[로봇 하드웨어 02] - 액추에이터 (1): BLDC 모터

Physical AI 관점에서 본 다관절 로봇 하드웨어 - BLDC 모터

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액추에이터란 무엇인가?

액추에이터(Actuator)는 로봇을 실제로 움직이게 만드는 구동 부품입니다. 센서가 환경을 인지하고 제어기가 판단을 내린다면, 액추에이터는 그 신호를 물리적인 힘과 운동으로 바꾸는 역할을 합니다.

사전적 정의와 로봇 하드웨어의 차이

사전적인 의미로 액추에이터는 “시스템에 물리적 움직임을 발생시키는 장치”를 통칭합니다. 이 정의에 따르면 다음의 요소들이 모두 포함됩니다.

유압 및 공압 실린더
피에조 소자
감속기가 없는 순수 전기 모터

즉, 사전적으로는 모터 단품만 있어도 액추에이터라고 부를 수 있습니다. 하지만 로봇 하드웨어의 문맥에서 통용되는 의미는 이와 조금 다릅니다.

로봇에서의 액추에이터: 모터와 감속기의 결합

다관절 로봇, 특히 매니퓰레이터나 보행 로봇에서는 모터 단독으로 관절을 직접 구동하는 경우가 드뭅니다. 대부분의 전기 모터는 고속 회전에 특화되어 있어, 감속기(Reducer)를 통해 속도를 줄이고 토크를 증폭시켜야만 로봇 관절을 지탱할 수 있기 때문입니다.

다관절 로봇에서 액추에이터는 좁게는 모터와 감속기의 조합을 뜻하지만, 실제 제품이나 시스템에서는 엔코더, 베어링, 모터 드라이버, 온도 센서와 제동 장치까지 통합한 관절 구동 모듈을 가리키기도 합니다.

왜 이 구분이 중요한가?

이 조합 방식이 곧 로봇의 출력 임피던스(Output Impedance), 역구동성(Backdrivability), 그리고 제어 대역폭(Control Bandwidth)을 크게 좌우하기 때문입니다.

같은 제어 알고리즘을 사용하더라도, 모터와 감속기가 어떻게 구성되느냐에 따라 로봇의 움직임과 접촉 반응은 크게 달라집니다. 특히 감속기 마찰과 모터·감속기의 반사 관성은 관절에서 보이는 기계적 임피던스와 역구동성에 직접 영향을 줍니다.

물론 로봇 분야에는 공압식이나 소프트 액추에이터 등 다양한 방식이 존재하지만, 본 시리즈에서는 가장 보편적인 전기 모터 기반의 액추에이터에 집중하려 합니다.

감속기의 복잡한 세계는 다음 포스트에서 다루기로 하고, 이번 글에서는 로봇 구동의 심장인 모터(Motor)가 어떤 구조와 특성을 가지는지 먼저 살펴보겠습니다.

모터란 무엇인가: 제어 가능한 토크의 원천

로봇 하드웨어를 논할 때 흔히 “이 모터 성능이 얼마나 좋은가?”라는 질문을 던집니다.

일반적인 기계라면 ‘최대 출력’이나 ‘최대 회전수’가 기준이겠지만, 로봇 공학의 관점에서는 조금 다릅니다. 여기서 “좋은 모터”란 단순히 큰 힘을 내는 모터가 아니라, “얼마나 예측 가능하고, 빠르고, 일관되게 힘을 낼 수 있는가”를 의미합니다.

즉, 로봇 액추에이터의 관점에서 모터는 단순히 ‘회전하는 부품’이 아닙니다. 전류(Current)라는 입력값을 받아, 원하는 시점에 원하는 만큼의 토크(Torque)를 생성하는 ‘제어 가능한 힘의 원천’으로 다뤄집니다.

구동 원리: 자석과 코일의 상호작용

모터는 기본적으로 전기 에너지를 기계적인 회전 운동으로 바꾸는 장치입니다. 그 내부에는 두 가지 핵심 요소가 존재합니다.

영구자석 (Permanent Magnet): 고정된 자기장을 형성합니다.
코일 (Coil): 전류가 흐를 때 전자석이 되어 또 다른 자기장을 만듭니다.

