MDPS

Motor Driven Power Steering

조향 보조배력 장치의 일종으로 전기 모터의 어시스트로 조향보조의 동력원을 사용하는 파워 스티어링의 작동 방식 가운데 하나. 일반적인 유압식 파워 스티어링과 달리 유압을 배제하고 전동기를 직접 조향계통에 연결해 구동하는 것이다. 파워스티어링의 유압을 만들기 위한 엔진 구동손실이 없으므로 연비가 향상되고 무게가 가벼우며, 스티어링 오일이 새는 등의 문제가 없어지므로 정비성과 수명도 향상된다. 그리고 자세제어장치나 무인 운전 등 ECU가 스티어링에 개입할 수 있게 해주기도 한다. 이러한 첨단 장비들과의 연계와 연비 규제 등 장점이 상당하여 메이커를 불문하고 채용하는 추세다.

원래 이런 시스템의 정식 명칭은 EPS(Electric Power Steering)인데 현대기아차에서만 MDPS라는 명칭을 사용하고 있다.[1] 따라서 여기서 다루는 전자식 파워 스티어링 시스템 역시 현대와 기아 차량을 중점적으로 다룬다. ZF나 보쉬 등의 선진 메이커에서 개발한 EPS는 유압식과 비교해도 손색이 없을 정도로 완성도가 높은 편이라 이걸로 국산차를 비난하기도 한다. 하지만 최근 상당 부분 개선 되기도 했고 외산품 EPS들은 개발 및 도입 시기가 국산과 비교했을 때 무려 10년 이상의 격차가 있다는 점을 알아두기 바란다. 물론 이 점이 현대-기아의 스티어링 감각을 실드칠 수 있는 이유는 될 수가 없다. 그러나, 당연히 외산품들도 개발 과정에서 같은 문제를 겪었으며 따라서 기술력과 노하우 부족이 있을 수 밖에 없음을 이해해야 한다는 점을 감안하고 본 문서를 참고하길 바란다.

MDPS는 조향 모터의 장착 위치에 따라 랙마운트 방식(R-MDPS)와 칼럼마운트 방식(C-MDPS)으로 나뉜다. 두 방식은 공간, 출력, 가격 등의 면에서 각각 장단점이 있다.

MDPS의 최대 전력은 약 700~1000W 정도로 생각보다 상당히 크게 잡혀있다. 이 때문에 소비전력이 엄청나게 커서 전기 계통에도 무리가 갈 것이라는 주장이 종종 보이는데 사실 이는 반은 맞고 반은 틀리다. 반이 틀리는 이유는 "전기 계통에 큰 부담이 간다"는게 정확히 무슨 의미인지 모르고서 쓰는 사람들이 많기 때문이다. 이런 경우는 정확한 팩트 체크가 필요하다.

차량 전기계통에서 1kW는 그냥 큰게 아니다. 아주 크다. 셀모터와 더불어서 일반적으로 장착되는 차량 전기 부속중에 최대 소비전력이 가장 크다. 그러나 MDPS로 인한 부담이 어느정도인가를 따지려면 단순히 소비전력이 크다고만 말할게 아니라 다양한 조건에서 차량 전장이 이를 감당할 수 있느냐를 따져봐야 한다. 최대 소비전력이라는 것은 장비의 최악조건을 의미하며, 어떤 장비도 최악조건에서만 동작하지 않는다. 최대 소비전력이 크다고 해서 항상 최대 소비전력만으로 운용하는 것이 아니므로 오해하지 말아야 한다. 전기계통의 안정성이 떨어진다는 것은 가장 최악의 조건일 때에 안정성이 떨어진다는 것으로, 일반적인 상황에서는 아무리 애를 써도 저런 조건으로 차량을 운용할 수 없다.

차량에서 연속으로 끌어 쓸 수 있는 전류의 크기는 알터네이터의 용량으로 결정되며, 최악 조건인 공회전 상태에서 알터네이터가 출력할 수 있는 전류는 일반적으로는 대략 55 ~ 75A 정도 된다. 반면에 MDPS의 최대전류는 일반 세단 기준으로 약 75 ~ 110A로, 주차장에서 주차를 하는 상황 등의 최대부하 조건에 놓이게 되면 알터네이터의 발전량을 몰빵해도 MDPS의 소비전력이 감당이 안 되기 때문에 배터리가 같이 전류를 출력해준다. 즉, 충전이 되는게 아니라 전원으로 작용 할 수도 있다. 이런 상황에 놓이면 알터네이터에 의해 14V로 유지되고 있던 전장 전압이 순간적으로 배터리 전압 수준으로 떨어지면서 전압이 흔들리게 되기에 차량의 다른 전기 기구에 약간의 영향을 줄 수 있다. 예를 들어 노후차량이 주차장에서 주차를 하려고 핸들을 돌릴 때 순간적으로 전조등 밝기가 어두워지는 등의 증상은 이런 문제가 원인일 수도 있다.[4]

