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서보모터 A-Z: 서보모터 전류 신호 특징

전 편(모터의 종류별 특징: 산업 현장에서는 어떤 모터를 쓸까?)를 보고 오시면 더 재밌게 읽으실 수 있습니다!

서보모터(servo motor)는 사실 특정한 단일 모터를 지칭하는 단어가 아닙니다.

일반적으로 모터는 한번 작동이 시작되면 일정한 속도로만 회전한다고 생각할 수 있습니다. 하지만 산업 현장에서는 필요에 따라 모터의 속도, 가속도, 위치값이 변화되어야 합니다. 이 때 사용되는 것이 서보모터인데, 이 서보모터는 모터 자체뿐만 아니라 위치, 속도, 토크 등을 실시간으로 제어하는 제어구동보드까지 포함하는 개념입니다.

서보모터의 구조

서보모터는 목표치로부터 일정 수준 벗어나게 되면, 목표치를 맞추기 위해 빠르게 정/역회전하면서 제어됩니다. 그렇기 때문에 일반적으로 서보모터에는 모터의 회전 각도를 정밀하게 계측해 피드백할 수 있도록 엔코더(각도 계측 센서)가 내장되어 있습니다.

피드백 시스템의 위계는 전류(토크) 제어 → 속도 제어 → 위치 제어 순입니다. 제어 방식은 회전체 시스템의 구동 환경과 용도, 목적 및 모터의 종류에 따라서 사용자가 선택하여 설계하게 됩니다.

모터 제어 시스템 블록 선도

예를 들어 정확한 위치를 잡아야 하는 로봇 팔에서는 위치 제어를, 일정한 속도로 달려야 하는 주행 로봇에서는 속도 제어, 필요한 만큼의 토크를 내야 하는 전기차에서는 전류(토크) 제어를 합니다.

또한 크기가 일정 수준 이상으로 큰 서보모터들은 브레이크를 내장하기도 해 모터가 정지해 있을 때에는 브레이크가 가동되어 역회전을 막고, 서보가 돌아가기 시작할 때만 브레이크가 풀려 모터가 회전하게끔 되어있기도 합니다.

위치 제어부에서는 지령 펄스가 입력되어도 모터는 지령으로부터 다소 늦게 움직입니다.

아래 그림처럼 편차 카운터에는 지연분의 펄스가 누적하여 보관 유지되고 있으며 이것을 잔류펄스라고 합니다. 이 잔류펄스가 속도 지령으로서 속도 제어부에 출력됩니다. (잔류 펄스가 크면 속도 지령이 커짐)

지령 속도에 따른 잔류 펄스

1. 일반적인 서보모터 전류 신호

모터에 인가되는 3상 전류는 각각 정현파 형태를 띈 채 서로 120도만큼 phase 차이를 두고 있습니다. 모터를 제어하는 과정에서 전류 신호의 amplitude와 frequency를 통해 토크와 속도를 제어합니다. 그렇기 때문에 정현파의 amplitude는 모터가 내는 토크에, frequency는 모터의 속도에 비례합니다 .

모터 전류 신호 예시

여기서 모터의 속도를 제어하기 위한 주파수를 공급 주파수(supply frequency, fs)라고 많이 표현합니다.

모터가 등속, 등부하를 유지할 경우, 모터의 전류는 일정한 주파수와 진폭을 유지하는 정현파 형태로 나타납니다.

정상 모터의 전류 신호 (x축: 시간, y축: 전류 진폭 (A))

그리고 이를 주파수 도메인에서 보게 되면 아래처럼 에너지가 공급 주파수 한 곳에 모이게 됩니다.

정상 모터의 전류 신호 (x축: 주파수, y축: 진폭 (A))

그리고 전류 신호에는 제어를 위한 공급주파수 외에 다른 성분들이 묻어나기도 합니다.

그 중 가장 큰 성분은 일반적으로 모터가 회전하면서 발생하는 진동 성분인 회전 주파수(rotating frequency, fr)입니다. 이러한 기타 성분들은 공급주파수에 변조(modulation)되어 발현됩니다. 이를 시계열에서 살펴보면 아래 그림과 같습니다.

