드라이브가 내장된 최상의 서보 모터를 선택하는 방법

Beckhoff

새로운 분산 서보 드라이브 시스템의 성능은 놀랍지만, 엔지니어는 플랫폼에서 그것을 표준화하기 전에 케이블링과 폼 팩터, 안전 통합을 고려해야 한다.

Beckhoff 자동화

드라이브가 내장된 서보 모터는 시장에 출시되었을 때는 획기적인 기술이었지만 잠재력은 거의 없었다. 이 서보 모터는 안전과 성능을 향상시키면서 공간과 커미셔닝 시간을 줄여야 했으나, 디자인상의 결점으로 거의 개선하지 못했다.

모션 컨트롤 구조가 복잡하고, 대체 비용이 많이 드는 것을 감안해, 나머지 부분에서 무엇이 고품질 서보 시스템을 차별화하는지 이해해야 한다. 토크와 속도 사양 외에도 드라이브의 케이블 링과 폼 팩터, 안전 기능은 중요한 요소이다. 이러한 요소는 성능과 안정성에 영향을 미치므로 솔루션에서 표준화할 때 모든 옵션을 평가하는 것이 중요하다.

데이지 체인 방식(Daisy chained)과 분산형 서보 드라이브 시스템

하나의 모터만 필요한 경우, 통합 구동 기술이 적용된 서보 모터는 설치를 대폭 단순화한다.
엔지니어는 이 장치를 전력과 EtherCAT과 같은 산업용 이더넷 통신에 쉽게 연결한다. 그러나 대부분의 공장에는 서보 모터가 다른 기계와 라인 전체에 퍼져 있는 복잡한 토폴로지가 필요하다. 이러한 경우 엔지니어는 계단식이나 분산 시스템을 선택해야 한다.

계단식 시스템은 서보 모터를 데이지 체인으로 연결한다. 첫 번째 장치를 전원과 제어판의 I/O 터미널에 직접 연결하여 다음 장치와 공유한다. 그러나 이 방법은 여러 잠재적인 오류 지점을 발생시킬 수 있다. 모터나 전원 케이블이 이더넷 케이블에서 오류를 발생시키면 전체 모션 제어 아키텍처가 중단된다.

한편, 현대의 분산형 서보 드라이브 시스템은 분배 모듈으로 IP 65나 유사한 값의 보호 등급을 가지는 여러 개의 서보 모터를 관리한다. 기계 장착 분배 모듈은 단일 커플링 모듈로 제어 캐비닛과 분산 서보 드라이브 사이의 전원과 통신을 연결하여, 계단식 구조를 지원하고 장애 지점을 제한한다. 이 방법은 하나의 케이블이 손상된 경우, 다른 플랫폼에서 발생하는 것처럼 일반적으로 시스템 전반의 작동이 중지하지 않도록 한다.

케이블링 문제를 더욱 단순화하기 위해, 고성능 서보 드라이브는 OCT(one-cable technology) 연결로 전력을 공급받고 산업용 이더넷 통신을 한다. OCT는 커미셔닝 시간과 기계 공간을 줄여준다. 이는 모든 제조 환경에서 매우 중요하다. OCT와 분산 서보 드라이브 시스템을 결합하면 가장 효율적인 모션 제어 해결책을 제공한다.

상부나 측면 장착형 통합 드라이브 vs 후면 장착형

폼 팩터는 통합된 드라이브가 있는 서보 모터의 핵심이다. 두 장치를 단일 기능 장치로 결합하는 것이 어렵기 때문이다. 분산 서보 드라이브 시스템은 새로운 장비의 설치 면적을 줄이되, 기존의 장착 플레이트와 직사각형 모양을 유지하여 기존 장비를 성공적으로 개조시키며 기계 설계에 미치는 영향을 최소화한다.

