로봇의 개념은 이미 매우 광범위합니다. 이 기사는 산업 자동화 부문에서 사용되는 로봇 조인트용 서보 모터에 중점을 두고 있으며 서비스 로봇용 통합 서보 모터는 다루지 않습니다.
산업용 로봇은 크게 선형 로봇(직교 로봇이라고도 함), 다{0}}자유도-자유도 로봇(다{3}}관절 로봇이라고도 함), 평행 로봇(델타 로봇이라고도 함), 수평 다관절 로봇(SCARA 로봇이라고도 함)으로 분류됩니다. "자동화 셀"은 다양한 유형의 관절식 로봇 팔과 자동화된 운반 장비로 구성됩니다. 서로 다른 기능을 가진 자동화 셀이 연결되어 자동화된 생산 라인을 형성하고, 여러 개의 자동화된 생산 라인이 결합되어 자동화된 작업장을 만듭니다.
이러한 산업용 로봇과 자동화 장치 중에서 서보 모터는 제어 명령에 따라 기계 구조를 정확하고 신속하며 안정적으로 배치하는 데 중요한 역할을 합니다. 따라서 핵심 구성 요소로 간주됩니다.
영구자석 서보모터의 기본 개념
"서보"는 제어 컴퓨터 시스템의 명령을 편차 없이 실행하는 기능을 의미합니다. 이 개념은 전기 모터나 유압 장치에만 국한되지 않습니다. 여기에는 공압 시스템도 포함되며 이 작업을 수행할 수 있는 모든 구성 요소는 서보 구성 요소로 간주됩니다.
전기 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 전기 기계 부품입니다. 서보 모터는 위치, 속도, 가속도 또는 토크와 같은 출력 매개변수-를 제어할 수 있는 모션 제어 시스템에 사용하도록 설계된 전기 모터입니다.-
서보 모터는 제어 사양에 따라 다양한 유형으로 분류됩니다. 전원 공급 장치 유형에 따라 AC 서보 모터와 DC 서보 모터로 구분됩니다. 작동 모드에 따라 리니어 서보 모터와 로터리 서보 모터로 분류됩니다. 선형 모터는 뉴턴 힘을 직접 생성하는 반면, 회전 모터는 회전 토크를 출력합니다. 선형 부하를 구동하려면 회전 모터에는 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 리드 스크류와 같은 기계적 메커니즘이 필요합니다.
회전형 AC 서보 모터는 회전자 구조에 따라 AC 비동기 서보 모터와 AC 동기 서보 모터로 분류됩니다. AC 비동기 서보 모터의 회전자는 알루미늄 또는 구리 케이지로 구성되며 케이지의 회전 속도는 항상 동기 회전 자기장에 대해 일정한 속도 차이를 유지합니다. 벡터 제어 기술을 통해 이러한 유형의 모터는 DC 모터만큼 정밀한 토크 제어 특성을 달성할 수 있습니다. 그러나 로터는 높은 관성, 우수한 정{3}}전력 특성 및 넓은 속도 범위를 갖추고 있어 공작 기계 절단 및 인쇄 기계 권취/풀기 애플리케이션과 같은 광범위한 가변{4}}관성 부하에 적합합니다. 단점은 시동 토크가 낮고 전자기 응답 속도가 영구 자석 서보 모터보다 떨어진다는 것입니다. 전자기 시상수는 영구자석 재료로 만든 영구자석 모터의 시상수보다 약 10배입니다. 또한, 낮은 전력 밀도와 큰 로터 크기로 인해 높은 동적 서보 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.-
회전형 AC 동기 서보 모터는 여기 자기장을 직접 생성하는 영구 자석 재료를 로터에 사용합니다. 모터의 자기장을 형성하기 위해 여자 전류가 필요하지 않으므로 빠른 전자기 응답이 발생합니다. 또한 현재 희토류 영구자석 재료의 높은 에너지 밀도는 이러한 모터에서 높은 전력 밀도를 가능하게 하여 다양한 성능 특성을 갖춘 서보 모터를 설계할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 로터 관성이 낮은 슬림한 설계 또는 로터 관성이 높은 컴팩트하고 견고한 설계를 통해 높은 동적 응답을 달성할 수 있습니다. 희토류 영구 자석 재료의 사용으로 인해 영구 자석 모터가 서보 응용 분야에서 선호되는 선택이 되었습니다. 그러나 희토류 영구자석 재료는 여전히 서보 모터에 사용되는 모든 재료 중에서 가장 비싼 부품입니다. 다양한 제조업체에서 사용하는 재료의 차이로 인해 제품 품질 수준이 달라집니다. 고품질-영구 자석 재료는 150도 이상의 작동 온도에서도 자기가 사라지지 않을 수 있는 반면, 품질이 낮은 재료는 모터의 작동 온도가 120도 미만일 때 자기가 사라질 수 있습니다. 영구자석 재료의 품질은 서보 모터의 다양한 특성을 직접적으로 결정합니다.
