가진다 이에 대하여 아날로그 물리량을 검출하는
검출 센서를 통하여입력 되어진 신호는 아날로그 디지털 변환기를 통하여 마이크로 프로세서에
입력되어 지며 마이크로 프로세서에서는 주어지는 명령과의 값을 비교하고 그 오차값을 구하여 적절한
자동제어 알고리즘을 수행하게 된다.
연산된 결과는 다시 디지털 아날로그 변환기를 통하여 서보 모터에 전달되고 서보 모터는 물리적인
물리량으로 출력을 하도록 구성된 시스템이다
서보 드라이버의 장점
1. 하드웨어(회로)의 변경없이 제어구조의 변경이 가능하다.
2. 소프트웨어에 의하여 하드웨어 상에서 혹은 기계기구 상에서 발생하는 외란을 보상할수 있다.
그러므로 강인한 제어계를 구성할 수 있다.
3. 마이크로 프로세서를 내장하고 있기 때문에 다른 기종과의 통신이 가능하고 주 제어 컴퓨터와의
통신이 가능하여 대규모 시스템에 대한 관리가 쉬워진다.
4. 하드웨어 구조가 간단하여 제작비용을 줄일수 있고 드라이버의 크기를 작게 할 수 있다.
5. 회로의 부품이 작아 소비전력이 작아지고 신뢰성이 높다.
※ 스태핑 모터의 장점과 단점
장점 1. 피드백이 필요없어 제어계가 단순하다.
2. 디지털 신호로 제어 하므로 마이크로 컴퓨터 등의 정밀한 제어기에 사용할수 있다.
3. 정지시 큰 정지토크를 갖아 회전 오차각이 누적되지 않는다.
4. 초 저속 동기회전이 가능하다 (진동발생)
단점 1. 관성 부하에 약하고 큰 부하 및 고속 운전시 탈조 현상이 발생한다.
2. 가·감속을 하기 위해서 토크 UP/DOWN 제어가 필요하다
3. 특정주파수 (200Hz 부근) 에서 공진과 진공현상이 발생한다
4. 권선의 인덕턴스 영향으로 펄스비가 상승함에 따라 토크의 저하로 인한 효율저하