서보 모터는 지금 축이 어디에 있는지 센서로 확인하면서, 명령받은 위치(각도)·속도·토크에 맞을 때까지 모터 출력을 고치는 모터입니다. 그냥 전기를 넣으면 계속 도는 일반 모터와 달리 ‘목표값과 실제값을 비교하는 피드백’이 들어 있다는 점이 핵심입니다.
같은 ‘서보’라는 이름 아래 크기와 쓰임이 전혀 다른 세 부류가 있습니다. 아두이노 키트에 들어 있는 9g짜리 RC 서보, 교육·연구용 로봇 팔에 쓰는 스마트 서보, 공장 자동화 설비와 산업용 로봇에 들어가는 AC 서보 시스템입니다. 검색해서 찾은 자료가 어느 쪽 이야기인지부터 구분하면 사양표가 훨씬 쉽게 읽힙니다.
서보는 네 부품이 한 바퀴를 돈다
- 명령: 컨트롤러가 “60도로 가라”, “초당 몇 회전으로 돌아라” 같은 목표값을 보냅니다.
- 센서: 축 위치를 잽니다. 값싼 RC 서보는 가변저항(포텐셔미터), 로봇·산업용은 엔코더를 씁니다.
- 제어기: 목표와 현재 위치의 차이로 얼마나 세게 돌릴지 계산합니다. 대부분 PID 제어(차이·누적 차이·변화 속도를 함께 보는 방식)입니다.
- 모터와 구동부: 계산된 만큼 전류를 넣어 축을 돌리고, 센서가 다시 위치를 잽니다.
이 순환이 1초에 수백~수천 번 돌면서 외력이 들어와도 원래 위치로 버팁니다. 로봇 관절이 자세를 유지하는 것도 같은 원리입니다.
세 부류는 무엇이 다른가
- 취미용 RC 서보(예: SG90): SG90 데이터시트 기준 무게 9g, 4.8V에서 정지 토크 1.8kgf·cm, 60도 도는 데 0.1초입니다. 움직이는 범위는 약 180도이고, 펄스 폭으로 각도를 정합니다(약 1.5ms가 가운데, 1~2ms 안팎이 양 끝). 위치 피드백은 서보 안에서만 쓰이고, 마이컴은 지금 실제 각도가 몇 도인지 읽을 수 없습니다. 같은 이름의 호환품이 많아 판매처마다 토크 수치가 다르게 적혀 있기도 합니다.
- 로봇용 스마트 서보(예: 로보티즈 다이나믹셀 XM430-W350): 공식 e-매뉴얼 기준 82g, 기어비 353.5:1, 12V에서 정지 토크 4.1N·m(약 41.8kgf·cm)·무부하 46rpm입니다. 12비트 비접촉 절대 엔코더로 한 바퀴를 4,096단계(약 0.088도)로 읽고, 위치·속도·전류·온도·입력 전압을 되돌려 줍니다. RS-485나 TTL 선 하나에 최대 253개를 ID로 묶어 연결하고, 전류(토크)·속도·위치·다회전 위치·전류 기반 위치·PWM 제어 모드를 고를 수 있습니다.
- 산업용 AC 서보(예: 야스카와 Σ-7): 모터, 서보팩이라 부르는 별도 드라이브, 엔코더 케이블이 한 세트입니다. Σ-7 200V 카탈로그 기준 회전형 모터는 50W~15kW, 엔코더는 24비트(한 바퀴 약 1,677만 단계)이고, 드라이브는 EtherCAT·MECHATROLINK 같은 산업용 네트워크로 상위 제어기와 연결합니다. CNC 공작기계, 반송 장치, 산업용 로봇 관절에 쓰입니다.
정리하면 RC 서보는 ‘각도만 맞추는 일체형 부품’, 스마트 서보는 ‘상태를 읽고 여러 개를 버스로 묶는 로봇 관절 모듈’, 산업용 AC 서보는 ‘정밀도와 출력이 큰 모터+드라이브 시스템’입니다.
사양표에서 헷갈리는 다섯 가지
- 정지 토크는 최대치입니다. 축을 붙잡아 멈춘 순간 낼 수 있는 토크라서 계속 낼 수 있는 힘보다 큽니다. 로보티즈 매뉴얼도 실제 성능은 정지 토크보다 성능 그래프(N-T 곡선)에 가깝다고 적어 둡니다. 관절에 걸리는 하중은 정지 토크의 절반 이하로 잡고 고르는 편이 안전합니다.
- 단위를 맞춰 봅니다. 1N·m는 약 10.2kgf·cm입니다. RC 서보는 kgf·cm, 로봇·산업용은 N·m를 주로 씁니다.
- 속도 표기가 다릅니다. ‘0.1s/60°’는 60도 도는 시간입니다. 1초에 600도이므로 약 100rpm에 해당합니다. 로봇용 서보는 rpm으로 적는 경우가 많습니다.
- 전압에 따라 수치가 바뀝니다. XM430-W350은 11.1V에서 3.8N·m·43rpm, 14.8V에서 4.8N·m·57rpm입니다. 비교할 때는 같은 전압 조건끼리 봐야 합니다.
- 분해능과 백래시는 다른 문제입니다. 엔코더가 아무리 촘촘해도 기어 사이 유격(백래시)이 있으면 출력축 끝은 그만큼 흔들립니다. XM430-W350의 백래시는 0.25도로 공개돼 있습니다.
로봇 관절에는 어떤 서보를 쓰나
교육용·연구용 로봇 팔은 기어를 넣은 스마트 서보를 관절마다 하나씩 붙이는 방식이 가장 흔합니다. 직접 만드는 오픈소스 팔 SO-101도 버스형 서보를 관절에 그대로 씁니다(SO-101 키트 가이드, 영문).
협동로봇과 휴머노이드는 원리는 같지만 부품을 따로 고릅니다. 모터, 엔코더, 전류 제어 드라이브에 하모닉 감속기나 유성 감속기를 붙여 관절을 직접 설계하고, 사람과 부딪혔을 때 힘을 느끼도록 토크 센서를 넣기도 합니다. 감속기 선택은 로봇 감속기 종류와 차이와 하모닉 감속기 원리에, 감속비를 낮춰 외력을 모터가 직접 느끼게 만든 관절은 QDD 액추에이터에 정리했습니다.
고르기 전에 정할 것
- 위치만 맞추면 되는지, 현재 각도·전류를 읽어야 하는지 정합니다. 읽어야 한다면 RC 서보가 아니라 스마트 서보나 엔코더가 달린 모터가 필요합니다.
- 관절에 걸리는 최대 토크를 팔 길이×무게로 대략 계산하고, 정지 토크에 여유를 둡니다.
- 전원 전압을 먼저 정하고 그 전압의 토크·속도로 비교합니다.
- 몇 개를 어떻게 연결할지(PWM 선 각각, 버스 하나, 산업용 네트워크) 정합니다.