선형 서보 모터는 기계적 변환 없이 뉴턴{0}}미터의 힘을 직접 출력하므로 매우 높은 가속이 가능합니다. 최근 몇 년 동안 급속한 기술 발전으로 인해 고성능 공작 기계의 피드 축에 널리 사용되었습니다.{2}} 그러나 산업용 로봇에서 그 적용은 특정 선형 로봇 팔로 제한되며 이 기사의 초점은 아닙니다. 이 기사에서는 회전식 영구 자석 서보 모터와 산업용 로봇의 응용 분야에 중점을 둡니다.
회전하는 영구자석 모터의 구조
그림 1은 영구자석 서보모터의 일반적인 구조도를 보여준다. 포괄적인 개요를 제공하기 위해 이 단일 다이어그램은 영구 자석 서보 모터의 전체 구조를 명확하게 설명하기 위한 것입니다. 실제로 15kW 이하의 저전력 영구 자석 서보 모터는 냉각을 위해 자연 대류에 의존할 수 있으므로 냉각 팬이 필요하지 않습니다. 이 모터는 소형이며 장착 다리가 필요하지 않습니다. 설치 링도 불필요합니다. 터미널 박스를 리드선용 항공 커넥터로 교체하면 디자인이 더욱 깔끔해집니다. 결과적으로 모터의 외관은 그림 2(a)와 같이 된다. 모터가 매우 작은 경우({10}}1kW 미만-) 리드선용 항공 커넥터도 필요하지 않습니다. 대신 케이블을 모터에서 직접 연장하여 그림 2(b)에 표시된 구성을 얻을 수 있습니다.
그림 1: 영구 자석 서보 모터의 개략도
그림 2: 저전력 영구 자석 서보 모터의 개략도-
본 절에서는 독자가 전기모터의 원리를 이해하고 있다고 가정하고, 로봇모터의 특성을 바탕으로 영구자석 서보모터와 다른 모터의 구조적 차이점을 설명하는데만 초점을 맞췄다.
베어링: 서보 모터의 수명은 베어링과 밀접하게 연관되어 있습니다. 로봇의 높은 신뢰성과 내구성 요구 사항을 고려할 때 베어링은 최소 30,000시간의 서비스 수명을 보장해야 합니다. 하루 8시간 근무 기준으로 로봇의 수명은 최소 10년에 달합니다. 베어링은 6,000rpm에서 간헐적으로 작동할 수 있어야 합니다.
고정자 적층 및 권선: 로봇 모터는 높은 출력 밀도를 요구하고, 크기를 최소화하고 철손 열 발생을 줄이기 위해 적층 재료는 두께가 0.35mm 이하인 냉간 압연 실리콘강이어야 합니다.- 권선은 16kHz 가변-주파수 반송파 펄스에 대한 장기간 노출을-견딜 수 있어야 합니다. 파손을 방지하고 강렬한 dv/dt 서지를 견디려면 전압 내구 등급이 2,500V 이상이어야 합니다.
로터 영구 자석 재료: 영구 자석 재료는 영구 자석 서보 모터에서 가장 비싼 구성 요소입니다. 희토류 원소 함량이 낮은 재료는 퀴리점이 낮고 재료 안정성이 좋지 않습니다. 네오디뮴-철-붕소(NdFeB) 자석을 사용하는 경우 UH42 등급 이상을 사용하는 것이 좋습니다. 또한 디스프로슘과 같은 희토류 원소의 함량에도 주의가 필요합니다. 고온-온도 감자 저항을 보장하기 위해 사마륨-코발트(SmCo) 자석은 중소형 서보 모터에도 널리 사용됩니다.- 요약하자면, 정상적인 작동 조건에서 서보 모터가 진정으로 자기소거 저항성을 유지하는지 확인하는 것이 중요합니다.{11}} 그렇지 않으면 로봇의 장기적인-안정성을 보장할 수 없습니다.
