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AC서보모터의 구성

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서보개요 http://blog.empas.com/cyyp008/26330660
서보모터구성 I
AC서보모터의 구성 II http://blog.empas.com/cyyp008/26330364
AC서보모터의 종류 http://blog.daum.net/coolmuscle/4017265
AC서보모터의 구조와 특징
AC서보와 DC서보의 비교 http://tong.nate.com/bmwawoo/7582986

1. 서보의 역사
2. 서보의 정의
3. 서보의 분류
4. 서보모터용 센서
5. 토크 발생 원리
6. 서보모터의 응용

  • 토오크 발생 원리
       AC 서보모터는 모터 단체로서 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 그림 1은 DC Motor의 원리를 간단하게 나타낸것이다.

     


    (그림 2.1.1) DC Motor의 원리


      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 시작한다.

          그림의 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 그림 2은 DC Motor의 정류자를 슬립링으로 바꾼것이다.

    AC Motor의 기본원리">


    (그림 2.1.2) AC Motor의 기본 원리(1)회전 전기자형


          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.

    AC Motor의 기본원리">


    (그림 2.1.3) AC Motor의 기본 원리(2)회전 계자형

       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.

     


    (그림 2.1.4) 회전자계의 원리


          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.
     

  • 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.

     


    (그림 2.1.5) AC 서보 모터 회전자 위치 검출 회로

  • 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.

    AC 서보모터 구동시스템의 구성">


    (그림 2.1.6) AC 서보 모터 구동시스템의 구성


       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.

     


    (그림2.1.7) 전류제어형 트랜지스터 PWM 인버터의 주회로


       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.

    AC 서보모터 구동시스템의 제어블럭도">


    (그림 2.1.8) AC 서보 모터 구동시스템의 제어블럭도


       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.

http://www.msite.net


4. AC 서보 모터

AC 모터와 DC 모터를 분류하는 경우 학계에서는 전기자 권선에 공급되는 전력이 교류인가 직류인가에 따라 분류하는 방법을 사용한다. 이외의 분류방법으로는 기계적인 브러시와 정류자의 유무에 의한 분류방법이 있으며, 일반적으로는 이 분류방법이 통용되고 있다. 또한, 서보 모터, 스핀들 모터 및 가변속 모터의 구분은 엄밀한 것은 아니나, 제어성능이 가장 높은 것이 서보 모터이고 다음이 스핀들 모터 그리고 가변속 모터 순이다. 그러므로 AC 서보 모터의 정의는 제어성이 높은 위치결정 기능을 갖고 기계적인 브러시와 정류자를 갖지 않는 제어용 모터라고 하면 좋을 것이다. 또한, AC 서보 모터에는 SM(Synchronous Motor)형과 IM(Induction Motor)형이 있으며, 현재 성능면에서 우수한 SM형 서보 모터가 많이 사용되고 있다.

가. AC 서보 모터 구조와 특성

[그림 1.1-4-1]은 AC 서보 모터의 구조단면이다.

[그림 1.1-4-1] SM형 AC 서보 모터의 구조 단면

고정자 측 구성은 기계적 지지를 목적으로 하는 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. 회전자 측 구성은 샤프트와 샤프트 외경에 자석이 부착되어 있다. 양쪽 브래킷 및 플랜지에는 볼 베어링이 부착되어 있다. SM형 AC 서보 모터는 DC 서보 모터와 반대로 자석이 회전자에 부착되어 있고 전기자 권선은 고정자 측에 감겨져 있다. 따라서, 브러시나 정류자 없이도 외부로부터 직접 전원을 공급받을 수 있는 구조이기 때문에 브러시리스 DC 서보 모터라고도 한다. SM형 AC 서보 모터도 DC 서보 모터와 마찬가지로 광학식 인코더나 레졸버를 회전속도 검출기로 사용한다. 동기기형 AC 서보 모터는 회전자에 자석 즉, 페라이트 자속 또는 희토류(rare earth) 자석을 사용하여 계자 역할을 한다.

