직접 구동 vs. 기어드 회전 서보모터: 설계 이점의 정량화: 1부

학습 목표

• 실제 회전 서보 시스템은 기술적 한계로 인해 이상적인 성능을 발휘하지 못합니다.
• 여러 유형의 회전 서보모터는 사용자에게 이점을 제공할 수 있지만, 각각 특정한 어려움이나 한계가 있습니다.
• 직접 구동 회전 서보모터는 가장 좋은 성능을 제공하지만, 기어모터보다 비쌉니다.

수십 년 동안 기어드 서보모터는 산업 자동화 도구 상자에서 가장 널리 사용되는 도구 중 하나였습니다. 기어드 서보모터는 위치 제어, 속도 매칭, 전자 캠, 권선, 인장, 조임 등의 기능을 제공하며, 서보모터의 동력을 부하에 효율적으로 매칭합니다. 이는 기어드 서보모터가 회전 운동 기술에 가장 적합한 선택일까요, 아니면 더 나은 솔루션이 있을까요?

이상적인 환경에서는 회전 서보 시스템의 토크와 속도 정격이 해당 용도에 적합하여 모터가 과대하거나 부족하지 않아야 합니다. 모터, 전달 요소, 그리고 부하의 조합은 무한한 비틀림 강성과 제로 백래시를 가져야 합니다. 하지만 안타깝게도 실제 회전 서보 시스템은 이러한 이상적인 조건에 다소 미치지 못합니다.

일반적인 서보 시스템에서 백래시는 전달 요소의 기계적 공차로 인해 모터와 부하 사이의 운동 손실로 정의됩니다. 여기에는 기어박스, 벨트, 체인, 커플링 전체의 운동 손실이 포함됩니다. 기계에 처음 전원이 공급되면 부하는 기계적 공차의 중간 어딘가에 위치하게 됩니다(그림 1A).

부하 자체가 모터에 의해 이동되기 전에, 모터는 전달 요소에 존재하는 모든 여유를 채우기 위해 회전해야 합니다(그림 1B). 모터가 이동이 끝나고 감속하기 시작하면, 운동량이 부하를 모터 위치 너머로 이동시키므로 부하 위치가 모터 위치를 실제로 추월할 수 있습니다.

모터는 부하에 토크를 가하여 감속하기 전에 반대 방향으로 이완된 상태를 다시 회복해야 합니다(그림 1C). 이러한 운동 손실을 백래시라고 하며, 일반적으로 분각(arc-minute)으로 측정하며, 이는 1/60도에 해당합니다. 산업용 서보와 함께 사용하도록 설계된 기어박스는 일반적으로 3~9분각의 백래시 사양을 갖습니다.

비틀림 강성은 토크가 가해졌을 때 모터 축, 전달 요소, 그리고 하중이 비틀리는 것에 대한 저항입니다. 무한 강성 시스템은 회전축을 중심으로 각도 변형 없이 토크를 전달합니다. 그러나 단단한 강철 축조차도 무거운 하중을 받으면 약간 비틀립니다. 비틀림의 크기는 가해지는 토크, 전달 요소의 재질, 그리고 그 모양에 따라 달라집니다. 직관적으로 길고 얇은 부품은 짧고 굵은 부품보다 더 많이 비틀립니다. 이러한 비틀림 저항이 코일 스프링의 작동 원리입니다. 스프링을 압축하면 와이어가 한 바퀴 돌 때마다 조금씩 비틀리기 때문입니다. 와이어가 굵을수록 스프링은 더 단단해집니다. 무한 비틀림 강성보다 작으면 시스템이 스프링처럼 작용하여 하중이 회전에 저항할 때 위치 에너지가 시스템에 저장됩니다.

유한 비틀림 강성과 백래시가 결합되면 서보 시스템의 성능이 크게 저하될 수 있습니다. 백래시는 모터 인코더가 백래시로 인해 부하가 안정된 위치가 아닌 모터 축의 위치를 ​​나타내므로 불확실성을 야기할 수 있습니다. 또한 백래시는 부하와 모터의 상대적인 방향이 역전될 때 부하가 모터와 잠시 결합 및 분리되는 현상을 발생시켜 튜닝 문제를 야기합니다. 백래시 외에도 유한 비틀림 강성은 모터와 부하의 운동 에너지 일부를 위치 에너지로 변환하여 에너지를 저장했다가 나중에 방출합니다. 이러한 지연된 에너지 방출은 부하 진동을 유발하고 공진을 유도하며, 최대 사용 가능한 튜닝 이득을 감소시키고 서보 시스템의 응답성과 안정 시간에 부정적인 영향을 미칩니다. 어떤 경우든 백래시를 줄이고 시스템의 강성을 높이면 서보 성능이 향상되고 튜닝이 간소화됩니다.

회전축 서보모터 구성

가장 일반적인 회전축 구성은 위치 피드백을 위한 엔코더가 내장된 회전 서보모터와 모터의 가용 토크와 속도를 부하의 필요 토크와 속도에 맞춰주는 기어박스입니다. 기어박스는 부하 매칭을 위한 변압기의 기계적 아날로그인 정전력 장치입니다.

개선된 하드웨어 구성은 직접 구동 회전 서보모터를 사용하는데, 이는 부하를 모터에 직접 연결함으로써 전달 요소를 제거합니다. 기어모터 구성은 비교적 작은 직경의 샤프트에 커플링을 사용하는 반면, 직접 구동 시스템은 부하를 훨씬 더 큰 로터 플랜지에 직접 볼트로 고정합니다. 이 구성은 백래시를 제거하고 비틀림 강성을 크게 향상시킵니다. 직접 구동 모터의 높은 극수와 높은 토크 권선은 10:1 이상의 기어모터의 토크 및 속도 특성과 일치합니다.