일부 제조업체는 서보 모터에 드라이브를 최적의 위치에 끼워 넣기 위해 고심한다. 현재 많은 모델에서 드라이브를 모터의 상단이나 측면에 쌓아 놓는다. 폼 팩터 크기를 키우면 더 많은 공간과 기계적 변화를 만들 수 있다. 드라이브를 모터의 후면에 놓는 것이 논리적으로 가장 적합하지만, 열 발산 문제를 해결하지 못했다.
디자인 관점을 달리하여, 서보 모터의 후면에 드라이브를 통합하는 데 성공한 일부 업체는 폼 팩터를 보통의 서보 모터 전용 모델보다 약간 길게 만들었다. 많은 회사들이 열 방출 문제 없이 모터 뒤쪽에 드라이브를 통합했지만, 표준 서보 모터의 고성능에는 미치지 못했다.

출력과 폼 팩터를 유지하는 핵심 요소는 방열 방식이다. 이전에는 모터 뒤쪽과 일체형 드라이브를 통해 모든 열을 가하도록 했다. Beckhoff Automation은 혁신적인 방열 방법을 고안하여 뒤쪽 드라이브를 통해 샤프트의 전체 길이를 따라 모터 하우징의 측면을 통해 효율적으로 열을 방출한다. 모터 권선만 신중하게 재설계하면 이 작업이 가능하다. 결과적으로 사용자는 과열 없이 최소 공간을 유지하고, 새로운 설치와 개조 모두에 최적인 분산형 서보 드라이브 시스템을 선택할 수 있다.

IGBT vs MOSFET

분산 서보 시스템에서 방열과 폼 팩터를 향상시키는 또 다른 방법은 드라이브 전자 장치용 반도체를 선택하는 것이다.
대부분의 통합 모터와 드라이브 모델은 IGBT를 사용하지만, 가장 성공적이고 콤팩트한 서보 드라이브 시스템은 적은 열을 생산하는 MOSFET을 사용한다. IGBT는 수년간 사용자에게 공급하여 제품의 신뢰성을 확인했다. 그러나 최근 MOSFET 디자인이 업데이트되어, 몇 가지 중요한 이유 때문에 향상된 기능으로 모션 제어 시스템의 스위칭 옵션이 되었다.

이 둘에는 많은 차이점과 유사점이 있다. IGBT가 특정 아키텍처에서 적합하지만, 이러한 유형의 서보 드라이브 시스템에서는 IGBT가 바람직하지 않다. 바이폴라 소자(bipolar device)인 IGBT는 고전압과 고전류를 처리할 수 있다. 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor)로서, MOSFET은 수백 밀리암페어가 두 자리 수 앰프로 전환되거나, 낮은 전압이 수천 볼트로 전환되는 경우에도 적은 스위칭 손실로 더 높은 전류를 지원한다.

일반적으로 IGBT는 팬과 방열판, 추가 배선을 포함한 더 많은 지원 부품이 필요하다. 따라서 공간과 가격으로 고전압과 고전류로 얻는 이점을 희생해야 한다. MOSFET은 낮은 온도와 적은 부품으로도 고성능분산 모션 제어 아키텍처에 적합한 반도체 유형이다.

분리된 안전 vs 통합 안전

모든 제조 환경에서 안전은 늘 최고의 관심사이다. 통합 드라이브가 있는 대부분의 서보 모터에는 별도의 독립형 안전 시스템이 있다. 전용 배선과 별도의 소프트웨어 플랫폼과 네트워크가 필요하므로 비용이 많이 들고 효율성이 떨어진다. 그러나 드라이브가 통합된 최신 서보 모터는 기본적으로 모든 장치에 통합 STO와 SS1 안전 기능을 제공한다. 또한, 동일한 EtherCAT(산업용 이더넷 네트워크)의 안전(I/O) 터미널과 접속할 수 있다.

이러한 기능과 설계의 차이점이 아주 작은 것처럼 보일 수 있지만, 함께 사용하면 통합 경로가 있는 드라이브의 경로 선택에 따라 모션 제어 아키텍처를 향상시킬 수 있다. 각 솔루션의 고유한 폼 팩터와 마운팅 고려 사항, 케이블링, 안전 요구 사항을 고려하여 애플리케이션에 가장 적합한 분산 서보 드라이브 시스템을 선택해야 한다.

자료 제공: Beckhoff(www.beckhoff.com)