Part 2: How to choose the Ideal Servo Drive for your Machine?

작동 모드

서보 모터는 폐쇄 루프 피드백으로 작동합니다. 서보 축은 애플리케이션에 따라 토크, 속도, 위치 또는 이들의 일부 조합을 중심으로 제어 루프를 닫을 수 있습니다. 구동 모드와 축 작동 모드는 애플리케이션에 필요한 동작에 따라 결정됩니다.

토크 모드부터 시작하겠습니다. 토크는 모터의 전류에 비례합니다. 드라이브는 컨트롤러 신호를 증폭하여 모터를 돌리고 필요한 토크를 생성하는 데 필요한 전류를 모터에 공급합니다. 토크 모드는 캡핑 축과 펀치 프레스에 이상적입니다. 모터 권선 내 유도 감지에 의해 토크 루프가 닫힙니다. 아날로그 및 디지털 드라이브는 토크 모드에서 작동할 수 있습니다.

스핀들 및 AGV와 같은 어플리케이션에 정확한 속도 제어를 제공하려면 모터 샤프트 및/또는 부하에 인코더, 리졸버 또는 홀 효과 센서가 필요합니다. 디지털 드라이브는 이 데이터를 처리하여 속도 루프를 닫을 수 있습니다. 아날로그 드라이브도 동일한 기능을 수행할 수 있습니다. 아날로그 드라이브에는 마이크로프로세서가 없기 때문에 타치 제너레이터와 같은 아날로그 피드백이 필요합니다.

세 번째 작동 모드는 위치 모드로, 포인트 투 포인트 이동과 고도로 동기화된 포지셔닝을 포함합니다. 위치 모드에도 피드백이 필요합니다. 모션 컨트롤러는 위치 루프를 닫습니다. 애플리케이션에 따라 디지털 드라이브가 위치 루프를 닫는 데 더 적합할 수 있습니다. 아날로그 드라이브는 위치 루프를 닫을 수 없으므로 컨트롤러가 필요합니다.

중앙 집중식 제어와 분산 제어

다음으로, 주행 결정은 기계의 전체 제어 아키텍처에 의해 결정됩니다. 설계는 수십 년 동안 이 아키텍처를 따랐습니다: PLC는 기계 로직과 I/O를 처리하고 전용 모션 컨트롤러는 모션 궤적을 계산했습니다. 최신 제어 아키텍처는 더욱 유연해졌습니다. PC가 모션 컨트롤러의 역할을 수행할 수 있습니다. 다축 모션은 일부 PLC로 처리할 수 있지만, 고도로 조정된 모션에는 여전히 모션 컨트롤러가 필요합니다.

일반적으로 컨트롤러 및 드라이브와 같은 민감한 전자 부품은 각 모터에 케이블을 연결하여 온도 조절 캐비닛에 통합해야 합니다. 중앙 집중식 아키텍처는 케이블 연결이 가장 일반적인 장애 지점이며 연결에 시간이 걸리고 오류가 발생하기 때문에 안정성이 떨어지고 유지보수가 증가합니다. 이는 더 많은 배선과 더 높은 비용으로 이어집니다. 디지털 드라이브가 대안을 제시합니다.

일부 디지털 드라이브는 모션 컨트롤러 없이도 자체적으로 경로 계획을 수행할 수 있는 충분한 계산 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 드라이브는 토크, 속도 및 위치에 대한 루프를 닫을 수 있습니다. 분산 제어의 아키텍처는 사용되는 통신 버스에 따라 부분적으로 다르지만 마스터-슬레이브 및 데이지 체인(링) 토폴로지를 포함합니다.

모터 요구 사항

자동화에 일반적으로 사용되는 전기 모터에는 동기식 회전 모터, 선형 모터(AC 및 DC), 스테퍼 모터, 보이스 코일 모터 및 AC 유도 모터가 있습니다. 가변 주파수 드라이브(VFD)를 AC 유도 모터와 함께 사용하여 motion control 제공할 수 있지만, 이 블로그에서는 다루지 않습니다. 여기서는 동기 모터와 스테퍼 모터에 사용되는 드라이브에 초점을 맞출 것입니다.

DC 모터는 영구 자석 브러시 DC(PMDC) 모터 또는 브러시리스 DC(BLDC) 모터로 분류할 수 있습니다. 브러시 모터는 기계식 접점을 사용하여 모터와 통신합니다. 단상 모터로 작동하며 지정된 전압을 공급하는 데 단 두 개의 전선만 필요합니다.

BLDC 서보 모터는 일반적으로 3상 모터입니다. 이 모터에는 4개의 전선(위상당 1개와 접지)이 필요합니다. 모터가 필요한 방향으로 회전하면 드라이브가 올바른 순서로 권선에 전원을 공급합니다.

모든 아날로그 서보 드라이브가 BLDC 모터를 구동할 수 있는 것은 아니므로 시스템에 BLDC 모터가 포함되어 있는 경우 해당 기능이 있는 드라이브를 선택해야 합니다. 디지털 드라이브는 훨씬 더 많은 유연성을 제공하며, 일반적으로 브러시 DC 서보 모터, BLDC 서보 모터, 심지어 AC 동기 서보 모터도 구동할 수 있습니다. 후자의 경우 드라이브는 PWM을 사용하여 AC 입력을 DC 출력으로 변환합니다. 다시 말하지만, 이는 특수한 기능이므로 선택한 드라이브에 이 기능이 있는지 확인하세요.

