서보시스템

서보시스템이란?
SERVO란 말의 어원은 SERV(하인)라는 뜻으로부터 시작되었고, 서보시스템이란 말은 지령(command)에 따라 충실히 수행하는 시스템을 통칭한다. 이에 따라 서보시스템은 반드시 상위로부터 지령을 받아 동작하고, 받은 지령을 충실히 수행하기 위해 자체적인 피드백 제어시스템을 갖고 있다.

서보모터와 스테핑모터는 어떻게 다른가?
서보모터는 센서를 이용해 피드백제어를 함으로써 지령에 대하여 고속, 고정밀로 추종하는 특징을 갖는데 반해, 스테핑모터는 위치를 펄스단위로 분해해 지령펄스만큼 위치를 이동하지만 위치센서가 없어서 탈조가 발생할 경우 위치가 틀어지는 문제점이 있다.

이를 보완하기 위해 최근에는 위치센서를 부착해 피드백 제어를 하는 경우도 있다. 엄밀히 말하면 이 경우는 스테핑 서보모터라 칭해도 큰 무리가 없다.

AC서보모터와 DC서보모터는 어떻게 구별되는가?
DC서보모터는 1985년 이전에 주로 사용됐고, 정류자에 의한 소음 및 분진 발생과 브러쉬 마모에 따른 유지보수의 문제점으로 인해 브러쉬가 없는 형식의 AC서보모터로 1985년 이후 급격히 대체됐다.

DC서보모터의 장점은 제어회로가 간단해 소형화가 용이하고 제어 드라이브의 가격이 싸다는 것이다. 단점은 브러쉬 마모에 따른 분진발생과 유지보수가 필요하고 정류자와의 기계적 접촉에 따른 소음이 발생하며 고속회전이 어렵다는 것이다. DC서보모터의 용도는 초소형 제어시스템, 운반기계가 알맞다.

AC 서보모터의 장점은 브러쉬 및 정류자가 없어 유지보수가 필요없고, 소음이 적으며 구조가 견고하고, 내환경성이 우수하다는 것이다. 대출력이 용이하고 고속회전이 용이하다는 것도 장점이다. 단점은 제어회로가 복잡하고, 가격이 비싸며 회전자 위치검출 장치가 필요하다는 것이다. AC서보모터의 용도는 각종 산업용기계 및 자동화 시스템이 알맞다.

서보시스템에서 피드백이 왜 중요한가?
서보 시스템의 피드백 센서인 인코더는 브러쉬와 정류자의 역할을 대신하는 회전자 위치 판별기능과 위치를 카운팅하는 위치 펄스로 설명될 수 있다. 회전자 위치 판별 기능은 서보 운전에 있어서 최적의 조건으로 제어 할 수 있도록 하는 역할을 하므로  서보의 출력 특성에 중요한 요소가 되고, 위치를 카운팅하는 위치펄스의 분해능은 서보의 정밀도를 좌우하게 된다. 따라서 동일조건의 서보모터에서의 인코더의 성능은 서보시스템의 성능과 정밀도를 좌우하게 된다.

위치센서의 현황은?
위치센서에는 크게 전자식의 레졸버, 광학식의 증가형 인코더, 절대치형 인코더가 있다. 레졸버는 구조가 모터와 유사하고 내환경성이 우수하다. 레졸버는 진동, 충격 등의 내환경성이 우수하고 사용온도의 범위가 넓으며 장거리 전송이 가능하고 형상의 소형화가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 신호처리 회로가 복잡해지며 로터리 인코더에 비해 고가라는 단점이 있다.

광학식 인코더는 기능면에서 인크리멘탈형과 절대치형으로 분류된다. 광학식 인코더는 투광용 광원, 수광소자, 슬릿이 있는 회전 디스크 3가지로 구성되며, 회전 디스크를 투광용 광원과 수광소자의 중간에 넣어서 회전시키면 회전각에 비례한 펄스 출력을 얻을 수 있다.

