서보 전동기의 제어와 구비조건

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1 출제 포인트 — 이렇게 나옵니다

38회 시험 중에서 9번 나왔습니다

2010~2022년 기출 38회 시험 기준

출제 회차 2010년 1차 · 2011년 2차 · 2011년 3차 · 2012년 3차 · 2014년 2차 · 2015년 1차 · 2020년 2차 · 2020년 3차 · 2021년 2차

2 쉬운 설명

서보모터(서보전동기)는 제어 신호에 따라 위치나 속도를 정확히 따라가도록 만든 전동기이다.

5문단 · 상세한 내용보기접어서 간단히 보기

서보모터에 요구되는 조건은 다음과 같다(2015-03-08 시행 43번 해설). 빈번한 시동·정지·역전의 가혹한 상태에 견디도록 견고하고 큰 돌입전류(기동 순간에 잠깐 흐르는 큰 전류)에 견딜 것, 시동 토크가 크고 회전부의 관성 모멘트가 작으며 전기적 시정수가 짧을 것, 발생 토크가 입력신호에 비례하고 그 비가 클수록 좋을 것이다. 관성 모멘트는 작을수록 반응이 빠르고, 전기적 시정수는 짧을수록 빠르다. 교류 서보모터는 직류 서보모터에 비해 시동 토크가 작으며, 2020-08-22 시행 42번 해설은 이를 시동 토크는 직류 서보모터가 교류 서보모터보다 매우 크다고 적는다.

서보모터로 쓰이는 전동기와 제어 방식으로는 직류기의 전압 제어, 유도기의 전압 제어, 동기 기기의 주파수 제어가 흔히 쓰이고, 릴럭턴스기를 전압만으로 제어해 서보용으로 쓰는 방식은 일반적으로 쓰이지 않는다(2010-03-07 시행 60번 해설). 직류(DC) 서보모터가 하는 제어는 2012-08-26 시행 45번 해설이 속도·위치·전류(토크) 제어, 2021-05-15 시행 53번 해설이 토크·속도·위치 제어로 적는다. 역률은 교류 회로에서 전압과 전류의 위상차로 생기는 값이라 직류 서보모터의 제어 대상이 아니다.

2상 서보모터에는 일정한 전압을 받는 기준(여자)권선과, 제어 신호에 따라 전압의 크기가 바뀌는 제어권선이 있다. 두 권선의 전압은 위상이 90° 어긋나야 회전자계가 생기는데, 일반 전원에서 이를 직접 얻기 어려워 증폭기 안에서 위상을 조정해 제어권선 전압을 만든다(2020-09-26 시행 48번 해설). 2상 전원을 직접 이용하는 방법, 환상 결선 변압기를 이용하는 방법, 여자권선에 리액터를 삽입하는 방법은 서보모터의 2상 전압을 얻는 데 널리 쓰는 방법이 아니다.

슬립 $s$ 는 회전자가 동기속도보다 얼마나 늦은지를 나타내는 비율 $s=\frac{N_{s}-N}{N_{s}}$ ( $N_{s}$ 는 동기속도, $N$ 은 회전자 속도)이며, 정지하면 1 이고 동기속도로 돌면 0 이다. 유도전동기에서 최대 토크가 나타나는 슬립은 회전자 저항 $r_{2}$ 에 비례하며(비례추이), 저항을 키울수록 최대 토크 점이 슬립이 큰 쪽(정지 쪽)으로 이동한다. 서보전동기는 회전자 저항을 크게 하므로, 3상 서보전동기에 평형 2상 전압을 가해 동작시킬 때 최대 토크의 슬립이 $0.2<s<0.8$ 범위에 놓인다(2011-08-21 시행 55번 해설).

DC 서보모터의 기계적 시정수는 모터가 명령을 받고 목표 속도의 약 63%까지 도달하는 데 걸리는 시간이며, 작을수록 반응이 빠르다(2011-06-12 시행 52번 해설의 용어설명). 이 문항은 $R$ 을 권선의 저항, $J$ 를 관성 모멘트, $K_{e}$ 를 서보 유기 전압정수, $K_{f}$ 를 서보 모터의 도체 정수로 놓는다. 기계적 시정수 $\tau_{m}$ 은 관성과 저항이 클수록 커지고 $K_{e}$ , $K_{f}$ 가 클수록 작아진다. 식을 세우는 순서는 아래 체크리스트에 있다.

3 이 개념이 나온 기출문제

해설·법령 근거까지 가입 없이 보실 수 있습니다. 최신 5개년 문항은 여기 나오지 않습니다.

