모터 및 드라이브 시스템 사이징: 과소·과대 사이징 방지로 최적 성능 달성

적절한 사이징은 모터 선정의 핵심 요소입니다. 모터가 과소 사이징되면 하중을 제어할 수 없어 오버슈트와 진동이 발생합니다.

시스템을 과대 사이징하는 것도 과소 사이징만큼 나쁩니다. 하중을 제어할 수는 있지만 더 크고 무거우며, 가격과 운영 비용 면에서 더 비쌉니다. 물리적으로 맞지 않을 수 있고 확실히 비용이 더 듭니다. 제어 캐비닛이나 작업장의 소중한 공간을 더 차지합니다.

모터 구매 시 고려사항

너무 자주, 공급업체는 단순히 특정 마력의 모터를 달라는 연락을 받습니다. 엔지니어가 이전 플랫폼과 같은 크기의 모터를 구매할 수 있습니다. 변경 사항을 보상하기 위해 넉넉한 안전 마진을 더했을 수 있습니다. 부하 관성과 모터 관성의 10:1 또는 5:1 비율을 사용했거나, 이들의 혼합을 사용했을 수 있습니다.

목표는 지정된 위치와 원하는 시간에 하중을 위치시키는 데 필요한 속도, 가속도, 토크를 제공하는 모터를 지정하는 것입니다. 모터 간 편차나 기계 운전 조건의 예상 변화를 보상하기 위한 안전 마진이 포함될 수 있습니다. 하지만 안전 마진은 정보에 입각한 계산 위에 추가되어야 합니다.

흔한 실수는 애플리케이션의 최대 토크 요구사항(일반적으로 극한 가감속 시 발생)과 동일한 연속 정격 토크를 가진 모터를 선택하는 것입니다. 모션 제어 애플리케이션은 빈번히 짧고 빠른 이동으로 구성됩니다. 이 토크를 지속적으로 생성하도록 정격된 모터를 선택하는 것은 본질적으로 필요한 것보다 더 많은 모터 비용을 지불하는 것입니다.

모터-드라이브 사이징

모터를 효과적으로 사이징하려면 부하 관성(JL)을 계산해야 합니다. 부하 관성과 모터 관성(본질적으로 로터 관성)의 비율은 모터가 하중을 얼마나 효과적으로 제어할 수 있는지 척도가 됩니다. 높은 관성 비율은 하중 제어에 어려움이 있을 시스템임을 나타냅니다. 낮은 관성 비율(예: 4:1 또는 1:1)은 모터가 하중을 매우 효과적으로 제어함을 나타내지만, 동시에 시스템에 비해 모터가 과대 사이징되었을 수 있음을 시사합니다.

종종 설계자는 실제 부하, 기어박스, 모터는 포함하지만 벨트, 풀리 등 기타 기계적 요소는 방정식에서 제외합니다. 그냥 다음 주요 사이즈로 넘어가거나 같은 프레임 크기에서 더 많은 토크를 내는 것을 사용합니다. 여기서 10% 과대 사이징 접근법이 나옵니다.

선정 과정은 데이터 수집과 상세 분석을 포함합니다. 기계 시스템, 운전 파라미터, 장비 사용 환경에 대한 지식이 필요합니다. 운전 환경 세부사항도 초기 단계에서 고려하지 않으면 선정된 시스템이 적합하지 않을 수 있습니다.

관성 - 물체가 가속도 변화에 저항하는 경향 - 은 모션 제어의 주요 과제 중 하나입니다. 모터는 선형 시스템에서는 충분한 힘(포스)을, 회전 시스템에서는 충분한 토크를 가해 하중의 가속도를 제어된 방식으로 변경할 수 있어야 합니다.

사이징 절차 중 고려해야 할 주요 제약사항은 다음과 같습니다.

• 피크 토크
• RMS 토크
• 최대 속도
• 모터 속도-토크 특성

또한 두 가지 애플리케이션 영역을 고려해야 합니다.

• 연속 듀티 애플리케이션
• 간헐 듀티 애플리케이션

이 두 영역의 차이는 선반으로 설명할 수 있습니다. 선반의 스핀들 드라이브는 일정한 속도와 하중으로 작동하므로 연속 듀티 애플리케이션입니다. 축 드라이브는 필요한 공구 경로를 따르기 위해 가감속이 필요하므로 간헐 듀티 애플리케이션입니다.

속도와 모터

로봇과 공작기계의 드라이브는 필요 모션 프로파일을 생성하기 위해 지속적으로 속도를 변경합니다. 기어비 선정과 모터 생성 토크와의 관계는 완전히 고려되어야 합니다. 하중이 일정한 속도나 토크로 작동해야 한다면 최적 기어비를 결정할 수 있습니다. 실제로 고려해야 할 경우는 외부 하중 토크가 있거나 없는 가속, 가변 부하 관성의 영향 등입니다.