원리는 간단합니다. 고정된 영구자석 사이에 있는 코일에 전류를 흘려보내면, 앙페르의 법칙에 의해 코일 주변에 자기장이 생성됩니다. 이 ‘전류가 만든 자기장’과 ‘영구자석의 자기장’이 서로 밀어내거나 당기는 힘(로렌츠 힘, Lorentz Force)이 발생하고, 이 힘이 회전축을 중심으로 작용하여 토크(Torque)를 만들어냅니다.

이때 힘의 크기와 방향은 전류의 세기와 방향에 의해 결정됩니다. 즉, 우리가 코일에 흘려보내는 전류를 조절함으로써, 모터가 내는 토크를 정밀하게 제어할 수 있게 되는 것입니다.

BLDC 모터의 작동 원리 [1]

BLDC와 PMSM: 이름과 실제 구조

모터에는 스텝 모터, 유도 전동기 등 여러 종류가 있지만, 고성능 다관절 로봇의 액추에이터로는 브러시가 없는 3상 영구자석 모터가 사실상의 표준으로 자리 잡았습니다. 부품 시장과 로봇 업계에서는 이러한 모터를 관용적으로 BLDC(Brushless DC) 모터라고 부르는 경우가 많습니다.

엄밀히 말하면 PMSM

BLDC라는 이름 때문에 모터 내부에 직류가 계속 흐른다고 생각하기 쉽지만, 실제 동작은 다릅니다. 배터리나 전원 장치가 공급한 DC 전압은 인버터를 거쳐 시간에 따라 크기와 방향이 변하는 3상 전류로 변환됩니다. 이 전류가 스테이터에 회전 자기장을 만들고, 영구자석 로터가 그 자기장과 동기되어 회전합니다.

따라서 전동기의 구조와 동작 원리를 기준으로 보면, 로봇에서 BLDC라고 부르는 모터는 엄밀히 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor, 영구자석 동기모터) 계열입니다 [6, 7]. 여기서 BLDC의 ‘DC’는 모터 권선에 직류만 흐른다는 의미라기보다, DC 전원과 전자식 정류를 사용해 브러시드 DC 모터를 대체한 계보를 나타내는 이름에 가깝습니다.

다만 좁은 의미에서는 두 용어를 구분하기도 합니다.

BLDC: 사다리꼴에 가까운 역기전력(Back-EMF)을 가지며 6-step 또는 블록 정류에 맞게 설계된 모터
PMSM: 정현파에 가까운 역기전력을 가지며 정현파 전류 제어에 맞게 설계된 모터

하지만 실제 모터의 역기전력은 두 형태의 중간인 경우가 많고, BLDC로 판매되는 모터도 정현파 전류나 FOC로 구동할 수 있습니다. 따라서 모터의 전자기적 설계와 인버터의 구동 방식은 구분해서 보는 것이 정확합니다.

로봇 관절에서는 대부분 FOC로 구동한다

특히 매니퓰레이터와 보행 로봇처럼 정밀한 토크 제어가 필요한 고성능 다관절 로봇에서는, BLDC라는 이름으로 판매되는 모터도 대부분 엔코더와 3상 인버터를 이용한 FOC(Field-Oriented Control, 자속 기준 제어) 방식으로 구동합니다.

FOC는 로터의 전기각을 기준으로 3상 전류를 자속 성분인 $i_d$와 토크 성분인 $i_q$로 변환해 각각 제어합니다. 이를 통해 토크 리플과 진동을 줄이고, 모터가 만드는 토크를 빠르고 일관되게 제어할 수 있습니다.

표면부착형 영구자석 모터(SPMSM)의 일반적인 운전 영역에서는 $i_d$를 0에 가깝게 유지하고 $i_q$를 조절해 토크를 제어합니다. 따라서 이 조건에서 로봇 관절의 토크 제어는 실질적으로 $i_q$ 전류를 빠르고 정확하게 추종시키는 과정으로 이해할 수 있습니다. 다만 살리언시가 있는 매입형 영구자석 모터(IPMSM)에서는 릴럭턴스 토크가 추가되므로 MTPA(Maximum Torque per Ampere) 운전에서 $i_d$도 토크 생성에 관여합니다. 또한 역기전력이 커지는 고속 영역에서는 음의 $i_d$를 사용하는 약계자 제어(Field Weakening)가 적용될 수 있습니다 [8].

