AC Servo Motor의 개요
A. 토오크 발생 원리
AC 서보모터는 모터 전체로 본다면, 어디까지나 AC 모터이다. 그러나, 전용제어 장치와 조합시키면 제어성이 우수한 DC서보모터와 동등 이상의 성능을 내는 모터가 된다. DC 서보 모터의 회전속도를 바꾸기 위해서는, 일반적으로 전기자에 인가하는 전압을 변화시키는 방법을 취한다. 전기자 전압은 회전속도와 거의 비례관계가 있고, 전압을 내리면 어느정도의 속도를 내릴수 있다.
한편, AC 모터는 일반적으로 주파수를 변화시켜 회전속도를 바꾸는데, 이 주파수에는 자연히 한계가 있다. 간단한 인버터를 사용한 정도면 서보모터의 특징인 넓은 변속 범위를 얻을수 없다. 그러면, 어던 형태로 하여 AC 서보 모터에 우수한 제어성을 줄수 있는지 DC 모터의 원리를 참고로하여 설명한다.
1) DC Motor의 원리
다음 그림은 DC Motor의 원리를 간단하게 나타낸것이다.
영구자석 N,S에 의해 자계가 형성되고, 브러쉬와 정류자를 통한 전류가 도체내를 흐르면 플레밍의 왼손 법칙에 따라, 그림에서는 화살표 방향으로 토오크가 발생한다. 회전자가 회전하여 약90。회전하면 정류자에 의해 전류방향이 뒤바뀌어 회전을 계속할수 있다. 이 일련의 동작을 잘 생각해 보자. 그림의 상태에서 통전하여 회전을 시작하면 토오크는 점점 감소하고 90。의 위치에서 0이 된다. 본래, 여기에서 정지하는 것인데 실제는 회전자의 관성때문에 조금 더 회전하여 90。를 약간 넘은 곳에서 전류의 흐름이 뒤바뀌게 되고 토오크는 점점 증가하기 시작한다그림의 모터는 특히 토오크 변동이 큰 모터이다. 그러나, 실제의 모터는 정류자가 수 십개 있어, 회전자가 약간 돌면 전류의 방향이 약간 뒤바뀌게 되어 항상 최대 토오크인 곳에서 사용되는 형태로 설계되어 있다.
이와 같이,DC모터의 구조는 자력선과 전류의 방향이 항상 직각으로 교차하는 모양으로 되어 있어, 전류에 비례한 안정된 토오크를 항상 얻을수 있다. 그렇지만, 이를 위해서는 정류장치(브러쉬,정류자)가 반드시 필요하다.
2) AC Motor의 원리
다음 그림은 DC Motor의 정류자를 슬립링으로 바꾼것이다
지금, 브러쉬 A가(+),브러쉬 B가 (-)로 되는 모양으로 통전하면 DC모터와 같은 모양의 토오크가 발생하여 모터가 회전한다. 그러나 정류자가 없기때문에 정지하여 버리므로, 적당한 시기에 전류 방향을 바꿔줄 필요가 있다.
역으로 생각하면, 전원을 교류로 하면 그 주파수에 맞는 회전속도로 계속 돌수 있다. 이와 같이, 전원 주파수에 동기시켜 모터를 돌리는 것이 교류 모터이고,회전자의 위치에 의해 전원의 극성을 반전시키는 것이 브러시러스 모터이다.
그림 2 에서는 DC 모터와 비교하기 쉬운 형태로, 브러쉬와 슬립링을 설치했는데, 같은 원리를 그림 3의 형태로 나타내면 브러쉬를 생략할수 있다. 그림 2를 회전 전기자형, 그림 3을 회전계자형이라 부른다. 브러시러스 서보모터의 경우는 회전 계자형을 사용한다.
3) AC Servo Motor(브러시러스 서보 모터)의 원리
브러시러스 모터는 DC 모터가 가진 정류장치를 모터에서 떼어내고, 대신에 전원을 제어하여 회전자 위치에 맞는 전류를 흘리는 장치 즉, 드라이버에 의해 구동된다. DC 모터는 정류자의 갯수를 늘림으로서 토오크 리플을 적게 할수 있는데, 브러시러스 모터에서는 3상 권선으로 하고, 각 상의 전류를 구형파 혹은 정현파의 교번 전류를 흘러 구동한다.
