Servo모터

[BSHC]

 

1. Servo 개요  

 

 

1-1.  서보의   역사

  자동제어를 공업적으로 최초로 이용한 것은 J.Watt가 1784년에 증기기관의 속도를 일정하게 유지시키기 위해 개발한 속도 조절기(Speed governor)가 대표적이다. 이 속도조절기는 링에 추(flyball)를 설치한 간단한 기구로서, 이것을 증기기관으로 회전시킴으로써 추에 작용하는 원심력으로 링에 병진운동을 일으키게 하는 구조로 되어 있는데, 이것에 의해 증기의 유량을 조절하는 제어밸브를 개폐하도록 만든 것이다.
이 속도조절기는 속도를 검출하는 역할과 밸브를 조작하는 역할을 겸하고 있으며, 이것을 동작시키는 동력은 제어의 대상인 증기기관에서 얻고 있는데, 오늘날 말하는 자동식 제어장치의 일종이다. J.Watt의 자력식 속도 조절기는 구성이 간단하였으나 이것만으로 충분한 제어 성능을 기대한다는 것은 무리였다. 검출기가 동력을 필요로 하는 조작 부하를 겸하기 때문에 충분한 검출정밀도를 얻을 수 없었던 것이다.

   19세기 중엽에 속도 조절기 링의 동작을 유압안내밸브와 유압실린더로 증력하여 제어밸브를 조작하는 방법이 고안되었다. 이 방법은 제어밸브를 조작하는 동력은 유압으로 주어지고, 유압을 발생시키는 유압원이 보조동력원으로 필요한 것이었다. 보조동력원을 사용하는 이른바 타력식 제어장치의 적용으로 속도조절기는 검출기로서의 역할만 담당하게 되고, 그 링의 역할로 유압안내밸브의 스풀(spool)을 움직여 안내밸브 제어포트의 개발을 변화 시켜 그것을 유동하는 유압의 유량을 제어하여, 그에 따라 유압실린더의 피스톤을 큰 힘으로 구동시켜 조작용 제어 밸브를 개폐하도록 한 것이다. 여기서 유압실린더의 동작은 안내밸브 스풀의 동작에 따르도록 되어 있고, 그 힘을 증폭하고 있다. 이것은 오늘날 널리 이용되고 있는 유압서보이다.

   서보기구라는 용어는 1934년에 H.L.Hazen 교수에 의해 처음 쓰여졌으나 Servo의 어원은 라틴어의 Servue(영어의 Slave:노예)라고 한다. 노예의 역할이 주인의 명령을 충실히 따르고 육체노동을 하는 것이므로 그러한 역할을 해내는 장치를 그렇게 이름붙인 것이다. 속도조절기에 적용시킨 유압증력장치는 정말로 그 목적을 가졌다. 검출기의 동작에 추종하고 그 위에 힘의 증폭을 행하는 것이다.

   서보기구가 그 본래의 목적인 위치에 최초로 응용한 것은 어뢰라고 한다. 어뢰는 1866년에 화 이트 헤드에 의해 발명되었는데, 처음부터 자동조종을 전제로 하여 탄생한 병기이다. 당초 어뢰는 봄제(Bombe)에 저장한 압축공기를 동력원으로 하여 프로펠러에 의해 추진되고, 공기압자이로를 센서로 하여 공기압 제어장치로 방향타를 움직여서 침로를 제어하고 심도기(수압을 검지)를 센서로 하여 공기압 제어장치로 방향타를 움직여서 심도를 제어한 것이다. 어뢰의 자동조종에 이어 배의 자동조종이 실현되었다. 수상함의 경우는 침로만 제어하면 되는데 , 센서로는 자이로캠퍼스가 쓰이고 있다. 항공기는 제 1차대전 후에 발달하였는데 그 자동조종도 당연히 실현된 것이다. 이처럼 운동체 또는 교통기관의 자동조종이 서보기구의 주요 응용분야가 되고 있는 것이다.

   이렇게 자동제어는 속도, 서보의 순으로 발달하여 1920년경부터 프로세스 제어에도 실현되었다. 프로세스제어는 온도,압력,유량,액면,Ph등 프로세스 조건량의 제어이며,이러한 것을 프로세스에 적절한 값으로 유 지하는 것이 목적이다. 석유정제 프랜트와 같이 유체를 취급하는 연속 프로세스에서는 프로세스제어에 의한 자동화 가 비교적 간단하였기 때문에 자동화는 급속히 발전을 이루었다. 연속 프로세스의 양산 프랜트에서는 최적 제어에 의한 수량의 증대가 큰 경제효과를 갖기 때문에 자동화의 장점이 그 발전을 촉진시킨 것이다. 이처럼 자동제어는 발전했으나 각각의 응용분야 간에는 거의 관련을 갖지 못했다. 제 2 차대전중 미국 MIT의 Radiation Lab.이 중심이 되어 레이다로 항공기를 자동적으로 추정하는 이른바 Automatic Rader Tracking System을 개발하는 연구가 많은 학자, 연구자들이 모여 이루어졌는데, 그 연구의 결과 시스템으로서 서보계 하드웨어의 개발에 성공하면서 이러한 제어계를 설계, 조정하는 실용적 제어이론의 개발에 성공했던 것이다. 이 이론은 서보테크닉 이라 하는 이른바 주파수응답법이었다. 전후 이들의 연구성과가 재빨리 발표되자 이 수법이 서보에만 한정되지 않고, 프로세스제어를 포함한 일반 제어계의 해석, 설계에 큰 역할을 해내어 피드백 제어이론이 체계화된 것이다.

