서보 기구

기계공학 및 제어공학에서 서보 기구(Servomechanism)는 기계 시스템의 위치 및 속도와 같은 시간 미분값을 위한 제어 시스템이다. 여기에는 종종 서보 기구가 포함되며, 정상 상태 오차를 줄이고 동적 응답을 개선하기 위해 폐쇄 루프 제어를 사용한다. 폐쇄 루프 제어에서는 오류 감지 음성 되먹임을 사용하여 메커니즘의 동작을 수정한다.Baldor Electric Company – Servo Control Facts. Accessed 25 September 2013 변위 제어 애플리케이션에서는 일반적으로 내장된 엔코더 또는 다른 위치 피드백 메커니즘을 포함하여 출력이 원하는 효과를 달성하는지 확인한다.Anaheim Automation: Servo Motor Guide. Accessed 25 September 2013 지정된 동작 궤적을 따르는 것을 서보잉이라고 하며,Clarence W. de Silva. Mechatronics: An Integrated Approach (2005). CRC Press. p. 787. 여기서 "서보"는 동사로 사용된다. 서보 접두사는 노예를 의미하는 라틴어 단어 servus에서 유래한다.

이 용어는 피드백 또는 오류 수정 신호가 기계적 위치, 속도, 태도 또는 기타 측정 가능한 변수를 제어하는 데 도움이 되는 시스템에만 올바르게 적용된다.BusinessDictionary.com definition . Accessed 25 September 2013 예를 들어, 자동차의 파워 윈도우 제어는 위치를 제어하는 자동 피드백이 없으므로(운전자가 관찰을 통해 이를 수행함) 서보 기구가 아니다. 반대로 자동차의 크루즈 컨트롤은 폐쇄 루프 피드백을 사용하므로 서보 기구로 분류된다.

응용 분야

위치 제어
섬네일|right|유압 액추에이터와 "포지셔너"가 있는 글로브 제어 밸브. 이는 마찰에 관계없이 밸브가 원하는 위치로 열리도록 보장하는 서보이다.
일반적인 서보 유형은 위치 제어를 제공한다. 일반적으로 서보는 전기, 유압 또는 공압이다. 이들은 음성 되먹임 원리로 작동하며, 제어 입력은 출력에서 어떤 유형의 트랜스듀서로 측정된 기계 시스템의 실제 위치와 비교된다. 실제 값과 원하는 값 사이의 차이("오류 신호")는 증폭(및 변환)되어 오류를 줄이거나 제거하는 데 필요한 방향으로 시스템을 구동하는 데 사용된다. 이 절차는 제어이론의 널리 사용되는 응용 분야 중 하나이다. 일반적인 서보는 회전(각도) 또는 선형 출력을 제공할 수 있다.

속도 제어
조속기를 통한 속도 제어는 또 다른 유형의 서보 기구이다. 증기기관은 기계식 조속기를 사용했으며, 또 다른 초기 응용 분야는 물레방아의 속도를 조절하는 것이었다. 제2차 세계 대전 이전에 정속 프로펠러가 항공기 기동을 위한 엔진 속도 제어를 위해 개발되었다. 가스 터빈 엔진의 연료 제어는 유압 기계식 또는 전자식 조속기를 사용한다.

기타
위치 지정 서보 기구는 군사 사격 통제 및 항해술 장비에 처음 사용되었다. 오늘날 서보 기구는 자동 공작 기계, 위성 추적 안테나, 원격 제어 비행기, 보트 및 비행기의 자동 항법 시스템, 대공포 제어 시스템에 사용된다. 다른 예로는 항공기의 제어 표면을 작동시키는 데 서보를 사용하는 항공기의 플라이 바이 와이어 시스템과 동일한 목적으로 RC 서보를 사용하는 무선 조종 모형이 있다. 많은 자동 초점 카메라도 렌즈를 정확하게 움직이기 위해 서보 기구를 사용한다. 하드 디스크 드라이브는 서브 마이크로미터 위치 정확도를 가진 자기 서보 시스템을 가지고 있다. 산업 기계에서는 서보가 많은 응용 분야에서 복잡한 동작을 수행하는 데 사용된다.

