Servo System Sizing 선택시 고려해야 할 사항

기계에 맞게 서보 모터 시스템의 크기를 결정하려면 완전한 서보 모터와 드라이브 시스템을 구성하기 위해 집합적으로 통합되는 구성 요소에 대한 기본적인 이해가 필요하다. 대부분의 서보 모터 및 구동 시스템의 주요 초점은 부하의 원하는 동작을 수행하는 것이다. 폐루프 제어는 부하의 움직임을 제공하는 기계 시스템에 적용되는 토크, 속도 및 위치를 정밀하게 제어할 수 있도록 모터와 드라이브 사이에 지속적인 정보를 제공하는 피드백 장치를 사용하여 달성된다.

모터 성능 곡선

서보모터 크기를 결정하는 가장 기본적인 요구 사항은 모터 성능이 해당 응용 분야에 맞게 부하를 이동하는 데 필요한 기계적 동력을 충족하거나 초과해야 한다는 것이다. 서보 모터 제조업체는 모터 성능을 문서화하기 위해 모터 속도 토크 곡선을 게시한다. 가장 중요한 특징은 다음과 같다.

• M 0는 Zero 속도에서의 토크이다. 일부에서는 이를 종종 ‘스톨 토크’ 또는 ‘정적 토크’라고 부른다.

• S1(100K) 특성은 지속적인 작동을 위한 허용 온도 범위의 한계를 나타낸다. 이는 열 등급 F(155°C)에 따른 활용도에 해당한다.

• M max 는 모터가 달성할 수 있는 최대 토크이다.

• N rated 은 모터의 속도 정격이며 모터가 정격 속도에서 정격 토크를 생성할 수 있는 지점이다. 이 지점이 모터의 최대 연속 전력이며 정격 전력이라고도 한다.

서보 모터 k T 및 k E 특성 값
 

서보 모터는 권선을 통해 y암페어의 전류가 공급될 때 x Nm 의 토크를 생성한다. 이 비율을 Nm/Amp로 표시되는 토크 상수(k T ) 라고 한다. 서보모터의 경우 이는 고정된 상수이다. 서보모터는 권선에 z 볼트가 주어지면 w kRPM으로 회전한다. 이 비율을 전압 상수(k E ) 라고 하며 볼트/kRPM으로 표시된다. 서보 모터의 경우 이는 고정된 상수이다.

서보 모터 사양의 k T 및 k E 예

k T 및 k E 의 상수는 모터의 권선 설계에 따라 결정된다. 동등한 전력 정격이 주어지면 RPM 정격 모터가 낮을수록 k T 값이 더 높고 정격 RPM 모터가 높을 때보다 동일한 전류에 대해 더많은 토크를 생성한다. ‘동력 = 속도 x 토크’이므로, 등가 동력 정격의 경우 정격 속도를 줄이면 토크 용량이 더 높아진다. 모터의 온도 상승은 정격 출력을 제한하는 요소이다. 적절한 전류 등급의 드라이브가 S1 곡선에서 모터에 전력을 공급할 때모터의 온도 상승은 모터의 열 상수를 기준으로 최대 한계에 도달한다.

서보 드라이브 크기
 

서보 드라이브는 해당 모터의 성능을 충족하도록 크기가 조정된다. 주어진 상수 k T 및 k E 에서는 애플리케이션에서 모터의 전류 및 전압 요구 사항을 충족하거나 초과할 수 있는 드라 이브가 제공되어야 한다. 대부분의 드라이브(VFD 및 서보 모두)는 아래와 같은 유형의 현재 듀티 사이클 정보를 제공한다. 

드라이브의 기본 전류 부하는 과전류 또는 과열 조건으로 인해 전력단(IGBT)이 과열되거나 손상되지 않고 장기간 동안 실행될 수 있는 최고 전류 값이다. 컨베이어 및 대부분의 서보 기반 기계 부하와 같은 기계 응용 분야에서는 일반적으로 모터가 S1 곡선 이상에서 작동하는 가속 중 짧은 시간 동안 높은 피크 전류가 필요하다. 이는 높은 과부하(HO) 애플리케이 션으로 분류된다.

팬 및 펌프와 같은 기타 애플리케이션은 장기간 높은 피크 전류를 필요로 하지 않으며, 낮은 과부하(LO) 로 분류된다. 낮은 과부하 애플리케이션에는 높은 피크 전류나 피크 전류에서의 연장 시간이 필요하지 않으므로 기본 전류 정격 ILO는 높은 과부하 애플리케이션을 실행하는 동급 드라이브보다 높은 값이다.

▲ 과부하 요구 사항에 따른 드라이브의 이중 전류 정격의 예

이는 다소 반직관적이지만, 낮은 과부하 애플리케이션을 실행하는 드라이브는 전류 출력을 과부하 영역으로 확장하여 발열을 증가시킬 필요가 없기 때문에 열 한계에 더 가깝게 실행될 수 있다.

응용 용어
 

• 일부 제조업체에서는 낮은 과부하를 종종 ‘정상 부하’라고 부른다.