   전후, 전자계산기의 발달으로 그 신뢰성이 향상하면서 제어에 응용하는 소위 컴퓨터제어의 시대를 맞이하게 되었다. 컴퓨터를 도입함으로써 제어의 질이 비약적으로 향상했다는 것은 말할 필요도 없다. 그때까지의 제어는 연산이라고 해도 고작 PID제어 정도였으나 컴퓨터에 의해 복잡한 연산과 복잡한 이론판단이 가능해지고 더욱 큰 용량에 의해 측정된 데이터의 이용이 가능해졌다. 그때까지의 자동화가 사람의 손발의 역할을 기계로 대행 시킨 것에 불과한데 반해 컴퓨터에 의해 인간두뇌의 역할을 대행시키는 것이 가능해졌으며,그 당시 생긴 오토메이션이란 신조어가 이 자동화의 변모에 대응하여 사용된 것이다.

   1973년에 있는 석유 가격의 급격한 폭등에 따른 소위 오일쇼크가 원인이 되어 성능상으로는 뛰 어나지만 작동을 위한 기름의 관리,기름의 누출,폐유의 처리 등 사용상의 난점을 가진 유압서보가 공업적 이용에 있어 점차 멀어지게 되고 전기서보의 전성기를 맞이하게 되었다. 여기에는 서보전동기의 성능향상, 트랜지스터,다이리스터 등 반도체 기술의 진보가 크게 공헌하였다.
   당초의 전기서보는 저관성서보 전동기나 저속대토크서보 전동기의 직류서보 전동기를 이용한 DC서보가 사용되었다. 그러나 직류서보 전동기에는 전류를 바꾸기위한 정류자의 브러시와 코뮤데이터의 마찰부분이 있어, 브러시 분말과 브러시 커뮤데이터 손상의 보상이 필요하다.
   동기전동기, 유도전동기의 교류서보 전동기에는 정류자가 없기 때문에 보상이 없어도 된다. 교 류서보 전동기를 구동시키려면 교류주파수를 변화시켜 전동기 속도를 변화시킬 필요가 있는데 직류를 가변주파수의 교류로 변화시키는 성능이 좋은 인버터회로를 트랜지스터나 다이리스터 등 반도체 소자로 실현할 수 있게 되었으며 , 또 마이크로일렉트로닉스의 연산기술이 교류서보 콘트롤러에 이용되게 되었기 때문에 교류서보 전동기를 이용한 AC서보의 성능이 향상되었으며, 비용면에서도 DC서보에 필적할 만큼 되고, 무보상의 유리함으로 AC서보가 로보트제어에 많이 쓰이게 되었다.

 1-2.  서보의   종류
    FA용 서보모터는 분류방법에 따라 여러가지로 분류가 가능하나, 여기서는 가장 간단하고 실용적인 종류로 분류하여 설명하기로 한다.
    서보모터는 크게 DC 서보모터와 AC 서보모터로 나뉜다. AC 서보모터는 다시 구조에 따라 동기기와 유도기로 분류된다.
    동기기형 AC 서보모터를 SM형(Synchronous Type AC Servo Motor)혹은 브러시리스 DC 서보모터(Brushless DC Servo Motor)혹은 영구자석형 AC 서보모터(Permanent Magnet Type AC Servo Motor)라고도 한다. 유도기형 AC 서보모터는 IM형 서보모터(Induction Type AC Servo Motor)라고도 한다.
    여기서는 편의상 AC 서보모터라고 하면 브러시리스 DC 서보모터를 뜻하는 것으로 하겠다.

위의 모터외에도 서보 시스템화가 가능한 FA용 모터로 스텝핑 모터(Stepping Motor)혹은 펄스 모터(Pulse Motor)가 있다. 각 서보모터의 구조는 다음 그림 1.2.1과 같다.

그림 1.2.1 서보모터의 구조

1-2.1 DC 서보모터의 구조

    DC 서보모터의 구조는 고정자측 구성은 자로 및 기계적 지지를 목적으로 하는 원통형의 프레임과 프레임 내경에는 자석이 부착되어 있다. 회전자측 구성은 샤프트와, 샤프트 외경에 정류자 및 회전자 철심이 부착되어 있고 회전자 철심내에 전기자 권선(Coil)이 감겨져 있다. 전기자 권선에 정류자를 통하여 전류를 공급하는 브러시 및 브러시 홀더가 부착되어 있다.
    브라켓과 플랜지에는 볼 베어링이 있어서 회전자를 받쳐주고 있다. 브라켓 뒷쪽에는 회전속도신호를 검출하는 검출기가 회전자와 연결되어 있는데 광학식 인코더 혹은 타코제너레이터를 많이 사용한다.
    DC 서보모터는 토오크와 전류가 비례하여 선형제어계의 구성이 가능하므로 비교적 간단한 회로로 안정된 제어계 설계가 가능하다. DC 서보모터는 최고속도와 그점에서의 허용 토오크는 정류불꽃에 의해 제약을 받는다.
    DC 서보모터의 구동 방식은 트랜지스터에 의한 펄스폭 변조방식이 주류를 이룬다. 이 방식은 사용 주파수 전원을 정류하여 직류를 얻어 이 직류 전원이 모터에 인가되는 시간폭을 주파수의 반송파에 의해 변화되어 간변 전압을 만들어 모터의 속도 제어를 행한다. 이런 방식의 제어는 응답성이 좋고 부하 마찰 토오크가 국부적으로 변화하므로 다관절 로봇과 같이 자세에 의한 모터축 환산부하 관성이 크게 변하는 계에서도 충분히 안정된 제어를 행할 수 있다.

