어떤 솔루션이 귀사의 애플리케이션에 적합할까요? 속도, 가속도, 가격 목표를 포함한 주요 결정 기준을 살펴보겠습니다.

스테퍼 모터

스테퍼 모터는 영구 자석이 장착된 회전자와 권선을 감는 고정자로 구성됩니다. 전류가 고정자 권선을 통과하면 자속 분포가 발생하고, 이 자속 분포가 회전자의 자기장 분포와 상호 작용하여 회전력을 가합니다. 스테퍼 모터는 일반적으로 50개 이상의 매우 높은 극수를 가지고 있습니다. 스테퍼 모터 드라이버는 각 극에 순차적으로 전원을 공급하여 회전자가 일련의 증분 또는 단계적으로 회전하도록 합니다. 매우 높은 극수 덕분에 동작이 연속적으로 보입니다.

이론상으로는 기어박스를 사용하여 토크를 높일 수 있지만, 스테퍼 모터의 낮은 속도가 문제가 됩니다. 1,200RPM 스테퍼 모터에 10:1 기어 감속기를 추가하면 토크는 10배 증가하지만, 속도는 120RPM으로 떨어집니다. 이 모터를 볼스크류 액추에이터 또는 이와 유사한 액추에이터 구동에 사용하는 경우, 해당 용도의 요구 사항을 충족할 만큼 충분한 속도를 제공하지 못할 가능성이 높습니다.

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

스테퍼 모터에도 성능 한계가 있습니다. 스테퍼 모터는 스프링-질량 시스템으로 생각할 수 있습니다. 모터는 회전을 시작하고 부하를 이동시키려면 마찰을 없애야 하는데, 이때 회전자는 완전히 제어되지 않습니다. 결과적으로 5단계 전진 명령을 입력해도 모터는 4단계, 또는 6단계만 회전할 수 있습니다.

하지만 드라이브가 모터에 200단계 전진 명령을 내리면, 단 몇 단계 만에 전진하게 되는데, 이는 몇 퍼센트의 오차를 의미합니다. 스테퍼 모터는 일반적으로 회전당 25,000에서 50,000 카운트의 분해능으로 명령을 내리지만, 모터는 부하가 걸린 스프링-질량 시스템이기 때문에 일반적인 분해능은 회전당 2,000에서 6,000 카운트입니다. 하지만 이러한 분해능에서는 200단계 이동조차도 극히 미미한 정도에 해당합니다.

인코더를 추가하면 시스템이 움직임을 정확하게 추적할 수 있지만, 모터의 기본적인 물리 법칙을 극복할 수는 없습니다. 향상된 위치 정확도와 분해능이 필요한 애플리케이션에서는 서보 모터가 더 나은 솔루션을 제공합니다.

서보 모터

스테퍼 모터와 마찬가지로 서보 모터도 다양한 구현 방식을 가지고 있습니다. 가장 일반적인 설계는 영구 자석이 장착된 회전자와 권선이 있는 고정자를 결합하는 방식입니다. 이 경우에도 전류는 회전자에 작용하는 자기장 분포를 생성하여 토크를 발생시킵니다. 그러나 서보 모터는 스테퍼 모터보다 극 수가 훨씬 적습니다. 따라서 폐루프 방식으로 구동해야 합니다.

폐루프 작동은 컨트롤러/드라이브가 부하가 특정 위치에 유지되도록 명령할 수 있게 하며, 모터는 부하를 그 위치에 유지하기 위해 지속적으로 조정합니다. 따라서 서보 모터는 사실상의 유지 토크를 제공할 수 있습니다. 그러나 영속도 토크 시나리오는 부하를 제어하고 명령된 위치에서 진동을 방지할 수 있도록 모터 크기가 적절하게 조정되어야 한다는 점에 유의해야 합니다.

서보 모터는 일반적으로 희토류 자석을 사용하는 반면, 스테퍼 모터는 더 저렴한 기존 자석을 더 자주 사용합니다. 희토류 자석은 더 작은 패키지에서 더 높은 토크를 구현할 수 있도록 합니다. 또한, 서보 모터는 전체적인 물리적 크기 덕분에 토크 측면에서 이점을 얻습니다. 서보 모터의 직경은 일반적으로 NEMA 17부터 최대 220mm까지 다양합니다. 이러한 요소들을 종합적으로 고려하여 서보 모터는 최대 250피트-파운드(약 11.7m/s)의 토크를 제공할 수 있습니다.

속도와 토크의 조합으로 서보 모터는 스테퍼 모터보다 더 나은 가속력을 제공합니다. 또한 폐루프 동작으로 위치 정확도가 향상됩니다.

마지막 생각

서보 모터는 확실한 성능 이점을 제공합니다. 하지만 반복성 측면에서는 스테퍼 모터가 상당히 경쟁력을 가질 수 있습니다. 이 점은 스테퍼 모터에 대한 흔한 오해, 즉 '로스트 모션(lost motion)'이라는 잘못된 생각을 불러일으킵니다. 앞서 논의했듯이, 스테퍼 모터의 질량-스프링 특성으로 인해 몇 개의 스텝 손실이 발생할 수 있습니다. 하지만 드라이브가 스테퍼 모터에 특정 각도로 이동 명령을 내리기 때문에 손실된 스텝은 회전에서 회전으로 이어지지 않습니다. 스테퍼 모터는 회전에서 회전으로의 반복성이 매우 높습니다. 이 주제에 대한 더 자세한 내용은 향후 블로그 게시물에서 다루겠습니다.

위의 논의는 스테퍼 모터와 서보 모터의 마지막 핵심 차이점인 비용에 대한 논의로 이어집니다. 스테퍼 모터는 일반적으로 피드백이 필요 없고, 저렴한 자석을 사용하며, 기어박스를 거의 사용하지 않습니다. 높은 극수와 유지 토크 생성 능력 덕분에 제로 속도에서 전력 소모량이 적습니다. 결과적으로 스테퍼 모터는 동급 서보 모터보다 최대 10배까지 저렴할 수 있습니다.

요약하자면, 스테퍼 모터는 저속, 저가속, 저정밀도가 요구되는 분야에 적합한 솔루션입니다. 또한, 스테퍼 모터는 소형이고 가격이 저렴하기 때문에 의료, 생명공학, 보안 및 방위, 반도체 제조 분야에 적합합니다. 서보 모터는 고속, 고가속, 고정밀도가 요구되는 시스템에 더 적합합니다. 하지만 높은 비용과 복잡성을 감수해야 합니다. 서보 모터는 일반적으로 포장, 가공, 웹 처리 등의 분야에 사용됩니다.

용도는 괜찮지만 예산이 부족하다면 스테퍼 모터를 고려해 보세요. 성능이 가장 중요하다면 서보 모터로도 충분하지만, 더 높은 비용을 감수해야 합니다.