간단히 말해 서보 모터는 움직임을 만드는 데 사용되는 출력 샤프트를 통합하는 소형 회전 장치이다. 이 장치는 샤프트를 원하는 위치 또는 원하는 연속 속도로 회전시키기 위해 입력 전압을 모터 코일로 변환하고, 변조하는 서보 드라이브에 의해 작동된다. 또 아날로그 전압 레벨, 복잡한 필드버스 네트워크를 통해 전송되는 모터 제어 신호 등을 처리할 수 있다. DC 서보 드라이브는 소형화에 유리하며, 시스템 설계 시 공간 자유도를 높인다. 더 효율적이고, 더 조용한 DC 서보 모터에 대해 알아본다.
Q. DC 서보가 ‘소형 장치’인 이유는?
A. 모터는 입력에 관계없이 전압이 내부에서 DC 버스로 변환된 다음 원하는 운동을 생성하기 위해 모터 권선으로 변조된다. 따라서 DC 입력을 사용한다는 것은 AC/DV 변환 단계를 생략할 수 있음을 의미한다. AC/DC 변환 장치가 필요 없기 때문에 보드 공간을 절약할 수 있으며, 그만큼 드라이브를 더 작게 제작할 수 있다. 설계 시에도 공간 자유도가 높으며, 보드 구성 요소가 줄어들어 비용을 절감하고, 전력을 더 효율적으로 사용할 수 있다.
Q. 소형이라는 의미는 사양에서의 손실이 아닌가?
A. 소형화에 유리하지만 오히려 사양은 더 향상될 수 있다. 무게와 크기가 비슷한 동급의 다른 모터와 비교하면 DC 서보 드라이브가 더 높은 출력량을 제공한다. 이는 적은 공간을 차지하면서 더 높은 전력을 설계할 수 있기 때문이다. 나아가 DC 서보 드라이브를 사용하면 시스템 효율도 향상돼 부하에 따라 90% 가까이 높일 수 있는 경우가 많다.
또 DC 서보는 시스템에 이미 있는 DC 공급장치와 완벽하게 일치하는 최대 토크를 제공하기 위해 엔지니어가 권선을 자유롭게 변경할 수 있다. 따라서 설계 측면에서 DC 서보 시스템 설계가 더 간편하며, 설계의 복잡성을 줄이고, 보다 유연한 장치를 만들 수 있게 한다.
Q. 사용 가능한 토크는 어느 정도인가?
A. 토크에 있어서도 서보 시스템은 매우 높은 토크 대 관성 비율을 제공하여 부하의 신속한 가속을 유도한다. 또한 애플리케이션에서 필요로 할 경우, 짧은 시간 동안 정격 토크의 5~10배까지 제공할 수 있다.
전반적으로 서보 드라이브의 고속 토크는 정격 모터 속도의 최대 90%까지 최대 정격 토크를 유지할 수 있다. 서보에서 기대하는 평평한 속도 토크 곡선을 만드는 것이다.
Q. 고출력 시 냉각은?
A. 서보 드라이브의 모터는 부하에 비례하므로 일반적으로 냉각 상태를 유지한다. 하지만 아주 예외적인 경우를 제외하면, 통상적인 애플리케이션에서 서보가 가장 많은 토크를 발생시키며, 가속과 감속도 많이 이뤄져 많은 열을 발생시킨다. 그렇지만, 엔지니어가 특정 용도에 필요한 움직임 프로파일을 완전히 이해하고 있다면, 정확한 냉각 요건을 효율적으로 계산하여 냉각 시스템을 쉽게 설계할 수 있다.
Q. 정확도와 분해능의 유지 능력은?
A. 정확도와 해상도는 드라이브에서 사용되는 인코더 유형의 기능으로, 증가(incremental)하든 절대적(absolute)이든 상관없이 서보 드라이브의 펄스 작동에 따라 인코더를 쉽게 조정할 수 있으며, 어떤 애플리케이션에도 광범위한 피드백을 제공한다. 물론 앞서의 언급처럼 가능한 인코더의 수는 설계 엔지니어에게 단점이자 장점이 될 수 있다.
Q. DC 서보 시스템의 또다른 이점은?
A. 고속 주행에도 매우 조용하다. 부하에 맞춰 잘 조정되었다면, 원치 않는 진동과 공진이 발생하지 않는다. 따라서 의료 기기, 사무 장비 등 인간 주변에서 사용하는 제품에 이상적이다.
Q. 애플리케이션에서 DC 서보 드라이브가 사용되는 곳은 어디인가?
A. DC 서보 시스템의 이점을 이해한다면, 애플리케이션은 모든 산업 분야에 적용할 수 있다. 예를 들어 DC 서보 시스템은 스마트 조립 라인 컨베이어 벨트, 협업 조립 로봇 및 픽 앤드 플레이스 머신을 제어를 위해 공장에서 널리 사용되고 있다. 또 시스템 설계 시의 큰 이점으로 인해 자율이동로봇AMR나 위험 지역 수색 및 구조를 위한 자율안내차량 등에 사용된다.
Q. DC 서보의 단점을 꼽는다면?
A. 서보의 단점으로 여겨질 수 있는 것은 인코더·모터·드라이브의 많은 옵션이다. 또 더 높은 속도에서만 최대 전력을 발생시킨다는 점도 단점을 꼽을 수 있다.
하지만 아이러니하게도 이러한 단점은 생각하기에 따라 커다란 장점이기도 하다. 많은 옵션은 고객 스스로 약간의 조사를 하게 만들지만, 이는 특정 용도에 맞는 올바른 드라이브 선택의 가능성을 높이기 때문이다. 물론 선택 사항을 좁인 이후에는 제조업체에 문의하여 올바른 구성 요소를 추가로 선택하는 것이 좋다.
