선형 운동 시스템은 정밀 레이저 절단 시스템, 실험실 자동화 장비, 반도체 제조 기계, CNC 기계, 공장 자동화 등 셀 수 없이 많은 기계에서 사용됩니다. 이러한 시스템은 승용차의 저렴한 시트 액추에이터처럼 비교적 단순한 것부터 폐쇄 루프 위치 결정을 위한 제어 및 구동 전자 장치를 갖춘 복잡한 다축 좌표계까지 다양합니다. 선형 운동 시스템이 아무리 단순하든 복잡하든, 가장 기본적인 수준에서는 모두 한 가지 공통점을 가지고 있습니다. 바로 특정 시간 내에 선형 거리를 따라 하중을 이동시키는 것입니다.

선형 모션 시스템 설계 시 가장 흔한 질문 중 하나는 모터 기술에 관한 것입니다. 모터 기술을 선택한 후에는 부하 가속, 시스템 마찰 극복, 중력 영향 극복 등의 요구 사항을 충족하는 동시에 안전한 최대 작동 온도를 유지할 수 있도록 모터 크기를 결정해야 합니다. 모터의 토크, 속도, 출력, 위치 결정 능력은 구동 및 제어와 더불어 모터 설계의 중요한 요소입니다.

어떤 모터로 시작해야 할까요?

특정 모터 기술을 사용하여 선형 모션 시스템을 설계할 때는 고려해야 할 여러 가지 응용 분야가 있습니다. 전체 과정에 대한 자세한 설명은 이 글의 범위를 벗어납니다. 이 글의 목적은 모터 공급업체와 상담할 때 적절한 질문을 하는 방법을 생각해 보는 것입니다.

모든 응용 분야에 가장 적합한 모터라는 것은 없지만 특정 응용 분야에 가장 적합한 모터가 있습니다. 대부분의 증분형 모션 응용 분야에서는 스테퍼 모터, 브러시 DC 모터 또는 브러시리스 DC 모터 중 하나를 선택합니다. 가장 복잡한 모션 시스템은 부하에 직접 연결된 선형 모터를 사용하여 기계적 전력 변환이 필요하지 않습니다. 리드 스크류/볼 스크류, 기어박스 또는 풀리 시스템을 통한 변환이 필요하지 않습니다. 코어리스 직접 구동 선형 서보 시스템으로 최대 정확도, 반복성 및 위치 결정 분해능을 달성할 수 있지만 회전 모터와 비교할 때 비용이 가장 많이 들고 복잡합니다. 회전 모터를 사용하는 아키텍처는 훨씬 저렴하며 대부분의 선형 모션 응용 분야를 충족합니다. 그러나 부하를 구동하기 위해 "회전-선형" 변환(결과적으로 전력 변환) 수단이 필요합니다.

스테퍼 모터, 브러시 모터, 브러시리스 모터는 모두 DC 모터로 간주됩니다. 하지만 엔지니어가 특정 응용 분야에서 한 가지 유형을 다른 두 가지 유형보다 선호하게 만드는 미묘한 차이가 있습니다. 이러한 선택은 속도와 토크 측면뿐만 아니라 위치 정확도, 반복성, 분해능 요구 사항 등 시스템 설계 요구 사항에 따라 크게 달라진다는 점을 강조해야 합니다. 모든 응용 분야에 완벽한 모터는 없으며, 모든 결정에는 설계상의 절충안이 필요합니다. 가장 기본적인 수준에서 모든 모터는 AC 또는 DC, 브러시 모터, 브러시리스 모터 또는 기타 전기 모터로 불리든 동일한 물리 원리에 따라 작동하여 토크를 생성합니다. 즉, 자기장의 상호작용입니다. 그러나 이러한 다양한 모터 기술이 특정 응용 분야에서 반응하는 방식에는 상당한 차이가 있습니다. 전반적인 모터 성능, 응답 및 토크 생성은 물리적 모터 설계에 내재된 자기장 여기 방식 및 자기 회로 구조, 컨트롤러/드라이브에 의한 입력 전압 및 전류 제어, 그리고 응용 분야에 필요한 경우 속도 또는 위치 피드백 방식에 따라 달라집니다.

DC 스테퍼, 브러시 서보, 브러시리스 서보 모터 기술은 모두 DC 전원을 사용하여 구동합니다. 선형 운동 애플리케이션의 경우, 이는 고정 DC 전원을 모터 권선에 직접 공급할 수 있다는 것을 의미하지 않습니다. 권선 전류(출력 토크 관련)와 권선 전압(출력 속도 관련)을 제어하기 위한 전자 장치가 필요합니다. 아래는 세 가지 기술의 강점과 약점을 요약한 것입니다.

선형 시스템 설계는 부하 질량과 그 질량이 A 지점에서 B 지점으로 이동하는 데 필요한 속도에서 시작됩니다. 모터 유형, 크기 및 기계 설계는 부하를 이동하는 데 필요한 전력(와트)에서 시작됩니다. 부하에서 시작하여 궁극적으로 모든 구성 요소를 거쳐 구동 전원 공급 장치까지 거슬러 올라가는 분석은 시스템의 한 부분에서 다른 부분으로의 전력 변환을 이해하고 그 사이에 있는 구성 요소의 다양한 효율을 고려하는 일련의 단계로 구성됩니다. 드라이브에 공급되는 전압 및 전류 형태의 와트는 궁극적으로 특정 시간 내에 주어진 부하를 이동시키는 기계적 출력 와트로 변환됩니다.

