스테퍼 모터란?
스테퍼 모터는 펄스 신호로 회전 각도를 제어할 수 있는 모터를 말하며, 높은 위치 결정 정확도를 보장할 수 있는 모터의 일종입니다.
일명 펄스 모터라고도 하며, 회전 각도는 제어 신호인 펄스 신호 수와 모터의 위상 수에 의해 결정되며, 회전 속도는 펄스 속도에 해당하는 펄스 주파수에 따라 달라집니다. 비교적 저렴하고 간단한 모터 구성이지만 개방형 루프 제어로 높은 위치 결정 정밀도와 토크를 얻을 수 있는 것이 특징입니다.
스테퍼 모터의 사용 용도
스테퍼 모터의 구조상 정밀하고 가역적인 각도 제어가 가능하기 때문에 주로 위치결정 정밀도가 요구되는 현장에서 사용됩니다. 예를 들어, 자동 반송 장비 등 로봇 장치의 2차원적인 동작을 표현하기 위한 구동용 모터가 있습니다.
고정밀 볼스크류와 스테핑 모터를 조합하여 스테이지의 이송량을 매우 정밀하고 재현성 있게 표현할 수 있습니다. 또한, 밸브의 열림 정도에 따라 일정량의 도료를 분사하는 도장 기계도 스테퍼 모터로 밸브의 열림 각도를 정밀하게 조정하여 보다 정교한 작업을 할 수 있게 됩니다.
스테퍼 모터의 원리
스테퍼 모터 내부는 샤프트와 연결된 로터부와 그 외곽에 설치된 여러 개의 스테이터로 구성되어 있습니다. 로터부는 다시 두 부분으로 나뉘며 각각 N극 S극과 역위상이 되도록 자화되어 있습니다.
또한, 고정자에는 작은 톱니가 존재하며, 그 톱니의 간격이 정밀하게 제어되는 것이 특징인데, 2상형 스테핑 모터를 예로 들면, 마주보는 고정자끼리 같은 극성으로 자화되어 있고, 인접한 고정자는 반대 방향으로 자화되어 있습니다. 따라서 로터의 요철과 서로 끌어당기는 스테이터와 반발하는 스테이터가 서로 존재하게 되고, 로터는 스테이터의 자화 상태에 대해 에너지적으로 안정된 위치를 유지하게 됩니다.
그런 다음, 고정자의 극성을 반전시키도록 전류를 흐르게 하면 고정자 1개만큼 로터가 회전하게 됩니다. 이를 반복적으로 제어하면 고정자의 작은 톱니의 기계적 정밀도에 따라 정확하게 회전 각도를 제어할 수 있으며, 5상형 스테핑 모터에서는 이를 5단계로 순차적으로 제어하기 때문에 보다 세밀한 각도 제어가 가능해집니다.
스테퍼 모터의 기타 정보
1. 스테퍼 모터의 토크
스테퍼 모터는 회전 속도에 따라 출력 토크가 달라지는데, 일반적으로 회전 속도가 느리면 토크가 높고, 회전 속도가 빠르면 토크가 낮습니다. 스테퍼 모터 선정 시 모터의 회전속도-토크 특성표를 확인하여 사용 회전속도 시 필요한 토크가 풀아웃 토크 곡선 범위 내에 들어올 수 있도록 선정해야 합니다.
특히 고속 회전 시 풀아웃 토크는 여자 최대 정지 토크의 20% 정도가 되므로 고속 회전으로 사용하는 경우에는 주의가 필요합니다.
또한, 같은 외형 치수의 모터라도 사용 드라이버, 내부 구조의 차이, 입력 전압에 따라 토크 특성이 달라지므로 제조사와 드라이버의 조합 및 입력 전압도 고려하여 모터를 선정해야 합니다.
2. 스테퍼 모터의 드라이버
스테퍼 모터를 움직이기 위해서는 드라이버라는 제어 장치가 필요합니다. 드라이버는 스테퍼 모터에 흐르는 전류 전압을 제어하여 회전 속도, 회전량 등을 제어할 수 있습니다.
드라이버에는 정전류 구동 방식과 저전압 구동 방식이 있는데, 고속에서의 토크 특성이 우수한 정전류 방식을 채택하는 경우가 많습니다. 일반적으로 드라이버에 상위 제어기기에서 회전속도, 회전량 지시값으로 펄스열을 입력하면, 입력된 펄스열에 따라 모터를 지시속도로 지시량만큼 회전시킨다.
드라이버에는 마이크로 스텝이라는 기능이 탑재된 드라이버가 있습니다. 스테핑 모터는 기본 스텝 각도를 최소 회전각으로 하여 회전하지만, 마이크로 스텝 기능을 가진 드라이버는 각 코일에 흐르는 전류를 조정하여 기본 스텝 각도를 전기적으로 세분화하여 회전의 분해능을 높일 수 있습니다.
또한 진동, 소음을 감소시키는 효과와 스텝 각도별 오버슈트 감소, 시동 정지 시 충격 완화 효과도 있습니다. 마이크로 스텝 기능의 분해능은 많게는 1/250 정도까지 있으며, 사용 용도에 따라 딥 스위치 등으로 선택할 수 있습니다.
3. AC 서보 모터와의 구분
스테핑 모터에서 자주 인용되는 모터로 AC 서보 모터가 있습니다.
스테퍼 모터의 적합성 및 부적합성
AC 서보 모터는 인코더가 내장되어 있고 피드백 제어를 하기 때문에 상대적으로 회전수에 관계없이 회전 토크가 거의 일정합니다. 반면 스테퍼 모터의 경우 고속 회전 시 회전 토크가 감소하기 때문에 이 용도에 적합하지 않습니다. 반대로 저속 회전이 주된 용도라면 스테퍼 모터가 적합하다고 할 수 있습니다.
스테퍼 모터는 주로 오픈 루프 제어 타입이 시중에 나와 있지만, 인코더를 장착하여 폐쇄형 제어가 가능하여 효율을 높인 제품도 있습니다. 하지만 이 경우 또 다른 매력인 비교적 작고 간단한 구성으로 저렴한 모터의 장점을 다시 한 번 생각해 볼 필요가 있습니다.
AC 서보모터가 더 적합한 용도
AC 서보모터여야만 하는 사용 용도는 여러 개의 모터를 이용한 고도의 회전 제어가 필요한 경우입니다. 오픈 루프 제어에서는 센싱에 의한 모터 간 동작을 보완하는 제어를 기대할 수 없기 때문에, 이 경우 고속 회전 동작 시와 마찬가지로 스테퍼 모터보다는 AC 서보 모터를 사용하는 것이 더 적합하다고 할 수 있습니다.