서보모터란?- 정의, 작동 및 유형

서보모터란?

서보 모터(또는 서보 모터)는 각도 또는 선형 위치, 속도 및 가속도를 정밀하게 제어할 수 있는 회전식 액츄에이터 또는 선형 액츄에이터입니다. 위치 피드백을 위해 센서에 연결된 적절한 모터로 구성됩니다. 서보 모터는 로봇 공학, CNC 기계 또는 자동화 제조와 같은 애플리케이션에 사용됩니다.

또한 비교적 정교한 컨트롤러가 필요하며 종종 서보 모터와 함께 사용하도록 특별히 설계된 전용 모듈이 필요합니다. 서보 모터는 특정 종류의 모터가 아니지만 서보 모터라는 용어는 폐쇄 루프 제어 시스템에 사용하기에 적합한 모터를 지칭하는 데 자주 사용됩니다.

서보 모터는 폐쇄 루프 제어 시스템의 일부이며 제어 회로, 서보 모터, 샤프트, 전위차계, 구동 기어, 증폭기 및 인코더 또는 리졸버와 같은 여러 부분으로 구성됩니다. 서보 모터는 기계의 부품을 고효율 및 고정밀도로 회전시키는 독립형 전기 장치입니다.

이 모터의 출력축은 일반 모터에는 없는 특정 각도, 위치, 속도로 움직일 수 있습니다. 서보 모터는 일반 모터를 사용하고 위치 피드백을 위한 센서와 결합합니다.

컨트롤러는 이를 위해 특별히 설계되고 사용되는 서보 모터의 가장 중요한 부분입니다. 서보 모터는 위치 피드백을 통합하여 회전 또는 선형 속도와 위치를 제어하는 ​​폐쇄 루프 메커니즘입니다.

모터는 샤프트의 최종 명령 위치를 나타내는 이동량을 결정하는 아날로그 또는 디지털 전기 신호로 제어됩니다. 인코더 유형은 속도 및 위치 피드백을 제공하는 센서 역할을 합니다. 이 회로는 일반적으로 기어 시스템이 장착된 모터 하우징에 직접 내장되어 있습니다.

 

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서보 모터의 메커니즘

서보 모터는 위치 피드백을 사용하여 모션과 최종 위치를 제어하는 ​​폐쇄 루프 서보 메커니즘입니다. 제어에 대한 입력은 출력 샤프트에 대해 명령된 위치를 나타내는 신호(아날로그 또는 디지털)입니다.

모터는 위치 및 속도 피드백을 제공하기 위해 일부 유형의 위치 인코더와 쌍을 이룹니다. 가장 간단한 경우에는 위치만 측정됩니다. 측정된 출력 위치는 컨트롤러에 대한 외부 입력인 명령 위치와 비교됩니다.

출력 위치가 필요한 위치와 다른 경우 오류 신호가 생성되어 필요에 따라 출력 샤프트를 적절한 위치로 가져오기 위해 모터가 어느 방향으로든 회전합니다. 위치가 가까워지면 오류 신호가 0으로 감소하고 모터가 정지합니다.

가장 단순한 서보 모터는 모터의 전위차계와 뱅뱅 제어를 통해 위치 전용 감지를 사용합니다. 모터는 항상 최대 속도로 회전합니다(또는 정지됨). 이러한 유형의 서보 모터는 산업용 모션 제어에서 널리 사용되지 않지만 무선 제어 모델에 사용되는 간단하고 저렴한 서보의 기반을 형성합니다.

보다 정교한 서보 모터는 광학 로터리 인코더를 사용하여 출력 샤프트의 속도를 측정하고 가변 속도 드라이브를 사용하여 모터 속도를 제어합니다. 일반적으로 PID 제어 알고리즘과 함께 사용되는 이러한 두 가지 개선 사항을 통해 서보 모터는 오버슈팅을 줄이면서 보다 빠르고 정확하게 명령된 위치로 이동할 수 있습니다.

 

서보 모터 작동원리

서보 모터는 공급된 전류와 전압에 따라 토크와 속도를 생성하는 전기 기계 장치입니다. 서보 모터는 폐쇄 루프 제어의 일부로 작동하여 피드백 장치를 사용하여 루프를 닫는 서보 컨트롤러의 명령에 따라 토크와 속도를 제공합니다.

피드백 장치는 명령된 매개변수에 따라 모터 동작을 조정하는 서보 컨트롤러에 전류, 속도 또는 위치와 같은 정보를 제공합니다.

서보는 제어 케이블을 통해 가변 폭 전기 펄스 또는 펄스 폭 변조(PWM)를 전송하여 제어됩니다. 최소심박수, 최대심박수, 반복횟수가 있습니다. 서보 모터는 일반적으로 각 방향으로 90°만 회전할 수 있습니다. 총 180 °의 움직임을 추가합니다.

모터의 중립 위치는 서보가 시계 방향과 반시계 방향 모두에서 동일한 잠재적 회전을 갖는 위치로 정의됩니다. 모터로 전송되는 PWM은 샤프트의 위치를 ​​결정하고 제어 케이블을 통해 전송되는 펄스의 지속 시간을 기반으로 합니다. 로터가 원하는 위치로 바뀝니다.