이전에는 MDPS 때문에 ECU가 전압부족으로 리셋[5]될 수도 있다는 기적의 논리도 있었는데 정상적이고 완벽한 상태에서도 ECU가 재부팅 되거나 뭔가 문제가 생기면 그건 MDPS만 갖고 따질게 아니라 그런 기본적인 문제가 생길만큼 멍청하게 만든 제조사한테 따져야 하는 문제다.[6] 애당초 알터네이터 용량보다 큰 출력이 필요하더라도 배터리가 백업을 해주기 때문에 전장 전압이 ECU가 리셋이 걸릴 정도로 떨어지는건 어림 반푼어치도 없다. 또한 근본적으로 차량의 전원의 품질은 굉장히 나쁜 편이며, 때문에 차량용 장비들은 이런 더러운 전원조건을 다 고려해서 제작된다. ECU는 더더욱 그렇고.

참고로 위 내용에서 오해하지 말아야 할 점이 있는게 서있는 상태에서 핸들을 돌린다고 항상 최대전류를 쓰는건 당연히 아니다. 왜냐하면 노면과 타이어 등의 부하조건과 사용자가 요구하는 핸들의 회전속도도 매번 다르기 때문이다. 조향을 빠르게 하려고 할 수록 모터가 더 신속하고 빠르게 움직여야 하기 때문에 그만큼 더 많은 파워를 쓰게 된다. 또한 최대전류는 일반적으로 고려되는 최악의 운용조건에서 어느정도 여유를 줘서 선정하기에 실제로 최대전류까지 다 당기는 상황은 거의 없다.[7] 실제 환경에서는 MDPS 외에도 전기기구가 많기 때문에 최대전류를 다 써서 문제가 생긴다기보다는 애초에 전력 여유가 별로 없어서 위와 같은 문제가 생기는거라고 이해하는게 옳다.

아무튼 MDPS가 붙으면 조건을 따지긴 하지만 결과적으로 전기계통의 안정성이 떨어진 것은 맞는 말이다. 왜냐하면 알터네이터만으로 부하가 커버가 안 되는 영역에서 최대출력으로 작동할 가능성이 있기 때문에 배터리에 대한 의존도가 커졌기 때문이다. 배터리 수명 초과, 과방전, 접촉 불량, 누전, 전선 열화 등의 다소 극단적인 전기적인 문제가 있을 경우, 주차장에서 핸들을 돌리다가 시동이 꺼지거나 핸들이 잠기는 등의 자잘한 전기 고장이 발생할 수 있다. 다만 이런 고장의 근본적인 문제로 전원 사양을 꼽을 수는 없는게, 애초에 배터리가 없는 상황이면 전압이 몇 볼트이건간에 정상적인 동작을 보장할 수가 없다. 공회전 중의 연비와 배기가스 규제를 만족하기 위해서 알터네이터 발전 용량을 섣불리 늘릴 수가 없기 때문이다.

그럼 안정성이 떨어지니 결국 MDPS는 차량의 전기 계통을 망가뜨리는 것인가? 하면 그렇지는 않다. 이는 사람이 빙판길에서 넘어졌다고 해서 그 사람이 어디가 아파서 중심을 못 잡는게 아닌 것과 같은 이치로, 시스템의 신뢰성을 이야기 하려면 주위 환경과 동작 조건을 모두 따져보는게 맞기 때문이다. MDPS가 안전한 이유는 아래와 같다.

첫째로, 설계 상 최대전류를 쓰는 빈도가 적다. 왜냐하면 파워 스티어링에 부하가 가장 많이 걸리는 조건은 차량이 서 있을때 조향을 하는 것으로, 이 때 가장 부담을 크게 주지만 이런 상황이 아니면, 즉 주행중이면 바퀴의 마찰부하가 사람의 힘으로도 문제없이 돌아갈만큼 작기 때문에 전류가 얼마 안 들어간다. 설령 핸들을 돌려놓고 유지를 하고 있더라도 모터가 Stall 상태를 유지하고 있을 뿐이면 실질적인 소비전력의 크기는 작다. 따라서 알터네이터를 포함한 전기계통을 어떻게 할만큼 평균소비전력이 큰 것은 아니다. MDPS가 가장 전력을 많이 쓰는 상황은 핸들을 빨리 돌릴 때임을 기억하자.

