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스테퍼 모터 Stepper Motor

스테퍼모터 원리

스테퍼 모터는 디지털 펄스를 기계식 축 회전(mechanical shaft rotation)으로 전환하는 브러시 없는 동기식 전기 모터입니다.

스테퍼 모터에 있어서 모든 회전은 별개의 단계, 많게는 200단계로 나뉘며 모터는 각 단계 별로 별도의 펄스로 보내져야 합니다. 스테퍼 모터는 한 번에 한 단계만 취할 수 있으며 각 단계는 같은 크기를 가집니다. 각 펄스가 모터가 정밀 각도, 보통 1.8°로 회전하도록 하기 때문에 모터의 위치는 피드백 메커니즘이 없이도 제어 가능합니다. 디지털 펄스의 주파수가 증가하면 단계의 움직임은 지속적인 회전으로 변화하고 회전의 속도는 펄스의 주파수에 직접적으로 비례합니다. 스텝 모터는 저비용, 높은 신뢰성, 낮은 속도에서의 높은 회전력 그리고 단순하고 견고한 구조로 인하여 산업용 및 상업용 적용분야에서 매일 사용되고 있습니다.

스테퍼 모터의 장점

비선형 입력 신호를 선형 linear 출력 신호로 전환합니다. 이는 써모커플 신호에서는 일반적입니다.
  • 모터의 회전각이 입력 펄스에 비례
  • 모터는 정지 시 최대 회전력을 가짐(권선이 가압상태인 경우)
  • 양호한 스테퍼 모터는 단계 별 3에서 5%의 정확도를 가지고 이러한 오류율은 한 단계에서 다음 단계로 나아갈 때 누적되지 않으므로 정밀한 위치선정 및 움직임의 반복성을 가짐
  • 시작/정지/역회전에 대한 뛰어난 반응
  • 모터에 접촉성 브러시가 없으므로 신뢰성이 높아 스텝 모터의 수명이 단순하게 베어링의 수명에 의존함
  • 디지털 펄스에 대한 스테퍼 모터의 입력이 오픈-루프 제어를 제공하여 모터 관리를 더 간편하게 하고 비용이 덜 들게 함
  • 축에 직접 연결되는 부하로 매우 낮은 속도의 동기식 회전을 얻을 수 있음
  • 속도가 입력 펄스의 주파수에 비례하므로 다양한 범위의 회전 속도를 실현할 수 있음

스텝 모터의 유형

스텝 모터는 가변 자기저항, 영구자석 그리고 하이브리드 이렇게 세 가지 기본 유형을 가지고 있습니다. 하이브리드 스텝 모터는 가변 자기저항 스텝 모터와 영구자석 스텝 모터가 가진 최고의 특징들을 조합하였기 때문에 여기서는 하이브리드 모터에 집중하도록 하겠습니다. 모터는 여러 개의 톱니를 가진 고정 축과 영구자석 로터로 구성됩니다. 표준 하이브리드 모터는 200개의 로터 톱니를 가지며 1.8º의 스텝 각으로 회전합니다. 높은 정적 및 동적 회전력을 보이고 매우 높은 스텝 비율로 작동하기 때문에 하이브리드 스텝 모터는 컴퓨터 디스크 드라이브, 프린터/플로터 그리고 CD 플레이어와 같은 매우 다양한 상업적 적용분야에서 사용됩니다. 일부 산업용 그리고 연구용 적용분야에서의 스텝 모터는 로봇공학, 기계장비, 픽 앤 플레이스 기계, 자동 전선절단기 및 결속기 그리고 심지어 정밀 유체 제어 장비에서도 사용됩니다.

스텝 방식 Step Modes

스테퍼 모터의 “스텝 방식”은 풀, 하프 및 마이크로스텝을 포함합니다. 모든 스테퍼 모터의 스텝 방식 출력의 유형은 드라이버의 디자인에 따라 다릅니다. OMEGAMATIONTM은 스테퍼 모터 드라이브에 스위치로 선택할 수 있거나 소프트웨어로 선택할 수 있는 분해능을 갖춘 마이크로스테핑 드라이브뿐만 아니라 스위치로 선택할 수 있는 풀 스텝 방식과 하프 스텝 방식을 제공합니다.

풀 스텝 FULL STEP
표준 하이브리드 스테핑 모터는 200개의 로터 톱니 또는 모터 축의 회전 당 200개의 풀 스텝을 가집니다. 360° 회전을 200스텝으로 나누면 1.8°의 풀 스텝 각도와 같아집니다. 보통 풀 스텝 방식은 전류를 엇갈리게 역전시키는 동안 두 권선 모두에 전원을 공급하면 가능합니다. 기본적으로 드라이버로부터의 디지털 펄스 하나는 한번의 스텝과 동일합니다.