 

1-2.2 동기기형 AC 서보모터

     고정자측 구성은 기계적 지지를 목적하는 원통형의 프레임과 프레임 내경에 원통형의 고정자 코어(Stator Core)가 있고 코어에 전기자 권선이 감겨져 있다. 권선 끝단에는 리드선이 나와 있어서 이 리드선으로부터 전류 및 전압이 공급된다.회전자측 구성은, 샤프트와 샤프트 외경에 자석이 부착되어 있다. 양쪽 브라켓 및 플랜지에는 볼 베어링이 부착되어 있다. 동기기형 AC 서보모터는 DC 서보모터와 반대로 자석이 회전자에 부착되어 있고 전기자 권선은 고정자측에 감겨져 있다. 따라서 정류자나 커뮤테이터 없이도 외부로 부터 직접 전원을 공급 받을 수 있는 구조이기 때문에 브러시리스 DC 서보모터라고도 한다.
    동기기형 AC 서보모터도 DC 서보모터와 마찬가기로 광학식 인코더나 리졸버를 회전속도 검출기로 사용한다.동기기형 AC 서보모터는 회전자에 자석 즉, 페라이트 자석 혹은 희토류(Rare Earth)자석을 사용하여 계자 역할을 한다.
    동기기형 AC 서보모터는 전기자 전류와 토오크의 관계가 선형이므로 제동이 용이하고 비상 정지시에 다이나믹 브레이크가 작동한다. 그러나 회전자에 영구자석을 사용하는 구조이므로 복잡하고 제어시 회전자 위치를 검출해야 할 필요가 있다. 또한 드라이버로부터의 전기자 전류에는 고주파 성분이 포함되어 있어서 토오크리플(Torque Ripple) 및 진동의 원인이 되는 경우가 있다.

 

1-2.3 유도기형 AC 서보모터

    유도기형 AC 서보모터의 구조는 일반 유도기(Induction Motor)의 구조와 똑 같다. 즉, 고정자측은 프레임, 고정자 코어, 전기자 권선, 리드선으로 구성되어 있고, 회전자는 샤프트, 회전자 코어 그리고 코어 외경에 도전체(Conductor)가 조립되어 있다. 컨덕터는 코어 외경에 축 방향으로 경사지게 많은 슬롯이 나 있는데 링 형상의 코어 양 단면과 슬롯에는 순도 높은 알루미늄 봉이 차 있어서 바구니 모양과 비슷하다.
    유도기의 경우 회전자와 고정자의 상대적인 위치 검출 센서가 필요치 않다. 유도기형은 회전자 구조가 간단하고 검출기도 특수한 것이 필요없다. 그러나 정지시에도 여자전류를 계속 흘려야 하므로 이것에 의한 발열 손실과 비상 정지시에 DC서보모터와 같이 전기자 권선을 단락하여 다이나믹 브레이크를 걸어주는 것이 불가능한것 등의 결점이 있다.

다음은 각 서보모터의 장단점을 종합해서 정리한 것이다.

종     류	장       점	단       점
DC 서보모터	기동토크가 크다. 크기에 비해 큰 토크  발생 효율이 높다. 제어성이 좋다. 속도제어범위가 넓다. 비교적 가격이 싸다.	브러시 마찰로 기계적 손실 크다. 브러시의 보수가 필요. 접촉부의 신뢰성이 떨어진다. 정류에 한계가 있다. 사용환경에 제한이 있다. 방열이 나쁘다.
동기기형 AC 서보모터	브러시가 없어서 보수 용이. 내 환경성이 좋다. 정류에 한계가 없다. 신뢰성이 높다. 고속, 고 토오크 이용 가능. 방열이 좋다.	시스템이 복잡하고 고가. 전기적 시정수가 크다. 회전 검출기가 필요 2-3Kw가 출력한계
유도기형 AC 서보모터	브러시가 없어서 보수 용이. 내 환경성이 좋다. 정류에 한계가 없다. 자석을 사용치 않는다. 고속, 고 토오크 이용 가능. 방열이 좋다. 회전 검출기가 불필요.	시스템이 복잡하고 고가. 전기적 시정수가 크다. 출력은 2-3Kw이하가 거의 없다.

