모션 제어 설계 프로세스의 간소화를 위한 차세대 통합 모터 시스템
오늘날 엔지니어는 더욱 견고하고, 더 작고, 저렴하며, 더 신뢰할 수 있는 기계를 만드는 과제에 직면해 있다. 모션 제어 설계 과제를 해결하는 한 가지 방법은 통합 모션 제어 시스템을 사용하는 것이다.
이러한 솔루션은 모터와 드라이브를 모션 컨트롤러/인텔리전스 온보드 및 I/O와 같은 다른 시스템 구성 요소와 함께 하나의 장치에 결합하여 필요한 부품 수를 줄인다. 통합 솔루션을 사용하면 설계자는 기계를 개발하는데 필요한 시간과 다양한 시스템 구성 요소 간의 호환성 문제를 해결하는데 필요한 시간을 절약할 수 있다.
통합 모터의 세계 시장
통합 모터는 모터와 드라이브가 다른 시스템 구성 요소와 함께 단일 하우징 내에 있는 것을 말한다. 별도의 인클로저에 있지만 서로에 장착된 드라이브와 모터도 동일한 인클로저에 있지 않더라도 통합 모터로 간주된다. 통합 모터는 1990년대 중반에 AC 유도 모터와 함께 처음 도입됐다. 오늘날 기계 설계자는 다양한 통합 모터 제품 중에서 선택할 수 있으며, 여기에는 애플리케이션에 가장 적합한 모터 기술을 선택하는 것이 포함된다.
• AC 무브러시 서보
• DC 스테퍼
• DC 무브러시
• AC 유도
어떤 산업에서 통합 모터가 가장 많이 사용되나?
통합 모터 시장을 수익으로 측정할 때, 글로벌 시장 조사 기업 IHS Markit에 따르면 AC 유도 모터는 총 수익의 35.2%를 차지한다. AC 무브러시 모터는 통합 모터 분야에서 32.1%를 차지하며, DC 무브러시 모터 는 18.9%, DC 스테퍼 모터는 13.7%를 차지한다. IHS Markit은 2017년 통합 모터의 전 세계 시장이 6억4800만 달러였으며, 그 해에 약 170만 대의 통합 모터가 출하되었다고 추정했다. 이는 2012년의 3억9200만 달러, 2002년의 1 억1000만 달러에서 상당히 증가한 것이다.
모터에 전자 장치를 통합하는 솔루션
기계 크기: 기존 기계 설계에 통합 모터를 넣으려면 충분한 공간이 있어야 한다. 드라이브와 기타 시스템 구성 요소가 모터에 장착되기 때문에 모터를 사용하는 곳에 더 많은 공간이 필요하다. 그 공간을 사용할 수 없다면 기존 기계를 통합 모터를 수용하도록 재설계하는 것이 비용 효율적이지 않을 수 있다.
비용: 통합 모터는 기존 구성품에 비해 확실히 비용 절감 효과가 있다. 케이블 비용은 통합 모터를 사용하면 없어지는 비용이다. 드라이브가 중앙 캐비 닛에 있고 모터가 긴 포장 기계나 긴 운반 기계에서 멀리 떨어져 있는 경우 케이블에 상당한 비용이 든다. 이는 특히 전원 케이블과 피드백 장치를 드라 이브로 다시 연결하는 케이블이 있는 서보 모터의 경우 더욱 그렇다. 드라이 브를 모터에 직접 장착하면 케이블이 없어져 비용 절감에 도움이 된다. 이더넷 및 CAN과 같은 네트워킹을 통한 분산 제어도 상당한 비용 절감 효과를 가져올 수 있다.
신뢰성: 신뢰성은 과거에 통합 모터, 특히 열 발산과 관련하여 우려 사항이었 다. 그러나 기술이 더욱 발전하고 수용됨에 따라 사용자는 모터가 신뢰할 수있고 일반 모터 및 구동 시스템보다 고장 비율이 낮다는 것을 알게 됐다. 또한 시스템의 구성 요소 수와 와이어 연결 수를 줄임으로써 기계의 전반적인 신뢰성이 향상된다.
모듈식 시스템: 산업 자동화에서 증가하는 추세는 모듈식 기계 구축이다. 이는 기본적으로 각각 단일 작업을 담당하는 작은 하위 시스템을 결합하여 여러 기능을 담당하는 대형 기계를 개발하는 것을 의미한다.