즉, 투광용 광원으로 발광 다이오드(LED)를 이용해 회전 디스크를 통과한 광선이 똑바로 수광소자에 투사되도록 한 것이다. LED로부터 투사된 광선(적외광선)은 회전 디스크의 슬릿과 고정 슬릿판의 슬릿을 통과해 수광소자에서 검출된다.

절대형 인코더는 원판상에 절대위치정보를 적어 놓은 인코더이며 그 정보를 읽어들이면 절대 위치검출이 가능하다.

인코더의 기술추세를 년도별로 분류하여 본다면
1980년대의 인코더의 특징으로는 고신뢰성, 안전성, 소형화, FA활성화를 들 수 있다. 이 시기의 성능은 Inc. 300~1024 P/R이었다.

1990년대에 와서 인코더는 성배선화, 고펄스화, 서보화의 확대라는 특징이 있었고 성능은 9배선식, 시리얼 전송형, Inc./Abs였다.

2000년대에 들어와서 인코더는 고정밀제어, 통신기능의 확대, 정보의 저장기능의 특징을 띄었다. 이 시기에 인코더의 성능은 Inc. 131072 P/R, 통신 Asic의 개발에 따른 소형화 등으로 분류할 수 있으며, 향후에는 아날로그 신호를 정밀화 할 수 있는 Photo IC 기술의 발전에 따라 인코더는 점점 더 고정밀화 및 고분해능화되어 가는 추세다. 덧붙여 말한다면 현재 상용화되어 있는 인코더의 분해능은 수백만 펄스까지이다.

인버터와 서보드라이브는 어떻게 다른가?
서보드라이브는 부여된 목표입력에 대한 빠른 추종응답 특성을 갖고, 넓은 속도제어의 범위를 가지며, 정밀하게 움직일 수 있도록 서보 모터에 공급하는 전력을 서버모터에 적합한 형태로 변환해 제어하는 시스템을 말한다.

서보드라이브는 제어하고자 하는 서보 모터의 전기적 특성에 따라 AC서보 드라이브와 DC서보 드라이브로 구분되며, AC서보 드라이브에는 다상(일반적으로 3상)의 전압형 PWM (Pulse Width Modulation)인버터가 사용된다. 엄밀히 말하자면 인버터는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환회로를 지칭하나, 통상적으로 동기모터(Synchronous Motor)를 제어하는 경우 서보드라이브라 하고, 유도전동기(Induction Motor)를 제어하는 경우 인버터라고 지칭한다.

리니어 서보 모터의 장점과 단점은 무엇인가?
통상의 모션시스템은 회전형 모터와 벨트, 랙피니언, 볼스크류 등을 이용해 직선운동을 구현한다. 그러나 리니어 서보모터는 직선으로 직접 구동되는 모터로서, 회전모터를 잘라 펼쳐놓은 것이다. 리니어 서보모터는 일렬로 배열된 자석사이에 위치한 코일에 전류를 흐르게 함으로써 힘을 얻는다. 그리고 리니어 모터는 직접 구동식이므로 회전형 모터를 적용한 운동시스템에 비해 구조가 간단하고 차지하는 공간이 적으며, 비접촉식이므로 소음 및 마모가 상대적으로 적다. 또한 성능면에서 빠른 이동속도, 강한추력 및 정밀한 위치제어가 가능하다는 등의 장점을 가지고 있으나, 기계의 강성을 높이기 위한 비용 및 동일한 스트로크의 시스템을 꾸미기 위한 비용이 회전형 모터를 적용한 운동시스템에 비해 아직 고가라는 단점이 있다.

서보시스템도 사용수명이 있는가?
서보시스템은 크게 구동제어부, 구동부 및 센서부 등으로 분류된다. 이 모든 구성요소는 전자부품, 전기기기부품, 회전기기부품 등으로 구성되어 있기 때문에 부품의 열화현상 및 마모현상이 계속 생기기 마련이며, 이 때문에 부품의 교환주기가 있는데 이것이 서보시스템의 사용수명이다.

