반발 토크 보상 AC 서보 모터 :Reaction torque compensation AC servo motor

김남중

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김남중 (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: 안형준

발행연도: 2025

저작권: 숭실대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

최근 산업 자동화와 지능형 로봇공학 분야에서는 생산성 향상과 정밀 제어를 위한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 이를 위해 서보 모터의 고가감속 구동 방식이 널리 활용되고 있다. 그러나 이 과정에서 발생하는 반발 토크가 시스템에 직접 전달되어 진동과 충격을 유발하고, 이는 장비의 내구성과 제어 정밀도를 악화시킨다.
이 연구에서는 동조 질량 감쇠기(Tuned Mass Damper, TMD) 구조를 적용한 반발 토크 보상(Reaction Torque Compensation, RTC) 기구를 설계하고, 상용 서보 모터에 적용하여 진동 저감 효과를 검증하였다. 하지만, 고정자의 잔류 진동으로 인해 위치 제어 성능이 악화되었다. 위치 제어 성능을 향상시키기 위해 상용 서보 드라이버를 토크 제어 모드로 설정하고, OpenAPI 기반 EtherCAT 통신을 활용하여 주파수 응답 분석을 통해 RTC 서보 모터의 매개변수를 식별하였다. 이후, 맞춤형 서보 드라이버를 구축하여 식별된 모델 매개변수를 바탕으로 확장 상태 관측기(Extended State Observer, ESO)를 적용하여 위치 제어 성능을 개선하였다.
2π rad 위치 명령, 21π rad/s 최대 속도, 150 ms 가속 시간의 모션 프로파일을 통해 RTC 서보 모터의 진동 저감 성능을 검증한 결과, 일반 서보 모터 대비 시간 영역에서의 RMS 진동이 70% 이상 저감하였으나, 고정자의 잔류 진동으로 인해 RMS 위치 추종 오차와 정착 시간이 각각 15.8%, 32.3% 증가하였다. 이를 개선하기 위해 맞춤형 서보 드라이버를 구축하고 ESO를 적용한 결과, RMS 위치 추종 오차는 63.2% 감소하고 정착 시간은 14.2% 증가로 억제되어 위치 제어 성능을 향상시켰다.

In the fields of industrial automation and intelligent robotics, advanced technologies for improving productivity and precision control have been actively developed. To this end, high-acceleration and deceleration operation of servo motors is widely employed. However, reaction torque generated during such operations is directly transmitted to the system, causing vibrations and shocks that degrade equipment durability and control precision.
This study proposes a reaction torque compensation (RTC) mechanism based on a tuned mass damper (TMD) structure, designed to suppress vibrations by integrating it into a commercial servo motor. While the RTC mechanism effectively reduces system vibrations, residual stator oscillations were observed to deteriorate position control performance. To address this issue, the commercial servo driver was configured in torque control mode, and system parameters of the RTC servo motor were identified through frequency response analysis using an OpenAPI-based EtherCAT communication platform. Subsequently, a customized servo driver was developed, and an extended state observer (ESO) was implemented based on the identified model parameters to improve position control performance.
The vibration suppression performance of the RTC servo motor was experimentally evaluated using a motion profile with a position command of 2π rad, a maximum velocity of 21π rad/s, and an acceleration time of 150 ms. Compared to the conventional servo motor, the RTC servo motor reduced RMS vibration by more than 70% in the time domain. However, residual stator oscillations increased RMS position tracking error and settling time by 15.8% and 32.3%, respectively. To overcome this limitation, the proposed customized servo driver with ESO was applied, which reduced RMS position tracking error by 63.2% and suppressed the increase in settling time to 14.2%, thereby enhancing position control performance.

제1 장 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 선행연구 3
1.2.1 반발력 보상 기구가 적용된 선형 모터 스테이지 3
1.2.2 RTC 기구가 적용된 유도 전동기 4
1.3 연구목표 5
제2 장 RTC 서보 모터 6
2.1 RTC 서보 모터 개요 6
2.2 RTC 서보 모터 수학 모델 7
2.3 RTC 서보 모터 구현 9
2.3.1 RTC 기구 설계 9
2.3.2 RTC 기구의 강성 계수에 따른 베이스 진동 특성 분석 16
2.3.3 RTC 기구의 감쇠 계수에 따른 베이스 진동 특성 분석 18
2.3.4 RTC 서보 모터 설계 21
2.4 RTC 서보 모터 제어 시스템 24
2.4.1 시스템 구성 24
2.4.2 실험 장치 26
제3 장 실험 29
3.1 상용 서보 드라이버 기반 RTC 서보 모터 29
3.1.1 상용 서보 드라이버 29
3.1.2 상용 서보 드라이버 제어기 구성 30
3.1.3 시스템 식별 32
3.1.4 진동 저감 성능 평가 38
3.1.5 위치 제어 성능 평가 41
3.2 맞춤형 서보 드라이버 기반 RTC 서보 모터 44
3.2.1 맞춤형 서보 드라이버 44
3.2.2 맞춤형 서보 드라이버 제어기 구성 46
3.2.3 확장 상태 관측기(ESO) 46
3.2.4 확장 상태 관측기 이득(ρn) 선정 48
3.2.5 확장 상태 관측기 적용 모의시험 49
3.2.6 구동 토크 보상 성능 평가 51
3.2.7 위치 제어 성능 평가 52
3.2.8 서보 드라이버에 따른 위치 제어 성능 비교 56
제4 장 결론 59
참고문헌 60

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