서보 모터의 원리
[Industry News 박규찬 기자] 서보 모터에는 모터 회전자에 위치하는 영구자(Permanent Magnets)와 회전자를 둘러싸고 있는 고정 전자석(Electromagnet)의 두 가지 자기원(Magnetic Source)이 있다. 이 전자석은 고정자 또는 모터 권선으로 불리며, 라미네이션이라고 하는 강철판을 여러 장 맞붙여 만든다. 이 강철판에는 홈이 있으며 구리선이 감겨 있다.
자석의 원리를 살펴보면, 구리선과 같은 도체를 코일로 형성하고 거기에 전기를 통하면 전류가 통과하면서 자기장이 만들어진다. 전류가 도체를 통과할 때 생기는 이 자기장에는 N극과 S극이 있다. 전기가 흐르는 경우, 자기장의 극이 고정자에도 있고 회전자의 영구자석에도 있을 때 다른 극은 서로 끌어당기고 같은 극은 서로 밀어내는 상태를 만들려면 어떻게 해야 할까?
핵심은 전기자에 흐르는 전류를 역으로 흐르게 하는 것이다. 전류가 전도성 코일을 타고 한 방향으로 흐르면 N극과 S극이 생긴다. 전류의 방향을 바꿔주면 두 극이 순간 반전돼 N극은 S극이 되고 S극은 N극이 된다. 그림 1에 이것의 기본 원리가 나와 있다. 그림 2에서 왼쪽 이미지는 회전자 자석의 양극이 고정자의 반대 극을 끌어당기는 상태를 보여주고 있다. 회전자의 극이 모터 축으로 끌리면 회전자는 고정자의 반대극과 나란한 상태가 될 때까지 회전한다. 두 개의 극이 같은 상태에 있다면 회전자는 움직이지 않는다.
그림 2의 오른쪽 이미지는 고정자의 양극이 서로 바뀌는 원리를 보여주고 있다. 고정자가 특정 위치에 있을 때 전류 흐름을 바꿔 회전자의 극이 고정자의 반대 극과 만나게 하면 그때마다 이 같은 현상이 일어난다. 고정자의 양극이 계속해서 서로 뒤바뀌면 회전자의 영구자석 양극이 고정자의 반대 극을 항상 ‘뒤쫓는’ 상태가 만들어지고 이것이 회전자/모터 축의 연속 회전이라는 결과로 나타난다.
고정자 양극의 방향을 반전시키는 것을 정류라고 한다. 정류의 공식적인 정의는 ‘모터 상에 대한 전류를 조절해 최적의 모터 토크와 모터 샤프트의 회전을 만들어내는 작용’이다. 전류를 제때에 조절해 샤프트를 계속 회전하게 하려면 어떻게 해야 할까? 이러한 패턴의 전류 인가는 모터에 동력을 제공하는 인버터 또는 드라이브가 담당한다. 어떤 모터 구동에 드라이브를 사용할 때 드라이브 소프트웨어에는 해당 모터의 오프셋 앵글(Offset Angle), 인덕턴스, 저항, 그리고 기타 파라미터 등이 입력돼야 한다. 그 모터에 부착된 엔코더, 레졸버 등의 피드백 장치는 회전자축/자석 극의 위치 데이터를 드라이브에게 전달한다.
회전자 자석 극(Pole)의 위치가 오프셋(Offset Angle)과 같으면 드라이브는 그림 2와 같이 고정자 코일을 통과하는 전류를 역으로 바꿔 고정자의 N극을 S극으로, S극을 N극으로 변경한다. 이와 같은 원리로 극들이 정렬되면 모터 회전축이 멈추게 되고 순서를 바꾸면 축이 어느 한 방향으로 회전하게 된다. 또한, 극을 빨리 변경시키면 샤프트가 고속 회전을 하고 천천히 변경하면 회전 속도가 느리게 된다.