샤프트 씰: 원활한 작동을 보장하면서 오일과 잔해물이 모터에 들어가는 것을 방지하기 위해 모터 샤프트 끝에 샤프트 씰을 설치하는 것이 표준 설계 방식입니다. 로봇에서는 모터를 감속기에 직접 연결하기 위해 서보 모터 샤프트에 작은 기어를 가공하는 경우가 많습니다. 고온과 오일이 모터에 유입될 수 있으므로 멀티-립 고온-온도 샤프트 씰이 필요합니다. 예를 들어, 이중-립 플루오로카본 고무 샤프트 씰은 단일-립 니트릴 고무 샤프트 씰보다 신뢰성이 더 높지만 비용 차이는 상당합니다.
브레이크: 브레이크는 로봇 모터의 표준 기능입니다. 거의 95%의 서보 모터에는 브레이크가 필요합니다. 브레이크가 항상 작동하도록 하려면-특히 비상 정지 중에-안정적으로 작동해야 합니다. 브레이크는 모터 정격 토크의 약 1.5배의 정적 토크를 갖는 충분한 안전율을 가져야 합니다. 대형-로봇 모터의 경우 브레이크의 안전 계수는 정격 토크의 2.0배 또는 심지어 2.5배에 도달해야 합니다. 로봇 모터의 브레이크는 서비스 브레이크가 아닌 안전 브레이크라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 제어 시스템은 비상 정지 중에 서보 드라이브 컨트롤러의 제동 회로가 제동 저항기를 통해 활성화되고 모터 속도가 0에 가까워지면 브레이크가 작동하도록 보장해야 합니다. 응답 속도를 향상시키기 위해 영구 자석 브레이크는 전자기 스프링 브레이크보다 우수합니다.
엔코더: 엔코더는 모터 후단에 장착되어 모터 속도 및 로터 위치에 대한 센서 역할을 합니다. 로터의 위치를 측정하여 서보 제어, 자기장 위치 지정 및 운동 궤적 계산을 위한 로터의 실제 위치와 속도에 대한 데이터를 제어 컴퓨터에 제공합니다. 로봇 모터 인코더는 일반적으로 높은 정밀도를 제공하지 않지만 모터가 정전 전 위치에서 작동을 재개할 수 있도록 다중 회전 절대 위치 측정을 지원해야 합니다. 현재 로봇 모터 인코더 요구 사항을 해결하는 데는 세 가지 일반적인 접근 방식이 있습니다. 첫 번째 방법은 단일{5}}회전 측정에는 그레이 코드 광학 또는 자기 인코더를 사용하고 다중 회전 측정에는 기계식 기어를 사용합니다.- 이 접근 방식의 장점은 높은 측정 정확도입니다. 정전 후 모터의 작동 위치는 인코더의 기계적 위치를 통해 유지되며 전원을 켜면 직접 읽을 수 있습니다-. 그러나 단점은 엔코더가 너무 두꺼워서 제한된 설치 공간에 비해 길이가 너무 길다는 점입니다. 두 번째 방법은 광학 또는 자기 그레이 코드 인코더를 사용하여 단일{11}}회전 데이터를 저장하는 반면, 다중 회전 데이터는 배터리로 구동되는-전자 메모리를 통해 저장됩니다. 이를 통해 엔코더를 매우 짧게 만들 수 있으므로 외경이 60mm 미만인 소형 서보 모터에 이상적입니다. 단점은 배터리 수명이 상대적으로 짧다는 것입니다.-일반적으로 최대 2~3년이며, 어떤 경우에는 1년만 지나면 배터리를 교체해야 합니다. 세 번째 방법은 회전식 변압기를 사용하여 정밀도 요구 사항이 낮은 애플리케이션의 단일 회전 위치를 측정하는 반면, 다중 회전 정보는 제어 상자 내부의 배터리로 구동되는 회로 기판에서 처리됩니다.-
로터 샤프트 확장: 빈번한 정방향 및 역방향 작동으로 인해 모터는 전단력을 받습니다. 따라서 샤프트 재질은 42CrMo 강화강을 사용하는 것이 좋습니다. 모터가 키와 함께 설치된 경우 모터의 동적 균형과 런아웃을 효과적으로 줄이기 위해 키가 완전히 장착되어야 합니다. 고속에서는 무부하 작동 시 키가 있는 서보 모터와 베어 샤프트 사이의 런아웃 차이가-최대 9배나 커질 수 있습니다.-이 수치는 과소평가해서는 안 됩니다.
