서보 모터를 선택하는 방법: 주요 고려 사항에 대한 가이드

잘못된 서보 모터를 선택하는 것은 실수하기 쉬운 일입니다. 하지만 시간과 비용이 낭비될 수 있습니다. 또한 많은 문제를 일으킬 수도 있습니다. 이 글은 이러한 문제에서 벗어날 수 있도록 도와주는 가이드입니다. 고려해야 할 주요 사항을 보여 드리겠습니다. 속도와 토크부터 관성 및 소프트웨어에 이르기까지 모든 것에 대해 이야기할 것입니다. 읽기를 마치면 작업에 적합한 서보 모터를 선택하는 방법을 알게 될 것입니다.

서보 모터란 무엇이며 서보 드라이브가 중요한 이유는 무엇인가요?

간단한 사실부터 시작하겠습니다. 서보 모터는 특별한 종류의 전기 모터입니다. 위치, 속도, 속도를 매우 정확하게 제어하기 위해 만들어졌습니다. 공장의 로봇 팔을 상상해 보세요. 로봇 팔은 계속해서 같은 위치로 이동해야 합니다. 이것이 바로 서보 모터의 역할입니다. 서보 모터는 인코더와 같은 피드백 도구를 사용합니다. 이 도구는 컨트롤러에게 로봇의 위치를 알려줍니다. 이를 통해 로봇의 움직임이 매우 정확하고 신뢰할 수 있습니다.

서보 드라이브 없이는 서보 모터를 가질 수 없습니다. 서보 드라이브는 전체 시스템의 두뇌와 같습니다. "Y 속도로 X 지점으로 이동"과 같은 명령을 받습니다. 그런 다음 이를 실현하기 위해 서보 모터에 적절한 양의 전압과 전력을 보냅니다. 서보 드라이브는 모터의 피드백도 확인합니다. 이를 통해 모터가 지시를 받은 대로 작동하는지 확인합니다. 좋은 서보 드라이브와 서보 모터가 함께 작동하는 것은 훌륭한 모션 제어 시스템의 출발점입니다.

작업에 맞는 서보 모터를 선택할 때는 어떻게 시작해야 할까요?

첫 번째 단계는 애플리케이션에 대한 모든 것을 파악하는 것입니다. 서보 모터 하나를 보기도 전에 무엇을 하고 싶은지 먼저 정해야 합니다. 기계의 용도는 무엇인가요? 무엇을 움직이려고 하나요? 이것은 전체 프로세스에서 가장 중요한 부분입니다. 이 시점에서 실수하면 나중에 문제가 발생할 수 있습니다. 정확한 애플리케이션을 위해 모든 세부 사항을 파악해야 합니다.

애플리케이션에 대해 다음과 같은 질문을 스스로에게 해보세요:

• 하중은 얼마인가요? 이동하려는 물건 또는 적재물의 무게는 얼마나 되나요?
• 어떻게 움직일까요? 일직선으로 움직일까요, 아니면 돌아갈까요? 단순하게 앞뒤로 움직일까요, 아니면 더 복잡한 모양으로 움직일까요?
• 환경은 어떤가요? 서보 모터가 덥거나 춥거나 습하거나 먼지가 많은 곳에 있나요? 환경은 매우 중요한 요소입니다.
• 물리적 설정은 어떻게 되나요? 벨트, 나사 또는 직접 구동 시스템과 같은 부품을 사용하나요? 각각에 따라 애플리케이션에 필요한 요구 사항이 다릅니다.

애플리케이션을 명확하게 설명하면 필요한 사항의 목록이 제공됩니다. 이 목록은 여러분의 가이드입니다. 자동화 애플리케이션에 적합한 서보 모터를 선택할 때 도움이 될 것입니다. 이것은 잘 작동하는 프로젝트의 기반입니다. 애플리케이션에 대한 명확한 아이디어가 없다면 추측에 불과합니다.

필요한 속도와 토크를 어떻게 해결할 수 있을까요?

애플리케이션을 이해한 후에는 속도와 토크를 계산해야 합니다. 토크는 회전력입니다. 서보 모터가 가져야 하는 '힘'이라고 생각하면 됩니다. 속도는 주어진 시간 내에 움직이기 위해 모터가 얼마나 빨리 회전해야 하는지를 나타냅니다. 정확한 애플리케이션을 위해 이 수치를 계산해야 합니다.

애플리케이션에 따라 두 가지 종류의 토크를 알아야 합니다:

이동 주기의 각 부분에 대한 토크 요구 사항을 파악해야 합니다. 즉, 부하를 가속하는 데 필요한 토크를 찾아야 합니다. 또한 일정한 속도로 움직이는 데 필요한 토크(마찰을 이겨내기 위해)도 포함됩니다. 그리고 속도를 늦추기 위한 토크도 필요합니다. 어느 순간에 필요한 가장 높은 토크가 최대 토크 요구량입니다. 전체 사이클에 걸친 평균 토크는 연속 토크 요구 사항을 찾는 데 도움이 됩니다. 속도와 토크 요구 사항을 파악하는 것은 서보 모터를 선택하는 데 매우 중요한 단계입니다.

