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기술자료-EMPS 동기모터
1. 서보의 개요
기구와 결합하여 구동력을 얻는 기계부품으로 예전에는 유·공압기기들을 많이 사용하여 왔습니다. 그러나 더욱 더 빠른 응답성과 정밀 제어가 요구되면서 서보 모터에 의한 구동방법이 개발되었고 전력 전자 및 제어기술, 자성재료의 발달은 더욱 작고 특성이 우수한 서보 제어시스템을 만들게 되었습니다. Servant(하인)이라는 단어에서 유래한 Servo는 "주인에 충실하다" 라는 의미를 가지고 있습니다. 즉, 서보모터란 "주인의 명령에 충실하게 동작하는 모터" 를 나타내며 여기서 동작이란 위치, 속도 및 가속도의 3가지 요소를 말하지만 실제 서보모터의 적용에 있어서는 위치 제어를 위한 적용처와 속도 제어를 위한 적용처의 두가지로 나누어집니다. 위치 제어에는 속도를 제어하여 위치를 추종하게 되고 속도 제어는 순간 가속도를 제어하여 추종하게 됩니다. 서보 모터는 일반 모터와 달리 빈번하게 변화하는 위치나 속도의 명령치에 대하여 신속하고 정확하게 추종할 수 있도록 설계된 모터를 말합니다. 서보 모터는 급가속, 급제동에 대하여 대응할 수 있는 구조를 가지고 있어야 하므로 다음과 같은 두가지 조건을 만족해야 합니다.

1) 큰 회전력(토크 Tourqe)을 가질것
2) 회전자의 ※관성 모멘트가 작을 것
※ 관성 모멘트: 물체가 계속해서 회전하려는 성질의 크기
2. 자동제어의 기본시스템
제어에서는 크게 개회로 제어시스템(Open-Loop Control System)과 폐회로 제어시스템(Close-Loop Control System)의 두가지의 제어형태로 구분되어집니다. 현재 두가지 제어시스템 중 실제 현장에 더 많이 적용되고 있는 시스템은 Open-Loop Control System인데 이는 제어 구성이 간단하고 적용이 쉽기 때문입니다. 스테핑 모터와 구성된 전체 제어시스템의 경우에는 Open-Loop 제어가 이루어지고 있어 모터 드라이버에 입력되는 펄스열은 계속해서 진행을 하더라도 스테핑 모터가 탈조되거나 기타 부하에 의하여 모터의 회전이 멈추어진 경우에 이를 상위 제어기에서 알 수 있는 방법이 없습니다.
<그림 1>은 Open-Loop 제어와 Close-Loop 제어의 구성을 블록도에 의하여 간략히 나타낸 것입니다. Close-Loop 제어는 <그림 1>에 나타난 것과 같이 제어대상에서 나타나는 출력의 상태, 즉 부하의 상태를 검출하여 이를 되먹임(Feedback)하여 제어를 실시함으로 부하의 변동에 대하여 반응함으로 제어의 오차를 줄일 수 있게 구성되어 있습니다.

3. 서보모터의 제어시스템
서보 모터는 모터에 입력되는 전력, 즉 전압과 전류를 제어하여 모터로부터 원하는 특성을 갖도록 제어 하는 것인데, 일반적으로 모터 제어에 있어서 제어를 하여 얻고자 하는 요소는 서보 모터에 일정한 회전력, 반발력을 가지도록 제어하는 토크 제어가 있고 서보 모터를 일정한 회전력으로 일정 속도를 유지하도록 하는 속도 제어, 그리고 원하는 회전수와 위치에 정확한 정지를 하여 제어하는 위치 제어, 세가지 형태로 분류할 수 있습니다.
