스텝 모터 혹은 서보 모터: 어떤 것이어야 하나?

모터들은 각각 적용 대상 영역을 가지고 있으며, 적용 대상을 위하여 모터 중 하나를 선택하는 것이 성공에 영향을 미치므로 각 모터의 기술적 장점과 단점을 모두 고려해야 하며 기계 설계자는 적용 대상을 고려하여 최고의 모터 드라이브 시스템을 선택한다. 이러한 기술을 균형 있게 활용하여 특정 기계 설계에 필요한 프로세스 성능을 달성하는 동시에 필요한 메커니즘의 성능과 비용의 균형을 유지한다.

기계 설계자는 미리 결정된 사고방식이나 안정된 수준으로 스텝 모터나 서보 모터의 활용도를 제한하지 말아야 하며 각 기술이 수행할 특정 메커니즘과 프로세스를 제어하는데 가장 적합한 위치를 파악해야 한다. 오늘날 디지털 스텝 모터 드라이버는 고급 드라이브 기능, 옵션 유연성, 그리고 고급 통합 회로와 간소화 프로그래밍 기술을 사용하고 있는 통신 프로토콜을 제공한다. 서보 모터 시스템의 경우도 마찬가지이며 높은 토크 밀도, 개선된 전자 제품, 알고리즘과 높은 피드백 분해능은 많은 애플리케이션을 위한 시스템의 높은 대역폭과 낮은 초기 및 전체 운영 비용과 같은 결과를 만들어낸다.

스텝 모터 시스템 개요

스텝 모터 모터는 서보 모터 시스템에 비해 몇 가지 큰 이점을 갖는다. 그들은 일반적으로 낮은 비용과 일반적인 NEMA 마운팅을 가지고 있으며 낮은 토크 옵션과 적은 케이블 비용이 든다. 그리고 그들의 개루프 모션 컨트롤 요소는 제작을 간편하게 하고 최종 사용자에게 사용상 편의성을 제공한다.

토크와 속도의 고려사항

스텝 모터를 사용할 것인지 서보 모터를 사용할 것인지에 대한 문제는 대부분의 경우 애플리케이션에 의해 결정된다. 스텝 모터는 일반적으로 추가적인 가속 또는 감속 토크의 용량 또는 필요한 최대 토크를 지속하기 위한 토크의 2배 크기를 갖는다. 이와는 대조적으로 보통 서보 모터는 최대 불규칙 가/감속, 홀딩 토크 (해당하는 경우) 및 전체 동작 프로필에 대한 RMS(Root Mean Square) 요건에 대한 특정 적용 속도 및 토크로 크기가 조정된다.

일반적으로 만약 어플리케이션이 높은 처리량, 고속, 외란 조정을 위한 높은 대역폭, 축 간의 정밀한 조정이 필요하다면 서보 모터가 가장 좋은 옵션이다. 만약 포인트에서 포인트 위치 성능과 회전속도(RPM)에 대한 요구가 일반적이라면 스텝 모터가 더 나은 선택일 수 있다. 추가적으로, 부하가 이상적인 경우에 스텝 모터의 홀딩 포지션 능력이 유리할 수 있다. 고속 토크 곡선은 스텝 모터와 동일한 볼륨의 AC 영구 자석(PM) 서보 모터 차이를 강조한다. 스텝 모터는 일반적으로 서보 모터 보다 낮은 속도에서 높은 지속 토크를 발생시킨다. 그러나 서보 모터는 동일한 저속 범위에서 불규칙 피크 토크를 생성하고 훨씬 더 높은 속도 범위에서 피크와 연속 토크를 생성한다. 조정과 셋업을 위한 자동화된 기계 축 뿐만 아니라 검사를 위한 비디오 축은 스텝 모터 시스템이 아주 잘 맞는 적용분야이다.

스텝 모터는 특히 축 타입에 이상적인데 이유는 시스템 컨트롤에서 설계가 쉽고 초기 셋업 비용이 적기 때문이다. 주어진 설정에 대한 축을 고정시킬 때 적은 비용으로 운영이 가능하다. 또한, 적절하게 적용하면 스텝 모터는 고장 가능성이 낮은데 그것은 오픈 루프 시스템이기 때문이다. 폐루프 루프 시스템의 경우 구동 장치와 구동 장치 사이의 조정이 필요하다.

