Technical Trends of Servo Drive and Performance

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1 Technical Trends of Servo Drive and Performance
서보 드라이브 기술개발 현황 및 성능평가 Technical Trends of Servo Drive and Performance 한국승강기대학교 이 상 훈

2 서보 모터의 종류 현재 서보 모터의 99% 제어 특성이 우수 낮은 토크 리플 고효율 저소음 고속운전용

3 서보 시스템의 구성 User Interface (PC base) Master Controller (PLC base)
The object of control (Servomechanism) Slave Controller (Motor drive) Spindle motor Linear servo motor Rotational servo motor

4 서보 드라이브 개발 현황 2002 1990 1995 1985 (표) : 표준형 (염) : 염가형(전용) (통) : 통신형
야스카와 미쯔비시 파나소닉 기타 효성 대우 OTIS-LG Rockwell SamSung Analog(표) 0.5~5kW Digital(표) 0.05~0.4kW 0.5~11kW 0.05~5kW 0.5~3kW Digital(염) ~0.2kW 0.05~3kW Digital(복) Digital(통) 0.03~1kW 0.1~0.8 1~3kW [98년] Digital 서보 개발중단 0.1~3kW Analog(복) 0.1~22kW 0.05~0.2kW) Digital(S) 0.05~1.0kW 0.05~3kW) 0.1~5kW 2002 1990 1995 1985 1kW (표) : 표준형 (염) : 염가형(전용) (통) : 통신형 (복) : 복합형 (S) : System형 고응답성 및 기계진단기능(통) 0.05~7kW)

5 Brushless Tacho generator
서보 드라이브 적용 기술 동향 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 유압 전기 DC 서보 모터 AC 서보 모터 Needs (적용/성능) 수치제어 고속 응답성 Digital화 고정도화 소형화 省배선화 초소형화 고성능화 간편 조작 저소음 고주파억제 환경대책 고효율 Network Open Brushless Tacho generator Absolute Encoder 엔코더 Serial 통신화(省배선) 모터 Incremental Encoder Neodymium Magnet Sm-Co Magnet Power Transistor 복합화 ※1 IGBT 응용 자기진단 기술응용 드라이버 ※2 ※4 Power Transistor 응용 Micro Processor 응용 DSP 응용 IPM화 Advance제어 Soft Switching ASIC 응용 ※3 RISC응용 Active Filter ※1. IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor ※3. RISC : Reduced Instruction Set Computer ※2. DSP : Digital Signal Processor ※4. IPM : Intelligent Power Module 자료원 : 일본 전기 공업회

6 서보 드라이브 적용 기술 FANUC 미쯔비시 야스카와 파나소닉 Rockwell SamSung OTIS-LG 생산 업체 제품
MR-J2S-10A SVM1-20i SGDM-10A 제품 MDDA-103 CSD3-10BX1 FDA 5010 FDA 7010 550Hz Serial-17Bit 550Hz 이상 100만 펄스 400 / 600Hz 속도응답 엔코더 500Hz Inc-2500ppr Inc-5000ppr 250Hz Inc-8192ppr Abs-13Bit Inc-12000ppr 부하관성 오토 튜닝 기구 부하 공진 억제 오토 게인 튜닝 기능 고응답 전류제어(HRV) 통합기구 공진억제 이상부하 검출기능 공진 억제 제어 기구 부하 공진 검출 온/ 오프 라인 게인 튜닝 보유 기능 공진 억제 제어 기능 온/오프 라인 게인 튜닝 모터 상수 자동 판별 시스템 공진 자동 억제 오프라인 부하관성 튜닝 수동 공진 억제 기능 공진 억제 제어기능 기구 부하 진동 억제 오토 게인 튜닝 머신 아날라이저 머신 시뮬레이션 MT/ Digital /PC Loader FANUC i CELL CNC 통합 패키지 SigmaSize+ SigmaWin 100/200 MT/Digital/PC Loader 사용자 인터페이스 PANATERM DVOP 1160/ 1960 MT/ PC Loader Smart Jog MT/Digital / PC Loader LOSD H-Tuner MT/ Digital / PC Loader 공진 해석 및 분석 SW 개선된 셋업 SW MT/ Digital/ PC Loader 일반산업기계 반도체 정밀공작기계 CNC 반도체 등의 특성화 시장 주 대응시장 공작기계 자매사 : 60% 섬유기계

