스테퍼 모터는 다양한 동작 및 위치 제어 애플리케이션에서 최고의 선택 중 하나입니다. 다양한 크기와 토크 등급으로 제공되며 고성능 서보 모터보다 가격이 훨씬 저렴합니다. 따라서 피드백 장치를 추가하여 스테퍼 모터의 성능을 서보 모터 수준으로 향상시키는 방법에 대해 알아보겠습니다. 피드백이 장착된 스테퍼 모터는 서보 모터를 완전히 대체할 수는 없지만, 많은 실제 애플리케이션에서 안정적인 대안이 될 수 있습니다. 이러한 동작 설계 솔루션은 비용 부담을 크게 늘리지 않고도 기계 성능을 향상시킬 수 있습니다.

스테퍼 모터의 장점과 단점을 살펴보겠습니다.

스테퍼 모터는 연속적인 회전 운동이 아닌 불연속적인 단계로 움직이는 브러시리스 DC 전기 모터입니다. 이러한 단계적 움직임은 스테이터에 있는 전자기 코일 세트에 의해 발생하는 자기장 변화에 의해 구동됩니다. 스테퍼 모터의 작동은 다음과 같은 요소에 따라 달라집니다.제어 장치— 모터의 고정자 코일에 순차적으로 전류를 공급하여 계단식 동작을 구동하는 전자 장치입니다. 컨트롤러의 기능은 모터 성능에 상당한 영향을 미칩니다.

스테퍼 모터에는 여러 종류가 있지만, 가장 일반적인 종류는 우수한 해상도(회전당 200스텝 이상)와 함께 적절한 저속 토크, 견고한 구조, 긴 수명, 그리고 비교적 저렴한 가격을 제공합니다. 하지만 스테퍼 모터에도 한계가 있습니다. 회전 속도가 높아질수록 토크 출력이 감소하고, (단순 제어기를 사용할 경우) 고주파 진동인 링잉 현상이 발생할 수 있습니다. 가장 큰 단점은 위치 제어 애플리케이션에서도 기본적인 스테퍼 모터 시스템은 개루프 제어 방식으로 작동한다는 점입니다.

스테퍼 모터는 컨트롤러의 명령에 따라 특정 스텝 수만큼 움직이지만, 동작 완료 여부에 대한 피드백은 컨트롤러에 전달하지 않습니다. 따라서 모터가 요청된 스텝 동작을 완료하지 못하면 컨트롤러와 모터의 동작 사이에 점점 더 큰 차이가 발생할 수 있습니다.가정합니다모터 샤프트의 회전 위치와진실축(및 연결된 부하 또는 구동 메커니즘)의 위치 불일치가 발생할 수 있습니다. 이러한 불일치는 모터의 토크가 기계적 저항을 극복하기에 충분하지 않을 때 발생하며, 실제로 모터의 토크 출력 용량이 제한되는 고RPM에서 심각한 문제가 될 수 있습니다. 따라서 설계 엔지니어는 스텝 누락을 방지하기 위해 스테퍼 모터를 과도하게 설계하는 경우가 많습니다. 이는 가장 까다로운 동작 프로파일을 제외한 대부분의 경우 스테퍼 모터가 지나치게 크고 무거워지는 결과를 초래할 수 있습니다.

또 다른 단점은 기존 방식의 스테퍼 모터가 정지할 때 모터 축을 제자리에 고정하기 위해 모터 권선을 통해 전류가 흘러야 한다는 점입니다. 이로 인해 전력이 소모되고 모터 권선과 주변 부품이 과열됩니다.

안정적인 위치 제어를 위한 스테퍼 모터 시스템에 대한 피드백

스테퍼 모터 시스템에 엔코더를 추가하여 축 위치 피드백을 얻으면 사실상 제어 루프가 완성됩니다. 이러한 피드백 장치를 추가하면 전체 시스템 비용이 증가하지만, 서보 모터로 교체하는 것만큼 큰 비용은 아닙니다.

