AC 서보모터 제어기술

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AC 서보모터 제어기술 -Ⅰ

서보의 역사
  서보기구라는 용어는 1934년에 H. L. Hazen 교수에 의해 처음 쓰여졌으며, 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.
  서보기구가 그 본래의 목적인 위치에 최초로 응용한 것은 어뢰라고 한다. 어뢰는 1866년에 화이트 헤드에 의해 발명되었는데, 처음부터 자동조종을 전제로 하여 탄생한 병기이다.
  당초 어뢰는 봄베(Bombe)에 저장한 압축공기를 동력원으로 하여 프로펠러에 의해 추진되고, 공기압 자이로를 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 자이로 캠퍼스가 쓰이고 있다. 항공기는 1차대전 후에 발달하였는데 그 자동조종도 당연히 실현된 것이다. 이처럼 운동체 또는 교통기관의 자동조종이 서보기구의 주요 응용분야가 되고 있는 것이다.
  이처럼 자동제어는 발전했으나 각각의 응용분야 간에는 거의 관련을 갖지 못했다. 2차대전 중 미국 MIT의 Radiation Lab.이 중심이 되어 레이다로 항공기를 자동적으로 추정하는 이른바 Automatic Radar Tracking System을 개발하는 연구가 많은 학자, 연구자들이 모여 이루어졌는데 그 연구의 결과 시스템으로서 서보계 하드웨어의 개발에 성공하면서 이러한 제어계를 설계, 조정하는 실용적 제어이론의 개발에 성공하면서 이러한 제어계를 설계, 조정하는 실용적 제어이론의 개발에 성공했던 것이다. 이 이론은 서보테크닉이라 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, 컴퓨터의 발달로 그 신뢰성이 향상하면서 제어에 응용하는 소위 컴퓨터제어의 시대를 맞이하게 되는데 컴퓨터를 도입함으로써 제어의 질이 비약적으로 향상했다는 것이 말할 필요도 없다.
그때까지의 제어는 연산이라고 해도 고작 PID제어 정도였으나, 컴퓨터에 의해 복잡한 연산과 복잡한 이론판단이 가능해지고 더욱 큰 기억용량에 의해 측정된 데이터의 이용이 가능해졌다.
  그때까지의 자동화가 사람의 손발의 역할을 기계로 대행시킨 것에 불과한데 반해 컴퓨터에 의해 인간두뇌의 역할을 대행시키는 것이 가능해졌으며, 그 당시 생긴 오토메이션이란 신조어가 이 자동화의 변모에 대응하여 사용된 것이다. 1973년에 있은 석유 가격의 급격한 폭등에 다른 소위 오일쇼크가 원인이 되어 성능상으로는 뛰어나지만 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 저속 대토크 서보 전동기의 직류서보 전동기를 이용한 DC 서보가 사용되었다.
  그러나 직류서보 전동기에는 전류를 바꾸기 위한 정류자의 브러시와 코뮤데이터의 마찰 부분이 있어 브러시 분말과 브러시·코뮤데이터 손상의 보상이 필요하다.
  동기전동기, 유도전동기의 교류서보 전동기에는 정류자가 없기 때문에 보상이 없어도 된다.
  교류서보 전동기를 구동시키려면 교류주파수를 변화시켜 전동기 속도를 변화시킬 필요가 있는데 직류를 가변주파수의 교류로 변화시키는 성능이 좋은 인버터 회로를 트랜지스터나 다이리스터 등 반도체 소자로 실현할 수 있게 되었다.
  또 마이크로일렉트로닉스의 연산기술이 교류서보 컨트롤러에 이용되게 되었기 때문에 교류서보 전동기를 이용한 AC 서보의 성능이 향상되었으며, 비용면에서도 DC 서보에 필적할 만큼 되고, 무보상의 유리함으로 AC 서보가 로봇제어에 많이 쓰이게 되었다.
서보의 종류
  FA용 서보모터는 분류방법에 따라 여러 가지로 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 SM형(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.
  위의 모터외에도 서보 시스템화가 가능한 FA용 모터로 스텝핑 모터(Stepping Motor) 혹은 펄스 모터(Pulse Motor)가 있다.
  각 서보모터의 구조는 그림 1과 같다.
1. DC 서보모터의 구조
  DC서보모터의 구조는 그림 1에서 보는 바와 같이 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 철심 내에 전기자 권선(coil)이 감겨져 있다. 전기자 권선에 정류자를 통하여 전기를 공급하는 브러시 및 브러시 홀더가 부착되어 있다.
