마이크로스텝 모터의 장점과 단점

MICROMO

2상 스텝 모터의 마이크로스텝은 매우 강렬하다. 풀 스텝당 256 마이크로스텝과 1.8도 하이브리드 스텝 모터, 1회전당 51,200마이크로스텝 분해능은 사용자의 마음을 사로잡는다.

취약점은 어디에 있는가?

풀 스텝당 마이크로스텝 수를 늘리면 마이크로스텝당 증분 토크(incremental torque)가 급격이 감소하며 해상도가 높아진다. 그러나 정확성은 떨어지게 된다.

샤프트 포지션과 달리, 일부 스테퍼 모터에는 순수 사인파형 토크가 있다. 모두 고차 고조파가 있어 곡선을 왜곡시키고 정확도에 영향을 미친다(아래 그래프 참조). 마이크로스텝 드라이브는 오래되었지만 여전히 사인파에 가깝다.

어느 부하 토크도 ‘마그네틱 백래시(magnetic backlash)’를 발생시켜, 토크가 충분히 생성되기 전에 회전자가 의도한 위치에서 벗어나는 문제가 있다.

단일 마이크로스텝의 증분 토크에 대한 실제 표현은,

  N 마이크로스텝의 증분 토크는,

  그리고 기호와 단위는 아래와 같다.

아래 도표 1은 풀 스텝당 마이크로스텝 수의 함수로서, 마이크로스텝당 증가 토크의 의미 있는 효과를 극적으로 보여준다.
  

풀 스텝은 식1과 2에서 풀 스텝당 하나의 마이크로스텝으로 간주한다. 반 스텝은 풀 스텝당 2마이크로스텝이다.

이것이 무엇을 의미하는가?

부하 토크와 모터의 마찰과 정지 토크가 마이크로스텝의 증분 토크보다 큰 경우, 축적된 토크가 부하 토크와 모터의 마찰과 정지 토크를 초과할 때까지 마이크로스텝은 계속 실현되어야 한다.

마이크로스텝으로 모터가 실제로 움직이는 것은 아니다. 역방향으로 움직이려면, 이동이 발생하기 전에 상당한 수의 마이크로스텝이 필요하다. 모터 축 토크가 양의 값에서 음의 값으로 감소해야 음의 값을 가지므로 음의 방향으로 움직이는 데 충분한 토크가 필요하기 때문이다.

정확도 vs 해상도

모터가 로드되지 않으면, 특정 유형이나 관성 포지셔닝에 마이크로스텝을 사용해야 한다.

스텝 모터는 여전히 베어링 때문에 마찰 토크, 고조파 왜곡, 정지 토크가 발생한다. 베어링 마찰을 줄이려면, 증분 토크를 충분히 ‘감아야(wind-up)’ 한다.

베어링 마찰보다 더 지장을 주는 것은 정지 토크이며, 일반적으로 홀딩 토크의 5~20%이다. 때로는 정지 토크도 추가된다. 그러나, 이는 동력을 받은 토크 생성에서 뺄 수도 있다. 어쨌든, 전반적으로 정확성에 문제가 된다.

일부 제조업체는 모터의 ‘마이크로스텝’ 버전을 제작하고 있다. 표준 모터 구조는 보통 정지 토크를 줄인다. 이로써 토크 유지비를 줄이거나, 토크 VS 회전자 위치를 사인파에 가깝게 한다. 또한 토크 VS 전류의 선형성을 향상시킨다. 그러나 마이크로스텝 문제를 줄일 수 있지만, 제거하지는 못한다. (Faulhaber ADM1220S와 같은) 특정 마그네틱 디자인만 정지 토크가 없다.

룩업 테이블(lookup table)을 사용하여 모터와 마이크로스텝 구동의 부정확성을 ‘수정’하는 방법도 있으나, 룩업 테이블로 보정 후 로드 코트가 변경된다면, ‘보정된’ 테이블을 활용하지 않을 때보다 결과가 더 나빠질 수 있다.

왜 마이크로스텝인가?

마이크로스텝의 고해상도 외에도 여러 장점이 있다.

• 기계 소음 감소.

• 기계적으로 부드러운 추진.

• 공진 문제 감소.

마이크로스텝은 고해상도를 제공하지만 정확도를 높이지는 않는다. 그러나 실질적으로 기계적, 전자기 유도 노이즈를 감소한다. 토크의 기계적 전달은 공진 문제와 같이 훨씬 완화될 것이다. 이것은 오픈 루프 시스템의 동기화를 유지하고 기계식 변속기 시스템의 마모를 최소화한다.

실제로 풀 스텝당 무한 수의 마이크로스텝을 사용하면, 2상 동기식 영구 자석 AC 모터가 작동된다. 속도는 AC 전원 주파수의 함수이다. 충분한 토크가 생성되어 부하를 수용할 때까지 회전자는 회전 자기장 뒤로 지연된다.

 

자료 제공: MICROMO(www.micromo.com)