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서보 모터 토크 및 속도

전기 및 부하 파라미터로부터 서보 모터 토크, 속도, 효율 및 역기전력을 계산합니다.

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공식

P_out = T × ω, η = P_out/P_in × 100%

T — Load torque (N·m)
ω — Angular speed (rad/s)

작동 방식

서보 모터는 DC 또는 브러시리스 모터와 위치 엔코더 및 피드백 컨트롤러를 결합한 폐루프 회전 액추에이터입니다.컨트롤러는 PWM 신호 펄스 폭을 통해 명령된 위치를 실제 샤프트 각도와 비교하고 모터를 구동하여 오류를 최소화합니다.토크 출력은 모터의 스톨 토크 등급과 인가 전압에 의해 결정되며 속도는 무부하 RPM과 제어 신호 듀티 사이클에 의해 결정됩니다.표준 PWM 제어 신호는 펄스 폭이 1ms (0°) 에서 2ms (180°) 사이인 50Hz 프레임을 사용합니다.

계산 예제

취미 서보는 정격 6V, 3kg·cm 스톨 토크, 0.10초/60° 무부하 속도입니다.
1단계 — 스톨 토크를 N·m으로 변환:
3 kg·cm × 0.0981 N·m/ (kg·cm) = 0.294 N·m
2단계 — 무부하 시 각속도 측정:
60° (0.10초 이내) → 600°/s → 600/360 × 2π = 10.47라드/초
3단계 — 최대 기계 출력 추정:
P = T × ω/2 (최대 출력은 하프 스톨 토크에서 발생)
P = (0.294/2) × (10.47/2) = 0.770와트
4단계 — 제어 펄스 확인:
90° 포지션의 경우: 50Hz에서 펄스 = 1밀리초+ (90/180) × 1밀리초 = 1.5밀리초
결과: 서보는 최대 0.77W의 기계적 동력을 제공합니다.급속 동작 시 브라운 아웃이 발생하지 않도록 최소 1.5배의 실속 전류를 공급하도록 전원 크기를 조정하십시오.

실용적인 팁

  • ✓돌입 스파이크를 흡수하고 MCU 재설정을 방지하기 위해 서보 전원 핀 가까이에 100—470µF 벌크 커패시턴스를 추가합니다.
  • ✓정밀한 위치 조정을 위해서는 금속 기어가 장착된 디지털 서보를 사용하십시오. 플라스틱 기어가 장착된 아날로그 서보는 눈에 띄는 반발 및 컴플라이언스를 보입니다.
  • ✓전력 예산을 확정하기 전에 작동 전압에서 실제 무부하 전류를 측정하십시오. 데이터시트 값은 종종 다른 전압에서 측정됩니다.

흔한 실수

  • ✗마이크로컨트롤러 5V 레일에서 서보에 전원 공급 — 스톨 전류 (최대 1.5A) 로 인해 MCU 전원이 차단됩니다.
  • ✗PWM 프레임 속도 무시: 대부분의 아날로그 서보에는 정확히 50Hz가 필요하지만 디지털 서보는 최대 333Hz까지 견딜 수 있습니다.
  • ✗스톨 토크가 연속적이라고 가정하면 스톨 토크가 몇 초 이상 가해지면 서보 기어와 권선이 과열됩니다.

자주 묻는 질문

아날로그 서보는 내부 PID 루프를 최대 50Hz (PWM 프레임 속도) 로 업데이트합니다.디지털 서보는 PWM 입력을 샘플링하고 모터 드라이브를 300~400Hz로 업데이트하여 유휴 전류가 높아지더라도 응답 속도, 유지 토크 증가, 분해능을 향상시킵니다.
하중 질량 (kg) 에 중력 가속도 (9.81 m/s²) 에 모멘트 암 길이 (m) 를 곱하여 필요한 토크 (N·m) 를 구합니다. 동적 하중과 진동 시 위치 유지에 대해 최소 2배의 안전 계수를 적용하십시오.
대부분의 서보는 별도의 4.8~6V 전원 공급 장치에서 작동하는 동안 최저 3.3V 로직 레벨의 PWM 신호를 수신합니다.신호 접지를 연결하고 파워 레일을 따로 유지하고 MCU 핀 자체에서 서보 전원을 공급하지 마십시오.

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