[기계] 서보모터란? 정의와 종류 (Servo Motor)
안녕하세요.
오늘은 서보모터에 대해서 알아보겠습니다.
기본적으로 서보모터는 로봇의 움직임을 제어하기 위해 산업 현장에서 가장 많이 쓰이는 모터 중 하나입니다.
로봇의 속도, 가감속, 위치 등을 제어하기 위하는 이 서보모터란 무엇인지, 원리는 어떻게 되는 것인지, 종류는 어떤 것들이 있는지에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
서보 모터란?
우선 서보(Servo)의 뜻부터 알아보도록 하겠습니다. 서보(Servo)란 서보 메커니즘(Servo Mechanism)의 줄임말로 "목표치의 임의 변화에 추종하도록 구성된 제어계"라고 정의하고있습니다.
다시 말해, 원하는 목표에 도달하기 위해 바뀌는 여러 변화들을 설계자의 의도에 맞게 움직이면서 목표에 도달하도록 작동하는 것을 말합니다. 일반적인 산업 현장에서는 속도, 가속도, 위치값을 변화값으로 설정하여 이를 추종하도록 합니다.
즉 서보 모터란 쉽게 설명하면, 설계자의 의도에 충실하게 작동하는 모터를 말하지만, 서보 모터는 모터와 제어구동보드를 포함하는 단어이기 때문에 특정 모터를 보고 서보 모터냐 아니냐를 판단하는 용어는 아닙니다.
자세히 풀어서 이야기하면, 구동시스템(피드백 회로)를 구축하고 있는 모터를 사용하여 위치, 속도, 가감속도를 제어시키는 경우에 서보 모터라고 부릅니다.
서보 모터의 종류
- DC 서보 모터
DC 모터는 전류의 흐름대로 한방향으로만 회전할 수 있으며, 구조가 간단하고 제어가 쉽습니다.
DC 모터의 원리를 말씀드리면, 전류가 단자로 공급되고 브러시와 정류자의 마찰로 코일로 전류가 이동하게 되며, 영구자석과 상호작용으로 생성된 자기장으로 모터를 회전시키게 됩니다. 이 회전을 검출기가 감지하여 제어부로 신호를 보내 움직임을 제어하는 것이 DC서보모터입니다.
해당 모터의 구성품은 다음과 같습니다.
외부로 보았을 떄는 금속 케이스, 축, 단자가 있고 내부에는 케이스 내경에 붙어 있는 영구 자석과, 회전자, 암, 코일, 정류자(회전자 뒤쪽), 브러시, 브러시 홀더(암) 등으로 구성되어 있습니다.
단자에 연결된 전원 공급부로 부터 전류가 코일을 통과하면 전자기장에 생성됩니다. 생성된 전자기장과 양쪽 영구자석을 제어하여 회전 운동을 만들게 됩니다.
자세히 말씀드리면, 단자로 부터 전류가 공급되면 브러시를 통해 정류자로 전류가 전달됩니다. 이때, 정류자는 축과 고정되어 있고 브러시는 브러시 홀더 및 단자와 고정되어 모터 하부에 커버에 장착되어 있기 때문에 정류자에게 전류를 전달할 때, 마찰이 발생하게 됩니다.
정류자로 이동한 전류는 모터 내부 코일(권선)로 이동하게 됩니다. 이때 모터 케이스에 장착되어 있던 영구 자석과 코일내부의 전류 흐름을 통해 힘이 생성 됩니다.(플레밍의 왼손 법칙)
입력측(정류자 쪽)에서 출력측(구동부와 연결되는 쪽)으로 움직이는 전류는 코일을 위로 움직이게 하고 다시 반대로 돌아오는 코일은 아래쪽으로 움직이게 하여 축을 회전 시킵니다.
추가로 모터 뒤쪽에는 DC모터의 움직을 감지하는 검출기가 장착되어 있으며, 이 검출기는 보통 엔코더나 타고 제너레이터가 많이 사용합니다.
DC모터에는 가감속 영역이라고 불리는 정류한계가 있는데, 이를 넘어서면 Flash Over현상이 발생합니다. 또한, DC모터의 속도가 빠를 수록 정류한계가 낮아지기 때문에 고속형 모터로는 적합하지 않습니다.
(Flash Over : 정류자 불꽃이 갑자기 커지는 현상)
앞에서 말씀드린 바와 같이 DC모터만을 보고 DC서보모터라고 하지 않습니다. 검출기를 통하여 움직임의 신호를 감지하고 해당 움직임을 제어할 수 있는 제어부가 함께 있어야 DC서보모터라고 할 수 있습니다.
- AC 서보 모터
AC모터는 큰 틀에서 설명하면, 회전자에 코일이 감겨있는 것이 아니라, 프레임 내부에 코일이 감겨 고정되어 있으며, 회전자에 영구자석이나 도전체가 있어 코일이 생성하는 전자기장과 상호작용하여 움직입니다.
AC 서보모터는 동기형(동기형) 서보모터, 유도형(유도기형) 서보모터(인덕션 모터)로 나뉘어집니다.
- 동기기형 AC 서보모터 (SM형)
프레임과 프레임 내부에 코일이 감겨져 있고 회전자에 영구자석이 있는 사양입니다. 단순히 생각해서 DC모터에서 코일과 영구자석의 위치가 바뀌었다고 생각하면 됩니다.
하지만, DC모터와 달리 브러시와 정류가의 상호작용이 필요없기 때문에 브러시리스 DC서보모터라고도 불린다. DC모터와 유사하게 전기자 잔류와 토크와의 관계가 선형이기 때문에 제동에 용이하며, 코일을 단락시켜 비상정지 시에 다이나믹 브레이크가 작동할 수 있다.
AC모터는 정류한계가 존재하지 않기 때문에 고속 회전 영역까지 최대 토크를 줄이지 않고 사용할 수 있습니다. 또한 영구자석이 회전자에 결합되어 있기 때문에 발열이 회전자에서 발생하지 않고 고정자(전기자)에서 발생하기 때문에 모터 프레임에서 열을 분출시켜주는 기구적인 설계가 동반되어야 합니다.
추가적으로 구동측의 위치를 감지하는 검출기는 기본으로 있어야하고 동기기형의 경우 회전자와 고정자의 상대적인 위치를 알 수 있는 장치도 필요합니다.
- 유도기형 AC 서보모터 (IM형)
유도기형은 인덕션 모터와 구조와 원리가 비슷합니다. 동기기형과 같이 고정자측에 코일이 있지만, 영구자석 대신 도전체가 결합되어 있습니다. 전기자 쪽은 코일이 3가지 상으로 연결되어 있으며, 이 코일들이 삼상으로 유도되면서 연쇄 자기장을 일으켜 도전체(로터)를 움직여 모터를 구동하게 만듭니다.
유도기형의 경우 회전자와 고정자의 상대적인 위치 검출 센서가 필요치 않고, 회전자 구조가 간단합니다. 그러나 정지시에도 여자 전류를 계속 흘려야 하므로 이것에 의한 발열과 비상 정지시에 DC 서보모터와 같이 코일을 단락시켜 다이나믹 브레이크를 걸어주는것이 불가능한것 등의 결점이 있다.
다음 글에서는 서보모터의 작동 원리에 대해서 전자기 적으로 자세히 다루는 시간을 가져보겠습니다.
감사합니다.
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