서보모터와 일반 모터는 무엇이 다를까?

산업설비를 다루다 보면 서보모터라는 말을 자주 듣는다.

공작기계의 이송축,

로봇의 관절,

포장기계,

반도체 장비,

자동화설비

같이 정확한 위치와 속도가 필요한 곳에서 특히 많이 사용한다.

그런데 서보모터를 처음 접하면 한 가지 의문이 생긴다.

일반 모터도 회전하고 서보모터도 회전하는데 둘은 도대체 무엇이 다른 것일까?

단순히 서보모터가 더 비싸고 정밀한 모터라고만 이해하면 핵심을 놓치기 쉽다.

서보의 가장 중요한 특징은 모터 자체보다 제어방식에 있다.

서보시스템은 모터가 실제로 어디까지 움직였는지, 얼마나 빠르게 움직이는지 등을 센서로 확인하고 목표값과 비교한다.

그리고 오차가 있으면 드라이브가 즉시 전류와 토크를 조절해 그 오차를 줄인다.

즉 서보의 핵심은

명령 → 움직임 → 측정 → 비교 → 보정

이 계속 반복되는 폐루프 제어에 있다.

그래서 서보모터를 이해하려면 모터 하나만 볼 것이 아니라

모터 + 서보드라이브 + 위치센서 + 제어기 + 기계부하

를 하나의 시스템으로 봐야 한다.

서보라는 말은 무엇을 뜻할까?

Servo라는 말은 단순히 특정한 전동기 구조의 이름만을 뜻하지 않는다.

원하는 위치나 속도, 토크를 지령하고 실제 움직임을 확인하면서 목표를 따라가도록 제어하는 시스템의 개념에 가깝다.

예를 들어 모터축을 정확히 90도 회전시키라고 명령했다고 하자.

단순하게 전원을 일정시간 공급해서

“이 정도면 90도쯤 돌았겠지”

라고 운전하는 것은 정밀한 서보제어라고 보기 어렵다.

서보시스템에서는 실제 축이 몇 도 움직였는지를 엔코더 같은 센서로 확인한다.

89.7도라면 조금 더 움직인다.

90.1도라면 반대토크를 발생시켜 위치를 조정한다.

외부에서 축을 밀어 위치가 변하려 해도 다시 목표위치로 돌아가도록 토크를 만든다.

이것이 서보제어의 기본적인 생각이다.

서보모터는 특별한 한 종류의 모터일까?

반드시 그렇지는 않다.

역사적으로 DC 모터도 서보에 사용되었다.

유도전동기를 이용해 서보제어를 구성할 수도 있다.

영구자석 동기전동기도 사용할 수 있다.

직선운동이 필요한 장비에서는 리니어모터를 서보축으로 사용할 수도 있다.

따라서 서보를

“특정 전자기원리로만 움직이는 모터”

라고 정의하면 정확하지 않다.

현대 산업용 AC 서보에서는 서보용으로 최적화된 영구자석 동기모터가 많이 사용되지만, 서보라는 개념의 본질은 여전히 정밀한 폐루프 운동제어에 있다.

일반 모터와 가장 큰 차이는 무엇일까?

일반적인 모터는 가장 기본적으로 전기에너지를 회전력으로 바꾸면 목적을 달성한다.

예를 들어 냉각팬을 돌리는 모터라면 일정한 속도로 안정적으로 돌아가는 것이 중요하다.

펌프도 필요한 유량과 압력을 만들 수 있도록 회전하면 된다.

이런 장치에서는 축의 위치가 정확히 몇 도인지까지 항상 알 필요는 없다.

반면 서보축은 다르다.

예를 들어 CNC 기계에서 공구가 100.00mm 이동하라는 명령을 받았다면 실제로 그 위치에 정확하게 도달해야 한다.

로봇 관절도 목표각도를 정확히 따라가야 한다.

그래서 서보에서는 단순한 회전보다 목표 움직임을 얼마나 정확하게 재현하는가가 중요하다.

서보의 핵심은 폐루프 제어다

폐루프 제어에서는 출력결과를 다시 입력쪽으로 되돌려준다.

이를 피드백이라고 한다.

서보시스템을 단순화하면

지령값 → 서보드라이브 → 모터 → 기계부하

로 움직임이 만들어진다.