예를 들어, 식품및 음료 산업에서 사용되는 포장 기계는 기계에 포장재를 공급하고, 파우치를 채우고 형성하고, 파우치를 밀봉하고 자르고, 제품을 시스템의 다른 기계로 보낼 수 있다. 모듈식 설계를 사용하면 이러한 작업을 각각 수행 하고 해당 작업만을 담당하는 개별 하위 섹션 기계를 만들 수 있으며, 이는 나머지 시스 템과 독립적으로 작동한다.
이는 몇 가지 이유에서 유익하다. 설계자는 모듈식 섹션 하나만 쉽게 변경할 수 있으므로 맞춤형 기계를 제공하는 저렴한 방 법이다. 포장 기계의 예에서 설계자가 다양한 포장재를 수용하고자 한다고 가정해 보겠다. 이제 기계는 많은 추가 비용 없이 이를 제공할 수 있다. 또한 이 모듈식 구축 개념은 제품의 운송 및 배송을 더 쉽게 만든 다. 독립된 모듈을 공장 현장으로 운송하여 쉽게 조립할 수 있다. 드라이브와 모터를 중앙 캐비닛에 두는 대신 기계에 직접 배치하면 이러한 모듈식 기계를 더 쉽게 설정할 수 있다. 통합 모터는 이를 실현하는 한 가지 방법이다.
분산 제어: 모터 작동 및 동기화는 모터와 PLC 또는 PAC와 같은 마스터 제어 시스템 간에 전송되는 디지털 데이터 신호를 통해 수행된다. PLC 또는 PAC는 특정 기능을 실행하라는 명령을 보내고, 모터의 컨트롤 러가 해당 명령을 수행한다. 이 분산 제어 시스템은 모든 작업을 실행하는 단일 중앙 제어 지점에서 얻는 것보다 더 빠른 응답과 더 큰 정확도를 제공한다.
IMS의 엔지니어 관리자인 Clark Hummel은 “중앙 제어 시스 템에서 축을 홈으로 이동하려면 센서를 보고 센서에서 롤오프한 다음 거기에서 위치 참조를 설정하도록 이동 해야 한다. 분산 제어를 사용하면 모든 단계를 거치는 대신 축에 홈으로 이동하라고만 말하면 된다. 내장된 지능 덕분에 올바른 위치로 이동한다”고 설명했다.
전자기 호환성: 통합 모터 솔루션은 이미 전자기 간섭 문제가 해결된 상태로 설계됐다. 그리고, 케이블이 줄어들어 전기적 노이즈가 최소화된다.
최첨단 응용 프로그램
모터와 드라이브의 무게와 크기가 감소함에 따라 통합 모터의 이점을 누릴 수 있는 분야는 수년 전에는 없었던 새로운 애플리케이션이다. 통합 모터에 대한 성장 시장의 한 예는 AGV(자동 가이드 차량)이다. 이는 오랫 동안 제약, 자동차 및 화학 산업에서 재료를 운반하는데 사용되어 왔으며 현재는 병원과 유통 센터에서 사용 된다. 이동하는 소형 기계가 있는 경우 통합 모터는 컴팩트하고 케이블이 없기 때문에 좋은 솔루션이다.
의료 시장은 DNA 분석기와 같은 애플리케이션에서 DC 무브러시및 DC 스테퍼 통합 모터에 대한 수요가 증가하고 있다. 범죄 수사, 친자 확인 검사, 질병에 대한 유전학을 검사하려는 사람 등에서 이러한 제품에 대한 수요 가 있다. 모터화된 보철물과 인공 심장은 지난 10년 동안 상당히 발전한 기술이다. 이러한 기술에는 사용하기 쉬운 작고 컴팩트한 모터가 필요하며 통합 모터가 제공할 수 있는 것이 바로 그것이다.
스테퍼 및 서보 모터
지난 20년 동안 통합 모터는 산업 시장에서 지배적인 모터가 되었으며, 시장의 65.6%가 통합 모터이다. 나머지 시장은 기계에 장착된 드라이브이다. 스테퍼 모터는 특정 응용 분야에 유리하다. 서보 모터에 비해 저렴하고 작동이 덜 복잡한 제품이다. 시작 또는 저속에서 높은 토크를 얻을 수 있지만 모터 속도가 증가함에 따라 사용 가능한 토크가 급격히 감소한다. 이는 스테퍼 모터의 한계 중 하나이다. 응용 분야에 고속이 필요한 경우 서보가 가장 좋은 옵션일 수 있다.
스테퍼 모터의 다른 과제는 진동이 더 높고 에너지 효율이 낮으며 미끄러짐이 발생할 수 있다는 것이다. 토크가 모터 속도-토크 정격을 초과하면 정확도가 떨어지고 더 이상 있어야 할 위치에 있지 않다.
