서보모터

서보(servo)라는 것은 추종한다, 따른다는 의미이며, 명령을 따르는 모터를 서보모터라고 합니다. 좀 더 쉽게 말씀드리면, 환풍기나 선풍기, 제분기, 믹서기, 윤전기 등에 들어가는 모터처럼, 적당한 속도로 힘껏 잘 돌아가주기만 하면 되는 모터나, 자동차의 파워 윈도우 처럼 사용자가 일일이 멈추고 움직임을 제어하는 모터를 서보모터라고 하지 않습니다. 이에 반해서, 프린터, DVD, 공작기계, CCTV 카메라, 캠코더 등에 사용되는 모터처럼 명령에 따라 정확한 위치와 속도를 맞출 수 있는 모터를 서보모터라고 합니다.

여기서 중요한 사실은, 모터 자체를 가지고 이게 서보모터냐 아니냐를 따지는 것은 아닙니다. 서보모터라는 개념은, 모터의 구동시스템까지 포함하는 것입니다. 어떠한 종류의 모터라 하더라도 적당한 알고리즘과 회로를 가지는 구동시스템을 갖다 붙여서 위치와 속도를 추종할 수 있도록 만들면, 서보시스템이 이루어지는 것입니다.

보통, 직류전동기나 BLDC 전동기를 서보모터라고 부르는 경우가 있는데, 옳지 않습니다. 특히, 유도전동기는, 구조가 간단한 반면 회전 특성이 깔끔하지 않아서 앞에 예를 든 선풍기, 윤전기 등의 비(非)서보 응용에 주로 사용되기 때문에 서보모터가 아니라고 하는 경우가 많은데, 역시 틀린 말입니다. 구성이 아주 까다롭지만, 유도전동기를 이용해서도 서보시스템을 구성할 수 있으며, 이 경우 서보모터의 역할을 하는 것입니다. 반면, 직류모터도 그냥 덜렁 모터 하나만 놓고 건전지만 연결하면 돌아가는 상황에서 이를 서보모터라고 하면 옳지 않고, 적절한 구동시스템과 연계하여 어떤 위치나 속도 지령을 추종할 수 있게 된 경우에만 서보모터라고 부를 수 있는 것입니다.

직류모터는 무조건 전류에 비례하는 토크를 내기 때문에 제어가 아주 쉬워서 서보응용에 매우 많이 쓰입니다. 직류모터의 치명적인 단점은, 모터 안에 있는 브러쉬와 정류자의 기계적인 접촉전환을 이용하여 회전력을 유지하기 때문에, 브러쉬나 정류자가 쉽게 손상된다는 점입니다.

이 단점을 극복한 것이 영구자석동기전동기(PMSM)인데, 반도체 소자를 이용한 인버터를 사용하여 회전자계를 만들어주기 때문에 모터 자체가 닳거나 부서지지 않는 한 반영구적으로 사용할 수 있습니다. 다만, 직류모터에는 없는 인버터를 사용하기 때문에 구동시스템이 복잡해진다는 단점이 있는 것이지요. (영구자석을 안 쓰고 전자석을 쓴 종류도 있는데, 이 것은 영구자석이라는 말은 빼고 그냥 동기전동기라고 부릅니다.)

BLDC(brushless dc) 모터라는 것은 실제로 직류모터가 아니고 PMSM을 적당한 알고리즘으로 돌려서 직류모터와 아주 유사한 토크 특성을 보이게 만든 것입니다.

AC 서보모터는 서보시스템에 BLDC 모터나 동기전동기를 사용한 경우 이들 모터를 지칭하는 말입니다. DC 서보모터에 비해 구동 시스템이 복잡하다는 단점이 있지만, 같은 크기의 DC 모터에 비해 더 큰 힘을 낼 수 있고 방열특성이 좋으며 브러쉬와 정류자가 없어서 수명이 길다는 장점이 있습니다.

세탁기처럼 비교적 큰 힘이 필요한 곳에는 AC 서보가 쓰이지만, 수명은 짧아도 좋으니 아주 고성능의 추종능력이 필요한 경우에는 DC 서보가 쓰이기도 합니다. 수명이 중요한 경우에는 당연히 AC 서보가 쓰이고, 값싸게 구성할 필요가 있는 시스템에는 DC 서보가 쓰입니다. 그러나, AC 서보와 DC 서보는 서로 섞여서 쓰이는 분야가 많기 때문에 쓰임을 딱히 구분하기는 곤란합니다.

AC 서보와 DC 서보를 구별하는 법도 딱부러지게 말씀드리기 곤란합니다. 모터 케이스에 직류 혹은 교류의 표시가 있으면 분명히 구별할 수 있지만, 그렇지 않은 경우에는 구동회로를 봐야합니다. 구동회로가 인버터를 포함하고 비교적 복잡하다 싶으면 AC 서보라고 판단하고 그렇지 않으면 DC 서보라고 판단할 수 있는데, 이건 말 그대로 아는 사람만 아는 것이겠군요.

혹은, 모터 외부에 나침반을 들이대고 축을 돌려보아서 축의 위치에 따라 바늘이 움직이면 PMSM을 이용한 AC 서보이고, 그렇지 않은 경우라면 DC 서보, 혹은 흔치 않지만 전자석을 이용한 AC 서보라고 볼 수도 있겠군요. 또는, 모터에서 외부로 연결되는 전원(power)선이 빨강과 까망 두 가닥이면 DC 서보일 가능성이 높고(선 색깔이야 시스템 제작자 맘 아니겠습니까만..) 세 가닥 이상이면 AC 서보일 확률이 높습니다.