어떤 방식이 여러분의 애플리케이션에 적합할까요? 속도, 가속도, 가격 목표 등 주요 결정 기준을 함께 살펴보겠습니다.

스테퍼 모터

스테퍼 모터는 영구 자석이 있는 회전자와 코일이 감겨 있는 고정된 고정자로 구성됩니다. 고정자 코일에 전류가 흐르면 회전자의 자기장과 상호 작용하는 자기장 분포가 생성되어 회전력을 발생시킵니다. 스테퍼 모터는 일반적으로 50개 이상의 매우 높은 극수를 가지고 있습니다. 스테퍼 모터 드라이버는 각 극에 순차적으로 여자시켜 회전자가 일련의 단계적 회전 운동을 하도록 합니다. 극수가 매우 높기 때문에 회전 운동은 연속적으로 보이는 것처럼 느껴집니다.

이론적으로는 기어박스를 사용하여 토크를 증가시킬 수 있지만, 스테퍼 모터의 낮은 회전 속도가 문제가 됩니다. 1,200RPM 스테퍼 모터에 10:1 기어 감속기를 추가하면 토크는 한 자릿수만큼 증가할 수 있지만 회전 속도는 120RPM으로 떨어집니다. 만약 이 모터를 볼스크류 액추에이터나 유사한 장치를 구동하는 데 사용한다면, 필요한 속도를 충분히 제공하지 못할 가능성이 높습니다.

스테퍼 모터는 일반적으로 NEMA 34보다 큰 프레임 크기로는 제공되지 않으며, 대부분의 응용 분야는 NEMA 17 또는 NEMA 23 모터 크기에 해당합니다. 따라서 1,000~2,000온스 인치 이상의 토크를 생성할 수 있는 스테퍼 모터를 찾는 것은 드뭅니다.

스테퍼 모터에도 성능상의 한계가 있습니다. 스테퍼 모터는 스프링-질량 시스템과 유사하다고 생각할 수 있습니다. 모터가 회전을 시작하고 부하를 움직이려면 마찰력을 극복해야 하는데, 이 시점에서 회전자는 완전히 제어되지 않습니다. 따라서 5단계 이동 명령이 주어지더라도 모터는 4단계 또는 6단계만 회전할 수 있습니다.

만약 드라이브가 모터에 200 스텝 이동을 명령한다면, 모터는 불과 몇 스텝 차이로 정확하게 움직이며, 이 경우 오차는 몇 퍼센트에 불과합니다. 일반적으로 스테퍼 모터는 회전당 25,000~50,000 카운트의 해상도로 제어되지만, 부하가 걸린 상태에서는 스프링-질량 시스템이므로 실제 해상도는 회전당 2,000~6,000 카운트에 그칩니다. 이러한 해상도에서도 200 스텝 이동은 1도 미만의 미세한 각도 변화에 불과합니다.

엔코더를 추가하면 시스템이 움직임을 정확하게 추적할 수 있지만, 모터의 기본적인 물리적 한계를 극복할 수는 없습니다. 향상된 위치 정확도와 해상도가 요구되는 애플리케이션에는 서보 모터가 더 나은 해결책을 제공합니다.

서보 모터

스테퍼 모터와 마찬가지로 서보 모터도 다양한 형태로 구현됩니다. 가장 일반적인 설계를 살펴보면, 영구 자석이 있는 회전자와 코일이 감긴 고정된 고정자로 구성됩니다. 이 경우에도 전류는 회전자에 작용하여 토크를 발생시키는 자기장 분포를 생성합니다. 하지만 서보 모터는 스테퍼 모터보다 극 수가 훨씬 적습니다. 따라서 폐루프 방식으로 구동해야 합니다.

폐루프 제어 방식은 컨트롤러/드라이브가 부하를 특정 위치에 유지하도록 명령할 수 있게 하며, 모터는 해당 위치를 유지하기 위해 지속적으로 조정합니다. 따라서 서보 모터는 사실상 유지 토크를 제공할 수 있습니다. 단, 제로 속도 토크 시나리오는 모터가 부하를 제어하고 명령된 위치를 중심으로 진동하는 것을 방지할 수 있도록 적절하게 설계되어야 합니다.

서보 모터는 일반적으로 희토류 자석을 사용하는 반면, 스테퍼 모터는 가격이 저렴한 일반 자석을 더 자주 사용합니다. 희토류 자석을 사용하면 더 작은 크기에서 더 높은 토크를 발생시킬 수 있습니다. 또한 서보 모터는 전체적인 크기 면에서도 토크 이점을 얻습니다. 서보 모터의 직경은 일반적으로 NEMA 17 규격부터 최대 220mm까지 다양합니다. 이러한 여러 요인이 복합적으로 작용하여 서보 모터는 최대 250피트파운드의 토크를 전달할 수 있습니다.

서보 모터는 속도와 토크의 조합을 통해 스테퍼 모터보다 뛰어난 가속력을 제공합니다. 또한 폐루프 작동으로 인해 더욱 정밀한 위치 제어가 가능합니다.

마지막으로

서보 모터는 성능 면에서 확실한 우위를 제공합니다. 하지만 반복성 측면에서는 스테퍼 모터도 상당히 경쟁력이 있습니다. 이와 관련하여 스테퍼 모터에 대한 흔한 오해, 즉 '로스트 모션'이라는 개념이 있습니다. 앞서 설명했듯이 스테퍼 모터는 질량-스프링 구조로 인해 몇 스텝의 로스트 모션이 발생할 수 있습니다. 그러나 드라이브가 스테퍼 모터에 특정 각도 위치로 이동하도록 명령하기 때문에 로스트 모션은 회전 간에 누적되지 않습니다. 따라서 스테퍼 모터는 회전 간 높은 반복성을 제공합니다. 이 주제에 대한 자세한 내용은 향후 블로그 게시물에서 다루겠습니다.

위에서 살펴본 내용을 바탕으로 스테퍼 모터 축과 서보 모터 축의 마지막 핵심 차이점인 비용에 대해 알아보겠습니다. 스테퍼 모터는 일반적으로 피드백이 필요하지 않고, 저렴한 자석을 사용하며, 기어박스를 거의 사용하지 않습니다. 높은 극수와 유지 토크 생성 능력 덕분에 정지 상태에서 전력 소모가 적습니다. 결과적으로 스테퍼 모터는 유사한 서보 모터보다 최대 10배 저렴할 수 있습니다.

요약하자면, 스테퍼 모터는 저속, 저가속도, 낮은 정밀도가 요구되는 응용 분야에 적합합니다. 또한 스테퍼 모터는 일반적으로 소형이고 가격이 저렴합니다. 이러한 특징 덕분에 의료, 생명공학, 보안 및 방위, 반도체 제조 분야에 널리 사용됩니다. 반면, 서보 모터는 고속, 고가속도, 높은 정밀도가 요구되는 시스템에 더 적합합니다. 다만, 서보 모터는 가격이 높고 구조가 복잡하다는 단점이 있습니다. 서보 모터는 주로 포장, 가공, 웹 프로세싱 등의 분야에서 사용됩니다.

애플리케이션의 요구 조건이 비교적 관대하지만 예산이 제한적이라면 스테퍼 모터를 고려해 보세요. 성능이 가장 중요하다면 서보 모터도 괜찮지만 가격이 더 비싸다는 점을 감안해야 합니다.