초소형 모터를 위한 Faulhaber 모터 컨트롤러

소형 DC 모터는 기어 박스와 엔코더 그리고 모션 컨트롤러와 결합하여 애플리케이션별 드라이브 시스템이 된다. 여기에서 컨트롤러는 모터가 과열되거나 파손되는 것을 방지하여 신중하게 선택해야 한다.

안드레아스 바게너(Andreas Wagener),

엘렌 크리스티네 라이프(Ellen-Christine Reiff)

핵심 내용

  • 모션 컨트롤러를 선택할 경우 어떤 동작을 수행하는지 먼저 알아야 한다. 또한 마이크로 DC 모터를 사용할 경우 특별한 요건을 준수해야 한다.
  • 소형 모터에서 발생하는 열을 항상 고려해야 한다. 모션 컨트롤러의 PWM 주파수가 추가 손실을 방지할 수 있도록 충분한지 확인하는 것도 중요하다.
  • Faulhaber의 특수 모션 컨트롤러는 권선 온도를 ‘추정’하고, 권선이 과열되기 전에 전류를 제한한다. 여기에 소형 서보 드라이브를 위해 특별히 설계된 새로운 모션 컨트롤러도 있다.

작고 강력한 DC 모터는 고도로 통합된 시스템 개발을 위한 필수 전제 조건이다. 이러한 모터 덕분에 의료 분야와 실험실뿐만 아니라 항공 우주, 로봇 공학, 광학 및 광자학, 또는 일반적으로 산업 기계 및 시스템과 같은 다양한 영역에서 기술 발전이 이루어졌다. 하지만 소형 모터는 기어 박스, 엔코더, 모션 컨트롤러와 같은 다른 구성 요소와 결합하여 애플리케이션 지향 드라이브 또는 위치 지정 시스템이 될 뿐이다. 여기에서 안정적인 기능을 위해 올바른 선택을 하는 것이 기본 요건이다. 모든 구성 요소는 엔진과 일치해야 하며 요건을 충족해야 한다. 최악의 경우, 컨트롤러를 잘못 선택하면 짧은 시간에 모터가 파손될 수도 있다.

드라이브 시스템에 적합한 모션 컨트롤러를 선택할 경우, 우선 몇 가지 문제를 명확히 해야 한다. 예를 들어, 어떤 움직임을 수행해야 하고, 모터 제어를 위해 어떤 요건이 발생하는가라는 질문은 기본이다.

• 드라이브가 연속 모드로 작동하는가 아니면 시작-정지 모드로 작동하는가?

• 위치에 정확하게 접근해야 하는가?

• 드라이브가 어떤 종류의 부하를 움직여야 하는가?

• 어떤 로드 사이클이 발생하는가?

• 변속기가 필요한가?

• 애플리케이션에 가장 적합한 모터는 무엇인가?

그다음은 모션 컨트롤러를 결정하는 것이다. 모든 모션 컨트롤러가 모든 모터에 적합한 것은 아니기 때문에 상황에 따라 다른 결과가 나타날 수 있다. 특히 DC 미니 모터는 설계상 특별한 요건이 필요하다.

소형 드라이브용 모션 컨트롤러: MC 3001 B/P는 크기 및 전류 측정 분해능 면에서 소형 서보 드라이브에 이상적이다.

모터 유형은 모션 컨트롤러 선택에 영향을 미친다

Faulhaber 제품군의 DC 소형 및 마이크로 모터의 핵심은 고정 자석을 중심으로 회전하는 나선형 권선과 브러시 정류가 있는 특허 받은 외팔보형 코어리스 (또는 무철) 로터 코일이다. 이 모터는 모양 때문에 종종 벨 전기자 모터라고도 한다. 이 설계 원리는 실제로 많은 장점이 있지만 모션 컨트롤러의 선택에도 영향을 미친다.

대칭적인 에어 갭으로 인해 코깅 토크가 형성되지 않아 정확한 위치 결정과 매우 우수한 속도 제어가 가능하다. 부하 대 속도, 전류 대 토크, 전압 대 속도의 거동은 선형이다. 모터 직경을 거의 전부 권선에 사용할 수 있기 때문에 모터는 크기 및 무게와 관련하여 기존 설계보다 더 높은 출력과 토크를 달성한다.

동시에 로터의 낮은 관성 모멘트는 매우 낮은 전기 시간 상수를 보장한다. 결과적으로 모터는 매우 동적으로 작동할 수 있으며 상당한 과부하가 걸린다. 과부하 작동에서 3중 연속 토크는 서보 애플리케이션에서 매우 일반적이며 모터 권선의 온도를 모니터링할 수 있다면 문제없이 가능하다. 직경이 22mm 이하인 모터에는 통합 온도 센서가 없으며 이를 위한 설치 공간이 없다.

모양 때문에 이러한 유형의 모터는 종종 벨 전기자 모터라고 한다.