중요한 점은 FOC가 모터의 종류를 바꾸는 것은 아니라는 것입니다. FOC는 구동·제어 방식이고, BLDC와 PMSM은 모터의 구조 및 역기전력 특성을 설명하는 명칭입니다. 이 글에서는 시장에서 널리 쓰이는 명칭에 따라 ‘BLDC 모터’라고 부르되, 엄밀히는 인버터로 구동되는 3상 영구자석 동기모터이며, 로봇 관절에서는 주로 FOC로 제어된다는 관점에서 설명합니다.

구조와 작동 원리: 브러시를 없애고 전자 제어를 더하다

기존의 브러시드 DC 모터는 회전하는 코일에 전류를 공급하고 전류 방향을 바꾸기 위해 물리적인 브러시와 정류자가 필요합니다. 반면 이 글에서 다루는 BLDC/PMSM은 스테이터(Stator, 고정자)에 코일을, 로터(Rotor, 회전자)에 영구자석을 배치하고, 기계식 정류자 대신 인버터가 전류의 방향과 크기를 전자적으로 제어합니다.

핵심은 ‘전류의 분배’입니다. 브러시와 정류자가 하던 역할을 제어기와 인버터가 대신합니다. 스테이터에 배치된 여러 상(Phase)의 코일에 전류를 시간적으로 정밀하게 분배하여 회전하는 자기장(Rotating Magnetic Field)을 만들고, 로터의 영구자석은 이 자기장과 동기되어 회전합니다.

왜 브러시리스 영구자석 모터인가?

이러한 구조적 차이는 로봇 제어에 있어 결정적인 이점을 제공합니다.

높은 효율과 내구성: 물리적으로 마찰을 일으키는 브러시가 없기 때문에 마찰 손실이 적고, 브러시 마모로 인한 유지보수가 필요 없습니다.
높은 출력 밀도와 방열성: 손실이 집중되는 스테이터 권선이 고정되어 있어 하우징으로 열을 전달하기 쉽고, 영구자석 로터에는 별도의 여자 전류가 필요하지 않습니다.
정밀한 토크 제어: 인버터와 전류 센서를 이용해 각 상의 전류를 빠르게 조절할 수 있으므로, 로봇 관절에 필요한 고대역폭 토크 제어가 가능합니다.

영구자석 동기모터의 구조: Inner vs Outer Runner

이 글에서 다루는 BLDC/PMSM의 내부는 크게 스테이터(Stator)와 로터(Rotor)로 구분됩니다.

스테이터 (Stator, 고정자): 말 그대로 정지된 구조물입니다. 코일이 감겨 있어 전류가 흐르면 시간에 따라 회전하는 자기장을 만들어냅니다. 모터 제어의 핵심인 ‘전류 분배’가 일어나는 곳입니다.
로터 (Rotor, 회전자): 회전하는 구조물입니다. 영구자석이 부착되어 있어, 스테이터가 만든 자기장을 따라 에너지가 가장 낮은 방향으로 정렬하려는 힘(인력/척력)을 받아 회전합니다.

이때, “로터가 스테이터의 안쪽에 있느냐, 바깥쪽에 있느냐”에 따라 모터의 특성이 달라집니다.

다만 아래 비교는 자속 밀도, 전류 밀도, 극수, 적층 길이, 권선과 냉각 방식 등 다른 설계 조건이 유사하다는 가정에서 나타나는 일반적인 경향입니다. 실제 성능은 단순히 로터가 안쪽인지 바깥쪽인지 하나만으로 결정되지 않습니다.

BLDC 모터의 종류 [2]

1) Inner Runner (내전형)

로터가 중심부에 있고, 스테이터가 이를 감싸는 구조입니다.

특징:

작은 회전 관성: 회전체(로터)의 지름이 작아 관성 모멘트가 낮습니다. 덕분에 가속과 감속이 빠릅니다.
고속 회전 유리: 구조적으로 안정적이라 수천~수만 RPM의 고속 회전에 적합합니다.
상대적으로 작은 토크 반경: 동일한 외경의 외전형과 비교하면 공극 반경이 작아질 수 있습니다. 실제 토크는 자속, 권선과 활성 길이 등의 영향을 함께 받습니다.

