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서보모터

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산업용 서보모터
회색/녹색 원통은 브러시형 직류전동기이다. 아래쪽 검은색 부분에는 유성 감속 기어가 들어 있으며, 모터 상단에 있는 검은색 물체는 위치 피드백을 위한 광학 로터리 인코더이다. 이것은 대형 로봇 차량의 조향 액추에이터이다.
산업용 서보모터 및 기어박스, 교환성을 위한 표준화된 플랜지 마운팅

서보모터(servomotor, servo motor, 간단히 서보)[1]는 기계 시스템에서 각도 또는 선형 위치, 속도 및 가속도를 정밀하게 제어할 수 있는 회전 액추에이터 또는 리니어 액추에이터이다.[1][2] 서보 기구의 일부를 구성하며, 위치 피드백을 위한 센서와 컨트롤러(종종 서보모터 전용으로 설계된 모듈)에 연결된 적절한 전동기로 구성된다.

서보모터는 특정 종류의 모터는 아니지만, 서보모터라는 용어는 종종 폐쇄 루프 제어 시스템에 사용하기에 적합한 모터를 지칭하는 데 사용된다. 서보모터는 로봇공학, CNC 기계 및 자동화된 제조와 같은 응용 분야에 사용된다.

메커니즘

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서보모터는 위치 피드백(선형 또는 회전 위치)을 사용하여 움직임과 최종 위치를 제어하는 폐쇄 루프 서보 기구이다. 제어 입력은 출력 샤프트의 원하는 위치를 나타내는 신호(아날로그 또는 디지털)이다.

모터는 위치 엔코더와 함께 사용되어 위치 피드백(더 정교한 설계에서는 속도 피드백도 가능)을 제공한다. 컨트롤러는 측정된 위치와 원하는 위치를 비교하여 오차 신호를 생성하며, 이 신호는 피드백되어 모터를 회전시켜 샤프트를 원하는 위치로 이동시킨다. 원하는 위치에 가까워지면 오차 신호는 0으로 줄어들고 모터는 정지한다.

간단한 서보모터는 전위차계를 통한 위치 센싱과 모터의 뱅뱅 제어를 사용한다. 모터는 최고 속도로 회전하거나 정지할 뿐이다. 이러한 유형의 서보모터는 산업용 모션 제어에는 널리 사용되지 않지만, 무선 조종 모형에 사용되는 간단하고 저렴한 서보의 기초를 이룬다.[3]

더 정교한 서보모터는 절대 엔코더(로터리 인코더의 일종)를 사용하여 샤프트의 위치를 계산하고 출력 샤프트의 속도를 추론한다.[4] 가변 속도 구동기는 모터 속도를 제어하는 데 사용된다.[5] 이 두 가지 개선 사항은 일반적으로 PID 제어 알고리즘과 결합되어 서보모터가 더 빠르고 정확하게 명령된 위치에 도달할 수 있도록 하며, 오버슈트가 적다.[6]

서보모터와 스테퍼모터 비교

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서보모터는 일반적으로 스테퍼모터의 고성능 대안으로 사용된다. 스테퍼모터는 내장된 출력 단계가 있어 위치를 제어하는 고유한 능력이 있다. 이는 종종 피드백 엔코더 없이 개방 루프 위치 제어 장치로 사용될 수 있게 한다. 구동 신호가 회전할 이동 단계를 지정하지만, 이를 위해서는 컨트롤러가 전원을 켤 때 스테퍼모터의 위치를 '알아야' 한다. 따라서 첫 번째 전원 켜기 시, 컨트롤러는 스테퍼모터를 활성화하여 알려진 위치, 예를 들어 한계 스위치가 활성화될 때까지 회전시켜야 한다. 이는 잉크젯 프린터를 켤 때 관찰할 수 있다. 컨트롤러는 잉크젯 캐리어를 좌우 끝으로 이동시켜 끝 위치를 설정한다. 서보모터는 절대 엔코더를 사용하는 경우 전원을 켤 때의 초기 위치와 관계없이 컨트롤러가 지시하는 모든 각도로 즉시 회전할 수 있다.