스텝 모터 드라이브

최신 설계 기술은 스텝 모터의 성능은 개선되었다: 내장 피드백, 구동 종료 시 감쇠(최대 정밀도에서의 정착시간을 줄이기 위한), 부드러운 출발 (파워 업에서 저크를 줄이기 위한), 반공진 모드(토크, 안정성과 노이즈에 최적화를 위한), 아이들 전류 감소(Idle Current Reduction(IRC) - 스탠드스틸 동안 모터의 발열을 줄이기 위한)과 풀 스텝 사이에서 쉬운 제어, 반 스텝과 마이크로 스텝. 대부분의 적절한 사이즈의 스텝 모터는 선택한 스텝 모드에서 매우 정확한 오픈 루프 동작을 보이고, 내장형 피드백은 외부의 피드백 장치의 비용없이 추가 정밀도를 제공한다. 마이크로 스텝 모터 기술은 저속에서 부드러운 토크와 모션을 보이고 고속에서 최대 스텝의 스텝 크기가 감소하는 동시에 분해능이 향상된다.

최신 스텝 모터 개발

최신 스텝 모터는 이전 세대 스텝 모터 보다 더 큰 정격 전력에서 사용할 수 있다. 최신 설계 기술은 소형 항공기, 강력한 자석, 물리적으로 더 큰 자석과 큰 크기의 회전자가 사용되었다. 회전자의 직경이 증가하는 것은 단위 체적 당 높은 토크를 발생시켰다. 이러한 기술을 위해 회전자의 직경과 관선이 커지는 동안 물리적 프레임의 크기와 스텝 모터 고정자의 권선이 동일하게 유지되었다. 물론, 큰 회전자 관성은 주어진 애플리케이션에서 가/감속시간에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 이러한 방법은 모터 회전자의 관성과 부하 감속비의 영향에 의해 주어진 스텝 모터 프레임 크기에 더 많은 애플리케이션을 개방한다. 일반적으로 스텝 모터 시스템은 관성모멘트/부하하중(J-load)로 결정된다: 30:1보다 적은 하중(Jm)은 가/감속은 느리지만 마이크로 스텝 모터 작동을 향상시켜 관선비를 200:1에 도달할 수 있다.

오늘날 최신 스텝 모터 드라이버 내에서 전기적으로 스톨(stall) 검출을 다루게 되면서 옵션 피드백 장치는 일반적으로 정렬 오류, 노이즈, 펄스 손실로 인한 위치 보정에 사용된다. 스텝 모터 드라이브에 따라 피드백이 있는 스텝 모터는 속도 리플이 적고 개루프 루프 모터보다 적은 전력을 사용하며 3상 서보 모터에 비해 저속에서 잔류 토크가 높다. 따라서 피드백이 필요한 단계 모터 애플리케이션은 서보 모터 시스템 비용에 접근할 수 있고 애플리케이션의 운영상 이점이 다른 애플리케이션에 불리할 수 있기 때문에 설계자는 통찰력이 있어야한다. 폐루프 스텝 모터 시스템은 기술적으로 저렴한 서보 모터 시스템과 경쟁하지 않는다; 따라서 두 유형 시스템의 장단점을 신중하게 고려해야 한다.

서보 모터 시스템 개요

서보 모터는 스텝 모터에 비해 몇 가지 뚜렷한 이점이 있다. 필요시 광범위한 속도 범위에서 높은 토크를 생성할 수 있으며 더 넓은 토크 범위와 더 높은 전압(최대 480 Vac)에서 사용할 수 있다. 이들은 연속 기능보다 훨씬 더 큰 토크로 교란에 반응하며 명령된 동작을 수행하는데 필요한 동력만 사용하며 소형이다.

서보 모터 드라이브

서보 모터 사용자가 사용하기 어려운 프로세스로 간주되는 모터 구동 보상은 대부분 과거의 일이다. 오늘날 최신식 디지털 서보 모터 드라이브 기술은 소프트웨어 및 하드웨어 기능을 향상시켜 사용자 환경을 개선하고 뛰어난 보상 유연성을 제공한다. 실제로 일부 서보 모터 시스템은 모터를 자동으로 구성하고 구동하고 피드백을 조정한다. 성능 저하 없이 제어 루프를 미세 조정할 필요 없이 자신을 조정하는 서보 모터 드라이브가 지정된 모터 기계에 자동으로 적응한다.