관성이란 무엇이며 관성을 맞추는 것이 중요한 이유는 무엇인가요?

관성이라는 단어는 이해하기 어렵게 들릴 수 있지만, 그 개념은 그렇지 않습니다. 관성이란 물체가 속도를 바꾸고 싶어 하지 않는 정도를 말합니다. 무거운 공은 가벼운 공보다 관성이 더 큽니다. 따라서 시작하기가 더 어렵고 멈추기도 더 어렵습니다. 서보 시스템에서는 부하의 관성에 신경을 씁니다. 또한 서보 모터의 움직이는 부품인 로터의 관성도 중요합니다. 이 둘 사이의 관계를 관성비라고 합니다.

시스템이 제대로 작동하려면 관성비를 정확하게 맞추는 것이 매우 중요합니다. 관성비는 부하 관성을 모터의 관성으로 나눈 값입니다. 일반적으로 이 비율을 10 대 1 미만으로 유지하는 것이 좋습니다. 예를 들어 모터 관성이 1이면 부하 관성은 10 이하가 좋습니다. 이 비율이 너무 높으면 서보 모터가 부하를 제어하는 데 매우 어려움을 겪게 됩니다. 마치 아주 작은 근육으로 매우 무거운 물체를 제어하려고 하는 것과 같습니다. 시스템이 목표를 벗어나거나 흔들리고 정확성을 유지하기 어려울 수 있습니다.

잘못된 관성비는 일반적인 문제입니다. 애플리케이션에서 움직이는 모든 부품의 모양과 무게를 기준으로 하중 관성비를 계산할 수 있습니다. 관성비가 너무 높더라도 걱정하지 마세요. 훌륭한 해결책이 있습니다. 기어 감속기를 사용하는 것은 관성비를 더 잘 맞출 수 있는 좋은 방법입니다. 이 간단한 구성 요소는 서보 모터가 부하를 얼마나 잘 처리할 수 있는지에 매우 큰 차이를 만들 수 있습니다.

모터의 성능을 확인하기 위해 속도-토크 곡선을 어떻게 읽을 수 있을까요?

모든 서보 모터에는 속도-토크 곡선이 있습니다. 이 차트는 가장 중요한 도구 중 하나입니다. 이 곡선은 서보 모터의 성능을 보여줍니다. 모터가 다양한 속도에서 얼마나 많은 회전력을 낼 수 있는지 알려줍니다. 모터를 만드는 회사는 판매하는 모든 서보 모터에 대해 이 곡선을 제공합니다.

속도-토크 곡선은 크게 두 부분으로 나뉩니다:

• 연속 영역입니다: 일반적으로 곡선 아래쪽의 상자 모양입니다. 작업 지점(특정 속도 및 토크)이 이 영역에 있으면 서보 모터가 이 영역에서 매우 오랫동안 작동할 수 있습니다. 과열되지 않습니다. 이 영역은 연속 작동이 가능한 영역입니다.
• 간헐적 지역: 이 영역은 연속 영역 위에 위치합니다. 서보 모터는 여기서 짧은 시간 동안 작동할 수 있습니다. 이 영역에서 가속에 필요한 최대 토크를 찾을 수 있습니다. 모터가 이 영역에 너무 오래 머무르면 과열되어 모터가 고장날 수 있습니다.

서보 모터를 선택할 때는 곡선을 살펴봐야 합니다. 연속 토크 요구 사항이 연속 영역 내에 있는지 확인해야 합니다. 또한 최대 토크 요구 사항이 곡선의 간헐적 영역 안에 있는지 확인해야 합니다. 필요한 것이 곡선 외부에 있다면 해당 서보 모터는 애플리케이션에 적합하지 않습니다. 곡선은 모터가 수행할 수 있는 작업에 대한 명확한 예 또는 아니오 답변을 제공합니다.

RMS 토크란 무엇이며 모션 프로파일을 위해 이를 파악해야 하는 이유는 무엇인가요?

많은 작업은 단일 속도와 단일 토크로만 실행되지 않습니다. 복잡한 모션 프로파일을 가지고 있습니다. 모션 프로파일은 모터가 한 사이클 동안 수행하는 모든 동작에 대한 이야기를 들려줍니다. 모터는 가속한 다음 일정한 속도로 작동하다가 감속할 수 있습니다. 토크는 이 프로파일 전체에서 모두 다릅니다. 그렇다면 서보 모터가 너무 뜨거워지는지 어떻게 알 수 있을까요? RMS 토크를 계산해야 합니다.

