임베디드 HW/제어 (센서, 액추에이터)

액추에이터 - 모터 (Motor)

MachineJW 2025. 3. 8. 01:59

1. 자동화의 원동력 모터 (Motor)

 

모터는 대표적인 액추에이터 중 하나로, 산업에서 가장 널리 사용되면서도 제어 기술이 매우 까다로운 편이다.

산업, 자동화, 가전, 이동수단, 로봇 기술, 철도 등 거의 모든 기계 시스템에서 핵심적인 역할을 담당하는 필수요소로 자리잡고 있다. 모터는 단순한 회전 장치를 넘어서 현대 산업과 기술 발전을 가능하게 한다.

스마트 팩토리에서는 다양한 형태의 모터가 사용되며, 정확한 속도, 방향, 토크 제어가 필수적이다. 모터 없이 공장의 컨베이어가 움직일 수 없고 로봇또한 동작할 수 없으며, 기계 장비가 가공을 수행할 수도 없다.

모터는 단순한 부품이 아니라, 현대 문명을 움직이는 핵심 기술이며, 지속적인 연구와 개선이 필요한 필수적인 요소이다.

특히 산업용 임베디드 시스템(Embedded System)에서도 다양한 유형의 모터를 제어하기 위해 전용 컨트롤러가 사용된다. 그렇다면, 왜 모터 제어는 PLC와 별도로 ‘인버터(VFD, Variable Frequency Drive)’ 같은 전용 장치가 필요할 정도로 복잡할까? 그 이유는 모터 제어가 단순한 ON/OFF 스위칭이 아니라, 전기 신호를 물리적인 회전 운동으로 변환하면서도 속도, 방향, 토크 등을 정밀하게 조절해야 하기 때문이다. 이를 위해서는 전력 변환, 센서 피드백, 부하 변화 대응, 실시간 제어 알고리즘 등 전자적·기계적 요소를 동시에 고려해야 한다.

"모터는 단순한 기계가 아니다. 그것은 전류가 흐를 때 생명을 얻고, 회전할 때 꿈을 이루며, 속도를 조절하며 정밀함을 선사하는, 산업과 기술의 심장이다."
"한 바퀴의 회전은 단순한 움직임이 아니다. 그것은 미래를 향한 도약이며, 혁신을 향한 박동이며, 멈추지 않는 열정의 증거다."
"전기의 숨결을 머금고, 자기장의 손길에 이끌려, 무한한 가능성을 향해 도는 바퀴. 그 속에 인류의 발전이 숨 쉬고 있다."

2. 제어 매커니즘

AC 모터와 DC 모터의 동작 원리 (나무위키)

  • 우선 모터의 기본적인 동작 원리는 전자기장과 전류의 상호작용에 기반한다.
  • AC 모터, BLDC 모터는 삼상 전류의 위상과 자기장을 정밀하게 동기화 해야한다.
  • 고속 회전에서는 자기장의 변화가 빠르기 때문에 실시간적인 제어가 필요하다.
  • 속도, 토크, 위치를 정밀하게 제어하기 위해 피드백 센서 (홀 센서, 인코더 등)을 사용하기도 한다.
  • 센서가 없으면 역기전력 Back-EMF로 속도를 추정해야한다. (복잡한 알고리즘이 필요...)

모터를 직접 구동하는 전력 변환 회로 (MOSFET, IGBT, 인버터 등)가 필요하다.  또한 전압, 전류 주파수를 가변적으로 조절하는 회로가 포함된다.

3. 모터 종류별 제어 특징

(1) DC 모터 (Brushed / Brushless )

DC 모터의 대표적인 2가지 종류 (브러시드, 브러시리스) 나무위키

제어 방식 설명 활용
PWM 속도 제어 듀티 사이클을 변경하여 평균 전압을 조절 완구, 팬 모터
H-브리지 방향 제어 전류 흐름을 바꿔 회전 방향 변경 전동차, 로봇
PID 속도/토크 제어 피드백을 활용한 정밀 속도 조절 서보 모터
  • DC 모터 중에서 BLDC라 불리는 브러시리스 모터는 엄청나게 많이 사용되고 있다. 특히 제어를 위해서 별도의 드라이브가 필요하다는 점을 역으로 활용해서 일반 AC 모터나 브러시드 모터가 못하는 정밀한 구동력이 필요한 분야 (엘레베이터, 가전제품 등)에서 많이 쓰인다.

(2) AC 모터 (유도, 동기)

인버터라 불리는 장치들은 대표적인 VFD이다. 보통 PLC와 사용할 때는 통신을 사용하거나 아날로그 입/출력으로 상호작용한다.
FOC 제어를 나타내는 도식도 이미지. 매우 복잡하다. PWM 신호를 기반으로 하는 듯 하다.

