서보드라이버의 구성 (Servo Driver)
서보 드라이버의 기본 블록도를 그림으로 나타내면 아래 그림과 같다.
보통 시판되고 있는 서보 드라이버는 2점 쇄선으로 쌓여 있는 속도제어 부분을 유니트로 통합시킨것이 가장 많다.
위치 제어 부분은 제어하려고 하는 기계에 맞춰 제어 시스템을 구성할 필요가 있기 때문에 다종다양한 형태를 갖게 되는데, 유니트로 통합 시키면 약간 범용성이 부족하게 된다.
서보 드라이버는 크게 1) 서보 모터에 파워를 공급하는 파워 변환기 2) 전류제어부 3)속도제어부 4)위치제어부
에 의해 구성된다.
1) Servo Motor의 파워 변환기
파워 디바이스에는 파워 트랜지스터, 파워 Mosfet, IGBT(Insulated Gate Bi-polar Transistor)등이 있으며, 이러한 디바이스로 파워 변환기를 구성했을때의 취급 가능한 출력과 스윗칭 주파수는 서로 다른 특성을 지닌다. 즉, 파워 트랜지스터는 상대적으로 대용량, 저 스위칭 주파수, 파워 Mosfet는 소용량, 고 스위칭 주파수로 동작 시키는데 적당하며, 최근에 각광을 받고 있는 IGBT는 위 두 소자의 단점을 동시 보완한것으로소 대용량, 고 스위칭 주파수 동작이 가능하며 아울러 파워 소모가 상대작으로 적은 장점도 갖고 있다. 참고로 가장 대용량 쪽에 있어서는 다이리스터(Thyristor) 또는 GOT등이 파워 디바이스로 사용되고 있다.
한편 제어하려고 하는 모터의 형태(DC 서보 , AC 서보 , Step Motor등)에 맞춰 파워 변환기의 구성도 달라진다. 아래 그림 에 일반적인 파워 변환기의 구성을 나타내었다.
<파워 변환기의 구성>
여기서 C21, C31은 다이리스트(Thyristor)의 위상제어에 의한 DC 서보 모터의 한 방향 제어,C22,C32는 다이리스트의 위상제어에 의한 DC 서보 모터의 가역제어에 쓰인다. C11은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, 약칭 PWM)를 함으로써 DC 서보 모터의 한 방향 제어가 가능하고, C12는 DC 서보 모터의 가역제어가 가능하다. 모터 제어에 있어서 중요한 개념인 "PWM"은 파워 디바이스의 ON-OFF비율을 변화시켜 모터의 단자 전압을 제어하는 방법으로서 아래 그림 과 같은 개념이다.
(a) 단자전압이 낮을때 (회전수가 낮을때)
(b) 단자전압이 높을때 (회전수가 높을때)
<PWM방식에 의한 모터의 단자전압 제어>
통상의 DC 서보 드라이버는 C12의 파워 변환기를 PWM방식으로 구동하는 방법이 일반적이고, AC 서보 드라이버는 C13의 파워 변환기를 PWM 방식으로 구동하는 것이 대부분이다. PWM의 캐리어 주파수(Carrier Frequency)는 서보의 속응성(速應性)을 나타내는 주파수 특성에 영향을 미치기 때문에, 로스가 허락하는한 높게 잡을수 있다.
한편, 파워 디바이스의 상하 아암간 단락을 방지하기 위해 베이스 드라이브 신호에 온-딜레이(on-delay) 회로가 설치되어야 하는데, 이 온-딜레이(on-delay) 시간은 파워 디바이스의 온-딜레이(on-delay) 시간 보다 길게 잡을 필요가 있기 때문에 결과적으로 입출력 특성은 불감대를 갖게 된다.
2) 전류 제어부
서보 드라이버에는 대부분의 경우 전류 루프(Current Loop)를 두고 있다. 간단한 예를 (그림 3.2.1)에 나타내었는데, 전류 루프를 설치함으로써 다음과 같은 잇점이 생기기 때문이다.
<전류루프>
1) 모터의 전기적 시정수를 외관상으로 줄일수 있다. 예컨데 모터를 로크(Lock)한 상태에서 스텝(step) 상태의 전압을 가한 경우, 전류의 상승 시정수는 아래 그림과 같이 된다.