토크와 속도 고려사항

서보 모터는 고속으로 작동하도록 설계되었지만 적절한 준비를 통해 1rpm 이하로 매우 정밀한 제어 하에서 매우 낮은 속도로 정확하게 작동할 수 있다. 적절하게 사용할 경우 스텝 모터는 정확하며 일반적으로 저속 애플리케이션(1000rpm 미만)을 위한 보다 경제적인 솔루션이다. 그러나 1000rpm 이상에서는 스텝 모터 모터의 토크가 떨어지기 시작하며 이는 자기 회로 시간 상수 및 코어 손실의 결과이다. 이와는 대조적으로 비교할 만한 토크를 가진 서보 모터는 2000에서 4000rpm 혹은 그 이상이 될 때까지 토크가 떨어지지 않는다. 높은 관성 부하에 동력을 공급하는 직접 구동 서보 모터 애플리케이션은 일반적으로 속도가 1000rpm 미만인 반면 기계적으로 개선된 드라이브 로프 기능을 가진 일반적인 서보 모터 애플리케이션은 작동 속도 내에서 발견된다.

필요한 속도 범위가 1000에서 3000rpm 인 경우 모터 유형은 마력, 최고 속도 토크, 연속 토크(RMS)와 같은 애플리케이션 요구 사항에 따라 결정할 수 있다. 멈췄을 때(저속이 50 스텝/초 또는 15rpm) 또는 움직임 없이 하중을 유지할 경우 스텝 모터는 특히 대형 회전자의 경우 일정한 프레임 크기에 대해 서보 모터보다 많은 토크를 생성할 수 있다(최신 서보 모터 설계가 이 부분을 잠식하고 있다).

이 모든 토크를 통해 스텝 모터는 기어 박스나 다른 기계적 이점 없이 매우 정확하고 단단한 저속 운동을 수행할 수 있다. 이와는 대조적으로 극이 많고 고해상도 피드백을 받는 직접 구동 서보 모터는 기어 헤드와 같은 기계적 이점 없이 1000rpm 미만의 일반적인 속도가 요구되는 산업 프로세스 어플리케이션에 종종 사용된다. 스텝 모터가 정지해 있을 때는 연속 에너지를 사용하며 과부하가 걸리지 않는 한 움직임이 전혀 없으며 전원이 공급되지 않는 경우 멈춤쇠 토크 기능을 사용하여 위치를 고정한다. 반면 서보 모터는 계속 닫힌 루프 오류 수정으로 인해 ON 상태일 때는 정지하지 않고 명령된 위치를 유지하는데 필요한 에너지만 사용한다.

지속적으로 변화하는 위치 루프 에러는 계속 최소 에러를 찾으면서 서보 모터의 축이 앞뒤로 움직이는 일이 발생할 수 있다. 이러한 지속적인 앞뒤로 움직이는 모션은 디더(dither)라고 불린다. (예, 정지마찰을 계속 극복하려는 밸브) 물리적인 위치는 일반적으로 전체 분해능 중 몇 개의 피드백 카운터만 포함한다. 기존 서보 모터 영역이었던 반복성과 분해능이 중요한 경우는 스텝 모터를 고려할 수 있다. 스텝 모터의 경우 하중은 예측 가능해야 하거나, 축 사이의 정밀한 조정이 필요하지 않은 경우, 외부 힘과 외란은 작아야 한다. 오픈 루프를 사용하는 스텝 모터는 서보 모터와 비교했을 때 초기 기계 비용을 20~30% 이상 절약할 수 있다.

토크 성능

토크와 관련하여 설계자는 비교 가능한 토크-속도 곡선으로부터 필요한 속도보다 높은 값을 제공하는 모터를 선택해야한다. 비슷한 가격인 경우 대부분 설계자는 서보 모터 사용을 선호한다. 일정하거나 가변적인 부하의 경우 서보 모터 시스템은 스텝 모터 시스템이라면 할 수 없는 과부하 환경에서도 복구가 가능하다. 스텝 모터는 1000rpm 미만의 작은 패키지에서도 높은 토크를 제공한다. 이와 대조적으로 서보 모터는 1000rpm 이상과 이하에서의 필요한 토크를 다룰 수 있다.