인코더 피드백을 추가하는 한 가지 접근 방식은 다음과 같이 동작하는 것입니다.이동 및 확인이 모드에서는 스테퍼 모터의 테일 샤프트에 간단한 증분형 엔코더가 추가됩니다. 컨트롤러가 모터에 스텝 명령을 내리면 엔코더는 명령된 동작이 발생했는지 컨트롤러에 지속적으로 확인합니다. 모터가 요청된 스텝 수를 완료하지 못하면 컨트롤러는 모터가 목표 위치에 도달할 때까지 추가 스텝을 요청할 수 있습니다. 더욱 정교한 컨트롤러는 추가 스텝을 수행하는 데 필요한 토크를 높이기 위해 모터에 공급되는 상 전류를 증가시키기도 합니다.

이러한 이동 및 검증 방식에 사용되는 인코더는 일반적으로 회전당 200개 위치의 배수에 해당하는 해상도를 갖습니다.

참고로, 이동 및 검증 모드를 사용하는 설정에서도 대형 모터를 사용하는 것이 도움이 될 수 있지만, 단순 개방 루프 시스템에 필요한 만큼 대형 모터를 사용할 필요는 없습니다.

또한 이 모드는 지능형 컨트롤러가 정지 시 모터에 공급되는 유지 전류를 미세 조정하여 효율을 약간 향상시키는 데 도움이 될 수 있지만, 전반적인 에너지 소비량은 여전히 ​​높은 경향이 있다는 점에 유의하십시오.

절대 엔코더를 사용한 폐루프 스테퍼 제어

정밀한 위치 제어가 필요한 애플리케이션을 위한 또 다른 좀 더 정교한 옵션은 다회전 절대 엔코더를 사용하는 완전 폐루프 제어입니다. 여기에 사용되는 엔코더는 스테퍼 모터의 테일 샤프트에 부착되어 다음을 모니터링합니다.

1. 스테퍼 모터의 각도 위치와
2. 스테퍼 모터의 완전 회전 수.

이 구성에서 스테퍼 모터는 고극 브러시리스 DC(BLDC) 모터처럼 제어되며, 엔코더는 컨트롤러에 지속적으로 위치 피드백을 제공합니다. 모터에 공급되는 유지 전류는 주어진 위치 허용 오차 내에서 위치를 유지하는 데 필요한 양으로 정확하게 조정됩니다. 브러시리스 서보 모터처럼 제어되는 스테퍼 모터는 진정한 BLDC 서보 모터보다 에너지 효율이 높고 가격도 저렴합니다. 따라서 모든 BLDC 서보 애플리케이션에 저렴한 스테퍼 모터를 사용하는 것이 좋습니다.

폐루프 서보 시스템에 사용되는 스테퍼 모터는 진정한 BLDC 서보 모터에는 없는 물리적 한계를 가지고 있습니다. 좀 더 구체적으로 말하자면, 이렇게 작동하는 스테퍼 모터는 기본적으로 50극 브러시리스 모터처럼 작동하기 때문에 서보 모터가 낼 수 있는 회전 속도(RPM)를 달성할 수 없습니다. 또한, 스테퍼 모터의 로터는 동일한 출력의 진정한 BLDC 서보 모터보다 관성이 크기 때문에 동일한 가속도를 제공할 수 없습니다.

스테퍼 모터를 BLDC 모드로 사용할 때 엔코더는 매우 중요한 역할을 수행합니다.정류엔코더는 모터 샤프트의 정확한 회전 위치를 보고하는 역할을 하며, 이를 통해 컨트롤러는 필요에 따라 적절한 고정자 전자석 세트를 작동시켜 연속 회전을 유지할 수 있습니다. 또한, 정밀 절대 엔코더는 고급 마이크로스테핑 컨트롤러가 위상 전류를 미세 조정하여 기본적인 스테퍼 모터 시스템에서 발생하는 진동(링잉)을 줄이는 데에도 도움을 줄 수 있습니다.