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[스크랩] 서보 모터 (Servo Motor)의 내부 구조와 회전 원리

작성일 작성자 정충곤 변리사

 

서보 모터 (Servo Motor)의 내부 구조와 회전 원리

 

1. 서보(Servo)의 정의

 

“서보 (Servo)”란 "서보 메카니즘 (Servo Mechani

sm)"의 줄임말로써, 일본 공업규격(JIS)에서는

체의 위치, 방위, 자세 등을 제어량으로 하고,

목표치의 임의 변화에 종하도록 구성된 제어계』

라고 정의되어 있다. 또한 서보 (Servo)는 Servant

와 관계가 있어서 주인의 명령에 충실한』이라

의미를 갖고 있다. 그러므로 서보 모터란『주인의 명령에 따라 충실하게 동작하는 모터』를 가리킨

다. 여기에동작이란 위치, 속도 및 가속도의 3

요소로 되있으나, 실용적으로는 위치 제어와

속도제어분류하는 경우가 많다. 서보 모터란

빈번하게 변화하는 위치나 속도의 명령 (목표치)

에 대해서 신속하고, 정확하게 추종할 수 있도록

 

 

설계된 모터를 의미한다. 이 때문에 큰 가속도에 의해서 기동하거나 정지하는 능력을 갖추고 있어야 한다.

그러므로 모터가 큰 가속도를 얻으려면 다음과 같은 두 가지 조건을 만족해야 한다.

 

◦회전력(Torque, 토오크)이 클것.

◦회전자(Rotor)의 관성모멘트가 작을것.

 

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 용 이한 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(commu

tator) 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 (optical encoder) 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 제어계 설계가 가능하다. DC 서보 모터의 구동방식은 반도체 스위칭 소 자를 이용한 펄스폭 변조 방식 (Pulse Wi

dth Modulation 방식)이 주류를 이룬다. 이 방식은 상용 AC 전원을 정류하여 DC 전원을 얻고, 이러한 DC 전원이 모터에 인가되는 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 적용 이 늘어가는 이유는 다음과 같다.

 

◦파워 트랜지스터의 용량 증대와 가격인하

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

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

 정류자에 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

 점이다.

 

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 magne

t)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 계 자형”이라고 한다. 이러한 구조는 DC 서보 모터와 정반대의 구조를 갖고 있음을 알 수 있다. 또한 모터의 전력선에는 AC 전원이 공급되며, 전기자 권선이 고정자에 감겨있으므로 브러시 가 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 3 가지의 선이 모터의 상수(Phase number)를 나타낸다.

그림에서 보듯이 AC 서보 모터는 3 상(Three-phase)으로 구성 된 3 상 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 2 극모 터의 구조를 하고있다. 따라서 그림 3.3 에 나타난 모터를 3 상 2 극 AC 서보 모터 (Three-phase Tw

o-pole AC Servomotor)라고 한다. 그림에서는 내부구조를 설명하기 위해 간단히 2 극으로 나타내었다.

모터의 극의 개수가 많을수록 구조는 복잡해지고 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 3 상으로 이루어진 고정자 권선에 3 상전원을 인가하게 되면 그림 3.4 와 같이 120 도의 위상차를 갖는 3 상의 전류가 흐르게 된다. 각 상의 고정자 권선에 흐르는 전류를 상전류(Phase current)라고 한다. 모터는 상전류에 의해서 회전력 (토오크)이 발생하는 기기로써, 모 터를 제어한다는 것은 모터의 각 상에 흐르는 상전류를 제어하는 것과 같다.

 

그림 3.4 고정자 권선에 흐르는 3 상전류(상전류)

 

그림 3.4 와 같은 3 상 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 것 을 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 회 전자 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, 먼 저 고정자의 자장이 시계방향으로 60 도 만큼 회전하게 된다. 그 결과 회전자의 자장이 고정 자 자장의 회전방향 (시계방향)을 따라서 회전하게 된다. 이와 같은 방식으로 연속적인 자계 의 회전이 설명된다. 결국 고정자 권선에 3 상 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 있음 을 알 수 있다.

이들 관계를 수식으로 정리하면 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

 

 

 

 

 

출처 : ♧진정한 기능의 세계♧ | 글쓴이 : grnfield | 원글보기

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