서보 구동 선형 액추에이터는 축이 변동하는 하중, 강한 가속, 높은 지속 속도, 정밀한 추적 또는 비싼 위치 오류를 처리해야 할 때 보통 더 적합합니다. 스테퍼 구동 축은 속도가 보통이고 하중 여유가 보수적이며 개방 루프 위치 보장이 허용될 때 예측 가능한 지점 간 모션에 대해 더 간단한 선택이 될 수 있습니다.
전체 엔지니어링 프레임워크는 다음을 참조하십시오. 전기 실린더 엔지니어링 선택 가이드.
모터 레이블은 시작점에 불과합니다. 실제 결정은 전체 축: 모터, 드라이브, 피드백, 스크류 또는 벨트, 기어박스, 가이드, 하중, 모션 프로필, 작동 주기 및 전원 손실 후 동작에 따라 달라집니다.
신속한 결정: 서보, 개방 루프 스테퍼 또는 폐쇄 루프 스테퍼
| 결정 요소 | 개방 루프 스테퍼 | 폐쇄 루프 스테퍼 | 서보 |
|---|---|---|---|
| 위치 피드백 | 명령된 스텝은 발생하는 것으로 간주됩니다. | 엔코더 또는 기타 피드백이 오류를 감지하며, 수정 동작은 드라이브에 따라 다릅니다. | 연속 피드백은 일반적으로 모션 루프의 일부입니다. |
| 저속 동작 | 강한 유지 및 저속 토크는 유용할 수 있습니다. | 오류 모니터링이 추가된 유사한 모터 동작 | 저속에서 강한 제어가 가능하며 성능은 모터와 튜닝에 따라 다릅니다. |
| 고속에서의 토크 | 속도가 증가함에 따라 보통 상당히 감소합니다. | 피드백은 이용률을 개선하지만 모터의 속도-토크 감소를 제거하지는 않습니다. | 보통 더 넓은 유용한 속도 범위를 제공합니다. |
| 방해 회복 | 과부하는 추적되지 않은 위치 오류를 발생시킬 수 있습니다. | 아키텍처에 따라 감지하거나 수정하거나 오류가 발생할 수 있습니다. | 사용 가능한 토크, 대역폭 및 구성된 오류 한도 내에서 수정합니다. |
| 커미셔닝 | 보통 가장 간단합니다. | 피드백 설정 및 오류 임계값이 추가됩니다. | 모터 드라이브 매칭, 피드백 설정 및 튜닝이 필요합니다. |
| 열적 동작 | 정지 상태에서도 보유 전류가 열을 발생시킬 수 있습니다. | 가벼운 하중에서 전류를 줄일 수 있는 경우가 많습니다. | 전류는 일반적으로 토크 수요를 따르지만 연속 토크는 여전히 열을 발생시킵니다. |
| 최고의 시작 지점 | 보수적인 사이징을 통한 예측 가능한 포인트 간 운동 | 조용한 위치 손실이 허용되지 않는 중간 동작 | 변동 하중, 높은 동작, 조정된 운동 또는 추적 오류의 높은 결과 |
보편적인 승자는 없습니다. 잘 설계된 스텝퍼 축은 설계된 작업에서 적절하게 조정되지 않은 서보 축보다 우수할 수 있습니다.
모터 유형은 선형 축의 한 부분일 뿐입니다
이 문구 서보 액츄에이터 는 널리 사용됩니다. 산업용 모션에서는 일반적으로 모터, 드라이브, 컨트롤러, 피드백 장치 및 유용한 운동을 생성하는 기계적 전송을 포함하는 피드백 제어 시스템을 설명합니다. 피드백은 모터에 장착되거나 이동하는 하중에 더 가까이 배치될 수 있습니다.
하 스텝퍼 모터 선형 액츄에이터 는 여러 아키텍처를 설명할 수 있습니다: 캡티브, 비캡티브, 외부 나사, 모터화된 리드 스크류 또는 더 통합된 슬라이드 또는 실린더. 일부는 오픈 루프 제어를 사용합니다. 다른 일부는 인코더를 추가하고 클로즈드 루프 드라이브를 추가합니다.
그 구별은 중요합니다. 메커니즘이 결과를 지배할 수 있기 때문입니다. 모터 인코더는 모터 샤프트 위치를 확인할 수 있지만, 백래쉬, 나사 리드 오류, 커플링 비틀림, 가이드 마찰, 구조적 순응 또는 열 확장은 센서의 다운스트림에 남아있습니다.
