선형 운동 시스템은 정밀 레이저 절단 시스템, 실험실 자동화 장비, 반도체 제조 장비, CNC 기계, 공장 자동화 장비 등 무수히 많은 기계에 사용됩니다. 그 종류는 승용차에 사용되는 저렴한 시트 액추에이터처럼 비교적 단순한 것부터 폐루프 위치 제어를 위한 제어 및 구동 전자 장치를 갖춘 복잡한 다축 좌표계에 이르기까지 다양합니다. 선형 운동 시스템의 구조가 아무리 단순하거나 복잡하더라도 가장 기본적인 원리는 모두 특정 시간 내에 하중을 직선 거리만큼 이동시키는 것입니다.

선형 모션 시스템을 설계할 때 가장 흔히 제기되는 질문 중 하나는 모터 기술에 관한 것입니다. 기술이 선택되면 모터는 부하 가속도, 시스템 내 마찰 극복, 중력의 영향 극복, 그리고 안전한 최대 작동 온도 유지 등 여러 요구 사항을 충족하도록 크기를 정해야 합니다. 모터의 토크, 속도, 출력 및 위치 제어 능력은 구동 및 제어 시스템과 결합된 모터 설계에 따라 결정됩니다.

어떤 모터부터 시작해야 할까요?

특정 모터 기술을 사용하여 선형 운동 시스템을 설계할 때 고려해야 할 응용 관련 질문이 많습니다. 전체 과정을 자세히 설명하는 것은 이 글의 범위를 벗어납니다. 이 글의 목적은 모터 공급업체와 상담할 때 어떤 질문을 해야 할지 생각해 보도록 하는 것입니다.

모든 용도에 가장 적합한 모터란 존재하지 않으며, 특정 용도에 가장 적합한 모터가 있을 뿐입니다. 대부분의 증분 모션 애플리케이션에서는 스테퍼 모터, 브러시 DC 모터 또는 브러시리스 DC 모터를 선택하게 됩니다. 가장 복잡한 모션 시스템에서는 기계적 동력 변환이 필요 없는 선형 모터를 부하에 직접 연결하여 사용할 수 있습니다. 즉, 리드 스크류/볼 스크류, 기어박스 또는 풀리 시스템을 통한 이동이 필요하지 않습니다. 코어리스 직접 구동 선형 서보 시스템은 최대의 정확도, 반복성 및 위치 해상도를 달성할 수 있지만, 회전 모터에 비해 비용과 복잡성이 가장 높습니다. 회전 모터를 사용하는 아키텍처는 훨씬 저렴하며 대부분의 선형 모션 애플리케이션에 적합하지만, 부하를 구동하기 위해서는 "회전-선형" 변환(및 그에 따른 동력 변환)이 필요합니다.

스테퍼 모터, 브러시 모터, 브러시리스 모터는 모두 DC 모터로 분류되지만, 특정 용도에 따라 엔지니어가 선호하는 유형이 달라지는 미묘한 차이가 존재합니다. 이러한 선택은 속도와 토크뿐만 아니라 위치 정확도, 반복성, 분해능 등 시스템 설계 요구 사항에 따라 크게 좌우된다는 점을 강조해야 합니다. 모든 용도에 완벽한 모터는 없으며, 모든 결정에는 설계상의 절충이 필요합니다. 가장 기본적인 수준에서, AC 모터든 DC 모터든, 브러시 모터든 브러시리스 모터든 모든 전기 모터는 자기장의 상호 작용이라는 동일한 물리적 원리를 이용하여 토크를 생성합니다. 그러나 이러한 다양한 모터 기술이 특정 용도에서 반응하는 방식에는 상당한 차이가 있습니다. 모터의 전반적인 성능, 응답 및 토크 생성은 물리적 모터 설계에 내재된 자계 여자 방식과 자기 회로 구조, 컨트롤러/드라이브에 의한 입력 전압 및 전류 제어, 그리고 용도에 따라 필요한 경우 속도 또는 위치 피드백 방식에 따라 달라집니다.

DC 스테퍼 모터, 브러시 서보 모터, 브러시리스 서보 모터 기술은 모두 DC 전원을 동력원으로 사용합니다. 선형 운동 응용 분야에서는 고정된 DC 전원을 모터 권선에 직접 인가할 수 있는 것은 아닙니다. 권선 전류(출력 토크와 관련됨)와 권선 전압(출력 속도와 관련됨)을 제어하기 위한 전자 회로가 필요합니다. 아래는 세 가지 기술의 장단점을 요약한 것입니다.

선형 시스템의 설계는 부하의 질량과 그 질량이 A 지점에서 B 지점으로 이동하는 데 필요한 속도를 결정하는 것에서 시작됩니다. 모터의 종류, 크기 및 기계적 설계는 부하를 이동시키는 데 필요한 출력(와트)을 기준으로 결정됩니다. 부하에서 시작하여 모든 구성 요소를 거쳐 최종적으로 구동 전원 공급 장치에 이르기까지, 분석은 시스템의 한 부분에서 다른 부분으로의 전력 변환을 이해하고 그 과정에서 각 구성 요소의 효율을 고려하는 일련의 단계입니다. 구동 장치에 입력되는 전압과 전류 형태의 와트는 궁극적으로 특정 시간 동안 주어진 부하를 이동시키는 기계적 출력 와트로 변환됩니다.