정속으로 주행 중인 서보모터의 전류 신호 (x축: 시간 (ms), y축: 진폭(A)) 회전 주파수가 공급 주파수에 변조되어 발현됨

또한 이를 주파수 도메인에서 보면 아래 그림과 같이 공급주파수(500Hz)의 양 옆에 sideband(450Hz, 550Hz) 형태로 회전주파수(50Hz)가 피크로 올라오는 것을 확인할 수 있습니다.

정속 주행 중인 서보모터의 전류 신호 (x축: 주파수, y축: 진폭(A))

공급 주파수에는 이 외에도 다양한 진동 성분들이 변조되어 피크로 발현되기도 하고, 공급 주파수의 하모닉 성분들로 관측되기도 합니다. 다만 SNR(Signal Noise Ratio, 신호 대 잡음비) 측면으로 본 전류 신호에서 공급 주파수의 신호가 워낙 압도적으로 크기 때문에 다른 성분들은 상대적으로 매우 작게 보입니다. 더군다나 토크가 커진다면, 공급 주파수 대비 다른 성분들의 크기가 더욱 더 작아 잘 보이지 않게 됩니다.

전류 신호에 기반해 기계적인 고장을 진단하는 원리도 이 점을 사용합니다. 진동 성분이 전류의 공급 주파수에 변조되어 발현되기 때문에 이를 포착할 수 있고, 성분을 분석하면 매우 어렵긴 하지만 고장을 진단할 수 있게 됩니다.

2. 속도/부하가 서보모터 전류 신호에 미치는 영향

모터의 속도, 부하에 따른 전류 신호의 변화를 테스트베드를 통해 확인해보겠습니다.

먼저 실험에 사용된 테스트베드와 실험 테이블은 아래와 같습니다.

속도가 일정할 때, 부하에 따른 전류 신호의 변화를 살펴보면 시간 도메인 상에서 보기에도 부하가 클수록 진폭이 더 큰 것을 확인할 수 있습니다. 이는 주파수 도메인으로 본 전류의 공급 주파수도 마찬가지입니다.

반면 부하가 일정할 때 속도의 변화를 확인하면 공급 주파수의 위치가 달라지는 것을 확인하실 수 있습니다. 속도가 900RPM일 때에 비해 2배가량 빠른 1800RPM일 때는 공급 주파수도 비례해서 2배 더 커지고, 3.33배인 300RPM일 때도 마찬가지로 3.33배 더 커집니다.

실험 조건에서는 무부하 상태를 동일한 조건으로 넣었지만, 속도가 빨라질수록 모터에는 더 큰 부하가 걸리기 때문에 진폭도 다소 차이를 보입니다.

이 외에도 아래처럼 공급 주파수에 변조된 회전 주파수 성분까지도 관측할 수 있었습니다.

3. 온도가 서보모터 전류 신호에 미치는 영향

모터의 온도가 변하면 전류 특성이 변합니다. 가장 두드러지는 특징으로는 온도가 높아지면 전류 신호의 RMS (혹은 진폭)이 낮아진다는 것입니다. 아래 그림은 부하가 인가된 모터를 장기간 운행했을 때 rms의 트렌드입니다. 시간이 지날수록 RMS(혹은 진폭)이 낮아지는 것을 볼 수 있습니다.

시간에 따른 공급 주파수 변화 (x축: 시간, y축: 진폭 (A))

이 때, 주파수 특성에도 변화가 생깁니다. 공급 주파수(fs)는 온도가 올라가면서 진폭이 떨어지는 방향을 갖는 반면, 회전 주파수(fr)는 아래 그래프처럼 온도가 올라가면서 오히려 amplitude가 증가하는 양상을 보이기도 합니다.

