서보 모터 토크 및 속도
전기 및 부하 파라미터로부터 서보 모터 토크, 속도, 효율 및 역기전력을 계산합니다.
공식
작동 방식
이 계산기는 기계적 부하 매개변수와 PWM 제어 사양을 기반으로 서보 모터 토크, 속도 및 전력 요구 사항을 결정합니다.로봇 엔지니어, RC 애호가 및 자동화 설계자는 이를 사용하여 위치 정확도 및 응답 시간 요구 사항을 충족하는 서보를 선택합니다.적절한 서보 사이징은 부하 시 지연을 방지하고 동적 어플리케이션에 적합한 속도를 보장합니다.
IEC 61800-9-2 서보 모터 표준에 따라 서보 시스템은 모터, 위치 엔코더 및 폐루프 컨트롤러를 결합합니다.취미 서보는 1970년대 RC 장비에서 확립된 '후타바 표준'에 따라 50Hz 프레임 속도와 1~2ms의 펄스 폭을 0-180° 위치로 매핑하는 RC PWM 제어를 사용합니다.산업용 서보는 위치 해상도가 16-23비트 (65,536-8,388,608카운트/회전) 인 디지털 프로토콜 (CANopen, EtherCAT) 을 사용합니다.
토크 요구 사항은 T_필수 = T_정적 + T_동적 방정식을 따릅니다. 여기서 T_정적 = m×G×L (중력 하중) 및 T_동적 = J×α (가속 토크).서보 제조업체 데이터시트에 따르면 스톨 토크 등급은 모터가 열 차단 전 2~5초 동안만 이 부하를 견딜 수 있다고 가정합니다.연속 토크는 일반적으로 스톨 토크의 30~ 50% 입니다.20kg·cm 스톨 토크 정격의 서보는 약 7kg·cm의 연속 유지 토크를 제공합니다.
계산 예제
6-DOF 로봇 암 조인트의 서보를 선택합니다.관절은 150mm 모멘트 암에서 500g의 페이로드를 지지하고 0.3초 내에 90°로 가속해야 합니다.
1단계 — 정적 토크 (중력) 계산: T_스태틱 = m × g × L = 0.5 kg × 9.81 m/s² × 0.15 m = 0.736 N·m 변환: 0.736 N·m × 10.197 = 7.5 kgf·cm
2단계 — 동적 토크 (가속) 계산: 각도 변위: θ = 90° = π/2 라드 가속도 (사다리꼴 프로파일): α = 4θ/t² = 4× (π/2) /0.3² = 69.8 라드/s² 페이로드 관성: J = m×L² = 0.5 × 0.15² = 0.01125 kg·m² T_다이나믹 = J × α = 0.01125 × 69.8 = 0.785 N·m = 8.0 kgf·cm
3단계 — 필요한 서보 등급 결정: 총 피크 토크: 7.5 + 8.0 = 15.5 kgf·cm 안전계수 2배 적용 시: 최소 31kgf·cm 스톨 토크
4단계 — 속도 등급 확인: 최고 속도: ω_최대 = α × (t/2) = 69.8 × 0.15 = 10.5 라드/초 = 100 분당 회전수 필수 서보 속도: 0.3초/90° → 0.067초/60° (대부분의 디지털 서보 사양 충족)
결과: 스톨 토크가 35kgf·cm 이상이고 속도가 0.08초/60° 이하인 디지털 서보를 선택하십시오.가속 단계를 위해 6V 공급으로 3A의 피크 전류를 공급하십시오.총 전력: 35 kgf·cm × 100 분당 회전수 × 0.00105 = 3.7W 기계적 출력.
실용적인 팁
- ✓Futaba 및 Hitec 사양에 따르면 디지털 서보는 아날로그의 경우 50Hz에 비해 내부적으로는 300-400Hz로 업데이트되어 2배의 유휴 전류를 소비하면서 6-8배 더 빠른 응답과 20-30% 더 높은 유지 토크를 제공합니다.
- ✓RC 설계 가이드라인에 따라 50mm의 서보 파워 핀 내에 100-470µF 벌크 커패시턴스를 추가하면 MCU 브라운아웃 리셋의 원인이 되는 10-20A 돌입 스파이크를 흡수합니다.
- ✓전력 예산을 확정하기 전에 실제 무부하 전류 측정: 데이터시트 값은 6V를 가정하지만 대부분의 시스템은 5V 또는 7.4V에서 실행되어 전류 소비량을 ± 20% 까지 변경합니다.
흔한 실수
- ✗스톨 토크를 연속 등급으로 사용: 제조업체 열 제한에 따라 연속 토크는 스톨 토크의 30-50% 에 불과합니다. 이를 초과하면 5초 이상 과열 및 기어 손상이 발생합니다.
- ✗MCU 5V 레일에서 서보 전원 공급: 취미 서보는 정지 시 1~3A (6V × 3A = 최대 18W 피크) 를 소비하여 일반적인 USB 또는 LDO 전류 제한을 6-10배 초과합니다. 전용 BEC 또는 배터리 사용
- ✗위치 조정 시 기어 백래시 무시: 플라스틱 기어는 Hitec 사양에 따라 백래시를 1-3°로 나타냅니다. 금속 기어는 백래시를 0.1-0.5°로 줄이지만 서보 비용과 무게를 30-50% 증가시킵니다.
자주 묻는 질문
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