서보 시스템 구성요소에 따른 기술 동향
위치제어나 속도제어 및 토크제어기를 갖고 있는 서보는 그 용도에 맞춰 구동요소로 동작하기 때문에 적용분야의 다양화는 지속될 것이다. 이 글에서는 서보 시스템에서 요구되는 변화의 요소들 중에서 네트워크화, 고속응답, 고정밀 센서의 다양화, 고출력화 등 관련된 주요 내용을 살펴보고자 한다.
글·최 철 공학박사, 하이젠모터(www.higenmotor.com)
서보가 적용되는 분야라면 얼핏 자동화와 공작기계를 생각하기 쉽지만 최근 각광을 받는 로봇 및 국방용 등 생각 이상으로 광범위한 영역에서 활용되는 특성을 갖는다. 위치제어나 속도제어 및 토크제어기를 갖고 있는 서보는 그 용도에 맞춰 구동요소로 동작하기 때문에 적용분야의 다양화는 지속될 것이다.
그림 1에는 이송거리 및 위치정밀도에 따른 대표 산업별 기계장치를 나타낸다. 정밀도 면에 있어서는 초정밀 기계장치에 해당하는 스테이지 등이 단위 나노미터 정도의 고정도 제어 성능을 요구하는 한편 일반적인 산업기계보다 고급의 제어 기능을 요구하는 공작 기계 등은 수 미크론 정도의 제어 성능을 요구하고 있다.
 |
| 그림 1. 주요 산업설비별 이송거리 및 위치정밀도 비교 |
이와 같은 용도의 서보 시스템은 제어 기능을 수행하는 서보 드라이브와 실제 제어 출력을 구현하는 서보 모터로 구성되고 상위 시스템으로는 NC나 모션컨트롤러 그리고 PLC 등과 인터페이스 되어 그 기능을 발휘하게 된다. 최근의 서보 시스템에 있어서 변화 방향은 고정밀 제어, 네트워크화, 고속응답, 고출력화, 성선화 등을 대표적으로 들 수 있다.
서보 드라이브에 요구되는 기술상의 발전 방향으로는 저노이즈와 유해물질 적용 억제와 같은 환경에 대한 관심 및 사용자 편리성을 부각하기 위한 다양한 형태의 튜닝 기능, 유도형 모터와 영구자석형 모터의 통합 제어기능, EMI 억제, 엔코더 센서 활용에 의한 자동인식 기술의 기능 확대 등이 이슈가 되고 있다.
또한 서보 모터의 관점에서는 적용 용도에 맞춰 고속화와 대용량화가 추진되는 방향과 초저관성형 모터 등의 개발이 요구된다. 이를 위한 고급전기장판의 적용 기술과 코어리스 모터 등에 관한 요구가 보고되고 있다.
이와 같은 서보 시스템에서의 발전방향은 그림 2에 나타내었다. 이 글에서는 서보 시스템에서 요구되는 변화의 요소들 중에서 네트워크화, 고속 응답, 고정밀 센서의 다양화, 고출력화 등 관련된 주요 내용을 살펴보고자 한다.
 |
| 그림 2. 서보 발전 방향 요약 |
네트워크
자동화 부분이나 공작기계 분야에 있어서 최근의 동향은 PLC의 진화와 NC의 3D 모델화 및 복합기 등의 발전에 따라 시퀀스, 모션 컨트롤, HMI의 통합이 요구되고 이에 따라 개방형 네트워크와 고속 네트워크 기능이 요구된다.
필드버스의 표준이 개방형 산업용 이더넷을 수용하는 방향으로 물꼬를 튼 후 실시간 동기 제어를 위한 다양한 형태의 이더넷 기반 모션 네트워크들이 공급되고 있다.
특히 이더넷 기반의 네트워크들은 상위부터 하위 컨트롤러까지 수직적인 통합을 실현할 수 있으며, 배선의 간편화와 유지보수의 편리함 때문에 앞으로 자동화 산업뿐만 아니라 공작기계분야 등 타 부분에서도 표준이 될 것으로 기대한다.
국내의 경우에도 이더넷을 기반으로 한 개방형 네트워크인 EtherCAT, Ethernet PowerLink, SynqNet, ProfiNet, CIP Motion, MACRO, SERCOS 등이 소개되었다. 또한 일본에서 도입하는 제품은 전용 모션 네트워크인 MECHATROLINK, CC Link, SSCNET 등의 네트워크 방식을 적용하고 있다.