표 1.1.1 각 서보 모터의 장단점

1-2.4 스텝핑 모터

스텝핑 모터에는 하이브리드(HB)형, 영구자석(PM)형, 리럭턴스(VR)형의 3가지가 있다.
  HB형 스텝핑 모터의 구조는 그림 1.2.2와 같다. 그림과 같이 로터의 중심부의 길이 방향으로 자화된 원통형의 영구자석이 있고 이것을 전후에서 끼우듯이 다수의 작은 기어를 가진 연자성체(대부 분의 경우 성층 규소강판)가 빈 피치 위상지연의 상태에서 배치되어 있다. 스테이터에 대해서는 여자용 코일의 갯수가 짝수로 철심에 감겨 있다.
  HB형 스텝핑 모터는 중심부의 자석 효과만을 보면 PM형 모터이며, 자석이 없는 연자성체만을 보면 VR형 모터가 된다. 이같은 의미에서 HB형은 VR형과 PM형의 합성 구조이다.
  스텝핑 모터의 출력 토오크는 여자전류값에 비례하여 증대되지만, 과대 전류하에서는 출력포화가 발생한다. 출력 토오크 증대의 수단으로서 그림의 HB구조를 축방향으로도 많이 연결 한다. 무여자시의 발생 토오크를 디텐트(detent)토오크라고 하는데, 특별한 경우를 제외하고 이것을 작게 하는 것과 정지 각도 오차(피치오차)를 기본 스텝 각에 대하여 30%이내로 억제하려는 노력을 하고 있다.

 

그림 1.2.2 스텝핑모터의 구조

 

 

2. AC Servo Motor 의 구성  

 

 

2-1.  AC 서보모터 개요
 2.1.1 토오크의 발생원리
  AC 서보모터는 모터 단체로서 본다면, 어디까지나 AC 모터이다. 그러나, 전용제어 장치와 조합시키면 제어성이 우수한 DC 서보모터와 동등 이상의 성능을 내는 모터가 된다. DC 서보모터의 회전속도를 바꾸기 위해서는, 일반적으로 전기자에 인가하는 전압을 변화시키는 방법을 취한다. 전기자 전압은 회전속도와 거의 비례 관계가 있고, 전압을 내리면, 어느 정도 속도를 내릴 수 있다.
  한편, AC 모터는 일반적으로 주파수를 변화시켜 회전 속도를 바꾸는데, 이 주파수에는 자연히 한계가 있다. 간단한 인버터를 사용한 정도면 서보모터의 특징인 넓은 변속 범위를 얻을 수 없다. 그러면, 어떤 형태로 하여 AC 모터에 우수한 제어성을 줄 수 있는지 DC 모터의 원리를 참고로 하여 설명한다.

(1) DC 모터의 원리
 그림 2.1.1은 DC 모터의 원리를 간단하게 나타낸 것이다.

 

그림 2.1.1 DC 모터의 기본원리

  영구자석 N, S에 의해 자계가 형성되고, 브러시와 정류자를 통한 전류가 도체내를 흐르면 플레밍의 왼손 법칙에 따라, 그림에서는 화살표 방향으로 토오크가 발생한다. 회전자가 회전하여 약 90도 회전하면 정류자에 의해 전류방향이 뒤바뀌어 회전을 계속할 수 있다. 이 일련의 동작을 잘 생각해 보자 그림의 상태에서 통전하여 회전을 시작하면 토오크는 점점 감소하고 90도의 위치에서 0 이된다. 본래, 여기에서 정지하는 것인데 실제는 회전자의 관성때문에 조금 더 회전하여 90도를 약간 넘은 곳에서 전류의 흐름이 뒤바뀌게 되고 토오크는 점점 증가하기 시작한다.
  그림의 모터는 특히 토오크 변동이 큰 모터이다. 그러나, 실제의 모터는 정류자가 수 십개 있어, 회전자가 약간 돌면 전류의 방향이 뒤바뀌게 되어 항상 최대 토오크인 곳에서 사용되는 형태로 설계되어 있다.
  이와같이, DC 모터의 구조는 자력선과 전류의 방향이 항상 직각으로 교차하는 모양으로 되어 있어, 전류에 비례한 안정된 토오크를 항상 얻을 수 있다. 그렇지만, 이를 위해서는 정류장치(브러시, 정류자)가 반드시 필요하다.

 

(2) AC 모터의 원리
 그림 2.1.2는 AC 모터의 정류자를 슬림링으로 바꾼 것이다.
지금, 브러시 A가(+), 브러시 B가(-)로 되는 모양으로 통전하면 DC 모터와 같은 모양의 토오크가 발생하여 모터가 회전한다. 그러나 정류자가 없기 때문에 정지하여 버리므로, 적당한 시기에 전류 방향을 바꿔 줄 필요가 있다.
  역으로 생각하면, 전원을 교류로 하면, 그 주파수에 맞는 회전속도로 계속 돌 수 있다. 이와 같이, 전원 주파수에 동기시켜 모터를 돌리는 것이 교류 모터이고, 회전자의 위치에 의해 전원의 극성을 반전시키는 것이 브러시리스 모터이다.

 

그림 2.1.2 AC 모터의 기본원리(1) - 회전 전기자형

  그림2.1.2에서는 DC 모터와 비교하기 쉬운 형태로 브러시와 슬립링을 설치했는데, 같은 원리를 그림 2.1.3의 형태로 나타내면 브러시를 생략할 수 있다. 그림2.1.2를 회전 전기자형, 그림2.1.3을 회전 계자형 이라 부른다. 브러시리스 서보모터의 경우는 회전 계자형을 사용한다.