선형 액츄에이터는 모터, 전달, 피드백, 장착 및 하중을 포함한 전체 축으로 평가되어야 합니다.
나사 구동 축의 경우, 위치가 측정되는 위치와 메커니즘의 어떤 부품이 피드백 루프에 포함되는지를 물어보세요. 캐리지에 있는 선형 인코더는 모터에 장착된 로터리 인코더와는 다른 오류를 관찰합니다.
속도, 힘, 가속도는 서로 연결되어 있습니다
모터는 모든 속도에서 적용되는 하나의 토크 값을 가지지 않습니다. 유용한 비교는 정확한 모터와 드라이브에 대한 토크-속도 곡선입니다. 선택한 나사, 벨트 또는 기어박스를 통해 축의 힘-속도 동작으로 변환됩니다.
나사 구동 액츄에이터의 경우, 나사 리드는 주요 거래 중 하나입니다:
- 더 세밀한 리드가 더 많은 기계적 이점과 모터 한 바퀴 당 더 많은 이동 해상도를 제공하지만, 동일한 선형 속도를 위해 더 높은 모터 속도가 필요합니다.
- 더 거친 리드는 회전당 더 많은 이동을 생성하지만, 동일한 축 방향 힘을 위해 더 많은 모터 토크를 요구합니다.
- 기어 감속은 출력 토크를 증가시키고 반사 하중 관성을 줄일 수 있지만, 손실, 백래시, 순응성 및 또 다른 기계 요소를 추가합니다.
스텝 모터는 낮은 속도에서 유용한 홀딩 및 저속 토크를 제공할 수 있기 때문에 매력적입니다. 속도가 증가함에 따라 권선 인덕턴스가 위상 전류가 얼마나 빨리 증가하는지를 제한하므로 사용할 수 있는 토크는 일반적으로 감소합니다. 따라서 스텝 모터는 제로 속도 홀딩 토크 수치가 아니라 요구되는 속도에서의 동적 곡선으로부터 크기를 결정해야 합니다.
서보 시스템은 일반적으로 더 넓은 동적 범위와 가속을 위한 더 큰 일시적 토크 능력을 제공합니다. 축이 빠르게 움직여야 하거나 자주 방향을 바꾸거나 다른 축과 조정해야 하거나 변경되는 프로세스 하중에서 회복해야 할 때 자주 선호됩니다.
모터 토크, 스크류 리드, 전송 비율 및 모션 프로파일은 모두 사용 가능한 힘과 속도를 결정합니다.
모터는 여전히 모션 프로파일과 독립적으로 선택할 수 없습니다. 가속 토크, 반사 관성, 중력, 마찰, 프로세스 힘, 스크류 관성 및 듀티 사이클이 필요한 작업 지점에 모두 기여합니다. 이 액추에이터 사이징 리소스 는 드라이브 유형을 비교하기 전에 이러한 입력을 정리하는 데 사용됩니다.
포지셔닝: 정확도, 반복성 및 해상도는 다릅니다.
포지셔닝에 대한 논의는 종종 여러 용어가 동일한 의미를 지닌 것처럼 다뤄지기 때문에 오해를 불러일으킬 수 있습니다.
- 해상도 는 가장 작은 명령된 또는 측정된 증가입니다.
- 정확도 는 실제 위치가 목표 위치와 얼마나 가까운지를 나타냅니다.
- 반복성 는 축이 동일한 위치로 얼마나 일관되게 돌아가는지를 나타냅니다.
- 백래시 는 방향이 전환될 때 손실된 움직임입니다.
- 안정화 시간 는 축이 요구되는 위치 범위에 들어가고 유지되는 데 걸리는 시간입니다.
높은 엔코더 수치가 자동으로 똑같이 정확한 기계를 만드는 것은 아닙니다. 마찬가지로, 마이크로 스테핑이 모든 명령 마이크로 스텝을 똑같이 정확한 기계적 위치로 변환하지는 않습니다.
개방 루프 스테퍼는 축이 동기화되어 있고 하중이 예측 가능할 때 매우 반복성이 높을 수 있습니다. 위험 요소로는 과부하, 공진 이벤트, 장애물 또는 급격한 가속이 있으며, 이로 인해 동기화가 상실될 수 있습니다. 컨트롤러는 기계적 위치가 이동했음에도 불구하고 여전히 명령된 스텝을 카운트할 수 있습니다.