그리고 엔코더나 리졸버가 실제 움직임을 측정해 다시 서보드라이브로 보낸다.

서보드라이브는

목표값과 실제값

을 계속 비교한다.

차이가 있으면 전류와 토크를 수정한다.

이 과정이 매우 빠르게 반복된다.

그래서 외부부하가 변하거나 기계에 작은 외란이 들어와도 목표값을 유지하거나 빠르게 다시 따라갈 수 있다.

오픈루프와 폐루프는 무엇이 다를까?

오픈루프 제어에서는 결과를 직접 확인하지 않고 명령을 보낸다.

예를 들어 모터에 일정전압을 인가하고 일정시간 돌린 뒤 원하는 위치에 도달했을 것이라고 가정하는 방식이다.

부하가 변하거나 마찰이 증가해 실제 속도가 떨어져도 제어기는 그것을 모를 수 있다.

반면 폐루프에서는 실제 결과를 측정한다.

목표속도가 1500rpm인데 실제속도가 1450rpm이라면 속도오차를 알 수 있다.

제어기는 더 큰 토크를 발생시키도록 전류를 증가시킬 수 있다.

실제속도가 다시 목표속도에 가까워지면 토크명령도 조정한다.

이렇게 실제값을 계속 확인한다는 것이 폐루프의 가장 큰 차이다.

그렇다면 일반 모터에는 피드백이 없을까?

그렇게 단정하면 안 된다.

일반적인 유도전동기도 엔코더를 달고 벡터제어 인버터를 사용하면 폐루프 속도제어를 할 수 있다.

펌프나 팬도 압력센서나 유량센서의 피드백을 이용해 인버터 주파수를 조절할 수 있다.

즉

피드백이 있으면 무조건 서보

피드백이 없으면 일반 모터

처럼 단순하게 나누기는 어렵다.

서보시스템은 특히 위치·속도·토크를 빠르고 정밀하게 제어하도록 모터와 센서, 드라이브, 제어구조 전체를 설계했다는 점이 중요하다.

서보에서는 무엇을 제어할까?

대표적으로 세 가지를 생각할 수 있다.

위치,

속도,

토크다.

위치제어는 축을 원하는 위치로 이동시키는 것이다.

속도제어는 지정된 회전속도를 유지하는 것이다.

토크제어는 축에서 원하는 힘을 만들도록 전류를 조절하는 것이다.

실제 서보드라이브에서는 이러한 기능이 서로 완전히 따로 존재하기보다 계층적으로 연결되는 경우가 많다.

서보드라이브 안에는 여러 제어루프가 있다

대표적인 서보제어에서는

위치루프 → 속도루프 → 전류루프

의 구조를 생각할 수 있다.

가장 바깥쪽 위치루프는 목표위치와 실제위치를 비교한다.

그 오차를 줄이기 위한 속도지령을 만든다.

속도루프는 목표속도와 실제속도를 비교한다.

그 오차를 줄이기 위한 토크 또는 전류지령을 만든다.

가장 안쪽의 전류루프는 실제 모터전류가 지령값을 따라가도록 인버터의 출력전압을 빠르게 조절한다.

일반적으로 안쪽 전류루프가 가장 빠르게 동작하고 그 바깥에 속도루프와 위치루프가 배치된다.

왜 전류를 제어하면 토크를 제어할 수 있을까?

많은 전동기에서 전자기토크는 전류와 밀접한 관계를 가진다.

서보용 영구자석 모터를 단순화하면

T ≈ KtI

와 같이 생각할 수 있다.

여기서

T는 토크,

Kt는 토크상수,

I는 토크를 만드는 전류성분이다.

PMSM을 FOC로 제어한다면 대표적으로 q축 전류 iq가 토크를 만드는 데 중요한 역할을 한다.

따라서 필요한 토크를 계산하고 그에 맞는 전류를 빠르게 제어하면 모터토크를 정밀하게 다룰 수 있다.

산업용 AC 서보에는 어떤 모터가 많이 사용될까?

현대 산업용 AC 서보에서는 PMSM 계열의 영구자석 동기모터를 많이 볼 수 있다.

회전자에 영구자석이 있기 때문에 별도의 회전자 계자전류 없이 자계를 만들 수 있다.

