서보 모터의 3가지 일반적인 문제: 문제 해결

서보 시스템은 전자 기계 제품의 필수적인 부분으로, 최고 수준의 동적 응답과 토크 밀도를 제공합니다.

따라서 드라이브 시스템 개발의 추세는 기존의 유압식, DC, 스테퍼 및 AC 가변 속도 드라이브를 AC 서보 드라이브로 대체하는 것입니다.

이러한 전환은 주기 단축, 생산성 향상, 안정성 개선, 수명 연장 등 시스템 성능을 새로운 차원으로 끌어올리는 것을 목표로 합니다.

서보 모터의 성능을 극대화하려면 서보 모터의 고유한 사용 특성을 이해하는 것이 필수적입니다.

문제 1: 노이즈, 불안정성

고객은 특정 기계에서 서보 모터를 사용할 때 과도한 소음과 불안정한 작동을 경험하는 경우가 많습니다. 이러한 문제가 발생하면 많은 사용자가 가장 먼저 서보 모터의 품질에 의문을 제기합니다.

부하를 구동하기 위해 스테퍼 모터나 가변 주파수 모터로 전환하면 소음과 불안정성이 현저히 감소하는 경우가 많기 때문입니다.

언뜻 보기에는 실제로 서보 모터에 문제가 있는 것처럼 보입니다.

그러나 서보 모터의 작동 원리를 면밀히 분석해 보면 이러한 결론은 완전히 잘못된 것임을 알 수 있습니다.

AC 서보 시스템은 서보 드라이브, 서보 모터, 피드백 센서로 구성됩니다(일반적으로 서보 모터에는 광학 인코더가 함께 제공됨).

이러한 모든 구성 요소는 폐쇄 루프 제어 시스템 내에서 작동합니다. 드라이브는 외부에서 파라미터 정보를 수신한 다음 특정 전류를 모터에 전달하고, 모터는 이를 토크로 변환하여 부하를 구동합니다.

로드는 그 특성에 따라 작업을 수행하거나 가속/감속합니다.

센서가 부하의 위치를 측정하여 드라이브 장치가 설정된 정보 값과 실제 위치 값을 비교할 수 있도록 합니다. 그런 다음 모터 전류를 조정하여 실제 위치 값이 설정된 정보 값과 일치하도록 유지합니다.

갑작스러운 부하 변화로 인해 속도 변화가 발생하면 인코더는 이 속도 변화를 서보 드라이브에 즉시 전달합니다.

그러면 드라이브가 서보 모터에 공급되는 전류를 변경하여 부하 변화를 수용하고 사전 설정된 속도로 돌아갑니다.

AC 서보 시스템은 부하 변동과 속도 보정 사이의 응답 시간 지연이 매우 빠른 응답성이 높은 폐쇄 루프 시스템입니다. 이 시점에서 시스템 응답의 주요 제한 사항은 기계적 연결 장치의 전송 시간입니다.

간단한 예를 들어 서보 모터를 사용하여 V-벨트를 통해 일정한 속도의 높은 관성 부하를 구동하는 기계를 생각해 보겠습니다. 전체 시스템은 일정한 속도와 빠른 응답 특성을 유지해야 합니다. 그 작동 프로세스를 분석해 봅시다.

드라이브가 모터에 전류를 공급하면 모터는 즉시 토크를 생성합니다. 처음에는 V-벨트의 탄성으로 인해 부하가 모터만큼 빠르게 가속되지 않습니다.

서보 모터가 부하보다 빨리 설정 속도에 도달하면 모터에 장착된 엔코더가 전류를 약화시켜 토크를 감소시킵니다. V-벨트의 장력이 지속적으로 증가함에 따라 모터의 속도가 느려집니다.

그런 다음 드라이버가 다시 전류를 증가시키고 이 사이클이 반복됩니다. 공식 계정: SolidWorks 비표준 기계 설계.

