스텝 모터와 서보 모터의 작동 원리와 구성 요소 ②
모션 애플리케이션을 시작할 때 설계 기준에 따라서 모터를 선택 하고 있는지, 습관에 따라서 모터를 선택하고 있는지 분명히 짚고 넘어가는 것이 좋다. 항상 사용하는 서보이기 때문에 서보 모터를 선택하는지, 간단한 애플리케이션에만 스텝 모터를 선택하는지를 이해하는 것은 애플리케이션에 가장 적합한 모터를 찾는데 도움이 되기 때문이다.
먼저 모터를 선택할 때 자문해 봐야 할 것은 △ 어떤 부하를 이동해야 하나? △ 어떤 속도로 실행해야 하나? △ 이동하는 동안 부하가 달라지나? △ 홀딩 토크나 토크 제한과 같은 특별한 기능이 필요한가? △ 내 예산은 얼마인가? △ 내 애플리케이션에 가장 적합한 모터는 무엇인가? 등이다.
1. 이동해야 하는 하중은 얼마인가? (토크)
애플리케이션에 사용할 모터를 선택할 때는 모터가 얼마나 많은 토크를 공급할 수 있는지 알아야 한다. 이를 위해 모터 토크 곡선을 사용한다. 다음은 일반적인 서보 모터 토크곡선이다.
2. 어떤 속도로 실행해야 하나? (토크 + 속도)
흔히 서보 모터가 동등한 크기의 스텝 모터보다 성능이 뛰어나다 고 생각하는 경우가 많다. 하지만 그렇지 않은 경우가 많다. 아래 그림은 서보 토크 곡선과 비교한 동일한 크기의 스테퍼 모터 토크 곡선이다. 고속에서는 스테퍼 모터 토크가 0에 가까워지는 반면 서보 모터는 전체 속도 범위에서 일정한 토크를 제공한다.
3. 이동하는 동안 부하가 달라지나?
서보 모터는 부하 변화와 높은 모터 가속도를 극복하기 위해 짧은 순간에 최대 토크를 제공할 수 있는 추가 기능이 있다.
4. 특수 기능, 홀딩 토크
스텝 모터는 권선에 전원이 공급되는 동안 정지 상태에서 최대 토크를 제공할 수 있으며, 로터가 회전하지 않을 때 외부 힘에 대항 하여 부하를 유지하여 토크를 유지할 수 있다. 이 기능은 스텝 모터는 하중을 제자리에 고정해야 하는 경우에 좋은 선택이다.
5. 특수 기능, 토크 제한
서보 모터는 모터에 공급되는 전류를 정밀하게 모니터링하여 모터 토크를 제어하고 특정 토크 값을 초과할 수 없도록 제한하는 토크 리미팅을 통해 모터의 토크를 제어할 수 있다. 서보 모터는 토크 제어의 장점으로 누르기, 당기기, 비틀기 동작을 위한 정밀한 힘 제어가 필요한 많은 애플리케이션을 수행할 수 있다.
6. 예산, 스텝 모터 비용
스텝 모터는 일반적으로 피드백이 필요하지 않고, 저렴한 자석을 사용하며, 기어박스를 거의 통합하지 않는 다. 높은 극 수와 유지 토크를 생성하는 능력이 뛰어나며, 제로 속도에서 전력 소비가 적다. 따라서 스텝 모터는 일반적으로 동급의 서보 모터보다 저렴하다.
7. 예산, 서보 모터 비용
서보 모터는 피드백이 필요하고, 더 비싼 자석을 사용하며, 기어박스를 통합하는 경우가 많다. 또한 제로 속도에서 더 많은 전력을 소비한다. 따라서 서보 모터는 일반적으로 동급의 스텝 모터보다 더 비싸다.
8. 나의 애플리케이션에 가장 적합한 모터는?
스텝과 서보를 비교할 때 모터를 제어하는 방식은 상당히 다르다. 스텝은 개방형 루프 시스템인 반면, 서보는 폐쇄형 루프 시스템이 다. 애플리케이션 요구 사항을 검토하여 한 제어 방법이 다른 제어 방법과 차별화되는 기능을 제공하는지 살펴보는 것이 좋다.
