발진이란? | 알기 쉬운 웹 세미나

2026/05/07

발진이란 무엇인가? 발진의 원인과 대책, 공진과의 관계를 해설합니다!

발진이란 무엇인가?

노래방에서 스피커에서 삐- 하는 소리가 나는 이유는 무엇일까요!?
하마짱: 하시모토 선생님! 요전 날 노래방에서 마이크 볼륨을 높였더니, 스피커에서 삐- 하는 큰 소리가 나서 깜짝 놀랐어요. 도대체 무슨 일이 일어난 걸까요?

하시모토 선생님: 그렇구나. 그건 ‘하울링’이라는 현상이야. ‘하울링’은 음향 설비에서 일어나는 현상이지. 기계 설계에서 문제로 지적되는 서보 모터의 ‘발진 현상’도 이 하울링과 매우 비슷해. 오늘은 ‘발진’에 대해 자세히 배워보자!

하울링 현상
하시모토 선생님: 우선, 노래방의 ‘하울링’에 대해 생각해 보자. 스피커와 마이크를 가까이 대거나 앰프 볼륨을 높이면 “삐이이”나 “삐익” 하고 울리는, 바로 그 현상을 ‘하울링’이라고 불러.

■ 노래방에서 발생하는 하울링 현상의 메커니즘

하마짱: 마이크, 앰프, 스피커, 그걸 다시 마이크로 잡아들이면, 계속 맴돌기만 해서 멈추지 않게 되는 거군요.

하시모토 선생님: 맞아요. 전원을 끄거나 마이크를 스피커에서 떼어내지 않는 한 끝없이 계속될 거예요.

하울링 현상과
발진 하시모토 선생님: 산업 기계나 로봇 등에 사용되는 서보나 스테핑 모터도 드물게 하울링과 비슷한 현상이 일어나곤 해. 장치를 움직이기 위한 명령에 대한 결과인 ‘피드백 제어’ 정보의 지연이나 장치의 ‘고유 진동수’ 등이 영향을 미치고 있는 거야.

서보 모터에서는 이를 ‘발진’이나 ‘공진’이라고 부르지. 스테핑 모터는 일반적으로 ‘오픈 루프’라고 해서 지시한 만큼만 움직이는 제어를 하고 있기 때문에 ‘발진’하는 경우는 없어. 하지만 고정밀도가 요구되는 경우, 서보 모터와 마찬가지로 피드백 제어를 하는 경우가 있어서 스테핑 모터에서도 ‘발진’이 일어나는 경우가 있단다.

왜 발진이 생기는 걸까?

	하울링 현상 (마이크를 스피커에 가까이 대었을 때)	송출 나사의 진동 (서보·스테핑 모터의 피드백 제어)
① 검출기	마이크 소리를 전기 신호로 변환	인코더의 각도·회전을 전기 신호로 변환
② 증폭기	앰프: 음향 신호를 증폭한다	서보 컨트롤러·앰프: 회전 지시값과 동작 결과를 비교하여 그 차이를 증폭시켜 0이 되도록 모터를 제어한다
③ 구동부	스피커 증폭된 전기 신호로 콘을 진동시켜 공기 진동을 통해 소리를 발생	모터 명령 전류로 모터를 회전시켜 이송 나사 시스템의 고유 진동수가 자극된다
루프	발생한 소리를 근처의 마이크가 감지하여 ①으로 돌아가 ②, ③을 반복하며 루프 상태가 됨	모터의 동작 및 외란인 고유 진동수가 자극받아 ①으로 돌아간다. ①으로 되돌아간 고유 진동수는 증폭되어 ②, ③, ① 순으로 루프 상태가 된다

하마짱: 노래방에서 일어나는 ‘하울링’과 서보 모터나 스테핑 모터의 ‘발진’이 비슷하다니, 정말 놀랍네요!

하시모토 선생님: 공작 기계나 반도체 제조 장비, 제조 설비의 액추에이터 등에 많은 서보 모터가 사용되고 있어. 그 작동 원리에 대해서도 소개해 줄게.

カラオケの「ハウリング」と、サーボモータやステッピングモータの「発振」が似ているとは、驚きです！

나사 구동 장치에서 발생하는 서보 모터의 진동 현상

서보 컨트롤러에서 회전 속도, 회전 각도 및 위치를 지시합니다.
서보 증폭기는 (1)의 지시에 따라 서보 모터에 전류를 흘려 제어한다.
서보 모터는 ⑵의 지시에 따라 움직이기 시작하며, 명령과 일치하는지 여부를 인코더(검출기)를 통해 피드백하여, 지속적으로 보정하면서 추적한다. ※여기서 속도나 위치 정보의 정밀도를 높이기 위해 시스템의 감도(게인)를 높여간다. 감도(게인)를 높여가면, 장치의 진동(고유 진동수)이 인코더를 통해 피드백 신호에 혼입된다.
서보 모터는 ⑶의 고유 진동수에서 아주 미세하게라도 진동한다. 인코더가 장치의 고유 진동수를 감지하고, 이 고유 진동수를 컨트롤러의 증폭기 감도로 더욱 증폭시키며, 이 고유 진동수에서 모터가 진동함으로써 ‘기계 공진’이 발생하고, 인코더가 이를 감지하여 끝없는 루프가 형성된다.

