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Young2 2010. 4. 5. 14:30

 

1. 서보모터(servo motor)의 정의

 

서보모터(Servo Motor)는 범용기계와 비교해 보면 핸들을 돌리는 손에 해당하는 부분으로 머리에 해당되는 정보처리회로(CPU)의 명령에 따라 공작기계 테이블(Table)등을 움직이게 하는 모터(Motor)이다. 일반 3상 모터와는 달리 저속에서도 큰 토오크(torque)와 가속성, 응답성이 우수한 모터로서 속도와 위치를 동시에 제어한다. 속도제어와 위치검출을 하는 장치를 엔코더(Encoder)라 하고 일반적으로 모터 뒤쪽에 붙어있다. 광학식 엔코더의 구조는 발광소자에서 나오는 빛은 회전격자와 고정격자를 통과하고 수광소자에서 검출한다. 회전격자는 유리로 된 원판에 등간격으로 분할이 되어 있다. 분할의 개수는 모터의 명판에 있는 펄스(Pulse)로 알 수 있다. 2000, 2500, 3000, 6000 펄스 등이 많이 사용된다.

 

 

  

 

 

2. 서보 모터(Servomotor)의 분류

 

서보 모터는 자동화시스템에서 동력발생기(Actuator)로 사용되는 중요한 요소이다. 이러한 서보 모터는 경량, 소형, 설치의 용이성, 고효율성, 정확한 제어성, 유지보수의 용이성 등의 특징들을 갖추어야 한다. 특히 많은 모터가 설치된 무인 자동화공장 등에서는 유지, 보수가 용이한 서보 모터의 특징이 커다란 이점으로 작용한다. 서보 모터는 크게 DC 서보 모터와 AC 서보 모터로 구분되어지고, 특히 AC 서보 모터를 브러시리스 서보 모터(Brushless Servo motor)라고 한다.

 

2-1. DC 서보 모터 (DC servomotor)

 

DC 서보 모터의 구조는 그림 1.1(a)에 나타난 것과 같이 고정자(stator)는 기계적 지지를 목적으로 하는 원통형의 프레임 (frame)과 프레임 내경에는 씁구자석이 부착되어 있다. 회전자 (rotator)는 샤프트 (shaft)와 샤프트 외경에 정류자 및 회전자 철심이 부착되어 있고, 회전자 철 심 내에는 전기자 권선이 감겨져 있다. 정류자(commutator) 를 통하여 전기자 권선(armature coil)에 전류를 공급하는 브러시(brush) 및 브러시 홀더(brush holder)가 부착되어 있다. 브라켓 (bracket) 뒤쪽에는 회전속도를 검출하는 검출기가 회전자와 연결되어 있는데, 검출기로는 광학식 엔코더 (opticalen

coder) 혹은 타코제너레이터 (tacho-generator) 등이 이용된다.

 

 

그림 1.1 서보 모터의 구조

 

DC 서보 모터는 토오크와 전류가 비례하여 선형제어계의 구성이 가능함으로 비교적 간단 한 회로로 안정된 제어

계가 가능하다. DC 서보 모터의 구동방식은 반도체 스위칭 소자를 이용한 펄스폭 변조 방식 (Pulse Width Modu

lation방식)이 주류를 이룬다. 이 방식은 상용 AC 전원을 정류하여 DC 전원을 얻고, 이러한 DC 전원이 모터에 인가되

는 시간폭을 변화시켜 모터에 인가되는 평균전압의 크기를 조절하는 방식이다.

 

2-2. AC 서보 모터 (AC servomotor)

 

AC 서보 모터의 구조는 그림 1.1(b)에 나타난 바와 같이 고정자(stator)는 기계적 지지를 목 적으로 하는 원통형의 프레임과 프레임 내경에 원통형의 고정자 코어 (stator core)가 있고, 코어에 전기자 권선이 감겨져 있다. 권선 끝에는 리드선이 나와 있어서 이 리드선으로부터 전류 및 전압이 공급된다. 회전자는 샤프트와 샤프트 외경에 씁구자석이 부착되어 있다. AC 서 보 모터는 DC 서보 모터와 반대로 씁구자석이 회전자에 부착되어 있고, 전기자 권선은 고정 자측에 감겨져 있다. 따라서 정류자와 브러시 없이도 외부로부터 직접 전원을 공급받을 수 있는 구조이기 때문에 AC 서보 모터를 브러시리스 서보 모터 (Brushless servomotor) 라고도 한다.