스테퍼모터의 피드백 부족은 성능을 제한한다. 스테퍼모터는 용량 내에 있는 부하만 구동할 수 있으며, 그렇지 않으면 부하에서 단계가 누락되어 위치 오류가 발생할 수 있고 시스템을 다시 시작하거나 재보정해야 할 수 있다. 서보모터의 엔코더와 컨트롤러는 추가 비용이 들지만, 기본 모터의 용량에 비해 전체 시스템의 성능(속도, 출력, 정확도 모두)을 최적화한다. 강력한 모터가 시스템 비용에서 차지하는 비중이 커지는 대형 시스템에서는 서보모터가 유리하다.

최근 몇 년 동안 폐쇄 루프 스테퍼모터의 인기가 높아지고 있다.[7] 이들은 서보모터처럼 작동하지만 부드러운 움직임을 얻기 위해 소프트웨어 제어에 약간의 차이가 있다. 개방 루프 스테퍼모터의 주요 장점은 상대적으로 저렴한 비용이다. 또한 개방 루프 스테퍼 시스템에서는 피드백 컨트롤러를 튜닝할 필요가 없다.[8]

엔코더

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최초의 서보모터는 싱크로를 엔코더로 사용하여 개발되었다.[9] 제2차 세계 대전 중 레이더와 대공포 개발에 이러한 시스템을 사용하여 많은 연구가 이루어졌다.[10]

간단한 서보모터는 저항형 전위차계를 위치 엔코더로 사용할 수 있다. 이들은 가장 간단하고 저렴한 수준에서만 사용되며 스테퍼모터와 밀접하게 경쟁한다. 전위차계 트랙의 마모와 전기적 노이즈에 취약하다. 위치 신호를 전기적으로 미분하여 속도 신호를 얻을 수 있지만, 그러한 속도 신호를 활용할 수 있는 PID 제어기는 일반적으로 더 정밀한 엔코더를 필요로 한다.

현대 서보모터는 로터리 인코더를 사용하며, 절대 엔코더 또는 증분형 중 하나이다. 절대 엔코더는 전원을 켤 때 위치를 결정할 수 있지만 더 복잡하고 비싸다. 증분형 엔코더는 더 간단하고 저렴하며 더 빠른 속도로 작동한다. 증분 시스템은 스테퍼모터처럼 회전 간격을 측정하는 고유한 능력과 간단한 영점 위치 센서를 결합하여 시동 시 위치를 설정하는 경우가 많다.

서보모터 대신 때로는 별도의 외부 선형 엔코더가 있는 모터가 사용된다.[11] 이러한 모터 + 선형 엔코더 시스템은 모터와 선형 캐리지 사이의 구동계 부정확성을 피하지만, 미리 포장된 공장 제조 시스템이 아니므로 설계가 더 복잡해진다.

모터

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모터의 종류는 서보모터에 중요하지 않으며, 다양한 종류가 사용될 수 있다.[12] 가장 간단하게는 브러시가 있는 영구 자석 직류 모터가 단순성과 저렴한 비용 때문에 사용된다. 소형 산업용 서보모터는 일반적으로 전자식 정류 브러시리스 모터이다.[13] 대형 산업용 서보모터의 경우, 속도 제어를 위해 종종 가변 전압 가변 주파수 제어 구동기와 함께 교류 유도 모터가 사용된다. 소형 패키지에서 최고의 성능을 위해서는 영구 자석장을 가진 브러시리스 교류 모터가 사용되며, 이는 효과적으로 브러시리스 모터의 대형 버전이다.[14]

서보모터용 구동 모듈은 표준 산업 부품이다. 이들의 설계는 전력 전자공학의 한 분야이며, 일반적으로 3상 MOSFET 또는 IGBT H 브리지를 기반으로 한다. 이러한 표준 모듈은 입력으로 단일 방향과 펄스 수(회전 거리)를 받아들인다. 또한 과열 모니터링, 과토크 및 정지 감지 기능을 포함할 수 있다.[15] 엔코더 유형, 기어비 및 전체 시스템 동역학은 응용 분야에 따라 다르므로 전체 컨트롤러를 기성품 모듈로 생산하기는 더 어렵다. 따라서 이러한 컨트롤러는 종종 주 컨트롤러의 일부로 구현된다.[16]

제어

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대부분의 현대 서보모터는 동일 제조업체의 전용 컨트롤러 모듈을 중심으로 설계 및 공급된다. 대량 생산 응용 분야의 비용을 줄이기 위해 마이크로컨트롤러를 중심으로 컨트롤러를 개발할 수도 있다.[17]