  브라켓과 플랜지에는 볼 베어링이 있어서 회전자를 받쳐주고 있다. 브라켓 뒤쪽에는 회전속도 신호를 검출하는 검출기가 회전자와 연결되어 있는데 광학식 인코더 혹은 타코제너레이터를 많이 사용한다.
  DC 서보모터는 토크와 전류가 비례하여 선형제어계의 구성이 가능하므로 비교적 간단한 회로로 안정된 제어계 설계가 가능하다.
  DC 서보모터는 최고속도와 그 점에서의 허용 토크는 정류불꽃에 의해 제약을 받는다. DC 서보모터의 구동 방식은 트랜지스터에 의한 펄수폭 변조방식이 주류를 이룬다.
  이 방식은 사용 주파수 전원을 정류하여 직류를 얻어 이 직류 전원이 모터에 인가되는 시간폭을 주파수의 전원을 정류하여 직류를 얻어 이 직류 전원이 모터에 인가되는 시간폭을 주파수의 반송파에 의해 변화되어 가변 전압을 만들어 모터의 속도 제어를 행한다.
  이런 방식의 제어는 응답성이 좋고 부하 마찰 토크가 국부적으로 변화하므로 다관절 로봇과 같이 자세에 의한 모터축 환산부하 관성이 크게 변하는 계에서도 충분히 안정된 제어를 행할 수 있다.
2. 동기기형 AC 서보모터
  고정자측 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.
  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 외부로부터 직접 전원을 공급받을 수 있는 구조이기 때문에 브러시리스 DC 서보모터라고도 한다.
  동기기형 AC 서보모터도 DC 서보모터와 마찬가지로 광학식 인코더나 리졸버를 회전속도 검출기로 사용한다. 동기기형 AC 서보모터는 회전자에 자석 즉, 페라이트 자속 혹은 희토류(rare earth) 자석을 사용하여 계자 역할을 한다.
  동기기형 AC 서보모터는 전기자 전류와 토크의 관계가 선형이므로 제동이 용이하고 비상 정지시에 다이내믹 브레이크가 작동한다. 그러나 회전자에 영구자석을 사용하는 구조이므로 복잡하고 제어시 회전자 위치를 검출해야 할 필요가 있다.
또한 드라이버로부터의 전기자 전류에는 고주파 성분이 포함되어 있어서 토크리플(Torque Ripple) 및 진동의 원인이 되는 경우가 있다.
3. 유도기형 AC 서보모터
  유도기형 AC 서보모터의 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 필요치 않다. 유도기형은 회전자 구조가 간단하고 검출기도 특수한 것이 필요없다.
  그러나 정지시에도 여자전류를 계속 흘려야 하므로 이것에 의한 발열 손실과 비상 정지시에 DC 서보모터와 같이 전기자 권선을 단락하여 다이내믹 브레이크를 걸어주는 것이 불가능한 것 등의 결점이 있다.
  표 1에 각 서보모터의 장단점을 종합해서 정리해 놓았다.
AC 서보모터 구동 시스템
1. 토크 발생원리
  AC 서보모터는 단체로 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. 그러면어떤 형태로 하여 AC 서보모터에 우수한 제어성을 줄수 있는가를 설명한다.
(1) AC 모터의 기본 원리
  그림 2는 DC 모터의 정류자를 슬립링으로 바꾼 것이다.
  브러시 A가 (+), 브러시 B가 (-)로 되는 모양으로 통전하면 DC 모터와 같은 모양의 토크가 발생하여 모터가 회전한다. 그러나 정류자가 없기 때문에 정지하여 버리므로 적당한 시기에 전류 방향을 바꿔줄 필요가 있다.
  역으로 생각하면 전원을 교류로 하면 그 주파수에 맞는 회전속도로 계속 돌 수 있다.이와 같이 전원 주파수에 동기시켜 모터를 돌리는 것이 교류모터이고 회전자의 위치에 의해 전원의 극성을 반전시키는 것이 브러시리스 모터이다. 그림 2에서는 DC 모터와 비교하기 쉬운 형태로브러시와 슬립링을 설치했는데 같은 원리를 그림 3의 형태로 나타내면 브러시를 생략할 수 있다. 그림 2를 회전 전기자형, 그림 3을 회전 계자형이라 부른다.
  브러시리스 서보모터의 경우는 회전 계자형을 사용한다.