서보 모터는 20밀리초마다 펄스를 예상하고 펄스의 길이는 모터가 회전하는 거리를 결정합니다. 예를 들어 1.5ms의 펄스는 모터가 90° 위치로 회전하도록 합니다.

1.5ms 미만의 경우 시계 반대 방향으로 0 ° 위치로 이동하고 1.5ms보다 길면 서보가 180 ° 위치를 향해 시계 방향으로 회전합니다.

이러한 서보에 이동 명령이 주어지면 해당 위치로 이동하여 해당 위치를 유지합니다. 서보가 위치를 잡고 있는 동안 외력이 서보를 누르면 서보는 그 위치에서 움직이지 않을 것입니다.

서보가 발휘할 수 있는 최대 힘을 ​​서보의 토크라고 합니다. 그러나 서보가 영원히 그 위치를 유지하지는 않을 것입니다. 서보가 제자리에 머물도록 하려면 위치 펄스를 반복해야 합니다.

 

서보 모터의 종류

서보 모터는 다양한 크기와 세 가지 기본 유형으로 제공됩니다. 세 가지 유형에는 위치 회전, 연속 회전 및 선형이 있습니다.

▷ 위치 회전 서보는 180도 회전합니다. 또한 출력 샤프트가 과도하게 회전하지 않도록 보호하기 위해 기어박스에 스톱이 있습니다.
▷ 연속 회전 서보 모터는 동작 범위에 제한이 없는 서보입니다. 입력 신호가 서보가 회전해야 하는 위치를 결정하도록 하는 대신. 서보의 지속적인 회전은 입력을 출력의 속도 및 방향과 연관시킵니다. 이러한 모터의 무한한 움직임으로 인해 CW 및 CCW 방향 모두로 이동할 수 있습니다.
▷ 선형 서보는 랙 및 피니언 메커니즘을 사용하여 성능을 변경합니다. 랙과 피니언은 회전 운동을 선형 운동으로 변환합니다.

 

서보 모터 수리: 단계별 프로세스

서보 모터 수리는 많은 사람들이 주장하지만 소수에 의해 마스터됩니다! 서보 모터 수리에는 여러 단계가 있습니다. 가장 까다로운 단계는 피드백 수리 및 재정렬입니다. 이 작은 단계가 서보 모터를 정확하게 수리하는 열쇠입니다. 완벽한 정렬 없이 나머지 서보 모터 수리는 무의미합니다.

완벽한 정렬을 수행하기 위해 수리 회사는 매우 고가의 정렬 시스템을 사용해야 합니다. 많은 수리 회사가 서보 모터를 수리하지 않는 것은 이러한 비용과 피드백 장치의 전자 장치를 수리할 수 있는 능력의 부족 때문입니다.

 

1단계 초기 평가
평가하는 동안 샤프트, 키 홈, 엔드 벨, 클램프 및 커넥터와 같은 부품을 확인하기 위해 육안 검사가 수행됩니다. 점검 후 고정자를 다시 감아야 하는지 여부를 확인하기 위해 서지 전압 비교 테스트 또는 단락 테스트를 수행합니다.
다음으로 메거 테스트라고도 하는 절연 저항 테스트를 각 단계에서 수행하여 절연이 깨지지 않았는지 확인합니다.
평가의 다음 테스트는 RMS 미터를 사용하여 권선이 위상 간에 균형을 이루는지 확인하는 위상 균형 테스트입니다. 서보 모터에 브레이크가 있는 경우 브레이크도 여기에서 확인됩니다.

2단계 분해
먼저 백플레이트를 제거한 다음 인코더와 인코더 하우징을 제거하고 케이블링을 조심스럽게 제거합니다. 그런 다음 엔드 벨이 제거되고 로터가 고정자에서 당겨집니다. 여기에서 로터와 샤프트를 육안으로 검사합니다.
다음으로, 베어링과 베어링 하우징과 브레이크가 제거됩니다.

3단계 청소
알칼리 와셔는 손세척이나 고압세척보다 모터에 더 좋기 때문에 사용합니다. 당사의 모든 모터 부품은 이러한 방식으로 세척됩니다.

4단계 베어링 교체
베어링은 모터 고장의 원인이 되는 경우가 많기 때문에 매번 베어링을 교체하는 것이 중요합니다. 우리는 모든 제조업체의 사양을 충족하거나 초과하는 고품질 베어링만 사용합니다. 베어링이 교체되면 모터가 재조립됩니다.

5단계 최종 테스트
모터가 완전히 수리되었는지 확인하기 위해 다음으로 피드백 장치의 재정렬을 확인하기 위해 메모리 테스트가 수행됩니다. 수리가 완전히 테스트되고 검증된 후 모터가 도색되고 다시 보낼 준비가 된 후 사용할 준비가 되었습니다!

