서보모터(Servo Motor), 서보 전동기

1. 개요 및 정의

서보모터(Servo Motor)는 위치, 속도, 토크를 정밀하게 제어할 수 있는 전기 구동 장치이다. ‘서보(Servo)’라는 단어는 라틴어 servus(하인, 조력자)에서 유래하였다. 서보모터는 폐쇄 루프(Closed-loop) 제어 방식을 통해 입력된 목표값과 실제 동작값의 오차를 지속적으로 보정함으로써 높은 정밀도를 유지할 수 있으며, 이러한 특성 덕분에 로봇공학, CNC, 항공, 자동화 시스템 등 정밀 제어가 필요한 현대 산업 분야에서 필수 구성요소라 할 수 있으며, 향후에도 정밀제어 등에 광범위하게 사용될 것으로 여겨진다.

 

그림. 서보모터의 구조 및 형상(출처 : www.circuitdiagram.co)

2. 구성 요소

서보모터는 일반적으로 모터(Motor), 센서(Sensor), 컨트롤러(Controller)의 세 부분으로 구성된다.

 

모터(Motor) : AC 또는 DC 전원을 사용하며 동력을 발생시켜 회전 또는 선형 운동을 발생시키는 핵심부분이다.

센서(Sensor) : 인코더, 리졸버, 전위차계 등의 다양한 전자부품을 이용해 위치·속도·토크를 실시간 측정하고 컨트롤러에 전달(피드백)하는 역할

컨트롤러(Controller) : 센서 피드백과 목표값(Setpoint)을 비교하여 오차(Error)를 계산하고, 이를 최소화하도록 전류·전압을 조정하여 모터에 전달하는 역할을 한다. 컨트롤러는 비례미분 적분제어(PID), 퍼지로직, 적응제어 등 다양한 알고리즘이 활용될 있다.

 

 

그림. 서보모터의 작동구조(출처 : www.geeksforgeeks.org)​

3. 작동 원리

모터가 정밀하게 움직이거나 외부에서 자극이 있으면 센서로부터의 피드백을 받아 정밀하게 모터를 조절한 뒤 센서를 통해 목표로 하는 모터의 움직임의 정도와 실제 움직임의 오차를 빠른시간에 계산하고 이를 보정하여 정밀하게 움직이는 단계를 초당 수십~수백 회 반복하여 정확한 위치 유지와 빠른 응답이 가능하게 한다. 위와 같은 움직임이 가능하게 하는 제어방식으로 PID 제어 등이 있을 수 있다.

이와 같이 빠른 제어를 위해 서보모터의 제어는 일반적으로 펄스 폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation)를 이용하여 이루어진다. PWM에서 펄스 폭은 그림과 1~2ms 범위에서 변화하며, 매우 짧은 시간에 전기적 신호의 폭이 변하기 때문에 모터에 전달하는 전하를 조절할 수 있어 결과적으로 모터를 정밀하게 조절할 수 있게 된다. 모터에 신호 전달시 신호의 증폭(Amplifying)을 통해 모터가 실제적으로 움직일 수 있게 하기도 한다.

서보모터의 제어 알고리즘은 다음과 같은 것들이 있다.

PID 제어: 가장 일반적인 형태로, 오차의 비례·적분·미분 항을 결합해 신속하고 안정적인 제어를 실현한다.

퍼지 로직 제어: 비선형적이거나 불확실성이 존재하는 환경에서 유리하다.

적응 제어(Adaptive Control): 부하나 외란이 변화할 때 실시간으로 제어 파라미터를 조정한다.

 

그림. 펄스폭 변조 (출처 : www.geeksforgeeks.org)

 

4. 서보 모터의 종류

서보모터는 일반적인 모터와 같이 DC(직류) 및 AC(교류)모터 등으로 구분할 수 있다.