 

그림 2.1.3 AC 모터의 기본원리(2) - 회전계자형

(3) AC 모터(브러시리스 서보모터)의 원리
  브러시리스 모터는 DC 모터가 가진 정류장치를 모터에서 떼어내고, 대신에 전원을 제어 하여 회전자 위치에 맞는 전류를 흘리는 장치 즉, 드라이버에 의해 구동된다. DC 모터는 정류자의 갯수를 늘림으로써 토오크 리플을 적게할 수 있는데, 브러시리스 모터에서는 모터를 3상 권선으로 하고, 각 상의 전류를 구형파 혹은 정현파의 교번 전류를 흘려 구동하다.
  그림 2.1.4의 (a),(b)는 3상 브러시리스 모터의 횡단면도 이고, U+,U-,V+,V-,W+,W-는 각 권선의 시작과 끝이다.

 

그림 2.1.4 회전자계의 원리

  모터에 그림 2.1.4(c)와 같은 3상 교류(정현파)가 통전되고 있을 때, 시각 A점에 있어서 모터의 상태를 보면, U상만이 정(+)이고 V상과 W상 모두 부(-)이다. 그러므로 각 권선의 전류 방향은 그림 2.1.4(a)와 같이 되고 전류에 의해 유기된 자속의 합성벡터는 N에서 S로 향하는 방향으로 발생한다. 이때 자속과 직각으로 교차하는 위치에 회전자의 자계가 있다고 하면 자석 끼리의 반발력과 흡인력에 의해 회전자를 시계 방향으로 돌리는 토오크가 발생한다. 또 시각 B점에 대해서도 같은 모양으로 검토해 보면, 권선에 의한 자속은 그림 2.1.4(b)와 같이 회전방향에 60도 어긋난 위치에 발생한다.
  이와 같이 고정자 권선에 3상 교류(정현파 혹은 구형파)전류를 흘리므로써 연속적인 회전자계를 얻을 수 있다. 이 구동전류 위상을 회전자의 회전각에 대하여 항상 직교하는 형태로 맞출 수 있다면 매끄러운 토오크를 내면서 효율이 좋은 모터를 브러시리스로 구성할 수가 있다.

2.1.2 회전자 위치 검출 회로
  AC 서보모터에서도 DC 서보모터와 같이 전류의 방향과 자속의 방향을 직교시키기 위해서는 자석의 위치를 정확히 파악하지 않으면 안되다.
  그림 2.1.5에는 종래의 인크리멘탈 인코더의 내주부에 자극 위치를 센싱할 수 있는 전용 슬릿이 추가된 인크리멘탈 인코더를 보인다. 자극 검출신호 U,V,W 채널 신호는 AC 서보모터의 극수에 맞춰 각 전기각으로 120도 어긋난 위상차를 갖고 있다. 따라서 검출신호수는 종래의 A,B,Z 채널 외에 U,V,W 채널이 합해져서 6신호가 된다. 이것을 장거리 전송이 가능하도록 라인 드라이버로 출력한다.

그림 2.1.5 AC 서보모터용 옵티컬 인코더의 출력파형

2.1.3 구동 시스템
  이 모터의 동작원리는 앞 절에서 설명한 바와 같이 DC 모터의 정류자 기능을 홀센서(Hall Sensor)와 반도체 전력 변환기로 하고 있다는 것이다. 발생 토오크는 전류와 자속의 곱에 비례하기 때문에 직류기와 동일하게 직교하고 있다.
   다음 그림은 구동시스템의 전체 구성등 나타내었다.

그림 2.1.6 AC 서보모터 구동시스템의 구성

  전류지령을 위한 회전자 위치 검출기와 속도 검출기가 모터 축에 커플링으로 연결되어 있다.
  그림 2.1.7에 전류제어 트랜지스터 PWM 인버터의 주회로를 나타낸다. PWM 인버터는 상전류를 피드백하기 때문에 PWM에 의해 모터 손실을 줄일 수 있으며 토오크리플을 작게 할 수 있다. 또한 트랜지스터에 흐르는 피크전류도 작게 할 수 있다.

 

그림 2.1.7 전류제어형 트랜지스터 PWM 인버터의 주회로

  그림 2.1.8에서는 AC서보모터 구동 시스템의 제어 블럭 다이어그램을 나타낸다. 회전자의 각위치 검출기로 부터의 신호에 의해 3상의 교류전류(정현파 혹은 구형파)를 발생시키고 그것에 전류 지령치가 곱해져 피드백된 3상 전류와 각각 비교한다.   만일 모터 전류가 지령치에 비해 크게 되면 인버터는 전류를 작게하는 방향으로 스위칭 하고, 반대로 모터전류가 지령치에 비해 크게되면, 인버터는 전류를 크게하는 방향으로 스위칭 하게된다.
  속도 신호는 각도 신호의 예측을 위해 피드백 되어, 계의 시간 지연을 작게하고 있다.