이 세 가지 과제를 해결하기 위해 공급업체는 폐쇄 루프 시스 템에서 스테퍼를 실행할 수 있다. 그들은 스테퍼에 피드백 장치를 장착하고 실제로 샤프트의 위치를 모니터링하고 해당 제품의 단점 중 일부를 제거한다. 하지만 피드백 장치가 추가되었기 때문에 스테퍼와 서보 모터의 비용 차이가 더 작을 수 있다.
모터 기술의 정의 및 차이점
리니어 모터: 리니어 모터는 회전자와 고정자를 사용하여 평평하게 놓아 자기 트랙에 포서(회전자)가 있도록 한다. 모터가 전기적으로 여기되면 길이를 따라 리니어적인 힘을 생성한다. 리니어 모터는 부하에 직접 결합할 수 있으며, 마모될 접촉 부품이 없으므로 고속, 고정밀, 빠른 응답, 강성, 백래시 없음, 낮은 유지 보수를 제공한다.
그러나 리니어 모터를 사용하는 가장 큰 단점은 비교적 높은 비용, 더 높은 대역폭의 드라이브 및 제어, 패키지당 힘크기이다. 리니어 모터는 기계 부품이 필요하지 않고 높은 가속 도와 높은 정확도가 필요한 애플리케이션에 적합하다. 이러한 이유로 리니어 모터의 추가 비용을 정당화할 수 있다.
로터리 모터: 로터리 모터는 원형인 회전자와 고정자를 가지고 있으며 전기 적으로 여기되면 회전 운동을 생성한다. 로터리 모터를 사용하고 볼스크류, 리드스크류, 벨트 드라이브, 랙 앤 피니언과 같은 기계 부품을 사용하여 동작을 리니어로 변환할 수 있다. 이러한 추가 구성 요소의 단점은 시스템에 관성, 마찰, 컴플라이언스및 백래시를 도입한다는 것이다.
로터리 모터를 사용하여 리니어 모션이 필요한 애플리케이션과 진정한 리니어 모터 가 필요한 애플리케이션에는 차이가 있다. 로터리 모터를 사용하여 리니어 모션이 필요한 애플리케이션의 경우 기계 설계자는 종종 스테퍼 모터 또는 서보 모터를 선택한다.
스테퍼 모터: 스테퍼 모터는 전체 회전을 여러 개의 동일한 단계로 나누는 무브러시 DC 전기 모터이다. 모터의 위치는 모터가 애플리케이션에 맞게 신중하게 크기가 조정되는 한 피드백 센서 없이도 이러한 단계 중 하나에서 움직이고 유지되도록 명령할 수 있다.
서보 모터: 서보 모터는 각도 위치, 속도 및 가속도를 정밀하게 제어할 수있는 회전 액추에이터이다. 위치 피드백을 위한 센서에 결합된 모터로 구성된다. 또한 비교적 정교한 컨트롤러, 종종 서보 모터와 함께 사용하도록 특별히 설계된 전용 모듈이 필요하다.
어떤 유형의 모터를 선택하든, 완전한 모션 시스템에는 호환 가능한 독립형 컨트롤러, 드라이브, 인코더, 케이블링을 포함한 추가 구성 요소가 포함되어야 한다. 각 개별 구성 요소를 소싱 하고, 서로 작동하는지 확인하고, 전체 시스템을 조립하고 테스 트하는 데 시간을 들이는 데는 많은 시간과 추측이 필요할 수있다. 설계 프로세스를 단순화하는 방법에는 여러 가지가 있는 데, 그 중 하나는 드라이브와 기타 구성 요소가 내장된 통합 모터이다.
차세대 통합 모터
IMS의 ‘Liberty MDrive’ 제품은 서보와 같은 폐쇄 루프 성능을 갖춘 통합 스테퍼 모터이다. 이 제품의 하이브리드 모션 기술 (hMT)은 스테퍼 모터 기술과 전통적으로 연관된 많은 부정적인 측면을 제거한다. 스테퍼 모터 가 제공하는 이점 중 하나는 저속에 서의 부드러운 모션이다. 스테퍼 모터는 튜닝이 필요 없고, 더 큰관성 불일치를 허용하며, 매우 높은 토크 밀도를 가지고 있다.
이토크는 시동 시 즉시 100% 사용할 수 있으므로 짧고 빠른 움직임을 하거나 고관성 부하에 결합할 때 매우 유리할 수 있다. 스테퍼 모터는 극 수가 많은 동기 모터이기 때문에 코깅 없이 매우 느린 속도에서 부드럽게 작동할 수 있다.
