1. 1 AC서보란
서보 기구는 JIS(일본공업규격)에서「물체의 위치, 방위, 자세 등을 제어량으로서 목표의 임의의 변화에 추종되도록구성된 제어계」라고 정의되고 있습니다, 서보 기구에서는 지령부로부터 목표값(위치, 속도등)이 입력되면 현재값(위치, 속도 등)을 검출하여, 목표값과 비교해 항상 그 차이가 적게 되도록 제어하고 있습니다.서보 기구를 구성하는 요소를 서보 요소라고 부르며, 구동앰프(AC 서보앰프), 구동모터(AC 서보모터), 검출기로 구성되어 있습니다. 그 구성 예를 그림1.1에 나타냅니다.

 

1. 2 AC서보의 위치결정과 성능
서보모터는 일반의 모터에 비교하면 서보앰프로부터의 전압·전류의 급격한 변화에 응답할 수 있도록 회전자의 관성모멘트(J 혹은 GD2라고도 말함), 전기적인 응답성을 특별히 고려하여 설계되고 있습니다. 또한, 서보모터를 구동하는서보앰프도 속도·위치의 제어 지령을 정확하게 신속히 서보모터에 전달할 수 있도록 구성되어 있습니다.
이상과 같은 관점에서, 서보모터(서보앰프와 조합한 종합의 것)를 사용하는데 있어서의 대표적인 특성을 일반적인가변속 장치인 범용 인버터로 구동한 모터와의 차이를 비교하면서 설명합니다.


(1) 범용 서보의 특징과 각종 제어 장치와의 비교모터의 특성을 나타내는 일반적인 방법으로 속도-토크 특성이 있습니다. 그림1.2에 서보모터와범용 인버터를 사용한 범용 모터의 특성 비교를나타냅니다.
이 그림에서, 서보모터의 특징으로서는 다음의세 가지 점을 들 수 있습니다.
① 속도제어 범위가 넓음
② 토크 특성이 고속 운전시와 저속 운전시에 일정
③ 최대 토크가 큼
주) 최대 토크가 크고, 모터 관성 모멘트가 작기 때문에 급속한 가감속이 생깁니다. 

 

 

 (2) AC서보의 용도
서보모터의 특징은 앞 항에서 서술한 것 이외에도, 한층 더 서보앰프와 조합했을 때 다른 가변속 장치에는 없는 기능으로서 위치결정 기능이 있습니다.
위치결정 기능에 대한 자세한 내용은 2장에 기재합니다만, 여기에서는 서보 특유의 위치결정 기능과 앞 (1) 항에서 서술한 특징으로부터 서보모터의 대표적인 용도에 대해 설명합니다.
① 위치결정을 필요로 하는 기계
AC서보는 전용의 위치결정 지령 장치와 조합하여 사용하면 고정밀도의 위치결정을 실시할 수가 있습니다.
일반적인 미쓰비시 AC서보의 경우, 모터축으로 4000~262144 분할의 위치결정이 가능하고,
이것은 24m/분(分) ~8m/분(分)의 기계로 1μm의 위치결정에 충분히 적용을 할 수 있습니다.
적용 예 : 공작기계, 목공기계, 반송기계, 포장기계, 인서터·마운터, 각종 피더, 각종 커터, 전용기
② 넓은 변속 범위를 필요로 하는 기계
AC서보는 속도제어 범위 1:1000~5000, 속도 변동율 0.01%이하라고 하는 고정밀의 속도제어 성능, 게다가
출력 토크 일정하다고 하는 다른 가변속 모터에 없는 특성을 가지고 있기 때문에, 각종 라인 제어를 비롯하여
하는 고정밀도의 가변속 구동용으로서 사용됩니다.
적용 예 : 인쇄기, 지공기, 필름 제조라인, 연장선기(신선기), 코일기(권선기), 각종 전용기의 이송,
각종 반송 장치, 권취기·권출기, 목공기 등의 주축
③ 고빈도의 위치결정
위치결정에 대해서는 ①에서 서술한 것과 같은데, AC서보는 정격 토크의 300%라는 최대 토크를 가지고 있어
모터 단체(단독)의 경우, 정지에서 정격 속도까지 수 10ms의 급격한 가속·감속에 추종 할 수 있어 1분간에
100회 이상의 고빈도인 위치결정에도 대응할 수 있습니다.
또한 AC서보를 사용했을 경우, 다른 위치결정의 방식(클러치·브레이크, DC모터 등)과 비교 기계적인 접촉부
가 없어서 유지*보수성이 용이하고, 주위 온도에 의한 영향을 적게 받는 점 등도 큰 특징으로 말할 수 있습니다.
적용 예 : 프레스 피더, 제대기, 시트 컷, 로더·언로더, 충전기, 포장기, 각종 반송 장치, 마운터, 본더
④ 토크제어
속도제어, 위치제어 기능에 가세하여 토크제어도 가능해지고 있는 기종도 있기 때문에, 각종 권취(감기)·
권출(풀기)장치와 같은 장력제어 분야에도 적용할 수 있게 되어 있습니다.

