[스크랩] AC 서보모터개요

2-1. AC 서보모터개요 2.1.1 토오크의 발생원리 AC 서보모터는 모터 단체로서 본다면, 어디까지나 AC 모터이다. 그러나, 전용제어 장치와 조합시키면 제어성이 우수한 DC 서보모터와 동등 이상의 성능을 내는 모터가 된다. DC 서보모터의 회전속도를 바꾸기 위해서는, 일반적으로 전기자에 인가하는 전압을 변화시키는 방법을 취한다. 전기자 전압은 회전속도와 거의 비례 관계가 있고, 전압을 내리면, 어느 정도 속도를 내릴 수 있다. 한편, AC 모터는 일반적으로 주파수를 변화시켜 회전 속도를 바꾸는데, 이 주파수에는 자연히 한계가 있다. 간단한 인버터를 사용한 정도면 서보모터의 특징인 넓은 변속 범위를 얻을 수 없다. 그러면, 어떤 형태로 하여 AC 모터에 우수한 제어성을 줄 수 있는지 DC 모터의 원리를 참고로 하여 설명한다. (1) DC 모터의 원리 그림 2.1.1은 DC 모터의 원리를 간단하게 나타낸 것이다. 그림 2.1.1 DC 모터의 기본원리 영구자석 N, S에 의해 자계가 형성되고, 브러시와 정류자를 통한 전류가 도체내를 흐르면 플레밍의 왼손 법칙에 따라, 그림에서는 화살표 방향으로 토오크가 발생한다. 회전자가 회전하여 약 90도 회전하면 정류자에 의해 전류방향이 뒤바뀌어 회전을 계속할 수 있다. 이 일련의 동작을 잘 생각해 보자 그림의 상태에서 통전하여 회전을 시작하면 토오크는 점점 감소하고 90도의 위치에서 0 이된다. 본래, 여기에서 정지하는 것인데 실제는 회전자의 관성때문에 조금 더 회전하여 90도를 약간 넘은 곳에서 전류의 흐름이 뒤바뀌게 되고 토오크는 점점 증가하기 시작한다. 그림의 모터는 특히 토오크 변동이 큰 모터이다. 그러나, 실제의 모터는 정류자가 수 십개 있어, 회전자가 약간 돌면 전류의 방향이 뒤바뀌게 되어 항상 최대 토오크인 곳에서 사용되는 형태로 설계되어 있다. 이와같이, DC 모터의 구조는 자력선과 전류의 방향이 항상 직각으로 교차하는 모양으로 되어 있어, 전류에 비례한 안정된 토오크를 항상 얻을 수 있다. 그렇지만, 이를 위해서는 정류장치(브러시, 정류자)가 반드시 필요하다. (2) AC 모터의 원리 그림 2.1.2는 AC 모터의 정류자를 슬림링으로 바꾼 것이다. 지금, 브러시 A가(+), 브러시 B가(-)로 되는 모양으로 통전하면 DC 모터와 같은 모양의 토오크가 발생하여 모터가 회전한다. 그러나 정류자가 없기 때문에 정지하여 버리므로, 적당한 시기에 전류 방향을 바꿔 줄 필요가 있다. 역으로 생각하면, 전원을 교류로 하면, 그 주파수에 맞는 회전속도로 계속 돌 수 있다. 이와 같이, 전원 주파수에 동기시켜 모터를 돌리는 것이 교류 모터이고, 회전자의 위치에 의해 전원의 극성을 반전시키는 것이 브러시리스 모터이다. 그림 2.1.2 AC 모터의 기본원리(1) - 회전 전기자형 그림2.1.2에서는 DC 모터와 비교하기 쉬운 형태로 브러시와 슬립링을 설치했는데, 같은 원리를 그림 2.1.3의 형태로 나타내면 브러시를 생략할 수 있다. 그림2.1.2를 회전 전기자형, 그림2.1.3을 회전 계자형 이라 부른다. 브러시리스 서보모터의 경우는 회전 계자형을 사용한다. 