활용: 이 모터는 “고속 회전 + 높은 감속비” 조합에 자주 사용됩니다. 모터 자체는 작고 빠르게 돌리면서, 높은 기어비를 가진 감속기(Harmonic Drive 등)를 통해 관절 토크를 증폭하는 방식입니다. 따라서 높은 위치 정밀도와 컴팩트한 관절이 요구되는 산업용 로봇 팔이나 협동 로봇(Cobot)의 대표적인 적용 방식 중 하나입니다.

2) Outer Runner (외전형)

로터가 바깥쪽에 있고, 스테이터가 안쪽에 위치한 구조입니다.

특징:

큰 토크 반경: 공극(Air gap)의 반지름을 크게 구성하기 쉬워, 다른 설계 조건이 유사할 때 더 큰 토크를 만드는 데 유리합니다.
단순한 구조: 코일을 감을 공간이 넉넉하고, 다극(Multi-pole) 설계에 유리합니다.
큰 회전 관성: 회전체가 크고 무거워 고속 회전보다는 저속-고토크 구동에 유리합니다.

활용: 이 모터는 “저속 고토크 + 낮은 감속비(혹은 직구동)” 조합에서 빛을 발합니다. 감속비를 낮추면 모터의 반사 관성과 감속기 마찰을 줄일 수 있어 역구동성(Backdrivability)을 확보하는 데 유리합니다. 그러나 낮은 감속비만으로 역구동성이 자동으로 보장되는 것은 아닙니다. 모터 코깅, 베어링과 실링의 마찰, 감속기 효율과 제어 방식도 함께 작용합니다. 이러한 특성 때문에 외전형 모터와 저감속기를 결합하는 방식은 동적 제어가 중요한 보행 로봇의 QDD 액추에이터에 사용되는 대표적인 구성 중 하나입니다.

RC 모터의 네이밍과 형상

드론용 outrunner 모터에서는 모델명의 네 자리 숫자로 스테이터의 직경(Diameter)과 적층 높이(Stack Length)를 나타내는 관행이 자주 사용됩니다.

보통 4자리 숫자로 표기되는데, 규칙은 다음과 같습니다.

앞의 두 자리: 모터 스테이터의 직경 (mm)
뒤의 두 자리: 모터 스테이터의 높이 (mm)

예를 들어 3305는 보통 직경 33 mm, 적층 높이 5 mm의 스테이터를 의미합니다. 다만 이는 모든 로봇용·산업용·frameless 모터 제조사가 따르는 국제 표준이 아닙니다. 제조사와 제품군에 따라 외경, 프레임 크기, 권선 또는 단순한 시리즈 번호를 사용하므로 실제 치수는 반드시 해당 제조사의 도면과 데이터시트에서 확인해야 합니다. 실제로 한 제조사의 제품군 안에서도 AT2308, U8, U10처럼 서로 다른 명명 체계가 함께 사용됩니다 [11].

이 수치들이 중요한 이유는 “모터의 외관 치수가 곧 모터의 성능 특성(Torque vs Speed)을 결정짓는 핵심 변수”이기 때문입니다.

MIT Mini Cheetah 에 사용된 Outrunner 팬케이크 모터 [3]

지름 (Diameter): 토크의 크기

물리적으로 토크는 $\tau = F \times r$ (힘 $\times$ 반지름)이며, 전류와의 관계는 가장 간단하게 $\tau \approx K_t I_q$로 나타낼 수 있습니다. 공극의 전자기적 전단응력과 다른 설계 조건이 유사하다면, 공극 반경이 큰 모터는 더 큰 토크를 만들기 유리합니다. 다만 실제 토크 상수 $K_t$는 반경뿐 아니라 자속 밀도, 권선 수, 극수, 적층 길이와 전류 밀도의 영향을 함께 받습니다.

따라서 저속·고토크 구동이 필요한 경우 지름이 큰 모터가 유리합니다. 이 특성을 극대화한 것이 바로 팬케이크(Pancake) 모터입니다. 지름은 매우 크고 높이는 얇은 이 모터들은, 축 방향 공간을 절약하면서도 강력한 순간 토크를 낼 수 있어 로봇 다리 관절이나 짐벌 등에 자주 사용됩니다.

