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서보모터의 기초와 제어

by digipine posted Nov 02, 2017
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서보기구라는 용어는 1934년에 H.L.Hazen 교수에 의해 처음 쓰여졌으나, Servo의 어원은 라틴어의 Servue(영어의 Slave:노예)라고 한다. 노예의 역할이 주인의 명령을 충실히 따르고 육체노동을 하 는 것이므로 그러한 역할을 해내는 장치를 그렇게 이름 붙인 것이다.
서보기구가 그 본래의 목적인 위치제어에 최초로 응용한 것은 어뢰라고 한다. 어뢰는 1866년에 화이트 헤드에 의해 발명되었는데, 처음부터 자동조종을 전제로 하여 탄생한 병기이다.

 

당초 어뢰는 봄베(Bombe)에 저장한 압축공기를 동력원으로 하여 프로펠러에 의해 추진되고, 공기 압 자이로를 센서로 하여 공기압 제어장치로 방향타를 움직여서 침로를 제어하고 심도기(수압을 검 지)를 센서로 하여 공기압 제어장치로 방향타를 움직여서 심도를 제어한 것이다.
어뢰의 자동조종에 이어 배의 자동조종이 실현되었다. 수상함의 경우는 침로만 제어하면 되는데, 센 서로는 자이로 캠퍼스가 쓰이고 있다. 항공기는 1차 대전 후에 발달하였는데 그 자동조종도 당연히 실현된 것이다. 이처럼 운동체 또는 교통기관의 자동조종이 서보기구의 주요 응용분야가 되고 있는 것이다.

이처럼 자동제어는 발전했으나 각각의 응용분야 간에는 거의 관련을 갖지 못했다. 2차 대전 중 미국 MIT의 Radiation Lab.이 중심이 되어 레이다로 항공기를 자동적으로 추정하는 이른바 Automatic Radar Tracking System을 개발하는 연구가 많은 학자, 연구자들이 모여 이루어졌는데 그 연구의 결과 시스템 으로서 서보계 하드웨어의 개발에 성공하면서 이러한 제어계를 설계, 조정하는 실용적 제어이론의 개발에 성공했던 것이다. 이 이론은 서보테크닉이라 하는 이른바 주파수 응답법 이었다.

전후 이들의 연구성과가 재빨리 발표되자 이 방법이 서보에만 한정되지 않고, 프로세스제어를 포 함한 일반 제어계의 해석, 설계에 큰 역할을 해내어 피드백 제어이론이 체계화된 것이다.

전후, 컴퓨터의 발달로 그 신뢰성이 향상하면서 제어에 응용하는 소위 컴퓨터제어의 시대를 맞이 하게 되는데 컴퓨터를 도입함으로써 제어의 질이 비약적으로 향상했다는 것이 말할 필요도 없다. 그때까지의 제어는 연산이라고 해도 고작 PID제어 정도였으나, 컴퓨터에 의해 복잡한 연산과 복잡한 이론판단이 가능해지고 더욱 큰 기억용량에 의해 측정된 데이터의 이용이 가능해졌다. 그때까지의 자동화가 사람의 손발의 역할을 기계로 대행시킨 것에 불과한데 반해 컴퓨터에 의해 인간두뇌의 역할을 대행시키는 것이 가능해졌으며, 그 당시 생긴 오토메이션이란 신조어가 이 자동 화의 변모에 대응하여 사용된 것이다. 1973년에 있은 석유 가격의 급격한 폭등에 따른 소위 오일쇼 크가 원인이 되어 성능상으로는 뛰어나지만 작동을 위한 기름의 관리, 기름의 누출, 폐유의 처리 등 사용상의 난점을 가진 유압서보가 공업적 이용에 있어 점차 멀어지게 되고 전기서보의 전성기를 맞 이하게 되었다. 여기에는 서보전동기의 성능향상, 트랜지스터, 싸이리스터 등 반도체 기술의 진보가 크게 공헌하였다.


당초의 전기서보는 저관성서보 전동기나 저속 대토크 서보 전동기의 직류서보 전동기를 이용한 DC 서보가 사용되었다.
그러나 직류서보 전동기에는 전류를 바꾸기 위한 정류자의 브러시와 커뮤니케이터의 마찰 부분이 있어 브러시 분진과 브러시
·커뮤니케이터 손상의 보상이 필요하다.
동기전동기, 유도전동기의 교류서보 전동기에는 정류자가 없기 때문에 보상이 없어도 된다. 교류서보 전동기를 구동시키려면 교류주파수를 변화시켜 전동기 속도를 변화시킬 필요가 있는데 직류를 가변주파수의 교류로 변화시키는 성능이 좋은 인버터 회로를 트랜지스터나 다이리스터 등 반도체 소자로 실현할 수 있게 되었다.

또 마이크로일렉트로닉스의 연산기술이 교류서보 컨트롤러에 이용되게 되었기 때문에 교류서보 전 동기를 이용한 AC서보의 성능이 향상되었으며, 비용면에서도 DC 서보에 필적할 만큼 되고, 무보수 의 유리함으로 AC서보가 로봇제어 및 산업현장에 많이 쓰이게 되었다.

 

첨부된 PDF를 참조하세요.

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