반도체, 디스플레이를 비롯하여 로봇, CNC 기계 등 관련 장비에 고속·고정밀·고정도의 제어가 요구되면서 모터는 급속한 발전을 해왔다. 이와 관련해 모션 제어 기술은, 요구에 따라 기계를 얼마나 정밀하고 빠르게 움직일 수 있는지에 대한 문제가 중요해졌다. 최근 화두가 되고 있는 스텝 모터(Step Motor)와 서보 모터(Servo Motor)의 제어 방식 및 특성의 비교를 통해, 모터의 차이점 그리고 장·단점을 정확히 파악하여 장비의 요구에 적합한 모터 선정법을 알아보자.
비교 포인트①-제어 시스템
자동차의 속도 조절기의 예를 보자. 속도를 일정하게 유지하기 위해 생각할 수 있는 가장 간단한 방법은 스로틀(throttle) 위치를 일정하게 고정하는 것이다.
그러나 자동차는 주행하면서 오르막길과 내리막길, 노면의 상태 등 외부적인 변화를 겪게 되므로, 실제로 스로틀을 일정하게 고정해서는 속도를 일정하게 유지할 수 없다.
따라서 자동차의 속도를 측정하여, 그 속도가 원하는 속도보다 낮으면 속도를 더 빠르게 하고, 원하는 속도보다 높으면 속도를 낮추게 하는 방식의 제어가 필요하다.
이처럼 시스템의 실제 출력 값을 원하는 값과 비교하여 그 차이를 시스템의 입력 값 조절에 반영하는 방식이 폐(閉)루프 제어(Closed-Loop System)이며, 이는 서보 모터의 제어 방식이다.
이에 반해, 스로틀을 고정하는 경우처럼 시스템의 출력이 시스템의 입력 조절에 반영되지 않는 방식이 개(開)루프 제어(Open-Loop System)이며, 이는 일반적인 스텝 모터의 제어 방식이다.
▲ 그림 1 스텝 모터 vs 서보 모터
1. 스테핑 모터(Open-Loop System)
스텝 모터는 높은 정밀도가 필요한 위치 결정 운전이 가능하게 설계된 모터이다. 드라이버는 컨트롤러에서 출력하는 펄스 신호와 동시에 움직이도록 설계되어 스텝 각(분해능)으로 모터를 회전시킨다. 따라서 Open-Loop 제어 방식은 구축이 쉽고 서보 모터와 달리 별도의 튜닝이 필요 없으며, 모터가 보증하는 오차범위(표준 오차범위: ±0.05°) 이내에서 동작하기 때문에 높은 정밀도의 위치 결정 운전을 할 수 있다(그림 2).
▲ 그림 2 스테핑 모터 (Open-Loop System)
2. 서보 모터(Closed-Loop System)
서보 모터의 경우 회전 검출기인 엔코더(Encoder)를 탑재하여 모터 축의 회전 위치/회전 속도를 AMP에 피드백한다. AMP는 컨트롤러의 펄스 신호(위치 지령/속도 지령)와 피드백 신호(현재 위치/속도)의 오차를 계산하고, 이 오차가 ‘0’이 되도록 모터의 회전을 제어한다. 모터, AMP, 엔코더는 Closed Loop 제어 방식을 구축하여 높은 정밀도의 위치 결정 운전을 할 수 있다(그림 3).
▲ 그림 3 서보 모터 (Closed-Loop System)
3. 빠른 응답성·높은 신뢰도를 모두 갖춘 α-STEP 모터(Closed-Loop System)
스텝 모터는 Open-Loop System, 서보 모터는 Closed-Loop System으로 동작하도록 구성되어 있다. 인아오리엔탈모터에는 독자적인 제어방식으로 Open-Loop 방식과 Closed-Loop 방식의 장점을 함께 가진 α-Step 모터가 있다.
α-Step 모터는 평상시에는 지령 펄스에 따라 Open-Loop 제어로 운전하다가, 과부하 시에는 Closed-Loop 제어로 전환되어 위치를 조정한다. 또한, 연속적으로 과부하가 가해지면 알람 신호를 출력하며, 위치결정 완료 시에는 END 신호를 출력하여 장비의 신뢰성을 보장한다. 즉 Open-Loop 제어로 인한 빠른 응답성과 Closed-Loop 제어로 인한 뛰어난 성능과 높은 신뢰도를 모두 갖춘 모터이다.