(2) AC 서보모터(브러시리스 서보모터)의 구동 원리
  브러시리스 모터는 DC 모터가 가진 정류장치를 모터에서 떼어내고, 대신에 전원을 제어하여 회전자 위치에 맞는 전류를 흘리는 장치 즉, 드라이버에 의해 구동된다. DC 모터는 정류자의 개수를 늘림으로써 토크 리플을 적게할 수 있는데, 브러시리스 모터에서는 모터를 3상 권선으로 하고 각 상의 전류를 구형파 혹은 정현파의 교번 전류를 흘려 구동한다.
  그림 4의 (a), (b)는 3상 브러시리스 모터의 횡단면도 이고, U+, U-, V+, V-, W+, W-는 각 권선의 시작과 끝이다.
  모터에 그림 4(c)와 같은 3상 교류(정현파)가 통전되고 있을 때, 시작 A점에 있어서 모터의 상태를 보면 U상만이 정(+)이고 V상과 W상 모두 부(-)이다.
  그러므로 각 권선의 전류 방향은 그림 4(a)와 같이 되고 전류에 의해 유기된 자속의 합성벡터는 N에서 S로 향하는 방향으로 발생한다.
이때 자속과 직각으로 교차하는 위치에 회전자의 자계가 있다고 하면 자석끼리의 반발력과 흡인력에 의해 회전자를 시계 방향으로 돌리는 토크가 발생한다. 또 시작 B점에 대해서도 같은 모양으로 검토해 보면, 권선에 의한 자속은 그림 4(b)와 같이 회전방향에 60° 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 토크를 내면서 효율이 좋은 모터를 브러시리스로 구성할 수 있다.
2. 회전자 위치 검출 회로
  AC 서보모터에서도 DC 서보모터와 같이 전류의 방향과 자속의 방향을 직교시키기 위해서는 자석의 위치를 정확히 파악하지 않으면 안된다.
  그림 5에는 종래의 인크리멘탈 엔코더의 내주부에 자극 위치를 센싱할 수 있는 전용 슬릿이 추가된 인크리멘탈 엔코더를 보인다.
  자극 검출신호 U, V, W 채널 신호는 AC 서보모터의 극수에 맞춰 각각 전기각으로 120° 어긋난 위상차를 갖고 있다.
  따라서 검출신호수는 종래의 A, B, C 채널 외에 U, V, W 채널이 합해져서 6 신호가 된다.
  이것을 장거리 전송이 가능하도록 라인 드라이버로 출력한다.
3. AC 서보모터 구동 시스템
  이 모터의 동작원리는 앞 절에서 설명한 바와 같이 DC 모터의 정류자 기능을 흘센서(Hall Sensor)와 반도체 전력 변환기로 하고 있다는 것이다. 발생 토크는 전류와 자속의 곱에 비례하기 때문에 직류기와 동일하게 직교하고 있다. 그림 6은 구동시스템의 전체 구성을 나타내었다.
  전류지령을 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 줄일 수 있으며 토크 리플을 작게 할 수 있다. 또한 트랜지스터에 흐르는 피크전류도 작게 할 수 있다.
  그림 8에서는 AC 서보모터 구동 시스템의 제어 블록 다이그램을 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 스위칭하고, 반대로 모터전류가 지령치에 비해 작게 되면, 인버터는 전류를 크게하는 방향으로 스위칭하게 된다.
  속도 신호는 각도 신호의 예측을 위해 피드백되어 계의 시간 지연을 작게하고 있다.
AC 서보모터의 구조
1. AC 서보모터의 구조
  AC 서보모터의 구조를 그림 9에 보인다.
  자속을 만들어 내기 위한 영구자석이 회전자에 부착된 회전계자형이고, 권선은 고정자측에 설치된 정지 전기자 구조이다. 결국 DC 서보모터와 비교해 보면 회전자와 고정자의 전기적 역할이 역으로 되어 있다.
2. AC 서보모터의 구조상 특징
  서보모터에서는 급가감속을 행하기 위해, 최대 토크는 정격 토크에 대하여 수백배 크게 하지 않으면 안되는데, DC 서보모터에 있어서는 가감속 영역이라 불리우는 정류한계가 있고 이것을 넘어서 사용하면 Flash over현상(정류자 불꽃이 갑자기 과대해지는 현상)이 나타난다. 더구나 이 정류한계는 회전속도가 커지면 현저하게 저하한다. 그러나 AC 서보모터에 있어서는 정류한계가 존재하지 않기 때문에 고속 회전영역까지 최대 토크를 저감하지 않고 운전할 수 있다. 그림 10은 서보모터의 동작 특성 비교를 나타낸 것이다. 또 AC 서보모터에 있어서는 영구자석이 회전축상에 설치되어 있기 때문에 회전부분에서는 발열이 없고 모터의 발열은 고정자측의 전기자에서만 발생한다.
