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제목 서보모터(Servo Motor) 이야기-02
분류 FA부품요소 > 모터/전동기 작성일 2006.07.05
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1-1. 서보의 역사


자동제어를 공업적으로 최초로 이용한 것은 J.Watt 1784년에 증기기관의 속도를 일정하게 유지시키기 위해 개발한 속도 조절기(Speed governor)가 대표적이다. 이 속도조절기는 링에 추(flyball)를 설치한 간단한 기구로서, 이것을 증기기관으로 회전시킴으로써 추에 작용하는 원심력으로 링에 병진운동을 일으키게 하는 구조로 되어 있는데, 이것에 의해 증기의 유량을 조절하는 제어밸브를 개폐하도록 만든 것이다.
이 속도조절기는 속도를 검출하는 역할과 밸브를 조작하는 역할을 겸하고 있으며, 이것을 동작시키는 동력은 제어의 대상인 증기기관에서 얻고 있는데, 오늘날 말하는 자동식 제어장치의 일종이다. J.Watt의 자력식 속도 조절기는 구성이 간단하였으나 이것만으로 충분한 제어 성능을 기대한다는 것은 무리였다. 검출기가 동력을 필요로 하는 조작 부하를 겸하기 때문에 충분한 검출정밀도를 얻을 수 없었던 것이다.

19세기 중엽에 속도 조절기 링의 동작을 유압안내밸브와 유압실린더로 증력하여 제어밸브를 조작하는 방법이 고안되었다. 이 방법은 제어밸브를 조작하는 동력은 유압으로 주어지고, 유압을 발생시키는 유압원이 보조동력원으로 필요한 것이었다. 보조동력원을 사용하는 이른바 타력식 제어장치의 적용으로 속도조절기는 검출기로서의 역할만 담당하게 되고, 그 링의 역할로 유압안내밸브의 스풀(spool)을 움직여 안내밸브 제어포트의 개발을 변화 시켜 그것을 유동하는 유압의 유량을 제어하여, 그에 따라 유압실린더의 피스톤을 큰 힘으로 구동시켜 조작용 제어 밸브를 개폐하도록 한 것이다. 여기서 유압실린더의 동작은 안내밸브 스풀의 동작에 따르도록 되어 있고, 그 힘을 증폭하고 있다. 이것은 오늘날 널리 이용되고 있는 유압서보이다.

서보기구라는 용어는 1934년에 H.L.Hazen 교수에 의해 처음 쓰여졌으나 Servo의 어원은 라틴어의 Servue(영어의 Slave:노예)라고 한다. 노예의 역할이 주인의 명령을 충실히 따르고 육체노동을 하는 것이므로 그러한 역할을 해내는 장치를 그렇게 이름붙인 것이다. 속도조절기에 적용시킨 유압증력장치는 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 화 이트 헤드에 의해 발명되었는데, 처음부터 자동조종을 전제로 하여 탄생한 병기이다. 당초 어뢰는 봄제(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 제어장치로 방향타를 움직여서 심도를 제어한 것이다. 어뢰의 자동조종에 이어 배의 자동조종이 실현되었다. 수상함의 경우는 침로만 제어하면 되는데 , 센서로는 자이로캠퍼스가 쓰이고 있다. 항공기는 제 1차대전 후에 발달하였는데 그 자동조종도 당연히 실현된 것이다. 이처럼 운동체 또는 교통기관의 자동조종이 서보기구의 주요 응용분야가 되고 있는 것이다.

이렇게 자동제어는 속도, 서보의 순으로 발달하여 1920년경부터 프로세스 제어에도 실현되었다. 프로세스제어는 온도,압력,유량,액면,Ph등 프로세스 조건량의 제어이며,이러한 것을 프로세스에 적절한 값으로 유 지하는 것이 목적이다. 석유정제 프랜트와 같이 유체를 취급하는 연속 프로세스에서는 프로세스제어에 의한 자동화 가 비교적 간단하였기 때문에 자동화는 급속히 발전을 이루었다. 연속 프로세스의 양산 프랜트에서는 최적 제어에 의한 수량의 증대가 큰 경제효과를 갖기 때문에 자동화의 장점이 그 발전을 촉진시킨 것이다. 이처럼 자동제어는 발전했으나 각각의 응용분야 간에는 거의 관련을 갖지 못했다. 2 차대전중 미국 MIT 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 서보테크닉 이라 하는 이른바 주파수응답법이었다. 전후 이들의 연구성과가 재빨리 발표되자 이 수법이 서보에만 한정되지 않고, 프로세스제어를 포함한 일반 제어계의 해석, 설계에 큰 역할을 해내어 피드백 제어이론이 체계화된 것이다.

전후, 전자계산기의 발달으로 그 신뢰성이 향상하면서 제어에 응용하는 소위 컴퓨터제어의 시대를 맞이하게 되었다. 컴퓨터를 도입함으로써 제어의 질이 비약적으로 향상했다는 것은 말할 필요도 없다. 그때까지의 제어는 연산이라고 해도 고작 PID제어 정도였으나 컴퓨터에 의해 복잡한 연산과 복잡한 이론판단이 가능해지고 더욱 큰 용량에 의해 측정된 데이터의 이용이 가능해졌다. 그때까지의 자동화가 사람의 손발의 역할을 기계로 대행 시킨 것에 불과한데 반해 컴퓨터에 의해 인간두뇌의 역할을 대행시키는 것이 가능해졌으며,그 당시 생긴 오토메이션이란 신조어가 이 자동화의 변모에 대응하여 사용된 것이다.