영구 자석 서보 모터의 주요 전송 매개변수
작동 영역: 허용 온도 상승을 초과하지 않고 모터가 지속적으로 작동할 수 있는 영역을 연속 작동 영역이라고 합니다. 단기 작동이 허용되는 연속 작동 영역 외부의-영역을 간헐 작동 영역이라고 합니다. 작동 영역은 토크와 속도의 2-차원 좌표 평면으로 표현됩니다.
정격 출력 PN: 연속 작동 영역 내에서 모터가 출력할 수 있는 최대 출력입니다.
정격 토크 MN: 모터가 연속 작동 영역 내에서 정격 출력을 전달하는 토크입니다. 정격 토크의 정의는 제조업체마다 크게 다릅니다. 해당 열 방출 조건은 일반적으로 지정됩니다. 국제적으로 이 정격은 모터를 정의된 면적과 두께의 알루미늄 플랜지에 장착하고 플랜지 온도를 특정 온도 이하로 20도 이하로 유지하여 측정하도록 지정하는 것이 일반적입니다. 따라서 실제 작동 시 모터는 주철 부품에 장착되는 경우가 많아 여름 기온이 테스트 기준을 초과할 수 있습니다. 운전 중 마진을 허용하지 않으면 과열 및 소자화의 원인이 될 수 있습니다. 중국 국가 표준에서 지정한 주변 온도 40도의 표준 조건은 중국 환경에 비교적 합리적입니다. 평판이 좋은 제조업체는 정격 토크를 게시할 때 표준에 따라 결정된 정격 값 아래에 특정 설계 여유를 포함하므로 더 안전합니다.
정격 전류 IN: 정격 토크에 해당하는 전류입니다.
정격 속도 nN: 모터가 연속 듀티 사이클 내에서 정격 토크 하에서 작동하도록 허용되는 최대 속도입니다.
연속 고정-로터 토크 MO: 연속 듀티 사이클에서 고정될 때 모터가 전달할 수 있는 최대 토크입니다. 일반적으로 100rpm 미만의 속도는 고정된-로터 작동 범위에 속하는 것으로 간주됩니다.
연속 잠긴-회전자 전류 I0: 연속 잠긴-회전자 토크에 해당하는 전류입니다.
피크 토크 Mmax: 모터 출력이 허용되는 최대 토크입니다. 공칭 조건은 제조업체마다 크게 다릅니다. 일부는 감자 전류에 해당하는 토크를 지정합니다. 이러한 사양은 피크 토크로 사용되어서는 안 됩니다. 기계 설계자는 과도한 작동 토크로 인해 모터의 자기소거 및 고장을 방지하기 위해 충분한 여유를 허용해야 합니다. 듀티 사이클에 따라 최대 토크가 지정된 경우 엔지니어링 기준 값을 갖습니다. S3-10%에 따라 지정된 피크 토크는 가장 큰 엔지니어링 기준 값을 갖습니다. 이는 3초의 연속 작동시간 동안 허용되는 최대 작동 토크로 이해될 수 있으며 이는 로봇에 충분한 수준이다. 다관절 로봇의 반복 과부하는 일반적으로 약 2.0배입니다.
피크 전류 Imax: 피크 토크에 해당하는 작동 전류입니다.
전기적 시정수 Te: 전류가 인가된 전압에 반응하는 속도를 나타내는 특성 상수입니다. 모터 단자에 고정 전압을 인가한 후 전류가 최종 전류의 1 -e^(-1)(약 63.2%)에 도달하는 데 필요한 시간으로 정의됩니다. 서보 모터의 전기 시상수는 일반적으로 고정자 권선의 인덕턴스 대 저항(Te{5}} L/R)의 비율로 지정됩니다. 서보 시스템의 현재 스텝 응답 시간과 관련이 있으나 반드시 동일하지는 않습니다.