애플리케이션 요구 사항을 염두에 둘 때 고려해야 할 몇 가지 매개 변수가 있으며, 아래 표는 설계자가 보다 적절한 기술을 찾는 데 도움이 되는 좋은 출발점을 제공한다.
스텝 솔루션을 선택해야 할 때
∨ 높은 토크, 낮은 속도
∨ 짧고 빠른 반복 동작
∨ 간단한 제어가 필요한 경우
∨ 낮은 속도, 높은 정확도
스텝 모터의 장점
∨ 견고한 구조
∨ 높은 신뢰성으로 유지보수가 필요 없음
∨ 시스템 튜닝이 필요하지 않음
∨ 낮은 시스템 비용
서보 솔루션을 선택해야 할 때
∨ 고속이 필요하다
∨ 동적 모션 프로파일
∨ 가해지는 힘을 제어
서보의 장점
∨ 토크 제어
∨ 복잡한 모션 명령 실행 가능
∨ 부하 변화에 따라 조정 가능
∨ 전력 소비 감소
사례 연구
• 미술용품 제조업체, 페인트 충전 라인의 재설계
한 글로벌 미술 용품 제조업체는 페인트 충전 라인을 재설계해야 했다. 기존의 공압 솔루션은 일관되지 않은 충진으로 인해 제품 낭비와 수익 손실이 발생했다. 이에 보다 정밀한 모션 제어 솔루 션이 필요했다. 애플리케이션 요구 사항 중 하나는 손쉬운 PLC 통합이었다.
설계팀은 이미 선형 액추에이터를 선택했기 때문에 제안된 솔루션은 기존 스텝 모터와 함께 작동해야 했다. 주유소에는 6가지 색상이 있었다. 다축 제어는 필수였다.
궁극적인 목표는 가동 중단 시간을 줄이고, 설정을 간소화하며, 부적절한 병 충전을 없애는 것이었고, 이 모든 것을 합리적인 가격으로 해결하는 것이었다. 이 애플리케이션에 가장 적합한 솔루션은 AMCI ANG1E DC 구동 통합 드라이브 컨트롤러였다.
ANG1E 솔루션은 반복 가능한 정밀한 모션 제어를 제공하여 공장에서 페인트가 낭비되는 일을 없앴다. 제품의 이더넷 인터페이스는 PLC에서 여러 제어 모듈의 필요성을 대체했다. 또한 통합 설계로 설치 및 배선 시간이 절반 으로 단축되었다. 또한 PLC 소프트웨어를 사용하여 프로그래밍 하므로 설정 및 전환이 쉽고 편리하다.
• 제과업체, PLC 기반의 최신 자동화 시스템
한 제과 제조업체는 플로우 래퍼를 기계식 시스템에서 PLC 기반 제어 기능을 갖춘 최신 자동화 시스템으로 업데이트해야 했다. 라인 속도와 제품 크기가 다양하기 때문에 필름과 실러 사이의 타이밍이 매우 중요했다.
설계의 요구 사항은 PLC 통합, 두 축 간의 조정 동작, 높은 생산성, 낮은 모터 속도에서 높은 토크 요구 사항이었다. 이 애플리케이션의 솔루션은 AC 인코더가 장착된 사이즈 34 모터의 전원 통합 드라이브 컨트롤러였다.
6.3AMP AC 구동 스테퍼 드라이브는 애플리케이션에 필요한 전력과 제어 기능을 제공했다. 드라이버와 모터의 조합은 고속 및 토크 요구 사항을 충족하고 두 축 간의 모션 조정을 간소화했다.
SD1760E2의 프로그 래밍 가능한 입력을 통해 두 번째 축이 마스터 축의 인코더 신호와 SD1760E2의 표준 전자 기어링 기능을 활용하여 첫 번째 축을 따르도록 했다. PLC 통합을 통해 시스템은 필요에 따라 라인 속도와 기어링을 조정할 수 있었다.
자료제공: AMCI(www.amci.com)
