스텝 모터와 스텝 서보의 차이점과 유사점 그리고 장점과 단점에 대한 비교

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스텝 서보 기술은 비 맞춤형 스텝 모터에 인코더를 추가하고 정류형 2상 브러시리스 DC 모터로 작동하면 우수한 성능을 구현할 수 있다. 인코더가 필요하다는 의미는 저비용 애플리케이션에 스텝 서보가 유용하지 않다는 뜻이다. 그러나 브러시리스 DC 모터를 필요로 하는 애플리케이션의 경우 스텝 서보가 유용한 솔루션으로 고려되고 있다.

스텝 서보는 브러시리스 DC 모터보다 저렴한 솔루션을 제공하며, 가속도 및 토크 출력과 같은 영역에서 실제로 브러시리스 모터를 능가할 수 있다. 따라서 고속으로 지점 간 이동, 섬유 장비, 코일 권선, 고속 전자 캠 등과 같은 응용 분야에 적합하다. 그렇다면, 스텝 서보는 어떻게 작동되는가? 질문을 위해 기존의 스텝 모터 제어 방식을 간략히 검토한 후 스텝 서보가 어떻게 다른지, 오늘날의 설계자를 위해 무엇이 장점이 될 수 있는지를 살펴보자.

스텝 모터

스텝 모터는 사용이 쉽기 때문에 다른 종류 모터보다도 선호도가 높다. 위치를 유지하기 위해 인코더가 필요하지 않으며, 포지셔닝에 사용되는 DC 브러시 또는 브러시리스 DC 모터와 달리 서보 제어 루프가 필요하지 않다. 장점은 저비용, 높은 토크 출력 및 브러시리스 작동이다. 주요 단점은 진동, 소음 및 제한된 속도 범위이다.

그림 1은 스텝 모터를 구동하기위한 기존 파형을 보여준다. 스텝 모터는 다상 장치로, 여러 모터 코일이 전기적으로 구성돼 모션을 생성한다. 대부분의 스텝 모터에는 2상이 있지만 3상 또는 5상 같은 여러 상으로도 구성된다.

스텝 모터의 제품을 구분할때 증폭기를 사용하는 위상 기술에는 풀 스텝, 하프 스텝 및 마이크로 스텝 제어와 같은 특별한 이름으로 분류된다. 이러한 다양한 기술은 사이클 동안 각 모터 코일에 적용되는 동력 수준의 수를 나타낸다. 어떤 구동 방식을 사용하든 외부 컨트롤러가 전기 위상을 변경하면 모터가 전진 또는 후진한다.

스텝 모터는 일반적으로 풀스텝 당 기계적 각도가 1.8도(전기적 90도)로 구성된다. 따라서 이것은 1.8도 스테퍼가 기계적 회전당 200개의 전체 단계를 가짐을 의미한다. 1.8도 스텝 모터 외에도 9도 및 7.2 도와 같은 다른 구성이 있다.

자기장

이제 모터 내부의 작용을 알아보고 일반 스텝 모터가 어떻게 작동하는지 자세히 살펴본다. 그림 2는 스텝 모터의 간단한 자기 모델을 제공한다. 회전자는 외부에서 제어되는 자기장(고정자)과 상호 작용하는 회전하는 막대자석으로 생각할 수 있다. 생성된 회전 토크는 N-S 로터 필드가 고정자 N-S 자기장(혹은 B- 필드라고도 함)과 정렬될 때 0 이고 두 필드가 서로 전기 각도가 90 도인 경우 최대이다.

고정자 코일이 전류에 의해 구동되면 스텝 모터가 특정 위치에 도달하도록 구동하는 사인파형의 힘이 생성된다. 코일을 통해 흐르는 전류가 많을수록 힘의 파형 깊이가 커진다. 힘 프로파일에서 곡선이 수평인 곳에서는 기계적 토크가 생성되지 않으며 곡선이 가장 가파른 곳에서는 생성된 토크가 가장 크다.