동기기형 AC 서보 모터는 전기자 전류와 토크의 관계가 선형이므로 제동이 용이하고, 비상 정지 시에 다이내믹 브레이크가 작동한다. 그러나, 회전자에 영구자석을 사용하는 구조이므로 복잡하고 제어 시 회전자 위치를 검출해야 할 필요가 있다. 또한, 드라이버로부터의 전기자 전류에는 고주파 성분이 포함되어 있어서 토크리플(Torque Ripple) 및 진동의 원인이 되는 경우가 있다.

IM형 AC 서보 모터의 구조는 일반 유도기(Induction Motor)의 구조와 똑같다. 즉, 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 나있는데 링 형상의 코어 양단면과 슬롯에는 순도 높은 알루미늄 봉이 차 있어서 바구니 모양과 비슷하다. 유도기의 경우, 회전자와 고정자의 상대적인 위치 검출 센서가 필요하지 않다. 유도기형은 회전자 구조가 간단하고, 검출기도 특수한 것이 필요 없다. 그러나, 정지 시에도 여자전류를 계속 흘려야 하므로 이에 따른 발열 손실과 비상 정지 시에 DC 서보 모터와 같이 전기자 권선을 단락하므로 다이내믹 브레이크를 걸어주는 것이 불가능하다는 등의 결점이 있다.

[표 1.1-4-1]에 각 서보 모터의 장단점 및 기타 특성을 종합해서 정리해 놓았다. 표에 나타난 바와 같이 DC서보 모터, 동기형 AC서보 모터, 유도형 AC서보 모터는 각각 장단점을 갖고 있어, 사용목적과 요구되는 특성, 취부환경, 제작비용 등을 고려하여 선택되어져야 한다.

[표 1.1-4-1] 서보 모터의 특성

구 분

DC 서보 모터

SM형 AC 서보 모터

IM형 AC 서보 모터

장점

- 정전시 발전제동
가능

- 컨트롤러의 구성
간단

- 소 용량형은 저가격

- 높은 Power Rate

- 응답성 좋음

- 유지보수 간편화

- 뛰어난 내환경성

- 고속 대토오크 가능

- 정전시 발전제동 가능

- 소형경량

- 높은 Power Rate

- 유지보수 간편화

- 뛰어난 내환경성

- 고속 대토오크 가능

- 대용량에 효율 좋음

- 견고한 구조

단점

- 정류자 보수 필요

- 정류면에서 고속 대 토오크 사용가능

- 마모분의 발생

- 자기기동 기능 없음

- 모터, 제어기1:1대응要

- 컨트롤러가 다소 복잡

- 소용량은 효율 나쁨

- 온도 특성 변화

- 정전 시 제동불가

- 제어기가 다소 복잡

적정용량

- 수W-수kW

- 수십W-수kW

- 수백W 이상

전류파형

- 직류

- Sine파 or 구형파

- Sine파 or 구형파

자극센서

- 불필요

- 홀소자, 광 인코더

- 레졸버

- 불필요

속도센서

- DCTG

TG:타코제네레이터

- 브러시레스 DCTG

- 광인코더, 레졸버

- 브러시레스 DCTG

- 광인코더, 레졸버

수명

- 브러시 수명

- 베어링 수명

- 베어링 수명

모터상수

- 브러시 전압으로
제약

- 고압 저 전류 가능

- 모터의 구조에 따라 저속 대토오크 가능

- 고압 저전류 가능

- 정출력 특성 양호 (약한 계자제어)