서보 루프는 모션을 측정하고 명령과 피드백 간의 차이에 반응합니다. 이로 인해 많은 위치 손실 조건이 감지 가능하고 수정 가능하지만, 이는 모터의 가용 토크, 드라이브 한계, 제어 대역폭 및 기계적 시스템 내에서만 가능합니다.
피드백은 선택된 센서와 제어 루프가 관찰할 수 있는 것만을 수정할 수 있으며, 기계적 요인도 축 오류에 기여합니다.
피드백 위치는 중요합니다. 엔코더가 모터에 있는 경우, 루프가 백래시, 나사 오류 또는 모터와 캐리지 간의 순응을 직접 관찰하지 못할 수 있습니다. 하중 측면의 피드백은 실제 선형 출력을 더 직접적으로 측정할 수 있지만 통합 및 조정 요구 사항도 추가됩니다.
오류 복구: 놓친 스텝 대 추적 오류
개방 루프 스테퍼와 서보 간의 실질적인 차이는 종종 명목상 위치 지정보다는 기계가 방해를 받을 때 발생하는 것과 더 관련이 있습니다.
개방 루프 스테퍼는 요청된 이동이 발생했다고 가정합니다. 필요한 토크가 가용 동적 토크를 초과하면 축의 동기화가 상실될 수 있으며, 위치 오류를 즉시 보고하지 않을 수 있습니다.
서보 드라이브는 명령과 피드백을 지속적으로 비교합니다. 하중이 변경될 때, 드라이브는 한계 내에서 보정 토크를 증가시킬 수 있습니다. 오류가 너무 커지면 드라이브는 위치 손실을 조용히 누적하는 대신 오류를 발생시킬 수 있습니다.
폐쇄 루프 스테퍼가 이러한 케이스 사이에 위치합니다. 드라이브에 따라 피드백은 정지 감지, 위치 보정, 전류 최적화 또는 더 완전한 실시간 위치 제어에 사용될 수 있습니다. 이러한 구현은 동등하지 않으므로 피드백이 정확히 무엇을 하는지 문의하십시오.
중요한 축에 대해 확인하십시오:
- 엔코더 위치;
- 드라이브가 오류를 감지하거나 수정하는지;
- 어떤 오류 임계값이 고장을 유발하는지;
- 일시적인 장애 후에는 어떤 일이 발생하는지;
- 고장 발생 후 기계가 다시 홈 포지션으로 가는지;
- 하중 측의 위치 점검이 필요한지.
홀딩 및 열 거동은 별도의 점검이 필요합니다.
스테퍼 홀딩 토크는 유용하지만 종종 오해받습니다. 일반적으로 에너지가 공급된 제로 속도 모터 값입니다. 전원이 제거된 후 수직 하중이 안전하게 제자리에 유지된다는 것을 스스로 증명하지는 않습니다.
전원 차단 동작은 전체 기계 시스템에 따라 다릅니다. 스크류는 역방향으로 회전할 수 있거나 리드, 마찰, 윤활, 마모 및 하중에 따라 역방향 회전을 저항할 수 있습니다. 수직 하중 또는 역향 하중에 대해서는 브레이크가 필요할 수 있습니다.
서보 축도 동일한 검토가 필요합니다. 서보는 전원이 공급되는 동안 위치를 능동적으로 유지할 수 있지만, 지속적인 홀딩 토크는 모터와 드라이브의 열을 발생시킵니다. 전원 손실 후 하중이 고정된 상태를 유지해야 하는 경우, 브레이크 또는 기계적 유지 방법을 별도로 지정하십시오.
열 거동은 운영 프로파일에 따라 다릅니다. 전통적인 개방 루프 스테퍼 시스템은 정지 상태에서 상당한 전류를 소모할 수 있습니다. 폐쇄 루프 스테퍼 드라이브는 하중이 가벼울 때 전류를 줄일 수 있습니다. 서보 시스템은 일반적으로 토크 수요에 따라 전류를 조절하지만, 지속적인 토크, 반복 가속 및 재생 감속은 여전히 열 및 전기 크기 조정이 필요합니다.
효율성 주장만으로 선택하지 마십시오. 실제 사이클을 비교하십시오: 이동 시간, 대기 시간, 홀딩 시간, 가속도, 하중, 주변 온도 및 시간당 사이클 수.
제어 및 커미셔닝
개방 루프 스테퍼 축은 일반적으로 커미셔닝이 가장 간단합니다. 일반적인 작업은 다음과 같습니다:
- 모터 전류 및 공급 전압;
- 단계 스케일링 또는 마이크로스테핑;
- 가속 및 감속;
- 공진 및 진동;
- 홈 및 제한 스위치;
- 필요한 속도 범위 전반에 걸친 토크 여유.