1) 토크제어형 서보시스템

<그림 2>는 일반적인 토크 제어 루프에 있어서 제어 구성을 블록도로 나타낸 것입이다. 여기서 루프(Loop)라는 말은 <그림 2>에서 보는 바와 같이 서보 모터에 인가되는 전류를 검출하여, 이를 다시 토크 지령과 비교 연산하여 다시 서보 모터에 전류를 인가하는 형태로 구성이 되어 있듯이 하나의 루프(Loop), 즉 원과 같은 제어구조를 가지고 있음을 나타내는 용어입니다. <그림 2>와 같이 토크 지령은 서보 모터에 인가되는 전류명령으로 볼 수 있으며 모터의 토크는 전류에 비례하여 나타나므로 서보 모터에 인가되는 전류를 제어함으로써 서보 모터의 토크를 제어할 수 있게 되는 것입니다. 토크 지령은 현재 서보 모터에 인가되는 전류를 전류 검출기를 통하여 되먹임 되어지는 신호와 비교 연산되어 오차의 출력이 주어지도록 되어 있습니다. 이때의 수식은 오차출력 = 토크 지령(전류 지령)값 - 되먹임신호(현재 전류)값과 같이 나타낼 수 있습니다. 이렇게 연산되어진 오차출력은 다시 제어연산 증폭기로 입력 되어지는데 제어연산 증폭기는 보통 PID연산 제어기가 적용되어 연산되어집니다. PID연산 제어기는 일반적으로 비례연산, 적분연산과 미분연산의 결과값을 합한 계산식을 사용하게 됩니다. 그러나 상용화되고 있는 서보 모터 드라이버의 경우에서 토크 제어 루프의 제어연산 증폭기에는 일반적으로 비례 제어기만을 많이 사용하고 있는데, 이러한 이유는 서보 모터의 제어용도가 속도 제어, 혹은 위치 제어이기 때문입니다. 여기서 토크 제어 루프는 서보 모터의 제어에서 가장 기본적인 제어 루프가 됨을 알고 서보 모터의 제어는 전류 제어, 즉 토크 제어로써 모터의 회전력을 제어하게 됨을 염두에 두고 다음의 상위 제어 루프에 대하여 이해하면 쉬울 것입니다. 또한 토크 제어 루프는 <그림 2>에서 보는 바와 같이 서보 모터 전체를 둘러싸고 있는 제어 루프가 아님을 알 수 있습니다. 이것은 서보 모터에 대하여 토크 제어 루프는 Open-Loop 제어를 하고 있음을 알 수 있습니다. 따라서 서보 모터에 주어지는 부하량에 관계없이 일정한 전류를 모터에 공급함으로 서보 모터에서는 일정한 토크가 발생됨을 알 수 있습니다. 바꾸어 말하면 서보 모터의 회전은 토크 제어 루프에서 제어가 되지 않고 일정한 힘만을 발생하게 된다는 것을 기억하여 두면 됩니다.
2) 속도제어형 서보시스템
속도 제어는 위에서 설명한 토크 제어와 연관이 되어집니다. 토크 제어는 서보 모터에서 일정한 힘을 발생시키는 제어라고 하면 속도 제어는 토크를 제어하여 서보 모터를 일정한 속도로 회전시키는 제어를 말합니다. 즉 속도 제어 루프는 내부에 토크 제어 루프를 포함하고 있으며 속도 제어명령의 최종 출력이 토크 제어명령의 입력으로 사용되게 됩니다. 서보 모터의 속도 제어 루프를 그림으로 나타내면 <그림 3>과 같습니다.

