스텝 모터를 선정하고 사용할 때 피해야 하는 6가지 유의 사항

스텝 모터는 포장 장비, 3D 프린터, 재료 핸들링과 정렬 공정 라인, CNC 기계 등 다양한 용도에서 디지털 방식으로 제어할 수 있는 비용 효율적이고 간단한 방법을 제공한다. 또한 많은 회전축과 리니어 축의 중요한 구성 요소이기도 하다.

스텝 모터의 비용과 성능상 장점은, 모터의 단순성과 피드백 없는 오픈 루프 제어 방식으로 정확히 위치를 제어할 수 있는 능력에 있다. 오픈 루프 스테퍼 시스템의 최적화된 성능 장점을 얻으려면 스텝 모터를 애플리케이션에 선정하고 설치하는 방법을 이해해야 한다. 다음은 초보자와 경험자가 쉽게 할 수 있는 6가지 일반 유의 사항이다.

스텝 모터의 토크 사양은 실제로 써야 할 토크보다 높아야 한다.

애플리케이션에서 하중을 이동하는 데 필요한 토크를 계산한 다음, 사용자는 스텝 모터의 홀딩 토크 값이나 속도-토크 곡선을 기준으로 스텝 모터를 선택한다. 그러나 실제로 적용했을 때 모터가 예상된 토크량을 생성하지 않을 수도 있다.

첫 번째 유의 사항은 홀딩 토크를 성능의 척도로써 스텝 모터를 선정하는 것이다. 홀딩 토크는 모터가 위치를 유지하고 움직이지 않게 하는 데 필요한 토크를 말한다. 이것은 모터가 움직일 때 발생하는 토크를 뜻하지는 않는다.

스텝 모터가 움직이기 시작하면 정격 토크는 몇 rpm만 돌아도 홀딩 토크 값에서 급격히 떨어진다. 속도가 빨라질수록 토크는 더 떨어진다. 따라서 홀딩 토크 값만으로 스텝 모터를 선택해서는 안 된다. 반드시 속도-토크 곡선을 참조해야 한다.

두 번째 유의 사항은 속도-토크 곡선의 특성을 이해하지 못하는 것이다. 속도-토크 곡선은 스텝 모터가 스톨(stall, 급격한 감소)이 발생하기 전의 토크를 나타낸다. 스텝 모터가 스톨이 발생하면 회전자가 고정자와 동기화되지 않고 결국 축이 회전을 멈춘다.

스텝 모터가 계속 작동하고 하중을 이동할 수 있는 충분한 토크를 제공하려면 안전율을 확보해 속도-토크 곡선을 이용해야 한다. 간단한 방법은 게시된 곡선의 1/2 ~ 2/3 높이에서 속도-토크 곡선에 평행한 선을 추정하는 것이다. 이 가상선은 스텝 모터가 최소한의 정지 위험에서 벗어나 안정적으로 생성할 수 있는 토크의 양을 나타낸다. 자세한 내용은 그래프 1(스텝 모터의 전형적인 속도-토크 곡선)에서 확인할 수 있다.

스텝 모터가 너무 뜨거우면 문제가 있을 수 있다.

스텝 모터는 고온으로 작동하도록 설계됐다. 스텝 모터에 쓰이는 가장 일반적인 절연 등급은 B등급이며, 최대 130°C의 작동 정격을 갖는다. 이는 스텝 모터가 고장 나기 전에 표면 온도가 90°C 이상에 도달할 수 있음을 뜻한다. 사람이 만질 수 있는 온도보다 훨씬 뜨겁다. 그러므로 스텝 모터를 사람이 만질 수 있는 위치에서 멀리 떨어뜨려 놓아야 한다.

스텝 모터는 오픈 루프 제어 시스템에서 쓰기 때문에 고온에서 작동하도록 설계됐다. 오픈 루프 스텝 모터는 전류 피드백(또는 속도나 위치 피드백)없이 작동한다. 필요한 토크량과 관계없이 드라이브에서 공급되는 전류는 일정하다. 스텝 모터에서 최대 토크를 얻기 위해 제조업체는 B등급 단열재를 쓴다. 따라서 정격 전류는 과열 없이 토크 출력을 최대화하도록 설계된다. 그 결과 스텝 모터가 고토크와 더불어 고열이 발생한다.

12볼트 전력 공급 장치를 써서 스텝 모터에 전원을 공급하고 주행할 수 있는가?

스텝 모터뿐만 아니라 다른 전기 모터에서도 공급 전압은 모터 속도와 직접 관련이 있다. 시스템에 전압을 높여 공급하면 모터는 더 빠른 속도를 낸다. 서보 혹은 DC 모터의 정격 공급 전압은 속도, 토크, 전력을 포함한 기타 정격 사양으로 결정된다. 스텝 모터에서 지정된 정격 전압은 보통 스텝 모터의 권선 저항과 정격 전류를 곱한 값보다 크지 않다. 이것은 홀딩 토크를 계산하는 데 유용하지만 스텝 모터가 움직일 때는 추가로 고려할 사항이 있다.

모든 전기 모터와 마찬가지로, 축이 움직이기 시작하면 스텝 모터는 BEMF(Back EMF) 전압이 발생돼 와인딩에 흐르는 전류를 방해한다. 필요한 토크를 얻기 위해선 공급 전압이 BEMF보다 훨씬 높아져야 한다. 공급 전압을 지정하는 방법에 정해진 규칙이 없기 때문에 사용자는 주어진 스텝 모터, 드라이브, 전원 공급 장치조합에 대해 게시된 속도-토크 곡선을 검토해야 한다.

