서보모터

서보모터의 정의

서보모터는 위치 피드백을 이용해 위치·속도·가속도를 정밀하게 제어하는 폐루프 구동 장치다.

일반 전동기는 전원을 넣으면 연속 회전하지만, 서보모터는 목표 위치와 현재 위치를 비교하면서 회전을 맞춘다.

쉽게 말해 명령한 위치로 정확히 가서 멈추는 모터다. 핵심 키워드는 서보기구와 폐루프 제어다.

폐루프 제어 구조

서보의 핵심은 출력을 다시 측정해 입력과 비교하는 폐루프 구조다.

측정된 위치와 명령 위치의 차이가 오차 신호이며, 이 오차를 0으로 만드는 방향으로 모터가 움직인다.

엔코더나 레졸버 같은 위치 검출기가 실제 위치를 제어기에 되돌려 준다.

피드백이 없으면 모터는 명령이 얼마나 이행됐는지 알 수 없다.

제어 절차는 지령, 오차, 보상, 구동, 피드백 순서로 반복된다.

토크와 관성, 가속

서보는 큰 가속도로 기동·정지해야 하므로 관성이 작을수록, 토크가 클수록 좋아진다.

여기서 J는 관성모멘트, ω는 각속도, T_L은 부하 토크다. 점성 마찰 B도 함께 작용한다.

정격 3000rpm 서보의 각속도는 2π×3000/60, 약 314 rad/s다.

관성모멘트 0.01 kg·m², 각가속도 200 rad/s²이면 필요 토크는 2 N·m다.

정격 토크 이내인지, 짧은 시간 과부하 토크로 가속이 가능한지 함께 판단한다. 관성이 크면 감속기로 관성비를 줄이는 것이 일반적이다.

서보 종류 비교

서보모터는 전동기 형식에 따라 DC 서보와 AC 서보로 나뉜다.

DC 서보는 구조가 단순하고 가격이 낮지만 브러시 마모와 불꽃 문제가 있다.

AC 서보는 전자 정류로 보수가 적고 고속·고출력에 유리하다.

AC 서보 중 동기형은 위치 제어 성능이 가장 좋아 산업 현장의 주류다.

직접 풀어 보자.

정답은 전자 정류다. AC 서보는 엔코더·홀센서 기반으로 정류한다.

장단점과 흔한 실수

서보모터의 장점은 고토크, 빠른 응답, 넓은 속도 범위, 고정밀 위치 제어다.

단점은 엔코더와 제어 회로 때문에 비용이 높고, 피드백 루프 튜닝이 필요하다는 점이다.

또 지속 과부하는 손상을 일으키므로 최대 토크는 짧은 듀티로만 허용된다.

시험에서는 서보를 특정 전동기 종류로 오해하지 말고, 피드백 종류와 그 이유를 함께 쓰는 것이 중요하다고 강조한다.

정리

서보모터는 위치 피드백으로 오차를 0에 가깝게 줄이는 폐루프 구동계다.

큰 토크와 작은 관성 모멘트가 큰 가속도를 얻는 핵심 조건이다.

정의, 피드백 구조, 특성과 이유를 함께 쓰면 답안 점수가 된다.