▲ 그림 4 α-STEP 모터 (Closed-Loop System)
CLOSED-LOOP 스테핑 모터 ‘α-STEP 모터’
▲ ROTOR 위치검출 센서
▲ ABZO 센서
서보 모터는 모터의 회전속도와 현재 위치를 검출하기 위하여 엔코더가 결합되어 있는 반면, 인아오리엔탈모터사의 α-STEP 모터에는 리졸버(Resolver) 또는 ABZO 센서가 결합되어 있다.
리졸버는 엔코더와 같이 모터의 회전각과 위치를 검출하는 용도로 사용되고 있으며, 엔코더가 변위량을 디지털 신호로 변환하는 것에 비하여 레졸버는 아날로그 신호로 변환한다. 리졸버가 결합된 α-STEP 모터의 경우 인크리멘탈(Incremental) 방식이며, 앱솔루트 시스템으로 사용 시 외부 배터리가 필요하다. 이는 배터리 교체와 유지보수 등의 단점이 있는데, 이를 해소하기 위해서는 배터리가 필요 없고 멀티 턴이 가능하며 반영구적인 절대치 엔코더가 필요하다. 이러한 시장의 요구에 대응하고자 ‘ABZO 센서’라는 무전원 배터리, 멀티 턴 앱솔루트 엔코더를 개발했다.
ABZO 센서를 탑재한 AZ 시리즈는 α-STEP의 ‘TUNINGLESS’, ‘높은 효율’ 등의 특징을 계승하면서, ‘배터리가 필요 없는 시스템’, ‘다회전 앱솔루트 시스템’을 실현한 모터다. 배터리가 불필요하므로 장기간의 장비 이송도 안심할 수 있으며, 외부 센서가 불필요하여 배선을 간소화할 수 있다.
비교 포인트②-위치결정 시간
스텝 모터와 서보 모터는 각각의 특성 및 제어 방식에 따라 위치결정 시간에 차이가 발생한다(그림 5, 6).
▲ 그림 5 동일한 조건 아래 스텝 모터와 서보 모터 구동 시 나타나는 위치결정 특성▲ 그림 6 스텝 모터와 서보 모터 구동 시 위치결정 시간
서보 모터는 컨트롤러의 펄스 신호와 엔코더의 피드백 신호 오차를 ‘0’이 되도록 드라이버에서 제어하는 방법을 사용한다. 그래서 정정 시간이 발생하여, 스텝 모터보다 응답성이 낮다.
또한, 서보 모터는 ±1 펄스의 편차에서 위치를 감시하고 있기 때문에 정지 중에도 완전히 정지하지 않고 ±1 펄스로 움직이고 있어서 미세하게 떨리는 헌팅(Hunting)현상이 발생한다.
반면 스텝 모터는 동작 지령에 운전하고 피드백 제어를 하지 않기 때문에 빠른 응답성을 갖는 장점이 있다.
α-Step의 경우 로터(ROTOR)와 스테이터(STATOR)의 위치편차가 1.8° 이내이면 Open-Loop 방식으로 동작하기 때문에 표준 스텝 모터와 같은 빠른 응답성을 갖고 있다.
이와 같은 특성 때문에 높은 응답성이 필요하거나 정지 시에 미세한 진동(Hunting)이 없어야 하는 카메라 모듈 또는 검사장비라면 서보 모터보다는 스텝 모터가 적합하다.
비교 포인트③-토크 특성
스텝 모터는 서보 모터와 다르게 ‘정격회전속도’라는 것이 없다. 일반적인 AC 모터나 서보 모터의 출력(W) 표시는 정격회전속도로 회전하고 있을 때의 출력(W)을 표시하고 있으며, 이것을 ‘정격출력’이라고 한다.
스텝 모터도 계산식으로 출력(W)을 산출할 수 있지만, 정격회전속도가 없으므로 정격출력으로 표시하는 것은 불가능하다.
출력(W) = 0.1047×T×N
0.1047 : 정수
T (N·m) : 토크
N (r/min) : 회전속도
대입할 회전속도의 수치가 다르면 산출되는 출력(W)도 변한다.
이와 같은 이유로 스텝 모터는 출력(W)으로 표현할 수 없기 때문에 서보 모터와 사양 비교 시 동일한 설치치수에 따라 사양을 비교하면 된다. 그림 7은 서보 모터와 α-STEP 모터의 설치치수에 따른 회전속도-토크 특성을 비교한 자료이다.
▲ 그림 7 스테핑 모터와 서보 모터의 토크 비교
그림 7의 그래프를 통해서 스텝 모터와 서보 모터의 설치치수에 따라 토크 특성을 비교하여 사용하고자 하는 속도에 적합한 모터를 선정하면 된다.