회전자 동손을 줄이기 좋고 높은 토크밀도와 빠른 응답을 얻도록 설계하기에도 유리하다.

인버터와 위치센서를 이용하면 회전자 자석의 위치를 기준으로 전류벡터를 정밀하게 제어할 수 있다.

그래서 공작기계, 로봇, 자동화설비 같은 정밀운동제어에 적합하다.

하지만 이것이

서보모터 = 무조건 PMSM

이라는 뜻은 아니다.

서보는 시스템의 기능을 나타내는 개념이고 PMSM은 전동기의 전자기적인 종류를 나타낸다.

서보모터에는 왜 엔코더가 붙어 있을까?

서보드라이브가 오차를 보정하려면 실제 축이 어떻게 움직였는지 알아야 한다.

대표적인 위치센서가 엔코더다.

엔코더는 모터축의 회전위치와 속도정보를 전기적인 신호로 바꿔준다.

제어기는 이 정보를 이용해

현재 위치,

이동방향,

회전속도

등을 판단할 수 있다.

엔코더의 성능은 서보시스템의 제어성능과 밀접한 관계가 있다.

엔코더 분해능이 높으면 위치정확도도 무조건 높을까?

그렇지는 않다.

이 둘은 구분해야 한다.

엔코더 분해능은 한 바퀴를 얼마나 세밀하게 나누어 측정할 수 있는지를 나타낸다.

예를 들어 매우 높은 분해능의 엔코더라면 회전각의 작은 변화까지 감지할 수 있다.

하지만 실제 기계의 위치정확도에는 다른 요소들도 영향을 준다.

감속기의 백래시,

볼스크루의 피치오차,

커플링의 탄성,

축의 비틀림,

베어링 유격,

기계프레임의 변형,

제어기의 추종오차

등이다.

따라서

엔코더 분해능이 높다 = 장비의 실제 위치정확도가 그대로 높다

라고 볼 수는 없다.

절대형과 증분형 엔코더는 무엇이 다를까?

증분형 엔코더는 회전하면서 발생하는 펄스를 세어 상대적인 이동량을 알아내는 방식이다.

전원이 꺼지면 기존 카운트정보를 별도로 보존하지 않는 한 현재 절대위치를 바로 알기 어려울 수 있다.

절대형 엔코더는 각 위치에 대응되는 고유한 위치정보를 제공할 수 있다.

그래서 전원을 다시 켠 뒤에도 시스템 구성에 따라 축의 위치를 알고 바로 운전을 재개하는 데 유리하다.

산업용 서보에는 고해상도 절대형 엔코더가 사용되는 경우도 많다.

리졸버도 사용할 수 있을까?

가능하다.

리졸버는 변압기와 비슷한 전자기적인 원리를 이용해 회전자 각도를 검출한다.

구조가 견고하고 온도와 진동이 심한 환경에서 유리한 특성을 가질 수 있다.

그래서 자동차나 중장비, 특수산업 분야에서도 사용된다.

엔코더와 리졸버 가운데 어느 것이 항상 더 좋다고 할 수는 없다.

요구되는 정밀도와 환경, 속도, 비용에 따라 선택한다.

서보에서 위치오차는 어떻게 줄일까?

목표위치를 θ*,

실제위치를 θ라고 하면 위치오차는

eθ = θ – θ*

로 생각할 수 있다.

실제축이 목표보다 뒤에 있으면 오차가 발생한다.

위치제어기는 이 오차를 줄이도록 속도 또는 토크명령을 만든다.

축이 목표위치에 접근하면 명령도 변화한다.

목표위치를 지나치면 반대방향의 보정이 발생할 수 있다.

제어기 이득을 적절하게 조정하면 목표위치에 빠르게 접근하면서도 불필요한 진동을 줄일 수 있다.

빨리 따라가는 것만 중요할까?

아니다.

제어이득을 무조건 크게 하면 반응이 빠를 것 같지만 실제 기계는 이상적인 강체가 아니다.

커플링과 벨트,

볼스크루,

감속기,

기계프레임

에는 탄성이 존재할 수 있다.

너무 공격적인 제어를 하면 기계의 공진주파수를 자극해 진동과 소음이 커질 수 있다.

심한 경우 축이 목표위치 주변에서 계속 흔들리는 현상이 나타날 수 있다.