• 팬 및 펌프 애플리케이션은 종종 ‘가변 토크’ 애플리케이션으로 불리며 토크가 낮다.

• 가변 토크 애플리케이션은 아래와 같이 속도 토크 곡선을 나타내며, 여기서 토크는 속도에 따라 증가한다. 팬이 이러한 동작을 보이는 이유는 낮은 속도에서는 팬이 많은 공기를 이동하지 않고, 속도가 증가 함에 따라 팬이 더 많은 공기를 이동하고 더 많은 토크와 전력이 필요하기 때문이다.

• 일부 제조업체에서는 높은 과부하를 종종 ‘과부하’라고 부른다.

• 기계 애플리케이션(예: 컨베이어)은 종종 ‘일정 토크’ 애플리케이션 이라고 불린다.

• 기계 시스템은 모든 속도에서 동일한 토크를 요구하는 경우가 많으 므로 Constant Torque라는 이름이 붙었다.

• 서보 드라이브는 과부하 애플리케이션에 맞게 크기를 조정해야 한다.

▲가변 토크

▲일정한 토크

서보 크기 조정
 

경험에 따르면 모터의 S1 등급을 몇 초 동안 초과할 수 있지만 너무 오랫동안 유지하지 않는 것이 가장 좋다. 그것은 모두 모터 과열로 귀결 된다. S1 곡선에서 모터는 모터의 열 시간 상수에 따라 일정 시간이 지나면 지정된 최대 온도 상승에 도달한다. 이는 소형 모터의 경우 1분 미만, 대형 모터의 경우 몇 분이 소요될 수 있다. 장기간 S1 곡선 또는그 근처에서 작동하는 경우 모터는 필요한 경우 S1 이상으로 올라갈수 있는 열 안전 여유가 없다.

S1보다 훨씬 낮은 수준에서 작동하고 있지만 가끔 S1보다 높은 수준으로 올라가야 하는 경우, 장기간 S1 이상을 유지하 려면 더 많은 열 안전 여유가 있어야 한다. S1 이상을 얼마나 오래 유지할 수 있는지 아는 것은 쉬운 대답이 아니기 때문에 Siemens에는 ‘SIZER’라는 드라이브 크기 조정 도구가 있다. SIZER는 모션 프로파일, 기계 데이터, 모터 데이터 등을 가져와 모터 작동 지점을 계산한다. 위의 그래프는 결과의 예이다.

빨간색 점은 필요한 최대 전력이다. 검은 점은 RMS 로딩이다. SIZER는 지정된 적용 요구 사항을 충족하거나 초과하는 서보 시스템에 대한 BOM을 제공한다. 드라이브/모터 선택 시추가 안전 여유를 적용하는 것이 권장되는 경우가 많다.

미래의 안전을 위한 크기 조정
 

모터 크기를 매우 보수적으로 결정하기 위해 시스템 크기가 S1 미만의 피크 부하 토크로 설정되면 모든 경우에 작동한다. 그리고 향후 최종 사용자가 기계 속도를 높이기로 결정하는 경우 많은 경우 필요한 새 제품을 추가해야 한다. 

서보 시스템의 크기를 늘리면 비용이 추가된다. 그러나 이러한 추가 비용은 향후 요구 사항으로 인해 향후 시스템을 변경하는 것에 비해 매우 작을 수 있다. 아래 그래프는 모터 S1 곡선에서 최대 작동점(빨간색 다이아몬드)을 갖는 매우 보수 적인 크기의 모터를 보여준다.

최저 비용을 위한 크기 조정
 

종종 최소 비용으로 서보 시스템의 크기를 조정하고 서보 시스템의 성능 용량이 애플리케이션의 실제 요구 사항과 거의 일치하도록 해야 한다. 여기에 표시된 것처럼 녹색 선은 S1 곡선이고 검은 점은 RMS 부하이다.

SIZER는 RMS 부하가 S1 곡선 아래에 있는지 확인하므로 모터가 과열되지 않는다. 빨간색 점은 최대 토크 곡선 아래에 있는 최대 부하이다(표시되지 않음). 모터가 일시적으로 S1(100K) 곡선을 초과하도록 허용함으로써 모터와 드라이브의 크기를 보다 저렴한 비용으로 조정할 수 있다.

브레이크 유지
 

서보 모터의 일반적인 옵션 기능은 홀딩 브레이크이다. 홀딩 브레이크는 특히 부하 이동이 경사지거나 수직인 경우 장비 에서 전원이 제거될 때 부하를 제어하는 데 사용될 수 있다. 또한 상당한 양의 경사 또는 수직 부하 듀티 사이클이 움직이지 않는 경우 홀딩 브레이크를 사용하여 서보 모터 시스템의 전류 요구 사항을 줄일 수 있다.

피드백 고려사항
 

서보 모터 시스템에는 작동 중 속도, 위치 및 기타 매개변수를 측정하는 피드백 장치가 포함되는 경우가 많다. 충격 하중, 위치 정확도, 위치 반복성과 같은 특정 적용 매개변수를 신중하게 고려해야 한다.