시간에 따른 회전 주파수 변화 (x축: 시간, y축: 진폭 (A))

이러한 주파수 특성은 시스템의 건전성에도 영향을 받습니다. 예를 들어, 아래 그래프는 1) 정상 모터 (normal, 파란색), 2) 모터 내부 베어링 고장 (innerring, 노란색), 3) 모터 외부 베어링 결함 (outering fault, 빨간색)을 회전시켜 fs 값을 추출한 결과입니다. 정상일 때와 고장이 있을 때 fs가 하락하는 곡선의 모양이 제각기 다르기 때문에, 전류 신호의 진폭만으로는 고장 여부를 판단하기는 어렵습니다.

x축: 시간, y축: 진폭 (A)

그렇기 때문에 가동 시작 단계에서 온도를 맞춰 온도로 인한 영향을 가급적 통제한 채 실험을 진행해야 하며, 그 방법으로는 최대한 다양한 온도 조건에서 데이터를 취득해 데이터셋을 비교하는 것이 있습니다.

일반적으로 MCSA (Motor Current Signature Analysis: 모터 전류신호 분석) 기법은 기본적으로 모터에 일정 수준 이상의 부하가 있을 경우를 가정한 채 적용됩니다. 즉, 모터에 아무 부하가 걸리지 않은 채 돌아갈 경우, MCSA에서 계산된 고장 주파수가 제대로 뜨지 않거나 경향성이 왜곡될 수 있습니다.

4. 주변 진동이 서보모터 전류 신호에 미치는 영향

일반적으로 유도 전동기는 정적인 환경에서 정속으로 회전하는 설비에 사용된다면, 이와 반대로 서보모터는 동적인 환경 동작하는 설비에 사용하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 컨베이어 모터가 정속으로 벨트를 통해 대상 물체을 옮기고, 커터 모터가 왕복 모션을 통해 해당 물체를 자르는 상황을 가정해봅시다. 커터 모터로 인해 발생한 진동은 컨베이어 모터에서 발생하는 평균적인 진동보다 확연히 크기가 클 것이고, 이는 당연히 컨베이어 모터의 전류 신호에도 영향을 미칠 수 있습니다. 이 상황에 있는 컨베이어 모터의 U상 전류 신호는 아래 예시 이미지처럼 나타날 수 있습니다.

5초동안 측정한 전류 신호 (x축: 시간, y축: A)

피크를 기준으로 2개 사이클만 확대한 전류 신호

정현파에 주기적으로 피크가 치듯 전류 신호의 진폭이 증가하는 것을 확인하실 수 있습니다.

커터 모터에서 발생하는 진동이 컨베이어 모터/구동부로 전달되어 전류 성분에 영향을 미치는 현상입니다. 이를 고속 푸리에 변환 (FFT: Fast Fourier Transform)*을 통해 주파수 스펙트럼에서 확인할 경우, 공급 주파수(fs)를 기준으로 좌우로 컷팅 주파수 성분이 측파대 형태로 발현되는 것을 관측할 수 있습니다.

*푸리에 변환에 대해 더 알고 싶다면? 주파수 분석 방법을 이용한 진동 신호 분석

공급 주파수에 모듈레이트된 컷팅 주파수와 그 하모닉들 (x축: 주파수, y축: A)

5. 변속으로 움직이는 서보모터의 전류 신호 특성

정속으로 속도를 동작하는 유도 전동기와 달리, 서보모터는 정밀한 제어를 하기 위해 변속으로 움직입니다. 따라서 정속 모터에 비해서 좀 더 복잡한 전류 파형을 보입니다.

변속인 경우에는 전류신호에서 가속, 감속에 따라 주파수와 진폭이 변하는 것을 관측할 수 있습니다. 아래 그림을 참고해서 설명해보면, Section 1 가속구간에서는 속도가 0인 상태에서 모터를 가동시키기 위해서는 점차적으로 속도와 토크가 증가하기 때문에 전류 신호의 진폭과 주파수가 함께 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 그러다 Section 2 등속 구간에 이르러서는 진폭과 주파수가 일정합니다. 마지막으로 감속이 이뤄지는 Section 3에서는 진폭과 주파수가 0에 수렴해갑니다.

변속 모터를 진단할 때, 그나마 위 그림 상의 Section2와 같은 등속 구간이 길면 길수록, 진단이 용이합니다. 하지만 1초에 3~4번씩 반복되는 모션을 하는 모터(ex. 커팅 모터)를 진단할 때는 가/감속 구간이 거의 없기 때문에 진단이 어렵습니다. 해당 모터들은 아래와 같은 신호를 띄곤 합니다.