AC 서보 모터란?
AC 서보 모터(영어: AC servo motor)는 상위 컨트롤러 등의 전기적 명령 신호를 물리적인 동작으로 변환하는 액추에이터의 하나입니다.
예를 들어, 로봇의 팔을 지정된 위치로 이동시키는 동작 등을 예로 들 수 있습니다. 서보 모터의 서보는 충실하게 명령대로 움직인다는 의미가 있으며, AC 서보 모터는 전기적 제어를 통해 정확한 회전 위치, 회전 속도, 회전력을 구현할 수 있습니다.
모터에는 직류 모터, 교류 모터, 펄스 모터 등이 있지만, AC 서보 모터는 교류 모터로 분류되며, 현재 특히 FA(공장자동화) 분야에서 사용되는 위치 및 속도 제어용 모터는 대부분 AC 서보 모터입니다.
AC 서보 모터의 사용 용도
AC 서보모터는 자동화 시스템 내에서 물리적인 작업을 필요로 하는 경우에 사용되며, 특히 높은 정밀도가 요구되는 공산품 생산 현장에서 많이 사용되고 있습니다.
예를 들어, 자동차 제조 공장에서 가동되는 산업용 로봇은 AC 서보모터로 로봇의 팔을 움직여 용접, 도장 등의 작업을 수행합니다. 그 외에도 반도체 및 액정 제조장치, 전자부품 실장, LED 제조 등에서 높은 생산성과 고정밀 위치 결정에 기여하고 있으며, 가까운 곳에서는 철도역의 승강장 출입문이나 의료기기의 가동부에도 활용되고 있습니다.
AC 서보 모터의 원리
그림 1. AC 서보 모터의 구조
모터의 회전 부분인 로터(회전자)에는 영구자석이 부착되어 있고, 그 로터의 중심축인 샤프트에는 회전각, 회전속도를 감지하기 위한 검출기(인코더)가 연결되어 있습니다.
로터 주위에는 스테이터(고정자)라는 전자기 강판을 적층한 철심에 에나멜 전선이 감긴 코일로 구성되어 있으며, 이 전선에 적절한 전류를 흐르게 함으로써 모터를 구동하게 됩니다. 위치 지령, 속도 지령 등의 지령 신호를 보내고, 이 신호에 따라 서보 앰프는 모터에 전력을 공급하여 동작하게 됩니다.
AC 서보 모터의 정확도는 자체에 장착된 검출기가 회전수, 회전각을 감지하여 서보 앰프에 피드백 신호를 보내어 정확성을 확보합니다.
컨트롤러의 신호와 피드백 신호의 비교를 통해 서보 앰프가 모터의 정확한 동작을 지원하는 것입니다. 그림 2는 AC 서보 모터의 제어 구성 예시입니다.
그림 2. AC 서보 모터의 제어
기타 AC 서보모터 관련 정보
1. AC 서보 모터와 스테퍼 모터의 사용 구분
모터는 종류가 다양하고 용도와 조건에 따라 구분이 필요하지만, 산업용으로 많이 사용되는 모터로는 AC 서보 모터와 스테퍼 모터를 꼽을 수 있습니다. 두 모터 모두 고정밀 위치 결정 제어가 가능한 모터이지만, 구조와 동작 원리에 따라 각각의 특징이 있습니다.
스테퍼 모터
스테퍼 모터는 펄스 모터라고도 하며, 펄스 신호에 따라 한 단계씩 움직이는 모터로, 펄스 수에 따라 회전 각도가 결정되기 때문에 정확한 위치 결정이 가능합니다. 회전 속도는 펄스 신호의 속도에 비례합니다.
크기가 작고 높은 토크를 발생시키기 때문에 가속, 응답성이 우수하여 기동과 정지를 자주 반복하는 동작이 필요한 용도에 적합하지만, 다음과 같은 단점이 있습니다.
스텝각은 최소 회전각으로 0.72° 정도 (1/5,000@1회전)입니다.
제어가 오픈 루프이며, 탈조정이 발생하면 원래 위치로 돌아가지 않습니다.
AC 서보 모터
AC 서보 모터는 엔코더라는 회전 속도와 회전 위치를 감지하는 엔코더를 탑재하여 모터의 회전 제어에 피드백함으로써 정확한 위치 결정을 할 수 있습니다. 인코더의 성능에 따라 1/5,000 회전 @ 1 회전 이상의 회전 분해능을 가진 모델도 많습니다.
서보모터는 저속부터 고속까지 안정적인 토크 특성을 가지고 있어 비교적 긴 거리를 고속으로 이동하는 동작이 필요한 용도에 적합합니다.
2. AC 서보 모터의 브레이크
그림 3. AC 서보 모터의 제동 메커니즘
AC 모터를 사용하는 구동장치 등 산업기기의 안전성 확보를 위해 전원 차단 시 또는 고장 발생 시 모터를 긴급 정지시키는 브레이크를 갖는 경우가 있습니다. 브레이크에는 크게 두 가지 종류가 있습니다.
제동용 브레이크
하나는 제동용 브레이크라고 하는데, 큰 부하 관성 에너지를 저항기로 열을 소비하거나 회생 에너지로 서보앰프를 통해 전기에너지로 전원에 환원하여 제동력을 발생시키는 방식입니다. 열을 소비하는 방식을 다이내믹 브레이크, 전기 에너지로 재사용하는 방식을 회생제동이라고 하는데, 둘 다 감속용일 뿐 유지기능은 없습니다.
기계식 브레이크
또 다른 하나는 기계식 브레이크는 수직으로 상하로 구동하는 장치로 정전 등이 발생했을 때 낙하를 방지하는 데 사용됩니다. 낙하 방지를 위해서는 정지 상태에서 장시간 그 상태를 유지해야 하는데, 이를 위해 유지용 브레이크 또는 전자기 브레이크가 사용되며, 위의 그림은 수평 머시닝센터와 같은 공작기계의 Y축(정전 시 자연 낙하하는 축)에 전자기 브레이크가 장착된 AC 서보 모터를 사용하는 예시입니다.
무여자 작동형 전자기 브레이크를 사용하면 전원이 끊어졌을 때 브레이크가 작동하여 정지 상태를 유지합니다.