<그림 3>에서와 같이 서보 모터의 속도 제어는 서보 모터를 포함한 Close-Loop 제어시스템으로 구성되어 있습니다. 따라서 서보 모터에서 출력되는 속도를 검출하기 위하여 속도 검출센서는 서보 드라이버 내부에 위치할 수 없고 서보 드라이버 외부에 위치하며 서보 모터의 회전축과 연결되어 기계적인 결합으로 구성되어집니다. 이전에는 아날로그방식의 제어가 주류를 이루어 타코 제너레이터가 주로 사용되어 왔으나, 최근에는 디지털 제어방식이 주류를 이루게 됨으로써 서보 모터의 속도 검출기로는 광학식 엔코더가 주류를 이루게 되었습니다. 또한 AC 서보 모터를 제어하기 위하여 고정자의 자극의 위치와 회전자의 위치에서 발생하는 자계의 위상을 정확히 동기 시키기 위하여 모터에 공급하는 전류의 위상을 서보모터의 기계적 자극의 위치를 일치시키기 위하여 회전자의 위치를 정확히 알 필요가 있습니다. 따라서 AC 서보 모터의 검출센서는 회전자의 위치를 정확히 알 수 있는 광학식 엔코더 혹은 레졸버라고 하는 검출기가 주로 사용되지만 최근 상업적으로 주로 유통되는 AC 서보 모터의 경우에는 광학식 엔코더가 주류를 이루고 있습니다. 서보 모터의 속도 제어 루프는 제어 루프에 입력되는 속도명령에 대하여 현재 서보 모터의 출력에서 검출되는 검출속도의 편차를 제어연산 증폭기를 통하여 토크 제어 루프의 명령으로 주어집니다. 이때 서보 모터에 인가되는 토크를 제어함으로, 즉 모터에 인가되는 전류를 제어함으로 속도명령에 비례하는 속도출력을 갖도록 제어하는 것입니다. 속도 제어 루프는 모터를 포함한 Close-loop 제어로 구성이 되고 내부에 토크 제어 루프를 포함하고 있다는 것이 중요한 내용이 되며 속도 제어는 상위 제어기가 위치 제어를 하는 제어기를 사용할 경우 혹은 서보 모터의 일정한 속도출력을 요구하며 제어할 경우 주로 사용됩니다.
3) 위치제어형 서보시스템
위치 제어는 토크 제어 루프와 속도 제어 루프를 내부에 포함하고 있는 구조입니다. 따라서 위치 제어 루프는 서보 드라이버 내부에 있는 최 외곽 제어 루프라고 생각할 수 있다. 위치 제어라는 것은 원하는 위치, 즉 서보 모터를 회전시켜 원하는 회전각을 얻어내는 것을 말하는데 직선운동기구같은 경우 회전운동을 직선운동으로 변경시키는 기계적인 구조를 가지고 있어야 합니다. 위치 제어는 서보 모터를 일정한 속도로 회전시키고 또 정지시키는 것을 말하는데, 이것은 회전속도를 시간축으로 적분한 것이 위치의 변화가 되며 반대로 속도라는 것은 단위시간 동안 위치의 변화를 말하는 것입니다. 따라서 서보 모터의 제어구조에서도 위치의 변화를 검출하기 위하여 회전속도를 시간축으로 적분하는 방법, 혹은 속도를 구하기 위하여 단위시간 동안 위치의 변화를 구하는 방법을 사용합니다. <그림 4>는 위치와 속도의 관계를 그림으로 나타낸 것입니다.

<그림 4>에서 X축을 시간축으로 하고 Y축을 속도축으로 하면 빗금친 부분이 이동거리가 됩니다. 따라서 <그림 4>의 (a)에서 수식으로 보면, 이동위치=속도 V×시간 t[m] | 속도=이동위치[m]÷시간 t[m/sec] 로 나타낼 수 있다.