1973년에 있는 석유 가격의 급격한 폭등에 따른 소위 오일쇼크가 원인이 되어 성능상으로는 뛰 어나지만 작동을 위한 기름의 관리,기름의 누출,폐유의 처리 등 사용상의 난점을 가진 유압서보가 공업적 이용에 있어 점차 멀어지게 되고 전기서보의 전성기를 맞이하게 되었다. 여기에는 서보전동기의 성능향상, 트랜지스터,다이리스터 등 반도체 기술의 진보가 크게 공헌하였다.
당초의 전기서보는 저관성서보 전동기나 저속대토크서보 전동기의 직류서보 전동기를 이용한 DC서보가 사용되었다. 그러나 직류서보 전동기에는 전류를 바꾸기위한 정류자의 브러시와 코뮤데이터의 마찰부분이 있어, 브러시 분말과 브러시 커뮤데이터 손상의 보상이 필요하다.
동기전동기, 유도전동기의 교류서보 전동기에는 정류자가 없기 때문에 보상이 없어도 된다. 교 류서보 전동기를 구동시키려면 교류주파수를 변화시켜 전동기 속도를 변화시킬 필요가 있는데 직류를 가변주파수의 교류로 변화시키는 성능이 좋은 인버터회로를 트랜지스터나 다이리스터 등 반도체 소자로 실현할 수 있게 되었으며 , 또 마이크로일렉트로닉스의 연산기술이 교류서보 콘트롤러에 이용되게 되었기 때문에 교류서보 전동기를 이용한 AC서보의 성능이 향상되었으며, 비용면에서도 DC서보에 필적할 만큼 되고, 무보상의 유리함으로 AC서보가 로보트제어에 많이 쓰이게 되었다.

 

1-2. 서보의 종류

FA용 서보모터는 분류방법에 따라 여러가지로 분류가 가능하나, 여기서는 가장 간단하고 실용적인 종류로 분류하여 설명하기로 한다.
서보모터는 크게 DC 서보모터와 AC 서보모터로 나뉜다. AC 서보모터는 다시 구조에 따라 동기기와 유도기로 분류된다.
동기기형 AC 서보모터를 SM(Synchronous Type AC Servo Motor)혹은 브러시리스 DC 서보모터(Brushless DC Servo Motor)혹은 영구자석형 AC 서보모터(Permanent Magnet Type AC Servo Motor)라고도 한다. 유도기형 AC 서보모터는 IM형 서보모터(Induction Type AC Servo Motor)라고도 한다.
여기서는 편의상 AC 서보모터라고 하면 브러시리스 DC 서보모터를 뜻하는 것으로 하겠다.

위의 모터외에도 서보 시스템화가 가능한 FA용 모터로 스텝핑 모터(Stepping Motor)혹은 펄스 모터(Pulse Motor)가 있다


1-2.1 DC 서보모터의 구조

DC 서보모터의 구조는 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 및 브러시 홀더가 부착되어 있다.
브라켓과 플랜지에는 볼 베어링이 있어서 회전자를 받쳐주고 있다. 브라켓 뒷쪽에는 회전속도신호를 검출하는 검출기가 회전자와 연결되어 있는데 광학식 인코더 혹은 타코제너레이터를 많이 사용한다.
DC
서보모터는 토오크와 전류가 비례하여 선형제어계의 구성이 가능하므로 비교적 간단한 회로로 안정된 제어계 설계가 가능하다. DC 서보모터는 최고속도와 그점에서의 허용 토오크는 정류불꽃에 의해 제약을 받는다.
DC
서보모터의 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 간변 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 행할 수 있다.


1-2.2 동기기형 AC 서보모터

고정자측 구성은 기계적 지지를 목적하는 원통형의 프레임과 프레임 내경에 원통형의 고정자 코어(Stator Core)가 있고 코어에 전기자 권선이 감겨져 있다. 권선 끝단에는 리드선이 나와 있어서 이 리드선으로부터 전류 및 전압이 공급된다.회전자측 구성은, 샤프트와 샤프트 외경에 자석이 부착되어 있다. 양쪽 브라켓 및 플랜지에는 볼 베어링이 부착되어 있다. 동기기형 AC 서보모터는 DC 서보모터와 반대로 자석이 회전자에 부착되어 있고 전기자 권선은 고정자측에 감겨져 있다. 따라서 정류자나 커뮤테이터 없이도 외부로 부터 직접 전원을 공급 받을 수 있는 구조이기 때문에 브러시리스 DC 서보모터라고도 한다.
동기기형 AC 서보모터도 DC 서보모터와 마찬가기로 광학식 인코더나 리졸버를 회전속도 검출기로 사용한다.동기기형 AC 서보모터는 회전자에 자석 즉, 페라이트 자석 혹은 희토류(Rare Earth)자석을 사용하여 계자 역할을 한다.
동기기형 AC 서보모터는 전기자 전류와 토오크의 관계가 선형이므로 제동이 용이하고 비상 정지시에 다이나믹 브레이크가 작동한다. 그러나 회전자에 영구자석을 사용하는 구조이므로 복잡하고 제어시 회전자 위치를 검출해야 할 필요가 있다. 또한 드라이버로부터의 전기자 전류에는 고주파 성분이 포함되어 있어서 토오크리플(Torque Ripple) 및 진동의 원인이 되는 경우가 있다.


1-2.3 유도기형 AC 서보모터

유도기형 AC 서보모터의 구조는 일반 유도기(Induction Motor)의 구조와 똑 같다. , 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 양 단면과 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 것이 필요없다. 그러나 정지시에도 여자전류를 계속 흘려야 하므로 이것에 의한 발열 손실과 비상 정지시에 DC서보모터와 같이 전기자 권선을 단락하여 다이나믹 브레이크를 걸어주는 것이 불가능한것 등의 결점이 있다

자료참고:서보스타
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