 

서보 모터의 장점

▷ 모터 크기 및 무게에 비해 높은 출력.
▷ 인코더는 정확도와 해상도를 결정합니다.
▷ 고효율. 경부하에서는 90%에 도달할 수 있습니다.
▷ 높은 토크 대 관성 비율. 서보 모터는 부하를 빠르게 가속할 수 있습니다.
▷ 짧은 시간 동안 2~3배 더 강력한 지속력을 가집니다.
▷ 짧은 시간 동안 5-10배 더 많은 정격 토크를 가집니다.
▷ 서보 모터는 높은 토크 값에서 고속을 달성합니다.
▷ 고속에서 조용합니다.
▷ 인코더 활용은 폐쇄 루프 제어로 더 높은 정확도와 분해능을 제공합니다.

 

서보 모터의 단점

▷ 서보 모터는 피드백 루프를 안정화하기 위해 튜닝이 필요합니다.
▷ 서보 모터는 고장이 나면 예측할 수 없게 됩니다. 따라서 안전 회로가 필요합니다.
▷ 복잡한 컨트롤러에는 인코더 및 전자 지원이 필요합니다.
▷ 피크 토크는 1% 듀티 사이클로 제한됩니다. 서보 모터는 지속적인 과부하로 인해 손상될 수 있습니다.
▷ 기어 박스는 종종 더 높은 속도로 동력을 전달하는 데 필요합니다.
▷ 더 높은 전체 시스템 비용과 서보 모터 시스템의 설치 비용은 피드백 구성 요소에 대한 요구 사항으로 인해 스테퍼 모터보다 높을 수 있습니다.

 

서보 모터의 일반적인 산업용 애플리케이션

서보 모터는 작고 효율적이지만 정밀한 위치 제어가 필요한 응용 분야에서 사용하기에 매우 중요합니다. 서보 모터는 펄스 폭 변조기(PWM)로 더 잘 알려진 신호(데이터)에 의해 제어됩니다. 다음은 오늘날 사용되는 보다 일반적인 서보 모터 애플리케이션입니다.

로봇 공학
로봇의 모든 "관절"에 있는 서보 모터는 움직임을 작동하는 데 사용되어 로봇 팔에 정확한 각도를 제공합니다.
컨베이어 벨트: 서보 모터는 제품 포장/병입 및 라벨링과 같은 다양한 단계에 따라 제품을 운반하는 컨베이어 벨트를 이동, 정지 및 시작합니다.

카메라 자동 초점
카메라에 내장된 고정밀 서보 모터가 카메라 렌즈를 보정하여 초점이 맞지 않는 이미지를 선명하게 합니다.

로봇 차량
일반적으로 군사 응용 프로그램 및 폭탄 폭발에 사용되는 서보 모터는 로봇 차량의 바퀴를 제어합니다. 그리고 차량을 부드럽게 움직이고, 멈추고, 시작하고 속도를 제어할 수 있을 만큼 충분한 토크를 생성합니다.

태양 추적 시스템
서보 모터는 하루 종일 태양 전지판의 각도를 조정하여 각 패널이 계속 태양을 향하도록 하여 일출부터 일몰까지 최대 에너지를 활용합니다.

금속 절단 및 금속 성형 기계
서보 모터는 자동차 바퀴에 항아리 뚜껑과 같은 품목을 위한 금속 가공에서 밀링 머신, 선반, 연삭, 센터링, 펀칭, 프레싱 및 벤딩을 위한 정밀한 모션 제어를 제공합니다.

안테나 포지셔닝
서보 모터는 NRAO(National Radio Astronomy Observatory)에서 사용하는 것과 같은 안테나와 망원경의 방위각 및 고도 구동 축 모두에 사용됩니다.

목공/CNC
서보 모터는 테이블 다리와 계단 스핀들을 형성하는 목재 회전 메커니즘(선반)을 제어합니다. 예를 들어, 나중에 프로세스에서 해당 제품을 조립하는 데 필요한 구멍을 오거링하고 드릴링합니다.

섬유
서보 모터는 양말, 모자, 장갑 및 장갑과 같은 착용 가능한 품목뿐만 아니라 카펫 및 직물과 같은 직물을 생산하는 산업용 방적 및 직기, 직기 및 편직기를 제어합니다.

인쇄기/프린터
서보 모터는 페이지에서 프린트 헤드를 정확하게 중지 및 시작하고 신문, 잡지 또는 연례 보고서와 같은 텍스트 또는 그래픽의 여러 행을 정확한 라인으로 인쇄하기 위해 종이를 따라 움직입니다.

자동 도어 오프너
슈퍼마켓과 병원 입구는 서보 모터로 제어되는 자동 도어 오프너의 대표적인 예입니다. 열려는 신호가 장애인용 출입문 옆의 푸시 플레이트를 통한 것인지 아니면 머리 위에 위치한 무선 송신기를 통한 것인지 여부.

서보 모터가 없다면 세상은 많이 달라졌을 것입니다. 산업 제조 또는 상업용 응용 프로그램에서 사용하든 상관없이 우리의 삶을 더 좋고 쉽게 만듭니다.