하프 스텝 HALF STEP
하프 스텝은 단순히 스텝 모터가 회전 당 400 스텝으로 회전함을 의미합니다. 이 방식에서는 하나의 권선에 전원이 공급되고 그 이후 두 권선에 번갈아 전원이 공급되어 로터가 풀 스텝 길이의 반 또는 0.9°로 회전하게 합니다. 회전력은 약 30% 줄어들지만 하프 스텝 방식은 풀 스텝 방식보다 더 매끄러운 움직임을 생성합니다.

마이크로스텝 MICROSTEP
마이크로스테핑은 극 간의 위치의 숫자를 더 세부적으로 나누는 정도로 모터 권선의 전류를 제어하는 상대적으로 새로운 스테퍼 모터 기법입니다. 오메가메이션 마이크로스테핑 드라이브는 풀 스텝(1.8°)을 256개의 마이크로스텝으로 나눌 수 있으며 회전 당 51,200스텝(.007°/스텝)이 발생하게 됩니다. 마이크로스테핑은 보통 다양한 범위의 속도에 걸쳐 정확한 위치선정과 매끄러운 움직임을 필요로 하는 적용분야에서 사용됩니다. 하프 스텝 방식과 마찬가지로 마이크로스테핑은 풀 스텝 방식에 비해서 회전력이 약 30% 정도 줄어듭니다.

선형 (리니어 모션) 제어 Linear Motion Control
스테퍼 모터의 로터리 움직임은 연결 나사/웜 기어 드라이브 시스템(lead screw/worm gear drive system)을 사용하여 선형 움직임으로 전환할 수 있습니다(그림 B 참조). 리드 또는 엄지나사의 피치는 나사의 분해능 하나가 이동하는 선형 거리입니다. 리드가 회전 당 1인치와 같다면 분해능 당 200 풀 스텝이 있게 되며 엄지나사 장치의 분해능은 스텝 당 0.005인치가 됩니다. 마이크로스테핑 방식에서 스텝 모터/드라이브 시스템을 사용하면 더 높은 분해능도 가능합니다.

병렬 대 직렬 연결 Series vs. Parallel Connection
스테퍼 모터를 연결하기 위해서는 병렬 또는 직렬의 두 가지 방식이 존재합니다. 병렬 연결은 높은 인덕턴스를 제공하므로 낮은 속도에서 높은 회전력을 보입니다. 직렬 연결은 인덕턴스를 낮추어 빠른 속도에서 회전력이 증가합니다.

스테퍼 모터 드라이버 Driver

스테퍼 모터 드라이버는 인덱서 또는 제어 시스템으로부터 스텝과 방향 신호를 받아서 이를 스텝 모터를 작동시키기 위한 전기 신호로 전환합니다. 모터 축의 매 스텝마다 한 번의 펄스가 필요합니다. 풀 스텝 방식에서 표준 200 스텝 모터의 경우 한 번의 회전을 완료하기 위하여 200 스텝 펄스가 필요합니다.회전 속도는 펄스 주파수와 직접적으로 비례합니다. 일부 드라이버는 모터 속도 설정을 위한 외부 아날로그 신호 또는 조이스틱을 사용할 수 있도록 해주는 내장 발진기를 갖추고 있습니다.

스테퍼모터 직렬연결과 병렬연결

스텝 모터의 속도와 회전력은 드라이버로부터 모터 권선까지의 전류 흐름에 기반합니다. 흐름을 억제하거나 전류가 권선에 전원을 공급하는 시간을 제한하는 요인은 인턱턴스로 알려져 있습니다. 인턱턴스의 효과는 대부분의 드라이버 회로는 모터의 정격 전압보다 더 많은 양의 전압을 공급하도록 설계되어 있습니다. 드라이버로부터의 출력 전압이 높을수록 회전력 대 속도의 수준이 올라갑니다. 일반적으로 드라이버 출력 전압(버스 전압)은 모터의 전압 등급보다 5에서 20배 더 큰 등급이어야 합니다. 모터를 손상으로부터 보호하기 위하여 스텝 모터 드라이브는 스텝 모터의 전류 등급에 전류 제한적이어야 합니다.

인덱서 Indexer

인덱서 혹은 컨트롤러는 스텝과 방향 출력을 드라이버에 공급합니다. 대부분의 적용분야에서 인덱서는 가속, 감속 초당 스텝 그리고 거리를 포함하는 기타 제어 기능 또한 관리하여야 합니다. 인덱서는 다른 외부 신호와 상호작용 하고 이를 제어할 수 있습니다.

인덱서로의 통신은 RS-232 병렬 포트를 통하여 이루어지며 일부 경우에서는 RS485 포트를 사용합니다. 어떠한 경우에도 인덱서는 호스트 컴퓨터로부터 높은 수준의 명령을 수신하여 필요한 스텝 및 방향 펄스를 드라이브에 보낼 수 있습니다.

