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1. AC 서보모터의 특성 및 제어
1.1. AC 서보모터의 특성
1.1.1. 구조와 장단점
AC 서보모터는 구조가 간단하고 브러시나 정류자 등의 기계 소모부가 없어 고속회전, 대형 부하가 요구되는 시스템에 유리한 특성을 가지고 있다. 하지만 비선형 특성으로 인해 제어 방법이 복잡하다는 단점이 있다.
AC 서보모터의 구조는 크게 동기형과 유도형으로 구분된다. 동기형은 회전자 자체가 영구자석이고 양 자석간의 흡인력에 의해 회전하는 방식이며, 유도형은 전자유도 작용에 의해 회전자에 전류를 흘리고 그로 인해 회전력을 발생시키는 방식이다.
이러한 AC 서보모터의 구조적 특성은 제어 측면에서 장단점으로 작용한다. 동기형은 유도형에 비해 제어가 복잡하지만 고속 운전이 가능하며, 유도형은 동기형에 비해 제어가 상대적으로 단순하지만 낮은 토크 특성을 가진다. 따라서 응용 분야에 따라 적합한 AC 서보모터 타입을 선택해야 한다.
1.1.2. 동기형과 유도형 AC 서보모터의 차이
동기형과 유도형 AC 서보모터의 차이는 다음과 같다.
동기형 AC 서보모터는 회전자 자체가 영구자석이며, 회전자와 고정자 사이의 흡인력에 의해 회전력이 발생한다. 반면 유도형 AC 서보모터는 회전자에 전자유도에 의해 전류가 흐르고, 그 전류와 회전자계 사이의 상호작용에 의해 회전력이 발생한다.
즉, 동기형 AC 서보모터는 회전자가 영구자석으로 되어 있어 전자유도 작용이 아닌 자기적 흡인력을 이용하여 회전력을 얻는 반면, 유도형 AC 서보모터는 회전자에 유도된 전류와 고정자 자계 사이의 상호작용에 의해 회전력을 얻는다는 점에서 차이가 있다.
이에 따라 동기형 AC 서보모터는 유도형에 비해 제어가 더 복잡하지만, 효율이 높고 고속·대형 부하 시스템에 유리하다. 반면 유도형 AC 서보모터는 구조가 더 단순하고 제어가 상대적으로 용이하다는 장점이 있다.
1.2. AC 서보모터 제어
1.2.1. 비례제어 시스템
비례제어 시스템은 입력신호에 대해 비례적으로 출력신호를 내보내는 가장 기본적인 제어 시스템이다. 비례제어기의 전달함수는 K(s) = Kp로 나타낼 수 있으며, 여기서 Kp는 비례제어기의 게인을 의미한다.
비례제어기는 시스템의 안정성을 판단할 수 있는 세 가지 성능지수 중 하나인 정상상태 오차를 개선하는데 효과적이다. 정상상태 오차는 시스템의 입력신호와 출력신호의 차이를 의미하며, 비례제어기를 사용하면 이 오차를 줄일 수 있다. 하지만 비례제어기만으로는 시스템의 응답 속도와 과도응답 특성을 개선하기는 어렵다.
따라서 실제 산업현장에서는 비례제어기를 단독으로 사용하기보다는 다른 제어기와 결합하여 사용하는 경우가 많다. 예를 들어 비례-적분(PI) 제어기나 비례-미분(PD) 제어기를 사용하여 시스템의 응답 특성을 종합적으로 개선할 수 있다. 비례제어기는 이와 같이 다른 제어기와 함께 사용되어 시스템의 안정성과 성능을 향상시키는데 기여한다고 볼 수 있다.
1.2.2. PI 제어기
PI 제어기는 비례-적분 제어기로, 비례 제어기와 적분 제어기가 결합된 형태이다. PI 제어기 K(s)의 형태는 다음과 같다. K(s) = Kp (1 + 1/Tis)
PI 제어시스템의 경우 오차 ...