 MELSERVO에 대해서
1.3.1 MELSERVO의 로드맵
1982년에 범용 AC서보를 발매 이후, 신제품에는 반드시 기술 혁신을 반영한 신기술과 산업계의 요구 항목을
받아들여 왔습니다.
지금, 서보를 둘러싼 환경은, 차세대로 이행하고 있습니다. 기계의 성능을 최대한 발휘하기 위해서 더욱 고속,
고정밀도의 대응, 기동 시간의 단축, 진단·유지·보수에 충실, 이러한 요구에 대응하여 개발된 것이
MR-J3시리즈입니다. 아래 표에 MELSERVO의 로드맵을 나타냅니다.

 

AC서보의 구조
서보앰프의 블록도와 동작 원리
아래에 서보앰프의 기본 기능과 동작 원리를 블록도에 의해 나타냅니다

 

(1) 주회로부
주회로부의 기본 기능은, 상용 전원(3상 AC200~230V, 50/60Hz)을 컨버터(다이오드 브릿지, 콘덴서)에 의해
정류·평활하여, 인버터(IGBT)에서 정현파 PWM 제어된 임의의 전압·주파수의 3상 전류를 모터에 공급해
모터의 속도, 토크를 제어하는 것입니다.
① 컨버터, 평활 콘덴서
상용 전원을 다이오드 브릿지에서 정류하고, 한층 더 평활 콘덴서에서 리플의 적은 직류 전원을 만듭니다.

 

② 인버터
인버터는 컨버터, 평활 콘덴서에서 만들어진 직류 전원으로부터 모터의 회전속도에 대응하는 주파수,
부하 토크에 어울리는 크기의 전류를 만들어 모터에 공급합니다.

 

그림에 나타내듯이 모터의 회전방향, 회전속도(주파수)는 인버터부 트랜지스터의 온-오프의 전환에
의해, 전류의 방향, 통전폭에 따라 제어합니다.
또 전류의 크기는, 통전폭 사이의 온(On)폭에 의해 제어하고 있으며, 이 방식을 PWM 제어(펄스폭 제어)
라고 말합니다. 

③ 회생 브레이크
1) 회생 브레이크 회로
회생 브레이크는, 지령속도보다 모터의 실제 회전속도가 높아졌을 때, 즉 감속시, 상하축의 하강시,
혹은 권출축으로 제동을 걸치고 있을 때 등에 동작하여, 모터 및 부하가 가지고 있는 회전 에너지를
서보앰프 측에 내장하고 있는 회생저항으로 에너지를 흡수하는 (소비합니다) 것에 의해 제동력을
얻고 있습니다.
이러한 운전 상태를 회생운전이라고 하고, 통상 서보앰프내에는, 회생회로를 마련하고 있습니다.
회생회로는, 이 경우 모터에 있어서는 부하로서 일하기 때문에, 회로의 에너지 소비율에 의해 회생
브레이크력은 달라지며, 또 운전 조건에 의해 회생 에너지량이 좌우되어 큰 회생 에너지를 소비시킬
필요가 있는 경우에는, 서보앰프의 밖에 회로를 마련하여 거기서 소비시킬 수가 있게 되어 있습니다.
2) 회생 브레이크 회로의 종류
● 소용량으로 회생 에너지가 작은 경우, 앞의 평활 콘덴서에 일시적으로 에너지를 충전하여 실시합니다.
이것을 콘덴서 회생 방식이라 하며, 0.4kW정도 이하로 이용됩니다.
● 중용량에서는 저항기에 전류를 흘려, 열로서 소비시키는 방식이 있습니다. 이것을 저항 회생 방식이라
고 부릅니다, 회생 에너지가 커지면 저항기가 커지고, 또한 주위에 발열의 영향 등 문제가 되는 일이
있습니다.
● 대용량으로, 위의 저항 회생 방식의 결점을 커버하기 위해, 최근 회생 에너지를 전원 측에 되돌려 주는
방식도 사용하고 있습니다. 이것을 전원 회생 방식이라고 부릅니다, 11kW정도 이상에서 이용됩니다.
④ 다이나믹 브레이크
전원단, 알람 발생시 등 인버터부의 출력으로 정지(베이스 차단)했을 때, 모터는 프리-런이 되어 정지까지
긴 시간을 필요로 하고, 타주량(惰走量)이 커져 스트로크 엔드에 충돌하는 등의 불편이 발생하는 일이
있습니다.

