Servo Motor

1. Servo Motor
Servo의 어원은 라틴어의 Servue (영어의 Slave:노예)이라는 말에서 유래한 것이다.
즉 지령한 속도 및 위치로 움직이며 위치 결정을 한다.
사용자가 지령한 특정 값에 도달한지를 Feed Back 에 의해 오차를 검출하여 보정하는 것이
서보모터의 큰 특징이다.
따라서 서보모터는 고속응답, 위치설정기능, 고출력 및 광범위한 변속 구동 등의 성능이 필수적이다.

2. Servo Motor 분류
FA용 서보모터의 분류방법에는 여러 가지가 있으나, 일반적으로 서보모터는 크게 DC 서보모터와
AC 서보모터로 분류한다.
최근에는 DC 서보모터는 사용하지 않고 대부분 AC 서보모터를 사용한다.
AC 서보모터는 다시 구조에 따라 동기기형와 유도기로 분류된다.
동기기형 AC 서보모터를 SM형(Synchronous Type AC Servo Motor)
혹은 브러시리스 DC 서보모터 (Brushless DC Servo Motor)
혹은 영구 자석형 AC 서보모터(Permanent Magnet Type AC Servo Motor)라고도 한다.
유도기형 AC 서보모터는 IM형 서보모터(Induction Type AC Servo Motor)라고도 한다.
일반적으로 공작기계에서 AC 서보모터라고 하면 브러시리스 DC 서보모터를 뜻한다.

3. AC 서보모터의 구조
AC 서보모터의 구조는 자속을 만들어 내기 위한 영구자석이 회전자에 부착된 회전계자형이고,
권선은 고정자 측에 설치된 정지 전기자 구조이다.
결국 DC 서보모터와 비교해 보면 회전자와 고정자의 전기적 역할이 역으로 되어있다.

4. AC 서보모터의 구조상 특징.
서보모터에서는 급가감속 기능이 필수적이므로 ,최대 토크는 정격 토크에 수배 크게 되어야 한다.
DC 서보모터에 있어서는 가감속 영역에서 정류한계가 있고 이것을 넘어서 사용하면
Flash over현상 (정류자 불꽃이 갑자기 광대해 지는 현상)이 나타납니다.
더구나 이 정류한계는 회전속도가 커지면 현저하게 저하된다.
그러나, AC 서보모터에 있어서는 정류한계가 존재하지 않기 때문에 고속 회전 영역까지
최대 토오크를 저감하지 않고 운전할 수 있다.
또, AC서보모터에 있어서는 영구자석 이 회전축상에 설치되어 있기 때문에 회전부분에서는 발열이
없고 모터의 발열은 고정자측의 전기자에서만 발생한다.

5. 인코더(Encoder)의 구조
5.1 인크리멘탈 인코더
AC 서보모터에서도 DC 서보모터와 같이 전류의 방향과 자속의 방향을 직교시키기 위해서는
자석의 위치를 정확히 파악하여야 한다.
그림은 종래의 인크리멘탈 인코더의 내부에 자극 위치를 검출할 수 있는 전용 슬릿이 추가된
인크리멘탈 인코더를 이다.



자극 검출신호 U, V, W 채널 신호는 AC 서보모터의 극수에 맞춰 각 전기각으로 120도 어긋난
위상 차이를 갖고 있으며, 검출 신호수는 종래의 A, B, Z 채널 외에 U, V, W 채널이 합해져서
6신호가 된다. 이것을 장거리 전송이 가능하도록 라인 드라이버로 출력된다.

5.2 광학식 인코더
광학식 인코더는 기능면에서 인크리멘탈형 (Incremental)형과 절대치형(Absolute)형으로 분류한다. 광학식 인코더는 투광용 광원과 수광소자와 슬릿이 있는 회전 디스크의 3 가지로 구성되어 있으며 회전 디스크를 투광용 광원과 수광소자의 중간에 넣어서 회전 시키면 회전각에 비례한 펄스 출력을 얻을 수 있다.
그림은 투광용 광원으로 발광 다이오드(LED)를 이용하여 회전 디스크를 통과한 광선을 똑바로
수광소자에 투사되도록 한 것으로서, 고정 슬릿판을 붙인 광학식 인코더의 한 예이다.

LED로 부터 투사된 광선(적외광선)은 회전 디스크의 슬릿과 고정 슬릿판의 슬릿을 통과하여 수광소자에서 검출된다.

6. Servo Motor 구동 System.

7. 서보모터의 동작 특성도
서보모터의 동작 특성도는 모터와 모터 구동장치 즉 드라이브와 결합된 상태에서 모터가 낼 수 있는
토크 및 회전속도의 관계를 "토크-회전속도 특성도(Torque-Speed Characteristic Diagram)"
라고 한다.

7.1 최대 회전수( 모터가 낼 수 있는 최대 회전속도를 말하며 모터에 사용된 베어링, 모터 샤프트의 기계적 강도 등에 의해 제한 받는다.

