20.20 전류 센서와 자속 센서

전류 센서(current sensor)와 자속 센서(flux sensor)는 전기·자기 시스템의 상태를 정량적으로 측정하는 핵심 계측 장치이다. 전류 센서는 도체에 흐르는 전류를, 자속 센서는 공간의 자속 또는 자속 밀도를 측정하며, 양자는 Ampère 법칙과 Faraday 법칙에 의해 긴밀히 연관되어 있다. 로봇 시스템에서 전류 센서는 모터 드라이버의 피드백 요소, 배터리 관리의 핵심 측정기, 안전 보호 회로의 필수 구성 요소로 기능하며, 자속 센서는 자기 회로 해석, 모터 고장 진단, 자기장 기반 위치 추정 등에 활용된다. 본 절에서는 전류 센서와 자속 센서의 주요 원리, 유형, 성능 특성, 그리고 로봇 공학에서의 응용을 체계적으로 정리한다.

1. 전류 측정 원리의 분류

전류 측정 방식은 크게 저항성 방식과 자기장 기반 방식으로 분류된다. 저항성 방식은 전류가 흐르는 저항 소자의 양단 전압을 측정하여 Ohm 법칙 $V = R I$ 로부터 전류를 역산하는 접근이다. 자기장 기반 방식은 전류가 생성하는 자기장을 자기 센서로 측정하여 Ampère 법칙을 통해 전류를 간접적으로 유추한다. 두 방식은 측정 정확도, 절연성, 전력 손실, 대역폭, 비용 등에서 상이한 특성을 가지며, 응용의 요구 조건에 따라 선택된다.

2. 션트 저항

션트 저항(shunt resistor)은 가장 단순하고 오래된 전류 측정 수단이다. 저항값이 매우 작은 정밀 저항 소자를 전류 경로에 직렬로 삽입하고, 그 양단 전압을 측정한다. 션트 저항의 장점은 높은 정확도, 선형성, 저비용, 광대역 응답이다. 단점은 전력 손실( $P = I^2 R$ )과 측정 회로와 전력 회로 사이의 갈바닉 절연 부재이다. 저항값은 수 밀리옴에서 수십 마이크로옴 범위가 일반적이며, 고성능 션트 저항은 온도 계수와 장기 안정성이 엄격히 관리된다. 모터 드라이버의 저측 전류 측정, 배터리 관리 시스템의 전류 측정 등에 널리 사용된다.

3. 홀 효과 전류 센서

홀 효과 전류 센서는 Hall 소자를 이용해 전류 도선 주위의 자기장을 측정함으로써 전류를 간접적으로 측정한다. 구성 방식에 따라 개방 루프(open-loop)와 폐루프(closed-loop)로 구분된다. 개방 루프 방식은 철심의 공극에 Hall 소자를 배치하여 자속 밀도를 직접 측정하며, 구조가 단순하고 저렴하다. 폐루프 방식은 피드백 권선을 사용하여 1차 전류의 자기장을 능동적으로 상쇄시키며, 피드백 전류가 1차 전류에 비례하도록 구성된다. 폐루프 방식은 높은 정확도, 선형성, 낮은 온도 드리프트, 광대역 특성을 제공하며, 정밀 전력 계측과 고성능 모터 드라이버에 사용된다.

Hall 효과 전류 센서의 주요 장점은 갈바닉 절연이며, 이는 고전압 또는 높은 공통 모드 전압 환경에서 필수적이다. 또한 DC와 AC 모두 측정할 수 있는 광대역 특성을 가진다. 단점은 오프셋 드리프트와 상대적으로 낮은 대역폭이며, 스마트 제어 회로의 도입으로 지속적으로 개선되고 있다.

4. 로고스키 코일

로고스키 코일(Rogowski coil)은 공심 토로이드 형태의 코일로, 중심을 통과하는 전류가 생성하는 자기장의 시간 변화에 의해 유도 기전력이 발생한다는 Faraday 법칙에 기반한다. 출력 전압은 전류의 시간 미분에 비례하며, 전류를 복원하려면 적분 회로가 필요하다.

$v_{\text{out}}(t) = -M \dfrac{di(t)}{dt}$

여기서 $M$ 은 코일의 상호 인덕턴스이다. 로고스키 코일은 철심이 없으므로 포화가 없고, 높은 선형성과 광대역 응답(수 Hz부터 수 MHz)을 제공한다. 큰 전류, 고속 펄스 전류, 고주파 전류 측정에 적합하다. 단점은 직류 전류를 직접 측정할 수 없다는 점이며, 이는 Faraday 법칙의 본질적 특성이다. 전력 계통의 고장 전류 측정, 스위칭 전원의 과도 전류 측정, 플라즈마 장비의 전류 모니터링 등에 사용된다.

20.20.5 자속 게이트 전류 센서

자속 게이트 원리를 이용한 전류 센서는 매우 높은 정확도와 낮은 오프셋 드리프트를 제공한다. 전류 도선 주위에 배치된 강자성 철심에 고주파 여자 전류를 인가하면, 철심의 자속 포화 상태가 외부 자기장에 의해 비대칭적으로 변형되고, 이 비대칭성이 이차 고조파 성분으로 검출된다. 자속 게이트 센서는 DC 전류를 포함하여 매우 미세한 전류 변화도 정밀하게 측정할 수 있으며, 누설 전류 차단기, 초정밀 전력 계측, 배터리 시험 장비, 고정밀 서보 드라이브 등에 사용된다. 비용이 상대적으로 높지만, 성능 요구가 높은 응용에서 표준적 선택이 된다.

