회전 모션 제어는 현대 자동화의 핵심으로, 로봇 팔, 컨베이어, CNC 기계 등 수많은 응용 분야의 정밀한 움직임을 구동합니다. 전통적으로 기어드 서보 모터는 이러한 시스템에서 제어된 회전 운동을 구현하는 데 필수적인 솔루션이었습니다. 기어드 서보 모터는 다재다능하고, 비교적 저렴하며, 토크와 속도를 조절할 수 있는 능력 덕분에 산업 기계 분야에서 핵심적인 위치를 차지하고 있습니다.

그러나 직접 구동 회전 서보 모터와 폐루프 시스템과 같은 첨단 대안의 등장으로 엔지니어들은 현대 모션 제어에서 기어드 모터의 역할을 재평가하고 있습니다. 기어드 서보 모터는 여전히 최적의 솔루션일까요? 아니면 새로운 기술이 성능과 신뢰성 면에서 기어드 서보 모터를 능가했을까요?

기어드 서보 모터의 가치 제안

기어 서보 모터는 전통적인 회전 서보 모터와 기어 감속기를 결합하여 위치, 속도 및 토크에 대한 정밀한 제어를 유지하면서 더 낮은 속도에서 더 높은 토크를 전달할 수 있습니다.

주요 장점:

• 토크 증폭: 기어박스는 모터의 토크를 증폭시켜 더 작은 모터로 더 큰 부하를 구동할 수 있도록 합니다.
  속도 매칭: 기어박스는 모터 속도를 줄임으로써 서보 모터의 최적 작동 속도를 애플리케이션 요구 사항에 맞춰 조정합니다.
  기계적 이점: 높은 유지 토크가 필요한 애플리케이션(수직 하중 또는 리프팅 메커니즘 등)은 추가적인 기계적 저항으로부터 이점을 얻습니다.

기어드 서보 모터는 다음과 같은 응용 분야에서 광범위하게 사용됩니다.

• 포장 기계
• 컨베이어 시스템
• 자동화된 조립 라인
• 권취 및 장력 적용
• 관절 토크 제약이 있는 로봇공학 및 가트리

이러한 방식은 통합이 쉽고 비용 효율성이 뛰어나 특히 속도 감소와 토크 증폭이 중요한 분야에서 수십 년 동안 선호되어 왔습니다.

단점 이해: 백래시와 뻣뻣함

기어 서보 모터는 널리 사용되지만 서보 성능을 저하시킬 수 있는 문제점, 특히 백래시와 제한된 비틀림 강성을 나타냅니다.

백래시란 무엇인가?

백래시는 기어 톱니 또는 기타 변속 부품 사이의 기계적 “느슨함”을 의미합니다. 이는 모터의 운동과 부하의 반응 사이에 지연을 발생시킵니다. 운동 방향이 바뀌면 모터는 부하에 토크를 효과적으로 전달하기 전에 이 느슨함을 먼저 해소해야 합니다.

여기에서는 다음을 소개합니다.

• 위치 불확실성: 인코더 판독값은 부하 위치가 아닌 모터 축 위치를 반영합니다.
• 결합/분리 동작: 방향 변경 시 부하와 모터가 일시적으로 분리되었다가 다시 연결되어 제어 정밀도에 영향을 미칩니다.
• 튜닝의 어려움: 기계적 동작으로 인해 소음과 지연이 발생하여 제어 시스템이 성능을 최적화하는 데 어려움을 겪습니다.

백래시는 일반적으로 분각(1분각 = 1/60도)으로 측정됩니다. 고정밀 기어박스조차도 3~9분각 범위의 백래시를 나타낼 수 있습니다.

비틀림 강성이란 무엇인가?

비틀림 강성은 토크를 받는 시스템(샤프트, 기어, 커플링)의 비틀림 저항입니다. 완벽한 강성을 가진 시스템은 변형이 전혀 없어 토크를 즉각적이고 정확하게 전달합니다. 실제로 모든 재료는 하중을 받으면 약간 변형되며, 기계적 커플링은 비틀림 스프링처럼 작용합니다.

강성이 낮으면 다음과 같은 결과가 발생합니다.

• 에너지의 저장과 방출: 압축된 스프링처럼 에너지는 축적된 후 방출되어 진동을 일으킵니다.
• 공명: 특정 속도에서는 시스템이 통제 불가능하게 진동할 수 있습니다.
• 느린 반응: 컨트롤러는 과도한 동작이나 불안정성을 피하기 위해 이득 설정을 제한해야 합니다.

백래시와 부족한 비틀림 강성이 결합되면 기계적 탄성이 발생하여 동작 제어가 복잡해지고 시스템 정착 시간이 길어집니다.

직접 구동 회전 서보 모터: 더 나은 솔루션인가?

기어 솔루션과 달리 직접 구동 회전 서보 모터는 기어박스나 변속 시스템 없이 부하를 모터의 회전자에 직접 장착합니다.

성능상의 이점:

• 백래시 없음: 기어나 벨트가 없으므로 방향 전환 시 모션 지연이 발생하지 않습니다.
• 높은 비틀림 강성: 짧고 단단한 기계적 경로는 토크 하에서 최소한의 처짐을 보장합니다.
• 원활한 반응: 모터는 컨트롤러 명령에 즉각적으로 반응하여 높은 튜닝 이득과 빠른 안정화가 가능합니다.
• 최소한의 유지관리: 기어 윤활, 백래시 조정 또는 기계적 마모가 필요 없습니다.

직접 구동 모터는 높은 극수와 맞춤형 권선을 사용하여 저속에서 높은 토크를 전달하도록 설계되었으며, 기어박스가 필요 없이 기어 모터의 기능과 일치합니다.