그림 2.1.3 AC 모터의 기본원리(2) - 회전계자형 (3) AC 모터(브러시리스 서보모터)의 원리 브러시리스 모터는 DC 모터가 가진 정류장치를 모터에서 떼어내고, 대신에 전원을 제어 하여 회전자 위치에 맞는 전류를 흘리는 장치 즉, 드라이버에 의해 구동된다. DC 모터는 정류자의 갯수를 늘림으로써 토오크 리플을 적게할 수 있는데, 브러시리스 모터에서는 모터를 3상 권선으로 하고, 각 상의 전류를 구형파 혹은 정현파의 교번 전류를 흘려 구동하다. 그림 2.1.4의 (a),(b)는 3상 브러시리스 모터의 횡단면도 이고, U+,U-,V+,V-,W+,W-는 각 권선의 시작과 끝이다. 그림 2.1.4 회전자계의 원리 모터에 그림 2.1.4(c)와 같은 3상 교류(정현파)가 통전되고 있을 때, 시각 A점에 있어서 모터의 상태를 보면, U상만이 정(+)이고 V상과 W상 모두 부(-)이다. 그러므로 각 권선의 전류 방향은 그림 2.1.4(a)와 같이 되고 전류에 의해 유기된 자속의 합성벡터는 N에서 S로 향하는 방향으로 발생한다. 이때 자속과 직각으로 교차하는 위치에 회전자의 자계가 있다고 하면 자석 끼리의 반발력과 흡인력에 의해 회전자를 시계 방향으로 돌리는 토오크가 발생한다. 또 시각 B점에 대해서도 같은 모양으로 검토해 보면, 권선에 의한 자속은 그림 2.1.4(b)와 같이 회전방향에 60도 어긋난 위치에 발생한다. 이와 같이 고정자 권선에 3상 교류(정현파 혹은 구형파)전류를 흘리므로써 연속적인 회전자계를 얻을 수 있다. 이 구동전류 위상을 회전자의 회전각에 대하여 항상 직교하는 형태로 맞출 수 있다면 매끄러운 토오크를 내면서 효율이 좋은 모터를 브러시리스로 구성할 수가 있다. 2.1.2 회전자 위치 검출 회로 AC 서보모터에서도 DC 서보모터와 같이 전류의 방향과 자속의 방향을 직교시키기 위해서는 자석의 위치를 정확히 파악하지 않으면 안된다. 그림 2.1.5에는 종래의 인크리멘탈 인코더의 내주부에 자극 위치를 센싱할 수 있는 전용 슬릿이 추가된 인크리멘탈 인코더를 보인다. 자극 검출신호 U,V,W 채널 신호는 AC 서보모터의 극수에 맞춰 각 전기각으로 120도 어긋난 위상차를 갖고 있다. 따라서 검출신호수는 종래의 A,B,Z 채널 외에 U,V,W 채널이 합해져서 6신호가 된다. 이것을 장거리 전송이 가능하도록 라인 드라이버로 출력한다. 그림 2.1.5 AC 서보모터용 옵티컬 인코더의 출력파형 2.1.3 구동 시스템 이 모터의 동작원리는 앞 절에서 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 구동시스템의 전체 구성등 나타내었다. 그림 2.1.6 AC 서보모터 구동시스템의 구성 전류지령을 위한 회전자 위치 검출기와 속도 검출기가 모터 축에 커플링으로 연결되어 있다. 그림 2.1.7에 전류제어 트랜지스터 PWM 인버터의 주회로를 나타낸다. PWM 인버터는 상전류를 피드백하기 때문에 PWM에 의해 모터 손실을 줄일 수 있으며 토오크리플을 작게 할 수 있다. 또한 트랜지스터에 흐르는 피크전류도 작게 할 수 있다. 그림 2.1.7 전류제어형 트랜지스터 PWM 인버터의 주회로 그림 2.1.8에서는 AC서보모터 구동 시스템의 제어 블럭 다이어그램을 나타낸다. 회전자의 각위치 검출기로 부터의 신호에 의해 3상의 교류전류(정현파 혹은 구형파)를 발생시키고 그것에 전류 지령치가 곱해져 피드백된 3상 전류와 각각 비교한다. 