그래서 서보에서는 단순히 빠른 응답보다 빠르면서 안정적인 응답이 중요하다.

서보 튜닝은 무엇을 하는 작업일까?

서보드라이브의 위치·속도 제어이득과 각종 필터를 기계에 맞게 조정하는 작업을 서보 튜닝이라고 한다.

같은 모터와 같은 드라이브를 사용해도 부하관성이 달라지면 최적의 설정도 달라질 수 있다.

가벼운 축에 맞춘 설정을 큰 부하관성을 가진 축에 그대로 적용하면 응답이 느려지거나 진동이 발생할 수 있다.

반대로 매우 높은 게인을 부드럽지 않은 기계구조에 적용하면 헌팅이나 공진이 생길 수 있다.

그래서 실제 서보설비에서는 자동튜닝이나 관성추정 기능을 사용하기도 한다.

왜 서보모터는 회전자 관성이 작은 경우가 많을까?

모터가 빠르게 가속하고 감속하려면 회전자의 관성이 작을수록 유리하다.

회전운동에서는

T = Jα

라는 기본관계를 생각할 수 있다.

여기서

T는 가속에 필요한 토크,

J는 관성모멘트,

α는 각가속도다.

같은 토크라면 관성이 작을수록 더 큰 각가속도를 만들 수 있다.

반대로 같은 가속도를 만들 때 관성이 커지면 더 큰 토크가 필요하다.

그래서 빠른 위치결정이 필요한 서보모터에서는 회전자의 관성과 전체 기계계의 관성을 중요하게 본다.

부하관성이 크면 어떤 문제가 생길까?

서보모터가 작은데 부하관성이 지나치게 크다고 생각해보자.

모터가 속도를 빠르게 올리거나 낮추기 어려워진다.

정지할 때도 많은 에너지를 처리해야 한다.

속도지령을 따라가는 데 시간이 오래 걸리고 추종오차가 증가할 수 있다.

제어게인을 높이면 기계진동이 커질 수도 있다.

그래서 서보 선정에서는 정격토크뿐 아니라 부하관성과 모터관성의 관계를 중요하게 본다.

감속기를 사용하면 부하관성도 달라져 보일까?

그렇다.

감속기는 토크와 속도뿐 아니라 모터축에서 보이는 부하관성에도 영향을 준다.

기어비를

N = ωmotor / ωload

로 정의하면 이상적인 감속기에서 모터측으로 환산된 부하관성은

Jref = Jload / N²

으로 생각할 수 있다.

예를 들어 감속비가 커지면 모터가 직접 느끼는 부하관성이 크게 줄어들 수 있다.

이것이 서보축에서 감속기를 이용하는 이유 가운데 하나다.

하지만 감속기를 넣으면 백래시와 효율, 기계강성 같은 새로운 요소도 고려해야 한다.

정격토크와 최대토크는 구분해야 한다

서보모터는 빠른 가속과 감속을 위해 짧은 시간 동안 정격토크보다 큰 토크를 발생시킬 수 있도록 설계되는 경우가 많다.

이를 최대토크 또는 피크토크로 표시한다.

하지만 피크토크를 계속 사용할 수 있다는 뜻은 아니다.

권선전류가 커지면

Pcu = I²R

에 따라 동손이 크게 증가한다.

따라서 피크토크는 허용시간과 반복주기, 열적인 조건을 함께 봐야 한다.

장시간 필요한 토크는 정격토크 범위에서 검토해야 한다.

서보는 정지상태에서도 토크를 만들 수 있을까?

가능하다.

위치센서가 회전자 위치를 알고 있고 드라이브가 전류를 공급할 수 있다면 정지상태에서도 원하는 방향의 토크를 만들 수 있다.

예를 들어 축이 특정 위치에 있는데 외부에서 밀려고 하면 드라이브가 위치오차를 감지하고 반대토크를 만들 수 있다.

그래서 서보축을 손으로 움직이려고 하면 전원이 들어온 상태에서는 상당히 단단하게 버티는 느낌이 날 수 있다.

이를 위치유지 또는 서보락과 연결해 이해할 수 있다.

그렇다면 기계식 브레이크는 왜 필요할까?

서보가 정지토크를 만들 수 있다고 기계식 브레이크가 불필요한 것은 아니다.