고속회전

- 부적당

- 적용가능

- 최적

비상제동

- 다이내믹 브레이크 토오크 大

- 다이내믹 브레이크 토오크 中

- DC 전원이 필요

- 다이내믹 브레이크

토오크 小

내환경성

- 나쁨

- 양호

- 양호

영구자석

- 있음

- 있음

- 없음


AC 서보 모터 구조기술은 코일 권선용 치부철심과 자로 형성용 철심 2가지로 분할한 코어를 코
일의 권선 후에 조합하여 고정자를 완성하는 제작방법이 개발되고 있다. 이렇게 하면 권선이 쉬워지고 점적률도 향상되어 효율이 높은 모터를 만들 수 있다. 케이스의 소재로는 원래 주물프레임이 많이 쓰였으나, 작고 가볍고 진동이 적은 모터를 만들기 위하여 동판 프레임이나 몰드형 모터가 만들어지고 있다.

나. AC 서보 모터의 권선

모터에서 권선은 모터의 기능과 불가분의 관계에 있는 동시에 모터의 특성에 지대한 영향력을 미친다. 권선의 역할은 전자석으로서 자극을 만드는 것도 있지만, 보다 중요한 것은 권선에 전류를 온·오프 형태로 흘리는 것이다. 따라서 어떠한 형태로 권선을 감을 것인가, 어떠한 방법에 따라 교류전류를 흘릴 것인가가 모터의 성능과 깊은 관계가 있다.

권선을 감는 방법에는 크게 집중권(concentrated winding), 분포권(distributed winding) 두 종류로 구분된다. 일반적으로 교류모터, BLDC모터, DC 모터에는 대개의 경우 분포권으로 하고, 스테핑모터에는 집중권이 사용된다. 분포권은 한극을 형성하는 권선을 몇 개의 코일로 분할하여 자속분포를 가능한 한 정현파에 가깝도록 하는데 목적이 있다. 분포권에도 여러 종류가 있고, 교류모터와 DC모터에 있어서도 다르다. 분포권에는 중권과 파권이 있다.


[그림 1.1-4-2] 집중권


[그림1.1-4-3] 3상 4극 분포권을 갖는 권선배열

AC 서보 모터도 고정자와 회전자로 구성되고, 고정자에는 고정자권선이 감겨지고, 회전자는 종류마다 형태가 다르고 각각의 특성도 상이하다. 농형권선을 갖는 농형유도모터, 고정자와 동일한 모양의 권선을 갖는 권선형 유도모터, 릴럭턴스형 동기모터, 영구자석의 자극을 갖는 영구자석동기모터, 자극에 여자권선을 갖는 동기모터 등이 있다. 그러나, 고정자권선은 동일하다. AC 서보 모터 권선도 직류전기자 권선을 기준으로 환상권을 사용하지 않고 중권의 2층권이 사용된다. 파권은 대형 권선형 모터의 회전자권선에 이용되지만 소형모터에는 사용되지 않는다. 또한, 교류전원의 종류에 따라 권선도 3상, 2상 및 단상으로 분류된다.

교류전원으로 여자하는 경우에 자속은 자기저항에는 관계하지 않고 전압주파수 및 코일의 권회수에 따라 결정되고, 공극의 대소, 철심 포화도의 대소, 자기저항의 대소에 의해서는 변하지 않는다. 자기저항이 증가하면 그에 따라 필요한 AT (Ampere Turns)는 증가하지만, 자동적으로 전류가 증가해서 필요한 AT를 보상하게 된다. 코일의 전선 사이즈가 변화해도 턴수가 동일하면 여자전류도 변하지 않고 자속도 변하지 않는다. 그때의 자속에 대해서 각 부분의 자속밀도를 구하고 필요한 AT 를 각 재료의 자화곡선에서 구할 수 있다. 여기서 각 자로의 길이를 곱해서 합산된 필요 AT 에 상응하는 전류가 여자전류로서 자동적으로 코일에 흐르게 되는 것이다. 따라서, 코일에는 그 전류가 흐르기에 충분한 사이즈의 전선이 필요하게 된다.

 http://www.patentmap.or.kr

http://www.msite.net/tech_note_print.htm?id=849
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