그림 4의 (a),(b)는 3상 브러시러스 모터의 횡단면도이고, U+,U-,V+,V-,W+,W-는 각 권선의 시작과 끝이다.
모터에 그림 4의 (c)와 같은 3상 교류(정현파)가 통전되고 있을때, 시각 A점에 있어서 모터의 상태를 보면,U상만이 정(+)이고, V상과 W상 모두 부(-)이다. 그러므로 각 권선의 전류 방향은 그림 4의 (a)와 같이 되고 전류에 의해 유기된 자속의 합성 벡터는 N에서 S로 향하는 방향으로 발생한다. 이대 자속과 직각으로 교차하는 위치에 회전자의 자계가 있다고 하면 자석끼리의 반발력과 흡인력에 의해 회전자를 시계 방향으로 돌리는 토오크가 발생한다. 또, 시각 B점에 대해서도 같은 모양으로 검토해 보면, 권선에 의한 자속은 그림 4의 (b)와 같이 회전 방향에 60。어긋난 위치에 발생한다.
이와 같이 고정자 권선에 3상 교류(정현파 혹은 구형파) 전류를 흘리므로써 연속적인 회전자계를 얻을수 있다. 이 구동전류 위상을 회전자의 회전각에 대하여 항상 직교하는 형태로 맞출수 있다면 매끄러운 토오크를 내면서 효율이 좋은 모터를 브러시러스로 구성할수 있다.
B. 회전자 위치 검출 회로
AC 서보 모터에서도 DC 서보 모터와 같이 전류의 방향과 자속의 방향을 직교시키기 위해서는 자석의 위치를 정확히 파악하지 않으면 안된다.
그림 5에는 종래의 인크리멘탈 인코더의 내주부에 자극 위치를 센싱할수 있는 전용 슬릿이 추가된 인크리멘탈 인코더를 보인다. 자극 검출신호 U, V, W채널 신호는 AC 서보 모터의 극수에 맞춰 각각 전기각으로 120。어긋난 위상차를 갖고 있다. 따라서, 검출 신호수는 종래의 A, B, Z 채널 외에 U, V, W 채널이 합쳐져서 6신호가 된다. 이것을 전송이 가능하도록 라인 드라이버로 출력한다.
C. 구동 시스템
이 모터의 동작원리는 앞에서 설명한 바와 같이 DC 모터의 정류자 기능을 홀센서(Hall Sensor)와 반도체 전력 변환기로 하고 있다는 것이다. 발생 토오크는 전류와 자속의 곱에 비례하기 때문에 직류기와 동일하게 직교하고 있다.
다음 그림은 구동 시스템의 전체 구성을 나타내었다.
전류 지령을 위한 회전자 위치 검출기와 속도 검출기가 모터 축에 커플링으로 연결되어 있다.
그림 7에 전류제어 트랜지스터 PWM 인버터의 주회로를 나타낸다. PWM 인버터는 상전류를 피드백하기 때문에 PWM에 의해 모터 손실을 줄일수 있으며 도오크리플을 작게 할수 있다. 또한 트랜지스터에 흐르는 피크 전류도 작게 할수 있다.
그림 8에서는 서보모터 구동 시스템의 제어 블럭 다이아그램을 나타낸다. 회전자의 각위치 검출기로 부터의 신호에 의해 3상의 교류전류(정현파 혹은 구형파)를 발생시키고 그것에 저류 지령치가 곱해져 피드백된 3상 전류와 각각 비교한다.
만일 모터 전류가 지령치에 비해 크게 되면 인버터는 전류를 작게하는 방향으로 스위칭하고, 반대로 모터 전류가 지령치에 비해 크게되면, 인버터는 전류를 크게 하는 방향으로 스위칭 하게 된다.
속도 신호는 각도 신호의 예측을 위해 피드백 되어, 계의 시간 지연을 작게하고 있다.
관련글 링크