모터가 토크를 유지하려면 전원과 드라이브가 정상적으로 동작해야 한다.

정전되거나 드라이브가 고장 나면 전자기적인 유지토크가 사라질 수 있다.

특히 수직축에서는 하중이 중력에 의해 떨어질 위험이 있다.

그래서 엘리베이터, 리프트, 수직이송축 등에서는 기계식 브레이크가 매우 중요하다.

서보의 정지토크와 안전용 기계식 브레이크는 역할을 구분해야 한다.

서보드라이브는 단순한 인버터일까?

전력회로만 보면 서보드라이브에도 정류부와 DC 링크, 인버터부가 존재할 수 있다.

이 점에서는 일반적인 인버터와 비슷해 보인다.

하지만 서보드라이브에서는 빠른 전류제어와 정밀한 위치·속도제어 기능이 특히 중요하다.

엔코더 정보를 고속으로 처리하고,

전류를 정밀하게 제어하고,

위치오차를 계산하고,

가속·감속 명령을 처리하고,

통신을 통해 상위 제어기와 지령을 주고받는다.

즉 전력변환기이면서 동시에 고성능 운동제어기 역할을 한다.

일반 인버터와 서보드라이브의 경계도 완전히 고정되어 있을까?

그렇지 않다.

현대의 범용 인버터도 상당히 발전했다.

벡터제어,

엔코더 피드백,

토크제어,

위치제어

기능을 지원하는 제품도 있다.

반대로 서보드라이브 역시 본질적으로 전력용 반도체를 이용해 모터전류를 제어한다.

따라서 두 장비는 완전히 다른 물리원리를 사용하는 것이 아니다.

일반적으로 서보드라이브는 높은 응답성과 정밀한 운동제어에 더 특화되어 있다고 이해하는 것이 좋다.

일반 유도전동기도 서보처럼 제어할 수 있을까?

가능하다.

유도전동기에 엔코더를 장착하고 고성능 벡터제어를 적용하면 속도와 토크를 매우 정밀하게 제어할 수 있다.

위치제어까지 구성할 수도 있다.

실제로 특정 용도에서는 유도전동기를 이용한 서보구동도 가능하다.

따라서 서보 여부를 모터의 외형이나 회전자 종류만으로 판단해서는 안 된다.

다만 현대의 정밀산업용 서보에서는 높은 토크밀도와 빠른 응답을 얻기 쉬운 영구자석 동기모터가 널리 사용된다.

서보에서 속도는 어떻게 계산할까?

엔코더의 위치정보가 시간에 따라 얼마나 빠르게 변하는지를 보면 속도를 알 수 있다.

개념적으로

ω = dθ/dt

다.

즉 회전자 위치 θ의 시간변화율이 각속도다.

디지털 제어기에서는 일정시간 동안 엔코더 위치가 얼마나 변했는지를 계산하거나 여러 추정방법을 이용해 속도를 구할 수 있다.

저속에서는 위치변화가 작기 때문에 속도추정의 품질이 제어성능에 영향을 줄 수 있다.

부하가 갑자기 증가하면 서보는 어떻게 반응할까?

일정한 속도로 운전 중인데 외부부하토크가 갑자기 증가했다고 하자.

부하가 커지면 회전속도가 순간적으로 떨어지려 한다.

엔코더가 이 변화를 감지한다.

속도제어기는 목표속도와 실제속도의 오차가 증가했다는 것을 알게 된다.

더 큰 토크를 요구한다.

전류제어기는 모터전류를 증가시킨다.

전자기토크가 증가한다.

결과적으로 속도가 다시 지령값으로 회복된다.

이 과정이 매우 빠르게 이루어진다는 것이 서보시스템의 특징이다.

모터의 운동방정식으로 보면 어떻게 연결될까?

회전축의 동역학은 단순화하면

J(dω/dt) = Te – TL – Bω

와 같이 생각할 수 있다.

여기서

J는 전체 관성,

Te는 모터의 전자기토크,

TL은 부하토크,

Bω는 마찰에 의한 성분이다.

부하토크 TL이 증가하면 같은 속도를 유지하기 위해 Te도 증가해야 한다.

서보드라이브는 실제속도의 변화를 감지해 필요한 Te를 만들도록 전류를 조절한다.