<그림 5>에서 보는 바와 같이 서보 모터의 위치 제어 루프는 내부에 속도 제어 루프와 위치 제어 루프를 포함하고 있습니다. 위치명령이 주어지면 검출센서와 검출 증폭기로부터 나오는 현재 속도신호를 앞에서 설명한 바와 같이 위치연산을 하여 현재의 위치 제어신호로 그 신호를 변경하여 위치오차연산을 실시하고 제어연산 증폭기를 통하여 속도 제어 루프로 전달하게 됩니다. 이러한 제어구조를 가지고 있기 때문에 결국 서보 모터를 제어하게 되는 것은 모터에 인가되는 전력, 즉 전류에 의하여 모터를 회전시키고 검출센서를 통하여 되먹임되는 신호와 기준신호를 비교 연산하여 오차의 편차를 빠른 시간내에 줄이고 최소화할 수 있도록 하는 것입니다. 위치 제어에서 오차편차를 계산하고 속도 제어 루프에 전달하여 주는 제어연산 증폭기에는 PID 제어가 사용되고 있지만 일반적으로 PID 제어연산 중에서 적분연산과 미분연산은 잘 적용되지 않고 비례연산, P연산과 Feed-Forward연산이라고 하는 F연산이 혼합되어 사용됩니다. Feed-Forward연산은 위치명령의 변화를 오차연산과는 별도로 속도명령으로 전달하는 것으로 위치명령에 대한 빠른 응답을 구하기 위하여 사용되어집니다. 위에서 설명한 것과 같이 서보 드라이버 내부에는 세 개의 제어 루프를 구성하도록 되어 있는데 실제 사용자들은 이러한 구성과 동작을 자세히 알 필요는 없지만 서보 모터를 구동하기 위하여 서보시스템을 구성할 경우 서보 모터와 서보 드라이버의 관계를 잘 이해하고 내부의 제어 루프를 이해하면 보다 정밀하고 응답성이 우수한 서보시스템을 구성할 수 있게 됩니다. 일반적으로 제어연산증폭기에 구성되는 PID연산기의 특징을 잘 이해하면 서보 드라이버를 사용할 때 게인이라고 부르는 파라미터를 시스템에 맞도록 잘 설정할 수 있게 됩니다. 이러한 점을 이해하고 서보 모터를 적용하여 제어를 하고자 하는 사용자들은 서보 모터와 드라이버를 선정할 때 적용처와 방법에 대하여 검토하고 불충분한 자료로 선정되지 않도록 유념하여야 합니다.
4. 광학식 엔코더의 구성과 동작
광학식 엔코더(Optical Encoder)는 서보 모터의 구동에 있어서 회전자의 위치를 검출하고 속도 및 위치 제어를 위해서 없어서는 안되는 중요한 요소입니다. 그리고 최근에 서보 모터의 위치 검출을 위하여 가장 많이 사용하는 검출장치로 그 구조를 생각하여 볼 필요가 있습니다. 광학식 엔코더의 종류는 크게 절대값 엔코더(Absolute Encoder)와 상대값 엔코더(Incremental Encoder) 두가지가 있는데 절대값 엔코더는 언제든지 현재의 위치를 절대값으로 알 수 있고, 상대값 엔코더는 현재의 위치를 카운터 혹은 기타 장치를 이용하여 계수하여 두어야만 현재의 절대위치를 알 수 있습니다. 절대값 엔코더의 경우 현재의 위치를 알기 위한 분해능(정밀도)을 높이기 위하여 <그림 9>에서의 엔코더 회전원판의 슬릿의 종류를 늘려야 하며 이렇게 될 경우 그 크기를 줄이기 어렵습니다. 또한 분해능을 높이기 위해서 기계적인 검출 슬릿을 많이 할 수 없어 분해능이 높을 경우 그 가격이 고가이고 높이더라도 모터의 회전수 전체를 알기는 매우 어렵기 때문에 엔코더의 기계적 성격은 Incremental Encoder와 같으나 엔코더 Case내부에 카운터를 두어 계수하고, 이를 필요시 직렬 통신을 이용하여 전송하는 방식을 가지고 있는 Semi-Absolute Encoder가 개발되었고, 이 방식이 AC 서보 모터에 적용되어 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 구조를 가지고 있는 Semi-Absolute Encoder는 통신을 위한 방법이 있어야 하고 제조시 단가가 비싸지기 때문에 대부분의 서보 모터에서는 Incremental Encoder를 채용하고 있습니다.

<그림 9>에서 발광부의 빛이 원판에 있는 슬릿을 통하여 빛이 통과하면 수광부의 출력은 펄스열로서 나타나게 됩니다. 실제로는 보다 복잡한 구조를 가지고 있으며 <그림 9>와 같은 엔코더의 회전축이 모터의 회전축과 결합되어 있어 모터의 회전시와 같이 회전하며 펄스열을 발생하도록 하고 있습니다.