  고정자측의 전기자에서 발생한 열은 프레임을 통하여 대기중에 발산하므로 발열부가 회전자에 있는 DC 서보모터에 비하여 냉각이 용이하다. 또한 발열부의 온도 검출이 직접 가능하기 때문에 과부하에 대해 보호가 확실한 조치를 위할 수이다.
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 회전자축에 영구자석이 고정된 회전 계자형 구조이다. 계자극의 형상은 원통형(링형)과 원호형(C형)의 두 종류가 있다. 그림 11의 (a)는 원통형 영구자석을 계자극으로 한 모터의 횡단면도를 나타내고, (b)는 원호형 영구자석을 계자극으로 한 모터의 횡단면도를 나타내고 있다.
(2) 고정자
  고정자는 전기자 철심과 전기자 권선에 의해 구성되어 있다.
  전기자 철심은 0.35~0.5㎜ 두께의 규소강판을 쌓아 두껍게 한 것이다. 일반적으로 권선을 하기 위한 슬롯의 영향 때문에 공극에서의 자속밀도가 균일하지 않고 토크가 맥동하여 회전변동이 일어난다. 이같은 토크 리플을 저감하기 위하여 전기자 철심에 슬롯을 많이 내거나 스큐(skew)를 한다.
  또 서보모터의 철심은 전기자 전류의 영향을 받아서 진동하기 때문에 이 주파수가 가청주파수역에 들 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 다음호에서 살펴보기로 한다.
(4) 브레이크
  서보모터의 사용조건에 따라서 브레이크 내장형이 필요한 경우도 있다. 브레이크는 모터의 박형화를 도모하기 위해 판평형 전자 브레이크가 주로 사용된다. 브레이크의 동작은 역작동 방식의 홀딩 브레이크이다. 그림 12에 그 구조 예를 보인다.
(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 방열핀을 많이 두기도 한다.
(6) 베어링
  베어링은 기계적 손실이 작은 볼 베어링이 주로 사용된다. 반복적인 급가감속 운동과 회전축의 열팽창을 십분 고려하여 탈조 방지를 충분히 고려하여 설계되었다. 물과 절삭유가 쓰이는 환경하에서 사용할 때는 모터 축 사이로 물과 기름의 침입을 방지하기 위해 오일 씰을 붙이는 경우도 있다.
4. 영구자석의 종류와 특징
  기계적 시정수가 작고 응답성이 좋은 서보모터에는 고성능 자석이 사용된다. 그러나 모든 서보모터에 고응답성이 요구되는 것은 아니다. 부하의 관성모멘트가 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 소비되어 버리기 때문에 응답성이 좋은 모터로 써도 무의미하므로 목적에 맞게 선정하여야 한다. 회전자 관성모멘트는 계자를 형성하는 영구자석을 어떤 종류를 사용했느냐에 따라 달라진다. 영구자석의 자기특성은 감자 곡선으로 표시되는데, 잔류 자속 밀도 Br, 감자력 Hc, 최대 에너지 적(BH)max에 의해 그 특성을 알 수 있다. 영구자석을 포함하는 자기회로의 공극에 축적된 에너지는 자기 에너지 적에 비례하므로 우수한 자석은 그만큼 단위체적당 큰 자기 에너지 적을 보유하고 있다.
  그림 13은 대표적인 3종류의 자석의 자기특성을 비교한 것이다. 그림에서 종축은 자속밀도 B, 횡축은 감자계의 강도 H로 표시된다. 또한 감자 곡선상의 자속밀도와 자화력의 적을 자기 에너지적이라 하고 그 최대치가 최대 에너지 적(BH)max이고, 단위는 J/㎥ 혹은 Gauss Oersted(GOe)로 표시된다.
  그림 13에서 보듯이 희토류 자석은 페라이트 자석보다 Br, Hc 값이 크다. 즉 희토류 자석을 사용한 서보모터는 같은 출력에 비해 모터 크기가 작고 따라서 회전자 크기가 작아서 기계적 시정수가 작고 파워레이트가 크다. 표 2는 페라이트 자석을 사용한 AC서보모터와 희토
류 자석을 사용한 AC 서보모터의 특성을 비교한 것이다.
[출처] AC 서보모터 제어기술 -Ⅰ|작성자 북청물짱