고정밀 위치결정을 위한 새로운 대안, 다이렉트 드라이브 서보 모터

다이렉트 드라이브 모터는 감속기를 사용하지 않고 부하를 모터에 직접 연결하여 구동할 수 있기 때문에 백래시, 로스트 모션 및 소음 없이 고정도 위치결정이 가능하다는 장점이 있다. 이에 반도체, 디스플레이, 공작기계, 조립기기, 로봇 등에서 본격적인 채용을 서두르고 있으며, 드럼 세탁기, 영상 카메라 등에서의 활용도 증가하고 있다.

글 / 오승모 기자 (smoh@motioncontrol.co.kr) 


최근들어 다이렉트 드라이브 모터(DD 모터: Direct Drive Motor)가 주목받고 있다. 부하를 모터로 직접 구동하는 다이렉트 드라이브 방식의 로봇이 다양하게 발표되고 있으며, 세계 최초로 국내의 한 전자회사에 의해 드럼 세탁기에 적용됨으로써 다이렉트 드라이브 모터가 그 진가를 발휘하고 있다.

기존에는 로봇과 같은 부하가 큰 것은 서보 모터에 감속기나 볼나사 등을 써서 속도를 떨어뜨리고 그만큼 토크를 증가시켜 사용해 왔으나, 로봇의 아암 구동과 같이 아암 선단에서의 정확한 위치결정과 고속동작을 시키려면 현재의 감속기를 이용하는 방법에 한계가 생기게 된다.

위치결정에 대해서는 마찰에 의한 힘의 전달 부확정성, 감속기의 백래시와 탄성변형, 히스테리시스 등에 의한 불확정성이 존재하게 되며, 고속동작에서는 감속기의 강성이 약해짐에 따른 동작속도의 제한이 있어왔다. 이러한 로봇의 약점을 개선하기 위해 감속기 등의 동력 전달 부품을 없애고 로봇 아암에 직접 모터를 설치하여 동작하는 모터가 다이렉트 드라이브 모터이다.

다이렉트 드라이브 모터가 주목받기 시작한 것은 희토류 자석이 실용화되고 종래보다 소형, 경량, 대토크인 모터가 가능해졌기 때문이다. 또한 제어상으로 고속 연산이 가능한 마이크로 프로세서의 출현과 서보 시스템 기술의 진보에 의해 다이렉트 드라이브 방식의 제어가 가능해졌다.

따라서 다이렉트 드라이브 모터는 유연성과 신뢰성, 고속성, 고정밀도 위치결정, 역제어나 다이렉트 티칭 등을 쉽게 할 수 있다는 특징이 있다. 또한 기구부가 간소화되어 크린룸에서의 작업도 가능해져, 반도체 및 FPD(Flat Panel Display) 제조 장비 분야에서의 본격적인 활용이 기대되고 있다.

고정밀 위치결정 실현

다이렉트 드라이브 모터는 감속기를 사용하지 않고 부하를 모터에 직접 연결하여 구동할 수 있기 때문에 백래시, 로스트 모션 및 소음을 없애고, 고정도 위치결정이 가능하다는 장점이 있다.

일반적인 모터는 큰 토크를 얻기 위해서 감속기를 사용하여 모터의 회전수를 줄이는 방법을 사용해 왔으나, 다이렉트 드라이브 모터는 모터 자체가 저속에서 큰 토크를 내는 것이 가능하여 감속기가 필요없는 것이다. 또한 모터 내부에 위치 검출기가 내장되어 있는 완전 폐루프 서보 모터이다.

최근 출시되고 있는 다이렉트 드라이브 모터는 반도체 제조장치, LCD 제조장비, 공작기계, 로봇, 반송장치, 검사 및 시험기기, 부품 조립기기 등에 적용된다. 또한 가전부문에서는 종래의 VTR 테이프 이송 및 세탁기 드럼의 구동 등에 사용중이며, 영화 촬영용 카메라 및 각종 감시 및 모니터링용 카메라 장치에 적극 활용중이다.

특히 미국의 헐리웃으로 대표되는 최근의 소위 대작(특히 SF, 어드벤처 영화들)이라는 영화들은 스케일과 섬세함이 동시에 증가하면서 배경과 영상을 합성하기 위한 고정밀의 모션 카메라를 필요로 하게 되었으며, 이의 해결책으로써 다이렉트 드라이브 모터의 구동이 적극 채용되고 있기도 하다.

일본 NSK에서 출시한 다이렉트 드라이브 모터(모델명: MTM YSB 시리즈)는 고분해능 검출기(레졸버)를 내장하여 819,200 펄스라는 고분해능을 실현하였으며, 반복위치 결정도 ±1.6sec의 고정도 위치결정이 가능해졌다. 또한 브러시리스 모터로서 영구자석을 사용하지 않는 간단한 구조를 가지며, 고강성과 고정도의 그리스 봉입 베어링(크로스 롤러 베어링)을 사용하므로 고신뢰성과 메인트넌스 프리를 실현하고 있다.

또한 다이렉트 드라이브 모터는 32bit 마이크로 프로세서를 사용한 디지털 서보 전용 드라이브 유닛과의 조합으로 구성된다. 여기에 사용되는 드라이브 유닛은 모션 컨트롤에 필요한 다수의 지령입력을 구비하고 있으므로 시퀀스(PLC)나 각종 컨트롤러, PC 등과 접속이 가능해졌으며, CAM 곡선구동 및 필드버스(Fieldbus) 대응에 의한 네트워크화가 가능하다.

유연생산시스템 추구

산업 분야에서 가장 활발하게 사용되고 있는 서보모터를 이용한 캠 인덱스를 예로 들면, 그림2에서와 같이 서보모터가 3000rpm으로 회전하고 30:1의 기어비를 가지는 감속기를 통해서 인덱스 회전 테이블을 100rpm을 실현시켜왔다. 그러나 다이렉트 드라이브를 사용함으로써 다이렉트 드라이브 모터의 회전 속도인 180rpm이 직접 인덱스 회전 테이블의 속도로 이어지는 직결구조가 가능해졌다. 이로써 고속 고정도의 위치결정이 가능해지고 감속기 등의 추가적인 부품을 줄여주어 컴팩트한 구조가 가능하며, 메이터넌스 프리가 실현 가능해진 것이다.

다이렉트 드라이브는 단순하게 소프트웨어 프로그램의 변경만으로 위치결정 각도를 임의로 변경하는 것이 가능해 시스템 설비 변경에 따른 코스트를 대폭 절감할 수 있다는 장점을 가진다.

기존의 캠 인덱스의 경우에는 기계식이므로 프로그래밍이 필요없지만 한번 결정된 위치결정 각도와 정지시간 등을 변경하지 못한다는 문제점을 안고 있다.

시스템 라인의 변경 등으로 변경을 진행하기 위해서는 최악의 경우에 캠 인덱스 전체를 철거해야 하는 번거로움과 추가 투자가 요구된다. 때문에 제조라인에서의 다품종 소량생산을 전제로하는 생산설비의 유연성 요구에 적극 부응하기 위해서는 다이렉트 드라이브의 채용이 가장 적격이라고 볼 수 있다.■