그림에서 볼 수 있듯이 기존의 스텝 모터 구동 방식에서 모터는 힘 프로파일의 하단에 고정된다. 이 시점에서 모터가 평형 지점에 있기 때문에 생성된 순 회전 모터 토크는 0 이다. 이것은 인코더 또는 서보 루프없이 스텝 모터에서 위치를 유지할 수 있는 이유이다.

모션을 생성하기 위해 컨트롤러는 외부 코일 연결을 통해 고정자 위상을 변경하여 이 밸리를 앞뒤로 이동한다. 로터는 앞뒤로 떨어지는 것보다 힘 파형의 낮은 바닥지점에서 응답한다.

모션의 평탄성

이 시스템이 편리하고 간단하지만 다음과 같은 단점이 있다.

• 불확실한 정확도: 로터의 실제 위치는 평형 복원력과 로터에 존재할 수 있는 외부 힘의 합이다. 따라서 주어진 응용 프로그램에서 또는 주어진 부하에 대해 실제 경로는 작은 규모로 다양하게 진행된다.

• 중간 범위의 불안정성: 공의 비유로 돌아가서, 위상 각이 갑자기 변하면 로터는 전진하지만 평형 점 주위를 맴돌고 마침내 새로운 위상 각으로 정착하는 경향이 있다. 이 프로세스는 큰 문제는 아니지만 링잉 주파수가 명령된 스텝 속도와 같을 때 중간 범위 불안정이라는 현상이 발생하여 특정 속도에서 토크가 크게 감소 할 수 있다.

• 스텝 손실: 외부 힘은 로터를 평형 위치에서 힘 프로파일 곡선 위로 그리고 다음 밸리로 끝까지 밀어 낼 수 있다. 이 현상을 스텝 손실이라고 하며 시작되면 폭주 효과가 발생한다. 즉, 로터가 명령된 프로파일보다 더 멀어지고 결국 정지하게 된다.

• 과도한 열: 스텝 손실 현상을 방지하기 위해 모터는 모션 프로파일을 처리하기에 충분한 토크 수준에서 작동된다. 즉, 프로그래밍된 토크가 실제로 필요한 것보다 더 높기 때문에 과도한 열이 발생한다.

• 소음: 풀 스텝 또는 하프 스텝 구동 방식을 사용하는 경우 코일 구동 신호의 정사각형 에지는 로터에서 공진을 유발한다. 소음의 또 다른 이유는 회전당 많은 수의 전기 사이클 때문이다. 로터를 앞뒤로 움직이기만 하면 컨트롤러가 각 위상에 대해 지속적으로 명령 전압을 위아래로 순환해야 하므로 코일과 모터에 소음이 발생한다.

• 진동: 소음에 대해 위에 나열된 모든 요소가 진동을 생성할 수도 있다. 마이크로 스테핑 드라이브의 경우 소음이 거의 발생하지 않지만 많은 진동을 생성할 수 있다. 고정자 및 회전자 톱니의 형상과 B 필드의 특성으로 인해 변환된 동작에 대한 구동 신호의 관계가 완벽하지 않다. 즉, 명령된 위치와 실제 측정된 위치의 플롯은 정확한 직선이 아니다. 이 현상은 동작 중에 가벼운 진동을 유발한다.

• 낮은 속도: 정확한 위치를 포지셔닝 하기위해 스텝 모터는 코일 명령 파형의 전진에 대해 작게 움직인다. 표준 1.8도 스텝 모터에는 단일 기계 회전당 50개의 전기 사이클이 필요하다. 이에 비해 4극 브러시리스 DC 모터는 회전당 전기 사이클이 두 번만 필요하다. 모터 코일 유도용량은 위상이 변경될 수 있는 속도를 제한하므로 스텝 모터는 브러시리스 DC 모터보다 훨씬 낮은 속도를 갖는 경향이 있다.

스텝 서보

이제 폐쇄 루프 스테퍼라고도 하는 스테퍼 서보 기술을 살펴보자. 스테퍼 서보 작동은 일반적인 스텝 모터 작동과 다른 세 가지 주요 방식이 있다.