관성 맞춤(matching)

시스템들의 부하 관성을 결정하면 기술적 선택에 도움이 될 수 있다. 우선적인 규칙은 스텝 모터는 보통 모터 관성과 부하 관성 비율이 30 : 1을 초과하지 않는다. 반면, 높은 분해능과 피드백, 변형이 없는 직접 구동 방식의 서보 모터 시스템은 200-300:1 구동이 가능하며 이전 피드백 기술과 비교하여 빠른 응답 시간을 제공한다. 과거에 빠른 반응시간과 높은 가/감속이 필요한 전형적인 서보 모터 시스템은 회전자와 부하의 관성 비율이 1:1에서 5:1까지의 범위를 요구했고 이후에는 1:1에서 8-10:1의 범위로 이동했다.

오늘날 가장 높은 분해능, 적은 변형과 백래쉬를 가진 서보 모터 시스템은 많은 애플리케이션을 위한 1-15:1의 높은 관성 비를 얻을 수 있다. 이러한 드라이버는 추가 위험 없이 최고의 운영 효율을 제공한다. 높은 관성 비는 용도에 따라 원하는 기계 사양뿐만 아니라 메커니즘의 적합성 및 백래시와 관련된 애플리케이션에 의존하여 달라진다. 직접 구동 시스템의 경우 필요한 강성이 큰 축과 베어링을 요구하는 경우가 종종 있으며 심지어 모터를 고정하는 기계 고정 장치의 변형에도 작동한다.

축 조정

축 사이의 조정이 필요한 애플리케이션은 엄격한 동기화와 요구 명령의 변경 및 신호 장애에 대한 신속한 보정이 가능한 높은 대역폭 성능으로 인한 서보 모터 제어 시스템이 가져다주는 이점을 누린다. 적절한 사이즈의 개루프 스텝 모터 시스템은 여전히 모든 피드백 확인 없이 동기화가 가능하지만 명령된 축 사이의 조정 및 순차성에 의지한 가능성만으로 포인트에서 포인트까지 이동만 가능하다.

케이블링과 모터 드라이브 조정

서보 모터의 안정성과 유지 보수를 개선하는 한 가지 변화는 전력과 피드백 장치 사이에 필요한 와이어의 수를 줄이는 것이다. 제조업체는 폐루프 시스템의 서보 모터 튜닝에서 벗어나 시스템이 유지 보수가 필요한 시기를 결정하는데 있어 많은 추측을 했다. 자동화되거나 계산된 튜닝 기법과 내장 진단 프로그램은 사용자의 요구 사항을 단순화하는데 도움이 된다. 추가적으로 대부분의 서보 모터 드라이버는 수년간 스텝 모터와 인터페이스 하는데 사용된 기존 스텝 및 방향 입력을 사용한다.

이 기능을 사용하는 서보 모터는 명령된 모터 스텝의 잠재적 손실 또는 추가를 제거하는 위치 모드이다. 이 기능을 사용하는 서보 모터는 명령된 모터 단계의 잠재적인 손실 또는 추가를 제거한 위치에 있을 수 있다. 따라서 모터 성능의 가장자리에서 작동할 때 스텝 모터 시스템의 가장 흔한 문제 중 하나가 발생하며 이것은 명령된 스텝의 수에 비례하여 동작 스텝의 손실 및 추가가 발생한다는 것을 의미한다. 이러한 문제는 대부분 가/감속 동안 가장 눈에 띈다. 스텝의 손실은 보통 큰 관성 및 예측보다 큰 마찰에서 발생한다. 반대로, 스텝의 추가는 보통 큰 관성 및 노이즈에서 발생한다. 손실 및 추가된 모션 스텝의 누적 때문에 제조 공차를 초과하기까지 몇시간이 걸릴 수 있다. 그럼에도 불구하고 스텝 모터는 시스템을 가동시키기 위해 최소한 양의 모터 구동 조정 장치와 연결이 필요한 와이어가 적어 여전히 간단하다.