속도-토크 곡선에 지정된 공급 전압은 필수 정보이다. 게시된 곡선이 48V 전원을 사용할 때 12V 전원을 사용하면 모터가 예상 토크에 도달하지 않는다. 자세한 내용은 그래프 2(동일 스텝 모터와 드라이브 조합을 나타낸 두 개의 속도-토크 곡선)를 참조하면 된다.

이 스텝 모터를 PLC 출력 몇 개로 구동할 수 있을까?

왜 드라이브가 필요한가?

2상 스텝 드라이브는 H 브리지를 형성하기 위해 연결된 8개의 트랜지스터 세트를 사용한다. PLC 출력에서 같은 값의 H 브리지를 생성하려면 8개의 출력이 필요하다. 6개의 리드선을 가진 일부 2상 스텝 모터는 트랜지스터가 4개 이하인 상태로 구동되기도 한다. 이런 경우 PLC 4개의 출력을 써서 스텝 모터를 단순한 정역 회전(전동기 회전 방향을 반대로 돌리는 것.)만을 시킬 수 있다. 그러나 스텝 드라이브는 H 브리지 트랜지스터가 제공하는 단순한 시퀀스 이상의 기능을 한다.

스텝 드라이브는 버스 전압(bus voltage)의 PWM 전환으로 모터의 각 위상(Phase)에서 전류를 조절한다. 앞서 설명했듯이 공급 전압은 BEMF를 극복해 각각의 속도에서 토크를 발생할 수 있을 만큼 높아야 한다.
마이크로 스테핑 기능이 있는 스텝 드라이브는 사인파에 따라 각 위상의 전류를 비율화하기 위해 PWM 스위칭 로직을 더욱 세분화해 스텝 모터의 기본 스텝각보다 정밀한 포지셔닝을 제공한다.

가장 기본적인 스텝 드라이브 기능을 궤도 생성기가 있는 드라이브는 사전 설정된 가감속 속도에 따라 모터 속도를 자동으로 올리거나 내릴 수 있다.
스텝 모터를 구동하기 위해 PLC 출력을 사용하는 것은 스텝 모터의 작동 방식을 분석하는 데 유용하지만 어떤 주요한 동작 제어 프로젝트를 위해서는 적절한 드라이브를 사용해야 한다.

스텝 모터의 소음이 심하면 문제가 있다는 것이다.

모터가 작동할 때마다 회전자가 제 위치에 자리 잡을 때 약간 울리는 소음이 생긴다. 소음은 모터의 자연 공명 주파수이며 모터 구조에 기인한다. 고유 공진 주파수는 모터 스텝 주파수가 근접하거나 같을 때 증폭된다. 이 소음은 스텝 모터가 전체 스텝 시퀀스(쓸 수 있는 최저 분해능, 모터의 스텝 각도와 동일)에서 저속으로, 일반적으로 초당 1~5rps 회전 범위에서 구동될 때 가장 두드러진다.

소음 문제는 사용자가 어떤 하중에도 연결하지 않은 상태에서 처음으로 스텝 모터를 테스트할 때 발생한다. 이런 상황에서 모터는 공명 감쇠 댐퍼(damper, 진동 에너지를 흡수하는 장치)가 없을 때처럼 공진할 수 있다.

몇 가지 간단한 단계만으로 공진을 완화할 수 있다.

모터를 장착하고 모터 축을 하중에 연결해 시스템에 기계적 댐핑을 추가하면 된다. 축을 하중에 연결하면 시스템에 약간의 관성이나 마찰이 추가되고 모터의 고유 공진 주파수가 변경되거나 감쇠된다.

또한 마이크로 스테핑으로 스텝 각도로 줄이는 방법이 있다. 마이크로 스테핑 시, 단계마다 스텝각이 훨씬 작아지고 고유 공진 주파수는 덜 반응한다.
이중 어느 것도 효과가 없다면 반공진 알고리즘이 내장된 스텝 드라이브를 쓰는 것이 좋다.

스텝 모터를 구동하려면 엔코더가 필요한가?

오픈 루프 제어에서 스텝 모터를 구동하기 위해 엔코더가 필요하지 않다. 스텝 모터는 오픈 루프 제어를 사용해서 하중을 정확하고 반복적으로 움직이게 하는 유일한 BLDC 모터 유형이다. 다른 모터는 위치 피드백이 필요하다. 오픈 루프 제어는 다음과 같은 경우에 잘 작동한다.

· 모션 작업은 시간이 지남에 따라 동일하다.
· 하중이 변하지 않는다.
· 필요한 속도가 상대적으로 느리다.
· 모션 작업을 완료하지 못하면 치명적이거나 위험한 기계 고장이 발생하지 않는다.

응용 프로그램이 명시된 기준을 충족하지 않는 경우, 일정 수준의 폐루프 제어를 쓰는 것이 좋다. 스텝 모터 시스템에 엔코더를 추가하면 본질적으로 오픈 루프 제어이다. 그러나 효과적으로 개선할 수 있는 기본 기능부터 스텝 모터가 서보 제어 시스템의 일부로 작동하는 완전 폐 루프 제어에 이르기까지 많은 장점을 제공한다. 피드백 범위와 폐 루프 제어 옵션 정보는 스텝 모터 혹은 드라이브 공급 업체에 문의하면 된다.