이 경우 시스템이 진동하고 모터 토크가 변동하며 그에 따라 부하 속도가 변동합니다.

이로 인한 소음, 마모, 불안정성은 피할 수 없습니다. 그러나 이는 서보 모터가 원인이 아닙니다. 이러한 소음과 불안정성은 기계식 전송 장치에서 발생하며 서보 시스템 응답의 빠른 속도와 더 긴 기계식 전송 또는 응답 시간 간의 불일치로 인해 발생합니다.

즉, 서보 모터의 응답이 시스템이 새로운 토크에 적응하는 데 필요한 시간보다 빠릅니다.

문제의 원인을 파악하고 나면 문제 해결이 훨씬 쉬워집니다. 앞의 예를 참조하면 다음과 같이 할 수 있습니다:

(1) 기계적 강성을 높이고 시스템 관성을 줄여 기계식 변속기 부품의 응답 시간을 줄입니다. 예를 들어, V-벨트를 직접 스크류 드라이브로 교체하거나 V-벨트 대신 기어박스를 사용합니다.

(2) 서보 시스템의 응답 속도를 늦추고 서보 시스템의 게인 값을 낮추는 등 서보 시스템의 제어 대역폭을 줄입니다.

물론 이는 노이즈와 불안정성의 일부 원인일 뿐입니다. 원인에 따라 다양한 해결책이 존재합니다. 예를 들어 기계적 공진으로 인한 노이즈는 서보 시스템에서 공진 억제 또는 저역 통과 필터링을 구현하여 해결할 수 있습니다. 결론적으로 노이즈와 불안정성의 원인은 일반적으로 서보 모터 자체 때문이 아닙니다.

이슈 2: 관성 매칭

서보 시스템을 선택하고 튜닝하는 과정에서 관성 문제가 종종 발생합니다. 구체적으로 다음과 같이 나타납니다:

1. 서보 시스템을 선택할 때는 모터의 토크 및 정격 속도와 같은 요소를 고려하는 것 외에도 먼저 모터 샤프트로 변환된 기계 시스템의 관성을 계산해야 합니다.

그런 다음 기계의 실제 동작 요구 사항과 공작물의 품질 요구 사항에 따라 적절한 관성 크기를 가진 모터를 선택합니다.

2. 튜닝 중(수동 모드에서) 관성비 파라미터를 올바르게 설정하는 것은 기계 및 서보 시스템의 성능을 극대화하기 위한 전제 조건입니다.

이 점은 고속 및 고정밀이 필요한 시스템에서 특히 두드러집니다(델타 서보 관성비 파라미터는 1-37, JL/JM입니다). 따라서 관성 정합 문제가 발생합니다! 그렇다면 "관성 매칭"이란 정확히 무엇일까요?

1. 뉴턴의 제2법칙에 따르면 피드 시스템에 필요한 토크 T는 시스템의 관성 모멘트 J에 각가속도 θ를 곱한 값과 같습니다. 각가속도 θ는 시스템의 동적 특성에 영향을 미칩니다. θ가 작을수록 컨트롤러의 명령에서 시스템 실행까지 걸리는 시간이 길어져 시스템 응답이 느려집니다. θ가 변동하면 시스템 응답 속도가 달라져 가공 정확도에 영향을 미칩니다. 모터가 선택되면 최대 출력 T가 일정하게 유지된다는 점을 감안할 때 θ의 변화를 최소화하려면 J를 가능한 한 작게 설정해야 합니다.

2. 이송축의 총 관성 J는 서보 모터의 회전 관성 JM에 모터 축에서 변환된 부하 관성 JL을 더한 값입니다. 부하 관성 JL은 작업대(공작 기계의 경우), 작업대 위의 고정 장치 및 공작물, 나사, 커플링 등과 같은 선형 및 회전 부품의 관성을 모두 모터 샤프트의 관성으로 변환한 값입니다. JM은 서보 모터의 로터의 관성을 나타내며, 서보 모터를 선택하면 일정하지만 JL은 공작물 등의 부하 변화에 따라 변동합니다. J의 변화율을 더 작게 만들려면 JL이 차지하는 비율을 최소화하는 것이 가장 좋습니다. 이를 일반적으로 "관성 정합"이라고 합니다.