그림 2.1.8 AC 서보모터 구동 시스템 제어 블럭도

 

3. Servo Drive 의 구성
	서보 드라이브의 기본 블럭도를 그림으로 나타내면 그림 3.0.1과 같다. 보통 시판되고 있는 서보 드라이브는 2점 쇄선으로 쌓여있는 속도제어 부분을 유니트로 통합시킨 것이 가장 많다. 위치제어 부분은 제어하려고 하는 기계에 맞춰 제어 시스템을 구성할 필요가 있기 때문에 다종 다양한 형태를 갖게 되는데, 유니트로 통합시키면 약간 범용성이 부족하게 된다. 최근에는 마이크로 컴퓨터의 보급에 따라 상위시스템이 위치및 속도제어 부분을 뭉퉁거려 전류제어 부분을 유니트로 통합시키는 경우도 드물게 있으나 제어의 예리함이란 점에서는 속도 제어 부분이 무난한 것 같다.  서보 드라이브는 크게 1) 서보 모터에 파워를 공급하는 파워변환기 2) 전류제어부 3) 속도제어부 4) 위치제어부에 의해 구성된다. 그림 3.0.1 서보 드라이브의 기본 블럭도 3.1 파워 변환기  파워 변환기는 파워 디바이스에 의해 구성되는데, 파워 디바이스의 특징에 따라 선택 하여 사용할 수 있다. 파워 디바이스에는 파워 트랜지스터, 파워 MOSFET, IGBT(Insulated Gate Bi-polar Transistor), IPM(Intelligent power modules)등이 있으며, 이러한 디바이스로 파워 변환기를 구성했을때의 취급가능한 출력과 스윗칭 주파수는 서로 다른 특성을 지닌다. 즉 파워 트랜지스터는 상대적으로 대용량, 저 스위칭 주파수, 파워 MOSFET는 소용량, 고 스위칭 주파수로 동작시키는데 적당하며, IGBT는 위 두소자의 단점을 동시 보완한 것으로서 대용량, 고 스위칭 주파수 동작이 가능하며 아울러 파워 소모가 상대적으로 적은 장점도 갖고 있으며, 최근에 각광을 받고 있는 IPM은 IGBT소자 내부에 보호회로 까지 추가된 디바이스이다. 참고로 가장 대용량쪽에 있어서는 다이리스터(Thyristor) 또는 GTO등이 파워 디바이스로 사용되고 있다.  한편 제어하려고 하는 모터의 형태(DC 서보모터, AC 서보모터, Step Motor 등)에 맞춰 파워 변환기의 구성도 달라진다. 그림 3.1.1에 일반적인 파워 변환기의 구성을 나타내었다.  여기서 C21, C31은 다이리스터(Thyristor)의 위상제어에 의한 DC 서보모터의 한 방향제어, C22, C32는 다이리스터의 위상제어에 의한 DC 서보모터의 가역제어에 쓰인다. C11은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, 약칭 PWM)를 함으로써 DC 서보모터의 한 방향 제어가 가능하고, C12는 DC 서보 모터의 가역제어가 가능하다. 그림 3.1.1 파워 변환기의 구성 모터 제어에 있어서 중요한 개념인 "PWM"은 파워 디바이스의 ON-OFF비율을 변화시켜 모터의 단자전압을 제어하는 방법으로서 그림3.1.2과 같은 개념이다. 그림 3.1.2 PWM에 의한 모터의 단자전압 제어  통상의 DC 서보 드라이브는 C12의 파워 변환기를 PWM방식으로 구동하는 방법이 일반적이고, AC 서보 드라이브는 C13의 파워 변환기를 PWM방식으로 구동하는 것이 대부분이다.  PWM의 캐리어 주파수(Carrier Frequency)는 서보의 속응성을 나타내는 주파수 특성에 영향을 미치기 때문에, 로스가 허락하는 한 높게 잡을 수 있다.  한편, 파워 디바이스의 상하 아암간 단락을 방지하기 위해 베이스 드라이브 신호에 온-딜레이(on-delay) 회로가 설치되어야 하는데, 이 온-딜레이 시간은 파워 디바이스의 온-딜레이 시간보다 길게 잡을 필요가 있기 때문에 결과적으로 입출력 특성은 불감대를 갖게 된다.

4. Servo Motor 사용법  

 

 

4.1. 기호 및 단위

 서보시스템 설계에 사용되는 용어 및 기호는 각 서보모터 메이커마다 조금씩 다르나 여기에서는 우리나라 및 일본이 메이커에서 사용되는 용어 및 기호를 설명한다.

항 목	영 문 명	기 호	단 위
정격 출력 정격 토오크 정격 회전수 정격 전류 최대 연속토오크 순시 최대토오크 순시 최대전류 최대 회전수 토오크 정수 유기 전압 정수 점성 제동 계수 마찰 토오크 회전자 관성 파워 레이트 열 시정수 기계적 시정수 전기적 시정수 전기자 저항 전기자 인덕턴스 열저항	Rated Output Rated Torque Rated Speed Rated Current Maximum Continuous Torque Instantaneous Peak Torque Instantaneous Maximum Current Maximum Speed Torque Constant Back EMF Constant Viscous Damping Coefficient Friction Torque Rotor Inertia Power Rate Thermal Time Constant Mechanical Time Constant Electrical Time Constant Amature Resistance Amature Inductance Thermal Resistance	PR TR NR IR TC TP IP Nm KT KE KI Tf JM GD2 QR tth tm te Ra La Rth	KW Kg · cm RPM A Kg · cm Kg · cm A RPM Kg ·cm/A V/kRPM g ·cm/RPM g ·cm Kg · cm ·s2 gcm2 KW/Sec min msec msec l mH ˚CW

표 4.1.1 서보모터의 용어 및 기호

 아래표에는 서보시스템에 많이 쓰이는 실용단위와 SI단위(International System of Unit)의 환산표를 보인다.

