스텝 모터와 서보 모터의 작동 원리와 구성 요소 ①
모션 제어 애플리케이션의 효율성을 높이려면 애플리케이션에 적합한 모터를 선택하는 것이 중요하다. 서보 모터와 스텝 모터는 비용, 토크, 효율성, 속도, 회로 등 고려해야 할 사항이 너무 많기 때문에 선택하기가 어려울 수 있다.
그렇기 때문에 먼저 모터의 기본 사항과 다른 모터와의 차이점을 이해하는 것이 도움이 된다. 서보 모터와 스텝 모터 모두 산업 분야에서 광범위하게 사용되지만 범용 솔루션은 아니다. 스텝 모터와 서보 모터를 적절히 적용하면 매우 성공적인 시스템을 위한 효율적이고 안정적인 전력을 제공할 수 있다.
이에 이번 4월호에서는 스텝 모터와 서보 모터의 작동원리와 기본 사항 및 애플리케이션에 대해 알아보고, 다음 5월호에서는 두 모터간의 차이점과 실제 적용 사례 등에 알아본다.
스텝 모터의 작동 원리
스텝 모터 구성: 대부분의 산업용 스텝 모터는 영구 자석 회전자및 권선 전자기 고정자로 구성된 하이브리드 스텝 모터이다. 모터 전류의 전환은 고정자 내의 자기장을 변화시켜 회전자를 회전시 킨다.
스텝 모터 전류: 스텝 시스템은 정전류 시스템이다. DC 전류는 정지 상태에서도 항상 스텝 모터의 자기 코일에 전원을 공급하는 데 사용된다. 드라이브에서 공급되는 전류는 모터의 샤프트를 회전시키는데 사용되는 자기장을 생성한다. 아래는 이 프로세스가 어떻게 작동 하는지에 대한 기본적인 표현이다.
1. 상단 전자석이 활성화되고 중앙 톱니바퀴의 톱니가 그에 따라 정렬된다.
2. 위쪽 전자석이 비활성화되고 오른쪽 전자석이 켜진다. 그러면 가장 가까운 톱니바퀴 톱니가 이에 맞춰 정렬된다. 이렇게 하면 스텝이 발생한다(예: 1.8° 회전).
3. 오른쪽 전자석이 비활성화되고 아래쪽 전자석이 켜진다. 그러면 톱니바퀴 톱니가 아래쪽 전자석과 일직선이 되도록 점프한 다. 이로 인해 또 다른 단계가 발생한다.
4. 아래쪽 전자석이 비활성화되고 가장 왼쪽 전자석이 켜진다. 그러면 톱니바퀴 톱니가 이에 맞춰 정렬된다. 이로 인해 또 다른 스텝이 발생한다. 스텝 각도가 1.8°인 모터에서는 전체 회전을 위해 200개의 스텝이 필요하다.
알아야 할 사항
1. 마이크로스테핑(Microstepping)은 걸음 수/회전 수를 증가시킨다.
2. 전류를 높이면 모터 토크가 증가한다.
3. 스텝 주파수가 높을수록 모터 속도가 빨라진다.
4. 모터 속도가 증가함에 따라 back EMF(역기전력)는 모터 토크를 줄인다.
5. 증분 모션을 생성하기 때문에 일반적으로 오픈 루프로 실행되 므로 인코더나 리졸버의 비용과 복잡성을 제거한다.
스텝 모터 장점
• 간단한 디자인/제어
• 피드백 필요 없음
• 뛰어난 저속 토크
• 뛰어난 저속 부드러움
• 전체 시스템 비용 절감
스텝 모터 단점
• 속도가 증가함에 따라 토크가 감소함
• 토크 요구 사항에 관계없이 일정한 전류
• 부하 변화에 반응할 수 없음
• 포지션 손실을 극복할 수 있는 방법 없음
스텝 모션 시스템 구성 요소
모든 스텝 모션 시스템은 3가지 구성 요소로 이루어져 있다.
첫 번째 구성 요소는 컨트롤러이다. 컨트롤러는 드라이브에 인터페이스하는 제어 신호(일반적으로 디지털 펄스)를 생성한다. PLC에서 컨트롤러로 전송된 명령을 통해 모터의 속도, 거리, 방향, 가속 및 감속을 조절할 수 있다. 보다 정교한 컨트롤러에는 원점 복귀 및 등록과 같은 모션 특정 기능을 위한 전용 입력이 있다.
