제어로봇공학과이성렬 1
차례 Week Contents Detils Objectives 3 서보모터기술 1. 서보모터의종류 2. DC 모터의원리 3. DC모터의정적특성 4. DC모터의동적특성 5. DC모터의에너지변환 DC 모터의원리와정적및동적특성모델에대하여자세히얘기할수있어야한다. 2
Introduction Digitl Control System PWM Genertor Motor Driver Plnt (Servo Motor+Lod) Control Commnd PID controller Encoder Counter /Intervl Counter Encoder MicroController Sensor 3
Servo Motor 의종류 Servo Motor Servo : slve, servnt Servo Motor 주어진속도나위치명령에신속하고정확하게추종하도록설계된모터. 일반적으로토크가크고관성모멘트가작아야함. 동력원에따른서보 ( 제어 ) 시스템의종류 : 전기식, 공압식, 유압식. 시스템의용량으로구분하면극소용량은공압식, 소 중용량은전기식, 대용량에는유압식서보가적합. 전력소자기술, 제어기술, 센서기술, 제어용 IC기술의발달로전기식서보시스템이유압서보, 공기압서보에비하여뛰어난성능을보임. 서보모터분류 : DC 서보모터와 AC 서보모터 4
Servo Motor 의종류 Servo Motor 의분류 전기자권선 ( 감은전선 ) 에공급되는전력이교류인가직류인가에의해분류. 기계적인브러시와정류자의유무에의한분류 5
Servo Motor 의종류 DC Servo Motor Structure DC Motor 6
Servo Motor 의종류 AC Servo Motor Structure AC Synchronous Motor 7
Servo Motor 의종류 Servo Motor 동작원리 DC Motor AC Synchronous Motor 8
Servo Motor 의종류 구분 동기모터형 AC 서보모터 유도모터형 DC 서보모터 장점 브러시리스, 보수용이 브러시리스로서보수용이 기동토크가크다. 내환경성이용이 내환경성이용이 소형, 대토크 고신뢰성 영구자석을사용하지않는다. 효율이높다. 고속, 고토크이용가능 고속, 고토크이용가능 제어성이양호 고정자에권선이있으므로방열이유리 보통고정자에권선이있으므로방열상유리 속도제어범위가넓다. 회전을위한검출기가불필요. 단점 제어시스템이복잡하고고가 시스템이복잡하고고가 전기적시정수가크다. 브러시마모의기계손실이크다. 전기적시정수가크다. 회전을위한검출기가필요 출력 2~3KW 이하 현재실용예가적다. 브러시수명에의한보수가필요. 브러시소음. 최대출력은 2~3KW 사용환경에제한이있다. 9
DC Motor 의원리 DC Motor 정의 10
DC Motor 의원리 DC Motor 정의 11
DC Motor 의원리 DC Motor 의구조 Rotor( 회전자 ) : 모터에서회전하는부분 Sttor( 고정자 ) : 모터에서고정되어있는부분 Field System : 모터에서 mgnetic flux를제공하는부분 (iron housing nd permnent mgnet) Armture( 전기자 ) : 모터에서전류가흐르는부분 Brush : 전원으로부터 Armture에전류를공급하는부분. 한쌍으로구성되어전원의 +,-단자에연결되어있음. Commuttor : Rotor에고정되어 Brush와접촉하는부분. 보통여러조각으로나누어져있음. 애니메이션 : Mbuchi Motor 12
DC Motor 의원리 DC Motor 의구조 13
DC Motor 의원리 플레밍의왼손법칙과토크발생 Torque production T : torque(nm) F : force(n) R : distnce from the center to conductor(m) 14
DC Motor 의원리 토크상수 (Torque Constnt, K t ) 플레밍의왼손법칙으로부터 T=2BLRI 이고여기서 B, L, R 은모터를생산한후에는고정된값이다. 따라서 K t =2BLR 을모터의고유한특성을나타내는토크상수라고부른다. 즉, 모터가생성하는토크는전류에비례한다. T = K t I T : Torque(Nm) I : Current(A) K t : Torque constnt(nm/a) DC Voltge I K T Speed t Electricl Dynmics Mechnicl Dynmics 15
DC Motor 의원리 플레밍의오른손법칙과역기전력 (Bck electro motive force) 발생 v E =BLv E =2RBLω v : velocity of conductor(m/s) ω: rottionl velocity of rotor L : length of conductor(m) B : mgnetic flux density(t) E : bck electro motive force(volt) R : distnce from the center to conductor(m) 16
