서보 모터

소개글

서보 모터에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서 론

2. 자동 제어 기본 시스템

3. 서보 모터 제어시스템
3.1 토크 제어형 서보시스템
3.2 속도 제어형 서보시스템
3.3 위치 제어형 서보시스템

4. AC 서보 모터의 구조와 회전

5. 광학식 엔코더의 구성과 동작

본문내용

다 정밀하고 응답성이 우수한 서보시스템을 구성할 수 있게 된다.
또한 서보 드라이버 내부에 있는 세개의 제어 루프는 각각 제어연산 증폭기를 가지고 있으며, 이러한 증폭기의 구성과 특징을 잘 이해하고 있어야 원하는 제어를 효과적으로 실시할 수 있다.
제어연산 증폭기에 대한 내용은 뒤에서 보다 자세하게 다루겠으며 일반적으로 구성되는 PID연산기의 특징을 잘 이해하면 서보 드라이버를 사용할 때 게인이라고 부르는 파라미터를 시스템에 맞도록 잘 설정할 수 있게 된다.
현재 유통되고 있는 서보 드라이버는 크게 속도형 서보 드라이버와 위치형 서보 드라이버가 있는데 속도형 서보 드라이버는 토크 제어가 되는 구조를 가지고 있는 서보 드라이버가 있고 토크 제어가 되지 않는 서보 드라이버가 있으므로 토크 제어를 필요로 하는 사용자들은 서보의 선정시 주의를 하여야 한다.
또한 위치형 서보 드라이버는 앞절에서 설명한 것과 같이 위치 제어시 필요한 위치명령정보를 펄스열로서 입력을 받도록 되어 있으므로 위치형 서보 드라이버의 위치 제어를 위해서는 펄스열로서 위치 제어를 하는 상위의 위치 제어기가 필요하게 된다.
이러한 점을 이해하고 서보 모터를 적용하여 제어를 하고자 하는 사용자들은 서보 모터와 드라이버를 선정할 때 적용처와 방법에 대하여 검토하고 불충분한 자료로 선정되지 않도록 유념하여야 한다.
4. AC 서보 모터의 구조와 회전
DC 서보 모터와 AC 서보 모터는 <그림 7>과 같이 고정자와 회전자의 구조가 서로 반대로 되어 있다.
<그림 7>에서 보는 바와 같이 DC 서보 모터는 계자 권선이 회전자에 있고 AC 서보 모터는 고정자에 있다. 이렇게 대조적인 구조를 가지고 있으며 제어의 특성이 DC 서보 모터의 제어특성과 같이 선형적으로 제어할 수 있다고 하여 브러시없는 DC 서보 모터라고도 부르게 된다.
이러한 구조로 특장점이 구분되어지며 브러시가 있는 DC 서보 모터보다 AC 서보 모터의 구조가 상대적으로 견고하고 유지보수가 용이하게 된다. <그림 7>의 (b)의 AC 서보 모터의 구조에서 고정자의 전기적 권선만을 표시하면 <그림 8>과 같이 나타낼 수 있다.
<그림 8>에서 보는 것과 같이 고정자에 권선이 감겨져 있으며 권선의 모양만을 보면 3상 권선구조를 가지고 있는 것을 볼 수 있다. 또한 <그림 8>은 영구 자석의 극수가 2개인 3상 2극 AC 서보 모터의 구조를 나타낸 것이며, 이때 내부의 영구 자석은 회전축과 연결되어 있어 고정자 권선에 3상의 전류를 인가하면 영구 자석은 고정자의 회전자계와 동기되어 회전하도록 되어 있다. 따라서 고정자 권선에는 3상 교류 전류를 공급하여야 한다.
<그림 8>에서는 내부구조를 설명하기 위하여 3상 2극 서보 모터의 형태로 간략하게 표현하였으나 실제로는 2극의 서보 모터보다 4극, 6극 혹은 8극의 다극 서보 모터가 주류를 이루고 있으며 내부의 회전자구조도 회전시 공기의 저항을 받지 않도록 원통형의 구조를 하고 있다.
서보 모터의 회전수는 회전자에 공급되는 전류의 주파수, 즉 회전 자계의 주파수와 서보 모터의 자극수와 상호관계가 있는데 다음과 같은 수식으로 나타내어진다.
[Hz]
F:고정자에 공급되는 전원의 주파수[Hz]
P:회전자의 속도[rpm]
n:모터의 극수[Pole]
로 나타내어진다. 여기서 입력 전원의 주파수를 알고 있을 때 회전자의 회전수를 구하여 보면
[rpm]
과 같이 된다.
따라서 만일 3상 60[Hz]의 상용 전원으로 3상 4극 서보 모터를 구동한다면,
[rpm]
과 같이 구해질 수 있다.
위와 같이 모터의 회전수는 모터 입력 전원의 주파수와 모터의 자극수와 관계가 되며 이러한 식은 서보 모터뿐만 아니라 다른 모터에도 적용되어질 수 있다. 그러므로 모터의 회전수를 알고 입력 전원의 주파수를 알면 모터의 극수를 추정할 수 있다.
5. 광학식 엔코더의 구성과 동작
광학식 엔코더(Optical Encoder)는 서보 모터의 구동에 있어서 회전자의 위치를 검출하고 속도 및 위치 제어를 위해서 없어서는 안되는 중요한 요소이다. 그리고 최근에 서보 모터의 위치 검출을 위하여 가장 많이 사용하는 검출장치로 그 구조를 생각하여 볼 필요가 있다.
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 있다.
절대값 엔코더의 경우 현재의 위치를 알기 위한 분해능(정밀도)를 높이기 위하여 <그림 9>에서의 엔코더 회전원판의 슬릿의 종류를 늘려야 하며 이렇게 될 경우 그 크기를 줄이기 어렵다.
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 Encoder를 개발하였고, 이 방식이 AC 서보 모터에 적용되어 사용되고 있다.
그러나 이러한 구조를 가지고 있는 Semi-Absolute Encoder는 통신을 위한 방법이 있어야 하고 제조시 단가가 비싸지기 때문에 대부분의 서보 모터에서는 Incremental Encoder를 채용하고 있다.
<그림 9>에서 발광부의 빛이 원판에 있는 슬릿을 통하여 빛이 통과하면 수광부의 출력은 펄스열로서 나타나게 된다. 실제로는 보다 복잡한 구조를 가지고 있으며 <그림 9>와 같은 엔코더의 회전축이 모터의 회전축과 결합되어 있어 모터의 회전시와 같이 회전하며 펄스열을 발생하도록 하고 있다.
이상과 같이 서보 모터를 제어하는 제어 루프상의 요소들에 대하여 점검을 하여 보았다.
서보 모터를 구동하기 위한 다양한 제어의 방법이 있겠지만 현재 유통되고 있는 서모 모터 드라이버의 전형적인 형태에 대하여 제어 루프를 보면서 요소의 구성을 살펴보았다.

키워드

서보 모터,   Servo Motor,   자동 제어 기본 시스템,   AC 서보 모터,   엔코더