AMR·AGV 시장의 성장과 함께 저전압 DC서보드라이브에도 기능안전 요구가 빠르게 확대되고 있다. 본지에서는 최근 리드샤인의 STO 기능이 탑재된 DC서보드라이브 라인업을 런칭한 (주)모터114 기술연구소의 도움을 받아 STO(Safe Torque Off)의 원리와 역할, 그리고 기능안전 인증이 산업 현장에서 중요해지는 이유를 전한다. 

 

STO 기능이 탑재된 리드샤인의 DC서보모터 및 DC서보드라이브 / 사진. 모터114

설비 안전을 위한 모터 STO 기능

모터는 산업용 자동화 장비와 협동로봇, AMR·AGV 등 다양한 설비의 핵심 구동원이다. 하지만 강한 토크와 빠른 속도로 작동하는 만큼, 비상 상황에서 모터의 동력을 안전하게 차단하는 기능은 산업 안전의 핵심 요소로 꼽힌다.

STO(Safe Torque Off)는 모터의 토크 생성을 안전하게 제거하는 기능이다. 일반적인 정지 명령처럼 소프트웨어 제어에 의존하지 않고, 드라이브 내부에서 모터 구동 회로를 하드웨어적으로 차단해 의도하지 않은 재가동을 방지한다. 

 

STO 작동 원리

STO는 서보드라이브 내부의 게이트 드라이버로 향하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 하드웨어적으로 직접 차단한다. 이를 통해 IGBT 같은 인버터 전력 소자의 작동을 막음으로써 모터의 토크 생성을 안전하게 제거한다. 시스템 전체의 전원을 차단하는 대신, 모터의 토크를 발생시키는 전력만 차단해 안전한 ‘토크 제로(Zero Torque)’ 상태를 구현한다.
일반적인 Servo Off는 제어 명령을 통해 모터를 정지시키지만, STO는 하드웨어 차단 방식을 사용하기 때문에 소프트웨어 이상이 발생하더라도 모터가 스스로 토크를 발생시킬 수 없다.

STO는 제어 전원과 통신은 유지한 채 모터 구동만 차단한다. 따라서 안전 신호가 해제되면 시스템 초기화 없이 빠르게 재기동할 수 있으며, 메인 전원을 반복적으로 차단하는 방식보다 생산성 저하를 줄일 수 있다. 

STO 기능이 탑재된 대부분의 서보드라이브는 STO1, STO2의 이중 채널 구조를 채택한다. 두 채널은 독립적으로 동작하며, 두 채널 가운데 하나라도 차단되면 모터 출력은 즉시 제거된다. STO 입력은 이중 채널로 감시되며, 이상 전압이나 회로 이상이 발생할 경우에도 안전하게 출력 차단이 이뤄지도록 설계된다.

STO는 비상정지(Emergency Stop)와 혼동되기도 하지만 역할에는 차이가 있다. 비상정지는 작업자가 위험 상황에서 설비 전체를 정지시키기 위한 시스템 개념인 반면, STO는 모터의 토크만 안전하게 제거하는 기능이다. 실제 산업 현장에서는 비상정지 버튼이 눌리면 안전 릴레이나 안전 PLC를 통해 STO가 작동하도록 구성하는 경우가 많다. 즉, E-Stop은 안전 시스템의 인터페이스이고 STO는 이를 수행하는 핵심 안전 기능이라고 볼 수 있다.

 

서보 오프와 STO 기능 비교

 

안전이 경쟁력이 되는 시대

AMR과 AGV 시장이 성숙 단계에 접어들면서 구동 성능뿐 아니라 안전성도 제품 경쟁력의 핵심 요소로 자리 잡고 있다. 이에 따라 업계에서는 AC서보드라이브에 이어 저전압 DC서보드라이브 역시 STO 기능과 기능안전 인증이 기본 사양으로 자리 잡을 것으로 전망하고 있다.

산업용 장비에 사용되는 AC서보드라이브는 오래전부터 STO 기능을 기본적으로 적용해 왔다. 반면 저전압 DC서보드라이브는 공장 내부의 소형 장비나 폐쇄된 설비에서 사용하는 경우가 많아 기능안전에 대한 요구가 상대적으로 크지 않았다. 그러나 최근에는 AMR과 AGV처럼 작업자와 같은 공간을 사용하는 모바일 로봇이 급격히 늘어나면서 상황이 달라졌다. 사람이 접근할 가능성이 높은 환경에서는 단순한 정지 기능만으로는 충분하지 않으며, 국제 안전 규격에 부합하는 기능안전이 요구되고 있다.

STO는 국제 기능안전 규격인 IEC 61800-5-2에서 정의하는 가장 기본적인 안전 기능으로, 유럽 CE 등 글로벌 시장에서도 관련 안전 요구사항이 지속적으로 강화되고 있다. 이에 따라 해외 수출을 추진하는 장비 제조사들은 STO 기능뿐 아니라 국제 기능안전 인증 여부까지 주요 제품 선정 기준으로 검토하는 사례가 늘고 있다.

 

모터114는 STO 인증을 획득한 리드샤인 DC서보드라이브로 관련 수요에 대응하고 있다. / 사진. 모터114

일례로 이 같은 시장 변화에 맞춰 리드샤인(Leadshine)은 STO 기능을 탑재한 DC서보드라이브 신제품을 출시하고, 올해 기능안전 인증을 완료해 본격적인 공급에 나섰다. 리드샤인의 2ELD2 시리즈는 SIL3와 PL e 레벨의 기능안전 인증을 확보했다. 

기능안전 인증은 제품의 성능을 평가하는 것이 아니라, 위험 상황에서 안전 기능이 요구된 대로 신뢰성 있게 동작할 수 있는지를 검증하는 체계다. SIL(Safety Integrity Level)은 IEC 61508을 기반으로 한 기능안전 등급이며, PL(Performance Level)은 ISO 13849-1에서 정의하는 기계류 안전 성능 수준이다. STO 기능을 지원하는 서보드라이브는 IEC 61800-5-2에서 규정하는 기능안전 요구사항을 충족하도록 설계되며, SIL3와 PL e는 산업용 모션 제어 시스템에서 널리 요구되는 높은 수준의 기능안전 등급으로 평가된다. 이러한 기능안전 인증은 AMR·AGV를 비롯해 배터리 기반 이동로봇과 휴머노이드 로봇의 이동 플랫폼 등 사람과 함께 운용되는 분야에서 그 중요성이 더욱 커질 것으로 전망된다.

 

자료. 모터114

업계에 따르면 STO 기능의 탑재 여부만 확인하는 이전과 달리 최근에는 국제 기능안전 인증까지 요구하는 고객이 늘고 있는 추세이다. 특히 유럽 시장은 기계류 안전 규정과 CE 요구사항을 충족해야 하기 때문에 기능안전 인증이 없는 드라이브는 적용이 어려운 경우가 있다. 이에 따라 국내 AMR·AGV 제조사들도 초기 개발 단계부터 STO와 기능안전 인증을 주요 사양으로 검토하는 사례가 증가하고 있다. 이처럼 글로벌 시장을 겨냥한 AMR·AGV 제조사를 중심으로 기능안전이 제품 경쟁력의 핵심 요소로 부상하면서, 저전압 DC서보드라이브에서도 STO와 기능안전 인증은 선택이 아닌 필수 요소로 자리 잡을 것으로 전망된다.

 

필자

(주)모터114 기술연구소 전용철 상무