■서보 모터란?

모터 내부의 센서를 통해 운전 상태를 모니터링함으로써, 고정밀도의 ‘위치 제어’, ‘속도 제어’, ‘토크 제어’를 가능하게 하는 모터를 말한다.

■자유 진동이란?

한 번 외력이 가해지면 진동이 계속되는 현상.
진동은 시간이 지남에 따라 약해진다.
동일한 구조물에서는 발생하는 진동이 같으며, 이를 ‘고유 진동수’라고 한다.

■강제 진동이란?

주기적인 외력에 의해 진동하는 현상.
외력의 주기가 변하면 진동수가 변한다.
가해진 진동수가 고유 진동수에 가까워지면 공진이 일어나 매우 큰 진동이 발생한다.

■공명이란 무엇인가?

‘고유 진동수’와 같은 주파수로 진동을 가하면, 가해진 진동의 크기보다 훨씬 더 큰 진동이 발생하는 현상을 말한다.
공진의 크기는 전달률(오른쪽 그림)로 나타내며, 재료의 감쇠비로 결정된다.
금속의 경우 원래 진동의 수십 배, 고무의 경우 수 배에 달하는 공진 진동이 발생한다.

【오른쪽 그림 설명】

ζ = 0.01 미만　금속
ζ=0.02~0.04　금속제 연속 구조
ζ=0.05　고무
주파수 비율 = 강제 진동수 / 고유 진동수

하마짱: 고정밀도와 빠른 응답 속도를 위해 서보 모터의 감도를 높이면, 이번에는 기계의 ‘고유 진동수’를 자극하여 ‘발진’이 일어나게 되는군요! 또한, 물체의 ‘고유 진동수’가 여러 곳에 영향을 미친다는 것도 알게 되었습니다. ‘고유 진동수’를 미리 알 수는 없는 걸까요?

하시모토 선생님: 최근에는 해석 기술이 발전해서 ‘고유 진동수’를 시뮬레이션할 수 있게 되었어. 간단하게는 다음 계산식으로 구할 수 있어.

■送り나사 시스템 고유 진동수의 간이 계산식

하시모토 선생님: ‘발진’이나 ‘공진’은 부품 파손이나 장치 고장의 원인이 될 수 있으므로 주의해야 해. 장치를 처음 가동할 때 서보 시스템을 조정하는 것이 중요해.

진동이 발생하지 않는 방법은 없나요?

하마짱: ‘발진’이나 ‘공진’의 원인과 관계는 이해했는데, ‘발진’을 막을 방법은 없을까요?

하시모토 선생님: 좋은 질문이네. 우선 아까 언급했던 서보 모터를 예로 들어, '발진'을 방지하는 방법을 설명해 줄게. 서보 모터에서 '발진'이나 '공진'이 발생하는 원인은 무엇이었지?

하마짱: 서보 기구의 피드백 제어에 유입된 외란(이 경우 기계의 고유 진동수)이 원인입니다.

하시모토 선생님: 맞아요! 구체적인 대책 방법은 다음과 같아요.

발진을 방지하기 위한

대책 대책①: 서보 모터의 오토 튜닝 기능으로 조정 <
서보 모터에 부속된 오토 튜닝 기능으로 조정을 수행한다. 처음 작동시킬 때 수행해야 한다. 오토 튜닝 기능이 없는 경우, 서보 모터의 제어반에서 조정해야 하므로 전문적인 지식이 필요하다.

대책 ②: 드라이버의 필터 기능으로 제어 (①으로 해결할 수 없는 경우) 기계계의
고유 진동수가 시스템에 유입되지 않도록, 그 고유 진동수를 파악하여 전기적으로 억제한다. (노치 필터, 전류 루프 명령 필터) 서보 모터 자체에 이 고유
진동수를 측정하는 기능이 탑재된 경우도 있다. (주파수 응답 선도 측정) 대책

③: 고감쇠 고무 커플링(스텝플렉스) 사용 감쇠성이
있는 고무 커플링을 통해 공진 시의 진동을 흡수함으로써, 기계·장치의 비틀림 고유 진동수 피크를 억제하고 서보의 발진을 억제할 수 있다. (금속 커플링과 비교) 고정밀 위치 결정이나 오일·고온 환경에서 사용할 때는 주의가 필요하다.