과연 디지털 서보만 디지털인가? - 디지털 서보의 정체에 관하여

RC를 시작한 이래로 디지털 서보란 놈의 존재는 저에게 항상 고민거리였습니다.

일반적으로 서보라고 불리는 것들도 수신기로 부터 받는 펄스의 넓이로 각도를 전달 받는 PWM(Pulse width Modulation)방식이기 때문입니다.

PWM은 엄연한 디지털 신호거든요. 보통 펄스를 그림으로 나타내면 세로축인 전압은 일정하고 시간 축으로 펄스가 얼마동안 지속했느냐를 표시합니다. 

 

PWM신호가 외양이 진폭이 일정한 톱니파이고 마이크로 프로세서에서 출력할수 있는 신호라서 당연히 디지털신호라고만 생각했었지만, 푸른하늘님 말씀을 듣고 잘 생각해보니 진폭이 연속적으로 변할수 있다는 점에서 아날로그 신호이기도 하네요--;

송신기에서 수신기로 보내는 신호는 PPM이라고 해서 펄스의 위치를 가지고 신호를 전달하거나 PCM이라는 코드화한 펄스로 신호를 전달하는 방식을 쓰니 RC에는 디지털 인코딩방식만해도 벌써 3가지나 쓰이고 있는거죠. 이게 2.4GHz용 송수신기로 가면 더 복잡해지지만 그건 서보와 무관하니 넘어가구요.

결론적으로 디지털이란 글자가 붙지 않는 일반 서보도 디지털 방식이긴 합니다. 후타바에서 다운받은 자료를 보니 단지 모터에 가해주는 PWM신호의 주파수가 다를 뿐이더군요.

안그래도 디지탈 서보에서 삐이익 하는 PWM 제어 고유의 소리가 나길래, 그걸 가지고 디지털 서보라고 부르는게 아닌가 했었습니다. 그런데 실상은 두가지 서보 모두 PWM제어를 하는 것이었고 디지털 서보란 놈이 다만 주파수가 높아서 사람귀에 삐이익 하는 소리가 나는거죠.

일반서보는 50Hz고 디지털 서보는 300Hz정도 쓴답니다. 여기서 드는 의문, 서보에 주어지는 PWM신호는 뭐고? 서보 내부에서 모터에 가해지는 PWM은 또 뭐냐? 다릅니다. 수신기가 서보에게 보내는 PWM은 서보의 각을 지정하기 위해 보내는 신호로써, 그 폭이 1.5 ms 일때 서보는 중립이며 1ms일때 반시계방향으로 90도 움직이고 2ms일때 시계방향으로 90도 움직입니다.

그리고 수신기는 펄스를 20~30ms 마다 반복 전송하여 현 각도를 유지하도록 하구요. 펄스가  더 이상 오지 않으면 외력이 가해질때 서보가 제 각도를 유지하지 않는다고 합니다.

디지탈 서보와 일반서보가 차이가 나는 부분인 모터에 주는 전기 신호의 차이를 보겠습니다. 서보안에 있는 제어보드가 모터에게 전기를 줄때도 그냥 전기를 온 오프 제어만 하는것이 아니고 속도 제어를 합니다. 차를 출발시킬때 최고출력으로 시작하지 않고 천천히 시작해서 점점 가속을 하다가 세울때는 출력을 점점 줄이듯이 서보 내부에서도 모터를 현 각도에서 목표 각도 까지  회전시킬때 가속과 감속을 하기 때문이죠.

그 가속과 감속 제어를 위해서 또 PWM이 나오는 것입니다.여기에서!  그냥 전압을 약하게 주다가 점점 높여주면 되지 뭐하러 PWM을 써야하냐고 의문을 가지실 분들이 있으실 것입니다.  그 이유는 마이크로 컨트롤러가 디지탈 방식이기 때문입니다. 마이크로 컨트롤러는 전압을 가변하는 방식으로 신호를 내보낼 수가 없습니다. 아시다시피 0과 1로 이루어지는 연산만을 하기 때문이죠. 

그래서 서보에서뿐만 아니라 모든 마이크로컨트롤러를 쓰는 회로는 전압을 가변시키고 싶을 때는 PWM방식을 씁니다.  전기를 주다 말다를 빨리 하는데 전기를 주는 시간을 조절하는 방식으로 출력전압을 조절합니다. 그런짓을 빠르게 반복하면 결과적으로 원하는 전압을 얻을 수 있기 때문이죠.