두 번째 구성 요소는 드라이브이다. 드라이브는 본질적으로 증폭기이다. 드라이브는 컨트롤의 명령을 수신하고 낮은 레벨의 DC 신호를 증폭하여 모터에 전류를 출력한다. 드라이브는 AC 전원 또는 DC 전원을 사용할 수 있다.
세 번째 구성 요소는 모터이다. 드라이브에서 공급되는 전류는 모터 고정자 내에 자기장을 생성한다. 그 결과 자기장이 로터를 회전시켜 모터의 축을 회전시킨다.
설계에 따라 다른 PLC 기반 스텝 시스템은 세 가지 구성 요소로 이루어져 있으며 다음과 같이 설계됐다.
1. PLC 컨트롤러와 통합(섀시 내)
2. PLC의 소프트웨어를 통한 프로그램(새로 배울 것이 없음)
3. PLC의 온보드 I/O 및 처리 성능을 활용
기존 PLC 시스템에는 스텝 컨트롤러용 PLC 플러그인 모듈이 통합되어 있다. 이 플러그인은 기존 PLC 소프트웨어를 활용하여 PLC 로직에 원활하게 통합된다. 타사 소프트웨어가 필요하지 않다. 다양한 로크웰 오토메이션 PLC에 스텝 제어 모듈을 사용할 수있다.
• 1734 포인트 I/O
• 1746 SLC 500
• 1762 마이크로로직스
• 1769 CompactLogix
• 1756 컨트롤로직스
PLC 슬롯을 사용할 수 없거나 플러그인 슬롯이 실용적이지 않은 애플리케이션의 경우, 네트워크 연결 스텝 컨트롤러가 PLC 플러그인 카드의 대안이 될 수 있다. 네트워크 연결은 플러그인 모듈과 동일한 프로그래밍 구조를 PLC에 제공하면서 축 수와 인코더 피드백 옵션에 유연성을 제공한다. 다축 애플리케이션에서 네트워크 스텝 컨트롤러는 단일 축 플러그인 모듈에 비해 효율성과 설계를 제공할 수 있다.
네트워크 스텝 컨트롤러는 대부분의 산업 분야에서 사용할 수 있다. 이더넷 I/P, Profinet, EtherCAT 등의 네트워크를 포함하되 이에 국한되지 않는다.
지속적인 설계 개선으로 통합형 스텝 모션 제품이 개발됐다. 통합 모션 제품은 두 개 이상의 기본 구성 요소를 하나의 장치로 결합한 제품이다. 스텝 구동 모터, 스텝 구동 및 컨트롤러 또는 이세 가지를 모두 조합할 수 있다.
통합 구성 요소는 구성 요소 수준 에서 비용을 절감하고 인건비를 줄인다. AMCI 통합 제품을 사용 하면 기능이나 프로그래밍의 용이성을 희생하지 않고도 효율성과 디자인을 확보할 수 있다.
통합 스텝 모터 + 드라이브: 통합 스텝 모터는 시간을 절약하고 공간을 절약하며 비용을 절감 한다. 핸드 크랭크 자동화 및 컨베이어 제어와 같이 비용에 민감 하거나 대량으로 사용되는 애플리케이션은 스텝 부품 통합의 이점을 누릴 수 있다. 스텝 모터와 드라이브를 결합하면 성능 저하 없이 모션 제어 설계를 간소화할 수 있다. 패키지 비용 절감과 호환성 보장이라는 이점도 있다. 모든 모터는 산업 표준 NEMA 프레임 크기이다. 드라이브와 모터를 기계에 함께 배치하여 패널 공간을 줄일 수 있다.
통합 스텝 컨트롤러 + 드라이브: 스텝 드라이브 컨트롤러이다. 이 컨트롤러는 PLC 플러그인 모듈의 정교함과 고급 스텝 드라이브의 성능을 결합한 제품이다. 한가지 분명한 이점은 스텝 드라이브와 모터 사이의 배선을 제거할수 있다는 것이다. 통합 드라이브는 이더넷을 통해 PLC에서 직접 명령을 수신한다. 통신 포트를 통해 명령을 직접 수신한다. 따라서 타사 프로그래밍 소프트웨어나 모션 컨트롤러를 위한 보조 사용자 인터페이스 없이도 PLC 프로그램에 원활하게 통합할 수 있으며 배선도 이보다 더 쉬울 수 없다. 산업 표준 연결을 통해 기성품 네트워크 케이블과 옵션 입력 연결을 활용할 수 있다.
