폐쇄 루프 스테퍼 모터는 기존 스테퍼 모터로는 처리할 수 없는 서보 모터가 일반적으로 수행하는 작업에 가장 적합한 선택일 수 있습니다.

모션 제어 시스템을 설계할 때 엔지니어가 내려야 할 가장 중요한 결정 중 하나는 모터 선택입니다. 유형과 크기 모두에서 적합한 모터를 선택하는 것은 최종 기계의 작동 효율성에 필수적입니다. 또한, 모터 가격이 예산을 초과하지 않도록 하는 것 역시 항상 중요한 고려 사항입니다.

결정을 내릴 때 가장 먼저 답해야 할 질문 중 하나는 "어떤 유형의 모터가 가장 적합할까?"입니다. 고성능 서보 모터가 필요한 용도일까요? 아니면 저렴한 스테퍼 모터가 더 나을까요? 아니면 중간 정도의 성능을 가진 모터가 더 나은 선택일 수도 있습니다.

해답은 특정 용도에 필요한 요구사항에서 시작됩니다. 어떤 용도에 가장 적합한 모터 유형을 결정하기 전에 고려해야 할 요소가 많습니다.

요구 사항

모터는 분당 몇 사이클을 돌려야 합니까? 필요한 토크는 얼마입니까? 필요한 최고 속도는 얼마입니까?

이러한 중요한 질문들은 단순히 주어진 마력의 모터를 선택하는 것만으로는 해결될 수 없습니다.

모터의 출력은 토크와 속도의 조합이며, 속도, 토크 및 상수를 곱하여 계산할 수 있습니다.

하지만 이러한 계산 방식의 특성상 특정 출력값을 내는 토크와 속도의 조합은 매우 다양합니다. 따라서 출력 등급이 비슷한 모터라도 속도와 토크의 조합에 따라 작동 방식이 다를 수 있습니다.

엔지니어는 특정 크기의 부하를 얼마나 빠른 속도로 움직여야 최적의 모터를 선택할 수 있는지 정확히 알아야 합니다. 또한 수행되는 작업은 모터의 토크/속도 곡선 범위 내에 있어야 합니다. 이 곡선은 작동 중 모터의 토크 변화를 보여줍니다. "최악의 경우"를 가정하여(즉, 작업에 필요한 최대/최소 토크와 속도를 결정하여) 엔지니어는 선택한 모터가 충분한 토크/속도 곡선을 가지고 있는지 확신할 수 있습니다.

모터를 선택하기 위한 의사 결정 과정에 들어가기 전에 고려해야 할 또 다른 요소는 부하의 관성입니다. 부하의 관성과 모터의 관성을 비교하는 관성비를 계산해야 합니다. 일반적으로 부하의 관성이 회전자 관성의 10배를 초과하면 모터 튜닝이 더 어려워지고 성능이 저하될 수 있다고 알려져 있습니다. 하지만 이 규칙은 기술, 공급업체, 심지어 제품에 따라 달라질 수 있습니다. 애플리케이션의 중요도 또한 이 결정에 영향을 미칩니다. 일부 제품은 최대 30:1의 관성비를 처리할 수 있으며, 다이렉트 드라이브는 최대 200:1까지 작동합니다. 많은 사람들이 10:1을 초과하는 관성비의 모터 크기를 선호하지 않습니다.

마지막으로, 특정 모터를 다른 모터보다 선호하게 만드는 물리적 제약 조건이 있는지 살펴보아야 합니다. 모터는 모양과 크기가 다양합니다. 어떤 경우에는 모터가 크고 부피가 커서 특정 작업 환경에는 적합하지 않을 수 있습니다. 최적의 모터 유형을 결정하기 전에 이러한 물리적 특성을 파악하고 이해하는 것이 중요합니다.

엔지니어들은 속도, 토크, 마력, 부하 관성, 물리적 한계 등 모든 질문에 대한 답을 찾고 나면 가장 효율적인 크기의 모터를 결정할 수 있습니다. 하지만 의사 결정 과정은 거기서 끝나지 않습니다. 엔지니어들은 또한 용도에 가장 적합한 모터 유형을 결정해야 합니다. 수년 동안 대부분의 용도에서 모터 유형 선택은 서보 모터 또는 개루프 스테퍼 모터, 이렇게 두 가지 옵션으로 좁혀졌습니다.

서보 모터 및 스테퍼 모터

서보 모터와 개루프 스테퍼 모터의 작동 원리는 유사합니다. 그러나 엔지니어는 특정 용도에 어떤 모터가 적합한지 결정하기 전에 두 모터 간의 주요 차이점을 이해해야 합니다.

