일체형 ‘AC/DC 서보 시스템’의 이해

주요 업체별 주력제품 특장점 비교·분석

서보 시스템 구성의 한 부분을 차지하고 있는 서보 드라이브는 부여된 목표입력에 대한 빠른 추종 응답특성을 갖고, 넓은 속도제어의 범위를 가지며, 정밀하게 움직일 수 있도록 서보 모터에 공급하는 전력을 서보 모터에 적합한 형태로 변환하여 제어하는 시스템을 말한다.  서보 제어용 모터는 위에서 설명한 것처럼 전기자 권선에 공급되는 전력이 교류인가 직류인가에 따라 AC모터와 DC 모터로 구분되며, AC 서보 모터에는 SM(Synchronous Motor)형과 IM(Induction Motor)형으로 분류된다. 월간 모션컨트롤은 DC 서보 시스템과 AC서보 시스템을 비교 분석해 보고, AC/DC 서보 드라이브, 모터 등 일체형 서보 시스템을 국내 시장에 공급하고 있는 업체들을 소개본다.

글|김병규 기자(dhlee@motioncontrol.co.kr)

일체형 AC/DC 서보 시스템 특집 업체별 순서는 가나다 순으로 배열되었습니다.
 

AC/DC 서보 드라이브의 특징

서보 드라이브는 제어하고자 하는 서보 모터의 전기적 특성에 따라 AC 서보 드라이브와 DC 서보 드라이브로 나뉘며, AC 서보 드라이브에는 다상(일반적으로 3상)의 전압형 PWM(Pulse With Modulation) 인버터가 사용된다. 엄밀히 말하자면 인버터는 직류전력을 교로전력으로 변환하는 전력변환회로를 지칭하나, 통상적으로 동기모터(Synchronous Motor)를 제어하는 경우 서보 드라이브라 하고, 유도전동기(Induction Motor)를 제어하는 경우 인버터라 지칭한다. 국내 시장에도 많은 업체들이 DC 서보 시스템과 AC 서보 시스템의 장단점으로 무장한 제품들을 무수히 선보이고 있는 가운데, 주요 업체는 소비자에게 신뢰성을 갖춘 제품을 공급하며 인지도를 쌓아가고 있는 중이다. AC/DC 서보 시스템을 생산 및 공급하는 국내 업체는 알에스오토메이션, LS메카피온, 하이젠모터 등이 있으며, 해외업체로는 지멘스를 비롯해 엘모, 보쉬렉스로스, ABB 등이 있다.

일체형 서보 시스템의 구성

먼저 서보 시스템을 구성하고 있는 전기 구동기의 개요부터 알아볼 필요가 있다. 전기구동기는 구동기를 움직이기 위한 에너지원으로서 전기를 사용한다. 대상 기계가 주어진 일을 수행하기 위해서는 운동 전달기구의 입력요소에 운동이 전달되고, 그 출력요소로부터 대상물에 운동을 전달시키는 것을 구동기라고 한다면 ‘모터’는 전압 및 전류를 구동에너지로 하는 구동기로서 가장 대표적인 것이라고 할 수 있다. 구동기를 움직이는 에너지 선택사항으로는 대상기구의 부하와 응답성, 제어방법, 정밀도, 대상기구나 기계규모, 중량, 가격과 편리성 및 안전등을 고려 등이다.

타 구동기와 비교해보면, 공압식 구동기는 정밀한 자동화에 적용하기 힘들지만, 유압식 구동기는 정밀한 제어가 가능하고 출력은 높으나 유압작동유의 운송을 위한 보잡한 배관 및 보수에 많은 경비가 소요된다. 그 외에도 전기식 구동기는 제어정밀도가 양호하고 안전성 및 편리성이 좋은 반면 과부하에 약하고 가격이 비싸다.
 