그 외에 보편적으로 사용되는 CAN Open 방식 등을 언급할 수 있으나 각 방식이 다수의 사용자 그룹을 확보하기 위한 시장 선점 각축을 벌이는 현실이다. 이러한 모션 네트워크들은 각각의 분야에서 장단점을 가지고 있다. 그림 3에는 각 방식을 몇 가지 지표로 정리한 것이다.
 |
| 그림 3. 네트워크 방식별 특성 비교 |
고속 응답
속도 및 토크제어 등에서 요구되는 응답성능의 고속화를 위한 다양한 시도가 이루어지고 있고 이 부분도 선진국을 중심으로 급속히 발전되어 나가는 모습을 보인다. 속도 응답 주파수의 경우 수백 Hz대역의 응답 주파수를 넘어 kHz대역의 응답성능을 갖는 제품이 소개되기도 한다.
 |
| 그림 4. 요구 기능 별 필드버스 체계 |
최근의 이러한 동향은 디지털 시그널 컨트롤러(DSC) 등의 발전에 기인하고 이는 다시 반도체 공정 기술의 향상에 의해 힘입은바 크다고 하겠다. 그림 5에 나타낸 프리스케일의 DSC일람표에서도 살펴 볼 수 있듯이 반도체 제조공정에 따라 제품의 발전이 병행되는 모습을 확인할 수 있다.
 |
| 그림 5. 프리스케일의 DSC 일람표 |
국내의 경우 서보 제어기를 구현하는 용도로는 150MHz~300MHz 정도의 클럭 소스를 제공하는 제어기의 활용이 보편화되는 추세이나 선진 제품의 경우에는 일부이긴 하지만 전용화 한 RISC CPU를 제작해서 적용하는 사례도 살펴볼 수 있다.
 |
| 그림 6. 히타치 DSP 일람표 |
그림 6에는 히타치 계열의 프로세서 테이블을 보였고 이 그림에서는 주파수 영역과 플렛폼 핀 수에 따른 산업용 용도에 맞춰 적용 영역을 도시하고 있다. 그림 7은 TI의 부동 소수점 연산이 가능한 C6000계열의 전개도를 나타내었다.
 |
| 그림 7. TI 부동소수점 연산용 DSP 일람표 |
고정밀 센서의 다양화
서보 모터를 제어하기 위한 센서에는 전류 제어용 센서와 위치 및 속도 제어용 센서가 제어성능을 결정할 수 있는 핵심이라고 할 수 있다. 대부분의 서보 시스템에서는 위치 센서는 서보 모터의 자속각의 피드백 정보를 제공하기 위해 사용되며 경우에 따라서는 모터의 제반 사양과 이력 등을 저장하는 등의 용도로 사용되고 있다. 또한 전류제어용 센서는 실제 출력 전류를 피드백하는 용도로 사용된다.
 |
| 그림 8. 마스터 슬레이브 구조의 시리얼 엔코더 접속구성 |
먼저 전류피드백을 위한 방식에는 션트 저항(Shunt Resistor), 홀-효과 센서, 전류 검출 트랜스포머 등의 전류 감지 방식이 있다. 전류센서 중 션트 저항 전류센서는 저렴한 비용으로 비교적 정확한 측정이 가능하기 때문에 출력전력이 작은 드라이브에 적용되는 방식이고 홀-이펙트 센서는 비간섭 측정 및 센서와 센서보정 회로가 결합된 소형 IC 패키지를 내장할 수 있어 폭넓게 사용되는 방식이다.
또한 전류센싱 트랜스포머는 대전류 검출이 필요한 경우와 AC 라인의 전력 모니터링에 주로 사용되고 있다. 다음으로는 모터의 자속각을 검출하기 위한 센서에는 이미 널리 알려진 엔코더에 의한 검출방식과 리졸버를 적용하는 방식을 고려할 수 있다.
 |
| 그림 9. 시리얼 엔코더 M/S접속 프로토록 사례 |
엔코더의 경우에는 광학식에 기반 한 증분형 엔코더가 일반적이나 분해능에 제한이 있어 최근에는 보간 기능을 내장하고 이를 고속의 시리얼 전송방식을 채택한 시리얼 인크리멘털 엔코더와 이와 유사하게 절대치 정보를 고속 전송하는 시리얼 ABS 엔코더가 널리 사용되고 있다.
로봇 암 등의 연결구조에 적합한 마스터 및 슬레이브 연결 구조를 갖는 엔코더 방식도 있다. 이와 같은 구조의 엔코더 통신 체계는 그림 8에 나타내었고 그림 9는 프로토콜의 일부를 보였다.
고진동이나 고충격 환경에서 구동해야하는 서보 모터에서는 리졸버의 활용이 당연하겠지만 일반적인 산업환경에서는 광학식 엔코더가 정석이라고 하겠다. 광학식 엔코더도 이미 회전분해능이 2^20Bit를 넘어서는 정도이고 기존 광학식 엔코더의 가장 취약한 특성이었던 Glass부분도 수지계열 재료가 채택되는 등의 발전이 있고 더불어 자기식을 활용한 새로운 형태의 엔코더도 소개되고 있다. 그림 10은 이를 적용한 간단한 사례를 보였다.
 |
| 그림 10. 자기식 엔코더 구성 예 |
고출력화
일반적으로 알려져 있는 서보 모터는 속도범위로는 10,000rpm전후의 중속영역과 출력으로는 22kW전후의 영역에 주로 사용되는 것이었으나 최근의 동향으로는 대용량화에 대한 요구가 프레스 장치 등을 중심으로 대두되고 있다.