AC 서보 모터로써 널리 사용되는 브러시리스 서보 모터는 다음과 같은 장점을 갖고 있다.

 

◦높은 최대속도와 용량의 증대

◦악조건 하에서의 신뢰성 확보

◦낮은 유지비와 저소음

◦구조적 간결성

◦설치의 용이성

 

브러시리스 서보 모터는 반도체 스위칭 소자인 사이리스터 (thyristor) 기술의 발달에 따라서 대용량이 요구되는 산업현장에 널리 사용되고 있다. 이와 같이 브러시리스 서보 모터의 적용이 늘어가는 이유는 다음과 같다.

 

◦파워 트랜지스터의 용량 증대와 가격인하

◦PWM 인버터에 의한 전류제어 기술의 발달 -씁구자석 재료의 개발 -센서 기술의 발달 -제품의 소형화 결국, 브러시 

  리스 서보 모터는 DC 모터의 정확한 제어성과 AC 모터의 견고성을 동시에 겸비한 특징을 갖고있다. 또 한 정류자

  의한 전력 손실이 없고, 유지비가 거의 들지 않으므로 경제적으로도 유리한 이점을 갖고있다.

  브러시리스 서보 모터의 가장 큰 특징은 DC 모터의 정류자 기능을 반도체 소자를 이용한 전력변환기로 대체한 점이

  다.

 

3. AC 서보 모터의 내부구조와 회전원리

 

   3-1. DC 서보 모터와 AC 서보 모터의 구조적 비교

 

 

그림 3.1 DC 서보 모터의 내부구조 (2 극의 경우)

 

DC 서보 모터의 구조적 특징을 살펴보면 그림 3.1 과 같다. 먼저 고정자 (Stator)는 씁구자석 (Permanent magnet)으로

구성되어 있으며, 회전자(Rotator)는 코일이 감겨진 전기자로 구성되어 있다. 씁구자석은 고정되어 있고, 전기자가 회전하는 “회전 전기자형”으로 구성되어 있다. 모터의 전원선으로 2 개의 선이 나와있으며, 여기에 단상의 DC 전원이 공급됨으로써 회전자 가 회전하게 된다. 공급된 전원은 브러시 (Brush)를 통해서 회전하는 전기자 코일에 공급된다.

모터의 축에는 위치나 속도검출을 위한 각종 검출기가 연결되어 있다.

대표적인 검출기로는 타코메타(Tachometer) 혹은 엔코더 (Encoder) 등이 있다.

 

 

그림 3.2 AC 서보 모터의 내부구조 (2 극의 경우)

 

AC 서보 모터의 구조적 특징을 살펴보면 그림 3.2 와 같다. 먼저 고정자 (Stator)는 코일로 감 겨진 전기자로 되어있고, 회전자는 씁구자석 (계자)으로 구성되어 있다. 따라서 이를 “회전 계자형”이라고 한다. 이러한 구조는 DC 서보 모터와 정반대의 구조를 갖고 있음을 알 수 있다. 또한 모터의 전력선에는 AC 전원이 공급되며, 전기자 권선이 고정자에 감겨있으므로 브러시가  필요 없다. 따라서 AC 서보 모터는 브러시리스 모터 (Brushless motor) 이다.

오랜 동안 제어가 비교적 용이한 DC 서보 모터가 주로 사용되었으나, 브러시의 마모에 따 른 많은 유지와 보수를 필요로 하기 때문에 최근에는 브러시가 없어 유지, 보수가 쉬운 AC 서보 모터가 많이 사용되고 있다.

 

  3-2 AC 서보 모터의 내부구조

 

 

그림 3.3 3 상 2 극 AC 서보 모터

 

그림 3.3 는 AC 서보 모터의 내부구조를 나타내고 있다. 먼저 고정자 철심에는 4가닥의 전 선이 결선되어 있다.