α-Step 모터는 기존 스텝 모터보다 고속영역에서 토크 특성이 향상되었으며, 설치치수 85mm 기준으로 서보 모터 750W와 비교 시 약 1,000rpm까지는 스텝 모터의 토크 특성이 우수하다.
▲ 그림 8 더 큰 회전체를 동작시킬 수 있는 스텝 모터
비교 포인트④-관성 모멘트
장비에 적합한 모터를 선정할 때는 토크는 물론, 관성 모멘트(Moment)까지 만족해야 정확한 모터가 선정되었다고 할 수 있다. 관성 모멘트란 물체가 현재 상태를 계속 유지하려는 성질의 크기이다. 관성 모멘트는 질량에 비례하며, 회전체 반경의 제곱에 비례하여 커진다.
예를 들어, 우산을 접고 돌릴 때보다 펼쳐서 돌릴 때 더 무거운 느낌을 받는 것은 관성모멘트가 더 크기 때문이다. 관성 모멘트가 커지면 그에 비례하여 필요한 가·감속 토크도 커지기 때문에 모터의 기동·정지 시에 영향을 준다.
만약 감속기의 허용 관성모멘트가 장비의 관성 모멘트보다 낮다면 감속기의 샤프트가 파손될 수 있으므로 모터 선정 시 허용 관성 모멘트와 관성비까지 계산해야 한다.
스텝 모터의 경우 관성비는 10 이하, α-Step 모터의 경우 30 이하가 되도록 만족하는 모터를 선정하는 것이 좋다.
관성비 = 부하 관성 모멘트/로터 관성 모멘트
모터의 가·감속 토크에 여유가 있어도 관성비가 너무 크면 탈조가 발생하거나 정상적인 구동이 되지 않을 수 있다. 서보 모터도 부하 관성 모멘트가 허용 관성 모멘트보다 크다면, 정상적인 제어는 물론 동작이 불안정해지거나 알람 출력이 발생할 수 있다.
이처럼 부하 관성 모멘트가 더 큰 조건이면 감속기를 결합하여 사용할 수 있으며, [허용 관성모멘트×감속비2]의 식으로 계산된다. 결과적으로 감속비의 제곱만큼 증가한다고 볼 수 있다.
이처럼 스텝 모터의 관성 모멘트가 서보 모터보다 우수하기 때문에 동일한 무게의 부하를 구동 시 스텝 모터가 더 큰 회전체를 동작시킬 수 있다.
비교 포인트⑤-정지 정밀도
고정밀도의 위치 결정 운전을 하는 경우 정지 상태와 정지위치 정밀도에 대해서 고려해야 한다. 정지위치 정밀도는 ‘이론상의 정지위치에 대한 실제 정지 위치와의 차’이며, 스텝 모터의 정지 정도는 ±0.05°, 서보 모터의 정지 정도는 ±1 펄스 이내(엔코더 분해능)이다.
최근에는 서보 모터에 결합된 엔코더의 성능 향상으로 서보 모터의 분해능이 비정상적으로 작아져 엔코더의 조립 정도에 의해 오차가 크게 영향을 받는다. 따라서 엔코더는 높은 분해능으로 분할할 뿐 정밀도를 향상시키지는 못한다.
실측 데이터를 보면 스텝 모터와 서보 모터의 정지 정도는 ±0.02°~0.03° 정도로 거의 같다. 게다가 스텝 모터의 경우 모터 부품의 기계적 정도에 따라 정도가 결정되므로 정지 위치를 7.2°마다 실시할 수 있다면, 모터의 구조상 항상 같은 ROTOR 소치를 사용하여 위치 결정이 가능해서 더욱 정지 위치를 향상시킬 수 있다(그림 9, 10).
▲ 그림 9 스텝 모터와 AC 서보 모터 정지 정도(실측값)
▲ 그림 10 스텝 모터 7.2°마다 위치결정 시 정지 정도(실측값)
▲ 그림 11 α-STEP 모터의 장점
지금까지 살펴본 것처럼 스텝 모터와 서보 모터는 주로 정밀제어가 필요로 하는 용도에 사용된다. 모터를 사용하는 대부분 사람들은 모터의 특성은 배제하고 이전에 사용했던 모터 또는 동일한 제어 방식의 모터를 선호하는 경향이 있다.
장비의 생산성과 효율성을 높이기 위해서는 모터의 특성을 정확하게 이해하여 장비의 요구에 적합한 모터를 적용해야 할 것이다.