7 국내 서보 시장 규모 - 정밀 산업용 및 일반 산업용 국내 서보 시장 규모는 2002년 기준으로 약 1100억원 정도로 추정
- 상용 서보 시스템의 시장은 유압 시스템의 대체로 시장이 점진적으로 증가 추세 - 로봇 및 구동 시스템 분야의 임베디드 형태의 서보 시스템 개발이 크게 증가  요구 시장이 확대 일반 산업기계 시장규모 (FA, 반도체,로봇) 정밀 산업기계 시장규모 (공작기계) 433 390 500 400 590 410 620 700 715 760 800 840 430 450 470 490 510 530 단위 (억원)

8 서보 드라이브 응용 특성 일반산업분야 섬유기계 포장기계 일반 공작기 공장 자동화 3 7 % 제품의 안정성 향상
다품종 소량 주문 다양한 기술 영업 요구 시장 잠재력 우수 고기능 고성능화 추세 제품의 안정성 향상 가격 / 납기 / 품질 인버터 대체 시장에 대한 솔루션을 제공 일반 산업 제어장치의 고성능 요구로 인버터 제품의 대체 현상으로 시장 규모 증가 추세 정밀 산업분야 정밀 공작기 반도체 응용 자동화 전용 5 3 % 소품종 다량 주문 도입 제품이 주도 고기능 고성능 요구 시장의 요구성능 및 국산화 시스템 제품 개발 도입제품의 동급성능 가격 경쟁력 및 기술 요구 도입 제품이 독점적으로 공급 국가과제로 국산화 추진으로 국내 시장 개척이 가능하나 요구성능에 현재 대응 불가 로봇 응용 분야 산업용 로봇 1 % 소품종 다량 주문 전용 제어 시스템 Linear 모터 시장 증대 로봇 제어 전용의 네트워크 기능이 요구 전용 제어기 요구 Linear 모터 구동 시스템 개발 필요 일부 특수 직각좌표 로봇에 적용되고 있으나, 상위기를 포함하는 토탈 솔루션을 요구

9 서보 드라이브의 구조

10 제어기의 구성

11 속도 제어기

12 전류 제어기

13 상용 서보 드라이브의 구조 High Precision ADC High Performance ASIC High Speed DSP
High speed(up to 75MHz) 11~20bit Serial Encoder Receiver Encoder Data auto reload Advanced 3-channel dual PWM module Direct display operation 2-channel serial communication Arbitrary pulse output High Precision ADC High Speed DSP High Performance ASIC 16bit resolution Discrete 6-channel 32bit full digital 120MHz - 60MIPS High Speed Pulse Input 2-channel 6-mode pulse waveforms 700[kpps] input Arbitrary Pulse Out 1 to Pulse Absolute Data Out

14 고성능 제어 구조 – 진동 억제(1/2) 기계 시스템의 다관성 모델

15 고성능 제어 구조 – 진동 억제(2/2) 공진 적응형 노치 필터

16 정밀 전류 측정 기술 전류 측정 시스템 경로 전류 측정 경로의 시간 지연을 고려한 제어주기 시작점으로부터 선행 샘플 & 홀드

17 시험 평가 항목 전자기 시험 기능 성능 시험 환경시험 Impulse noise 시험 정전기 방전 시험 낙뢰 시험, 자계 시험
가감속 특성시험 위치정밀도 측정 속도Profile측정 보간 정밀도 측정 미소이송 정밀도 측정 Impulse noise 시험 정전기 방전 시험 낙뢰 시험, 자계 시험 정전 및 전압저하 시험 외 다수 진동 시험 온습도 시험 열 특성 시험 등

18 서보 모터 부하 특성 시험 속도-토크 특성시험 정격출력과 과부하를 인가하였을 때 나타나는 포화 온도 변화 특성을 관찰
정격 토오크에서의 경우는 6시간 이상, 최대출력의 경우 30분 50%ED 부하 인가 회전수별 정격토크 변화량 측정 속도-토크 측정을 위한 부하장치 회전수별 정격토크 변화 곡선