만일 모터 전류가 지령치에 비해 크게 되면 인버터는 전류를 작게하는 방향으로 스위칭 하고, 반대로 모터전류가 지령치에 비해 크게되면, 인버터는 전류를 크게하는 방향으로 스위칭 하게된다. 속도 신호는 각도 신호의 예측을 위해 피드백 되어, 계의 시간 지연을 작게하고 있다. 그림 2.1.8 AC 서보모터 구동 시스템 제어 블럭도 2.2.AC 서보모터의구조 2.2.1 AC 서보모터의 구조 AC 서보모터의 구조를 그림 2.2.1에 나타내었다. 자속을 만들어 내기 위한 영구자석이 회전자에 부착된 회전계자형이고, 권선은 고정자측에 설치된 정지 전 기자 구조이다. 결국 DC 서보모터와 비교해 보면 회전자와 고정자의 전기적 역할이 역으로 되어있다. 그림 2.2.1 AC 서보모터의 구조 2.2.2 AC 서보모터의 구조상 특징. 서보모터에서는 급가감속을 행하기 위해, 최대 토오크는 정격 토오크에 대하여 수배 크게하지 않으면 안되는데, DC 서보모터에 있어서는 가감속 영역이라 불리우는 정류한계가 있고, 이것을 넘어서 사용하면 Flash over현상(정류자 불꽃이 갑자기 광대해 지는 현상)이 나타난다. 더구나 이 정류한계는 회전속도가 커지면 현저하게 저하한다. 그러나, AC 서보모터에 있어서는 정류한계가 존재하지 않기 때문에 고속 회전 영역까지 최대 토오크를 저감하지 않고 운전할 수 있다. 그림 2.2.2 는 서보모터의 동작 특성 비교를 나타낸 것이다. 또, AC서보모터에 있어서는 영구자석 이 회전축상에 설치되어 있기 때문에 회전부분에서는 발열이 없고 모터의 발열은 고정자측의 전기자에서만 발생한다. 그림 2.2.2 서보모터 동작 특성도 고정자측의 전기자에서 발생한 열은 프레임을 통하여 대기중에 발산하므로, 발열부가 회전자에 있는 DC 서보모터에 비하여 냉각이 용이하다. 또한, 발열부의 온도검출이 직접 가능하기 때문에 과부하에 대해 보호가 확실한 조치를 취할 수있다. 2.2.3 AC 서보모터의 구성 요소. AC 서보모터는 회전자, 고정자, 센서 및 이것을 지탱하는 프레임, 베어링, 커플링으로 구성되고 용도에 따라서 브레이크를 내장한 것도 보인다. 이하 요소별로 서술한다. (1) 회전자 회전자는 회전축에 영구자석이 고정된 회전 계자형 구조이다. 계자극의 형상은 원통형(링형)과 원호형(C형)의 두종류가 있다. 그림 2.2.3의 (a)는 원통형 영구자석을 계자극으로 한 모터의 횡단면도를 나타내고, (b)는 원호형 영구자석을 계자극으로한 모터의 횡단면도를 나타내고 있다. (2) 고정자 고정자는 전기자 철심과 전기자 권선에 의해 구성되어 있다. 그림 2.2.3 AC 서보모터 회전자 자석의 형상 전기자 철심은 0.34 ~ 0.5mm 두께의 규소강판을 쌓아 두껍게 한 것이다. 일반적으로 권선을 하기 위한 슬롯의 영향 때문에 공극에서의 자속밀도가 균일하지 않고 토오크가 맥동하여 회전변동이 일어난다. 이같은 토오크 리플을 저감하기 위하여 전기자 철심에 슬롯을 많이 내거나, 스큐(Skew)를 한다. 또, 서보모터의 철심은 전기자 전류의 영향을 받아서 진동하기 때문에 이 주파수가 가청주파수역에들 경우는 소음이 난다. (3) 센서 AC 서보모터의 센서는 모터의 위치 검출과 회전속도 검출의 2가지 기능이 필요하게 된다. 센서로서는 인코더와 리졸버 등이 일반적으로 사용되고 있는데, 상세한 내용은 2.3절에서 서술한다. (4) 브레이크 서보모터의 사용조건에 따라서 브레이크 내장형이 필요한 경우도 있다. 