서보의 종류
Servo Motor의 구조에 따른 종류
(a) DC Servo Motor
DC Servo Motor의 구조는 위그림에서 보는 바와 같이 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(Brush) 및 브러시(Brush Holder) 홀더가 부착되어 있다.
Bracket과 Flange에는 Bal Bearing이 있어서 회전자를 받쳐주고 있다. Bracket뒤쪽에는 회전속도신호를 검출하는 검출기가 회전자와 연결되어있는데 광학식 인코더 혹은 타고 제너레이터를 많이 사용한다.
DC Servo Motor는 토오크와 전류가 비례하여 선형 제어계의 구성이 가능하므로 비교적 간단한 회로로 안정된 제어계 설계가 가능하다. DC Servo Motor는 최고 속도와 그 점에서의 허용 토오크는 정류 불꽃에 의해 제약을 받는다.
DC Servo Motor의 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 가변 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 행할수 있다.
(b) 동기기형 AC Servo Motor
고정자측 구성은 기계적지지를 목적으로 하는 원통형의 프레임과 프레임 내경에 원통형의 고정자 코어(Stator Core)가 있고 코어에 전기자 권선이 감겨져 있다. 권선 끝단에는 리드선이 나와 있어서 이 리드선으로 부터 전류및 전압이 공급된다. 화전자측 구성은 샤프트와 샤프트 외경에 자석이 부착되어 있다. 양쪽 브라켓 및 플랜지에는 볼 베어링이 부착되어 있다. 동기기형 AC 서보 모터는 DC서보모터와 반대로 자석이 회전자에 부착되어 있고 전기자 권선은 고정자측에 감겨져 있다. 따라서 정류자나 커뮤니케이터 없이도 외부로부터 직접 전원을 공급받을수 있는 구조이기때문에 브러시러스 DC 서보모터라고도 한다.
동기기형 AC 서보모터도 DC 서보모터와 마찬가지로 광학식 인코더나 리졸버를 회전속도 검출기로 사용한다. 동기기형 AC 서보모터는 회전자에 자석, 즉 페라이트 자석 혹은 희토류(Rare Earth)자석을 사용하여 계자 역할을 한다.
동기기형 AC서보모터는 전기자 잔류와 토오크의 관계가 선형이므로 제동이 용이하고 비상정지시에 다이나믹 브레이크가 작동한다. 그러나 회전자에 영구자석을 사용하는 구조이므로 복잡하고 제어시 회전자 위치를 검출해야 할 필요가 있다. 또한 드라이브로부터의 전기자 전류에는 고주파 성분이 포함되어 있어서 토오크리플(Torque Ripple) 및 진동의 원인이 되는 경우가 있다.
(c) 유도기형 AC Servo Motor
유도기형 AC서보모터의 구조는 일반 유도기(Induction Motor)의 구조와 똑같다. 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 양단면과 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 것이필요없다. 그러나 정지시에도 여자전류를 계속 흘려야 하므로 이것에 의한 발열 손실과 비상정지시에 DC서보모터와 같이 전기자 권선을 단락하여 다이나믹 브레이크를 걸어주는것이 불가능한것 등의 결점이 있다.
서보의 종류에 따른 장점과 단점
(a) DC Servo Motor
장점
- 기동토크가 크다
- 크기에 비해 큰 토크 발생
- 효율이 높다
- 제어성이 좋다
- 속도제어 범위가 넓다
- 비교적 가격이 싸다.
- 브러시 마찰로 기계적손실이 크다
- 브러시의 보수가 필요하다
단점
- 접촉부의 신뢰성이 떨어진다
- 브러시에 의해 노이즈 발생
- 정류에 한계가 있다
- 사용환경에 제한이 있다
- 방열이 나쁘다.
(b) 동기기형 AC Servo Motor
장점
- 브러시가 없어 보수 용이
- 내 환경성이 좋다
- 정류에 한계가 없다
- 신뢰성이 높다.
- 고속,고토오크 이용가능
- 방열이 좋다.
단점
- 시스템이 복잡하고 고가
- 전기적 시정수가 크다
- 회전 검출기가 필요.
(c) 유도기형 AC Servo Motor
장점
- 브러시가 없어서 보수 용이
- 내환경성이 좋다
- 정류에 한계가 없다
- 자석을 사용치 않는다
- 고속,고토오크 이용 가능
- 방열이 좋다
- 회전검출기가 불필요.
