서보 모터의 속도 제어와 토크 제어는 모두 아날로그 신호를 사용하여 구현되는 반면, 위치 제어는 펄스를 생성하여 구현됩니다. 채택할 특정 제어 모드는 고객의 요구 사항과 충족해야 하는 특정 모션 기능을 기반으로 선택됩니다.
서보 모터의 세 가지 제어 모드
- 모터 속도나 위치에 대한 특정 요구사항이 없고-단순히 일정한 토크를 출력해야 하는 경우에는-토크 모드가 확실한 선택입니다.
- 위치와 속도에 대해 일정 수준의 정밀도가 필요하지만 실시간 토크 값에 특별히 관심이 없는 경우에는 일반적으로 속도 모드나 위치 모드를 사용하는 것이 좋습니다.
- 호스트 컨트롤러에 강력한 폐쇄-루프 제어 기능이 있는 경우 속도 제어를 활용하면 일반적으로 우수한 결과를 얻을 수 있습니다. 반대로, 요구 사항이 특별히 엄격하지 않거나{2}}실시간 응답에 대한 요구가 거의 없는 경우에는 위치 제어를 사용하면 호스트 컨트롤러에 대한 요구가 줄어듭니다.-
서보 드라이브 응답 속도 측면에서: 토크 모드는 가장 낮은 계산 부하를 포함하므로 드라이브에서 제어 신호까지 가장 빠른 응답을 제공합니다. 반대로 위치 모드는 가장 높은 계산 부하를 수반하므로 드라이브에서 제어 신호에 대한 응답이 가장 느려집니다.
모션 중에 높은 동적 성능이 필요한 경우{0}}모터에 대한 실시간 조정이 필수적입니다.
- 컨트롤러 자체의 처리 속도가 상대적으로 느린 경우(예: PLC 또는 저가{2}}모션 컨트롤러) 위치 제어를 사용해야 합니다.
- 컨트롤러의 처리 속도가 상대적으로 빠른 경우 Speed Control을 활용할 수 있습니다. 여기에는 위치 루프를 드라이브에서 컨트롤러로 이동하여 드라이브의 작업 부하를 줄이고 전반적인 효율성을 향상시키는 것이 포함됩니다.
- 더욱 발전된 호스트 컨트롤러를 사용할 수 있는 경우 토크 제어를 사용할 수 있습니다. 여기에는 위치 루프와 함께 속도 루프-도-드라이브에서 멀리 이동하는 작업이 포함됩니다. 이 접근 방식은 일반적으로 고급형 특수 컨트롤러를 사용하는 경우에만 가능합니다.-
일반적으로 드라이브 제어 품질을 평가하기 위한 매우 직관적인 측정 기준을 "응답 대역폭"이라고 합니다.
토크 제어 또는 속도 제어 모드로 작동할 때 펄스 발생기를 사용하여 구형파- 신호를 입력하면 모터가 정회전과 역회전을 연속적으로 번갈아 가집니다. 신호 주파수가 점진적으로 증가함에 따라 오실로스코프는 스윕된-주파수 신호를 표시합니다. 신호 엔벨로프의 피크가 최대값의 70.7%로 떨어지면 이는 시스템이 동기화를 잃었음을 나타냅니다(예: "Stepped Out"). 이러한 현상이 발생하는 빈도는 제어 시스템의 품질을 직접적으로 나타내는 지표 역할을 합니다. 일반적으로 전류 루프는 1000Hz를 초과하는 대역폭을 달성할 수 있는 반면, 속도 루프는 일반적으로 수십 헤르츠로 제한됩니다.
토크 제어
토크 제어는 외부 아날로그 입력 신호를 통해 또는 특정 주소에 값을 직접 할당하여 모터 샤프트의 외부 출력 토크의 크기를 설정하는 방법입니다. 작동상 이는-예를 들어-10V 입력이 5Nm의 토크에 해당하는 경우 외부 아날로그 입력을 5V로 설정하면 모터 샤프트 출력이 2.5Nm이 된다는 것을 의미합니다. 이러한 조건에서 모터 샤프트의 부하가 2.5Nm 미만이면 모터가 정방향으로 회전합니다. 외부 부하가 2.5Nm이면 모터는 정지 상태를 유지합니다. 부하가 2.5Nm를 초과하면 모터가 반대 방향으로 회전합니다(중력 부하와 관련된 응용 분야에서 일반적으로 발생하는 시나리오). 설정된 토크 값은-아날로그 입력 신호를 변경하거나 통신 인터페이스를 통해 해당 주소의 숫자 값을 수정하여 실시간으로 조정할 수 있습니다.