브레이크는 모터의 박형화를 도모하기 위해 편평형 전자 브레이크가 주로 사용된다. 브레이크의 동작은 역작동 방식의 홀딩 브레이크이다. 그림 2.2.4에 그 구조예를 보인다. 그림 2.2.4 브레이크가 부착된 AC 서보모터 (5) 프레임 프레임은 고정자를 고정하는 기능만 하는 것이 아니고, 요크로써 자로의 일부가 되기도 하고 동손 및 철손에 의한 열의 방열 통로의 기능을 한다. 따라서 열발산을 효율적으로 하기 위해서는 열전도율이 좋은 재질을 사용하여야 한다. 특히 프레임 외면에 방열판을 많이 두기도 한다. (6) 베어링 베어링은 기계적 손실이 작은 볼 베어링이 주로 사용한다. 반복적인 급가감속운동과 회전축의 열팽창을 십분 고려하여 탈조 방지를 충분히 고려하여 설계되었다. 물과 절삭유가 쓰이는 환경하에서 사용 할 때는 모터 축 사이로 물과 기름의 침입을 방지하기위해 오일씰을 붙이는 경우도 있다. 2.2.4 영구자석의 종류와 특징. 기계적 시정수가 작고 응답성이 좋은 서보모터에는 고성능 자석이 사용된다. 그러나 모든 서보 모터에 고응답성이 요구되는 것은 아니다. 부하의 관성 모멘트가 큰 경우에는 회전자 관성 모멘트가 작은 모터를 선택해서는 무의미하다. 역으로, 부하의 관성모멘트가 작을 때는 회전자 관성모멘트가 큰 모터를 사용하면 가감속에 사용되는 파워는 모터 자체만을 구동하기 위해서 소비되어버리기 때문에 응답성이 좋은 모터로 써도 무의미 하므로 목적에 맞게 선정하여야 한다. 회전자 관성모멘트는 계자를 형성하는 영구자석을 어떤 종류를 사용했느냐에 따라 달라진다. 영구자석의 자기특성은 감자 곡선으로 표시되는데, 잔류 자속 밀도Br, 감자력Hc, 최대 에너지 적(BH)max에 의해 그 특성을 알 수 있다. 영구자석을 포함하는 자기회로의 공극에 축적된 에너지는, 자기 에너지 적에 비례하므로 우수한 자석은 그만큼 단위 체적당 큰 자기 에너지 적을 보유하고 있다. 그림 2.2.5는 대표적인 3종류의 자석의 자기특성을 비교한 것이다. 그림에서, 종축은 자속밀도 B, 횡축은 감자계의 강도 H로 표시된다. 또한 감자 곡선상의 자속밀도와 자화력의 적을 자기 에너지적 이라 하고, 그 최대치가 최대 에너지 적(BH)max 이고, 단위는 J/m^3 혹은 Gauss Oersted(GOe)로 표시된다. 그림에서 보듯이 희토류 자석은 페라이트 자석보다 Br, Hr값이 크다. 즉 희토류 자석을 사용한 서보모터는 같은 출력에 비해 모터 크기가 작고 따라서 회전자 크기가 작아서 기계적 시정수가 작고 파워레이트가 크다. 표 2.2.1은 페라이트 자석을 사용한 AC서보모터와 희토류 자석을 사용한 AC서보모터의 특성을 비교한 것이다. 그림 2.2.5 영구자석의 감자 곡선

항목 단위 페라이트 자석 희토류 Bond 자석 희토류 소결 자석 정격 토오크 kgcm 29 9.7 13 정격속도 RPM 1000 3000 3000 회전자 관성 gcm^2 13.8 0.843 0.195 기계적 상수 msec 5.9 2.5 0.8 파워 레이트 kW/sec 6.1 11.0 84.6 모터 크기 mm^2xmm 130x203L 82x198L 60x124.5L

표 2.2.1 페라이트 자석 및 희토류 자석 서보모터 특성 비교(300w급)