부하에 필요한 출력 전력을 대략적으로 파악하려면 간단한 전력 계산을 통해 모터의 크기를 가늠할 수 있습니다. 필요한 평균 출력 전력을 파악한 후에는 모터와 드라이브에 필요한 전력을 계산하기 위해 다양한 전력 변환 요소를 역산하여 최종 전력 요구량을 분석합니다. 제조사 자료를 참조하여 각 부품의 효율을 고려해야 합니다. 이는 궁극적으로 모터와 전원 공급 장치의 크기를 결정하는 중요한 요소입니다. 어떤 단위를 사용할지는 개인적인 선호도에 따라 다르지만, SI 단위를 사용하는 것이 좋습니다. SI 단위를 사용하면 여러 변환 상수를 기억할 필요가 없고, 최종 결과는 언제든지 다시 영국식 단위로 변환할 수 있습니다.

정해진 시간 안에 하중을 이동시키려면 얼마나 많은 동력이 필요합니까?

중력에 저항하여 9kg의 물체를 들어 올리려면 약 88N의 힘이 필요합니다. 이 하중을 움직이는 데 필요한 와트(W)를 계산하면 시스템의 나머지 구성 요소를 결정하는 출발점이 됩니다. 이는 9kg의 물체를 1초 동안 A 지점에서 B 지점으로 수직 이동시키는 데 필요한 평균 동력입니다. 마찰과 같은 시스템 손실은 포함되지 않았습니다. 모터 축에 필요한 동력은 이보다 다소 높으며 기어박스 및 리드 스크류와 같은 시스템에 사용되는 다른 구성 요소에 따라 달라집니다.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0.2m) / 1.0s = 17.64w

이는 시스템에 필요한 최대 출력과는 다릅니다. 가속 및 감속을 고려하면 이동 프로파일 동안의 순간 출력은 다소 높아지지만, 부하에 필요한 평균 출력은 약 18와트입니다. 모든 구성 요소를 철저히 분석한 결과, 이러한 시스템은 작업을 완료하는 데 약 37와트의 최대 출력이 필요합니다. 이 정보는 다른 여러 애플리케이션 사양과 함께 가장 적합한 모터 기술을 선택하는 데 도움이 될 것입니다.

어떤 모터 기술을 고려해야 할까요?

뛰어난 위치 제어 능력과 비교적 간단한 제어 방식 때문에 설계자는 스테퍼 모터를 먼저 고려하게 될 것입니다. 그러나 스테퍼 모터는 부하 요구 사항을 충족하면서 작은 기계적 공간만 차지해야 하는 조건을 만족시키지 못합니다. 최대 전력 요구량이 37와트에 달하려면 매우 큰 스테퍼 모터가 필요합니다. 스테퍼 모터는 저속에서 매우 높은 토크를 가지고 있지만, 동작 프로파일의 최고 속도, 즉 요구되는 전력은 가장 큰 스테퍼 모터를 제외한 대부분의 모터의 성능을 초과합니다.

브러시 DC 서보 모터는 부하 요구 사항을 충족하고, 기계 설치 공간이 작으며, 저속에서 매우 부드러운 회전을 제공합니다. 그러나 엄격한 EMC 요구 사항 때문에 이 특정 용도에는 브러시 모터를 사용하지 않는 것이 좋습니다. 브러시리스 시스템에 비해 가격이 저렴하지만, 엄격한 EMC 요구 사항을 통과하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.

정현파 구동 시스템을 사용하는 브러시리스 DC 모터는 부하 및 동작 프로파일(높은 출력 밀도), 저속에서의 부드럽고 톱니 없는 움직임, 작은 기계적 크기 등 모든 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 데 최적의 선택입니다. 이 경우에도 구동 전자 장치의 고주파 스위칭으로 인해 EMI 신호가 발생할 가능성이 있지만, 주파수 대역이 좁기 때문에 인라인 필터링을 통해 완화할 수 있습니다. 브러시 DC 모터는 더 넓은 주파수 대역의 EMI 신호를 나타내므로 필터링이 더 어렵습니다.

엔진 크기 선정은 단지 시작일 뿐입니다.

이 글은 비교적 단순한 선형 운동 응용 분야에 적합한 모터 기술을 선택할 때 설계자가 고려해야 할 다양한 사항들을 간략하게 소개하는 내용입니다. XY 테이블이나 다축 정밀 픽앤플레이스 메커니즘과 같은 더 복잡한 시스템에서도 원리는 동일하지만, 각 축에 대한 부하 분석은 개별적으로 수행해야 합니다. 이 글의 범위를 벗어나는 또 다른 고려 사항은 시스템의 원하는 수명(작동 횟수)을 충족하기 위해 적절한 안전 계수를 선택하는 방법입니다. 시스템 수명은 모터 크기뿐만 아니라 기어박스, 리드 스크류 어셈블리와 같은 시스템의 다른 기계적 요소에도 영향을 받습니다. 위치 정밀도, 분해능, 반복성, 최대 롤, 피치, 요 등의 요소 또한 선형 운동 시스템이 응용 분야의 목표를 달성하거나 초과하도록 보장하는 데 중요한 고려 사항입니다.