이제 관성 매칭이 무엇인지 이해했으니, 구체적으로 어떤 영향을 미치며 어떻게 결정되나요?

Impact:

드라이브 관성은 서보 시스템의 정확도, 안정성 및 동적 응답에 영향을 미칩니다. 관성이 클수록 시스템 기계적 상수가 커지고 응답 속도가 느려지며 시스템 성능이 저하됩니다. 자연 주파수잠재적으로 공감을 불러일으킬 수 있습니다.

이는 서보 대역폭을 제한하고 서보 정확도와 응답 속도에 영향을 미칩니다.

관성을 적절히 증가시키는 것은 저속 크롤링을 개선할 때만 유리합니다. 따라서 기계 설계 시 시스템 강성을 손상시키지 않으면서 관성을 최소화하기 위한 노력을 기울여야 합니다.

결단력:

기계 시스템의 동적 특성을 평가할 때 관성이 작을수록 시스템의 동적 응답이 좋아집니다. 반대로 관성이 크면 모터 부하가 커져 제어가 더 어려워집니다.

하지만 기계 시스템의 관성은 반드시 모터 관성. 메커니즘에 따라 관성 매칭 원리에 대한 다양한 선택이 가능하며, 각각 고유한 기능적 디스플레이가 있습니다.

예를 들어, 고속 절단 시 CNC 서보 모터를 통해 머시닝 센터를 작동하는 경우 부하 관성이 증가하면 다음과 같은 현상이 발생합니다:

(1) 제어 명령이 변경되면 모터가 새 명령의 속도 요구 사항에 도달하는 데 상당한 시간이 걸립니다;

(2) 기계가 빠른 아치형 절단을 실행하기 위해 두 축을 따라 작동할 때 상당한 오류가 발생할 수 있습니다:

   i. 일반적인 서보 모터를 사용하는 일반적인 상황에서는 JL이 JM보다 작거나 같으면 위의 문제가 발생하지 않습니다.

   ii. JL이 JM의 3배인 경우 모터의 제어 가능성은 약간 감소하지만 일상적인 작업에는 영향을 미치지 않습니다. 금속 절단. (고속 커브 커팅의 경우 일반적으로 JL은 JM보다 작거나 같을 것을 권장합니다).

   iii. JL이 JM의 3배 이상이면 모터의 제어 성능이 현저히 떨어지며, 특히 고속 커브 커팅 시 두드러집니다.

가공의 다양한 기계적 작용과 품질 요구 사항은 JL과 JM 간의 관계를 다르게 요구합니다.

관성 정합의 결정은 기계의 기술적 특성과 가공 공정의 품질 요구 사항을 기반으로 해야 합니다.

이슈 3: 서보 모터 선택

기계식 변속기 방식을 결정한 후에는 서보 모터의 모델과 크기를 선택하고 확인해야 합니다.

(1) 선정 기준

일반적으로 서보 모터를 선택할 때는 다음 상황을 충족해야 합니다:

• 모터의 최대 회전 속도 > 시스템의 최고 요구 이동 속도입니다;
• 모터의 로터 관성은 부하 관성과 일치합니다;
• 연속 부하 작동 토크 ≤ 모터의 정격 토크;
• 모터의 최대 출력 토크가 시스템의 최대 요구 토크(가속 토크)를 초과합니다.

(2) 선택 계산

• 관성 매칭 계산(JL/JM);
• 회전 속도 계산(로드 엔드 회전 속도, 모터 엔드 회전 속도);
• 부하 토크 계산(연속 부하 작동 토크, 가속 토크).