다이나믹 브레이크는 베이스 차단이 되었을 때, 서보모터의 단자간에 적당한 저항기를 개입시켜 단락
(합선, short circuit)하여, 회전 에너지를 열소비시켜 신속하게 정지시키는 기능입니다.
다이나믹 브레이크는 통상 앰프에 내장입니다만, MR-C형과 같이 서보앰프와는 따로 설치되는 기종도
있습니다. 또한 다이나믹 브레이크는 정지시의 보관 유지력은 없기 때문에, 상하 전송의 경우 제동과
동시에 메카 브레이크를 걸어 보관 유지시키는 것이 필요합니다.

(2) 제어 회로부
마이크로 컴퓨터를 사용해 지령값(목표값)과 현재값으로부터 제어량(위치, 속도, 전류)을 고속·고정밀도에
연산 처리하여, 고응답으로 정밀도가 높은 서보제어를 실현함과 동시에, 제어 내용의 모니터, 유닛의 보호를
실시하고 있습니다. 아래에 제어 내용의 개략을 설명합니다.
① 위치제어
펄스열로, 모터의 회전속도·방향의 제어와 고정밀도의 위치결정을 실행합니다.

위치제어부에서는 지령펄스가 입력되어도 모터는 지령으로부터 다소 늦게 움직입니다.
이 때문에, 편차 카운터에는 지연 분의 펄스가 누적하여 보관 유지되고 있으며 이것을 잔류펄스라고 합니다.
이 잔류펄스가 속도 지령으로서 속도제어부에 출력됩니다.

② 속도제어
위치제어부 편차 카운터의 출력은 지령속도에 비례하고, 이것이 속도지령이 됩니다.
속도지령부는, 속도지령과 모터속도의 편차를 전류지령으로서 출력합니다.
또한 속도제어 모드로 운전할 때는, 속도지령으로서 외부로부터 아날로그 전압(0~±10V)을 입력합니다.
③ 전류제어·3상 발생 회로
전류제어부는 주회로의 인버터를 제어하고 위치지령 또는 속도지령 대로 모터가 움직이도록 모터의 전류를
제어합니다.
이 때문에는, 모터의 계자(회전자의 영구자석의 위치에서 결정됩니다)에 맞춘 3상 교류의 위상을 결정하는
것으로, 속도편차에 대응한 전류를 흘려보냅니다.

 

잔류제어의 원리

동기 전동기의 경우, 모터 전류는 계자위치(자극 위치)와 위상을 맞출 필요가 있습니다.
그 때문에, 모터의 검출기에는 자극 위치를 검출하는 신호를 가지고 있어 항상 그 위치를 서보앰프에 피드백
하고 있습니다. 서보앰프는 그 신호에 의해 3상 발생 회로부에서 기준 3상 전류를 만듭니다. 전류 제어부는,
기준 3상 전류에 속도편차를 걸어 3상 전류지령을 만들어 PWM 회로를 제어합니다.
주) 유도형 서보모터에는, 독립한 계자는 없습니다. 따라서, 자극 위치 검출은 불필요합니다.
PWM 방식은 1사이클 중에 몇 차례의 스위칭 펄스를 발생시켜, 그 펄스폭을 변화시켜 출력전압을 바꾸는
방식입니다. 1초간에 발생하는 스위칭 펄스수를 캐리어 주파수라고 합니다. PWM 방식의 경우에는,
이 캐리어 주파수에 비례한 주파수 성분의 모터 진동 및 모터 소음이 발생합니다.