DC Motor 의원리 역기전력상수 (Bck electro motive force constnt, K e ) 플레밍의오른손법칙으로부터 E=2RBLw 이고여기서 R, B, L은모터를생산한후에는고정된값이다. 따라서 K e =2BLR 을모터의고유한특성을나타내는역기전력상수라고부른다. 즉, 모터가생성하는역기전력은모터의회전속도에비례한다. 역기전력이발생하는원리는발전기의원리이다. 모터는전동기로서전기에너지를기계에너지로전환하면서동시에발전기로 서역기전력을발생시킨다. 역기전력의단위는전압이고입력전압과극성이반대이다. E = K e w E : bck electro motive force(v) w : ngulr velocity(rd/s) K e : bck emf constnt(vs/rd) 17
DC Motor 의원리 역기전력상수 (K e ) 와토크상수 (K t ) 와의관계 실제 DC 모터구조에대해서도두상수가같음을보일수있다. K e = K t 실제모터의효율이 100% 라면모터에가해진입력전압과이로부터발생하는역기전력의크기는같다. 따라서이상적인상태에서모터전류는 0이다. 실제로는전기및기계적인손실이발생하여역기전력이입력전압보다작기때문에무부하전류가 0이아니다 18
DC Motor 의정적특성 DC 모터의정적 (sttic) 등가회로 입력전압으로직류전압 V를모터에가한후충분한시간이흐른후의등가회로 이회로로부터DC모터의여러가지정적특성값들을정의할수있다. V R I I ( V T K t I K K e e ) K R t V R K e V : input voltge of motor R : terminl resistnce of motor I : rmture current E : bck e.m.f K e : bck e.m.f constnt Ω : ngulr velocity of rotor 19
DC Motor 의정적특성 DC 모터특성곡선 가로축 : Torque( 토크 ) 세로축 : Speed(N, blue), Current(I, red), Output Power(P o, yellow), Power Efficiency(η, green) (N 0 ) (I 0 ) (T) (I S ) (T s ) No lod Stte 부하없이회전하는상태 N 0 : no lod speed I 0 : no lod current Stll Stte 전원입력되고정지된상태 T s : stll torque I s : stll current N 1/T I T P o = N T P i = V I η = P o /P i 100 20
DC Motor 의정적특성 DC 모터특성곡선의예 N 0 (no lod speed) 모터속도의최대값 I 0 (no lod current) 모터전류의최소값 T s (stll torque) 모터토크의최대값 I s (stll current) 모터전류의최대값 (T s ) (T) 21
DC Motor 의동적특성 DC모터의동적 (dynmic) 등가회로 모터의입력이시간에따라변할때, 즉동적일때등가회로 동적특성을고려할때는 L 과 J m 성분이관성역할을하므로등가회로에서반드시고려해야한다. Electricl Dynmics of DC Motor Mechnicl Dynmics of DC Motor K v t i i R J i m L d dt m di dt B m K m e m f m 22
DC Motor 의에너지변환 DC모터의에너지변환 DC모터 : 전기에너지를기계에너지로변환하는장치 모든전기에너지가기계에너지로변환되지는않는다. 즉, DC모터에서에너지손실이발생한다. 실제로는저항뿐만아니라다양한손실성분이존재한다. VI 2 ( E RI ) I EI RI VI : 모터에공급된총 electricl power EI : mechnicl output power R I 2 : 저항에서소모된주울열 (Joule Het) 23
요약 요약 DC모터와 AC모터의구조와원리의차이를이해해야한다. DC모터의내부구조와용어를숙지할것. DC모터의원리, 즉, 토크발생원리와역기전력의원리를이해해야한다. DC모터의정적특성값과동적특성값의물리적의미를파악할것. 24
과제 D&J WITH 사의 DC Motor 제품인 RB-35GM Encoder 21TYPE(12V) 에대하여다음을조사하시오. 모터특성곡선, 정격전압, no lod speed, no lod current, stll current, stll torque, 엔코더사양 기한 : 다음수업시작직전까지 25
참고문헌 1. Permnent Mgnet nd Brushless DC Motors, T. Kenjo, Sogo Electronics Publishing Compny, 1984 2. DC모터의원리, http://www.mbuchi-motor.co.jp/ 26