즉 제어이론에서 계산하는 오차와 실제 모터의 토크·관성 관계가 이 식을 통해 연결된다.

서보에서 추종오차란 무엇일까?

축이 움직이는 동안 지령위치와 실제위치는 완전히 똑같지 않을 수 있다.

이 차이를 위치편차 또는 추종오차라고 한다.

빠르게 가속하거나 큰 부하를 움직일 때는 순간적인 추종오차가 커질 수 있다.

정상적인 범위에서는 제어기가 이를 줄이면서 지령을 따라간다.

하지만 오차가 설정된 허용범위를 지나치게 벗어나면 서보드라이브가 위치편차 과대 등의 알람을 발생시킬 수 있다.

이때 무조건 엔코더 고장이라고 판단해서는 안 된다.

위치편차가 커지는 원인은 무엇일까?

원인은 여러 가지다.

기계가 걸렸을 수도 있다.

부하가 지나치게 커졌을 수도 있다.

브레이크가 완전히 해제되지 않았을 수도 있다.

커플링이나 볼스크루에 문제가 있을 수도 있다.

모터토크가 부족할 수도 있다.

가속시간이 너무 짧을 수도 있다.

서보게인 설정이 맞지 않을 수도 있다.

엔코더 또는 엔코더 배선에 이상이 있을 수도 있다.

따라서 위치편차 알람은 단순한 전기고장 하나로만 접근하기보다 모터·드라이브·센서·기계를 함께 봐야 한다.

엔코더 이상은 어떤 증상을 만들 수 있을까?

엔코더 신호가 끊기거나 잘못된 위치정보가 들어오면 제어기는 실제 회전자 위치를 잘못 판단할 수 있다.

그 결과

기동불량,

진동,

위치오차,

과전류,

속도이상,

엔코더 알람

등이 나타날 수 있다.

서보설비에서 모터 자체는 정상인데 엔코더 케이블이나 커넥터 문제 때문에 이상동작하는 경우도 생각해볼 수 있다.

특히 가동부를 따라 움직이는 케이블은 반복굴곡에 의한 손상도 확인할 필요가 있다.

서보모터 케이블과 엔코더 케이블을 왜 구분할까?

모터 전원케이블에는 PWM에 의해 큰 전압과 전류가 빠르게 변하는 신호가 흐른다.

반면 엔코더 케이블은 작은 신호를 전달한다.

두 케이블이 부적절하게 배치되면 모터측 스위칭노이즈가 피드백 신호에 영향을 줄 수 있다.

그래서 제조사에서는 차폐와 접지, 케이블 배치방법을 지정하는 경우가 많다.

서보설비에서 간헐적인 위치오류가 발생한다면 센서 자체뿐 아니라 케이블과 차폐, 접지상태도 함께 확인해야 한다.

기계적인 백래시는 서보가 모두 보정할 수 있을까?

완전히 그렇지는 않다.

감속기나 볼스크루 등에 백래시가 있으면 모터축은 움직였는데 실제 부하는 바로 움직이지 않는 구간이 생길 수 있다.

엔코더가 모터축에 붙어 있다면 제어기는 모터가 정확히 움직였다고 판단해도 실제 작업점에는 오차가 남을 수 있다.

상위 제어기에서 일부 보정기능을 사용할 수는 있지만 기계적인 유격 자체가 사라지는 것은 아니다.

정밀한 위치제어에서는 제어뿐 아니라 기계의 강성과 백래시 관리가 매우 중요하다.

모터측 엔코더와 부하측 센서는 무엇이 다를까?

모터축에 엔코더가 있으면 모터가 얼마나 회전했는지는 정확히 알 수 있다.

하지만 감속기와 볼스크루, 커플링 이후의 실제 부하위치까지 완벽하게 알 수 있는 것은 아니다.

기계적인 오차가 중간에 존재할 수 있기 때문이다.

매우 높은 정밀도가 필요한 장비에서는 실제 테이블이나 부하위치를 별도의 리니어스케일로 측정해 제어하는 방식도 사용할 수 있다.

즉 피드백센서를 어디에 설치하느냐도 전체 정확도에 영향을 준다.

서보에는 왜 회생에너지 문제가 자주 생길까?

서보축은 빠른 가속과 감속을 반복하는 경우가 많다.

가속할 때는 전기에너지를 받아 회전체의 운동에너지를 증가시킨다.