단점
- 시스템이 복잡하고 고가
- 전기적 시정수가 크다.
※ Stepping Motor
스텝핑 모터에는 하이브리드(HB)형, 영구자석(PM)형,리럭턴트(VR)형의 3가지가 있다.
HB형 스텝핑 모터의 구조는 아래 그림과 같다. 그림과 같이 로터의 중심부의 길이 방향으로 자화된 원통형의 영구자석이 있고 이것을 전후에서 끼우듯이 다수의 작은 기어를 가진 연자성체(대부분의 경우 성층 규소강판)가 반 피치 위상지연의 상태에서 배치되어 있다. 스테이터에 대해서는 여자용 코일의 갯수가 짝수로 철심에 감겨있다.
HB형 스텝핑 모터는 중심부의 자석 효과만을 보면 PM형 모터이며, 자석이 없는 연자성체만을 보면 VR형 모터가 된다. 이같은 의미에서 HB형은 VR형과 PM형의 구조이다.
스텝핑 모터의 출력 토오크는 여자 전류값에 비례하여 증대되지만, 과대 전류에서는 출력 포화가 발생한다. 출력 토오크 증대의 수단으로서 그림의 HB구조를 축방향으로도 많이 연결한다. 무여자시의 발생 토오크르르 디텐트(Detent)토오크라고도 하는데, 특별한 경우를 제외하고 이것을 작게 하는 것과 정지각도 오차(피치 오차)를 기본 스텝 각에 대하여 30% 이내로 억제하여는 노력을 하고 있다.
Stepping Motor의 특성
Stepping Motor는 입력 펄스 신호에 대해 여자 조건이 변할때마다 일정각도 회전하는 모터이다.
1) 모터의 회전각도는 입력펄스 신호에 완전히 비례한다.
2) 1 step당 각도 오차가 작고 오차는 누적되지 않는다.
3) 기동,정지,정.역회전의 응답성이 좋다.
4) 디지탈신호등의 펄스 입력에 Open-loop-control이 가능하고 시스템 구성 회로가 간단하다.
5) 모터 축에 부하를 직접 연결시킨 상태에서 초저속 동기 운전이 가능하다.
6) 브레이크 등을 사용하지 않아도 정지위치 제어가 가능하다.
7)펄스 신호의 입력 주파수에 비례하여 회전속도가 가변하고 저속부터 고속회전(광범위)이 가능하다.
※ 용어 설명
. 홀딩 토크
- 모터가 여자상태에서 정지해 있을때 출력 샤프트에 가해지는 외부토크에 반하여 발생되는 최대 토크.
. 디텐트 토크
- 모터가 무여자 상태에서 정지해 있을때 출력샤프트에 가해지는 외부토크에 반하여 발생되는 최대 토크.
. 풀-인특성
- 입력주파수와 그 주파수에서 모터 구동을 시작할수 있는 최대 토크사이의 관계
. 풀-아웃 특성
- 입력주파수와 모터 구동 시작후 풀-인특성 영역으로부터 서서히 증가되어지는 입력주파수와 모터 회전을 동기시킴으로서 얻어지는 최대 토크사이의 관계.
. 최대 자기동 주파수
- 무부하 상태에서 모터가 입력신호에 동기되어 움직이고 멈출때의 최대 주파수.
스텝각 정도
- 이론 스텝각도와 실제 측정 각도 와의 차이.
. 최대응답(연속)주파수
- 무부하 상태에서 최대값이 서서히 가가워지고 있는 자기동 주파수와 동기되어 회전할때의 최대 주파수.
. 풀-인 영역
- 신호에 의해 기동, 정지,회전의 응답이 가능한(모터가 오동작하지 않는 ) 영역.
. 풀-아웃 영역
- 자기동 영역을 넘어 주파수를 서서히 증가시키며 부하토르크를 가할때 동기를 잃어 버리지 않고 응답이 가능한 영역.
. 회전속도
- 스텝모터의 회전속도는 일반적으로 PPS로 나타낸다.
. 히스테리스 정도
- CW로 회전하였을 경우의 스텝각과 CCW로 회전하였을 경우의 각도 차이.
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서보의 개요 및 History (Servo Motor)
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