리졸버는 충격 부하와 방사선이 더 높은 열악한 환경에서 탁월한 성능을 발휘하는 경향이 있다. 리졸버는 고정자와 회전자 부분 모두의 코어를 감싼 와이어 코일로 구성된 회전식 변압기이다. 이 아키텍처는 일반적으로 유리 디스크 요소를 포함하는 인코더와 달리 더 높은 온도와 더 높은 충격 부하 작동을 허용한다.

정현파 인코더는 최고의 위치 정확도를 위해 고해상도(최대 24비트 이상)를 제공한다.

또 다른 피드백 선택은 절대 위치 대 증분(또는 단일 회전) 피드백의 필요성이다. 증분 피드백이 있는 회전 시스템에서는 360도 회전이 달성되면 위치에 대한 펄스 계산이 다시 시작된다.

다중 회전 절대 인코더를 사용하는 경우 시스템은 어느 방향에서든 많은 모터 회전으로 위치를 추적할 수 있다. 일반 적으로 4096개의 모터 회전을 추적할 수 있다. 다중 회전 절대 인코더는 기계에 전원이 복원된 후에도 절대 위치 메모리를 제공한다.

이 절대 위치 메모리는 외부 하드웨어를 줄이고 사용자가 유지 관리 수행 후 최소한의 시간 내에 제조를 재개할 수 있도록 해준다.

관성비
 

마지막으로 서보 시스템 제조업체가 애플리케이션을 분석할때 자주 참조하는 신비한 용어인 ‘관성비’에 대해 알아보겠다.

대부분의 제조업체는 대부분의 애플리케이션 유형에 대해 10:1 이하의 부하:모터 관성비를 권장한다. 여러 번 더 높은 비율이 작동할 수 있지만 제조업체는 필요한 시스템 성능이 충족되어 목표 관성 비율이 10:1 이하가 될 것이라고 확신해야 한다.

애플리케이션 스펙트럼의 반대쪽 끝에서 애플리케이션이 표면 가공 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있는 것과 같이 경로를 따라 극도로 정밀한 이동을 요구하는 경우 3:1 이하의 부하:모터 비율이 필요할 수 있다.

이 비율은 서보 내의 폐쇄 루프 제어에 영향을 미친다. 비율이 너무 높으면 제어 루프가 제대로 작동하지 않는다. VFD는 일반적으로 모터 피드백(예: 인코더)을 활용하는 폐쇄 루프 시스템이 아니기 때문에 일반적 으로 VFD에는 관성비 요구 사항이 표시되지 않는다.

제어 루프를 닫거나 모터 위치/속도를 드라이브에 다시 공급하면 시스템 성능이 크게 향상될 수 있다. 그러나 피드백 신호가 너무 높거나 시스템과 위상이 다른 경우 제어 문제가 발생할 수 있다. 일반적으로 동일한 근처에 있는 마이크와 스피 커를 생각해 보자. 마이크가 스피커에 너무 가까워지면 피드 백이 너무 많아 귀를 뚫는 듯한 짜증스러운 소리가 발생한다.

관성비가 너무 높으면 마이크가 스피커에 너무 가까워지는 것으로 생각할 수 있다.

서보 성능은 애플리케이션마다 크게 다르다. 두 가지 예를 들어보겠다.

1. 가벼운 하중을 30ms에서 1인치 이동하고, 5msec의 정착 시간 안에 0.001인치의 최종 위치 정확도가 필요하다.

2. 12인치의 무거운 하중을 2초 안에 이동하고 1/16인치의 최종 위치 정확도가 필요한 경우첫 번째 예에서는 제어 루프를 매우 엄격하게 조정해야 하며 조정 프로세스 중에 관성 비율이 작용하게 된다. 관성비가 너무 높으면 이러한 요구 사항을 충족하지 못할 수 있다. 대부 분의 일반 자동화 서보 애플리케이션은 두 번째 예와 비슷하 다. 서보 제어 루프를 많이 요구하지 않으며 10:1에 가까운 비율로 쉽게 충족할 수 있다.

10:1보다 낮은 부하:모터 관성비를 요구하는 성능 측면(대략적인 데이터 제공)
 

• 짧은 가속 시간(< 100mS)

• 빠른 정착 시간(< 25 ms)

• 매우 역동적인 작동(빠르고 빈번한 이동 프로필)

• 높은 선형 포지셔닝 정확도(< 1/32’)

• 저속 리플(< 0.5%)

• 낮은 토크 리플(< 3%)

• 하중이 이상적인 경로로 이동하는 정도(표면 가공 응용 분야에 중요)

모션 제어 애플리케이션을 위한 서보 모터 및 서보 드라이브 시스템의 크기를 결정할 때 고려해야 할 많은 항목이 있다.

모터와 부하 사이에 통합될 수 있는 기계 시스템을 고려한 부하 이동 듀티 사이클의 관점에서 체계적인 접근 방식이 가장잘 활용된다.

자료제공: SIEMENS(www.siemens.com)