서보의 정의

서보(Servo)는 하인(Servant)과 관계가 있어서 명령대로 움직이는 것을 의미하며 서보 기구란 제어 대상이 되는 장치의 입력이 임의로 변화할 때, 출력을 미리 설정한  목표 값(Desired Value)에 이르도록 자동적으로 제어하는 장치로 정의된다.  로봇의 팔을 움직인다든지, 수치 제어(NC: Numerical Control)공작기계의 테이블 위치결정에 사용되는 모터를 서보 모터라 하고, 서보 메카니즘을 약칭하여 서보 시스템이라 한다.  그림 1은 서보시스템의 구성을 나타낸 것으로, 제어 시스템은 제어부에서 실제 구동 상태를 체크하지 않고 운전하는 Open Loop(개루프)제어와 구동부의 운전을 측정하는 센서부의 신호를 체크하여 제어하는 Closed Loop(폐루프) 제어시스템으로 구성된다.

산업 혁명 이후 생산성 향상과 품질 개선을 이루기 위해  기계의 정밀한 위치 제어가 필요해 졌으며, 서보 시스템을 이용한 자동화 시스템의 발전을 가져 왔다. 이는 기술의 발달과 함께 꾸준히 발전하여 현재에 이르러서는 빠른 시장의 환경 변화 및 다양한 소비자의 욕구를 충족하기 위하여 전자화 되고, 설계에서 생산까지 일체화된 네트워크형 자동화 시스템으로 발전하고 있다. 또한 구동 시스템은 기계장치의 변화에 따라 발전하여 왔으며, 현재에는 전자화 된 기계시스템에 있어서 전동식 구동 시스템은 필수적인 요소가 되고 있다.  표 1 에서는 서보 시스템을 포함한 자동화 시스템의 변화를 보여주고 있다.

서보 모터는 자동화 시스템에서 구동기(Actuator)로 사용되는 중요한 요소이다. 교류 서보 전동기 제어기술은 1980년대 초에 DC아날로그형 드라이브가 개발되었고, 1990년대에 디지털화되었다. 2000년대 서보모터 제어기술은 FA 관련 장비들과 함께 보다 전문화되어 전기․전자공학과 기계공학의 기술적 요소가 결합된 메카트로닉스공학이라는 분야에 바탕을 두고 있으며, 최근 전력 전자공학과 마이크로 전자공학 분야의 눈부신 기술력 향상에 기인하여 보다 진보된 서보모터 제어 기술이 실용화 되고 있다.

서보 전동기 구동시스템은 전력(Electric Power)을 기계적 동력(Mechanical Power)으로 변환하는 에너지 변환장치이다. 서보시스템에 사용되는 전동기는 동력용으로서의 일반적인 전동기에 비해  정지 상태에서 급격한 가속을 필요로 하기 때문에 기동 토크가 커야 하고, 회전자의 관성이 적어야 하며, 정 역 운전이 가능하여야 한다. 이와 같은 특성을 가지는 전동기를 서보전동기(Servo Motor)라 하며, 관성을 적게 하기 위하여 회전자의 직경을 적게 하고 축방향의 적층된 길이를 길게 하는 형태를 가진다.

그림 2에서 서보전동기를 구동하는 드라이버의 블록도를 나타내었다. 그림에서 보는 것처럼 전동기를 제어하는 드라이버는 마이크로프로세서를 사용한 제어기(controller)와 전력변환(Power Converter)부 및 외부와 신호를 연결하는 인터페이스(Interface) 회로로 구성되어 있다.

전동기 제어부에는 고속의 신호처리를 하는 디지털신호 처리기법 (DSP: Digital Signal Processing)과 시스템IC(ASIC: Application-Specific Integrated Circuits)를 사용하며, 서보전동기는 제어된 입력 전압에 의해 토크성분과 자속성분이 직교되는 자극을 만들어 회전력을 발생한다.