모터는 모션 콘트롤에서 가장 핵심적인 위치를 차지한다. 전기 에너지를 기계 에너지로 바꾸어 움직임을 이뤄내는 동력을 제공하는 모터가 바로 모션의 힘과 정밀도를 결정하는 역할을 하기 때문이다. 따라서 효과적인 모션 시스템을 만들기 위해서는 모터를 명확하게 이해하고, 효과적으로 활용할 수 있는 기술에 대해 알아야 한다. 정밀 모션의 대표 기업 PI의 모터 활용법을 엿본다.
■ DC모터·서보모터
서보 모터Servo Motor란, 위치 측정 기능이 있는 DC 모터를 말한다. DC 서보 모터의 이점은 균일한 구동, 낮은 진동, 넓은 속도 범위, 저속에서의 높은 토크, 적은 열 발생, 우수한 역동성 등이며, 이러한 특성에서 최상의 사양을 얻기 위해서는 PID 제어 및 적합한 필터가 있는 모터 컨트롤러가 필요하다.
한편, DC 서보 모터는 최대 12VDC의 구동 전압이 요구된다. 모터의 회전 속도는 전압에 정비례하며, 반복 가능한 위치 제어를 위해서는 추가 측정 시스템이 필요하다.
■ 브러시리스 DC 모터
DC 모터는 정류자를 통하여 전기자 권선에 전류를 공급하는 접점인 브러시Brush가 필요한데, 이러한 브러시를 제거한 모터가 바로 브러시리스 DC 모터BLDC : Brushless DC Motor이다. 브러시와 브러시 홀더가 없기 때문에 기계적 구조가 더 간단하여 유지보수가 용이하며, 내구성도 높다. 나아가 높은 최대 속도 달성과 저소음을 측면에서도 브러시리스 DC 모터가 더 유리하다.
PI는 브러시리스 DC 모터를 사용하여 최적화된 중공 축 또는 높은 토크를 달성한다. 동시에 구동 축이 모터 내부에 위치하는 것과 동일한 변위를 위해 드라이브 트레인을 짧게 만들기도 한다.
■ DC 모터와 스테퍼 모터
DC 모터 드라이브는 우수한 역동성, 적은 열 발생, 높은 분해능, 낮은 진동 등 많은 장점을 가지고 있지만, 앰프 비용이 스테퍼Stepper 모터보다 높다. 그러나 액티브드라이브ActiveDrive 시스템으로 모터 하우징에 펄스폭 변조PWM 서보 앰프를 통합함으로써 성능을 높이면서 비용을 절감할 수 있다. 액티브드라이브는 또한 앰프와 모터 사이의 전력 손실을 제거하여 높은 효율을 얻게 하며, 외부 드라이버와 케이블링이 필요 없기 때문에 작은 크기와 안정성 향상, 적은 소음을 보장한다. 스테퍼 모터는 DC모터와 달리 일정한 간격을 가지고 있기 때문에 위치 센서가 없어도 스텝 수를 사용하여 위치를 명령할 수 있다. 일반적으로 각 회전마다 200~1000개의 스텝이 있으며, 실제로 달성 가능한 스텝 폭은 스테퍼 모터 컨트롤에 의해 결정된다.
PI는 2상 스테퍼 모터를 사용한다. 수명이 길고 부드럽게 작동하기 때문이다. 또 적은 동력과 진공 상태인 애플리케이션에 적합한 이점도 지닌다. 스테퍼 모터에서 주의할 점은 자동 잠금 기능이 없는 경우, 위치를 유지하기 위해 지속적으로 전원을 공급 받아야 한다는 점이다. 이는 스텝 사이의 지터로 인하여 많은 열이 발생할 수 있음을 의미한다.
■ 제어 가능한 스테퍼 모터 스테이지를 위한 SMC 기술
스테퍼 모터의 단점을 보완하기 위한 기술이 바로 시스템 관리 컨트롤러SMC : System Management Controller이다. SMC는 부드러운 주행을 가능하게 해 결과적으로 매우 높은 분해능, 부드러운 이송, 속도와 가속도의 큰 범위를 보장한다. 효율도 높기 때문에 발열도 피할 수 있다. SMC는 나노미터 분해능을 위해 고해상도 앰프를 갖춘 32비트 프로세서를 기반으로 하며, 1μm/s의 균일한 이송 속도를 가진다.