그들이 빛나는 곳:

• 정밀 위치 시스템(예: 반도체 제조)
• 광학 시스템 및 검사 장비
• 대형 회전 테이블 및 인덱서
• 높은 동적 반응이 필요한 로봇공학
• 서보 프레스 및 공작 기계

비용 요소

직접 구동 모터는 성능에도 불구하고 가격이 높습니다. 높은 자성체 함량(주로 희토류 자석), 엄격한 제조 공차, 그리고 맞춤형 설계로 인해 비용이 증가합니다. 또한, 동일한 토크 용량의 기어드 모터보다 크기가 큰 경향이 있습니다.

즉, 다음 사항을 고려하면:

• 유지 보수 감소
• 더 긴 수명
• 기계적 마모 없음
• 향상된 성능
• 인코더 보정 기술의 제거

직접 구동 시스템의 장기 투자 수익률은 초기 투자 비용보다 더 클 수 있으며, 특히 고성능 애플리케이션의 경우 더욱 그렇습니다.

중간 지점: 부하 인코더가 있는 폐쇄 루프 기어 시스템

직접 구동을 완전히 채택하지 않고도 성능 격차를 메우기 위해 일부 시스템에서는 부하 측에 보조 인코더를 사용하여 완전히 폐쇄 루프 제어 시스템을 형성합니다.

이 구성:

• 실제 하중 위치를 측정하여 백래시와 컴플라이언스를 보상합니다.
• 모터 측 피드백에만 의존하는 것보다 더 정확한 제어가 가능합니다.
• 알고리즘 보정을 통해 기계적 지연을 제거합니다.

하지만 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 시스템 복잡성 증가: 인코더 2개, 추가 배선, 신호 조절.
• 비용이 더 많이 듭니다. 추가 구성 요소, 교정 및 통합이 필요합니다.
• 기계적 문제는 해결되지 않았습니다. 물리적으로는 여전히 반발과 적응이 존재합니다.

이러한 시스템은 직접 구동이 비용이 많이 들 때 효과적이지만, 기어 모터만으로는 필요한 정밀도를 달성하기에 부족합니다.

구성 비교: 기어드 vs. 직접 구동 vs. 폐쇄 루프

항목	기어드 서보 모터	직접 구동 서보 모터	기어 + 부하 인코더 장착형
백래시 (Backlash)	보통 (3–9 아크분)	없음	보정됨 (완전 제거는 아님)
비틀림 강성	낮음 ~ 보통	높음	낮음 ~ 보통
위치 정확도	보통	높음	높음
속도/토크 매칭	우수 (기어박스 통해 조절 가능)	좋음 (권선에 의해 조절)	우수
시스템 복잡성	낮음	중간	높음
유지보수	보통	낮음	높음
비용	낮음 ~ 중간	높음	중간 ~ 높음
최적 적용 분야	일반 산업용	고정밀 작업	개조 시스템 또는 예산 제한 환경

회전 모션 솔루션을 선택할 때의 주요 고려 사항

어떤 회전 모션 제어 기술을 사용할지 결정할 때 엔지니어는 여러 요소를 고려해야 합니다.

• 필요한 정밀도: 1각 이하의 정확도가 중요한가요?
• 부하 관성: 관성이 높은 부하는 견고하고 백래시 없는 시스템에서 이점을 얻습니다.
• 사이클 시간 및 속도: 더 빠른 시스템에는 더 나은 대응과 튜닝이 필요합니다.
• 예산 제약: 기어 모터는 초기 비용 측면에서는 유리하지만 장기 투자 수익률은 그렇지 않습니다.
• 유지 보수 허용 오차: 기어 시스템은 마모되지만 직접 구동 장치는 마모되지 않습니다.
• 설치 공간: 직접 구동 장치는 크기가 커서 기존 설치 공간에 맞지 않을 수 있습니다.

어떤 것이 가장 좋은 선택일까요?

모든 사람에게 맞는 답은 없지만 몇 가지 명확한 지침은 있습니다.

• 정밀성이 그다지 요구되지 않는 일반 산업 자동화 분야에서 기어드 서보 모터는 여전히 견고하고 비용 효율적인 선택입니다. 다양한 기계에 적합한 유연성과 토크 조정 기능을 제공합니다.
• 고성능 애플리케이션, 특히 백래시가 없고, 응답 속도가 빠르며, 분해능이 뛰어난 애플리케이션의 경우 직접 구동 회전 서보 모터가 탁월한 기술로, 시스템 복잡성은 낮추면서도(비용은 더 많이 들지만) 탁월한 모션 제어를 제공합니다.
• 비용에 민감하지만 정확도 향상이 필요한 기존 시스템이나 중간 계층 애플리케이션의 경우, 부하측 피드백을 갖춘 폐쇄 루프 기어 시스템이 실용적인 절충안을 제공할 수 있습니다.

궁극적으로 결정은 애플리케이션의 구체적인 성능 요구 사항, 예산 및 수명 주기 기대치에 달려 있습니다. 기어드 서보 모터는 모션 제어 툴박스에서 여전히 중요한 도구이지만, 모터 설계의 발전으로 특히 정밀도와 응답성이 중요한 애플리케이션에서 더 나은 솔루션이 도입되었습니다.
그렇다면 기어드 서보 모터가 최고일까요? 많은 경우 그렇습니다. 하지만 항상 최고일까요? 아닙니다. 직접 구동 및 폐루프 솔루션은 차세대 자동화를 위한 회전 모션 제어의 가능성을 새롭게 정의하고 있습니다.