단극(Unipolar)과 양극(Bipolar) 스테퍼 모터의 차이점

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스테퍼 모터는 전기 펄스를 단계별로 기계적 모션으로 변환한다. 회전은 적용된 펄스와 직접 연관된다. 펄스의 순서는 모터 샤프트 회전 방향을 지시하고, 펄스의 주파수는 샤프트 회전 속도를 지시하며, 적용된 입력 펄스의 수는 회전 거리와 직접 관련된다.

스테퍼 모터를 사용하면 많은 장점을 얻을 수 있다. 이를테면 정지 상태에서 최대 토크를 가지고 시작 혹은 정지에 탁월한 응답을 보이며 개방형 루프 제어를 제공한다. 또한 스테퍼 모터는 스텝의 3~5% 사이의 스텝 정확도를 유지한다. 이는 정확한 위치 결정과 이동 반복성을 제공한다. 이런 특징이 샤프트에 직접 연결된 하중을 느린 속도의 동기 회전을 달성할 수 있게 한다. 특정 요구에 따라 샘플이 분배되는 실험실 작업이나 픽 앤 플레이스 작업과 같은 포지셔닝 애플리케이션에 이상적이다.

2상 스테퍼 모터가 가장 일반적인 유형이다. 권선에서 전류의 방향을 변경해, 권선이 생성하는 자기장을 번갈아 작동한다. 2상 스테퍼는 단극(Unipolar)과 양극(Bipolar) 버전이 있으며 각각 애플리케이션에 특정한 장단점을 제공한다. 본문에서 두 버전의 차이점 그리고 모터의 작동 방식과 최적의 사용법을 설명한다.

단극 스테퍼 모터 설계

단극 스테퍼 모터는 위상마다 중앙 탭이 있는 단일 권선을 사용해 감는다(그림 1). 일반적인 배열은 위상마다 리드 3개와 표준 2상 스테퍼 모터에 리드 6개가 있는 것이다. 그러나 중앙 탭은 때때로 두 위상에 함께 묶여서 5-와이어 모터(five-wire motor) 배열이 만들어진다.

전원을 중앙 탭에 연결하고 권선의 한쪽 끝을 접지에 연결하면 전류가 한 방향으로 흐른다. 권선의 다른 쪽 끝을 접지에 연결하면 전류가 반대 방향으로 흐른다. 따라서 단극은 전류가 각 권선을 거쳐서 한 방향으로 흐르도록 설계됐음을 나타낸다.

권선 설계는 전류 흐름 방향이 바뀌기 전에 한 방향의 전류가 완전히 감쇠될 필요는 없다. 결과적으로 전류가 흐르고 자기장이 방향을 빠르게 전환할 수 있다. 그러므로 단극 권선이 고속 애플리케이션에 적합하다는 것을 알 수 있다.

단극 스테퍼 모터를 구동하는 것은 직관적이고 간단하다. 중앙 탭은 전원에 연결되고 각 모터 위상은 MOSFET 트랜지스터로 접지에 연결된다(그림 2). 따라서 단극 권선은 모터를 구동하기 위해 트랜지스터 4개만 필요하다. 이것은 구동 회로를 간단하게 해 준다.

양극 스테퍼 ​​모터 설계

양극(Bipolar) 스테퍼 ​​모터는 위상마다 단일 권선만 존재하도록 설계됐다(그림 3). 일반적인 배열은 위상마다 리드 2개와 표준 2상 스테퍼 모터에 리드 4개가 있는 것이다.   모터에는 권선이 하나만 있기 때문에 권선의 전류는 역전되고, 자기장 역시 역전될 수 있다. ‘양극’은 전류가 권선을 거쳐서 양방향으로 흐르는 것에 기인한다. 한 방향의 전류가 완전히 감쇠해야 반대 방향으로 최대 전류를 적용할 수 있다. 그러므로 양극 모터는 단극 모터보다 속도가 느리다.

H 브리지라고 하는 구동 회로는 MOSFET 트랜지스터(그림 4) 4개를 사용하며 전류가 권선 하나로 양방향을 흐를 수 있어야 한다. 양극 모터를 구동하기 위해서는 H 브리지 2개가 필요하다. 이 때문에 모터마다 8개의 MOSFET 트랜지스터가 필요하며 이는 양극 모터의 2배이다.

단일 혹은 이중 H 브리지가 있는 집적 회로를 사용할 수 있어서 드라이브 회로를 간단히 설계할 수 있다.   양극 스테퍼 ​​모터의 주요 장점 중 하나는, 단극 스테퍼 ​​모터와 비교할 때 저속에서 더 많은 토크를 제공한다는 것이다. 즉, 양극 스테퍼 ​​모터는 저속에서 높은 토크가 필요한 애플리케이션에 가장 적합하다.

추가 스테퍼 모터 고려 사항

앞서 언급한 모터 설계 요소를 기반으로 추측할 수 있듯이, 모터와 드라이버 간의 호환성은 모든 설계에서 중요한 요소이다. 따라서 해당 국가에서 사용하는 권선 유형과 이에 따른 드라이브 지원 여부가 선택 요인 중 하나가 될 것이다.

모터의 단계적 스텝 이동 방식(표준 스테핑 혹은 마이크로 스테핑) 때문에 한 단계에서 다음 단계로 이동하는 과정에 모터의 견고성을 알 수 있다. 모터에 대한 마이크로 스테핑 속도를 조정하면 더 부드럽게 작동할 수 있지만 토크 출력에 영향을 준다. 따라서 스테퍼 모터에서 토크와 속도 사이를 절충하는 일은 설계 과정에서 주요 고려 사항이 될 수 있다.

애플리케이션

비록 스테퍼 모터가 폐쇄형 루프 애플리케이션에서 작동할 수 있지만, 대부분 개방형 루프 구성에 사용한다.   스테퍼 모터는 폐쇄형 루프 없이 높은 반복성을 제공하므로 이미징 기계와 실험실 자동화 분야를 포함한 의료 기기, 로봇 시스템과 3D 인쇄 기계, 섬유 기계, CNC 밀링 기계 그리고 용접 장비 등에 쓰인다.

자료 제공: NPM(www.npm.com)