AC 서보모터의 특성과 동작 원리
(1) 특성
서보모터의 출력 토크는 모터에 흘리는 전류에비례합니다.
또한, 서보앰프는 항상 모터 속도를 검출하여 속도편차에 대응한 전류를 흘리도록 제어하고
있기 때문에, 서보모터는 저속에서 고속까지일정한 토크로 운전할 수가 있습니다.
서보앰프와 조합된 서보모터의 토크 특성을 오른쪽 그림에 나타냅니다.

(2) 동작 원리
소형·대형 모든 모터의 동작 원리는 동일하고,자계중에 있는 도체에 전류를 흘리면 도체에는 힘이
작용한다고 하는 법칙「플레밍 왼손의 법칙」에 따라 토크를 발생합니다. SM형(동기형) AC 서보모터는,
회전자에 영구자석, 고정자에 전류를 흘리는 코일을 배치하고, 회전자의 움직임(회전속도·방향, 출력
토크)에 대응한 전류를 고정자 코일에 흘립니다.

                                                                                

 모터 코일에는, 앰프의 트랜지스터를 ON OFF시켜 회전자 자석으로부터의 자속과 직교 하는 코일에 전류를
흘립니다. 인가 전압은 수kHz로 스위칭되어 흐르는 전류는 코일의 리액턴스에서 평활 되어 정현파가 됩니다.
코일 전압의 +-구간은, 모터 샤프트에 직결된 검출기로 부터의 자극 위치 검출신호에 의해 판별되어 자속과
전류는, 항상 직교 하도록 제어되기 때문에 통상의 동기모터와 같은 탈조 현상은 없습니다.
발생 토크 T는,

 

 

 (3) IM형(유도 전동기) 모터(벡터제어 인버터)의 원리


유도 전동기도 토크 발생의 원리는 동기 전동기와 동일
합니다. 그러나, 오른쪽 그림에 나타내는 단면도에서
알 수 있듯이 회전자 측에 영구자석이 없고, 식(1-1),
(1-2)의 전류 Ia, 자속Φ을 개별적으로 공급할 수 없습
니다. 따라서, 고정자 코일에 전류를 흘려,전자 유도
작용에 의해 회전자 홈에 흐르는 전류와 고정자 코일
전류에 의해 만들어지는 자속으로 토크를 발생합니다.
이와 같이 고정자 코일에는 토크 전류와 자속 전류의
양쪽 모두를 흘리고 있어 이 관계를 식(1-3)에
나타냅니다.

 

T = K1·Φ·Ia……………………………… (1-1)

I1:고정자 코일 전류 Ia:토크 전류 Ib:자속 전류
주) 위의 식은 벡터적인 합이며, 산술적인 합이 아닙니다.

 즉, IM형 모터에서는 2개의 전류를 개별적으로 제어할 필요가 있고, 이것을 벡터제어라고 부르고 있습니다.
벡터제어에 의해, IM형 모터는 서보모터와 동일한 토크 특성을 가지고 있습니다.
(4) 서보모터의 종류와 특징
서보모터에는 AC서보, DC서보가 있습니다, AC서보는 한층 더 SM형(동기 전동기), IM형(유도 전동기)으로
나눌 수 있습니다. 표1.2에 각 서보모터의 구조와 특징을 나타냅니다.

 

서보모터는 제어가 용이한 DC 서보모터로부터 발전해 왔습니다만, 마이크로 프로세서로 대표되는 전자
디바이스의 발달에 의해 복잡한 제어가 고속으로 됨과 함께, 저가로 할 수 있게 되는 것에 따라 유지·보수성
용이하고 모터의 생산성이 좋은 AC 서보모터에 이행하여, 현재는 50W정도 이상은, 거의 SM형 AC서보로
바뀌고 있습니다. 한층 더 IM형 모터는 구조가 견고하고 대형·고속화로의 대응이 용이하고, 대용량이 되어
효율도 향상되어서 7.5kW정도 이상에서로 주로 사용되어 지금까지 DC모터가 주류인 대형 라인 제어의,
보다 고정밀도를 위해서 적용 범위가 확대되고 있습니다. 그러나, 최근 벡터제어 인버터가 이 IM형 모터에
취급해 바뀌어 오고 있습니다.