1. 첫 번째는 상당히 높은 분해능을 가진 스텝 모터에 인코더를 부착해야 한다는 것이다. 표준 1.8도 스텝 모터의 경우 회전당 2,000 카운트 이상의 인코더가 필요하며 7.2도 스텝 모터의 경우 500은 최소값이다.

2. 두 번째 차이점은 스테퍼 서보 작동은 브러시리스 DC 모터처럼 모터를 실행하고 명령된 위치가 아닌 실제 인코더 위치를 사용하여 위상각을 정류한다는 것이다. 힘 다이어그램을 다시 그리면 아래 그림은 정류 위상이 어떻게 스텝 모터가 평형 지점이 아닌 힘 밸리의 가장 가파른 부분에서 작동하는지를 보여준다.

3. 세 번째 차이점은 파형의 높이와 위상각이 일정하지 않고 명령된 위치를 서보하는 데 사용되는 위치 PID 루프의 출력에 따라 계속 변한다는 것이다. 다시 말하지만 이것은 브러시리스 DC 모터가 작동하는 방식과 동일하다.

• 스텝 손실이 없음: 장점 중 하나는 스텝손실이 더 이상 문제가 되지 않는다는 것이다. 서보 모터로 작동하는 인코더는 스텝 모터의 위치를 결정하므로 스텝 손실 문제가 더 이상 적용되지 않는다.

• 낮은 열 발생 모터를 보다 효율적으로 실행한다는 것이다. 이는 모터에서 발생하는 열이 적다는 것을 의미한다. 정류 모터는 원하는 모션 프로파일을 달성하는 데 필요한 토크의 양만 출력하는 반면, 전통적으로 제어되는 스텝 모터는 까다로운 모션을 요구 조건을 충족하기 위해 큰 정전류로 구동된다.

• 정확도: 정확도는 두 가지 차원이 있다. 엔코더가 모터의 위치를 명시적으로 측정하기 때문에 기존 스텝 모터와 함께 제공되는 실제 로터 위치를 결정하는 모호함이 제거된다. 두 번째는 포지셔닝 정확도가 모터의 스텝 당 각도(1.8도/스텝) 및 마이크로 스테핑 방식의 분해능과 관련이 없다는 것이다. 스테퍼 서보를 사용하면 위치 분해능은 인코더의 분해능에 의해서만 결정되므로 동일한 모터는 사용되는 인코더에 따라 회전당 2,000개의 분해 가능한 위치 또는 1,000,000개의 분해 가능한 위치를 달성할 수 있다.

• 속도의 평탄성: 전통적인 스텝 모터 컨트롤러는 로터 위치를 명시적으로 측정하고 제어하지 않기 때문에 로터 각도는 외부 힘의 영향을 받아 약간 튀는 경향이 있다. 스테퍼 서보 모드에서 작동하는 동일한 모터는 훨씬 정확한 속도 추적을 달성할 수 있다.

• 소음: 스테퍼 서보 기술을 사용하면 모터가 풀 스텝 또는 하프 스텝 드라이브보다 훨씬 적은 소음을 생성하고 마이크로 스테핑 드라이브보다 훨씬 적은 소음을 생성한다. 일반적인 브러시리스 DC 모터만큼 조용하지는 않지만 스테퍼 서보는 고전적인 스텝 모터 소음 문제를 해결한다.

알고리즘

스테퍼 서보와 함께 사용되는 제어 방식은 기존의 개방형 루프 스텝 모터 컨트롤러에서 사용되는 제어 방식과 다르다. 이러한 기존 컨트롤러는 고정 오프 타임 PWM(Pulse Width Modulation)과 같은 비교적 간단한 전류 제어 기술을 자주 사용하며 모터 전기 사이클에서 전류를 명시적으로 명령하지 않는다. 특히, 코일의 전류를 감소시키기 위해 제어되지 않는 감쇠 모드가 사용된다.