높이 (Height): 연속 출력과 발열

모터의 적층 높이(활성 길이)는 토크 용량과 발열 특성에 영향을 주는 설계 변수입니다.

모터가 길어지면:

자속 경로 확보: 마그넷과 코일이 상호작용하는 면적이 넓어져 토크 상수($K_t$)가 커집니다.
열 용량 증가 경향: 모터의 활성 재료와 질량이 늘어나면 열용량도 커지는 경향이 있습니다.

그러나 적층 높이만으로 연속 토크를 판단할 수는 없습니다. 권선에서 하우징으로 이어지는 냉각 경로, 하우징 체결 조건, 방열판과 주변 온도에 따라 허용 연속 전류와 토크가 크게 달라집니다 [9].

BLDC 모터의 물리: 전압, 전류, 그리고 역기전력

흔히 “모터를 켠다”고 말하지만, 엔지니어의 관점에서 이는 자기장의 크기와 방향을 제어한다는 뜻입니다. 그리고 이 과정에서 전압(Voltage)과 전류(Current)는 서로 다른 역할을 수행합니다.

전류(Current)는 토크(Torque)다

자기포화와 살리언시 효과를 무시할 수 있는 일반적인 운전 영역에서 토크는 다음과 같이 근사할 수 있습니다.

\[\tau \approx K_t I_q\]

여기서 $K_t$는 토크 상수, $I_q$는 토크를 만드는 q축 전류입니다. 따라서 앞서 설명한 SPMSM의 $i_d \approx 0$ 운전에서는 모터 토크가 $i_q$에 거의 비례합니다.

전압, 전류와 역기전력

모터 한 상의 전기적 거동은 다음 식으로 단순화할 수 있습니다 [10].

\[v = Ri + L\frac{di}{dt} + K_e\omega\]

$Ri$: 권선 저항을 극복하는 전압
$L\,di/dt$: 전류를 빠르게 변화시키는 데 필요한 전압
$K_e\omega$: 회전에 의해 발생하는 역기전력

전류는 토크를 결정하지만, 전압은 그 전류를 얼마나 빠르게 형성할 수 있는지와 고속에서 얼마만큼 유지할 수 있는지를 제한합니다. 모터가 회전하면 코일에는 인가 전압에 반대되는 역기전력(Back-EMF)이 생기며, 그 크기는 $E = K_e\omega$로 속도에 비례합니다.

저속 회전 시: 역기전력이 작아 배터리 전압의 대부분을 전류를 밀어 넣는 데 쓸 수 있습니다. (높은 토크 가능)
고속 회전 시: 역기전력이 커져서 실제 코일에 걸리는 유효 전압(Effective Voltage)이 줄어듭니다.

속도가 증가해 역기전력이 DC bus 전압에 가까워지면 전류 제어에 사용할 수 있는 전압 여유가 줄어듭니다. 이 경계가 기저 속도(Base Speed)이며, 그 이후에는 일반적으로 토크를 낮춰 정출력(Constant-power) 영역으로 운전하거나 약계자 제어를 사용해 속도를 더 높입니다.

발전기로서의 모터: 반대로 외력에 의해 모터가 강제로 회전할 때도 Back-EMF가 발생합니다. 이때 모터 단자가 연결되어 있다면(Closed Circuit), 모터는 발전기가 되어 전류를 생성하고 저항감을 만듭니다. 이 원리는 로봇의 댐핑(Damping) 제어나 회생 제동에 활용됩니다.

모터 데이터시트에서 확인할 값

로봇용 모터를 선정할 때는 외형이나 peak torque 하나가 아니라 다음 값을 함께 확인해야 합니다.