일반적으로 서보 시스템이라고 할 때는 서보기구의 구성요소인 서보 모터, 서보 앰프 및 모터에 직결된 검출기를 일체를 가리키는 경우가 많다. 그리고 서보 모터, 서보앰프 및 모터에 직결되는 검출기를 일체로 하는 경우에는 서보 드라이브라고 불린다. 서보기구의 구성에서 매커니즘은 제어대상물 이라고도 하고 예로 들면 볼스크류를 이용하여 위치 또는 속도를 출력으로 하는 가동 테이블이라 할 수 있는데 여기서 구동 메커니즘 이라고 할 수 있는 힘의 전달기구는 서보 모터 등과 같은 구동요소인 액추에이터와 제어 대상물을 결합하여 동력의 전달과 회전/직선 운동 하는 기계적인 제어요소를 말한다. 그리고 서보 모터는 빈번하게 변화하는 위치나 속도의 명령에 대해서 충실하게 추종할 수 있도록 설계된 모터를 의미한다.

한편 서보 시스템에서는 위치 또는 속도의 검출을 위한 검출기를 필요로 한다. 이를 위하여 서보 모터에는 엔코더가 내장되어 있는 것이 일반적이며, 서보엠프(증폭기)는 교류서보 모터를 자유자재로 구동하기 위해서는 서보증폭기를 필요로 한다. 서보증폭기의 구성은 비교제어 증폭기와 파워증폭기 2가지가 있다. 비교제어 증폭기는 위치 또는 속도의 지령입력과 피드백 신호를 비교하여 신호를 만드는 비교부와 신호를 증폭하거나 변형하는 제어부로 구성되어 있다. 즉 비례제어와 비례 적분 제어를 수행하는 부분이다. 그리고 파워 증폭기는 비교제어 증폭기의 출력에 비례한 속도와 토크로 서보 모터를 구동하는 부분으로 상용의 전원으로부터 지령속도에 비례한 주파수의 교류를 만들어내고 이러한 모터 구동용 교류를 이용하여 서보 모터를 구동시킨다.

DC 모터와 AC 모터의 특징

월간모션컨트롤이 다루고자 하는 일체형 AC/DC 서보 시스템을 구성하고 있는 DC 모터와 AC 모터의 특징을 살펴보자. 먼저 서보 모터란의 개념이 중요한데, 빈번하게 변화하는 위치나 속도의 명령에 대해서 충실하게 추종할 수 있도록 설계된 모터를 의미한다. 이 모터의 종류가 AC 모터 DC 모터 크게 두 가지로 나눠지는 것. 이 같은 전기구동기는 큰 가속도로 움직일 수 있고, 짧은 시간 내에 정지할 수 있는 능력을 갖추어야한다.
 

서보 모터 조건과 DC모터

서보 모터가 갖추어야 할 조건으로는 •회전력이 클 것 •회전자의 관성모멘트가 클 것(※관성모멘트 : 회전축을 중심으로 회전하는 물체가 계속해서 회전을 지속하려고 하는 성질의 크기를 나타낸 것이다. 외부에서 힘이 작용하지 않는다면 관성모멘트가 클수록 각속도가 작아지게 된다) 등이다. 이런 조건을 만족하는 일반적인 모터가 바로 DC 모터인 것. DC 모터의 장점을 살펴보면, DC모터는 토크가 전류에 직선으로 비례하기 때문에 서보 시스템의 설계가 용이하며 일반적으로 회전자의 구조가 견고하다는 특징을 지니고 있다. 그리고 많은 DC모터가 슬롯형의 견고한 구조를 채택하고 있다.

서보 모터로서의 DC 모터는 브러시의 마모가 크기 때문에 정기적인 보수가 필요하고, 전기자 권선에 많은 열발생으로 인한 성능저하가 우려되는 단점을 지니고 있다. 결국 대안 내지 경향으로 AC 모터의 구조를 이용하여 DC 모터의 성능을 구현 하려고 하는 추세이나 토크가 전류에 직선적으로 비례하지 않으므로 제어기의 구조가 복잡한 단점이 있어 쉽지 않다. 반면 코어리스 모터는 비교적 약한 구조이지만 회전자를 가늘게  하여 회전 관성을 작게 함으로써 큰 순시토크를 얻을 수 있기 때문에 응답성을 향상시키기 용이하게 사용되어지고 있다.