이 제어 모드는 와이어-권선 기계 또는 광섬유{2}}인발 장비와 같이 재료에 적용되는 장력과 관련하여 엄격한 요구사항이 존재하는 권선 및 풀기 시스템에서 주로 활용됩니다. 이러한 응용 분야에서는 토크 설정을 실시간으로 동적으로 조정하여 권선 반경의 변화를 보상해야 하며, 이를 통해 권선 직경의 변화에 관계없이 재료에 가해지는 장력이 일정하게 유지되도록 해야 합니다.
위치 제어
위치 제어 모드에서 회전 속도는 일반적으로 외부에서 입력되는 펄스의 주파수에 의해 결정되고, 회전 각도는 펄스 수에 의해 결정됩니다. 또한 일부 서보 시스템에서는 통신 인터페이스를 통해 속도 및 변위 값을 직접 할당할 수 있습니다. 위치 모드는 속도와 위치 모두에 대한 엄격한 제어를 가능하게 하기 때문에 일반적으로 위치 지정 메커니즘에 사용됩니다.
적용 분야에는 CNC 공작 기계, 인쇄 기계 및 이와 유사한 장비가 포함됩니다.
속도 제어 모드
회전 속도는 아날로그 입력을 통해 또는 펄스 주파수를 조정하여 제어할 수 있습니다. 상위-레벨 컨트롤러에 의해 관리되는 외부-루프 PID 제어 시스템에 통합되면 속도 모드를 위치 지정 작업에도 활용할 수 있습니다. 그러나 계산 처리를 위해서는 모터의 위치 신호-또는 부하의 위치 신호-를 상위-레벨 컨트롤러로 직접 피드백하는 것이 필수적입니다. 위치 모드는 또한 부하의 외부 루프에서 직접 위치 신호 감지를 지원합니다. 이 구성에서 모터 샤프트에 장착된 인코더는 모터의 회전 속도만 모니터링하는 반면 실제 위치 신호는 최종 부하 끝에 위치한 감지 장치에 의해 제공됩니다. 이 접근 방식의 주요 장점은 중간 전송 단계에서 발생하는 오류를 최소화하여 전체 시스템의 전반적인 위치 정확도를 향상시킨다는 것입니다.
3개-루프 제어
서보 모터는 일반적으로 3개의 -루프 제어 구조-, 특히 3개의 폐쇄형 -루프 네거티브-피드백 PID 제어 시스템으로 구성된 시스템을 사용합니다. 가장 안쪽의 PID 루프는 "전류 루프"입니다. 이 루프는 전적으로 서보 드라이브 자체 내에서 작동합니다. 이는 홀- 효과 센서를 활용하여 드라이브에서 모터의 각 단계로 흐르는 출력 전류를 감지한 다음 전류 설정점에 네거티브 피드백을 적용하여 PID 조정을 수행합니다. 목표는 실제 출력 전류가 원하는 설정점과 거의 일치하는지 확인하는 것입니다. 기본적으로 전류 루프는 모터의 토크를 제어합니다. 결과적으로 드라이브가 토크 모드에서 작동할 때 계산 부하가 최소화되어 가장 빠른 동적 응답을 얻습니다.
두 번째 루프는 "속도 루프"입니다. 모터 인코더에서 감지한 신호를 기반으로 네거티브-피드백 PID 조정을 수행합니다. 이 루프 내에서 생성된 PID 출력은 전류 루프의 설정점 역할을 직접 수행합니다. 따라서 속도 제어 모드에서 작동할 때 시스템은 속도 루프와 전류 루프를 모두 효과적으로 사용합니다. 즉, 전류 루프는 모든 작동 모드에서 필수 불가결합니다. 이는 통제의 기본 기반을 구성합니다. 속도 및 위치 제어 작업 중에도 시스템은 속도 및 위치를 정밀하게 제어하기 위해 전류(토크) 제어를 동시에 실행합니다.
세 번째 루프는 "위치 루프"입니다. 가장 바깥쪽 루프로서 특정 응용 분야 요구 사항에 따라 드라이브와 모터 인코더 사이 또는 외부 컨트롤러와 모터 인코더(또는 최종 부하) 사이에 구성할 수 있습니다. 위치 제어 루프의 내부 출력은 속도 루프의 지령치 역할을 하기 때문에 위치 제어 모드에서 작동하려면 세 개의 루프를 모두 동시에 실행해야 합니다. 결과적으로 이 모드는 시스템에 가장 높은 계산 부담을 주며 동적 응답 속도가 가장 느려집니다.