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4. 기계 제어에 사용되는 회전체: Servo Motor, Stepping Motor

기계 제어에 사용되는 회전체

지금까지의 포스팅에서는 일반적인 회전 기계와 유압과 관련된 회전체, 그리고 동력을 전달하는 회전체에 대해 알아봤었습니다.

최근 반도체, 디스플레이 분야가 발전함에 따라 로봇, CNC 기계 등의 장비에서도 기술적 업그레이드가 요구되고 있는데요. 특히 기계의 속도, 정밀함, 제어력이 중요해졌습니다.

오늘은, 기계의 제어장치 역할을 하는 회전체 중 Servo Motor와 Stepping Motor에 대해 알아보겠습니다.

1. Servo Motor

그림1. Servo Motor (출처: Eltra-trade)

Servo Motor(서보모터)란?

Servo Motor는 Shaft의 선형 및 각 운동을 제어합니다. 더 정확하게는 선형 또는 각 위치, 속도 및 가속도를 정밀하게 제어하는 데 사용합니다.

특징

Encoder 사용

일반적인 모터인 AC모터나 DC 모터는 위치 제어를 할 수 없습니다. 모터의 속도가 올라가도 토크가 떨어지지 않고 관성으로 회전하기 때문인데요, 이를 제어하기 위해 사용되는 것이 위치 검출기, 즉 Encoder입니다.

Encoder는 모터가 얼마나 회전을 했는지, shaft가 몇 도(°)에 위치하고 있는지 검출하여 전기적인 신호로 출력하는 장치인데요. 아래의 그림과 같이 일반 모터에 Encoder를 장착하여 위치 제어를 할 수 있게 만든 것이 Servo Motor입니다.

AC 모터에 Encoder를 달아 제어하는 경우는 AC Servo Motor, DC 모터인 경우는 DC Servo Motor 라고 지칭하는데요. 일반적으로 Encoder는 브러쉬가 있는 DC 모터와 영구자석 동기 모터에 많이 사용합니다. Encoder의 성능이 Servo Motor의 성능을 좌우한다 해도 과언이 아니죠.

Servo Motor에는 센서를 통해 모터의 전압을 변화시켜 회전수를 제어하는 Closed loop 제어 시스템을 사용합니다.

그림2. Servo Motor의 구조 (출처: Fuji Electric Global)

장점

•

높은 정밀도로 속도 제어에 적합합니다.

•

토크 제어에 용이하며 최대 토크가 Stepping Motor에 비해 높습니다.

•

낮은 토크로 높은 회전 속도가 요구되는 환경에 적합합니다. 

•

소음이 적습니다. 

•

탈조 현상이 없습니다.

* 탈조 현상: 동작 범위가 정해진 규격보다 높아 모터가 회전하지 못하고 덜덜 떠는 현상

단점

•

hunting 현상으로 인해 완벽하게 정지하지 않습니다.

* hunting 현상: ±1의 Pulse의 움직임으로 인한 미세한 떨림 현상

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속도가 증가해도 토크가 떨어지지 않아(관성으로 회전) 속도 면에서는 유리하지만, 정확한 위치 제어를 할 수 없습니다.

•

Stepping Motor에 비해 비용이 높습니다.

용도

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Servo Motor는 Stepping Motor에 비해 무게 대비 출력이 강하여 대형 로봇팔이나 대형 기구물에 주로 사용됩니다.

•

공작기계, CCTV, 캠코더, 프린트 등 사용되는 모터(명령에 따라 정확한 위치와 속도를 맞출 수 있음)

주요 고장 원인

주요고장원인	설명
베어링 고장	베어링 마모가 심하거나 윤활이 잘 안될경우 소음을 유발합니다. 베어링의 고장은 모터 전체의 고장으로 이어질 수 있기 때문에 빠르게 교체 해야 합니다.
내부 오염	먼지, 오일, 절삭유 및 냉각수와 같은 오염 물질이 모터의 내부에 들어가면 모터의 베어링, 권선, 엔코더가 손상되어 가동에 어려움이 있을 수 있습니다.
과열	과열은 기계의 과전류로 발생할 수도 있기 때문에 우선적으로 기계적 바인딩, 브레이크 문제 또는 과부하 여부를 파악해야 합니다.