폐쇄 루프 스테퍼는 엔코더 정렬, 피드백 배선, 오류 임계값 및 보정 동작을 추가합니다.
서보 축은 일반적으로 모터 드라이브 매칭, 엔코더 또는 리졸버 설정, 이득 및 필터 조정, 관성 및 강성 검사, 그리고 더 자세한 모션 프로필 검증을 추가합니다. 자동 조정은 설정 시간을 줄일 수 있지만, 여전히 실제 하중 및 작동 조건에서 기계를 시험해야 합니다.
전체 배선 및 제어 아키텍처는 모터 전원, 피드백 케이블, 브레이크 배선, I/O, 필드버스, 제한, 홈 센서, 그리고 안전 회로를 포함할 수 있습니다. 모터 가격만이 아니라 설치된 축 수준에서 비용을 비교하세요.
스테퍼 구동 축이 더 나은 시작점인 경우
다음 중 대부분이 사실일 때 스테퍼로 시작하세요:
- 모션이 주로 포인트 투 포인트인 경우;
- 하중과 마찰이 예측 가능할 경우;
- 속도와 가속이 중간 정도일 경우;
- 보수적인 토크 여유가 허용될 경우;
- 가끔 홈 또는 외부 위치 확인이 실용적일 경우;
- 전체 서보 루프의 비용과 복잡성이 충분한 가치를 추가하지 않을 경우;
- 저속 유지 기능이 유용할 경우;
- 선택한 피드백 전략을 허용할 수 있는 프로세스일 경우.
스테퍼는 자동으로 저정밀 선택이 아닙니다. 관련 질문은 전체 축이 필요한 허용오차, 속도, 사이클, 열 한계 및 최악의 하중 아래에서의 오류 감지 요구를 충족하는지 여부입니다.
서보 구동 축이 더 나은 시작점인 경우
다음 중 하나 이상의 조건이 우세할 때 서보로 시작하세요:
- 사이클 동안 하중이 물질적으로 변할 경우;
- 가속 또는 반전이 공격적일 경우;
- 축이 하중 하에 더 높은 속도를 유지해야 할 경우;
- 협조된 다축 모션이 필요할 경우;
- 추적 오류가 지속적으로 감지되어야 할 경우;
- 프로세스 처리량이 짧은 안정 시간에 의존할 경우;
- 보고되지 않은 위치 오류의 결과가 클 경우;
- 기계는 더 풍부한 동작 진단 또는 프로그래머블 프로필이 필요합니다.
ServoCylMotion의 DG 시리즈 문서에는 서보 구동 스크류 액추에이터 구성도 포함되어 있으므로 전기 실린더 제품군 은 구동 아키텍처가 정의되면 상업적 맥락에서 사용할 수 있습니다. 비교 자체는 여전히 패밀리 라벨이 아닌 응용 프로그램 작동 지점에서 이루어져야 합니다.
폐쇄 루프 스테퍼가 오래된 이진법을 바꾼다.
스테퍼는 개방 루프를 의미하고 서보는 폐쇄 루프를 의미한다는 오래된 규칙은 더 이상 충분하지 않습니다.
폐쇄 루프 스테퍼는 위치 오류를 감지하고, 부하가 가벼울 때 전류를 줄이며, 필요할 때 교정 작업을 증가시키고, 오류가 임계값을 초과할 때 결함을 보고할 수 있습니다. 이는 두 가지 일반적인 개방 루프 문제인: 음소거된 위치 손실과 불필요한 열을 해결할 수 있습니다.
모든 기본 모터 특성이 변경되지 않습니다. 고속 토크 롤오프, 공진 감도, 최대 동적 능력 및 제어 대역폭은 여전히 모터 및 구동 설계에 따라 달라집니다.
폐쇄 루프 스테퍼와 서보를 비교할 때 질문하세요:
- 피드백이 정지 감지에만 사용되나요, 아니면 지속적으로 위치를 교정하나요?
- 인코더는 모터에 있나요, 아니면 하중에 있나요?
- 필요한 속도에서 사용 가능한 토크는 얼마인가요?
- 어떤 오류가 결함을 유발하나요?
- 긴 유지 중 열 거동은 어떤가요?
- 시스템에는 얼마나 많은 조정 및 커미셔닝이 필요합니까?
선택하기 전 제출해야 할 동작 요구 사항
드라이브 유형을 선택하기 전에, 전체 응용 프로그램을 정의하십시오.
