DC 서보모터란
DC 서보 모터는 직류 전류로 동작하는 서보 모터입니다.
서보모터는 제어 신호에 대해 정확한 동작을 재현하는 모터로 정밀기기 등에 사용되며, DC 서보모터는 모터의 회전수나 위치를 감지하여 제어하기 때문에 인코더나 리졸버 등 속도와 위치를 감지하는 센서와 모터가 일체형으로 되어 있는 제품이 일반적입니다.
DC 모터를 회전시키기 위해서는 브러쉬라는 부품으로 모터에 공급하는 전류를 회전축에 흘려보내야 하기 때문에 브러쉬의 마모로 인한 소모가 있어 정기적인 유지보수가 필요합니다.
DC 서보 모터의 사용 용도
그림 1. DC 서보 모터의 사용 용도
DC 서보모터는 정밀한 제어가 필요한 산업용 로봇 등에 많이 사용되고 있습니다. 산업용 로봇의 로봇 컨트롤러에서 나오는 신호를 범용 모터에 비해 빠른 응답으로 회전수나 토크를 출력하여 로봇 팔 등을 정밀하게 동작시키기 위한 액추에이터 역할을 합니다.
이외에도 무선조종 자동차의 조향각 구동, 공작기계의 XYZ축 구동, 정밀기기의 위치결정 구동 등에 활용되고 있으며, DC 서보 모터의 선정은 사용하고자 하는 장비가 요구하는 수준의 출력 및 토크 용량과 정밀도, 응답속도 등에 따라 적절히 선정하는 것이 중요합니다.
DC 서보 모터의 원리
그림 3. DC 서보 모터의 원리
DC 서보모터는 ‘모터’, ‘인코더’, ‘제어장치’로 구성되며, 영구자석과 2개 이상으로 나뉜 철심(로터)과 각각의 철심에 감겨져 있는 코일, 코일에 전류를 전달하는 전극 및 브러시로 구성되어 있습니다.
DC 서보 모터의 동작 원리를 모터와 기타 기능으로 나누어 설명합니다.
1. 모터
모터는 코일에 흐르는 전류와 영구 자석의 자기장 두 가지에서 발생하는 로렌츠 힘에 의해 철심을 회전시킴으로써 모터를 회전시킵니다. 여기서 코일에 전류를 흘릴 때 외부에서 직류 전류를 브러시를 통해 철심에 흐르게 하여 코일에 전달합니다. 코일에 직접 전류를 흘려주기 때문에 로렌츠력을 빠르게 제어할 수 있고, 반응 속도가 빠른 것이 특징입니다.
2. 기타 기능
DC 서보 모터는 외부 컨트롤러에서 전송되는 지령 신호에 의해 지령된 목표값이 되도록 모터를 회전시킵니다. 모터에 부착된 엔코더에서 속도와 위치 정보가 제어장치로 전송되고, 제어장치는 컨트롤러에서 전송된 지령에 대해 엔코더의 위치, 속도 정보를 바탕으로 피드백 제어를 실시하여 모터의 회전 속도와 회전 위치가 목표값에 근접하도록 제어합니다.
DC 서보모터 제어
그림 3. DC 서보 모터의 제어
DC 서보모터는 다음과 같은 3가지 제어가 가능합니다.
1. 위치 제어
DC 서보모터에는 엔코더라는 회전각과 위치를 감지하는 센서가 부착되어 있으며, 회전 속도와 위치를 감지하여 제어장치로 피드백합니다. 그리고 지령 위치에 대한 위치 편차를 감지하면 편차량에 대한 게인을 적용하여 위치 보정 지령을 내리고 원하는 위치로 이동시켜 모터를 정지시키는 정밀한 제어가 가능해집니다.
2. 속도 제어
DC 모터의 속도 제어는 모터에 가해지는 전압을 변화시키는 것이 가장 간단하며, 프라모델 등에 사용되는 작은 DC 모터를 속도 제어하기 위해서는 가변저항기(볼륨)를 연결하여 모터에 가해지는 전압을 제어함으로써 원하는 속도로 조정할 수 있습니다.
DC 서보 모터에서는 가변 저항 대신 서보 앰프에 내장된 IGBT나 FET 등의 전력 반도체로 구성된 H 브리지를 통해 모터에 가해지는 전압을 제어합니다.
한편, AC 모터의 속도 제어는 모터에 인가하는 전압뿐만 아니라 구동 주파수를 변경해야 하지만, DC 모터는 전압만 변경하면 되므로 속도 제어용 소형 모터에서는 DC 모터가 널리 사용되고 있습니다.
3. 토크 제어
DC 서보 모터의 토크 제어는 전류와 토크가 비례 관계에 있기 때문에 전류 센서나 전류 션트 저항의 전압값에서 전류를 검출하여 전류 지령을 피드백하여 토크를 일정하게 유지하도록 전류를 제어합니다.
DC 서보모터의 기타 정보
서보 모터의 종류
서보모터는 열악한 환경에서도 반복적으로 동작하기 위해 일반 모터보다 내구성이 뛰어난 구조로 되어 있는 서보모터는 크게 DC 서보모터와 AC 서보모터의 두 가지로 나눌 수 있습니다.
1. DC 서보모터
DC 서보 모터는 직류 전원으로 구동하는 서보 모터로, DC 모터의 특징으로는 AC 모터에 비해 회전 제어가 간단하고 효율이 좋으며, 기계 구조가 간단하고 가격이 저렴하여 다양한 용도에 사용되고 있습니다. 하지만 DC 서보모터에는 ‘브러시’라는 기계식 마모 부품이 있어 정기적인 교체 및 유지보수가 필요하다는 단점이 있습니다.
2. AC 서보모터
AC 서보모터는 교류전원으로 구동하는 서보모터로, DC모터에 비해 제어가 복잡하지만 제어기술의 발전과 함께 로봇의 소형화, 경량화가 진행되는 등 실용성이 높아 대부분의 산업분야의 기기류에 활용되고 있습니다.
AC 모터의 종류로는 영구자석을 사용하는 동기형(SM) 모터와 영구자석을 사용하지 않는 유도형(IM) 모터가 있는데, 현재는 동기형 모터가 주로 사용되고 있습니다.