BLDC·스텝·서보와 전자 정류

BLDC에서 정류자·브러시를 대신하는 것은

직류전동기는 회전하는 전기자를 정류자와 브러시가 알맞은 순간에 전류 방향을 바꿔 주어야 한쪽으로 계속 돌았다. BLDC는 자석을 회전자로 두고 권선을 고정자로 뒤집은 다음, 이 기계적 정류를 없앴다. 애니메이션에서 회전자 위치에 맞춰 고정자 권선이 차례로 켜지는 모습을 보라. 정류자와 브러시가 하던 일을 무엇이 대신할까.

BLDC는 직류기를 뒤집은 것

직류전동기는 회전하는 전기자 권선을 정류자와 브러시가 정류해 한 방향 토크를 냈다. BLDC는 이 구조를 뒤집는다. 자속을 만드는 영구자석을 회전자에, 전류가 흐르는 권선을 고정자에 둔다. 그리고 회전자 위치를 센서로 읽어, 인버터가 회전자를 앞으로 미는 방향의 고정자 권선에만 전류를 보낸다. 회전자가 돌면 켜는 권선을 차례로 바꿔, 정류자가 하던 정류를 전자적으로 해낸다. 토크-속도 특성은 직류전동기와 닮았지만 브러시가 없어 마모와 불꽃이 사라지고 수명이 길다.

스텝 모터는 펄스로 위치를 센다

스텝 모터는 펄스 하나에 정해진 스텝 각만큼 회전자가 한 칸 움직인다. 스텝 각은 한 바퀴를 스텝 수로 나눈 값, 곧 360°를 스텝 수로 나눈 값이다. 펄스 수를 세면 위치를, 펄스 빈도로 속도를 센서 없이도(개루프) 정확히 안다. 그래서 프린터·CNC처럼 정해진 양만큼 정밀하게 움직여야 하는 곳에 쓴다. 다만 부하가 스텝이 낼 수 있는 토크를 넘으면 한 칸을 놓쳐 위치를 잃는 탈조가 생긴다.

서보는 되먹임으로 다잡는다

서보 모터는 위치와 속도를 엔코더로 재서 그 신호를 제어기로 되먹이고(폐루프), 목표와 실제의 오차를 0으로 좁힌다. 본체로는 흔히 BLDC나 소형 동기기를 쓰지만, 서보의 핵심은 모터가 아니라 피드백 제어다. 빠른 응답과 높은 정밀도가 필요한 로봇 관절·공작기계에 쓴다. 세 기계를 한자리에 놓고 보면 모두 회전자 위치 정보로 권선 통전을 다스리는 한 가족이고, BLDC는 연속 토크를, 스텝은 이산 위치를, 서보는 폐루프 정밀을 겨눈다는 점만 다르다. 직류기의 정류자에서 시작한 정류라는 개념이, 전자회로와 센서를 만나 위치를 다스리는 현대의 기계로 이어진 것이다.

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 지웠다. 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 겨눈다. 직류기의 정류자에서 출발한 이 과목의 이야기가, 전자회로와 센서를 만나 위치를 다스리는 현대의 기계로 닫힌다.

BLDC도 서보도, 회전자 위치에 맞춰 고정자 권선에 알맞은 전류를 보내는 인버터가 심장이다. 그 인버터가 어떻게 직류를 원하는 크기와 주파수의 교류로 바꾸는지, 곧 스위칭과 PWM의 기초가 마지막 유닛의 주제다. 유도기의 V/f 제어, 동기기의 가변속, BLDC의 전자 정류가 모두 같은 인버터 위에서 돌아간다(MC-E2).