서보 모터

섬네일|right|200px|산업용 서보 모터
회색/녹색 실린더는 브러시형 직류 전동기이다. 아래쪽의 검은색 부분에는 유성 감속 기어가 포함되어 있으며, 모터 상단의 검은색 물체는 위치 피드백을 위한 광학 로터리 인코더이다.
섬네일|right|200px|작은 R/C 서보 메커니즘.
1. 전동기
2. 위치 피드백 전위차계
3. 감속 톱니바퀴
4. 액추에이터 암 
서보 모터는 로터리 인코더 또는 전위차계와 결합하여 서보 기구를 형성하는 특정 유형의 모터이다. 이 조립체는 다시 다른 서보 기구의 일부를 형성할 수 있다. 전위차계는 위치를 나타내는 간단한 아날로그 신호를 제공하는 반면, 인코더는 위치와 일반적으로 속도 피드백을 제공하며, 이는 PID 제어기를 사용하여 위치를 보다 정밀하게 제어하고 안정적인 위치를 더 빠르게 달성할 수 있도록 한다(주어진 모터 전력에 대해). 전위차계는 온도가 변할 때 표류하는 경향이 있는 반면 인코더는 더 안정적이고 정확하다.

서보 모터는 고급 및 저가형 응용 분야 모두에 사용된다. 고급 분야에서는 로터리 인코더를 사용하는 정밀 산업 부품이 있다. 저가형 분야에서는 자유롭게 회전하는 모터와 내장 컨트롤러가 있는 간단한 전위차계 위치 센서를 사용하는 무선 조종 모형에 사용되는 저렴한 무선 조종 서보(RC 서보)가 있다. 서보 모터라는 용어는 일반적으로 고급 산업 부품을 지칭하는 반면, 서보라는 용어는 전위차계를 사용하는 저렴한 장치를 설명하는 데 가장 자주 사용된다. 스테퍼모터는 서보 모터로 간주되지 않지만, 이들 또한 더 큰 서보 기구를 구성하는 데 사용된다. 스테퍼모터는 그 구조상 고유한 각도 위치 결정 기능을 가지고 있으며, 이는 일반적으로 피드백 없이 개방 루프 방식으로 사용된다. 이들은 일반적으로 중간 정밀도 응용 분야에 사용된다.

RC 서보는 자동차의 조향, 비행기의 제어 표면 또는 보트의 방향타와 같은 다양한 기계 시스템의 작동을 제공하는 데 사용된다. 저렴한 가격, 신뢰성 및 마이크로프로세서에 의한 제어 용이성으로 인해 소규모 로봇공학 응용 분야에 자주 사용된다. 표준 RC 수신기(또는 마이크로컨트롤러)는 서보에 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 보낸다. 서보 내부의 전자 장치는 펄스 폭을 위치로 변환한다. 서보가 회전하도록 명령받으면 전위차계가 명령된 위치에 해당하는 값에 도달할 때까지 모터에 전력이 공급된다.

역사
섬네일|동력 보조 선박 조향 시스템은 방향타가 원하는 위치로 움직이도록 보장하는 서보 기구의 초기 사용자였다.
제임스 와트의 증기기관 조속기는 일반적으로 최초의 동력 피드백 시스템으로 간주된다. 풍차 꼬리날개는 자동 제어의 초기 사례이지만, 앰프나 이득이 없으므로 일반적으로 서보 기구로 간주되지 않는다.

최초의 피드백 위치 제어 장치는 대형 선박의 방향타를 선박의 키 위치에 따라 배치하는 데 사용되는 선박 조향 기관이었다.
존 맥팔레인 그레이는 선구자였다. 그의 특허 받은 디자인은 1866년 SS 그레이트 이스턴호에 사용되었다.
조제프 파르코는 1862년에서 1868년 사이에 여러 특허를 보유한 피드백 개념에 대해 동등한 공로를 인정받을 수 있다.