전류와 전력의 개념을 혼동하는 사람이 많은데 모터가 열이 많이 나고 전류를 많이 끌어다 쓴다고 해서 항상 소비전력이 큰게 아니다. 발열은 저항과 전류에만 상관관계가 있고 소비전력은 모터가 움직이고 있느냐 = 실제로 일을 하고 있느냐 아니냐가 중요하다.[8] P=VI임을 기억해야 한다. MDPS에 쓰이는 모터는 대부분 모터 드라이버의 제어를 받는 서보 모터이기 때문에[9] 많은 전류를 투입해서 토크를 내고 있더라도 회전을 안 하고 있거나 매우 느리게 회전하고 있다면 모터에 높은 전압을 걸 필요가 없으므로 배터리의 평균 출력전력도 비교적 낮게 나온다. 이때 배터리의 피크 전류는 모터 전류와 동일하게 나오지만 배터리 평균 전류는 낮게 나오게 되며, 이는 PWM 제어의 고유 특성이다. 시동 모터와 같은 일반 DC모터는 걸려있는 전압을 모터가 온전히 다 퍼먹게 되어 있지만 EPS용 모터는 그렇지 않기 때문에 특성이 다르다는 점을 명확하게 이해하고 있어야 한다. EPS용 모터 같은 애들은 정격이 12V라고 해서 12V를 그냥 직입으로 때려버리면 박살난다.

둘째로, 차량의 전기계통은 MDPS의 최대전류를 충분히 감당할 수 있게 설계 되었다. 배터리는 시동전류만 수백A씩 몇번이고 당겨줄 수 있으니 당연히 논외. 알터네이터는 공회전 상태에서 발전량이 부족한데 그건 회전수가 부족해서 발전량이 적다는거지, 과부하 상태라서 알터네이터가 고장날 정도로 전기적, 기계적 스트레스가 심하다는 의미가 아니다. 애초에 알터네이터의 정격 전류는 공회전 상태의 발전 전류를 한참 넘어가며, 알터네이터가 발전제어도 겸하기 때문에 전압이 떨어지면 떨어지지 과부하에 시달려서 수명이 까이는 일도 없다.

차량의 전기계통은 비록 연속 출력 가능한 용량이 작을지언정 MDPS나 시동을 걸 정도의 대출력을 잠깐씩 거는 정도는 손쉽게 허용할만큼 과부하 용량이 엄청나게 크게 설계 되어 있다.[10] 그러니 MDPS 때문에 전기계통에 부담이 간다는 것 자체가 있을 수 없는 일이다.

그리고 센터링 때문에 주행중에도 지속적으로 전력을 쓴다는 주장이 있는데 센터링은 서스펜션으로 구현하는 것이다. 토우, 캠버, 캐스터가 왜 있는지를 생각해보면 알 수 있듯이, 핸들에 힘을 가하지 않아도 센터링을 유지할 수 있도록 서스펜션을 세팅한다. 그렇기 때문에 무배력도 특정한 제어없이 센터링을 유지할 수 있는 것이다.

따라서 결론적으로 12V 환경에 MDPS가 장착 되었다고 해도 여유가 약간 빡빡해질 뿐이지 크게 문제 될 것도 없고 없어야 하는게 정상이다.

간혹 초기 MDPS에서 이런 문제가 생기기도 했었는데 잦은 조향을 할 경우 과열 위험이 생기는 것은 가능성이 없는 것은 아니지만 조향 몇번 했다고 과열이 된다면 그건 방열 대책이 미비하거나, 효율이 너무 나쁘거나, 모터 설계 발열이 지나치게 크거나 제어기 고장, 모터의 노화 등등이 원인으로, 애초에 정비가 소홀했던가 설계 단계에서부터 잘못 된 것이다. 위에서 이미 말했다시피 주행중에는 부하가 작으니 최소한 주행중에 과부하로 인한 과열이 뜰 일은 사실상 없고 부하가 가장 많이 걸리는 주차장이라 해도 정상적으로 설계 된 MDPS 시스템이라면 충분히 토크 여유가 있으므로 과열이 날 이유가 없다. 요즘은 MDPS의 품질이 안정되면서 그런지 이런 문제가 생기지는 않는다.

유압식 핸들의 경우 항시 양쪽의 유압이 채워져 있는 상태에서 동작하지만 MDPS의 경우 동작이 인식되면 모터가 어시스트 하는 방식으로 작동한다. 이에 MDPS는 유압식 파워스티어링 휠에 비해 소량 조타, 특히 고속 직선구간에서 살살 보타를 하는 경우에 반응이 한 박자 늦는 느낌이 생긴다고 주장한다. 특히 원가절감에 더욱 절실한 소형차에 많이 채택되는 C-MDPS가 R-MDPS에 비해 이런 이질감이 더욱 많이 느껴지는 경우가 있다고 한다.