통합 스텝 드라이브 + 모터 + 컨트롤러: 올인원 모션 컨트롤러는 모터 드라이브와 제어를 작지만 강력한 하나의 패키지로 구동한다. 이 3-in-1 패키지는 모터와 드라이브, 드라이브와 컨트롤러 사이의 배선을 제거하여 초기비용과 설치 비용을 절감한다. 다른 통합 제품과 마찬가지로 올인원 설계는 표준 산업용 네트워크를 활용하여 PLC와 직접 통신한다. 네트워크 연결은 PLC에 직접 연결되는 경로를 제공하므로 사용자는 친숙하고 이해하기 쉬운 언어와 소프트웨어 환경에서 프로그래밍할 수있다. 올인원 패키지는 산업 표준 모터와 케이블을 사용하여 빠르고 쉽게 설치할 수 있다. 또한 산업용 네트워크의 수가 확장됨에 따라 올인원 모션 컨트롤러의 사용 가능한 연결도 확장되어 대부 분의 산업용 PLC 및 PAC에 대한 광범위한 통신 옵션을 제공한다.
애플리케이션
컨베이어(CONVEYOR): PLC 기반 자동화를 위한 스텝 모션 제어의 인기는 계속 증가하고 있는데, 이는 많은 애플리케이션이 스텝이 제공하는 제어 아키텍처의 이점을 활용하기 때문이다. 컨베이 어는 자재 운반과 생산 라인 자동화를 위해 공장 곳곳에서 사용된 다. PLC 스텝 모션 제어는 통합 용이성, 가격, 신뢰성, 낮은 유지보수 비용으로 인해 이러한 애플리케이션에 널리 사용되는 기술이 다. 스텝 모션은 단방향 및 양방향 컨베이어, 이송스테이션, 수직 컨베이어, 자재 엘리베이터 등에 사용된다.
리니어 모션(LINEAR MOTION): 스텝 모션은 반도체, 식품 가공, 자재 취급 및 포장 등 다양한 공정에서 선형 애플리케이션으로 널리 사용되고 있다. PLC 스텝 제어는 반복성, 높은 토크, 낮은 유지 보수로 인해 리니어 모션 애플리케이션에 탁월한 선택이다. 리니어 스텝 모션 애플리케이션에는 XY 테이블, XY 스테이징, 리니어 가이드 조정 및 수직 작동이 포함된다.
로터리 모션(ROTARY MOTION): 로터리 스텝 모션 제어는 포장, 라벨링, 충전, 위치 지정 등 단순하고 반복적인 다양한 자동화 애플리케이션에서 찾을 수 있다. PLC 스텝 모션 제어는 다목적이지만 표준 장착 옵션으로 이러한 애플리케이션에 이상적이다. 로터리 스텝 모션 애플리케이션에는 조립 기계에서 흔히 볼 수 있는 인덱싱 테이블, 길이에 맞게 절단하는 애플리케이션 및 라벨러와 같은 재료 공급, 단순 반복 동작이 포함된다.
서보 모터의 작동 원리
서보 모터 구성: AC 서보는 3상 고정자와 영구 자석 회전자로 구성된다. 또한 적절한 전류 제어를 위해서는 리졸버 또는 인코더와 같은 모터 피드백이 필요하다.
서보 모터 전류: 3상 AC 전류는 서보의 자기 코일에 전원을 공급 하는 데 사용된다. 고정자의 전류가 변하면 3상의 자기장이 변하여 로터의 영구 자석이 각 상에 정렬된다.
알아야 할 사항
1. 전류를 높이면 모터 토크가 증가한다.
2. 전류 주파수가 높을수록 모터가 더 빨리 회전한다.
3. 서보는 보다 정밀한 토크 제어를 위해 모터 전류를 모니터링하고 조절한다.
4. 적절한 전류 제어를 위해서는 모터 피드백이 필요하다.
서보 모터 장점
• 폐쇄 루프 제어
• 더 빠른 속도에서 더 높은 토크
• 모터 발열 감소
• 가변 부하 시스템을 위한 더 나은 선택
서보 모터 단점
• 더 복잡한 제어 - 튜닝 필요
• 위치 피드백 필요
• 전체 시스템 비용 증가
자료제공: AMCI(www.amci.com)