그러나 스테퍼 모터에는 몇 가지 단점이 있다. 가장 중요한 단점은 부하가 모터 용량 내 수준으로 감소하면 큰 부하가 모터의 재동기화 용량을 초과하면 동기화 및 토크가 손실된다는 것이다. 또한, 이 모터는 일정한 전류를 계속해서 끌어당기기 때문에 과열 되는 경향이 있다.
IMS의 엔지니어 관리자인 Clark Hummel은 “스톨링(멈춤)은 항상 스테퍼 모터의 큰 문제였다. 많은 설계자들이 처음에는 스테퍼 모터가 서보 모터보다 훨씬 더 비용 효율적이기 때문에 이를 사용한다. 하지만 사용 중에 모터가 예상했던 위치에 도달하지 못하고, 그 사실을 알지 못하면 문제가 발생할 수 있다”고 설명한다.
이어서 그는 “Liberty MDrive에는 위치를 확인할 수 있는 인코더가 내장되어 있다. 하지만 만약 토크가 너무 커져서 더 이상 동기화되지 않게 되면, 인코더는 필드의 회전을 멈추고 토크를 유지하면서 어디에 있어야 하는지 추적한다. 그래서 만약 어느 시점 에서 느슨해지면, 다시 제자리에 돌아갈 수 있다”고 덧붙였다.
hMT, 스테퍼와 서보 모터의 장점 결합
hMT(하이브리드 모션 기술)는 동기화 손실을 없애주는 폐쇄 루프 기술로, 스테퍼 모터가 최대 토크 곡선에서 안전하게 작동할수 있도록 한다. 따라서 모터를 최대 50%의 토크 여유를 두고 크기를 조정할 필요가 없게 된다.
이는 일부 응용 분야에서 더 작은 프레임 크기나 짧은 스택 길이의 모터를 사용할 수 있게 할 수도 있다. 또한, 시스템이 알려진 과도한 과부하를 통과할 수 있게 하여, 더 큰 모터를 사용할 필요를 없애고 스테퍼 모터가 전통적인 범위를 넘어서는 응용 분야에서도 사용될 수 있도록 한다. Liberty MDrive의 폐쇄 루프 기능은 스테퍼 모터가 가변 토크 제어 하에서 작동할 수 있게 해준다. 설계자는 이를 추진력, 압축, 장력 제어 응용 분야에서 사용할 수 있으며, 이는 일반적으로 스테퍼 기술로는 불가능한 기능들이다.
시간, 노력, 비용 절약
Liberty MDrive의 활용 사례는 많은 절감 효과와 성공을 보여준 다. 예를 들어, 열 변화에 민감한 장비를 사용하는 응용 프로그램 (예: 실험실 장비 및 영상 장비)은 이 솔루션에 적합하다. 일반적인 스테퍼 모터는 사용 중이 아니더라도 2.5A를 지속적으로 소모할 수 있다. 그러나 Liberty MDrive는 변동 전류 제어 기능을 통해 에너지를 절약하고 이동을 실행하는 데 필요한 만큼만 전력을 소모하여 열 발생을 줄인다. 만약 모터가 사용되는 시간 의 10% 동안 2.5A를, 나머지 90% 동안 0.5A만 필요하다면, 열 방출이 줄어들게 된다.
컨베이어 응용 프로그램도 Liberty MDrive가 상당한 전력 소비 비용 절감 효과를 보이는 또 다른 예이다. 컨베이어는 하루 24 시간, 주 7일, 다양한 하중으로 운영될 수 있다. Liberty MDrive 는 모터가 이동을 완료하는 데 필요한 최소 전류만 사용하게 하며, 하중이 요구할 때만 전류를 증가시킨다.
많은 다른 응용 프로그램도 다양한 네트워크 통신 프로토콜을 사용하여 Liberty MDrive 제품의 성공적인 적용을 보고하고 있다. 예를 들어, 한 물질 포장 응용 프로그램은 서보 성능을 활용하여 플라스틱 병에 면을 넣는 작업을 수행한다. 이 기계의 충격 하중 및 저항으로 인해 일반적인 스테퍼 모터에서는 스톨이 발생했 지만, 하이브리드 기술을 사용해 이를 해결했다.
의료용 튜빙을 자르는 작업을 필요로 하는 또 다른 회사는 두 개의 Liberty MDrive 제품을 기계에 사용하고 있다. 회전 모터는 마찰 바퀴를 구동하여 플라스틱 튜빙을 지정된 길이로 이동시키고, 선형 모터는 재료 플랫폼을 마찰 바퀴에 맞춰 위아래로 조정한다.
자료제공: Novanta IMS(www.novantaims.com)