RMS는 제곱근 평균값의 약자입니다. 어렵게 들리지만 전체 모션 프로파일에 대한 평균 토크를 구하는 방법입니다. 특별한 종류의 평균입니다. 모터의 동력에서 발생하는 열을 고려합니다. 시간 가중 평균이라고 생각하면 됩니다. 사이클에서 토크가 높은 부분을 더 중요시합니다. 이 RMS 수치는 서보 모터에서 동일한 양의 열을 발생시키는 일정한 토크를 보여줍니다.

모션 프로필의 RMS 토크 수치를 파악한 후에는 모터의 속도-토크 곡선에서 이를 확인해야 합니다. 평균 속도에서 찾은 RMS 토크는 곡선의 연속 영역 안에 있어야 합니다. 이것은 매우 중요한 확인 사항입니다. 연속 영역을 벗어나면 서보 모터가 점점 더 뜨거워집니다. 시간이 지나면 과열됩니다. 좋은 사이징 소프트웨어는 이 RMS 계산을 대신 수행할 수 있습니다. 이렇게 하면 이 핵심 단계가 훨씬 간단해집니다.

서보 모터와 함께 기어를 사용하는 것이 좋은 경우는 언제인가요?

때로는 서보 모터 자체가 최고의 솔루션이 아닐 수도 있습니다. 많은 산업 자동화 솔루션에서는 기어박스라고도 하는 기어 감속기를 사용합니다. 기어는 더 많은 회전력을 위해 속도를 바꾸는 기계 도구입니다. 예를 들어 10 대 1의 기어비는 출력 속도를 10배 낮춥니다. 하지만 출력 토크는 10배 더 커집니다(효율성은 약간 떨어지지만).

기어를 사용하는 이유는 크게 두 가지입니다:

• 더 많은 토크를 얻으려면: 매우 높은 토크가 필요하지만 빠른 속도는 필요하지 않은 애플리케이션이라면 기어가 완벽한 선택입니다. 더 작고 저렴한 서보 모터를 사용하고 기어박스를 추가할 수 있습니다. 이렇게 하면 필요한 높은 토크를 얻을 수 있습니다. 이는 매우 크고 강력한 직접 구동 서보 모터를 구입하는 것보다 훨씬 나은 솔루션이 될 수 있습니다. 이는 기계를 설계할 때 흔히 발생하는 트레이드오프입니다.
• 더 나은 관성 매칭을 얻으려면: 앞서 이야기했듯이 관성비가 높으면 좋지 않습니다. 기어 감속기는 이 문제를 해결하는 가장 좋은 방법입니다. 기어박스는 모터가 느끼는 부하 관성을 낮춰줍니다. 기어비의 제곱만큼 관성을 낮춥니다. 따라서 10 대 1의 기어비는 서보 모터의 관성을 100 배 더 작게 만듭니다! 따라서 모터가 부하를 정밀하게 제어하는 것이 훨씬 더 간단해집니다. 제가 본 바로는 기어를 사용하는 것이 원활하게 작동하고 믿을 수 있는 시스템의 비결인 경우가 많습니다.

서보 모터의 실제 크기에 따라 차이가 있나요?

예, 서보 모터의 물리적 크기는 실제로 차이를 만듭니다. 이것은 잊어서는 안 되는 실제적인 고려 사항입니다. 토크, 속도 및 관성을 살펴본 후에는 서보 모터가 실제로 기계에 맞는지 확인해야 합니다. 너무 큰 모터는 잘 작동할 수 있지만 필요한 곳에 넣을 수 없다면 아무 소용이 없습니다.

최종 선택을 하기 전에 서보 모터를 사용할 계획이라면 서보 모터와 해당 기어의 도면을 구하세요. 치수를 주의 깊게 살펴보세요. 기계 설계에 있는 공간과 비교하세요. 케이블과 플러그도 공간이 필요하므로 공간을 남겨두는 것을 잊지 마세요. 모터 샤프트와 부하를 잘 정렬하는 것도 문제 없이 오래 사용하려면 매우 중요합니다.

크기가 중요한 또 다른 이유는 비용 및 효율성과 관련이 있습니다. 모터가 크다고 해서 항상 더 좋은 선택은 아닙니다. 대형 서보 모터는 구매 비용이 더 많이 듭니다. 또한 작동하는 데 더 많은 전력을 사용합니다. 또한 로터 관성이 더 높습니다. 부하 관성이 매우 작은 경우 관성비가 악화될 수 있습니다. 주요 목표는 너무 작지도, 너무 크지도 않은 적당한 크기의 서보 모터를 선택하는 것입니다. 이렇게 하면 효율적이고 가격 대비 좋은 가치를 지닌 디자인을 얻을 수 있습니다.