 

(1) DC 서보모터

직류 전원으로 작동하는 모터를 통칭하며, 일반적인 DC모터오 같게 브러쉬(brush)가 있는 모터와 브러쉬가 없는 모터(brushless DC Motor, BLDC모터)로 구분할 수 있다. BLDC모터의 경우 일반적인 BLDC모터가 그렇듯 효율성과 내구성이 높으며 고정밀 제어에 적합하다는 장점을 가지고 있다. 브러시를 가지고 있는 모터는 구조가 단순하지만 브러쉬와 코일 등과의 마찰과 브러쉬의 마모로 BLDC모터 대비 수명이 짧다는 단점이

 

(2) AC 서보모터

교류 전원으로 작동하며, 주로 2상 유도 모터 또는 영구자석 동기 모터(PMSM) 구조를 가진다. 속도 및 위치 피드백을 위한 인코더가 필수적으로 내장되어 있으며, 고출력, 고속 응용 분야(CNC, 자동화, 항공제어 등)에 적합하다.

 

5. 스테퍼모터와의 비교

종류	서보 모터	스테퍼 모터
제어 원리	폐쇄 루프 시스템	개방 루프 시스템
정밀	피드백 및 폐쇄 루프 제어로 인한 더 높은 정확도	서보 모터에 비해 정확도가 낮음
피드백 메커니즘	지속적인 위치 모니터링을 위한 피드백 장치(엔코더, 전위차계) 장착	일반적으로 피드백이 부족합니다.
비용	상대적으로 고가	상대적으로 저가
복잡성	폐쇄 루프 피드백으로 인한 더 복잡한 제어 시스템	더 간단한 제어 시스템
속도 변화	더 빠른 속도와 동적 조정 가능	일반적으로 낮은 속도로 작동
열 발생	특히 더 빠른 속도에서 더 많은 열을 발생시킬 수 있습니다.	낮은 발열
저속에서의 토크	저속에서는 토크가 좋지만 스테퍼 모터만큼 높지는 않음	저속에서 높은 토크
응용 프로그램	로봇 공학 및 CNC 기계와 같이 고정밀, 동적 응답 및 정확한 위치 제어가 필요한 응용 분야에 선호	정밀도와 속도 요구 사항이 덜 까다로운 응용 분야에 주로 사용

 

6. 응용 분야

서보모터는 정밀 위치 제어가 필요한 모든 분야에서 사용된다.

로봇공학: 팔, 관절, 그리퍼 등 구동부 제어, CNC 및 자동화 장비: 공작기계의 축 제어 및 고정밀 절삭·가공., 의료기기: 수술 로봇, 영상 장비, 펌프 제어 등., 항공·방위 산업: 미사일 유도, 항공기 조종면 제어., 전자기기: 카메라 자동초점, DVD 드라이브, 가전제품 구동.,

재생에너지 시스템: 태양광 패널의 태양추적 제어. 등

 

※ 정리 : 서보모터의 장점과 단점

장점

정밀 제어:서보 모터는 위치, 속도 및 토크를 정밀하게 제어하므로 높은 정확도와 반복성이 요구되는 응용 분야에 이상적이다.

높은 토크:서보 모터는 저속에서도 높은 토크를 전달할 수 있어 높은 힘과 출력이 필요한 작업에 적합하다.

빠른 응답:서보 모터는 응답 시간이 빠르기 때문에 부하나 속도의 변화에 빠르게 적응할 수 있다.

넓은 속도 범위:서보 모터는 매우 낮은 속도부터 매우 높은 속도까지 광범위한 속도로 작동할 수 있어 다양한 응용 분야에 다용도로 사용할 수 있다.

에너지 효율성:서보 모터는 에너지 효율적으로 설계되어 사용하지 않을 때 전력 소비가 적고 전체 에너지 비용을 절감할 수 있다.

 

단점

복잡한 제어:서보 모터에는제어 시스템의 보드 플롯과 같은 복잡한 제어 시스템과 피드백 메커니즘이 필요하므로 시스템의 전반적인 복잡성과 비용이 증가할 수 있다.

더 높은 비용:다른 유형의 모터에 비해 서보 모터는 고급 기능과 정밀 제어로 인해 가격이 더 비싼 경향이 있다.

크기 및 무게:서보 모터는 일반적으로 다른 유형의 모터보다 크고 무거우므로 공간 제약이 있는 특정 응용 분야에서의 사용이 제한될 수 있다.

열 발생:서보 모터는 작동 중에 상당한 열을 발생시킬 수 있으므로 과열을 방지하기 위해 추가 냉각 조치가 필요하다.

소음:서보 모터의 설계 및 품질에 따라 작동 중에 약간의 소음이 발생할 수 있으며, 이는 소음에 민감한 환경에서 문제가 될 수 있다.