AC 모터란?

DC 모터와 비교되는 AC 모터에 대해 알아볼 필요도 있다. AC 모터는 구조가 간단하고 브러시나 정류자와 같은 기계 소모부가 없고, 고속에서 순간 최대 토크를 출력할 수 있어 응답특성이 빠르며 무게 당 토크가 크므로 소형 경량화 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 직류전동기에 비해 제어 방법이 복잡하다는 단점이 있다. 교류전동기의 용량은 수십W의 소형에서 수백kW의 대형에까지 이르며 선풍기, 세탁기, 냉장고, 펌프, 크레인 등 가정과 산업현장 전반에서 널리 사용되고 있다.

AC 서보 모터의 회전원리를 이해하기 위해서는 회전자계(Rotating MagneticField)의 개념을 이해해야 한다. 3상으로 이루어진 고정자권선에 3상 전원을 인가하게 되면 120도의 위상차를 갖는 3상의 전류가 흐르게 된다. 각 상의 고정자 권선에 흐르는 전류를 상전류(phasecurrent)라고 한다. 모터는 상전류에 의해서 회전력(torque)이 발생하는 기기로써, 모터를 제어한다는 것은 궁극적으로 모터의 각 상에 흐르는 상전류를 제어하는 것이다.

서보 모터와 스테핑 모터

스테핑 모터는 펄스 신호를 받아 일정한 각도로 움직이는 모터다. 입력 펄스 수와 모터의 회전각도가 완전히 비례 하므로 회전 각도를 정확하게 제어 할 수 있고, 또한  스테핑 모터에는 고유의 분할 각도가 존재하는데 이분할 각도를 이용하여 제어하게 된다. 서보 모터는 스테핑 모터와는 달리 원하는 위치를 정확하게 이동 할 수 있다. 여기에는 되먹임 제어가 가능하기 때문인데, 움직인 위치값을 정확하게 읽어 들여 그 오차값을 자동으로 계산하기 때문이다 때문에 위치값을 잃어버린다면 즉각 그 데이터 값을 읽어 들일 수 있다. 때문에 정밀한 위치제어가 필요한 곳에 쓰이지 않는 곳이 없다. 서보 모터는 아주 간단하게 생각해서 모터의 회전마다 센서가 붙어있다고 생각하면 이해가 쉽다.

메카트로닉스와의 연관성

일반 유도형 전동기는 제작과정에서 제한되는 범위에서의 정속회전을 하기 때문에 제어용으로는 적당하지 않고 단순히 전기 에너지를 기계에너지로 변환하는 용도에 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 자동화에 널리 사용되고 있는 메카트로닉스 기기용 모터는 에너지의 변환뿐만 아니라 위치와 속도 및 가속도를 제어해야 하는 경우가 빈번하다. 예로 로봇이나 머시닝 센터와 같은 수치제어 공작기계에서는 순간적으로 변화하는 위치나 속도 지령에 따라 정확하게 추종 운전을 해야 하기 때문이다 이런 것들이 메카트로닉스와 연관되어 있다고 보여진다.

대부분의 산업군에서 산업자동화를 필요로 하고 있고, 또한 로봇 산업이 세계적으로 확장되어 가는 추세에서 각자의 기술력을 바탕으로 한 높은 성능의 서보 시스템을 시장에 공급하려는 국내외 업체 또한 늘어가고 있다. 특히 고객들은 편리함을 제공할 받을 수 있는 토탈솔루션을 간절히 원하고 있기에 기술이 총집합 된 일체형 AC/DC 서보 시스템의 진화는 지속적으로 이어질 것이다.