이중에서 접지선 (Frame Ground Line)을 뺀 나머지 3가지의 선이 모터의 상수(Phase number)를 나타낸다.

그림에서 보듯이 AC 서보 모터는 3상(Three-phase)으로 구성 된 3상 모터로써, 각각의 상을 U 상, V 상, W 상이라고 한다. 그림 3.3(b) 는 모터의 고정자에 결선된 코일을 등가적으로 간단히 나타낸 것이다. 한편 모터의 축에 연결된 회전자는 씁구자 석(Permanent magnet)으로 구성되어 있으며, 그림에서 보듯이 N 극과 S 극으로 구성된 2극모 터의 구조를 하고있다. 따라서 그림 3.3 에 나타난 모터를 3 상 2 극 AC 서보 모터 (Three-phase Two-pole AC Servo motor)라

고 한다. 그림에서는 내부구조를 설명하기 위해 간단히 2 극으로 나타내었다. 모터의 극의 개수가 많을수록 구조는 복

잡해지고 가격은 비싸지만, 성능은 우수하다.

 

3-3. AC 서보 모터의 회전원리

 

AC 서보 모터의 회전원리를 이해하기 위해서는 회전자계 (Rotating Magnetic Field)의 개념을 이해해야 한다.

그림 3.4 에서 U+, U-, V+, V-, W+, W-는 각 상에 결선되어 있는 코일의 시작과 끝을 나타낸다. 이와같이 3상으로 이루어진 고정자 권선에 3상전원을 인가하게 되면 그림 3.4 와 같이 120 도의 위상차를 갖는 3상의 전류가 흐르게 된다.

각 상의 고정자 권선에 흐르는 전류를 상전류(Phase current)라고 한다. 모터는 상전류에 의해서 회전력 (토오크)이

생하는 기기로써, 모터를 제어한다는 것은 모터의 각 상에 흐르는 상 전류를 제어하는 것과 같다.

 

 

그림 3.4 고정자 권선에 흐르는 3 상전류(상전류)

 

그림 3.4 와 같은 3상 전류에 의해서 모터가 여자 (Exciting) 되면, t=t1 시점에서 U 상은 정 (+) 이고, V 상과 W 상은 부 (-)가 된다. 여기에서 부 (-)가 의미하는 것은 전류의 방향이 바뀌는 것을 의미한다. 또한 전류의 방향이 바뀌면 이에 따른 자장의 극성도 바뀌게 된다. 이때 고정 자와 회전자에 형성되는 자장의 분포가 그림 3.5(a) 에 나타나 있다. 그림에서 보면 고정자의 자속과 회전자의 자속이 전기적으로 60 도의 위상차를 나타내고 있으며, 이 때 고정자와 회전자 사이에는 인력과 척력이 작용하여 화살표 방향으로 힘을 받게 된다. 다음 단계로 t=t2 시점에서 U 상과 V 상은 정(+)이고, W 상은 부(-)가 된다. 이때 고정자와 회전자에 형성되는 자장의 분포가 그림 3.5(b) 에 나타나 있다. t = t1 의 경우에 비해서 시계방향으로 60 도 회전한 상태가 된다. 다시 말하면 t1 의 시점에서 t2 의 시점으로 3 상 전류의 위상관계가 변하면, 먼저 고정자의 자장이 시계방향으로 60도 만큼 회전하게 된다. 그 결과 회전자의 자장이 고정자 자장의 회전방향 (시계방향)을 따라서 회전하게 된다. 이와 같은 방식으로 연속적인 자계의 회전이 설명된다. 결국 고정자 권선

3상 전류가 흐름으로써 연속적으로 회전하는 회전 자계가 발생하게 되고, 이에 따라 회전자는 고정자에서 발생되는 회전자계의 회전방향으로 회전하게 된다.

 

 

 

그림 3.5 회전자계의 발생 (2 극의 경우)

 

 

그림 3.4 와 그림 3.5 에서 보듯이 모터의 회전속도는 공급되는 전원의 주파수와 관계가 있음을 알 수 있다.

이들 관계를 수식으로 정리하면 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

 

 

 

 

 

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자료 감사합니다.
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