2.3.서보모터용 센서 AC 서보모터의 센서의 역할은 회전자의 위치 검출과 모터의 속도 검출 및 위치 결정제어에 있어서 위치 정보의 검출이다. 이 기능의 검출은 1개의 센서로써 모두 가능하지는 않으며 보통은 적당한 제어 회로와 조합해서 가능해 진다. 본 절에서는 서보 모터용 센서로 가장 많이 사용하는 로타리 인코더와 리졸버의 특징과 사용법에 대해서 기술한다. 2.3.1 광학식 인코더 광학식 인코더는 기능면에서 인크리멘탈형(Incremental)형과 절대치형(Absolute)형으로 분류될 수 있다. 광학식 인코더는 투광용 광원과 수광소자와 슬릿이 있는 회전 디스크의 3가지로 구성되어 있으며 회전 디스크를 투광용 광원과 수광소자의 중간에 넣어서 회전 시키면 회전각에 비례한 펄스 출력을 얻을 수 있다. 그림 2.3.1은 투광용 광원으로 발광 다이오드(LED)를 이용하여 회전 디스크를 통과한 광선을 똑바로 수광소자에 투사되도록 한 것으로서, 고정 슬릿판을 붙인 광학식 인코더의 한 예를 보여주고있다. LED로 부터 투사된 광선(적외광선)은 회전 디스크의 슬릿과 고정 슬릿판의 슬릿을 통과하여 수광소자에서 검출된다. 그림 2.3.1 광학식 인코더의 구조 (1)인크리멘탈 인코더 그림 2.3.2는 Zero상 신호 Z를 가지고 있는 A,B 출력형 인크리멘탈 인코더의 구조도이다. LED로 부터 광투사된 광선은 회전 디스크의 슬릿을 통과한 뒤 고정 슬릿판의 A, B, Z에 해당하는 각각의 슬릿을 통과하여 A, B, Z의 수광소자에서 검출된다. 고정 슬릿판 상의 A, B의 슬릿은 90도의 위상차를 갖도록 배치되어 있으며 파형이 정비된 전기적 신호 출력도 90도의 위상차를 갖는 구형파로 된다. 인크리멘탈 인코더는 구조가 간단하고 가격이 싸며, 출력 전선의 갯수도 작아서 신호전달이 간단하다. 인코더의 출력 펄스는 축의 회전위치의 절대치를 나타내지는 않고 축이 회전한 각도에 비례한 펄스수가 얻어지는것이며, 절대치 표시를 수행하는 경우는 인코더 출력 펄스를 카운터에 축적한 것으로 표시한다. 사용상의 주의점으로서는, 신호 전달중의 노이즈를 카운터에 축적하는 결점이 있기 때문에 노이즈 대책을 충분히 세워야 될 필요가 있다. 또 전원이 끊어진 경우에는 다시 전원을 투입 하여도 원래 위치의 표시는 불가능하게 되기 때문에 충분히 주의를 기울여야 한다. 인크리멘탈 인코더는 인코더 자체에서 단지 펄스열을 발생하기 때문에 회전 속도를 검출하기 위한 아날로그 신호를 얻기 위해서는 인코더의 출력펄스 수를 F/V Converter에서 펄스 주파수에 비례한 아날로그 신호로 변환하여야 한다. 그림 2.3.2 인크리멘탈 인코더의 구조와 출력파형 (2)절대치형 인코더 절대치형 인코더의 기본적인 구성은 인크리멘탈형과 동일하다. 회전 디스크의 슬릿은 표 2.3.1과 같이 2진 부호열로 되어 있는데, 회전 디스크의 바깥 둘레를 최하위 비트로하고 중심을 향하여 필요한 비트(행)수 만큼의 슬릿이 동심원상으로 배치되어 있다. 그림 2.3.3은 절대치형 인코더의 구조도이다. 절대치형 인코더는 명칭 그대로, 입력축의 절대위치를 검출할 수 있기 때문에 신호전송중의 노이즈에 의해 오차가 누적되지 않으며, 또 전원의 단절되어 재투입하는 경우에도 인크리멘탈형에서 처럼 원래 위치를 잃어버리지 않고 정상적으로 올바른 현재치를 검출할 수가 있다. 단점으로는, 비트수가 많아지면 출력 신호선의 수가 많아져 구조상 소형화, 저가화가 어렵다는 것을 들수 있다. 