감속할 때는 반대로 모터가 발전운전을 하면서 운동에너지를 DC 링크쪽으로 돌려보낼 수 있다.

부하관성이 크거나 감속시간이 매우 짧으면 상당한 회생전력이 발생할 수 있다.

따라서 서보드라이브에도 회생저항이나 회생유닛이 필요할 수 있다.

특히 수직축에서는 하강할 때 지속적인 회생운전이 발생할 수도 있다.

서보모터는 항상 정격속도로 돌지 않는다

일반적인 일정속도 모터는 특정 운전속도 부근에서 오랫동안 동작하는 경우가 많다.

서보축은 운전형태가 다를 수 있다.

정지,

급가속,

정속,

급감속,

역회전,

다시 정지

를 반복할 수 있다.

그래서 서보모터를 선정할 때는 단순한 정격출력 하나만 보는 것이 부족하다.

운전사이클 전체에서

최대토크,

RMS 토크,

최고속도,

가속시간,

부하관성,

회생에너지

등을 함께 검토해야 한다.

RMS 토크는 왜 중요할까?

서보축은 순간적으로 큰 토크를 사용하더라도 전체 운전주기에서 평균적인 열발생이 허용범위 안에 들어와야 한다.

운전주기를 여러 구간으로 나누었을 때 개념적으로 RMS 토크는

Trms = √[(T1²t1 + T2²t2 + ···)/(t1 + t2 + ···)]

형태로 계산할 수 있다.

RMS 토크가 모터의 연속 정격토크를 지나치게 넘으면 열적으로 문제가 될 수 있다.

따라서 최대토크만 만족한다고 서보모터 선정이 끝나는 것은 아니다.

스테핑모터와 서보모터는 무엇이 다를까?

스테핑모터는 입력펄스에 따라 일정한 각도씩 이동하는 방식으로 사용하기 좋다.

비교적 단순한 시스템에서는 별도의 위치센서 없이 오픈루프로 운전할 수도 있다.

하지만 부하가 너무 커서 스텝을 놓치면 제어기가 실제 위치오차를 알아차리지 못할 수 있다.

서보는 일반적으로 실제 위치를 피드백받으면서 지령을 추종한다.

그래서 높은 속도와 빠른 응답, 큰 운전범위, 위치오차 감시가 중요한 시스템에서 장점이 있다.

다만 현대에는 폐루프 스테핑시스템도 있기 때문에 단순히

“스테핑은 무조건 오픈루프, 서보는 무조건 폐루프”

라고만 구분하는 것도 조심해야 한다.

서보모터는 일반 모터보다 무조건 좋은가?

그렇지 않다.

팬이나 펌프를 일정속도로 장시간 운전하는데 마이크로미터 단위의 위치제어는 필요하지 않을 수 있다.

이런 부하에 고성능 서보시스템을 적용하면 비용과 시스템 복잡성만 증가할 수 있다.

반대로 공작기계나 로봇처럼 정확한 위치와 빠른 가감속이 중요한 곳에 단순한 일정속도 모터만 사용하면 원하는 성능을 얻기 어렵다.

중요한 것은 어느 모터가 더 고급인가가 아니라 부하가 어떤 제어성능을 요구하는가다.

현장에서 서보 이상이 발생하면 어디부터 봐야 할까?

서보축이 움직이지 않거나 진동한다고 해서 바로 모터를 교체할 필요는 없다.

먼저 서보드라이브의 알람코드를 확인한다.

그다음

모터전원,

엔코더 신호,

브레이크 해제,

기계부하의 걸림,

커플링,

감속기,

케이블,

드라이브 설정

등을 순서대로 확인할 수 있다.

서보는 모터만으로 움직이는 장치가 아니기 때문에 고장진단 역시 시스템 전체를 봐야 한다.

전원을 끈 뒤 모터가 잘 돌아간다고 정상일까?

그것만으로는 충분하지 않다.

베어링이나 기계적인 걸림을 확인하는 데는 도움이 될 수 있다.

하지만

권선이상,

절연불량,

엔코더 이상,

자석 감자,

드라이브 출력이상,

피드백 오차

같은 문제는 축을 손으로 돌리는 것만으로 판단하기 어렵다.