스테퍼 모터는 서보 모터와 구동 요구 사항이 다릅니다. 스테퍼 모터는 여러 가지 설계로 제공되지만 시중에 나와 있는 가장 일반적인 장치는 2상 모터입니다. 2상 스테퍼 모터를 작동하려면 드라이브에 네 세트의 전원 FET가 있어야 합니다. 이들은 4개의 전선(A+ 및 A-, B+, B-)과 접지로 연결됩니다. 따라서 기존 서보 드라이브에서는 스테퍼 모터를 구동할 수 없습니다.

각 모터 유형별로 전용 드라이브가 존재하지만, 여러 유형의 모터에 전원을 공급하기 위해 함께 사용할 수 있는 하이브리드 드라이브도 있습니다. 하이브리드 드라이브의 경우 소프트웨어를 통해 드라이브를 올바르게 배선하고 구성하기만 하면 됩니다.

 

전원

모터에 전원을 공급하는 것은 드라이브의 기본 기능입니다. 부하를 정확하게 배치하려면 드라이브가 모터가 토크와 속도를 생성할 수 있도록 필요한 전압과 전류를 공급해야 합니다. 드라이브를 지정하려면 모터 파라미터와 애플리케이션 요구 사항뿐만 아니라 드라이브 자체의 전원도 고려해야 합니다. 시스템 성능, 신뢰성 및 비용을 최적화하려면 미묘한 접근 방식이 필요합니다.

 

출력 전력 지정

OEM이 흔히 저지르는 실수는 애플리케이션에 맞는 모터의 크기를 정한 다음 최고 속도로 모터를 구동할 수 있는 드라이브를 구입하는 것입니다. 이러한 접근 방식은 시스템 성능을 최적화하지 못할 뿐만 아니라 오류 및 조기 고장의 원인이 될 수 있습니다. 매우 단순한 시스템의 경우 최대 토크 또는 최고 속도로 모터를 구동하는 것으로 충분할 수 있지만, 다시 한 번 큰 그림을 보는 것이 중요합니다.

드라이브에는 최대 전류 사양이 있지만 대부분의 드라이브는 짧은 시간 동안 피크 전류를 초과할 수 있습니다. 이를 통해 모터-드라이브 조합이 과토크 또는 과전류 모드라고도 하는 높은 토크의 버스트를 생성할 수 있습니다. 축이 주로 낮은 토크로 작동하지만 가끔 높은 토크가 필요한 경우, 더 작고 저렴한 드라이브를 구입하여 과전류 모드에서 사용하여 토크 스파이크를 제공할 수 있습니다. 하지만 이 기술은 신중하게 적용해야 합니다. 대부분의 드라이브는 소손 없이 제한된 시간 동안만 피크 전류를 공급할 수 있습니다. 예를 들어 모터의 피크 토크에 드라이브에서 10A가 필요한 경우, 모터를 피크 값의 3~4배로 작동하려면 드라이브에서 30A 또는 40A가 필요합니다. 이는 급할 때 문제가 될 수 있습니다. 초과 토크의 지속 시간과 빈도를 결정하고 공급업체와 상의하여 해당 기능을 활용할 수 있는지 또는 드라이브의 크기를 늘려야 하는지 여부를 결정하세요.

드라이브에 전원 입력

원하는 시스템 성능을 달성하려면 드라이브에 적절한 입력 전원을 공급해야 합니다. 기계에 여러 개의 전원 레일이 있습니까, 아니면 나머지 기계 또는 시설에 대한 하드웨어 결정으로 인해 레벨이 고정되어 있습니까?

배터리로 구동되는 시스템은 특별한 주의가 필요합니다. 성능과 충전당 작동 시간 극대화가 핵심 고려 사항입니다. 결국, 무인 운반차(AGV)와 같은 휴대용 시스템은 대부분의 시간을 충전 베이에서 보낸다면 그다지 유용하지 않습니다. 마지막 밀리암페어, 마지막 밀리볼트 입력까지 절약하는 데 집중하세요. 고효율 드라이브를 선택하고 가능한 경우 오버토크 기술을 적용하여 드라이브 크기를 최소화함으로써 전력을 절약하세요. 시동 및 정지 또는 후진을 포함하는 애플리케이션의 경우 회생 드라이브를 고려하세요.

감속 시 모터는 과도한 전력을 생성합니다. 이 초과 전력을 제거해야 합니다. 저항을 통해 열로 방출할 수 있습니다. 전력을 수확하여 배터리로 다시 순환시키려면 회생 드라이브를 사용하세요. 휴대용 제품의 경우 회생 드라이브는 주요 경쟁 우위를 제공합니다.

전력 밀도와 마찬가지로 드라이브가 작고 가벼울수록 휴대용 시스템 전체가 작고 가벼워져 동력 차량의 사이클 시간도 크게 늘어날 수 있습니다.

시스템에 여러 모션 축이 통합된 경우 배터리로 모든 드라이브에 전원을 공급할 수 있습니다. 이렇게 하면 드라이브 크기와 배터리 전압 간에 절충점을 찾을 수 있습니다.

배터리의 출력 특성은 수명 주기에 따라 변하며, 24볼트 배터리는 18V 또는 12V로 성능이 저하되어 드라이브 고장을 일으킬 수 있습니다. 모든 드라이브에는 최소 작동 전압이 있습니다. 배터리 전압이 이 임계값 아래로 떨어지면 드라이브가 작동을 멈춥니다. 다양한 조건에서 유연성, 효과적인 작동 및 호환성을 보장하려면 작동 전압 범위가 더 넓은 드라이브를 선택하십시오. 시스템이 24V 배터리로 1000RPM으로 작동하도록 설계된 경우, 배터리 전압이 18V로 떨어지면 해당 속도에 도달할 수 없지만 컨트롤러가 더 낮은 속도를 수용하도록 구성되었다면 여전히 작동할 수 있습니다(가정).