일반적으로는 40kW 출력범위까지 서보 모터의 용량이 확장되고 있고 그 외에 Direct Drive모터 등의 필요성도 점진적으로 증가하는 형태를 보인다. 이를 위해 공급전원의 경우 기존의 AC220계열 위주에서 AC400계열로의 변동이 불가피한 모습을 보인다.
이들 동기기가 요구하는 공통의 특성은 고효율화인데 모터의 구성 방식에 따라 주 관심 분야가 달라 질 수 있으나 대표적인 특징으로는 전기 강판의 저철손화가 중요하고 한편으로는 회전 속도의 고속화가 요구되면서 회전자의 코어리스 설계 방식 등이 점차 확대되는 추세이다.
고효율화를 위한 요소 중에서 전기 강판을 빼고는 설명할 수가 없다. 전기 강판의 자기특성과 전동기 효율에 관한 종래부터의 지식은 주로 AC 전동기에 관한 것이었다. 그러나 PWM 구동에 의한 모터제어기가 보급되면서 기존의 정현파 공급 특성과는 다른 특성이 대두 되었고 이에 대한 연구의 사례 중 히스테리시스 특성 분석의 사례를 그림 11에 나타냈다.
 |
| 그림 11. 고조파 자기유도 파형에서의 자기이력 특성 |
영구자석을 적용하는 서보 모터에 있어서의 손실은 철심에 의한 손실이 지배적이기 때문에 전동기 효율 향상은 철심재료에 대한 의존성이 강하다. 특히 상용 주파수를 넘어서는 고주파 운전영역에서는 철손과 상관관계가 강하며 철심재료의 저철손화가 모터 효율 향상의 결정적 요인이다.
또한 타발 가공 시, 강판의 경도 증가에 따라 금형마모가 촉진되므로 고효율화를 위해서는 자기 특성뿐만 아니라 경도를 적정 치로 제어할 필요가 있다. 이러한 흐름에 맞추어 서보모터의 고성능화를 위한 요구 성능은 다음과 같이 요약해 볼 수 있다.
소형 경량화
소형화를 위해서는 자속밀도를 높게 하는 것이 필요하고, 철심 재료로서는 자기포화와 투자율이 높을 것이 요구되며 특히 영구자석의 고성능화나 권선 점적율 향상에 의한 고여자화가 요구된다.
고효율화
고효율화를 위해서는 철손저감이 매우 중요하며 일반적으로는 저철손의 전자강판인 고Si의 얇은 전자강판이 사용된다. 또한 모터의 동손 저감도 중요하게 되므로 고투자율의 전자강판에 의한 철심 여자전류의 저감과 고가공성 전자강판의 사용에 의한 여자전류 저감이 필요하다.
제어성
최근의 고성능 모터는 제어에 의해 그 성능을 발휘한다. 모터를 인버터로 구동하는 경우와 같이 철심재료의 여자 주파수가 변화하는 경우에는 모터 정수가 주파수에 의해 변화하지 않도록 하는 것이 중요하다. 주파수 의존성이 적은 등가회로법이 소개되고 있으며 펄스 구동이나 PWM, PAM 구동에서는 고주파수 성분이 포함되므로 이에 대한 특성이 중요하게 된다.
저진동 저소음화
진동, 소음에 있어서는 일반적으로 가진원과 기계공진을 고려할 필요가 있다. 가진원으로는 여자전류, 자석의 착자분포, 자기중심 불평형, 축수 등의 영향이 크고 자성 재료의 영향은 작다. 기계공진에서는 철심의 강성이 중요하고 이 강성은 고정도의 위치결정에 영향을 준다.
맺음말
지금까지 짧지만 대표적인 최근의 서보 분야의 기술동향을 살펴보았다. 국내의 서보 시장은 1000억원 내외라고 보고 되고 있으나 국내 제품이 설 자리는 그다지 커 보이지 않는다. 그 이유는 여러 가지가 있을 수 있지만 아마도 고도의 신뢰성과 정밀성이 요구되는 자동화 및 공작기계, 반도체 산업 등 대표적인 시장에서 비켜서 있기 때문일 것이다. 결과적으로는 산업의 핵심부분에 대한 기술을 포함한 시장 경쟁력 확보가 핵심인데 이 부분에서 선진국과의 격차가 가장 큰 원인이라고 하겠다.
현재 뿐만 아니라 미래 산업의 중추를 이룰 이 분야에서 결과적으로 구동계를 담당하는 서보 시스템의 중요성은 더욱 강조될 것이다. 일정 부분에서는 어느 정도 선진국과 격차를 좁혔다고 생각도 되지만 이를 구성하는 핵심요소까지 경쟁력을 확보하기에는 아직도 갈 길이 멀다고 생각된다.
이 분야에서의 선진국과 신흥개발국 사이에서의 갈등이 어제 오늘의 이야기가 아니지만 각자의 위치에서 정말 혼신을 다해야 한다고 생각되기에 조금이라도 도움이 되었으면 하는 마음을 지면을 통해 전하고자 한다.