최종 드라이브 선택은 필요한 힘, 스트로크, 속도, 가속도, 듀티 사이클, 위치 허용 오차 및 작동 조건에 기반해야 합니다.
- 하중 및 힘: 이동 질량, 외부 프로세스 힘, 마찰, 중력, 충격 및 최악의 경우 하중.
- 스트로크 및 기하학: 필요한 이동 거리, 축소 및 확장된 공간, 장착, 안내 및 측면/모멘트 하중.
- 동작 프로필: 적재 속도, 가속도, 감속, 이동 시간, 역전 주파수 및 대기 시간.
- 작동 주기: 시간당 이동, 유지 시간, 작동-중지 패턴, 및 주변 온도.
- 위치 지정: 필요한 정확도, 반복성, 해상도, 백래시, 및 정착 시간.
- 피드백: 모터 측 또는 하중 측 위치 측정, 복귀 방법, 결함 응답, 및 위치 보장.
- 전원 꺼짐 상태: 허용 가능한 역구동, 브레이크 요구 사항, 및 하중 유지 방법.
- 제어: 사용 가능한 전압, 드라이브/컨트롤러 아키텍처, I/O, 필드버스, 배선, 및 안전 기능.
- 환경: 먼지, 수분, 오염, 온도, 유지 보수 접근, 및 예상 서비스 간격.
요구 사항이 아직 고정되지 않았다면, 사용하여 제품 선택기 하드웨어를 좁히기 전에 운동 작업을 정리합니다.
자주 묻는 질문
스테퍼 시스템을 폐쇄 루프에 할 수 있습니까?
예. 인코더 장착 스테퍼 시스템은 위치 오류를 감지할 수 있으며, 드라이브에 따라 오류를 수정하거나 전류를 최적화하거나 결함을 생성할 수 있습니다. 모든 폐쇄 루프 스테퍼가 동일하게 작동한다고 가정하지 말고 제어 동작을 확인하세요.
서보가 항상 스테퍼보다 더 정확합니까?
아니요. 모터와 제어 아키텍처가 중요하지만, 나사 리드 오류, 백래시, 가이드, 구조적 순응, 피드백 위치, 조율, 온도, 및 테스트 방법도 중요합니다. 잘 설계된 스테퍼 축은 요구되는 반복성 요건을 충족할 수 있지만, 잘못 설계된 서보 축은 목표 허용 오차를 놓칠 수 있습니다.
마이크로스테핑이 스테퍼를 비례적으로 더 정확하게 만듭니다?
아니요. 마이크로스테핑은 명령 세분성을 증가시키고 종종 부드러움을 개선하지만, 자기 비선형성, 마찰, 덴트 토크, 백래시, 나사 오류, 및 하중 변동이 실제 기계적 정확도를 제한합니다.
스테퍼가 전원이 꺼졌을 때 수직 하중을 유지할 수 있습니까?
보유 토크만으로는 아닙니다. 보유 토크는 일반적으로 모터가 전원이 켜져 있을 때 지정됩니다. 전원 꺼짐 하중 유지는 나사 역구동 동작, 브레이크 설계, 기어링, 마찰, 및 기계의 독립적인 안전 전략에 따라 달라집니다.
선형 위치 지정에서 더 중요한 것은: 모터 유형인가요 아니면 나사 기계인가요?
독립적으로 평가할 수 없습니다. 최종 결과는 모터, 드라이브, 피드백 위치, 나사 또는 벨트, 베어링, 가이드, 백래쉬, 강성, 열적 거동, 하중 및 조정에서 나옵니다.
드라이브 선택을 위해 어떤 정보를 보내야 합니까?
힘 또는 이동 하중, 스트로크, 하중 속도, 가속도, 사이클 속도, 방향, 위치 허용 오차, 피드백 요구사항, 사용 가능한 제어/전원, 환경 및 전원 손실 후 요구되는 동작을 제공하십시오. 이러한 입력은 두 가지 모터 유형을 동일한 작동 지점에서 비교할 수 있게 합니다.
모션 요구 사항 제출
실제 애플리케이션의 경우 하중, 스트로크, 하중 속도, 가속도 또는 사이클 타임, 듀티 사이클, 장착 방향, 위치 허용 오차, 피드백 요구 사항, 환경 및 전원 차단 유지 요구 사항을 보내십시오. 모션 요구 사항 제출 따라서 전체 축을 하나의 작동 지점에 대해 검토할 수 있습니다.