5. 서보시스템에서 사용되는 용어
1) 순시최대 Torque
순시최대 Torque값이 정격 Torque의 몇 배 정도인가로 가/감속시의 능력이 결정되는 중요한 항목이며 일반적으로 순시최대 Torque = 정격 Torque * 3배 서보모터는 단시간에 목표위치에 도착 할 수 있도록 사용되는 경우가 대부분이므로 가속시에는 정격 Torque를 초과해 사용하는 경우가 일반적입니다. 서보모터는 명령한 가속도를 내기 위하여 순시최대 Torque까지 Torque발생이 가능합니다.
2) 관성모멘트
모터 자체의 회전자 부분의 관성모멘트를 J또는 GD²로 표기합니다. 이 값의 크기에 따라 저관성, 고관성 모터등으로 부르며, 서보모터로 단 시간에 시동정지능력을 좌우하는 큰 요소가 됩니다. 관성량이 커질수록 그 상태를 유지하려고 하며, 속도변화에 큰 힘이 필요하게 되며 회전계의 관성량 Inertia는 질량과 반지름의 제곱에 비례합니다. 같은 질량에서도 반지름이 2배이면 Inertia는 4배가 됩니다.
3) 엔코더
속도,위치 검출기로서 어떤 종류의 검출기를 사용하는가 또는 엔코더와 같이 펄스출력인 경우 1회전 당 펄스수는 서보모터의 위치 분해능을 좌우하므로 잘 확인하는 것이 좋습니다. 당사의 기본 사양은 2,000 pulse per revolution입니다.
4) 파워레이트
모터가 출력하는 출력상승률로, 일정 Torque에서 모터자신을 가속할 때 가속의 빠르기를 나타내며 이 값이 클 수록 가속성능이 좋다는 의미입니다.
5) 회생 브레이크
회생 브레이크는 지령속도보다 모터의 실제회전속도가 높아졌을 때, 즉 감속시, 상/하축을 하강시 혹은 권출축에서 제동이 걸려있을 때 등에 동작하고, 모터 및 부하가 가지고 있는 회전에너지를 서보 앰프에서 내장하고 있는 회생저항으로 에너지를 소비함으로써 제동력을 얻습니다. 이와 같은 상태를 회생운전이라 하고, 보통 서보드라이브 내에는 회생회로가 설치되어 있습니다. 회생회로는 이 경우 모터에 부하로 작용하므로 회로의 에너지 소비율에 따라 회생 브레이크 힘이 달라지며, 또한 운전조건에 따라 회생에너지 양이 좌우되고, 커다란 회생에너지를 소비시켜야 할 경우에는 서보드라이브 외부에 회생저항을 설치하여 그 곳에서 소비할 수 있도록 설계되어 있습니다.
6) 다이나믹 브레이크
서보모터가 구동 중 전원이 끊기거나, 알람이 발생할 때 등, 인버터부의 출력에서 정지했을 때, 모터는 프리런(Free Run)상태가 되어 정지까지 긴 시간을 요하고, 이동량이 커져서 다른 기구장치에 충돌할 수도 있습니다. 다이나믹 브레이크는 출력이 차단되었을 때, 서보모터의 단자간에 저항기를 개입하여 단락(short-circuit)하고, 회전 에너지를 Joule열로 소비시켜 신속하게 정지시키는 기능입니다. 빈번하게 사용되어질 경우 드라이브가 소손될 수 있습니다.
7) 응답성
서보계에서는 위치, 속도, 토크 루프가 있지만, 각각의 지령에 대한 추종성을 나타내는 것이며 일반적으로 속도 응답성을 나타내고 있습니다.
8) 오토튜닝
서보모터가 구동하는 기계의 성능(응답성,안정성)은 기계의 특성(관성모멘트,강성)에 좌우됩니다. 그래서 기계의 성능을 최상으로 유지하기 위해 조정하는 조작이 필요하며, 이 조작을 튜닝이라고 합니다. 오토튜닝이란 위의 튜닝을 자동으로 행하는 기능으로, 보통 서보 드라이브에서 설정하는 속도 루프게인과 위치 루프게인을 자동으로 조정하는 기능을 가리킵니다.

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