서보 개요
자동제어를 공업적으로 최초로 이용한 것은 J.Watt가 1784년에 증기기관의 속도를 일정하게 유지시키기 위해 개발한 속도 조절기(Speed Governor)라고 한다. 이 속도 조절기는 링에 추(flyball)를 설치한 간단한 구조로서, 이것을 증기기관으로 회전시킴으로서 추에 작용하는 원심력으로 링에 병진 운동을 일으키게 하는 구조로 되어 있는데, 이것에 의해 증기의유량을 조절하는 제어밸브를 개폐하도록 만든것이다.
이 속도 조절기는 속도를 검출하는 역활과 밸브를 조절하는 역할을 겸하고 있으며, 이것을 동작시키는 동력은 제어의 대상인 증기기관에서 얻고 있는데, 오늘날 말하는 자동식 제어장치의 일종이다. J. Watt의 자력식 속도 조절기는 구성이 간단 하였으나 이것만으로 충분한 제어 성능을 기대한다는 것은 무리 였다. 검출기가 동력을 필요로 하는 조작 부하를 겸하기 때문에 충분한 검출 정밀도를 얻을수 없었던 것이다.
19세기 중엽에 속도조절기의 동작을 유압안내밸브와 유압실린더로 증력하여 제어 밸브를 조작하는 방법이 고안되었다. 이 방법은 제어밸브를 조작하는 동력은 유압으로 주어지고, 유압을 발생시키는 유압원이 보조 동력원으로 필요한 것이다. 보조동력원을 사용하는 이른바 타력식 제어장치의 적용으로 속도조절기는 검출기로서의 역할만 담당하게 되고, 그 링의 역할로 유압안내밸브의 스퓰(spool)을 움직여 안내 제어밸브 제어 포트의 개발을 변화시켜 그것을 유동하는 유압의 유량을 제어하여, 그에 따라 유압실린더의 피스톤을 큰 힘으로 구동사켜 조작용 제어밸브를 개폐하도록 한 것이다.
여기서 유압 실린더의 동작은 안내밸브 스풀의 동작에 따르도록 되어있고, 그 힘을 증폭하고 있다. 이것은 오늘날 널리 이용되고 있는 유압서보이다.
서보기구라는 용어는 1934년에 H. L. Hazen교수에 의해 처음 쓰여졌어나 Servo의 어원은 라틴어의 Servue(영어의 Slave:노예)라고 한다. 노예의 역할이 주인의 명령을 충실히 따르고 육체 노동을 하는 것이므로 그러한 역할을 해내는 장치를 그렇게 이름붙인 것이다. 속도조절기에 적응시킨 유압중력 장치는 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 화이트 헤드에 의해 발명 되었는데, 처음부터 자동조정을 전제로 하여 탄생한 병기이다. 당초 어뢰는 봄베(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 제어 장치로 방향타를 움직여서 심도를 제어한 것이다.
어뢰의 자동조정에 이어 배의 자동조정이 실현되었다. 수상함의 경우는 침로만 제어하면 되는데, 센서로는 자이로 캠퍼스가 쓰이고 있다.
항공기는 제1차 대전 후에 발달하였는데 그 자동조정도 당연히 실현된것이다. 이처럼 운동체 도는 교통기관의 자동조정이 서보기구의 주요 응용 분야가 되고 있는 것이다.
이렇게 자동제어는 속도, 서보의 순으로 발달하여 1920년경부터 프로세스제어에도 실현되었다. 프로세서제어는 온도,압력,유량,액면,ph등 프로세서 조건량의 제어이며, 이러한 것을 프로세서에 적절한 값으로 유지하는 것이 목적이다. 석유정제 플랜트와 같이 유체를 취급하는 연속 프로세서에서는 프로세서 제어에 의한 자동화가 비교적 간단하였기 때문에 자동화는 급속한 발전을 이루었다. 연속 프로세서의 양산 프랜트에서는 최저제어에 의한 수량의 증대가 큰 경제 효과를 갖기 때문에 자동화의 장점이 그 발전을 촉진 시킨 것이다.
이처럼 자동제어는 발전했으나 각각의 응용분야 간에는 거의 관련을 갖지 못했다. 제 2차 세계대전 중 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 서보 테크닉이라는 이른바 주파수 응답법이었다. 전후 이들의 연구 성과가 재빨리 발표되자 이 수법이 서보에만 한정되지 않고, 프로세서제어를 포함한 제어계의 해석, 설계에 큰 역할을 해내어 피드백 제어이론이 체계화된것이다.
전후, 전자계산기의 발달으로 그 신뢰성이 향상되면서 제어에 응용하는 소위 컴퓨터의 시대를 맞이하게 되었다. 컴퓨터를 도입함으로써 제어의 질이 비약적으로 향상되었다는 것이 말할 필요도 없다. 그때까지의 제어는 연산이라고 해도 고작 PID제어 정도 였으나 컴퓨터에 의해 복잡한 연산과 복잡한 이론 판단이 가능해지고 더욱 큰 기억용량에 의해 측정된 데이타의 이용이 가능해졌다. 그때까지의 자동화가 사람의 손발의 역할을 기계로 대행시킨것에 불과 한데 반해 컴퓨터에 의해 인간 두뇌의 역할을 대행시키는것이 가능해졌으며, 그 당시 생긴 오토메이션이란 신조어가 이 자동화의 변모에 대응하여 사용된 것이다.
1973년에 있은 석유 가격의 급격한 폭등에 다른 소위 오일 쇼크가 원인이되어 성능상으론 뛰어나지만 작동을 위한 기름의 관리, 기름의 누출, 폐유의 처리등 사용상의 난점을 가진 유압서보가 공업적이용에 있어 점차 멀어지게되고 전기서보의 전성기를 맞이 하게 되었다. 여기에는 서보전동기의 성능향상, 트랜지스터,다이리스트등 반도체 기술의 진보가 크게 공헌하였다.
당초의 전기서보는 저관성서보 전동기나 저속대토크서보 전동기의 직류 서보전동기를 이용한 DC서보가 사용되었다. 그러나 직류서보 전동기에는 전류를 바꾸기 위한 정류자의 브러시와 코뮤데이터의 마찰부분이 있어, 브러시분말과 브러시.코뮤데이터 손상의 보상이 필요하다.
동기 전동기, 유도전동기의 교류서보 전동기에는 정류자가 없기 때문에 보상이 없어도 된다. 교류서보 전동기를 구동시키려면 교류주파수를 변화시켜 전동기 속도를 변화 시킬 필요가 있는데 직류를 가변주파수의 교류로 변화시키는 성능이 좋은 인버터 회로를 트랜지스터나 다이리스트 등 반도체 소자로 실현할수 있게 되었으며, 또 마이크로 일렉트로닉스의 연산 기술이 교류서보 컨트롤러에 이용되었기 때문에 교류서보 전동기를 이용한 AC서보의 성능이 향상되었으며, 비용면에서도 DC서보에 필적할 만큼 되고, 무보상의 유리함으로 AC서보가 로로트제어에 많이 쓰이게 되었다.
엮인글이 있음. 긴 내용이므로 천천히 즐길것.
이 글의 원문은...어디서 얻었는지 전혀 기억나지 않는데, 아마도 Motor 전문업체의 홈페이지 였던것 같다.
아마...인아오리엔탈 모터였지 않나 싶다. 산업현장에서 많이 사용되는 Yaskawa(야스카와) 나 Mitshubishi (미츠비시) 등의
대기업 홈페이지에서는 아마 이런 내용 제공하지 않았던것 같았다.