 

다만 전류가 약하니까 증폭을 위해서 트랜지스터나 MOSFET(사실 얘도 트랜지스터의 일종) 같은걸 씁니다. BLDC용 ESC도 그런식으로 3상교류 전기를 만들어 냅니다. 여기서 비밀 하나, 브러쉬리스 직류모터는 이름만 직류지 사실 3상 교류모터라는 사실 ! 요즘 막장드라마 수준의 비밀이죠? 애인이 알고보니 원수 집안 딸~

 

 

               출처:후타바 웹사이트

 

위 그림이 일반적인standard서보와 디지털 서보내에서 모터에 주어지는 전압을 보여주는 것입니다. 가로축은 시간입니다.

단지, 이 차이일 뿐이지 누군 아날로그고 누군 디지털이고의 차이가 아닌 것입니다.

 

아마 디지털 서보라는 이름은 마케팅 담당자가 지어낸 이름일 가능성이 높습니다. 디지털이라는 말이 한참 뜨던 당시에 대단한 기술인것처럼 보여서 더 비싸게 받아먹으려는 술책이었겠죠. 그러나 사실 대단한 기술은 아니고 단지 프로그래밍만 좀 달리 해 넣으면 되는 것이죠. 단가가 올라갈 이유는 거의 없다고 봅니다.

푸른하늘님 댓글을 보고나니, 제가  마이크로프로세서가 일반화 되기 전에는 풀 아날로그서보도 쓰였을거란 생각을 못한것 같습니다. 제가 추측하기로는 예전 아날로그에서 디지털로 넘어오면서 PWM을 고주파로 바꾸었으나 전력소모나 떨림등이 보여서 아날로그를 완전히 버릴수 없던차에 마이크로프로세서가 싸지면서 아날로그 방식의 저주파 PWM서보를 주파수를 그대로 둔채 내부적으로 마이크로프로세서를 쓰는 디지털 처리방식으로 바꾸어서 계속 판매를 하고 있는것으로 보입니다. 그러니 후타바 자료에도 보면가속 제어도 하는 것처럼 보이고, 몇칭도 아날로그서보라는 말 대신 스탠다드 서보라고 부르는게 아닐까요?

 

항간에 떠도는 말처럼 디지털 서보는 정지시에도 항상 힘을 주고 있다. 그래서 전기가 더 먹는다 라는 말은 반만 맞습니다. 전기는 좀 더 먹는다고 합니다만 외력이 없을때는 모든 서보는 다 힘을 주지 않습니다. 다만 작은 펄스폭의 변화에도 움직이기 때문에 서보가 게속 징징거리는 경우가 많아서, 그 점이 정지시에도 힘을 주고 있다는 오해를 가져온듯합니다. 

 

 

그러나 성능의 차이는 분명히 있죠. 후타바 설명에는 무엇보다 속도가 빠르다고 하네요. 써본 분들도 그러시더군요.

그리고 일반서보보다 미세한 조종이 가능합니다.

                출처:후타바 웹사이트

 위 표를 보면 실선으로 표시된 디지탈 서보인 S9450이 좀더 빨리 풀토크에 도달하는 것으로 나타나 있습니다.

 

후타바자료에는 디지털 서보의 유일한 단점은 전력소모가 큰점이라고 하는데, 커봐야 위 그래프에서 실선부분과 점선 부분의 차이 만큼이 아닐까 싶습니다.  사실 모터가 엄청난 전력을 뽑아 먹고 있는 상황에서 서보가 전기를 먹어야 얼마나 더 먹겠습니까?

헬기앞에서 선풍기 돌리는 수준이겠죠. ESC에 달린 커패시터가 어느 정도 해결해주리라 보구요. 문제가 생긴다면 BEC를 별도로 달아주거나 커패시터를 추가로 장착하는 방법이 있겠죠.

 

후타바의 자료도 링크 해 놓겠습니다. 일어는 아니고 영어로 되어있으니 관심있으시면 보세요

서보의 구분에 대해 이견이 있습니다만.

요즘 서보의 명확한 구분은 아무래도 저주파 서보와 고주파 서보로 하는게 맞는게 아닐까 싶구요

그냥 일반서보와 디지털 서보로 부르고 차이가 그렇다는걸 아는 정도면되겠죠. 

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이글은 내가 활동하는 RC카페에 올린글이다.