서보 모터를 구동하는 방법과 필요한 구성 요소

작성 날짜: 2021/07/21 수요일
업데이트 날짜: 2024/07/1 월요일

우리는 여기서 전자기학에 대해 많이 얘기하지 않지만, 소형 모터의 구동 및 제어는 중요한 주제입니다. 소비자 및 산업 제품에 많이 사용되는 모터 유형 중 하나는 서보 모터입니다. 이 유형의 모터는 폐쇄 피드백 루프, 통합 인코더 및 제어 알고리즘이 필요하지만, 제공하는 위치 및 속도 제어는 다양한 응용 프로그램에서 높은 적응성을 만들어냅니다.

서보 모터를 구동하는 방법에 대한 질문은 센싱이 어떻게 구현되고 구동되는 모터의 유형을 살펴보는 것을 요구합니다. 고출력 서보를 다루지 않는 한, 드라이버 회로를 구축하기 위해 개별 반도체를 사용할 필요가 없습니다. 대신, 올바른 전자 부품 검색 엔진으로 시장에서 서보 컨트롤러를 찾을 수 있습니다. 서보 모터를 구동하고 제어하는 데 필요한 구성 요소와 다음 전자기계 시스템을 위한 시장의 구성 요소 옵션을 살펴보겠습니다.

서보 모터 구동 방법

서보 모터를 구동하는 방법에 대해 알아보기 전에, 서보 모터를 처음 다루는 사람들은 서보 모터가 특정 유형의 모터가 아니라는 것을 알아야 합니다. 오히려 "서보"라는 용어는 모터가 구동되는 방식과 그 위치, 속도 및 가속도가 제어되는 방식을 나타냅니다. 서보 모터에서는 모터와 컨트롤러 사이의 피드백 루프를 통해 제어가 적용되며, 모터의 위치/속도는 모터 내부의 통합 인코더로 감지됩니다. 이 기능을 제공하는 일부 센서에는 통합 포텐쇼미터, 홀 효과 센서 또는 포토게이트 및 포토다이오드가 있는 LED가 있습니다.

서보 모터 구동은 구동 및 제어 회로의 두 가지 중요한 요소로 구성됩니다:

조절 가능한 구동 신호. 서보 모터에서는 PWM 신호를 사용하여 로터를 특정 위치로 회전시킵니다. 듀티 사이클을 조정함으로써 회전 속도를 조절할 수 있습니다.
센싱 및 제어 회로. 제어 및 센싱 회로는 모터가 작동하는 동안 로터의 위치와 속도를 결정합니다. 피드백 제어를 통해 매우 정확한 속도를 유지할 수 있습니다.
피드백 루프 및 구동 조정. 이는 전문 드라이브 컨트롤러 또는 MCU로 수행될 수 있습니다. 모든 서보 모터에 인코더가 있는 것은 아닙니다.
제동. 우리는 항상 모터 구동에 대해 이야기하는 것을 좋아하지만, 모터 제동에 대해 이야기하는 사람은 거의 없습니다. 서보는 로터를 늦추고 제동 후 위치를 유지하기 위한 제동 회로 및 논리가 필요합니다.

서보 모터는 제어선을 통해 PWM 신호를 보내고 모터에 전력을 공급함으로써 구동됩니다. 펄스 폭에 따라 서보 모터 내의 로터가 특정 각도로 회전할 수 있으며, 즉 듀티 사이클이 샤프트의 최종 위치를 결정합니다. 서보 모터는 DC 또는 AC 전압으로 구동할 수 있으며, 인코더 신호(있는 경우)는 프로세서 또는 드라이버와 피드백 루프를 닫습니다. 아래에 서보 모터와 그 컨트롤러/드라이버의 기본 구조가 나와 있습니다.

모터 컨트롤러 IC로 서보 모터를 구동하는 방법을 보여주는 블록 다이어그램.

서보로 위치 유지하기

서보의 좋은 점은 작동 단계 사이에 위치를 유지하도록 구성할 수 있다는 것입니다. 서보 모터가 제공하는 유지 토크는 스테퍼 모터에서 나오는 것과 비교할 수 있습니다. 외부 힘이 로터를 정지 위치에서 밀어낼 경우, 인코더는 이러한 편차를 감지하고 컨트롤러가 외부 힘에 맞서 구동하도록 하여 로터 위치를 유지합니다. 서보는 지정된 토크 내의 모든 힘을 유지할 수 있습니다.

서보 드라이버의 구조

서보 드라이브 컨트롤러에는 여러 옵션이 있으며, 일반적인 구성 요소에서 적합한 드라이버 및 제어 회로를 구축할 수도 있습니다. 서보를 구동하고 제어하기 위한 몇 가지 간단한 방법은 다음과 같습니다:

듀얼 MOSFET 드라이버. 이 방법은 저전압 서보와 논리 레벨에서 스위칭할 수 있는 MOSFET에 가장 적합합니다.
DAC 구동. PWM 드라이버에 의존하기보다는 구동 파형을 직접 생성할 수 있습니다.
PWM 제어 H-브리지. 이 방법은 서보 모터에 높은 동기 전류를 제공할 수 있습니다.

첫 번째와 두 번째 옵션에서는 제어 루프, 구동 및 감지를 모두 MCU에서 구현할 수 있습니다. 이 경우, 논리 레벨에서 켤 수 있는 MOSFET을 사용하고 서보 모터의 등급보다 높은 전압 등급을 가진 MOSFET을 사용하여 MOSFET이 어떤 과도 현상에도 견딜 수 있도록 합니다. 마지막 옵션은 서보를 구동하는 데 필요한 전류량에 따라 다릅니다. 다행히도, 표준 모터 드라이버 회로와 함께 사용할 수 있는 컨트롤러 IC가 있어 단일 드라이버/컨트롤러 솔루션을 제공합니다.

저비용 SMD(24핀 SOIC) 정밀 모터 컨트롤러의 한 예는 Texas Instruments의 LM628/LM629입니다. 이 구성 요소는 DAC 기반 구동 또는 외부 H-브리지를 직접 구동하기 위한 8비트 PWM 출력을 포함한 디지털 PID 제어 루프를 통합합니다. LM268 버전에서는 드라이버 신호를 생성하기 위해 외부 8비트에서 12비트 DAC가 권장됩니다. LM629 기반 컨트롤러는 외부 H-브리지를 직접 구동하기 위한 8비트 PWM 출력을 제공합니다. 둘 다 더 열악한 환경에서 사용할 수 있는 28핀 DIP 패키지로 제공됩니다.

Texas Instruments의 LM628 서보 모터 제어 IC에 대한 블록 다이어그램. LM628 데이터시트에서.

전기기계 시스템을 위한 기타 구성 요소

모터 드라이브 및 제어 회로의 크기나 복잡성에 관계없이, 시스템에서 사용하는 드라이브 컨트롤러를 지원하기 위해 많은 구성 요소가 필요합니다. 이러한 구성 요소는 전력을 제공하는 것부터 사용자로부터 명령을 받는 것까지 모든 것을 수행해야 합니다. 제품에 필요할 수 있는 기타 구성 요소는 다음과 같습니다:

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