(a) 모터단자에 스텝 전압을 가한 경우
(b)전류지령을 스텝상태로 가한 경우
<모터 로크시의 전류 스텝 응답>
2) 모터의 유기전압과 전원 전압의 변동등에 대해 전류의 변동을 누를수 있다.
3) 파워 변환기의 불감대등을 외관상 줄일수 있다.
4) 전류 지령을 클램프(Clamp)함으로서, 모터에 흐르는 최대 전류를 억제 할수 있다. 모터나 파워 변환기의 과전류 보호에도 유효하게 작용한다.
전류 루프의 주파수 특성은 모터의 저항을 R(Ω), 인덕턴스를 L(H), 전류 앰프의 게인(Gain)과 파워 변환기의 게인의 곱을 Ai으로 하면 컷오프 주파수(Cut-off Frequence)는 Fic = (Ai + R)/2πL(Hz)로 나타낼수 있다. 전류 루프의 코너 주파수는 파워 변환기의 PWM 캐리어 주파수의 1/3 ~ 1/5 까지 밖에 올라가지 않으며 이 이상 Ai를 올리려 하면 전류가 발진하여 불안정해진다.
전류 루프의 전달 함수는
Gti(s) = [ Ai / (Ai + R)] •[ 1 / ( 1 + s L/(Ai + R)] = 1 / ( 1 + s L/Ai ) = 1 / ( 1 + s 1 /Gi ) (ai ≫R)
로 표시된다. 여기서 Gi는 전류 루프 게인이다.
전류의 응답은 전류 지령값에 대해 1차 지연(First-order Delay)을 나타내지만, 다음에 설명하는 속도 제어의 응답에 대해 지연은 무시할수 있을 정도로 작은 경우가 많다.
3) 속도 제어부
가장 범용적인 속도제어형 서보 드라이브는 속도 루프가 설치되어 주루프가 된다. 간단한 예를 그림 3.3.1에 나타내었다. 속도 루프를 설치함으로써 다음과 같은 잇점이 생긴다
<속도 루프>
1) 모터의 기계적인 시정수를 외관상 줄일수 있다.
예컨데, 모터를 무부하의 상태에서 스텝 상태의 전압 e를 가하면 회전속도는
W = [ e /Ke ] •( 1 - eⁿ) (rad/s) , { n =-t / (JR/Kt •Ke) }
여기서, Ke는 모터의 유기 전압 상수(V/rad/s), Kt는 토트 상수(N-m/A),J는 관성 모멘트(Kg•m²)이다. 속도 루프를 설치했을 때의 속도 지령값을 스텝 상태로 가했을 때 모터의 응답은
W = WR•( 1 - eⁿ) ( rad/s ) , { n =-t / (JR/Kt •Ke) }
가 되며, 시정수는
J•R / Kt•Ke = J•R / ψ² 에서 J / Av•Kt = J / A•ψ
로 작아지고 있다.
2) 모터의 유기 전압과 전원 전압의 변동등에 대해 회전속도의 변동을 억제할수 있다.
3)부하 토크의 변동에 대해 회전속도의 변동을 억제할수 있다. 특히 속도 앰프의 구성을 PI형 보상(비례적분 보상) 회로로 함으로써 정상상태의 변동을 없앨수 있다.
속도 루프의 주파수 특성으로 컷 오프주파수는
Fvc = 1 / ( 2•π•J / Av•ψ ) (Hz)
로 나타낼수 있다. 또, 속도 루프의 전달 함수는
Gtv(s) = 1 / ( 1 + s•J /(Av•ψ )) = 1 / (1 + S / Gv)
이 된다. 여기서, Gv는 속도 루프 게인이다.
이처럼 속도 루프를 설치함으로써 속도 지령에 대해 회전속도를 작은 지연으로 확실하게 추종할수 있게 된다.
4) 위치 제어
속도 제어형 서보 드라이브라도 대부분의 경우 위치제어로 이용되며, 외측에 위치 루프를 설치할수 있다. 위치 앰프의 게인을 G0로 하면, 전달함수는
Gt0(s) = G0•Gv / (S²+ Gv•S + G0•Gv)
의 2차 지연형으로 표시되고, Wn, ζ는
Wn = G0•Gv, ζ = 0.5•Gv/G0
가 된다. (아래 그림 참조 )
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