모션 컨트롤러로 과열 위험 방지

이러한 소형 드라이브에 아무 컨트롤러나 연결하면, 최악의 경우 외부의 열을 느끼기도 전에 코일이 타버릴 수 있다. 소형 모터의 요건을 위해 특별히 개발되고 작동 조건에서 테스트한 Faulhaber의 모션 컨트롤러는 이러한 문제를 예방한다. 이 모션 컨트롤러는 서로 다른 복잡한 모델을 사용하여 각 모터 유형에 따라 권선 온도를 ‘추정’한다. 이를 통해 빠른 포지셔닝 프로세스 동안 모터의 전체 역학을 활용하고, 동시에 권선이 과열되기 전에 전류가 제한된다. 이에 필요한 매개변수는 Faulhaber Motion Manager의 ‘모터 선택 대화 상자’ 기능을 통해 드라이브 컨트롤러로 쉽게 전송할 수 있다.

애플리케이션의 열 연결에 대한 추가 정보는 컨트롤러에 저장된 모델로 유입되어 더욱 향상될 수 있다.

• 엔진은 얼마나 잘 냉각되는가?

• 주변 온도가 높아 전력을 제한해야 하는가?

• 기어 박스와 인코더가 있는가?

이러한 광범위한 정보를 사용할 경우, 최대 모터 전력은 공조 챔버에서 주기적으로 작동하는 드라이브에도 사용할 수 있다. 예를 들어, 모터 컨트롤러는 공조 챔버 제어에서 주변 온도에 대한 매개변수를 추적할 수 있다. 저장된 모델에서 로드 사이클을 알고 있는 경우에도 동일하게 적용된다. 그러면 모터를 더욱 작게 설계할 수 있어 이동식 장치에 사용할 경우 이점이 크다.

동적 프로세스에 유리한 낮은 전기 시간 상수로 인해 드라이브 컨트롤러에서 일반적인 PWM(펄스 폭 변조)으로 인해 추가 손실이 발생할 수 있다. Faulhaber 코어리스 모터의 일반적인 전기 시간 상수는 약 10μs이다. 50kHz 미만의 PWM 주파수에서는 데이터 시트에 지정된 연속 토크가 더 이상 달성되지 않거나 모터가 과열되는 경우가 많다. 따라서 모터 컨트롤러를 선택할 경우 PWM 주파수가 충분히 높은지 확인하는 것이 매우 중요하다. Faulhaber Motion Controler의 PWM 주파수는 유형에 따라 78kHz ~ 100kHz이다. 변조 유형으로 인해 최대 200kHz가 모터에 작용하므로 소형 모터의 요건에 적합하다.

모션 컨트롤러는 서로 다른 복잡성의 모델을 사용하여 각 모터 유형에 따라 권선 온도를 “추정”한다. 이에 필요한 매개변수는 Motion Manager의 “모터 선택 대화 상자” 기능을 사용하여 드라이브 컨트롤러로 쉽게 전송할 수 있다.

작고 매우 강력하다

오랜 기간 테스트를 진행한 MC V3.0 제품군의 모션 컨트롤러는 크기와 통합 해상도 측면에서 Faulhaber 포트폴리오의 초소형 모터에 제한적이지만 적합하다. 새로운 MC 3001 B/P를 통해 처음으로 모션 컨트롤러를 사용할 수 있으며, 현재 측정의 크기와 분해능 모두에서 더 작은 서보 드라이브에 이상적으로 적합하다. 최대 공급 전압이 30V 일 때 폭 16mm, 길이 27mm, 높이 2.6mm인 모션 컨트롤러는 1A의 연속 전류와 5A의 피크 전류를 달성한다. 12V 시스템에서 최대 2A의 연속 전류도 문제없이 달성할 수 있다. 대형 모델과 비교해 기능을 포기할 필요가 없다. I/O 스코프 및 인코더 인터페이스는 전체 제품군의 I/O 스코프 및 인코더 인터페이스와 일치한다. USB, RS232 및 CAN Open은 통신 인터페이스로 사용할 수 있다. 고객별 캐리어 카드(마더보드)를 통해 소형 EtherCAT 인터페이스를 제공할 수도 있다.

컨트롤러는 두 가지 버전으로 제공된다.

• 평면 기판 간 커넥터(MC 3001 B)가 있는 설계는 여러 드라이브 컨트롤러를 하나의 캐리어 카드에 결합하는 경우에 이상적이다.

• MC 3001 P 모델에는 2.54mm 그리드로 3면에 걸친 핀 스트립이 있으며, 특히 실험실 자동화의 다축 애플리케이션과 같이 자체 구조에 쉽게 통합할 수 있다.

이는 Faulhaber 제품군의 가장 작은 DC 드라이브의 경우 크기와 기능 면에서 모터와 완벽하게 일치하는 강력한 모션 컨트롤러가 있음을 의미한다.