하중의 필요 속도 범위를 알고 기어비의 초기 추정을 하면 피크 모터 속도를 추정할 수 있습니다. 공급 전압 변동으로 모터가 필요 속도에 도달하지 못하는 것을 방지하기 위해, 필요 최대 속도를 1.2배로 늘려야 합니다. 이 계수는 대부분의 산업용 애플리케이션에 만족스럽지만, 항공기나 해양 석유 플랫폼처럼 제한된 전원에서 작동해야 하는 특수 애플리케이션에서는 다듬을 수 있습니다.

전압

모터의 피크 속도는 공급 전압에 의존하므로 저전압 기간을 고려해야 합니다. 가이드라인으로는 드라이브가 공칭 공급 전압의 80%에서 피크 속도로 작동할 수 있도록 사이징하는 것이 일반적입니다. 시스템이 브라운아웃이나 블랙아웃에 취약한 전원에서 공급된다면 드라이브, 컨트롤러, 하중이 손상되지 않도록 상당한 주의가 필요합니다. 특히 마이크로프로세서 시스템은 제대로 구성되지 않으면 예고 없이 잠기거나 리셋되어 치명적 상황을 초래할 수 있습니다.

가속 성능이 최우선이라면 모터 관성을 반사된 부하 관성에 더하고, 이 총 관성을 필요 비율로 가속하는 데 필요한 토크를 결정해야 합니다. 이 값의 1.5~2배 이상 피크 토크 능력을 가진 모터-드라이브 조합이 필요합니다.

모터-드라이브 조합의 피크 토크는 추정 마찰 토크 + 가속 토크 + 가속 중 존재하는 연속 토크 적재의 합을 최소 15% 안전 마진으로 초과해야 합니다. 달성 불가능하면 다른 모터나 기어비가 필요합니다.

초고성능 기계에서는 최신 오토튜닝 드라이브가 기계 공진과 진동을 매우 효과적으로 보상해 매우 높은 속도에서도 정확한 성능을 지원합니다. 전자파 적합성은 시스템 설계와 적용에 상당한 영향을 미칩니다.

동력 전달 부품

모터의 기계적 요구사항은 사이징과 선정 절차 초기에 파악해야 합니다. 기계 설계로 인한 치수 및 방향 제한 등 자주 간과되는 항목들이 있습니다.

이들을 초기에 파악하면 장비 설치 후 불만족스러운 성능을 방지할 수 있습니다. 특히 모터가 수직으로 장착되는 경우 특수 시밍이나 베어링 프리로드가 필요할 수 있습니다.

드라이브 요구사항 결정에서 마찰 토크는 아마도 모터 사이징 절차에서 가장 어려운 측면일 것입니다.

베어링

회전축의 경우 베어링이 가장 널리 사용되는 지지 방식입니다. 다양한 유형이 있으며, 가장 흔한 것은 롤러와 볼 베어링입니다.

기어박스

기존 기어 트레인은 입력축과 출력축 사이의 각속도와 토크를 변경하기 위해 2개 이상의 기어로 구성됩니다. 기어박스는 관성 관리의 중요한 도구입니다. 기어박스는 기어비의 제곱으로 관성을 감소시킵니다. 트레이드오프는 기어박스가 모터 속도도 낮춘다는 점입니다. 대부분의 서보 모터는 2000~6000rpm에서 작동하므로 고감속비 기어박스와 함께 사용해도 유용한 속도에서 작동할 수 있습니다.

스퍼 기어나 헬리컬 기어가 기존 기어 트레인에 일반적으로 사용됩니다. 스퍼 기어는 최소 축방향 힘을 생성해 기어 베어링의 움직임 문제를 줄이는 장점이 있습니다.

헬리컬 기어는 로봇 시스템에 널리 사용되는데, 같은 속도 변경 비율에서 스퍼 기어보다 높은 접촉비를 제공하기 때문입니다. 단점은 축방향 기어 하중입니다.

기어 전달의 한계 요소는 기어 치아의 강성으로, 애플리케이션에 실용적인 최대 직경 기어 휠을 선택하고 개별 기어 간 백래시나 로스트 모션을 최소화함으로써 극대화할 수 있습니다.

리드스크류와 볼스크류

리드스크류에서는 스크류와 너트 간 직접 접촉이 있어 상대적으로 높은 마찰과 비효율적 구동으로 이어집니다. 정밀 애플리케이션에서는 낮은 마찰과 우수한 동적 응답으로 볼스크류가 사용됩니다.

볼스크류는 원리가 리드스크류와 동일하지만, 너트 나사산의 리니어 볼 베어링을 통해 너트로 동력이 전달됩니다.

벨트 드라이브

타이밍 벨트나 체인 드라이브는 모터와 하중 간 동력 전달의 효과적인 방법으로, 동기화를 유지하면서도 가능합니다.

리니어 드라이브 애플리케이션에서는 리드스크류와 볼스크류에 적용된 같은 절차를 벨트 드라이브에 적용할 수 있습니다.

모터 사이징에 대한 훌륭한 참고 자료는 웹에서 찾을 수 있습니다:
https://www.electricmotors.com/sizing.html