기존 서보 시스템에서 컨트롤러는 펄스 및 방향 신호 또는 위치, 속도, 토크와 관련된 아날로그 신호를 통해 모터 드라이브에 명령을 보냅니다. 일부 컨트롤러는 버스 기반 방식을 사용하는데, 최신 컨트롤러에서는 일반적으로 이더넷 기반 통신 방식을 사용합니다. 드라이브는 모터의 각 상에 적절한 전류를 공급합니다. 모터 피드백은 모터 드라이브로 되돌아오고, 필요한 경우 컨트롤러로 전달됩니다. 드라이브는 이 정보를 바탕으로 모터를 적절하게 정류하고 모터 축의 동적 위치에 대한 정확한 정보를 전달합니다. 따라서 서보 모터는 폐루프 모터로 간주되며 내장 엔코더를 포함하고, 위치 데이터가 컨트롤러로 자주 전달됩니다. 이러한 피드백을 통해 컨트롤러는 모터를 더욱 정밀하게 제어할 수 있습니다. 컨트롤러는 모터 작동에 문제가 발생할 경우 다양한 정도로 조정을 할 수 있습니다. 이러한 중요한 정보는 개루프 스테퍼 모터에서는 제공할 수 없는 이점입니다.

스테퍼 모터는 모터 구동 장치에 전송되는 명령에 따라 이동 거리와 속도를 제어합니다. 일반적으로 이 신호는 스텝 및 방향 명령입니다. 그러나 개방 루프 방식의 스테퍼 모터는 작업자에게 피드백을 제공할 수 없으므로, 제어 시스템이 상황을 제대로 파악하고 모터 작동을 개선하기 위한 조정을 할 수 없습니다.

예를 들어, 모터의 토크가 부하를 감당하기에 충분하지 않으면 모터가 멈추거나 특정 스텝을 건너뛸 수 있습니다. 이런 경우 목표 위치에 도달하지 못하게 됩니다. 스테퍼 모터의 개루프 특성을 고려할 때, 이러한 부정확한 위치 정보는 컨트롤러에 제대로 전달되지 않아 컨트롤러가 조정할 수 없게 됩니다.

서보 모터는 효율성과 성능 면에서 분명한 장점이 있는 것처럼 보이지만, 왜 누군가는 스테퍼 모터를 선택할까요? 몇 가지 이유가 있습니다. 가장 일반적인 이유는 가격입니다. 운영 예산은 모든 설계 결정에서 중요한 고려 사항입니다. 예산이 빠듯해질수록 불필요한 비용을 줄여야 하는 결정을 내려야 합니다. 이는 모터 자체의 비용뿐만 아니라, 정기 및 비상 유지 보수 비용에도 해당됩니다. 스테퍼 모터는 서보 모터에 비해 비용이 저렴한 경향이 있습니다. 따라서 서보 모터의 이점이 비용을 정당화하지 못한다면 일반 스테퍼 모터로도 충분할 수 있습니다.

순전히 작동적인 관점에서 볼 때, 스테퍼 모터는 일반 서보 모터보다 사용하기가 훨씬 쉽습니다. 스테퍼 모터의 작동 원리는 이해하기 쉽고 설정하기도 간편합니다. 대부분의 사람들은 굳이 복잡하게 만들 필요가 없다면 최대한 단순하게 유지하는 것이 좋다는 데 동의할 것입니다.

두 가지 유형의 모터가 제공하는 장점은 매우 다릅니다. 서보 모터는 3,000rpm 이상의 회전 속도와 높은 토크가 필요한 경우에 이상적입니다. 하지만 수백 rpm 이하의 저속 회전만 필요한 용도에는 서보 모터가 항상 최선의 선택은 아닙니다. 저속 애플리케이션에는 서보 모터가 과할 수 있습니다.

저속 애플리케이션은 스테퍼 모터가 최적의 솔루션으로 빛을 발하는 분야입니다. 스테퍼 모터는 정지 동작이 반복 가능할 뿐만 아니라, 높은 토크를 제공하면서 저속으로 작동하도록 설계되었습니다. 이러한 설계 특성 덕분에 스테퍼 모터는 속도 제한까지 제어 및 작동이 가능합니다. 일반적인 스테퍼 모터의 속도 제한은 보통 1,000rpm 미만인 반면, 서보 모터는 정격 속도가 3,000rpm 이상, 심지어 7,000rpm을 넘는 경우도 있습니다.

스테퍼 모터는 크기가 적절하게 선택된다면 완벽한 선택이 될 수 있습니다. 그러나 스테퍼 모터가 개방 루프 구성으로 작동하는 동안 문제가 발생하면 작업자는 문제를 해결하는 데 필요한 모든 데이터를 얻지 못할 수도 있습니다.