명 칭	실 용 단 위	SI 단위	환 산 량
힘, 하중	kgf	N	1Kgf = 9.807N
중 량	Kgf	-	실용 단위의 중량과 SI단위의 질량은 수치가 같다.
질 량	kgf · S2/cm	kg	실용 단위의 중량과 SI단위의 질량은 수치가 같다.
토오크	kgf · cm	N · cm	1kgf · cm = 9.807N
이너셔	gf · cm · S2	kg · m2	1gf · cm · S2 = 0.987 x 10-4 kgm2
GD^2	kgf · m2		J = GD2 / 4

표 4.1.2 단위 환산표

 

	4.2. 사양서 용어설명 (1)  일반적으로 사양서에서 다루는 용어는 다음과 같다. 아래에 각 항목별 의미를 설명한다.   (1) 서보모터의 동작 특성도  서보모터의 동작 특성도는 모터와 모터 구동장치 즉 드라이브와 결합된 상태에서 모터가 낼 수 있는 토오크 및 회전속도의 관계를 나타내는 그림이다. 이 그림을 "토오크-회전속도 특성도(Torque-Speed Characteristic Diagram)" 라고 하며 특성도에는 보통 다음 그림 4.2.1과 같이 2개의 곡선이 그려져 있다.  각 곡선 및 직선의 특성과 특성도를 보는 법은 다음과 같다.   그림 4.2.1 토오크 - 회전속도 특성도 - 연속정격영역(SOAC : Safety Operating Area of Continuous)  시간적으로 계속해서 사용하여도 모터에 이상없이 운용할 수 있는 토오크 - 회전속도 사용영역,. 만약 이 범위를 넘어서 쉬지 않고 연속으로 사용하면 모터에 과도한 열이 발생하여 모터가 정지하게 된다. (2) 정격  모터의 정격값은 모터의 성능을 단적으로 표현해 주는 수치로써 모터의 얼굴과 같은 것이다. 정격출력은 모터 사용자가 시스템 설계시 적절한 모터용량을 가늠하여 카달로그로부터 최적의 모터를 선정할 수 있게 모터 메이커로부터 제공되는 가장 기초적인 수치이다. 그림 4.2.1의 특성도에서 보듯이 정격점(Rated Point)은 연속 정격곡선상에서 출력 혹은 효율이 최대인 점으로 정의된다. 정격 출력 PR, 정역 토오크 TR 및 정격 회전수 NR사이에 다음과 같은 관계가 있다.       PR = ( TR · NR ) / (97.44)   [W : Kg · cm, RPM] (3) 최대 연속 토오크  최대 연속 토오크는 모터를 시간적으로 연속해서 계속 사용할 경우 낼 수 있는 최대 토오크이다. (4) 순시 최대토오크 및 순시 최대전류  최대 연속토오크는 시간적으로 연속사용인데 비하여 순시 최대토오크는 순간적으로(모터를 가감속하는데 요하는시간) 모터가 낼 수 있는 최대토오크이다. 순시 최대토오크를 발생시키기 위하여 모터 드라이브로부터 공급되는 전류가 순시 최대전류이며 이 전류의 한계는 자석의 감자특성, 모터 드라이브의 정류특성, 모터 각 부위의 온도 상승한도 등에 의해 제한 받는다. (5) 최대 회전수  모터가 낼 수 있는 최대 회전속도를 말하며 모터에 사용된 베어링, 모터 샤프트의 기계적 강도등에 의해 제한 받는다. (6) 토오크정수  모터 드라이브로부터 단위 전류를 모터에 공급할 때 모터는 토오크정수와 전류의 곱에 해당하는 토오크를 발생한다. 실제로 서보계에서는 모터 축에 부하가 걸리면 회전속도가 감소하고, 정속을 유지하기 위해서는 드라이브는 모터에 더 큰 전류를 공급하여 결국 토오크가 증가하게 된다.  정격전류 IR은 모터가 정격토오크를 내기 위해서 드라이브로부터 공급 받는 전류로서 정격 토오크 TR에 직접 비례한다. 이 비례상수가 토오크 정수 KT이다.  즉,        TR=KT · IR[Kg · cm; Kg · cm/A, A]   그림 4.2.2 토오크정수 KT (7) 유기전압정수  서보모터의 축으로부터 외부에서 회전력을 가하게 되면 모터는 발전기의 역할을 하게되어 파워 단자로부터 저압이 발생한다. 이 전압을 유기전압 혹은 역기전력(back EMF)라고 하며 유기전압은 회전속도에 비례한다. 이 비례상수를 유기전압정수 KE라 한다. 유기전압정수는 토오크정수와 다음과 같은 관계가 있다.        KE = 10.26 KT [V/KRPM; kg · cm/A]   그림 4.2.3 유기전압 정수 KE (8) 점성제동계수  모터의 회전속도에 비례해서 발생하는 손실토오크를 점성제동력이라 하고, 1RPM당 점성 제동력을 점성제동계수라 한다. 점성 제동력은 철손(Iron Loss), 베어링(Bearing Loss)등에 의해 생긴다.  보통 점성 제동력은 정격토오크보다 충분히 자기 때문에 시스템 설계시 무시해도 좋다.   그림 4.2.4 점성제도계수 Ki (9) 마찰토오크  모터가 회전시 베어링 등의 기계적인 마찰에 의해 생기는 손실 토오크로 정격토오크의 약 5% 미만이다. (10) 회전자 관성  모터 회전자(Rotor)의 중량과 기하학적 형상 즉 길이, 지름등에 의해 정해지는 관성 모멘트를 말하며, 서보시스템 설계시 아주 중요한 데이터이며, 모터의 동적 성능을 좌우하는 요소 중의 하나다.  어떤 카탈로그에는 관성 모멘트 JM과 플라이휠 효과(Flywheel Effect) GD^2를 많이 쓴다. JM과 GD^2사이에는 다음과 같은 관계가 있다.       JM = GD^2 / 4