 

제어 방식 설명 활용
V/F 제어 (가변 주파수 제어) 전압과 주파수를 일정 비율로 변경 컨베이어, 공조 시스템
벡터 제어 (FOC, Field-Oriented Control) 전류 벡터를 최적화하여 고성능 제어 CNC, 로봇, 전기차
서보 제어 위치, 속도, 토크를 정밀 제어 로봇, 정밀 기계

 

  • 유도 모터는 기본적으로 속도 제어가 어렵기 때문에, V/F 인버터(VFD)를 사용하여 주파수를 조절한다.
  • FOC(벡터 제어)는 삼상 전류 벡터를 최적화하여, 고효율, 고응답 속도 제어를 가능하게 한다.
  • 서보 모터는 위치 피드백(인코더)을 기반으로 초정밀 제어가 가능하다.

(3) 특수 모터 (서보, 스테퍼)

서보 모터, 스테퍼 모터, 리니어 모터

제어 방식 설명 활용
서보 모터 PID 제어, FOC 위치/속도 정밀 제어
스테퍼 모터 펄스 입력(Open-loop) 정해진 각도로 회전
리니어 모터 FOC, 전류 제어 직선 운동
  • 서보 모터: 위치/속도를 정밀하게 제어하며, 폐쇄 루프 피드백을 사용함.
  • 스테퍼 모터: 정해진 각도로 회전하며, 개방 루프(Open-loop) 방식이지만 위치 오차 보정 가능.
  • 리니어 모터: 회전 운동이 아닌 직선 운동을 직접 수행함.

4. 세상에 모터라는 액추에이터가 없다면 어떻게 될까?

모터라는 액추에이터가 없다면 산업과 일상생활은 상상하기 어려울 정도로 불편하고 비효율적이 될 것이다.

모터는 우리가 사용하는 거의 모든 기계와 전자기기에 필수적인 요소이며, 없어진다면 현대 문명 자체가 크게 후퇴할 것,

(1) 제조업 및 생산 공정의 붕괴

  • 공장에서 컨베이어 벨트, CNC 기계, 로봇 암 등이 동작하지 않음 → 대량 생산 불가능
  • 자동화 설비가 작동하지 않음 → 모든 작업이 수작업으로 이루어져 생산성이 급감
  • 반도체 제조, 자동차 조립, 식품 가공 등 모든 제조업이 중단

(2) 운송 및 물류 마비

  • 전기차, 내연기관차, 기차, 선박, 항공기 등 모든 운송수단의 엔진(모터 기반) 작동 불가
  • 엘리베이터, 에스컬레이터, 전동휠체어 등 이동 편의 기기 사용 불가
  • 컨테이너 크레인, 자동 창고 시스템 등이 멈춰 글로벌 물류망 붕괴

(3) 발전 및 에너지 관리 불가능

  • 풍력 발전기, 수력 발전기(터빈 구동) 작동 불가
  • 발전소 내부의 냉각 시스템 및 터빈 제어 불가 → 전력 생산 감소
  • 송전 및 배전 시스템 내 전동기 기반 장비(예: 변압기 냉각 팬) 작동 불가

(4) 가전제품 사용 불가

  • 냉장고, 세탁기, 에어컨, 청소기 등 대부분의 가전제품이 작동하지 않음
  • 믹서기, 전동 칫솔, 헤어 드라이어 등 소형 전자기기도 사용 불가
  • 전동 공구(드릴, 톱 등) 사용이 불가능해 건축·수리 작업이 어려워짐

(5) 디지털 기기 및 IT 인프라 붕괴

  • 하드디스크(HDD), 팬(FAN)이 멈춰 서버, PC, 스마트폰 등이 제대로 동작하지 않음
  • 데이터 센터 냉각 시스템 붕괴로 인터넷 서비스 중단 가능성
  • 로봇청소기, 전동킥보드, 드론 등 신기술 기반 기기 무용지물

(6) 도시 기반 시설 정지

  • 지하철, 전철 등 대중교통이 멈추고, 신호등도 작동 불가
  • 수도 공급 시스템에서 모터 기반 펌프가 정지 → 물 공급 불가능
  • 병원의 MRI, X-ray 기기 등 의료 장비 작동 불가 → 의료 서비스 마비

결론

모터는 현대 산업과 일상에서 필수적인 핵심 기술로 자리잡고 있음.

만약 모터가 존재하지 않는다면 산업혁명 이후의 모든 기술적 진보가 이루어지지 못했을 것이며, 인류의 생활 수준도 대폭 낮아졌을 것이다.  결국, 모터는 인류가 편리하고 효율적으로 살아가는 데 없어서는 안 될 필수적인 기술이라고 할 수있으며 모터 제어분야는 지속적으로 발전되야할 기술이다.