서보는 전기적·전자적·기계적 요소가 결합된 시스템이기 때문에 증상에 맞는 점검이 필요하다.

교체할 때 모터만 같은 용량이면 될까?

서보에서는 특히 주의해야 한다.

같은 kW라도

정격전압,

정격전류,

정격토크,

최고속도,

극수,

엔코더 형식,

엔코더 분해능,

브레이크 유무,

관성,

커넥터와 배선,

드라이브 호환성

이 다를 수 있다.

따라서 단순히 출력만 같다고 아무 서보모터나 대신 사용할 수 있는 것은 아니다.

서보드라이브와 모터의 정확한 조합을 확인해야 한다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 서보모터는 하나의 특별한 전자기 원리만을 사용하는 모터라는 뜻이 아니다.

서보의 핵심은 정밀한 폐루프 운동제어에 있다.

둘째, 현대 산업용 AC 서보에서는 영구자석 동기모터가 많이 사용되지만 모든 서보가 PMSM인 것은 아니다.

셋째, 엔코더가 있다고 무조건 서보가 되는 것은 아니다.

일반 모터에도 엔코더를 사용할 수 있다.

넷째, 서보에서는 위치와 속도, 토크를 서로 연결된 제어루프로 정밀하게 다룬다.

다섯째, 높은 엔코더 분해능이 전체 기계의 실제 위치정확도를 그대로 의미하지는 않는다.

백래시와 기계강성, 볼스크루, 감속기 같은 요소도 영향을 준다.

여섯째, 서보모터는 정지상태에서도 전류를 흘려 토크를 발생시킬 수 있지만 정전 시 안전한 하중유지를 위해 기계식 브레이크가 필요할 수 있다.

일곱째, 서보드라이브의 제어게인을 무조건 높인다고 성능이 좋아지는 것은 아니다.

기계공진과 진동이 발생할 수 있다.

여덟째, 순간 최대토크와 연속 정격토크는 다르다.

피크토크는 허용시간과 열적인 조건을 함께 확인해야 한다.

아홉째, 서보축의 고장은 모터만의 문제가 아닐 수 있다.

엔코더와 케이블, 드라이브, 브레이크, 기계부하까지 함께 확인해야 한다.

열째, 일반 모터와 서보모터의 차이를 가장 정확하게 이해하려면 모터 외관보다 전체 제어시스템이 목표 움직임을 어떻게 확인하고 보정하는가를 봐야 한다.

마무리

서보모터와 일반 모터의 가장 큰 차이를 단순히 모터의 생김새나 출력으로 찾으면 이해하기 어렵다.

서보의 핵심은 모터 하나가 아니다.

모터 + 서보드라이브 + 위치센서 + 제어기 + 기계부하

가 하나의 폐루프 제어시스템을 구성한다는 점이 중요하다.

제어기는 목표위치와 실제위치를 비교한다.

속도오차를 확인한다.

필요한 토크를 계산한다.

서보드라이브는 그 토크를 만들 수 있도록 모터전류를 빠르게 조절한다.

엔코더는 다시 실제 움직임을 측정해 제어기로 돌려준다.

이 과정이 계속 반복된다.

그래서 서보는 단순히 축을 회전시키는 것에서 끝나지 않고

언제, 어디까지, 얼마나 빠르게, 어느 정도의 힘으로 움직일 것인가

를 정밀하게 제어할 수 있다.

현대 산업용 서보에는 PMSM 구조가 많이 사용되지만 이것은 서보라는 말의 정의와는 다른 문제다.

유도전동기나 다른 종류의 전동기도 적절한 센서와 드라이브, 제어기를 이용하면 서보시스템을 구성할 수 있다.

결국 서보를 이해하는 가장 중요한 문장은 다음과 같다.

서보모터의 진짜 특징은 모터가 스스로 특별해서가 아니라, 실제 움직임을 측정하고 지령과 비교하며 오차를 계속 보정하는 제어시스템에 있다.

다음 글부터는 모터의 원리와 종류에서 한 단계 더 현장으로 들어가 전동기 명판은 어떻게 읽어야 할까?를 살펴본다.

정격전압과 전류, 출력, 극수, 회전속도, 역률, 효율, 절연등급, 보호등급 같은 값이 실제 점검과 모터교체에서 어떤 의미를 가지는지 하나씩 알아본다.