브레이크 누르면

서보 시스템은 전기기계 제품의 핵심 구성 요소로, 최고 수준의 동적 응답성과 토크 밀도를 제공한다. 따라서 구동 시스템의 개발 추세는 기존 유압식, 직류식, 스테퍼식, 교류 가변 주파수 구동 장치를 교류 서보 구동 장치로 대체하여, 사이클 타임 단축, 생산성 향상, 신뢰성 개선, 수명 연장 등 시스템 성능을 한 차원 높이는 것이다. 서보 모터의 성능을 극대화하려면 그 사용 특성을 정확히 이해하는 것이 필수적이다.

서보 모터 사용 시 흔히 발생하는 문제들

문제 1: 잡음 및 불안정성

고객들은 기계에 서보 모터를 사용할 때 과도한 소음과 불안정한 작동을 자주 경험합니다. 많은 사용자는 서보 모터의 품질이 낮다고 먼저 생각하는데, 가끔은 이를 스테퍼 모터나 가변 주파수 모터로 교체하면 소음과 불안정성이 현저히 줄어들기 때문입니다. 겉보기에는 이 문제가 서보 모터 탓처럼 보이지만, 그 작동 원리를 꼼꼼히 분석해 보면 이 결론은 완전히 잘못된 것입니다.

AC 서보 시스템은 서보 드라이브, 서보 모터, 피드백 센서(일반적으로 서보 모터는 내장 광학 인코더를 갖음)로 구성된다. 이 모든 구성 요소는 폐루프 제어 시스템 내에서 작동한다. 드라이브는 외부로부터 파라미터 정보를 수신한 후 모터에 특정 전류를 공급하며, 모터는 이 전류를 토크로 변환하여 부하를 구동한다. 부하는 자체 특성에 따라 이동하거나 가속/감속한다. 센서는 부하의 위치를 측정하고, 드라이브는 설정값과 실제 위치값을 비교한다. 이후 모터 전류를 조정함으로써 실제 위치값이 설정값과 일치하도록 유지한다. 갑작스러운 부하 변화로 인해 속도가 변할 경우, 인코더가 이 속도 변화를 감지하고 즉시 서보 드라이브에 반응한다. 드라이브는 이에 따라 서보 모터에 공급되는 전류를 조정하여 부하 변화에 대응하고, 설정 속도로 복귀한다. AC 서보 시스템은 고응답성, 완전 폐루프 시스템이다. 부하 변동과 속도 보정 사이의 지연 시간은 매우 짧다. 따라서 시스템 응답의 실질적 한계 요인은 기계적 연결 장치의 신호 전달 시간이다.

문제 두 번째: 관성 매칭

서보 시스템 선정 및 디버깅 과정에서 자주 관성 관련 문제가 발생합니다!

구체적으로 다음과 같은 방식으로 나타납니다:

1. 서보 시스템을 선정할 때는 모터 토크 및 정격 속도와 같은 요소 외에도, 기계 시스템의 관성을 모터 축으로 환산한 값을 계산해야 합니다. 그런 다음 실제 기계 작동 요구사항과 가공 부품의 품질 요구사항에 따라 적절한 관성 값을 갖는 모터를 선택합니다.

2. 디버깅 중(수동 모드)에는 관성 비율 파라미터를 올바르게 설정하는 것이 기계 및 서보 시스템의 최적 성능을 충분히 발휘하기 위한 전제 조건입니다. 특히 고속·고정밀이 요구되는 시스템에서 이 점이 두드러지는데, 델타 서보의 경우 관성 비율 파라미터는 1~37(JL/JM)입니다.

영향: 전달 관성은 서보 시스템의 정확도, 안정성 및 동적 응답 속도에 영향을 미친다. 관성이 크면 기계 시간 상수가 커지고, 응답 속도가 느려지며, 시스템 고유 진동수는 감소하여 공진이 발생하기 쉬워진다. 이로 인해 서보 대역폭이 제한되고, 서보 정확도 및 응답 속도에도 악영향을 준다. 관성을 적절히 증가시키는 것은 저속 크롤링 성능 향상에만 긍정적인 효과를 준다. 따라서 기계 설계 시, 시스템 강성에 영향을 주지 않는 범위 내에서 관성은 최대한 작게 설계해야 한다.

기계 시스템의 동적 특성을 결정하는 방법: 기계 시스템의 동적 특성을 측정할 때, 관성은 작을수록 시스템의 동적 응답이 더 우수하며, 관성은 클수록 모터에 가해지는 부하가 커지고 제어가 더 어려워진다. 그러나 기계 시스템의 관성은 모터의 관성과 일치해야 한다. 다양한 메커니즘마다 관성 일치 원칙의 선택 기준이 달라지며, 이러한 선택은 서로 다른 영향을 미친다.

예를 들어, CNC 머시닝 센터가 서보 모터를 사용하여 고속 절삭을 수행할 때, 부하 관성 증가는 다음 현상을 유발한다.

1. 제어 명령이 변경될 때, 모터가 새 명령에서 요구하는 속도에 도달하는 데 더 오랜 시간이 소요된다.

2. 공작기계가 두 축을 따라 급격한 호형 절삭을 수행할 때, 상당한 오차가 발생한다. 일반적으로 정상 조건에서는 JL≦JM일 경우 위와 같은 문제가 발생하지 않는다.

3. JL이 3×JM 이상일 경우, 모터의 제어성이 크게 저하되며, 특히 고속 곡선 절삭 시 뚜렷이 나타납니다.

기계적 동작 방식과 가공 품질 요구 사항에 따라 JL과 JM 간의 관계가 달라집니다. 관성 매칭을 결정할 때는 기계 공정 특성과 가공 품질 요구 사항을 기준으로 해야 합니다.

문제 3: 서보 모터 선택

기계 전동 방식을 선정한 후, 서보 모터의 형식과 크기를 선정하고 확정해야 합니다.

(1) 선정 조건

일반적으로 서보 모터를 선정할 때는 다음 조건을 모두 충족해야 합니다.

1. 최대 모터 회전 속도 > 시스템이 요구하는 최대 속도.

2. 모터 로터 관성과 부하 관성이 일치해야 합니다.

3. 연속 부하 작동 토크 ≤ 모터 정격 토크.

4. 최대 모터 출력 토크 > 시스템이 요구하는 최대 토크(가속 시 토크).

(2) 선택 계산

1. 관성 일치 계산 (JL/JM)

2. 회전 속도 계산 (부하 측 속도, 모터 측 속도)

3. 부하 토크 계산 (지속 부하 작동 토크, 가속 시 토크)