19 적외선에 의한 연속운전 온도 분포시험 모터 드라이브 <시험조건> 1. 정격회전속도 2. 정격 토오크
3. 6시간 연속운전

20 회전 정밀도 측정 환경 RX10 Rotary indexer 로 Rotary axis accuracy를 측정 측정 시스템 구성도
Specification Metric Imperial Indexing accuracy ± 5 μm/m ± 1 arc sec Repeatability 1 μm/m 2 arc sec

21 내환경 시험 항목 항목 IEC 기준 시험 조건 진동시험기 IEC 1131-2 IEC 68-2-6
10 ~ 57Hz 0.075mm , 57 ~ 150Hz 1G 항온항습기 고습(55℃, 90%), 항온(-5 ~ 60℃), 항습(25 ~ 40℃, 90%), 보관(-20 ~ 80℃) 정전기방전 시험기 IEC 시험인가조건 접촉방전 6KV, 기중방전 8KV Impulse Noise 시험기 ±2KV, 50ns/ 400ns/ 1us, 60Hz FNS 시험기 IEC 시험인가조건 ±2KV, 5KHz Surge 시험기 IEC 시험인가조건 ±2KV 상용주파수 자계시험기 IEC 연속자계시험 30A/m, 단시간시험 300A/m Pulse 자계시험기 IEC 시험인가조건 300A/m(peak) 감쇄진동 자계시험기 IEC 시험인가조건 30A/m(peak) 전압변동 시험기 IEC 정격전원의 60% 감압, 500ms, 60sec

22 고습 및 항온 시험 고습시험 : 정격 입력전압 인가상태로 55℃, 90%에서 규격상의 Cycle 구성도를 따라 24시간 시험 시 시스템 오동작 및 부품 파괴가 없을 것. 항온시험 : 정격 입력전압 인가상태로 –5 ~ 60℃에서 규격상의 Cycle 구성도를 따라 24시간 시험 시 시스템 오동작 및 부품 파괴가 없을 것. <사이클 구성> 고습시험(적용규격 KS C 0237) 항온시험(적용규격 KS C 0220, 0221)

23 항습 및 보관시험 항습시험 : 정격 입력전압 인가상태로 25 ~ 40℃, 90%에서 규격상의 Cycle 구성도를 따라 24시간 시험 시 시스템 오동작 및 부품 파괴가 없을 것. 보관시험 : 무통전 상태로 –20 ~ 80℃에서 규격상의 Cycle 구성도를 따라 24시간 방치 후 시스템 오동작 및 부품 파괴가 없을 것. 항습시험(적용규격 KS C 0237) 보관시험(적용규격 KS C 0220, 0221)

24 내 진동 시험 내 진동 시험 항목 및 평가기준 설계 내구진동시험 : NCK 동작 상태에서 서로직각이 되는 3방향에 주파수 10 ~ 57Hz(0.15mm), 57 ~ 150Hz(1G), Sweep rate 1oct/min으로 10 sweep cycles 가진을 주었을 때 시스템 Down이나 Alarm이 발생하지 않을 것. 포장진동시험 : 무통전 상태로 서로 직각이 되는 3방향에 주파수 10 ~ 55Hz, 진폭 0.75mm로 10 Sweeps, 45분 동안 내구시험을 행한 후 시료의 성능시험 시 기능에 이상이 없을 것. 적용규격 IEC , IEC 서보 드라이브 내 진동 시험 시스템 구축

25 정전기 방전시험 정전기 방전 시험 결과 (IEC 61000-4-2 규격 Level 3 기준) 목적
정전기로 인한 제품의 안정성, 시스템의 동작이상 발생 및 파손 여부를 확인하기 위한 시험으로 정전기가 인가되어질 때 공업용 생산 측정 제어장비의 수행평가를 위한 공통적인 기준을 설립 시험인가조건 서보 시스템 적용 시험 Level 3 : 접촉방전 6KV, 기중방전 8KV 시험구성도 시험기기 (ESS-2000) EUT 절연 SHEET GROUND LINE 방전 GUN 상용전원 GROUND PLANE 정전기 방전 시험 결과 (IEC 규격 Level 3 기준) 1 2 3 4 6 8 15 시험 level 시험전압(KV) 접촉방전 기중방전