개방 루프 문제 해결

지난 수십 년 동안 개방 루프 스테퍼 모터의 전통적인 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 접근 방식이 제시되었습니다. 전원을 켤 때 또는 작동 중에 여러 번 모터를 센서 위치로 원점 복귀시키는 것이 한 가지 방법이었습니다. 이 방법은 간단하지만 작동 속도를 저하시키고 정상 작동 과정에서 발생하는 문제를 포착하지 못합니다.

모터가 멈추거나 위치가 어긋났는지 감지하기 위해 피드백 기능을 추가하는 것도 또 다른 접근 방식입니다. 모션 제어 회사 엔지니어들은 "멈춤 감지" 및 "위치 유지" 기능을 개발했습니다. 심지어 스테퍼 모터를 서보 모터처럼 취급하거나, 정교한 알고리즘을 사용하여 서보 모터를 모방하는 더욱 발전된 접근 방식도 있습니다.

모터의 광범위한 스펙트럼에서 서보 모터와 개루프 스테퍼 모터 사이에는 폐루프 스테퍼 모터라는 비교적 새로운 기술이 존재합니다. 이는 위치 정확도와 저속이 요구되는 응용 분야에 가장 적합하고 비용 효율적인 솔루션입니다. 고해상도 피드백 장치를 적용하여 폐루프를 구현함으로써 엔지니어는 "두 가지 장점"을 모두 누릴 수 있습니다.

폐루프 스테퍼 모터는 스테퍼 모터의 모든 장점을 제공합니다. 사용 편의성, 단순성, 저속에서도 안정적인 작동 및 정확한 정지 기능을 갖추고 있습니다. 게다가 서보 모터처럼 피드백 기능도 제공합니다. 다행히 서보 모터의 가장 큰 단점인 높은 가격은 없습니다.

개방 루프 스테퍼 모터의 작동 방식에는 항상 핵심적인 요소가 있었습니다. 일반적으로 스테퍼 모터는 두 개, 많게는 다섯 개의 코일을 가지고 있으며, 이 코일들 사이에서 자기 평형이 이루어집니다. 움직임이 발생하면 이 평형이 깨져 모터 축이 전기적으로 뒤처지게 되지만, 작업자는 얼마나 뒤처지는지 정확히 알 수 없습니다. 개방 루프 스테퍼 모터는 정지 지점을 반복적으로 제어할 수 있지만, 모든 부하 조건에서 그런 것은 아닙니다. 스테퍼 모터에 엔코더를 장착하고 폐쇄 루프 방식으로 작동시키면 동적 제어가 가능해집니다. 이를 통해 작업자는 다양한 부하 조건에서도 정확한 위치에 모터를 정지시킬 수 있습니다.

특정 응용 분야에서 폐루프 스테퍼 모터를 사용함으로써 얻을 수 있는 이러한 이점들 덕분에 모션 제어 분야에서 이 모터의 인기가 급격히 증가했습니다. 특히 반도체 및 의료기기 제조업체와 같은 두 주요 산업에서 폐루프 스테퍼 모터의 사용이 뚜렷하게 증가하고 있습니다. 이 산업 분야의 엔지니어들은 벨트 구동이든 볼 스크류 구동이든 관계없이 모터가 부하 또는 액추에이터를 정확히 어디에 위치시켰는지 알아야 합니다. 스테퍼 모터의 폐루프 피드백 기능은 이러한 정확한 위치 정보를 제공합니다. 또한 스테퍼 모터는 저속에서 서보 모터보다 우수한 성능을 제공할 수 있습니다.

일반적으로 서보 모터보다 저렴한 비용으로 안정적인 성능을 보장받고 비교적 낮은 속도로 작동할 수 있어야 하는 모든 응용 분야는 폐루프 스테퍼 모터에 적합합니다.

작업자는 드라이브 또는 제어 장치가 폐루프 스테퍼 모터를 지원하는지 확인해야 한다는 점을 명심해야 합니다. 과거에는 엔코더가 후면에 장착된 스테퍼 모터를 구할 수 있었지만, 드라이브 자체는 표준 스테퍼 드라이브였기 때문에 엔코더를 지원하지 않았습니다. 따라서 엔코더를 컨트롤러로 다시 연결하고 동작이 끝날 때 위치 검증을 수행해야 했습니다. 하지만 최신 폐루프 스테퍼 드라이브에서는 이러한 과정이 필요하지 않습니다. 폐루프 스테퍼 드라이브는 컨트롤러 없이도 위치와 속도 제어를 동적으로 자동으로 처리할 수 있습니다.