현대 산업용 서보모터 시스템은 피드백 루프를 사용하여 전류, 속도 및 위치를 조절하는 디지털 서보 드라이브 또는 앰프를 사용한다. 이러한 드라이브는 EtherCAT, CANopen 및 POWERLINK와 같은 산업용 필드버스를 통해 통신하여 여러 축 간의 협력적 움직임을 가능하게 한다. ADVANCED Motion Controls, Bosch Rexroth 및 Yaskawa를 포함한 제조업체는 로봇공학, CNC 기계 및 자동화 생산 장비에 사용되는 이러한 서보 드라이브 제품군을 개발했다.[18][19]

통합 서보모터

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통합 서보모터는 모터, 드라이버, 엔코더 및 관련 전자 장치를 단일 패키지에 포함하도록 설계되었다.[20][21]

각주

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  1. ↑ 가 나 Escudier, Marcel; Atkins, Tony (2019). 《A Dictionary of Mechanical Engineering》. doi:10.1093/acref/9780198832102.001.0001. ISBN 978-0-19-883210-2. 
  2. ↑ Sawicz, Darren. “Hobby Servo Fundamentals” (PDF). 2012년 9월 7일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2012년 10월 12일에 확인함. 
  3. ↑ “MKD Series”. 《www.wakeindustrial.com》. 2024년 6월 1일에 확인함. 
  4. ↑ Suk-Hwan Suh; Seong Kyoon Kang; Dae-Hyuk Chung; Ian Stroud (2008년 8월 22일). 《Theory and Design of CNC Systems》. Springer Science & Business Media. 11–쪽. ISBN 978-1-84800-336-1. 2017년 3월 21일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  5. ↑ Jacek F. Gieras (2011년 6월 3일). 《Permanent Magnet Motor Technology: Design and Applications, Third Edition》. CRC Press. 26–쪽. ISBN 978-1-4398-5901-8. 2017년 3월 21일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  6. ↑ Ralf Der; Georg Martius (2012년 1월 11일). 《The Playful Machine: Theoretical Foundation and Practical Realization of Self-Organizing Robots》. Springer Science & Business Media. 302–쪽. ISBN 978-3-642-20253-7. 2017년 3월 20일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  7. ↑ “Servo Motor vs. Stepper Motor - What's the Difference?” (영어). 《This vs. That》. 2024년 6월 1일에 확인함. 
  8. ↑ “Fastech Closed Loop Stepper Motors”. Fastech Korea. 2015년 3월 17일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  9. ↑ Upson, A.R.; Batchelor, J.H. (1978) [1965]. 《Synchro Engineering Handbook》. Beckenham: Muirhead Vactric Components. 7, 67–90쪽. 
  10. ↑ 〈Chapter 10〉. 《Naval Ordnance and Gunnery》 1. US Navy. 1957. 2007년 12월 2일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  11. ↑ “Accupoint™ Linear Encoders”. Epilog Laser. 2012년 10월 7일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  12. ↑ “How to drive a servo motor & its industrial applications”. 《Components CSE》. 2023년 1월 31일에 확인함. 
  13. ↑ “Brushless DC motor cores for servomotors”. Maxon Motor. 2013년 12월 25일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  14. ↑ “Compact Dynamic Brushless Servo Motor”. Moog Inc. 2012년 10월 13일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  15. ↑ “Brushless PWM Servo Amplifiers” (PDF). Advanced Motion Control. 2014년 11월 27일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 
  16. ↑ 20240175678, Binder, Yehuda, "Method and Apparatus for Cooperative Usage of Multiple Distance Meters", issued 2024-05-30 
  17. ↑ Chowdhury, Rasel. “Color detector and separator device” (영어). 
  18. ↑ “Servo Drives – ADVANCED Motion Controls”. ADVANCED Motion Controls. 2025년 11월 6일에 확인함. 
  19. ↑ “Servo Drives Overview”. 《Control Engineering》. 2025년 11월 6일에 확인함. 
  20. ↑ Max A. Denket (2006). 《Frontiers in Robotics Research》. Nova Publishers. 44–쪽. ISBN 978-1-60021-097-6. 2018년 5월 13일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  21. ↑ Jacek F. Gieras (2002년 1월 22일). 《Permanent Magnet Motor Technology: Design and Applications, Second Edition》. CRC Press. 283–쪽. ISBN 978-0-8247-4394-9. 2018년 5월 13일에 원본 문서에서 보존된 문서. 

외부 링크

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