서보(Servo)의 개념

서보(servo)라는 것은 추종한다, 따른다는 의미이며, 명령을 따르는 모터를 서보모터라고 합니다. 좀 더 쉽게 말씀드리면, 환풍기나 선풍기, 제분기, 믹서기, 윤전기 등에 들어가는 모터처럼, 적당한 속도로 힘껏 잘 돌아가주기만 하면 되는 모터나, 자동차의 파워 윈도우 처럼 사용자가 일일이 멈추고 움직임을 제어하는 모터를 서보모터라고 하지 않습니다. 이에 반해서, 프린터, DVD, 공작기계, CCTV 카메라, 캠코더 등에 사용되는 모터처럼 명령에 따라 정확한 위치와 속도를 추종할 수 있는 모터를 서보모터라고 합니다.



여기서 중요한 사실은, 모터 자체를 가지고 이게 서보모터냐 아니냐를 따지는 것은 아닙니다. 서보모터라는 개념은, 모터의 구동시스템까지 포함하는 것입니다. 어떠한 종류의 모터라 하더라도 적당한 알고리즘과 회로를 가지는 구동시스템을 적용하여 위치나 속도에 대한 지령을 추종할 수 있도록 만들면 서보시스템이 이루어지는 것입니다.



보통, 직류전동기나 BLDC 전동기를 서보모터라고 부르는 경우가 있는데, 옳지 않습니다. 특히, 유도전동기는, 구조가 간단한 반면 회전 특성이 깔끔하지 않아서 앞에 예를 든 선풍기, 윤전기 등의 비(非)서보 응용에 주로 사용되기 때문에 서보모터가 아니라고 하는 경우가 많은데, 역시 틀린 말입니다. 구성이 아주 까다롭지만, 유도전동기를 이용해서도 서보시스템을 구성할 수 있으며, 이 경우 서보모터의 역할을 하는 것입니다. 반면, 직류모터도 그냥 모터 하나만을 놓고 건전지만 연결하면 돌아가는 상황에서 이를 서보모터라고 하면 옳지 않습니다. 적절한 구동시스템과 연계하여 어떤 위치나 속도 지령을 추종할 수 있게 된 경우에만 서보모터라고 부를 수 있는 것입니다.



직류모터는 무조건 전류에 비례하는 토크를 내기 때문에 제어가 아주 쉬워서 서보응용에 매우 많이 쓰입니다. 직류모터의 치명적인 단점은, 모터 안에 있는 브러쉬와 정류자의 기계적인 접촉전환을 이용하여 회전력을 만들기 때문에, 브러쉬나 정류자가 쉽게 손상된다는 점입니다.



이 단점을 극복한 것이 영구자석동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor)인데, 반도체 소자를 이용한 인버터를 사용하여 회전자계를 만들어주기 때문에 모터 자체가 닳거나 부서지지 않는 한 반영구적으로 사용할 수 있습니다. 다만, 직류모터에는 사용되지 않는 인버터를 사용하기 때문에 구동시스템이 복잡해진다는 단점이 있는 것입니다. (영구자석을 사용하지 않고 전자석을 쓴 종류도 있는데, 이 것은 영구자석이라는 말은 제외하고 그냥 동기전동기 또는 권선형 동기전동기라고 부릅니다.) 한편, BLDC(brushless dc) 모터라는 것은 실제로 직류모터가 아니고 PMSM을 적당한 알고리즘으로 돌려서 직류모터와 아주 유사한 토크 특성을 보이게 만든 경우에 칭하는 말입니다.



서보시스템은 사용되는 모터에 따라 AC 서보시스템과 DC 서보시스템으로 나눌 수 있습니다. AC 서보시스템은 BLDC 모터나 동기전동기, 드물게는 유도전동기 등의 AC 모터를 사용한 경우를 칭하는 말이며, DC 서보시스템은 서보시스템에 직류모터를 사용한 경우를 칭하는 말입니다. AC 모터는 DC 모터에 비해 구동 시스템이 복잡하다는 단점이 있지만, 같은 크기의 DC 모터에 비해 더 큰 힘을 낼 수 있고, 고정자가 권선으로 이루어져 있어 방열특성이 좋으며, 브러쉬와 정류자가 없어서 수명이 길다는 장점이 있습니다.



세탁기처럼 비교적 큰 힘이 필요한 곳에는 AC 서보가 쓰이지만, 수명은 짧아도 좋으니 아주 고성능의 추종능력이 필요한 경우에는 DC 서보가 쓰이기도 합니다. 수명이 중요한 경우에는 당연히 AC 서보가 쓰이고, 값싸게 구성할 필요가 있는 시스템에는 DC 서보가 쓰입니다. 그러나, AC 서보와 DC 서보는 서로 섞여서 쓰이는 분야가 많기 때문에 쓰임을 딱히 구분하기는 어렵습니다