4 체크리스트 + 암기팁

암기팁 느리게 하는 것(

J

R

)은 위, 빠르게 하는 것(

K_{e}

K_{f}

)은 아래 —

\displaystyle \tau_{m}=\frac{JR}{K_{e}K_{f}}

암기팁 슬립 1 = 정지 · 0 = 동기속도 · 서보전동기는 저항을 크게 해 최대 토크가 중간 슬립(0.2~0.8).

서보모터 구비조건 문항에서 틀린 보기는 교류와 직류의 시동 토크를 거꾸로 적은 「직류 서보모터에 비하여 교류 서보모터의 시동 토크가 매우 클 것」이다(2015-03-08 시행 43번, 2020-08-22 시행 42번). 맞는 보기는 견고하고 큰 돌입전류에 견딜 것, 시동 토크가 크고 관성 모멘트가 작고 전기적 시정수(2020-08-22 시행 42번 보기는 「전기력 시정수」)가 짧을 것, 발생 토크가 입력신호에 비례하고 그 비가 클 것이다.
DC 서보모터의 제어에 속하지 않는 것은 역률 제어이다. 역률은 교류에서 전압과 전류의 위상차로 생기는 값이고 직류에는 위상차가 없기 때문이다(2012-08-26 시행 45번, 2021-05-15 시행 53번).
서보전동기로 쓰이는 전동기와 제어 방식의 조합이 아닌 것은 릴럭턴스기의 전압 제어이다. 직류기와 유도기는 전압 제어, 동기 기기는 주파수 제어이다(2010-03-07 시행 60번). 2상 교류 서보모터의 2상 전압을 얻는 널리 쓰이는 방법은 증폭기 내에서 위상을 조정하는 방법이며, 증폭기 안에서 위상을 90° 옮겨 제어권선 전압을 만든다(2020-09-26 시행 48번).

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3상 서보전동기에 평형 2상 전압을 가할 때 최대 토크의 슬립 범위는 $0.2<s<0.8$ 이다(2011-08-21 시행 55번). $0.05<s<0.2$ 는 회전자 저항이 작은 일반 유도전동기에서 최대 토크가 나타나는 쪽의 범위이고, $0.8<s<1$ 은 정지( $s=1$ )에 바짝 붙은 구간으로 정답보다 정지 쪽에 치우쳐 있으며, $1<s<2$ 는 회전자가 회전자계와 반대 방향으로 도는 구간이라 정상 운전 범위가 아니다.
교류 타코미터의 제어권선 전압 $e(t)$ 는 회전각 $\theta$ 자체가 아니라 회전각의 시간 변화율 $\frac{d\theta}{dt}$ , 곧 각속도에 비례한다. 멈추면 전압이 0 이 되고 빠르게 돌수록 커진다(2014-05-25 시행 56번). 교류 타코미터는 서보 기구에서 속도를 되먹임할 때 쓴다.
DC 서보모터 기계적 시정수의 식을 세우는 순서(2011-06-12 시행 52번): 먼저 전기자 전류 $i$ 는 공급 전압 $V$ 에서 역기전력 $K_{e}\omega$ 를 뺀 값을 저항 $R$ 로 나눈 것이다( $\omega$ 는 회전 속도). 다음에 모터가 내는 토크는 $K_{f}\times i$ 이고 이 토크가 관성 $J$ 를 가속하므로 $J\times(\text{속도 변화율})=K_{f}\times i$ 이다. 앞의 $i$ 를 여기에 넣으면 $J\times(\text{속도 변화율})=\frac{K_{f}V}{R}-\frac{K_{e}K_{f}}{R}\times\omega$ 이고, 양변을 $\frac{K_{e}K_{f}}{R}$ 로 나누면 속도 변화율 앞에 붙는 시간 값이 $\frac{JR}{K_{e}K_{f}}$ 로 남는다. 이것이 기계적 시정수 $\tau_{m}$ 이다.

5 예제 — 이 개념, 실제로 이렇게 나왔습니다

2011년 3차 전기기기 55번 — 서보전동기 최대 토크 슬립 범위3상 서보전동기에 평형 2상 전압을 가하여 동작시킬 때의 속도-토크 특성곡선에서 초대 토크가 발생하는 슬립 s의 범위로 가장 적당한 것은?옳은 것 고르기해설 보기 →2015년 1차 전기기기 43번 — 서보모터 특성 중 틀린 것자동제어장치에 쓰이는 서보모터의 특성을 나타내는 것 중 틀린 것은?옳지 않은 것 고르기해설 보기 →2020년 3차 전기기기 48번 — 2상 서보모터의 2상 전압 얻는 법2상 교류 서브모터를 구동하는데 필요한 2상 전압을 얻는 방법으로 널리 쓰이는 방법은?옳은 것 고르기해설 보기 →