 

4.2. 사양서 용어설명 (2)

(11) 파워 레이트(Power Rate)
 회전자 관성과 마찬가지로 모터의 동적 특성을 나타내는 요소로서, 파워레이트는 모터 출력의 발생 속도를 의미한다. 수식적으로는 모터 자체의 회전자를 가속시키기 위한 당위 시간당 출력상승 허용손실과 기계적 시정수의 비로 정의된다.
  즉, 파워 레이트QR은

     QR = 980 · TR ^2 / JM · 10^-4 [KW/Sec; Kg · cm, Kg · cm · Sec^2]

(12) 열시정수
 서보모터가 어떤 부하를 갖고 구동하면 모터권선에는 열이 발생하게 되고 온도가 높아진다. 이 상승온도는 사용된 절연재에 따라 제한되는데 통상, 절연계급으로 규정한다. 표 4.2.2에는 절연계급에 따른 모터의 허용최고온도를 나타낸다. 열시정수는 정격부하, 정격회전속도로 연속적으로 구동할 때, 온도 상승한도의 63.3%까지 모터권선 온도가 상승한 때의 시간을 말한다. (그림 4.2.5참조)

절연 계급	허용최고온도
A E B F H	105 120 130 155 188

그림 4.2.5 열 시정수

(13) 기계적시정수
 모터 축에서 부하를 제거한 후 정지한 상태에서 갑자기 정격회전수로 회전하라는 지령을 모터 및 드라이브에 입력했을때 그림 4.2.6과 같은 시간-회전속도의 특성도가 얻어진다.
 기계적시정수는 그림의 특성도에서 정격회전수의 63.3%까자 도달했을 때 걸리는 시간을 말한다.
 기계적 시정수가 짧으면 그만큼 서보모터의 기동성이 좋음을 뜻한다.

그림 4.2.6 기계적 시정수

(14) 전기적시정수
 정격부하가 인가된 후 정지상태에서 갑자기 모터를 구동하면 그림4.2.7과 같이 모터권선에는 전류가 인가된다. 이때 정격부하가 인가되었기 때문에 최종적으로는 서보모터에는 정격전류가 인가된다.
 전기적 시정수는 정격전류의 63.3%에 상당하는 전류가 모터에 인가될 때 까지의 시간을 말한다.

그림 4.2.7 전기적 시정수

(15) 전기자 저항 및 인덕턴스
 3상 AC서보모터에는 3개 단자의 파워 공급라인이 있다. 이중 2개의 단자를 LCR미터를 이용하여 저항 및 인덕턴스를 측정한 값이 각각 전기자 저항 Ra 및 인덕턴스 La가 된다.

(16) 열저항
 열 저항은 모터의 파워손실이 권선의 온도상승에 어느정도 기여하느냐를 나타내는 지표를 나타낸다. 파워손실이 일정하다면 열적으로 잘 설계된 모터의 경우 발생열은 대기로 방열이 잘되므로 권선 온도상승이 높지 않게 된다. 즉 열저항이 낮아진다. 열저항이 낮은 모터가 성능이 우수한 것이라 할 수 있다.

(17) 시간정격
 정격으로 모터/드라이브를 구동시 시간적으로 연속해서 사용 가능함을 나타냄.

(18) 보호 냉각방식
 모터 외부는 프레임, 프랜지등으로 차폐되어 있고, 모터의 발열은 특별한 냉각방법이 필요없는 자연냉각 방식.

(19) 주위온도/주위습도
 사용 가능한 주위온도 및 습도.

(20) 여자방식
 계자를 발생시키는 방법을 말하며 영구자석에 의해 계자가 형성됨.

(21) 절연내압/절연저항
 3상 전원과 주위 즉, 모터 본체와의 절연 정도를 나타냄.

(22) 부착방식
 모터를 시스템에 부착 시키는 방법, 프랜지에서 4개의 나사로 결합시킴.

(23) 연결방식
 부하와 모터축을 커플링 등으로 직결.

(24) 진동계급
 정격으로 회전시 프랜지에서의 최대 진동 진폭은 15um이하.

note) 기술문서 자료 발췌(인용) 편집함.   출처) my.dreamwiz.com/drshin/