물론 이러한 이질감은 세팅이나 고성능 하드웨어로 어느정도 보완할 수 있는 MDPS 초기 버전에나 있던 문제로, 이미 많은 차량이 이러한 문제들을 해결해서 출시 되고 있다. 전자식이 유압식보다 더 자유롭고 정밀한 제어가 가능하면 가능하지 유압식보다 제어 성능이 떨어질 수가 없기 때문이다. 단지 시스템이 어떻게 구성이 되었느냐의 차이일 뿐으로, 얼마든지 개선 될 수 있는 문제고 실제로도 전부 개선 되었다. 최근의 MDPS를 잡아보면 스티어링 랙이나 리턴 감각의 부족 따위는 느껴지지도 않을 것이다.

MDPS 가 정지하면 아무리 사람 힘으로 돌려도 휠이 돌아가지 않는다는 괴담이 있지만 실제로는 돌아간다. 미신타파-전동스티어링 고장 핸들 못돌리나 속칭 잠긴다는 말을 쓰는데, 투시도를 보면 비가역적인 웜기어를 이용하고 있으므로 모터가 돌지 않으면 핸들축은 돌지 않을걸로 보이지만 실제로는 평소보다 조금 강한 힘을 주면 돌아가는 정도. 상식적으로 조금만 생각 해도 알 수가 있는게, 힘을 가하는 축은 그대로 있고 모터는 여기에 힘만 실어주는 구조이므로 돌아가지 않을 이유가 없다. 특히 중앙부는 핸들이 잠겼는지 인식이 안될 정도로 잘 돌아간다. 물론 가장자리로 돌릴 수록 힘이 들어가 유턴 같은건 어렵다.

그리고 MDPS 고장은 제조사가 MDPS의 내환경성이나 동작환경을 얼마나 신경썼느냐의 문제이기 때문에 어떤 방식을 썼던간에 빈도만 다를 뿐이지 얼마든지 고장 가능성이 있다. SM6의 R-MDPS 고장사례(링크)처럼 R-MDPS라고 칼럼식보다 고급이라서 고장이 안난다던가 이런게 아니다.

MDPS는 일반적인 유압식 파워 스티어링에 비해 스티어링 휠을 조작하는 느낌이 가볍다. 이는 힘이 약한 운전자에게는 당장 좋을지 몰라도 살짝만 핸들을 움직여도 지나친 움직임을 보이는 문제를 일으킨다. 이러한 조작성 문제를 일으키는 고속 주행에서는 핸들을 무겁게 설정을 바꾼다고 하지만, MDPS를 적용한 많은 차량이 실제 필요한 수준보다 고속 주행에서 핸들이 더 가볍게 돌아간다. 그만큼 저속이나 고속에서 핸들링 느낌이 비슷하다는 뜻. 이는 단순히 운전자의 조작 느낌을 나쁘게 하지만, 안전 주행에도 그리 바람직한 부분은 아니다.

물론 이러한 부분들을 보완하기 위해 제조사들이 부지런히 노력하고 있다. 특히 혹평 받는 현대와 기아차들의 MDPS는 사용하는 유저들마다 차이가 있기에 핸들을 돌리는 느낌이 "콘솔 레이싱 게임 핸들 돌리는 느낌" 이라는 평을 들었지만 최근에 발매된 차량들을 기준으로 봤을 때는 많이 개선된 편으로, 차량에 따라서는 오히려 고속에서 유압식보다 MDPS가 더 무겁기도 하다. 딱히 핸들링 느낌이 유압식에 비해 부족하다기보다는 그냥 조향감의 차이로 받아들이는게 좋다.

기아 자동차 차량에서 발생한 MDPS 고장사례. 흔히 알고있는 핸들 잠김현상.

현기차 그룹 측에서는 R형 MDPS의 공급을 늘이기 위한 노력을 하고 있다. 현기차가 R형 MDPS에 인색했던 이유는 독자적인 R형 MDPS 생산 라인이 2개에 불과했고, 그에 따라 생산 여력이 크게 제한되어 있었다. 이에 현대모비스에서는 R형 MDPS 전담 부서를 만들고, 2017년 화성 포승공장 내에 R형 MDPS만 전담하는 독립 공장을 준공했다. 또한, 그동안 외국에서 수입해오던 R형 MDPS 부속의 거의 대부분(94.3%)을 국산화해 생산 비용 자체를 낮추었다.

2017년 10월 현재 새로 준공된 포승공장에서는 하루에 170개의 R형 MDPS를 생산하고 있는데, 공장 가동 수준이 일정 궤도 이상으로 오르면 350개까지 늘려, 매월 만 개 이상의 R형 MDPS를 생산할 것이라고 한다. 세계적으로도 단일 공장에서 연간 10만 개 이상의 R형 MDPS를 생산하는 공장은 보쉬의 독일 만하임 공장과 현대 모비스의 포승공장뿐이다.