서보시스템이 모터+드라이브+인코더의 통합화 경향을 보이는데, 그 이유는?
과거의 서보시스템은 모터, 드라이브 및 인코더를 생산하는 업체가 각각의 고유의 특성을 살려 한가지의 아이템 또는 두가지 정도의 아이템으로 전용생산 했으나, 이는 사용자의 다양한 욕구를 충족시켜주지 못할 뿐만 아니라, 적기에 싼가격으로 공급하기가 어렵다. 현재의 사용자는 업체 고유의 특성을 살린 시스템이 구성되기를 원하고 있으며, 치열한 경쟁에서 살아남기 위해서는 경쟁사에 비해 낮은 원가의 제품을 생산해야 한다.
또한 최근의 제품은 Life Cycle이 대폭 단축되었다. 따라서 이 모든 조건을 만족시키기 위해서는 서보를 생산하는 시스템이 통합화되지 않고서는 경쟁에서 살아남기 어렵다.

서보시스템 선정시 고려해야 할 사항은?
서보시스템 선정 시 고려해야 할 조건들은 시스템의 설계방법에 따라 다르다. 일반적인 선정 조건들을 본다면 운전 패턴의 결정을 위해서는 운전거리, 운전속도, 운전시간, 가·감속시간, 위치결정 정밀도 등을 고려해야 할이다. 구동기구 시스템의 경우 감속기, 풀리, 볼 스크류, 롤러 등과 같은 기구시스템의 해석과 시스템의 외력, 마찰에 따른 손실 등을 고려한 부하토크 해석이 필요하다. 서보모터의 선정을 위해서는 ▲평균 부하율이 선정된 서보모터 연속정격의 범위 내인가, ▲모터의 회전자 관성대비 부하의 관성비가 적절한가, ▲가·감속의 운전토크가 선정된 서보모터의 최대 토크 범위 내인가, ▲가·감속 시 회생부하율은 적정한가, ▲기계 시스템 전체의 기계정밀도 및 운전능력의 검토가 필요하다.

서보모터를 저관성, 중관성, 고관성으로 분류하는데 어떤 차이점이 있나?
서보모터의 운전 동특성은 부하관성의 크기와 모터자체의 관성의 크기에 따라 영향을 받는다. 따라서 기계의 관성에 따라 적합한 형태의 것을 적용해야 한다. 부하체의 관성이 큰 경우에는 모터 자체의 관성도 큰 고관성형의 모터를 적용해야 하는데, 이런 경우에는 시스템 전체의 관성이 크기 때문에 고속의 가감속 운전은 피해야 하고 높은 토크로 저속운전을 해야 한다. 반대로 고속으로 가감속 운전을 해야하는 시스템의 경우에는 시스템 전체의 관성이 적을수록 속도를 높일수 있기 때문에 모터자체의 관성도 적은 저관성형의 모터를 적용해야 한다.

서보에서 파워레이트란 무엇이며, 같은 용량에서 클때와 작을때의 차이점은?
파워레이트의 단위는 [kW/s]로 표시되는데 이것은 마찰손실을 무시했을 때 모터자체의 회전자가 가속을 하는데 필요한 단위 시간당의 출력증가분이다. 이에 대한 식은 Q = 980×(Tr2/Jm)×10-7 으로 나타낸다.(여기서 Tr:모터의 정격토크, Jm:모터의 관성) 따라서 고관성형의 모터일수록 단위 시간당의 출력이 떨어지며, 저관성형의 경우는 이와 반대이다.

서보모터 회전시 모터에서 발열이 있는데 어느 정도부터 이상이 있는 것인가?
모터를 회전시킬 경우 공급되는 전기에너지가 모두 회전에너지로 변환되는 것이 아니다. 이 때 발생되는 에너지의 손실은 크게 철손, 저항손 그리고 마찰손 등으로 분류되는데, 이것이 모터의 열발생의 원인이다. 발생되는 열의 허용범위는 내부 고정자에 감겨있는 코일의 절연등급에 따라 다르다. 

 

발췌 : https://motioncontrol.co.kr/default/news_tobe/?nwsid=n3&uid=9757