인덱서는 고, 조그, 홈, 리미트 스위치(Go, Jog, Home, Limit switch)와 같은 외부 신호원으로부터의 입력을 모니터링 하기 위한 보조 입출력을 가집니다. 인덱서는 또한 I/O 출력 핀을 통하여 다른 기기의 기능을 시작하게 할 수도 있습니다.

독립 작동 Stand-Alone Operation

독립 방식에서 인덱서는 호스트 컴퓨터 없이도 작동을 할 수 있습니다. 비휘발성 메모리에 일단 다운로드 되면 모션 프로그램은 키패드 또는 터치스크린과 같은 다양한 유형의 작업자 인터페이스에 의하여 혹은 보조 I/O 입력을 통한 스위치로부터 개시될 수 있습니다. 독립 스테퍼 모터 제어 시스템은 종종 드라이버와 전원 공급 그리고 스톨 감지 및 정확한 모터 위치 보상이 필요한 “폐쇄 루프” 적용분야를 위한 선택적인 인코더 피드백과 함께 제공됩니다.

다중 축 모션 제어

다축 제어 Multi-Axis Control

여러 모션 적용분야는 하나 이상의 스테퍼 모터를 제어합니다. 다축 제어 시스템이 가용한 경우 예를 들어, HUB444 작업용 허브는 최대 4대의 스테퍼 드라이브가 연결될 수 있으며 각각의 드라이브는 별도의 스테퍼 모터에 연결됩니다. 네트워크 허브는 원형 또는 선형 보간과 같은 높은 수준의 동기화를 요구하는 조직화된 움직임을 제공합니다.

스테퍼 토크 속도 곡선

스테퍼 모터와 드라이브의 선택

스테퍼 모터의 선택은 해당 적용분야의 회전력과 속도 요구사항에 따라 다릅니다. 원하는 작업을 수행할 수 있는 모터를 고르기 위하여 모터의 회전력-속도 곡선(예를 들어 그림 C와 같이 각 드라이브의 기술시방에 있습니다)을 확인하시기 바랍니다. 오메가 제품라인의 모든 스테퍼 드라이브는 드라이브에 권장되는 모터에 대한 회전력-속도 곡선을 보여줍니다. 회전력 및 속도 요구사항이 여러 대의 스테퍼 모터로 충족 가능한 경우 모션 시스템의 필요, 즉 스텝/방향, 독립형 프로그램, 아날로그 입력, 마이크로스테핑과 같은 요인에 따라 드라이브를 선택하시기 바랍니다. 그런 후에 해당 드라이브용으로 권장되는 모터 중 하나를 선태하시기 바랍니다. 권장되는 모터 목록은 스텝 모터와 드라이브 조합이 최적의 성능을 보장하기 위한 제조사의 광범위한 시험을 기반으로 만들어졌습니다.

스테퍼모터 종류

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스테퍼모터 동작 스텝과 방향 Step and Direction 마이크로스테핑
스텝 모터 드라이브는 스텝 펄스를 받아 PLC 또는 PC와 같은 제어기 신호부터 신호를 받을 수 있게 합니다. 각 스텝 펄스는 모터가 정밀한 각도로 회전의 속도를 결정하는 펄스의 주기에 따라 회전하게 합니다. 방향 신호는 회전의 방향을 결정합니다(CW 또는 CCW).
스테퍼모터 오실레이터 오실레이터 Oscillator 내장
내장 디지털 오실레이터가 장착된 스텝 모터 드라이브는 속도 제어를 위하여 아날로그 입력을 받거나 조이스틱으로 입력된 값을 받습니다. 이러한 시스템은 보통 믹서, 블렌더 또는 디스펜서와 같이 위치 제어보다는 지속적인 움직임을 요구하는 적용분야에서 사용됩니다.
프로그래밍 할 수 있는 스테퍼모터 독립 작동 프로그래밍 Stand-Alone Programmable
모든 스테퍼 드라이브는 독립 작동을 위한 프로그래밍이 가능합니다. 움직임 제어 프로그램은 단순한 드래그앤드랍의 고수준 소프트웨어 인터페이스(무료)를 통하여 만들어지며 그 이후 다운로드 되어 전원 공급과 함께 실행됩니다. 움직임 제어 프로그램은 보통 프로그램 동작을 실행하기 전에 스위치 개폐 또는 버튼 누르기와 같은 입력을 기다립니다.
고성능 스테퍼모터 고성능 스테퍼 모터
이러한 스테퍼 모터 드라이브는 자가 시험 진단, 오류 방지, 자동 보정, 회전력 리플 평활화(torque ripple smoothing), 명령 신호 평활화(command signal smoothing) 그리고 반공명 알고리즘(anti-resonance algorithm)과 같은 첨단 특성을 제공합니다. 일부 드라이브는 독립적으로 프로그래밍 가능한 반면 나머지는 스텝/방향 및 아날로그 신호를 제공합니다. 고성능 드라이브는 움직임 제어 시스템을 위한 가능한 최선의 성능을 제공합니다.