토크 상수 $K_t$
속도 상수 $K_v$ 또는 역기전력 상수 $K_e$
상 저항 $R$과 상 인덕턴스 $L$
연속 전류와 피크 전류
연속 토크와 피크 토크
로터 관성
극쌍 수
최대 회전 속도
권선–하우징 및 하우징–주변 열저항
권선 및 모터 열 시정수
최대 권선 온도와 자석 허용 온도

핵심 관계는 다음 네 식으로 묶어 볼 수 있습니다.

\[\tau \approx K_t I_q,\qquad E = K_e\omega\] \[P_{\mathrm{copper}} \approx I^2R,\qquad P_{\mathrm{mechanical}} = \tau\omega\]

데이터시트마다 전류와 전압을 상(phase) 기준 또는 선간(line-to-line) 기준으로 표기하며 RMS와 peak 정의도 다를 수 있습니다. 따라서 수치를 비교하거나 제어기에 입력하기 전에 각 항목의 기준을 반드시 확인해야 합니다. 실제 제조사 데이터시트는 토크·속도 상수뿐 아니라 저항, 인덕턴스, 로터 관성, 열저항과 열 시정수를 별도 항목으로 제공합니다 [9].

발열: 모터 성능의 진짜 한계

Peak torque는 짧은 시간 동안만 허용되는 간헐 운전 성능입니다. 허용 지속 시간은 모터의 권선 열 시정수, 초기 온도, 냉각 조건, 드라이버의 전류 제한과 반복 듀티에 따라 달라지므로 숫자 하나만으로 실제 작업 성능을 판단해서는 안 됩니다.

전류에 의한 열 손실 [4]

모터의 속도와 토크 [4]

모터가 뜨거워지면 단순히 화상을 입는 문제가 아니라, 물리적 특성이 변해버립니다.

저항 증가: 구리 코일의 온도가 오르면 저항($R$)이 커져 더 많은 전압이 필요해집니다.
가역적인 자속 감소: 정상 허용 온도 범위에서도 영구자석의 자속은 온도가 오르면 가역적으로 감소할 수 있습니다.
비가역적 감자 위험: 자석의 허용 온도를 넘거나 강한 역자계에 노출되면 식은 뒤에도 자속이 회복되지 않을 수 있습니다.
절연 열화: 높은 권선 온도가 반복되면 절연재의 수명과 신뢰성이 낮아집니다.

이 현상은 서서히 일어나기 때문에 짧은 실험에서는 간과하기 쉽습니다. 하지만 장시간 구동 시 제어 성능이 틀어지거나 모터가 타버리는 주원인이 됩니다.

따라서 stall torque, peak torque와 연속 토크를 구분해야 합니다. 연속 토크(Continuous Torque / Rated Torque)는 지정된 주변 온도, 장착 및 냉각 조건에서 권선 온도가 허용 한계를 넘지 않고 지속적으로 낼 수 있는 토크입니다. 실제 로봇의 반복 동작에서는 연속 운전점뿐 아니라 작업 주기 전체의 RMS 토크와 피크 지속 시간도 함께 검토해야 합니다.

다음 포스트 : [로봇 하드웨어 03] - 액추에이터(2): 감속기

References

[1] https://docs.espressif.com/projects/esp-iot-solution/en/release-v2.0/motor/bldc/bldc_overview.html

[2] https://www.gian-transmission.com/a-comprehensive-guide-to-brushless-dc-motor/

[3] https://www.semanticscholar.org/paper/A-low-cost-modular-actuator-for-dynamic-robots-Katz/80732f8a46655aa4a1037a7fbdc154f4ceb33c50

[4] https://things-in-motion.blogspot.com/2019/05/understanding-bldc-pmsm-electric-motors.html

[5] https://www.kebamerica.com/blog/how-a-3-phase-ac-induction-motor-works/

[6] https://www.microchip.com/en-us/solutions/technologies/motor-control-and-drive/motor-control-algorithms

[7] https://www.st.com/en/applications/industrial-motor-control/pmsm-bldc-motor-control.html

[8] https://software-dl.ti.com/msp430/esd/MSPM0-SDK/latest/docs/english/middleware/motor_control_pmsm_sensorless_foc/doc_guide/doc_guide-srcs/MSPM0_Sensorless_FOC_Software_Users_Guide.html

[9] https://www.maxongroup.com/medias/sys_master/root/9414557433886/EC-frameless-DT-65-M-EN-05-2025.pdf

[10] https://developerhelp.microchip.com/xwiki/bin/view/applications/motors/control-algorithms/bldc/position/

[11] https://store.tmotor.com/product/at2308-long-shaft-fixed-wing-motor.html, https://store.tmotor.com/product/u8-lite-u-efficiency-kv150.html, https://store.tmotor.com/product/u10-2-u-efficiency.html