대부분의 기존 스텝 모터 컨트롤러에는 충분하지만 스테퍼 서보 컨트롤러에는 적합하지 않다. 스테퍼 서보 컨트롤러는 대신 브러시리스 DC 모터와 함께 사용되는 제어 체계를 빌려 생성된 파형의 모든 위상을 통해 전류를 명시적으로 제어한다.

이 제어 시스템에는 위치 PID 루프, 전류 루프, 스위치 모드 증폭기 및 전류 감지 컨트롤러의 요소들이 있다. 위의 그림과 같이 PID 루프는 외부 펄스 및 방향 소스 또는 내부 프로필 생성기에서 명령된 위치를 입력하고 측정된 엔코더 위치를 사용하여 위치 오류를 생성하고 PID를 통해 필터링 한 후 전류 명령을 사용한다.

전류 제어는 몇 가지 방법으로 실행할 수 있지만 스텝 모터에도 필드 지향 제어(FOC)를 사용한다. 브러시리스 DC 모터 제어와 자주 연관되지만 FOC는 더 높은 최고 속도와 더 효율적인 작동을 포함하는 스텝 모터를 제어할 때 많은 이점을 제공한다. 그림 6은 FOC 방식의 제어 흐름을 보여준다. FOC 알고리즘의 출력은 브리지의 각 단계에 대한 특정 PWM 명령이다.

그림 7에 표시된 제어 체계는 PWM 명령을 입력하고 각각 H- 브리지 구성에서 4개의 스위치로 구성된 2개의 브리지에 대해 명시적인 고/저 스위치 명령을 출력한다. PWM 명령 이외에도 충전 시간 및 타이밍 보호와 같은 MOSFET 스위치의 다른 매개 변수도 컨트롤러에 입력된다.

전류는 각 스위치 회로의 접지 레그에 연결된 저항을 사용하여 측정된다. 전류 감지는 고정된 오프 타임 PWM 제어보다 복잡하므로 여러 센서의 동시 측정을 결합하기위한 특수 알고리즘이 필요하다. 그러나 파형의 어떤 섹터가 실행되고 있는지에 관계없이 모터 코일의 전류를 명확하고 정확하게 제어할 수 있다는 이점이 있다.

스테퍼 서보와 기존의 스텝 모터 제어에 사용되는 고급 모션 제어 기술에도 불구하고 이러한 전자 장치의 비용이 절감되어 제어 비용이 감소하고 있다.

업그레이드

새로운 기계를 설계할 때 성능과 경제성 면에서 스테퍼 서보를 고려해 볼 수 있다. 그러나 기존의 펄스 및 방향 체계와 증폭기를 사용하는 설계의 경우는 옵션이 더 적다.

다행히 스테퍼 서보 구동을 위한 기존의 스텝 모터 제어 시스템을 업그레이드할 수 있는 새로운 IC가 출시되었다. 이러한 제품은 펄스 및 방향 입력 스트림과 인코더를 입력하고 완전히 제어되는 H- 브리지 전류 제어 체계와 호환되는 증폭기 출력을 제공한다. 이러한 모션 제어 IC의 대부분은 FOC 전류 제어를 제공한다.

스텝 서보 사용

이 기술은 비용 효율적인 고해상도 인코더와 저비용 전용 스테퍼 서보 IC의 가용성으로 많이 알려지고 있다. 그럼에도 불구하고 엔지니어는 스테퍼 서보가 기계 설계에 적합한 지 여부를 결정해야한다. 인코더가 필요하기 때문에 스테퍼 서보는 일반 스텝 모터가 수행하는 기본적인 저비용 모션 애플리케이션에 적합하지 않다.

그러나 높은 토크 출력과 빠른 가속이 필요한 비용에 민감한 애플리케이션에서 스테퍼 서보 기술로 제어되는 스텝 모터는 가장 좋은 솔루션이 될 것이다. 애플리케이션으로는 픽 앤 플레이스 기계, 코일 권선, 다이 본딩, 자수, 섬유 장비 등이 포함된다.

자료 제공: Pmdcorp(www.pmdcorp.com)