순 2진 주기 2진 10진 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 0 0 0 0 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 . . . . . . 64 36 16 8 4 2 1     표 2.3.12진 부호 그림 2.3.3 절대치 인코더의 구조 2.3.2 자기 인코더 자기 인코더는 미소 다극 착자된 자기 드럼과 이 드럼에 근접하도록 설치된 자기 저항 소자로 구성되어 있다. 자기 드럼과 자기 저항 소자의 위치 관계는 그림 2.3.4에서 보여주는 바와 같이 드럼의 바깥 둘레에 착자하고, 자기 저항 소자를 드럼의 바깥 둘레에 대향 하도록 배치된 것과, 드럼의 측면에 착자되고 이 면에 자기 저항 소자를 대향하도록 배치된 것이 있다. 어느쪽의 경우에 있어서도 기본적인 원리는 동일하다. 이와같이 자기 인코더는 광학식 인코더와는 검출부의 구조는 다르지만 출력신호를 만들어 내는 방법은 완전히 동일하다. 그림 2.3.4 자기 인코더의 구조 자기 인코더는 다음과 같은 특징을 가지고 있다. (a) 먼지, 결빙 등의 영향을 잘 받지 않기 때문에 내환성이 좋다. (b) 고분해능 (1000 ~ 3000 pulse/rev은 표준사양) (c) 고응답성 (200kHz 정도까지는 출력 저하가 생기지 않음) (d) 구조가 간단하다. 자기 인코더는 자력을 응용한 인코더이기 때문에 강자계와 자성분이 많은 장소에서 사용하는 경우에는 다음과 같은 점을 주의하여야 한다. (a) 외부로 부터 강력한 자계를 가하면 오동작을 한다. 이와 같은 경우에는 자성체의 케이스를 이용하여 자기 쉴드하여 사용한다. (b) 자성분이 들어오면 드럼에 부착되어 오동작을 일으킨다. 이와같은 장소에서 사용하는 경우는 자성분이 들 어오지 못하도록 케이스로 보호한다. 2.3.3 레졸버(Resolver) 레졸버는 회전각과 위치의 검출기로써 모터의 센서로 사용되고 있다. 인코더가 변위량을 디지탈양으로 변환하는 것에 비하여 레졸버는 아날로그양으로 변환한다. 일반적으로 브러시리스 레졸버라 부르는 것은 회전 트랜스를 사용한 형을 말하며, 그림 2.3.5에 레졸버의 구조도를 나타내었다. 그림 2.3.5 레졸버의 구조 레졸버는 스테이터(Stator), 로터(Rotor), 회전 트랜스의 3요소로 구성되어 있고, 스테이터와 로터의 권선은 자속분포가 각도에 대하여 정현파가 되도록 분포되어 있다. 여자권선에 있는 스테이터 권선은 전기적으로 90도 위상차가 나고 2상 구조로 되어 있으며, 출력 권선의 로터는 단권선이나 2상 권선이 용도에 따라 감겨져 있다. 단상 출력의 경우에 있어서의 결선도와 관계식을 그림 2.3.6에서 보여주고 있다. 레졸버는 구조가 모터의 구조와 유사하고 내환경성이 우수하다. 주요 특징은 다음과 같다. (a) 진동, 충격등의 내환경성이 우수하다. (b) 사용 온도 범위가 넓다. (c) 장거리 전송이 가능하다. (d) 형상의 소형화가 가능하다. (e) 신호처리 회로가 복잡해 진다. (f) 로터리 인코더에 비해 고가. 그림 2.3.6 단상 출력 레졸버 결선도

출처 : 최뿔따구의 스토리

글쓴이 : Young2 원글보기

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