부하에 필요한 출력 전력을 파악하려면 간단한 전력 계산을 통해 모터의 대략적인 크기를 가늠할 수 있습니다. 필요한 평균 출력 전력을 파악한 후, 모터와 드라이브의 다양한 전력 변환 요소를 통해 전력 요구량 분석을 완료합니다. 다양한 부품의 효율을 고려하여 제조업체 데이터를 참조해야 합니다. 이는 궁극적으로 모터의 크기와 전원 공급 장치의 크기를 결정합니다. 어떤 단위를 사용할지는 개인의 취향에 달려 있지만, SI 단위를 사용하는 것이 좋습니다. SI 단위를 사용하면 여러 변환 상수를 기억할 필요가 없으며, 최종 결과는 언제든지 영국식 단위로 다시 변환할 수 있습니다.

요구되는 시간 안에 하중을 옮기려면 얼마나 많은 전력이 필요합니까?

중력에 반하여 9kg의 질량을 들어 올리려면 약 88N의 힘이 필요합니다. 이 하중을 옮기는 데 필요한 와트를 계산하면 나머지 시스템의 구성 요소를 결정하는 시작점을 얻을 수 있습니다. 이는 9kg의 질량을 1초 안에 A 지점에서 B 지점까지 수직으로 옮기는 데 필요한 평균 전력입니다. 마찰과 같은 시스템 손실은 포함되지 않습니다. 필요한 모터 축 전력은 다소 높을 수 있으며, 기어박스와 리드 스크류와 같이 시스템에 사용되는 다른 구성 요소에 따라 달라집니다.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0.2m) / 1.0초 = 17.64w

이는 시스템에 필요한 최대 전력과는 다릅니다. 가속 및 감속을 고려하면 이동 중 순간 전력은 다소 높아집니다. 하지만 부하에 필요한 평균 출력 전력은 약 18와트입니다. 모든 구성 요소를 철저히 분석한 결과, 이러한 시스템은 작업을 완료하는 데 약 37와트의 최대 전력이 필요합니다. 이 정보와 다양한 애플리케이션 사양을 바탕으로 가장 적합한 모터 기술을 선택할 수 있습니다.

어떤 모터 기술을 고려해야 합니까?

뛰어난 위치 결정 능력과 비교적 간단한 제어 덕분에 설계자는 스테퍼 모터를 먼저 고려하게 됩니다. 그러나 스테퍼 모터는 부하 요구 사항을 충족하는 동시에 작은 기계적 설치 면적이라는 요건을 충족하지 못합니다. 최대 전력 요구량이 37와트라면 매우 큰 스테퍼 모터가 필요합니다. 스테퍼 모터는 저속에서 매우 높은 토크를 제공하지만, 최대 속도와 그에 따른 전력 요구량은 가장 큰 스테퍼 모터를 제외한 모든 스테퍼 모터의 성능을 능가합니다.

브러시 DC 서보 모터는 부하 요건을 충족하고, 기계적 설치 면적이 작으며, 저속에서 매우 부드러운 회전을 제공합니다. 그러나 엄격한 EMC 요건 때문에 이 특정 용도에는 브러시 모터 사용을 피하는 것이 좋습니다. 브러시리스 시스템에 비해 비용이 저렴하지만, 엄격한 EMC 요건을 충족하는 데 어려움이 있을 수 있습니다.

사인파 구동 시스템을 사용하는 브러시리스 DC 모터는 부하 및 동작 프로파일(높은 전력 밀도), 저속에서 부드럽고 톱니 없는 동작, 그리고 작은 기계적 설치 면적 등 모든 애플리케이션 요건을 충족하는 가장 좋은 선택입니다. 이 경우 구동 전자 장치의 고주파 스위칭으로 인해 EMI 시그니처가 발생할 가능성이 여전히 존재합니다. 하지만 주파수 대역이 좁기 때문에 인라인 필터링을 통해 이러한 문제를 완화할 수 있습니다. 브러시 DC 모터는 더 넓은 대역의 EMI 시그니처를 나타내므로 필터링이 더 어렵습니다.

모터 크기 조정은 시작일 뿐입니다

이 글은 비교적 간단한 선형 모션 어플리케이션을 위한 모터 기술을 선택할 때 설계자에게 다양한 고려 사항을 소개하기 위한 간략한 논의였습니다. XY 테이블이나 다축 정밀 픽앤플레이스 메커니즘과 같은 보다 복잡한 시스템의 원리는 동일하지만, 각 축에 대한 하중을 개별적으로 분석해야 합니다. 이 글의 범위를 벗어나는 또 다른 고려 사항은 시스템의 원하는 수명(사이클 수)을 충족하기 위해 적절한 안전 계수를 선택하는 방법입니다. 시스템 수명은 모터 크기뿐만 아니라 기어박스 및 리드 스크류 어셈블리와 같은 시스템의 다른 기계 요소에도 영향을 받습니다. 위치 정확도, 분해능, 반복성, 최대 롤, 피치, 요 등과 같은 다른 요소들은 모두 선형 모션 시스템이 어플리케이션 목표를 충족하거나 초과하도록 하는 데 중요한 고려 사항입니다.