BLDC·스텝·서보와 전자 정류

BLDC에서 정류자·브러시를 대신하는 것은

직류전동기는 회전하는 전기자 전류의 방향을 정류자와 브러시가 알맞은 순간에 바꿔 주어야 한쪽으로 계속 돌았다. BLDC는 자석을 회전자로, 권선을 고정자로 자리를 뒤집은 다음 이 기계적 정류를 없앴다. 슬라이더로 회전자를 돌리면 그 위치에 맞춰 고정자 코일이 하나씩 차례로 켜지는데, 정류자와 브러시가 하던 일을 이제 무엇이 맡는지가 이 강의 질문이에요.

BLDC는 직류기를 뒤집은 것

직류전동기는 회전하는 전기자 권선의 전류를 정류자와 브러시로 뒤집어 한 방향 토크를 냈다. BLDC는 이 구조를 뒤집어, 자속을 만드는 영구자석을 회전자에 두고 전류가 흐르는 권선을 고정자에 둔다. 그리고 회전자 위치를 홀 센서 같은 센서로 읽어, 인버터가 회전자를 앞으로 미는 쪽의 고정자 권선에만 전류를 보내고 회전자가 돌면 켜는 권선을 차례로 바꿔요. 실제 BLDC는 보통 두 상을 함께 켜고 전기각 60°마다 조합을 바꾸는 6스텝 방식이지만, 그림은 코일 하나만 켜서 줄여 그렸다. 토크-속도 특성은 직류전동기와 닮았고, 브러시가 없어 마모와 불꽃이 사라지며 권선이 바깥 고정자에 있어 열을 빼기도 쉬워요.

스텝 모터는 펄스로 위치를 센다

스텝 모터는 펄스 하나가 들어올 때마다 정해진 스텝 각만큼 회전자가 한 칸 움직인다. 스텝 각은 한 바퀴 360°를 스텝 수로 나눈 값이라, 흔히 쓰는 1.8° 모터는 한 바퀴가 200스텝이에요. 펄스 수를 세면 위치를, 펄스 빈도로 속도를 센서 없이(개루프) 알 수 있으므로 프린터나 CNC처럼 정해진 양만큼 정밀하게 움직여야 하는 곳에 쓴다. 다만 부하가 모터가 낼 수 있는 토크를 넘으면 칸을 놓쳐 위치를 잃는 탈조가 생기고, 개루프에서는 이 어긋남을 되잡을 방법이 없다.

서보는 되먹임으로 다잡는다

서보 모터는 위치와 속도를 엔코더로 재서 그 신호를 제어기에 되먹이고(폐루프), 목표와 실제의 오차를 0으로 좁힌다. 본체로는 흔히 BLDC나 영구자석 동기전동기를 쓰지만, 서보의 핵심은 모터보다 피드백 제어에 있어요. 빠른 응답과 높은 정밀도가 필요한 로봇 관절이나 공작기계에 쓴다. 세 기계를 나란히 놓으면 모두 회전자 위치 정보로 권선 통전을 다스리는 한 가족이고, BLDC는 연속 토크를, 스텝은 이산 위치를, 서보는 폐루프 정밀을 겨눈다는 점만 달라요. 직류기의 정류자에서 시작한 정류라는 생각이 전자회로와 센서를 만나 위치를 다스리는 요즘의 기계로 이어진 셈이다.

첫 화면으로 돌아가서

정류자와 브러시를 대신한 것은 위치 센서와 인버터였다. BLDC는 직류기를 뒤집어 자석을 회전자로, 권선을 고정자로 두고, 회전자 위치에 맞춰 인버터가 알맞은 권선에 전류를 보내는 전자 정류로 기계 접점을 지웠어요. 스텝 모터는 같은 위치 개념을 펄스 한 칸씩의 이산 위치로 바꾸고, 서보는 그 위치를 엔코더로 되먹여 폐루프로 다잡는다. 셋은 회전자 위치로 권선 통전을 다스린다는 한 줄기에서 갈라져 각각 연속 토크, 이산 위치, 폐루프 정밀을 겨누고, 직류기의 정류자에서 출발한 이 과목의 이야기는 전자회로와 센서를 만나 위치를 다스리는 요즘의 기계에 이르러요.

BLDC든 서보든, 회전자 위치에 맞춰 고정자 권선에 알맞은 전류를 보내는 인버터가 심장이다. 그 인버터가 직류를 원하는 크기와 주파수의 교류로 어떻게 바꾸는지, 곧 스위칭과 PWM의 기초가 마지막 유닛의 주제예요. 유도기의 V/f 제어도, 동기기의 가변속도, BLDC의 전자 정류도 모두 같은 인버터 위에서 돌아간다(MC-E2).