BLDC 모터(Brushless DC motor, 브러시리스 직류 모터)는 브러시와 정류자 대신 전자 회로가 코일 전류의 방향을 바꿔 회전시키는 모터입니다. 닳는 브러시가 없어 수명이 길고 효율이 높지만, 회전자 위치를 읽어 전류를 바꿔 주는 전용 드라이버(컨트롤러) 없이는 돌지 않습니다. 배터리에 바로 연결하면 도는 일반 DC 모터와 가장 큰 차이가 여기에 있습니다.
브러시 DC 모터와 무엇이 다른가
일반 브러시 DC 모터는 회전축에 붙은 정류자와 브러시가 맞닿으면서 기계적으로 전류 방향을 바꿉니다. BLDC는 자석을 회전자에, 코일을 고정자에 두고, 드라이버의 전자 스위치가 이 역할을 대신합니다. 모놀리식파워시스템즈(MPS)의 응용 노트 「Brushless DC Motor Fundamentals」(AN047)는 두 모터를 이렇게 비교합니다.
- 효율: BLDC가 높습니다. 브러시 접촉에서 생기는 전압 손실이 없습니다.
- 수명: BLDC가 깁니다. 닳아 없어지는 브러시와 정류자가 없습니다.
- 전기 잡음: BLDC가 적습니다. 브러시에서 튀는 불꽃이 전자파 잡음을 만듭니다.
- 가격: 모터만 보면 브러시 모터가 쌉니다. BLDC는 드라이버 회로 때문에 비싸지지만, 어차피 속도나 위치 제어가 필요한 장치라면 전체 비용은 BLDC가 더 낮을 때가 많다고 노트는 설명합니다.
- 제어: 브러시 모터는 직류 전원만 있으면 돌고, BLDC는 회전자 위치 정보와 PWM으로 구동하는 3상 스위칭 회로가 필요합니다.
그래서 장난감이나 단순 팬처럼 싸고 간단해야 하는 곳에는 브러시 모터가, 드론·로봇 관절·전동 공구·가전처럼 오래 쓰고 정밀하게 돌려야 하는 곳에는 BLDC가 쓰입니다.
드라이버는 회전자 위치를 어떻게 아나
드라이버가 다음에 어느 코일에 전류를 흘릴지 정하려면 자석(회전자)이 지금 어디 있는지 알아야 합니다. 방법은 크게 두 가지입니다.
- 홀 센서 방식: 3상 모터에서는 고정자에 홀 센서 3개를 120도 간격으로 넣습니다. 각 센서는 전기각 60도마다 상태가 바뀌어, 한 바퀴(전기각 360도)를 여섯 구간으로 나눕니다. 정지 상태에서도 위치를 알 수 있어 출발이 확실합니다.
- 센서리스 방식: 센서 없이, 전류가 흐르지 않는 코일에 생기는 역기전력(back-EMF)으로 위치를 추정합니다. 부품과 배선이 줄지만, 마이크로칩 개발자 문서가 설명하듯 낮은 속도에서는 역기전력이 약해 출발과 저속 운전이 어렵습니다.
드론 프로펠러 모터는 출발 후 바로 빨리 돌기 때문에 센서리스가 흔합니다. 정지 상태에서 힘을 내야 하는 로봇 관절은 홀 센서나 엔코더로 위치를 직접 읽습니다.
6스텝 구동과 FOC 구동
전류를 어떻게 바꾸느냐에 따라 회전의 매끄러움이 달라집니다.
- 6스텝(사다리꼴) 구동: 3상 중 두 상에만 전류를 흘리면서 한 주기에 여섯 번 전환합니다. 계산이 단순하지만 전환 순간마다 토크가 출렁입니다(토크 리플).
- FOC(벡터 제어): 회전자 위치를 연속으로 계산해 사인파 모양 전류를 흘립니다. 토크 리플이 작고 응답이 빠르지만 계산량이 많습니다.
선풍기나 드론처럼 빠르게 도는 용도는 6스텝으로도 충분하고, 저속에서 부드럽게 힘을 조절해야 하는 로봇 관절은 FOC를 씁니다. FOC가 전류를 어떻게 토크로 바꾸는지는 FOC 제어 정리에서 자세히 다뤘습니다. 엄밀히는 역기전력이 사다리꼴인 모터를 BLDC, 사인파인 모터를 PMSM(영구자석 동기 모터)으로 나누지만, 시장에서는 둘을 묶어 BLDC라고 부르는 경우가 많습니다.
KV 값은 무엇을 뜻하나
드론·RC용 BLDC 모터 이름에 붙는 ‘920KV’ 같은 숫자는 속도 상수, 즉 무부하에서 전압 1V당 몇 rpm으로 도는지를 뜻합니다. 920KV 모터에 12V를 걸면 무부하 회전수는 약 1만 1,000rpm입니다. 실제로 프로펠러를 달면 이보다 낮아집니다.
KV는 토크와도 묶여 있습니다. 모터 제조사 맥슨의 기술 자료 「maxon Motor Data and Operating Ranges」는 속도 상수(rpm/V)와 토크 상수(mNm/A)가 서로 역수 관계라고 설명합니다. 맥슨 단위로는 두 값을 곱하면 약 9,549가 됩니다. KV가 낮은 모터일수록 같은 전류에서 토크가 크다는 뜻입니다.
- 높은 KV(1,000KV 이상): 작은 프로펠러를 빠르게 돌리는 소형 드론, 고속 팬
- 낮은 KV(수십~수백 KV): 큰 프로펠러, 감속비가 작은 로봇 관절. 휴머노이드와 4족 로봇이 쓰는 QDD 액추에이터는 지름이 넓고 KV가 낮은 모터에 작은 감속기를 붙입니다(QDD 액추에이터 정리).
로봇에서 BLDC를 고를 때 보는 사양
로봇용 모터 사양표에서는 다음 순서로 보면 됩니다.
- 정격 전압: 24V·48V 같은 배터리 전압과 맞는지 봅니다.
- 연속 토크와 순간 최대 토크: 관절이 계속 버텨야 하는 힘은 연속 토크로, 짧게 내는 힘은 최대 토크로 계산합니다. 최대 토크로 오래 돌리면 코일이 과열됩니다.
- KV 또는 토크 상수: 필요한 속도와 토크의 균형을 정합니다.
- 위치 센서: 홀 센서만 있는지, 정밀 엔코더가 달렸는지 확인합니다.
- 형태: 케이스가 있는 일반형인지, 관절 안에 직접 넣는 프레임리스형인지 봅니다(프레임리스 모터 정리).
모터와 감속기, 센서, 드라이버를 한 몸에 묶어 위치 명령만 주면 움직이게 만든 제품이 서보 모터입니다. 로봇 키트에 쓰는 다이나믹셀이나 산업용 AC 서보와 BLDC 단품의 차이는 서보 모터 원리와 종류에 정리했습니다.