7.2 최대 연속 토크 Mdn (Maximum Continuous Torque)
연속 토크는 모터를 시간적으로 연속해서 계속 사용할 경우 낼 수 있는 최대 토크다.
최대 연속 토크 이내에서 사용하는 경우를 연속 운전영역이라 하며, 만약 이 범위를 넘어서
쉬지 않고 연속으로 사용하면 모터에 과도한 열이 발생하여 모터가 정지하게 된다.

7.3 단속 토크 Mkb (Short time duty Torque) 단속 토크는 Cycle Time에서 모터를 일정시간 사용하지 않을 경우 낼 수 있는 토크다.
ED (Operating Time %) 을 아래 수식에서 계산하여
(Operating Time / Cycle Time) x 100% > ED 의 조건에서 사용하여야 한다.
ED (Operating Time %) = (Mdn / Mkb)²x 100%
최대 연속 토크이상 단속 토크 이내에서 사용하는 경우를 단속 운전영역이라 한다.

7.4 순시 최대 토크 M max (Max Torque)
순시 최대토크는 순간적으로 (모터를 가 감속하는데 요하는 시간) 모터가 낼 수 있는 최대토크다.
순시 최대토크를 발생시키기 위하여 모터 드라이브로부터 공급되는 전류가 순시 최대전류이며 이 전류의 한계는 자석의 감자특성, 모터 드라이브의 정류특성, 모터 각 부위의 온도 상승한도 등에 의해 제한 받는다.

7.5 정격 출력
정격 출력은 효율이 최대인 점으로 정의되며, 최대 회전수에서 연속 토크로 사용할 경우이다. 정격 출력을 수식으로 나타내면
정격 출력[kW] = Mdn [kg·cm] x n [rpm] / 97400

= Mdn [N·m] x n max [rpm] / 9540 이다.

8. Servo Motor 설계 시 주의 사항.
주축용 Motor는 정격 출력이 Motor의 성능을 단적으로 표현해 주는 수치이며,
Servo Motor는 최대연속토크(MdnMaximum Continuous Torque)가 Motor의 성능을 표현해 주는 수치이다.
따라서 Servo Motor는 M_rated (Mdn)을 기준으로 선택하여야 한다.

예) 아래의 사양 및 특성표(SIEMENS)에서

감속기 없이 Motor를 직결하여 사용할 경우
최대연속토크가 1FT6102가 1FT6086 보다 25 % 정도 크고 Motor Size도 크나,
출력을 계산하면 4.8 kW, 5.8 kW로 계산됨으로 주의바랍니다.

1FT6086의 출력[kW] = T [N·m] x N [rpm] / 9540
        = 18.5 N·m x 3000 rpm / 9540
        = 5.8 kW

1FT6102의 출력[kW] = T [N·m] x N [rpm] / 9540
        = 23.0 N·m x 2000 rpm / 9540
        = 4.8 kW

9. 서보기구의 제어방식
서보(servo)기구는 사람에 비유해 보면 손과 발에 해당하는 부분으로 머리에 해당되는
정보처리회로의 명령에 따라 공작기계의 테이블 등을 움직이는 역할을 담당하며, 정보처리회로에서 지령한대로 정확히 동작한다.
따라서 CNC의 서보기구에 필요한 기능은 기계의 속도와 위치를 동시에 제어하는 것이다. 서보기구의 제어방식에는 개방회로 방식(open loop system)과 폐쇄회로 방식(closed loop system)의 2 종류가 있으며, 또한 폐쇄회로 방식은 반폐쇄회로 방식(semi-closed loop system), 폐쇄회로 방식(closed loop system) , 하이브리드 서보 방식(hybrid servo system)의 3 종류로 분류된다.

9.1 개방회로 방식(open loop system)
개방회로 방식의 구동 모터는 지령 펄스 수에 주파수에 상당하는 속도로 지령 펄스의 수에 상당하는 위치까지 기계를 움직일 수 있으며 현재는 정밀도가 낮아 CNC 공작기계에서는 거의 사용하지 않는다. 9.2 반폐쇄 회로 방식(semi-closed loop system)
모터 축이나 Ball Screw 축 등이 최종 제어 대상인 테이블의 앞에서 위치 검출을 행하기 때문에 정밀도는 다소 폐쇄회로 방식보다 떨어지나 고정도의 Ball Screw 등에 의해 실용상으로 정밀도 문제가 거의 해결되므로 널리사용된다.
9.3 폐쇄회로 방식 (closed loop system)
테이블의 측면에 리니어 스케일(LINEAR SCALE)을 설치하여 기계의 최종 제어대상인 테이블의 직선 방향위치를 직접 검출하여 비교회로에 전달하여 위치를 보정하며, 이외에는 반폐쇄 회로 방식과 동일하지만 정밀도가 높아 고정밀도의 공작기계나 대형공작기계 등에 많이 사용된다.

9.4 하이브리드 서보 방식(hybrid servo system)
반폐쇄회로 방식과 폐쇄회로 방식을 혼합한 방식이다.
만약 반폐쇄회로 방식으로 움직인 결과 오차가 있으면 그 오차를 폐쇄회로 방식으로 검출하여
보정을 행하는 방식으로 조건이 좋지 않은 기계에서 고정밀도를 필요로 할 때 사용된다.