서보 선택에 영향을 미치는 다른 중요한 요소는 무엇인가요?

토크, 속도, 관성과 같은 주요 항목 외에도 고려해야 할 다른 항목이 있습니다. 이러한 세부 사항은 자동화 애플리케이션이 얼마나 잘 작동하는지에 큰 차이를 만들 수 있습니다. 한 가지 중요한 요소는 작동할 환경입니다. 기계가 매우 덥거나 추운 곳에서 작동할 경우 해당 온도를 처리할 수 있도록 만들어진 서보 모터를 선택해야 합니다. 먼지나 물과 같은 물질이 있는 환경이라면 안전을 위해 특수 씰이 있는 모터가 필요할 수 있습니다.

또 다른 핵심 요소는 사용 중인 전압입니다. 건물의 입력 전압은 얼마인가요? 서보 드라이브 시스템은 120VAC, 240VAC 또는 480VAC와 같은 다양한 정격 전압으로 판매됩니다. 보유한 전원으로 작동하는 서보 드라이브 및 모터 시스템을 선택해야 합니다. DC 전원 시스템도 있습니다. 이러한 시스템은 모바일 또는 배터리 구동식 자동화 애플리케이션에 자주 사용됩니다.

마지막으로 피드백 도구에 대해 생각해 보세요. 대부분의 새로운 서보 모터는 고해상도 인코더가 장착된 브러시리스 AC 모터입니다. 엔코더는 서보 드라이브에 모터 샤프트의 정확한 위치를 알려줍니다. 엔코더의 해상도가 높을수록 제어가 더 정확해집니다. 대부분의 작업에는 일반 엔코더로도 충분합니다. 그러나 매우 낮은 속도(저속)로 매우 부드럽게 움직여야 하는 애플리케이션의 경우 해상도가 더 높은 특수 인코더가 필요할 수 있습니다.

소프트웨어가 올바른 서보 모터를 선택하는 데 어떻게 도움이 될까요?

오래 전에는 이 모든 계산을 펜과 종이로 해야 했습니다. 시간이 많이 걸리고 뭔가 잘못되기 쉬웠습니다. 요즘은 훨씬 더 간단해졌습니다. 서보 모터와 서보 드라이브 제품을 만드는 대부분의 회사에서 사이징 소프트웨어를 무료로 제공합니다. 이 소프트웨어는 훌륭한 도구입니다. 최고의 서보 모터를 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 소프트웨어는 전체 과정을 도와줍니다. 애플리케이션에 대한 모든 정보를 입력하면 됩니다. 여기에는 하중의 무게, 필요한 움직임(모션 프로파일), 나사나 벨트와 같은 기계 부품, 사이클 시간 등이 포함됩니다. 그러면 소프트웨어가 모든 어려운 작업을 대신 수행합니다. 속도, 피크 토크, RMS 토크를 계산합니다. 또한 하중 관성도 계산합니다.

그런 다음 소프트웨어는 회사에서 판매하는 모든 제품을 살펴봅니다. 그러면 애플리케이션에 적합한 서보 모터, 서보 드라이브 및 기어 세트 목록이 표시됩니다. 각 선택 항목에 얼마나 많은 추가 전력이 있는지 보여줍니다. 이를 통해 충분한 안전 여유가 있는 신뢰할 수 있는 솔루션을 선택할 수 있습니다. 이 소프트웨어를 사용하는 것이 올바른 서보를 올바르게 선택했는지 확인할 수 있는 가장 좋은 방법입니다.

유의해야 할 주요 사항

• 애플리케이션부터 시작하세요. 부품을 살펴보기 전에 시스템에서 수행해야 할 작업을 명확하게 정리하세요.
• 필요한 것이 무엇인지 파악하세요. 정확한 모션 프로필에 필요한 속도, 피크 토크, 연속(RMS) 토크를 파악해야 합니다.
• 관성을 잊지 마세요. 관성비가 나쁘면 성능이 저하되는 경우가 많습니다. 10 대 1 이하의 비율을 유지하세요. 필요하다면 기어를 사용하여 도움을 받으세요.
• 속도-토크 곡선을 사용합니다. 계산된 피크 및 연속 작업 지점이 모터의 공식 곡선 안에 안전하게 있는지 항상 확인하세요.
• 실제 세부 사항을 고려하세요. 서보 모터가 기계에 물리적으로 맞는지, 입력 전압에 맞게 작동하는지 확인하세요.
• 제작자의 소프트웨어를 사용하세요. 사이징 소프트웨어는 훌륭한 무료 도구입니다. 작업을 더 빠르고, 더 간단하고, 훨씬 더 정확하게 해줍니다. 선택한 서보 모터에 대해 만족감을 느낄 수 있는 가장 좋은 방법입니다.