정확도와 해상도

스텝 모터 시스템은 이론과 실제 해결 방법 사이에 차이가 있다. 예를 들어, 2상, 풀 스텝, 1.8도 스텝 각을 갖는 모터는 1개의 분해능에 200개의 가능한 위치를 가질 수 있지만 가능할지 못할지는 모터 사이즈를 적용하는 애플리케이션에 달려있다. 1.8° 마이크로 스텝 모터는 비록 각 스텝마다 10개의 마이크로 스텝으로 분류할 수 있지만 항상 0.18° 이내의 위치를 찾을 수 있는 것은 아니다. 추가적으로 부하 관성과 마찰을 극복하기 위해 충분한 토크가 증가하기 전에 여러 개의 마이크로 스텝이 필요할 수 있다. 실제 상황에서 모터는 안정화되고 명령된 숫자를 넘어 하나 이상은 쉽게 점프할 수 있다. 위치 결정 요구 사항이 회전 당 200 스텝을 초과해야 하는 경우 스텝 모터는 피드백 인코더를 사용하여 1000 step/rev 이상을 달성할 수 있다. 5상 모터와 마이크로 스텝 모터 스텝 및 회전을 향상시킬 수 있다.

서보 모터 분해능은 이론적으로 무한하지만 폐루프 동작 시 시스템 포지셔닝은 주로 사인 인코더, 리졸버, 또는 TTL 유형 인코더 등 피드백 장치의 분해능에 따라 달라진다. 오늘날의 고 분해능 피드백 장치는 221[2,097,152]에서 228[268,435,456] 사이로 모터 회전 당 카운트가 가능하고 선택적 멀티 턴 기능 (일반적으로 4096 까지)에 접근한다. 다중 방향 지원 피드백 장치는 초기 축 전원 자동 유도 사이클을 제거하여 기계 전원이 켜지는 축의 절대 위치에 사용할 수 있다.

반복성

서보 모터는 폐루프 구동을 하기 때문에 반복성에 강하다. 그러나 스텝 모터는 특히 한 방향만 가질 때 많은 애플리케이션에서 반복 가능하다. 그러나 아이들 전류 감소(Idle Current Reduction) 모드를 사용하거나 부하가 증가하고 스텝 모터의 용량을 초과하면 상황이 변한다. 기어 박스가 백래시를 일으키는 경우와 비슷하게 스텝 모터도 시스템 구성에 따라 반복성이 좌우된다. 새로운 방향으로 첫번째 이동하는 경우에는 모터의 정확도에 영향을 미치는데 이것은 스텝 모터가 관성과 마찰을 극복해야하기 때문이다. 이러한 경우에 시스템은 지정된 반복성을 다시 찾지만 명령된 값 보다 실제 위치를 잃거나 얻을 수 있다.

입력 파워

스텝 모터는 저항이 직렬로 있는 인덕터와 같으며 그 결과 토크를 생성하는 전류가 상승하려면 시간이 필요하다. 이러한 시간에 주어진 전압의 속도를 제한하므로 특정 애플리케이션에서 모터 속도를 높이려면 더 높은 전압이 필요하다. 서보 모터 시스템도 비슷하게 작동하시만 기능 범위 내에서 동작하는 드라이브의 제어 루프는 명령 및 피드백 에러와 관련된 부하의 요구를 만족시키는 서보 모터의 필요한 전류와 전압을 나타낼 수 있다. 이와는 대조적으로 서보 모터 시스템은(어떤 이유로든) 작동 엔벨로프 외부에서 심지어 1msec 동안 작동하도록 강요될 때 더 이상 제어 아래 있지 않으므로 서보 모터로 작동하지 않는다.

결론

두 모터는 오늘날 메카트로닉스 설계에서 분명한 선택이다. 그러나 서보 모터 및 스텝 모터 시스템의 장점과 단점 특히 수행해야 할 프로세스 또는 작업과 관련하여 명확하게 이해하게 되면 주어진 애플리케이션에 대한 최적의 선택이 훨씬 명확해 진다. 현재와 미래의 필요에 대해 반복 가능성 정확성과 유연성 요구 사항을 포함하여 스텝 모터 또는 서보 모터 솔루션을 사용하여 원하는 프로세스를 수행할 수 있다고 가정할 경우, 나머지 고려사항은 환경, 수명 운영 소음 또는 에너지 사용이다. 특정 요구 사항이 두 기술 중 하나를 허용하는 경우 고려되는 작업 프로세스나 작업에 대한 구체적인 지식 가능한 미래의 필요성 및 설계자의 기계 경험과 함께 통찰력과 선견지명을 활용해야 한다.

자료제공 : KOLLMORGEN