20.20.6 변류기

변류기(current transformer, CT)는 변압기의 원리를 이용해 교류 전류를 측정하는 가장 오래된 방식이다. 1차 권선이 측정 대상 회로에 삽입되고, 2차 권선이 부담(burden) 저항에 연결되어 전류 변환비에 따라 낮은 전류가 출력된다. 이상적인 변류기에서 1차와 2차 전류는 권수비의 역수로 관계되며, 실제로는 여자 전류, 철심 손실, 포화 등의 비이상성이 존재한다. 변류기는 직류 전류를 측정할 수 없으며, 교류 응용에서 높은 정확도와 갈바닉 절연을 제공한다. 전력 계통의 보호 계전기, 전력 계측, 산업 전력 모니터링에 광범위하게 사용된다.

20.20.7 자기 저항 기반 전류 센서

최근의 자기 저항 센서 기술 발전으로 GMR과 TMR 기반 전류 센서가 등장하였다. 이들 센서는 전류 도선 주위의 자기장을 GMR 또는 TMR 소자로 직접 감지하며, Hall 센서 대비 높은 감도와 낮은 노이즈를 제공한다. 소형화가 가능하여 반도체 패키지에 통합될 수 있으며, 고주파 응답 특성이 우수하다. 모터 드라이버의 전류 피드백, 배터리 전류 측정, 스위칭 전원의 전류 센싱에 점차 확대 적용되고 있다.

20.20.8 자속 밀도 측정의 원리

자속 센서는 공간의 자속 밀도 $\mathbf{B}$ 를 측정하는 장치이며, 앞서 살펴본 Hall 센서, 자기 저항 센서, 자속 게이트 센서, 탐색 코일(search coil) 등이 사용된다. 탐색 코일은 시간에 따라 변화하는 자기장이 코일에 유도하는 기전력을 측정하는 가장 고전적인 자속 센서이며, Faraday 법칙에 직접 기반한다. 감도는 권수와 단면적의 곱에 비례하며, 넓은 주파수 범위에서 동작하지만 직류 측정은 불가능하다.

20.20.9 3축 자속 센서와 벡터 측정

벡터 자기장 측정을 위해 세 개의 직교 배치된 자속 센서가 결합된 3축 센서가 사용된다. 각 축은 자기장의 한 성분을 측정하며, 이들 출력을 결합하여 전체 자기장 벡터가 얻어진다. 3축 Hall 센서, 3축 자기 저항 센서, 3축 자속 게이트 센서 등이 상용화되어 있으며, 로봇의 지자기 기반 방향 추정, 자기장 매핑, 자기 부상 시스템의 제어 피드백 등에 사용된다. 센서 사이의 기하학적 정렬과 교차 축 감도 보정은 측정 정확도를 결정하는 중요한 요소이다.

20.20.10 측정 시스템의 보정과 성능 지표

전류 센서와 자속 센서의 성능은 정확도, 선형성, 오프셋, 감도 드리프트, 대역폭, 응답 시간, 온도 특성 등 여러 지표로 평가된다. 보정은 기준 표준과의 비교를 통해 센서 출력을 수정하는 과정이며, 공장 보정과 현장 보정이 있다. 지자기 환경에서 3축 자기 센서를 사용할 때에는 하드 아이언 보정(hard iron correction)과 소프트 아이언 보정(soft iron correction)이 필수적이다. 이들 보정은 로봇 주변의 강자성 물체와 자화된 부품이 유발하는 오차를 제거하며, 정확한 방향 추정을 가능하게 한다.

20.20.11 로봇 공학에서의 응용

전류 센서와 자속 센서는 로봇 공학에서 여러 핵심 기능을 수행한다. 첫째, 모터 드라이버의 전류 피드백은 토크 제어, 벡터 제어, 과전류 보호의 기반이며, 홀 효과 센서, 션트 저항, 자기 저항 센서가 사용된다. 둘째, 배터리 관리 시스템은 충·방전 전류를 정밀하게 측정하여 잔량 추정(state of charge)과 수명 관리(state of health)를 수행한다. 셋째, 로봇의 방향 추정에는 3축 자속 센서(마그네토미터)가 사용되며, 지자기 기반의 나침반 기능을 제공한다. 넷째, 자기 부상 시스템과 자기 베어링의 피드백 제어에는 고정밀 자속 센서가 필수적이다.

다섯째, 로봇의 에너지 하베스팅 장치, 무선 전력 전송 시스템, 안전 접지 모니터링, 비파괴 검사 등에도 다양한 전류 및 자속 센서가 활용된다. 또한 모터 고장 진단 시스템은 전류 및 자속 신호의 분석을 통해 권선 단락, 베어링 결함, 편심 등의 고장 모드를 조기에 검출하며, 예측 유지 보수의 기반을 제공한다.

20.20.12 요약과 후속 연결

전류 센서와 자속 센서는 전기·자기 현상을 정량화하는 기초 계측 장치이며, Ohm 법칙, Ampère 법칙, Faraday 법칙과 Hall 효과 등 전자기학의 여러 원리를 활용한다. 션트 저항, Hall 효과 센서, 로고스키 코일, 자속 게이트, 변류기, 자기 저항 센서 등 다양한 방식은 각각 고유한 특성과 응용 영역을 가지며, 로봇 시스템의 전원 관리, 제어 피드백, 안전 보호, 상태 추정에 핵심적으로 기여한다. 다음 절에서는 로봇 시스템의 신뢰성을 보장하는 필수 요구 조건인 전자기 호환성(EMC)의 기초를 다루어, 센서와 구동 장치의 상호작용을 시스템 차원에서 이해하는 관점으로 확장한다.

출처

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