엔코더의 기능과 동작 원리
위에서 설명한 대로 서보제어에서는 지령값에 대한 실제의 값(모터의 속도, 위치)을 피드백 하고, 그 편차가 적게되도록 제어하고 있습니다. 따라서, 검출기는 서보 시스템의 매우 중요한요소입니다.
(1) 엔코더의 구조
아래 그림에, 검출기로서 주로 사용되고 있는 엔코더의 구조를 나타냅니다 

 

2) 엔코더의 기능과 신호의 종류
서보모터에 설치되어 있는 엔코더의 기능은 크게 분류하면 아래의 3가지입니다.
1) 모터 위치의 검출(회전방향을 포함함)
2) 모터 속도의 검출(회전방향을 포함함)
3) 모터 자극 위치의 검출(IM형 모터, DC 서보모터는 불필요)
이 가운데, 1), 2)는 모터가 회전하면 인크리멘털에 출력되는 2상 펄스를 사용합니다. 

 

최근의 AC 서보모터에 조립되어 있는 엔코더는, 아래 그림과 같이 SIN원 신호와 COS원 신호에 의해 262144
분할한 펄스와 모터 1회전내 원점 펄스를 만들어, 그 데이터를 시리얼 통신으로 서보앰프에 전송 하는 시리얼
통신 방식으로 행하고 있습니다

 

엔코더 동작원리

(3) 엔코더 신호의 인터페이스
서보모터에서 서보앰프로의 엔코더 신호는 시리얼화하고 있습니다만, 서보앰프에서 나오는 엔코더 신호는
펄스화하여 출력하고 있습니다.
엔코더 출력 신호 인터페이스로서 아래와 같은 2종류가 있습니다. 최근에는 신호 전달이 확실한 차동 드라이버출력 방식이 주류가 되고 있습니다

 

(4) 절대위치 엔코더
최근에는 택트·타임의 향상을 재는 의미 등에서, 정전 후의 원점복귀를 불필요로 하는 절대위치 검출 시스템
으로 하기 위해서 절대값 엔코더를 모터에 부착하는 경우가 많아지고 있습니다.


절대위치 검출 시스템에서는, 전원 투입시 회전위치를 판단
할 필요가 있기 때문에 앞(2) 항의 인크리멘털 신호(A, B)에첨가하여 오른쪽 구조도에 나타내는 것 같은 절대위치 신호(오른쪽 그림의 경우 7비트)를 출력하고 있습니다. 절대위치검출의 시스템 블록도를 아래 그림에 나타냅니다.
주) 절대위치 검출기에는, 앞에서 서술의 인크리멘털 신호(A, B상)의 외에모터 1회전내에서의 절대위치 검출, 원점으로부터의 모터 회전량카운터가 있어, 메모리에 백업 되고 있기 때문에, 한 번 원점복귀에 의해
위치를 결정해 두면 전원 OFF해도 서보앰프, 콘트롤러는 항상 모터의위치를 알 수가 있습니다. 따라서, 2번째 이후의 전원 투입시 원점복귀
를 실시하지 않아도, 그대로 위치·속도제어를 실행할 수가 있습니다. 

 

 (5) 엔코더의 고분해능화
MELSERVO-J3시리즈의 서보모터는, 소용량에서 중용량까지 전체 기종 ABS, 18bit(262144) 엔코더를
표준으로 했습니다. 게다가 고분해능이면서 엔코더를 포함한 모터 길이는, 종래품과 동일합니다.
고분해능 엔코더의 채용에 의해 응답 주파수의 향상, 저속에서의 속도 피드백의 정밀도 향상, 위치 정밀도의
향상, 지령에 대한 매끄러운 움직임 등을 얻을 수 있습니다

 

 

 * 한국 미쓰비시 오토메이션 서보실천코스 자료집 참고 *

 

출처 : 미쓰비시 PLC SERVO INVERTER | 글쓴이 : 대박 | 원글보기



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