기계적 시상수 Tm: 서보 모터의 기계적 시상수는 tm=R*J/Ke*Kt로 정의됩니다. 즉, 이는 권선 저항, 회전자 관성 모멘트, 모터 백-EMF 계수 및 모터 토크 계수와 관련됩니다. 구동 모터의 기계적 시상수는 무부하 조건에서 모터가 0 속도에서 정상 상태 속도의 63.2%까지 가속하는 데 필요한 시간과 거의 같습니다-. 서보 시스템에서 이 상수는 시스템의 속도-루프 단계 응답 시간과 수치적으로 동일할 수 있습니다.
역-EMF 상수 Ke: 단위 속도에서 모터에 의해 유도된 무부하 역-EMF 값입니다. 일반적으로 V/krpm 단위로 1000rpm에 해당하는 무-부하 백-EMF를 나타냅니다.
토크 상수 Kt: 단위 전류에 해당하는 모터의 출력 토크입니다. 모터의 역-EMF 계수 Ke와 토크 계수 Kt 사이의 관계는 일반적으로 Kt=9.55 * Ke * 1.732로 제공됩니다. 여기서 Kt는 Nm/A, Ke는 V/rpm, Ke=Kt입니다. 여기서 Ke는 역-EMF 라인을 나타냅니다.
모터 사양이 Kt 및 Ke 매개변수를 제공하지 않는 경우 Kt는 정격 토크 및 정격 전류에서 파생될 수 있습니다. 그런 다음 Kt=9.55 * Ke * 1.732 관계를 사용하여 라인 백-EMF 계수 Ke를 다음과 같이 간접적으로 유도할 수 있습니다. Ke=0.1047 * Kt / 1.732, 단위: V/rpm; 대안: Ke=104.7 × Kt / 1.732, 단위는 V/krpm 또는 mV/rpm입니다.
전원 공급 장치 전압 제한으로 인해 모터의 역기전력은 일반적으로 높은 응답성을 보장하기 위해 상대적으로 낮게 설계되어 적절한 전류를 얻기 위해 고속에서 충분한 전압 강하를 보장합니다. 그러나 높은 전류는 모터의 열부하를 증가시킵니다. 따라서 로봇 모터는 소형 크기, 높은 토크, 낮은 발열을 달성하기 위해 높은 전력 밀도가 필요합니다.
로터 관성 모멘트 J: 모터 로터의 관성 모멘트입니다. 로봇 모터의 관성 모멘트는 로봇 작동의 안정성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다. 이는 로봇이 다-축 조정을 수반하는 경우가 많기 때문입니다. 예를 들어 다관절 로봇의 두 번째 축에는 팔이 확장되고 수축될 때 발생하는 부하 관성의 실질적인 변화를 수용하기 위해 상당한 관성을 가진 모터가 필요합니다.
톱니-슬롯 토크: 영구 자석 모터의 권선이 개방-회로일 때 전기자 코어의 슬롯으로 인해 모터가 1회전하는 동안 주기적인 토크가 생성되며, 이는 최소 자기 저항 위치에 정렬되는 경향이 있습니다.
과부하 용량: 지정된 피크 전류를 초과하지 않고 지정된 조건에서 지정된 기간 동안 지정된 전력 또는 토크를 전달하는 모터의 능력입니다. 일반적으로 정격 전류에 대한 피크 전류의 비율을 전류 과부하 인자라고 하고, 정격 토크에 대한 피크 토크의 비율을 토크 과부하 인자라고 합니다. 일반적으로 로봇 모터는 약 3배의 토크 과부하 용량을 보장해야 합니다.
최대 속도 nN: 간헐적인 작동 중에 모터가 달성할 수 있는 최고 속도입니다. 최대 속도에 대한 정의는 모터 제조업체마다 크게 다릅니다. 로봇 모터의 경우 제공된 값은 일반적으로 실제 사용 중에 반복 가능한 작업이 가능한 최고 속도를 나타냅니다. 최대 속도에서 해당 최대 토크는 정격 토크의 두 배를 초과할 수 있으므로 전체 속도 범위에 걸쳐 가속 응답이 보장됩니다.