선형 모션 시스템은 정밀 레이저 절단 시스템, 실험실 자동화 장비, 반도체 제조 기계, CNC 기계, 공장 자동화 등 셀 수 없이 많은 기계 내부에서 발견됩니다. 이는 승용차의 저렴한 시트 액추에이터와 같은 상대적으로 단순한 것부터 폐쇄 루프 위치 지정을 위한 제어 및 구동 전자 장치를 갖춘 복잡한 다축 좌표계까지 다양합니다. 선형 모션 시스템이 아무리 간단하든 복잡하든 가장 기본적인 수준에서는 모두 한 가지 공통점이 있습니다. 즉, 특정 시간 내에 선형 거리를 통해 부하를 이동한다는 것입니다.

선형 모션 시스템을 설계할 때 가장 흔히 묻는 질문 중 하나는 모터 기술에 관한 것입니다. 기술을 선택한 후에는 안전한 최대 작동 온도를 유지하면서 부하 가속 요구 사항을 충족하고 시스템의 마찰을 극복하고 중력의 영향을 극복할 수 있도록 모터 크기를 조정해야 합니다. 모터의 토크, 속도, 출력 및 위치 지정 기능은 구동 및 제어와 결합된 모터 설계의 기능입니다.

어떤 모터로 시작해야 합니까?

특정 모터 기술을 사용하여 선형 모션 시스템을 설계할 때 고려해야 할 응용 관련 질문이 많이 있습니다. 전체 프로세스에 대한 철저한 설명은 이 기사의 범위를 벗어납니다. 그 목적은 모터 공급업체와 대화할 때 올바른 질문을 하는 것에 대해 생각하도록 하는 것입니다.

모든 응용 분야에 가장 적합한 모터란 없습니다. 오히려 특정 응용 분야에 가장 적합한 모터가 있습니다. 대부분의 증분 모션 애플리케이션에서는 스테퍼 모터, 브러시 DC 모터 또는 브러시리스 DC 모터 중 하나를 선택할 수 있습니다. 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 시스템을 사용하면 최대 정확도, 반복성 및 위치 결정 분해능을 얻을 수 있지만 회전식 모터와 비교할 때 비용과 복잡성이 가장 높습니다. 회전식 모터를 사용하는 아키텍처는 훨씬 저렴하며 대부분의 선형 모션 애플리케이션을 충족합니다. 그러나 부하를 구동하려면 "회전-선형" 변환(결과적으로 전력 변환) 수단이 필요합니다.

스테퍼, 브러시 및 브러시리스 모터는 모두 DC 모터로 간주됩니다. 그러나 엔지니어가 특정 응용 분야에서 다른 두 가지 유형보다 한 가지 유형을 선호하게 만드는 미묘한 점이 존재합니다. 이 선택은 속도와 토크뿐만 아니라 위치 정확도, 반복성 및 분해능 요구 사항 측면에서도 시스템의 설계 요구 사항에 크게 의존한다는 점을 강조해야 합니다. 모든 응용 분야에 완벽한 모터는 없으며 모든 결정에는 설계 균형이 필요합니다. 가장 기본적인 수준에서 AC 또는 DC, 브러시, 브러시리스 또는 기타 전기 모터라고 불리는 모든 모터는 동일한 물리학 원리에 따라 작동하여 토크를 생성합니다. 즉, 자기장의 상호 작용입니다. 그러나 이러한 다양한 모터 기술이 특정 응용 분야에서 반응하는 방식에는 큰 차이가 있습니다. 전반적인 모터 성능, 응답 및 토크 생성은 물리적 모터 설계에 내재된 자기 회로 구조 및 필드 여기 방법, 컨트롤러/드라이브에 의한 입력 전압 및 전류 제어, 속도 또는 위치 피드백 방법에 따라 달라집니다. 신청이 필요합니다.

DC 스테퍼, 브러시 서보 및 브러시리스 서보 모터 기술은 모두 DC 전원을 사용하여 전원을 공급합니다. 선형 모션 애플리케이션의 경우 이는 고정 DC 소스를 모터 권선에 직접 적용할 수 있다는 의미는 아닙니다. 권선 전류(출력 토크와 관련) 및 권선 전압(출력 속도와 관련)을 제어하려면 전자 장치가 필요합니다. 아래 목록은 3가지 기술의 강점과 약점을 요약한 것입니다.

선형 시스템의 설계는 부하 질량과 질량이 A 지점에서 B 지점으로 이동하는 데 필요한 속도로 시작됩니다. 모터 유형, 크기 및 기계 설계는 부하를 이동하는 데 필요한 전력(와트)으로 시작됩니다. 부하부터 시작하여 궁극적으로 모든 구성 요소를 거쳐 드라이브 전원 공급 장치까지 역으로 작업하는 분석은 시스템의 한 부분에서 다른 부분으로의 전력 변환을 이해하는 동시에 그 사이에 있는 구성 요소의 다양한 효율성을 고려하는 일련의 단계입니다. 드라이브에 전달되는 전압 및 전류 형태의 와트는 궁극적으로 특정 시간 동안 특정 부하를 이동시키는 기계적 출력 와트로 변환됩니다.