출처: gesrepair

여기까지 Servo Motor에 대해 알아보았는데요.

그럼 두 번째, Stepping Motor는 어떻게 작동하고 활용되는지 이어서 살펴볼까요?

2. Stepping Motor

그림3. Stepping Motor (출처: m2plus)

Stepping Motor(스테핑모터)란?

Shatf의 속도보다는 선형 및 각 운동을 제어하는 데에 사용되는 모터입니다.

그림 4. Stepping Motor의 움직임 (출처: embedjournal)

톱니바퀴와 같이 돌기가 있는 Stator과 Rotor를 갖고, Stator의 코일에 흘러가는 전류를 순차적으로 에너지로 전환하여 일정 각도로 회전하는 방식입니다. 이 때 각도를 바꾸는 데 Pulse가 이용되는데요. Stepping Motor를 천천히 작동시키면 Pulse 신호에 따라 아날로그 시계의 초침처럼 정해진 각도로 스텝을 밟듯이 움직입니다. 이 때문에 Stepping Motor, 또는 Pulse Motor라고도 불립니다.

Stepping Motor는 5상과 2상 모터가 있으며, 5상은 1 Pulse당 0.72°, 2상은 1 Pulse당 1.8°의 각도를 가집니다. 이처럼 Stepping Motor의 회전 각도는 입력 Pulse 신호에 완전히 비례합니다.

또한 사용자가 입력한 신호에 변형이나 변화를 주지 않고 모터에 바로 반영되는 Open Loop 제어 시스템을 사용하기 때문에, Servo Motor에 비해 위치를 조절 또는 정지 시 정확히 제어할 수 있습니다.

장점

•

Pulse에 의해 회전이 결정되므로 제어가 편리합니다.

•

정지에 대한 Holding Torque를 무기한으로 유지할 수 있습니다.

•

높은 정밀도로 위치 제어에 적합합니다.

•

낮은 속도에서 높은 토크로 회전할 수 있습니다.

•

Servo Motor에 비해 비용이 낮습니다.

단점

•

속도 변동이 커서 공진 및 진동 소음이 발생합니다.

•

고속일 때, 토크가 작아 탈조 현상이 나타날 수 있기 때문에 고속 환경에는 사용이 부적절합니다.

* 최근에는 탈조 현상을 개선하고 효율을 높여 짧은 거리에서 단시간에 위치 제어를 하는 모터로 발전한 경우도 있음

•

Servo Motor에 비해 소음이 큰 편입니다

•

모터 부하에 상관없이 전류 소모량이 크며, 과열 위험이 있습니다.

용도

•

로봇 팔을 움직이거나 CNC(computer numerical control) 공작 기계의 위치 결정에 사용되는 모터

주요 고장 원인	설명
과열, 폭주, 전소	Stepping Motor가 과열되는 경우 일반적으로 드라이버에 문제가 있는 경우가 많습니다. 단순히 모터를 교체하는 것 보다는 드라이버도 같이 점검해야 합니다.
베어링 품질 저하	베어링은 온도에 민감하여 수명에 영향이 있습니다. 모터에 냉각제를 넣거나 주위 환경을 낮은 온도로 유지시켜 준다면 베어링의 수명을 늘릴 수 있습니다.
작업자의 실수로 인한 고장	가장 큰 고장의 원인 저렴한 Stepping Motor를 사용하는 경우 접착제를 사용해 샤프트와 로터를 연결하는 경우가 많아 관리에 유의해야 합니다.

출처: m2plus

반도체 산업 및 공작기계의 시장이 커지면서 제어가 필요한 모터가 늘어나는 추세인데요. 모터를 처음 선택할 때부터 모터의 각각의 특징 및 장단점을 이해하며 환경에 따라 적합한 모터를 선택하는 것이 중요합니다.

특히 모터를 제어해야 하는 경우에는 속도나 위치 등 무엇이 중요한지 파악한 후 적절한 모터를 설치해야 불필요한 비용 지출을 줄일 수 있습니다. 부적절한 모터 사용은 잦은 이상 작동 및 다운타임으로 이어져, 결국 전체 생산성을 크게 떨어뜨리게 되죠.

지금까지 기계 제어에 사용되는 회전체: Servo Motor, Stepping Motor에 대해 알아봤는데요.

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