26 Fast Transient / Burst Immunity 시험
목적 AC입력 전원선, 신호선 제어선 등에 빠른 전기적 과도현상 인가 시 제품 및 시스템의 안정성 및 동작이상 발생 확인 시험인가조건 및 적용범위 서보 시스템 적용 시험 Level 3 : 2KV, 5KHz, 3분 인가 시험구성도 시험기기 (FNS AxII) Decoupling device Coupling EUT Reference plane Lines Lines < 1m FNS 시험 결과 (IEC 규격 Level 3 기준) 1 2 3 4 0.5 1.0 2.0 4.0 0.25 시험 level 시험전압(KV) 전원선 I/O 신호선

27 Impulse Noise Immunity 시험
목적 AC입력 전원선, 신호선 제어선 등에 지속적인 Impulse noise를 인가 시 제품의 안정성 및 동작이상 발생여부 확인 시험인가조건 Impulse duration: 50ns/ 400ns/ 1us , Repetition rate: 60Hz 시험 구성도 시험기기 (INS-400AX) EUT R S GROUND LINE 상용전원 Impulse Noise Immunity 시험 결과 (IEC 규격 Level 3 기준) 1 2 3 4 0.5 1.0 2.0 4.0 시험 level 시험전압(KV) Level 3 Impulse duration : 50㎱/ 400㎱/ 1㎲ 

28 뇌 서지 Immunity 시험 뇌 surge Immunity 시험 결과 (IEC 61000-4-5 규격 Level 3 기준)
목적 스위칭과 낙뢰 현상으로 야기되는 단방향 써지 전압에 대하여 내성 요구, 시험방 법, 요구되는 시험전압의 범위 등을 정의, 전원라인과 상호접속 전송라인에 고에 너지의 noise를 인가하여 장비의 성능을 평가하기위한 공통된 기준 설립 시험인가조건 CNC장치 적용 시험 Level 3 : 인가전압 2KV 시험구성도 Combination wave generator EUT Earth reference Decoupling network L N PE C = 18uF 뇌 surge Immunity 시험 결과 (IEC 규격 Level 3 기준) 1 2 3 4 0.5 1.0 2.0 4.0 시험 level Open Circuit Test voltage (KV)

29 상용 주파수 자계 불활 성능 시험 상용주파수 자계 시험 결과 (IEC 61000-4-8 규격 Level 4 기준) 목적
상용주파수 자계하에 이주용 사용 및 공업용 적용의 전기 및 전자기기의 상태를 평가하기 위해 공통으로 재생 가능한 기초를 설정 시험인가조건 CNC장치 적용 시험 Level 4 : 연속자계시험 30A/m(10min), 단시간시험 300A/m 시험구성도 상용주파수 자계 시험 결과 (IEC 규격 Level 4 기준) 1 2 3 4 10 30 시험 level 자계강도(A/m)

30 펄스 자계 불활 성능 시험 Pulse 자계 시험 결과 (IEC 61000-4-9 규격 Level 4 기준) 목적
전기, 전자기기가 전기설비에서의 초기 고장 과도 전압이나 변전 설비의 개폐 조작에 의해서 발생할 수 있는 펄스 자계에 영향을  받았을 때 제품의 신뢰성을 알아보기 위한 시험 시험인가조건 CNC장치 적용 시험 Level 4 : 300A/m, 10min 시험구성도 Pulse 자계 시험 결과 (IEC 규격 Level 4 기준) 1~3 4 5 X N/A 300 1000 special 시험 level 자계강도(A/m)

31 감쇄 진동 자계 불활 성능 시험 감쇄진동 자계 시험 결과 (IEC 61000-4-10 규격 Level 4 기준) 목적
전기, 전자기기가 개폐기 조작(Switching)에 의해서 발생할 수 있는 감쇄 진동 자계에 의한 기기 및 설비 계통에 미칠 수 있는 신뢰성을 알아보기 위한 시험 시험인가조건 CNC장치 적용 시험 Level 4 : 30A/m, 10min 시험구성도 감쇄진동 자계 시험 결과 (IEC 규격 Level 4 기준) 1 2 3 4 10 30 시험 level 자계강도(A/m)

32 서보 드라이브 기술개발 현황 및 성능평가 감 사 합 니 다 한국승강기 대학교 이 상 훈