부하에 필요한 출력 전력을 표시하려면 간단한 전력 계산을 통해 모터를 파악하는 데 도움이 됩니다. 필요한 평균 출력 전력을 이해한 후 다시 모터로 돌아가서 다양한 전력 변환 요소를 통해 구동하여 전력 요구 사항 분석을 완료합니다. 다양한 구성 요소의 효율성을 고려하려면 제조업체의 데이터를 참조해야 합니다. 이는 궁극적으로 모터와 전원 공급 장치의 크기를 결정하기 때문입니다. 어떤 단위를 사용할지는 개인 취향이지만 SI 단위를 적극 권장합니다. SI 단위로 작업하면 여러 변환 상수를 기억할 필요가 없으며 최종 결과는 언제든지 영국식 단위로 다시 변환될 수 있습니다.

필요한 시간 내에 하중을 이동하려면 얼마나 많은 전력이 필요합니까?

중력에 맞서 9kg의 질량을 들어올리려면 약 88N의 힘이 필요합니다. 부하를 이동하는 데 필요한 와트를 계산하면 나머지 시스템의 구성 요소를 결정하기 위한 출발점이 제공됩니다. 이는 9Kg의 질량을 1초 안에 A지점에서 B지점까지 수직으로 이동시키는 데 필요한 평균 전력입니다. 마찰과 같은 시스템 손실은 포함되지 않습니다. 필요한 모터 샤프트 동력은 다소 높으며 기어박스 및 리드 스크류와 같이 시스템에 사용되는 다른 구성 요소에 따라 달라집니다.

P = (F × S) / 티

P = (88N × 0.2m) / 1.0s = 17.64w

이는 시스템에 필요한 최대 전력과 다릅니다. 가속 및 감속을 고려하면 이동 프로필 중 순간 전력이 다소 높아집니다. 그러나 부하에 필요한 평균 출력 전력은 약 18와트입니다. 모든 구성 요소를 철저히 분석한 후에는 이와 같은 시스템이 작업을 수행하는 데 약 37W의 피크 전력이 필요합니다. 다양한 기타 애플리케이션 사양과 함께 이 정보는 이제 가장 적합한 모터 기술을 선택하는 데 도움이 됩니다.

어떤 모터 기술을 고려해야 합니까?

뛰어난 위치 지정 기능과 상대적으로 간단한 제어 기능으로 인해 설계자는 스테퍼 모터 사용 가능성을 먼저 살펴보게 됩니다. 그러나 스테퍼 모터는 부하 요구 사항을 충족하면서 작은 기계적 설치 공간 요구 사항을 충족하지 못합니다. 37와트의 피크 전력 요구 사항에는 매우 큰 스테퍼 모터가 필요합니다. 스테퍼 모터는 저속에서 매우 높은 토크를 갖고 있지만 최대 속도와 이동 프로필의 전력 요구 사항은 가장 큰 스테퍼 모터를 제외한 모든 모터의 성능을 초과합니다.

브러시 DC 서보 모터는 부하 요구 사항, 작은 기계적 설치 공간을 충족하고 저속에서 매우 부드럽게 회전합니다. 그러나 엄격한 EMC 요구 사항으로 인해 이 특정 응용 분야에는 브러시 모터를 사용하지 않는 것이 가장 좋습니다. 이는 브러시리스 시스템에 비해 비용이 저렴한 대안이지만 엄격한 EMC 요구 사항을 통과하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.

정현파 구동 시스템을 사용하는 브러시리스 DC 모터는 부하 및 모션 프로필(고전력 밀도)을 포함한 모든 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 첫 번째 선택이 될 것입니다. 저속에서 부드럽고 톱니바퀴 없는 움직임; 그리고 작은 기계적 설치 공간. 이 경우 드라이브 전자 장치의 고주파 스위칭으로 인해 EMI 신호가 발생할 가능성이 여전히 존재합니다. 그러나 이는 더 좁은 주파수 대역으로 인해 인라인 필터링을 사용하여 완화될 수 있습니다. 브러시 DC 모터는 더 넓은 대역의 EMI 특성을 나타내므로 필터링하기가 더 어렵습니다.

모터 크기 조정은 시작일 뿐입니다

이 기사는 비교적 간단한 선형 모션 애플리케이션을 위한 모터 기술을 선택할 때 설계자에게 다양한 고려 사항을 소개하기 위한 간략한 논의였습니다. XY 테이블이나 다축 정밀 픽 앤 플레이스 메커니즘과 같은 보다 복잡한 시스템의 원리는 동일하지만 각 축의 하중을 독립적으로 분석해야 합니다. 이 기사의 범위를 벗어나는 또 다른 고려 사항은 시스템의 원하는 수명(사이클 수)을 충족하기 위해 적절한 안전 계수를 선택하는 방법입니다. 시스템 수명은 모터 크기의 함수일 뿐만 아니라 기어박스 및 리드 스크류 어셈블리와 같은 시스템의 다른 기계 요소의 함수이기도 합니다. 위치 정확도, 분해능, 반복성, 최대 롤, 피치, 요 등의 기타 요소는 모두 선형 모션 시스템이 애플리케이션 목표를 충족하거나 초과하는지 확인하는 중요한 고려 사항입니다.