텔레모터는 1872년경 앤드류 벳츠 브라운에 의해 발명되었으며, 제어실과 엔진 사이의 정교한 메커니즘을 크게 단순화할 수 있게 했다.Andrew Betts Brown 증기 조향 엔진은 현대 서보 기구의 특성을 가졌다: 입력, 출력, 오류 신호, 그리고 오류 신호를 증폭하여 음성 되먹임을 통해 오류를 0으로 만드는 수단. 라곤넷 파워 리버스 메커니즘은 1909년에 특허를 받은 선형 운동을 위한 범용 공기 또는 증기 동력 서보 증폭기였다.Eugine L. Ragonnet, Controlling Mechanism for Locomotives, U.S. Patent 930,225, Aug. 9, 1909.

전기 서보 기구는 1888년 일라이셔 그레이의 텔레오토그래프에서 일찍이 사용되었다.

전기 서보 기구는 전력 증폭기가 필요하다. 제2차 세계 대전은 전력 증폭기로 앰플리다인을 사용하는 전기 사격 통제 서보 기구의 개발을 보았다. 진공관 증폭기는 유니박 I 컴퓨터용 UNISERVO 테이프 드라이브에 사용되었다. 영국 해군은 1928년 HMS 챔피언에서 원격 전력 제어(RPC)를 실험하기 시작했으며 1930년대 초에 탐조등 제어에 RPC를 사용하기 시작했다. 제2차 세계 대전 중 RPC는 포탑과 포사격 지시기를 제어하는 데 사용되었다.

현대 서보 기구는 일반적으로 MOSFET 또는 사이리스터 장치로 만들어진 솔리드 스테이트 전력 증폭기를 사용한다. 소형 서보는 전력 트랜지스터를 사용할 수 있다.

이 단어의 기원은 1868년 J. J. L. Farcot이 선박 조향에 사용되는 유압 및 증기 엔진을 설명하기 위해 처음 사용한 프랑스어 "Le Servomoteur" 또는 slavemotor에서 유래한 것으로 여겨진다.IEEE Industry Applications Magazine March/April 1996, pg 74

가장 간단한 종류의 서보는 뱅뱅 제어를 사용한다. 더 복잡한 제어 시스템은 비례 제어, PID 제어, 그리고 현대 제어 이론에서 연구되는 상태 공간 제어를 사용한다.

성능 유형

서보는 피드백 제어 시스템에 따라 분류될 수 있다.G. W. Younkin, Industrial Servo Control Systems – Fundamentals and Applications – Second Edition, Taylor and Francis, 2007.

 타입 0 서보: 정상 상태 조건에서 일정한 오차 신호로 일정한 출력 값을 생성한다.
 타입 1 서보: 정상 상태 조건에서 null 오차 신호로 일정한 출력 값을 생성하지만, 기준의 일정한 변화율은 기준 추적에 일정한 오차를 의미한다.
 타입 2 서보: 정상 상태 조건에서 null 오차 신호로 일정한 출력 값을 생성한다. 기준의 일정한 변화율은 기준 추적에 null 오차를 의미한다. 기준의 일정한 가속도는 기준 추적에 일정한 오차를 의미한다.

서보 대역폭은 명령된 입력의 급격한 변화를 따를 수 있는 서보의 능력을 나타낸다.

 같이 보기 


더 읽어보기

 첸쉐썬 (1954) Engineering Cybernetics, 맥그로힐, 하티트러스트 링크

 각주 

 외부 링크 

 온타리오 뉴스 "서보 기술의 선구자"
 Rane 프로 오디오 레퍼런스 "서보 루프" 정의
 시애틀 로봇 협회 "서보란 무엇인가?" 
 다양한 유형의 서보 모터" 

분류:제어이론
분류:제어 장치