폐쇄 루프 스테퍼 모터는 일반적으로 서보로 수행되는 작업에 가장 적합한 선택일 수 있습니다. 기존 스테퍼 모터는 이러한 작업을 처리할 수 없기 때문입니다.

엔지니어가 모든 유형의 모션 제어 프로세스를 설계할 때 내릴 수 있는 가장 중요한 결정 중 하나는 모터 선택입니다. 종류와 크기 모두에서 적합한 모터를 선택하는 것은 최종 기계의 작동 효율에 필수적입니다. 또한, 모터가 예산을 초과하지 않도록 하는 것도 항상 가장 중요한 고려 사항입니다.

결정을 내릴 때 가장 먼저 답해야 할 질문 중 하나는 다음과 같습니다. 어떤 유형의 모터가 가장 적합할까요? 해당 애플리케이션에 고성능 서보 모터가 필요할까요? 저렴한 스테퍼 모터가 더 나을까요? 아니면 세 번째, 중간 정도의 선택지가 있을까요?

답은 특정 응용 분야의 요구 사항에서 시작됩니다. 특정 응용 분야에 적합한 모터 유형을 결정하기 전에 고려해야 할 여러 요소가 있습니다.

요구 사항

모터는 분당 몇 번의 사이클을 해야 합니까? 필요한 토크는 얼마입니까? 필요한 최대 속도는 얼마입니까?

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

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

그러나 이 계산의 특성상 특정 출력을 산출하는 토크와 속도의 조합은 매우 다양합니다. 따라서 출력 등급이 유사한 모터라도 속도와 토크의 조합에 따라 다르게 작동할 수 있습니다.

엔지니어는 최적의 성능을 발휘하는 모터를 선택하기 전에 특정 크기의 부하가 얼마나 빨리 움직여야 하는지 알아야 합니다. 또한, 수행 중인 작업은 모터의 토크/속도 곡선에 포함되어야 합니다. 이 곡선은 작동 중 모터의 토크가 어떻게 변하는지 보여줍니다. "최악의 상황" 가정(즉, 작업에 필요한 최대/최소 토크 및 속도 결정)을 사용하면, 엔지니어는 선택한 모터가 충분한 토크/속도 곡선을 가지고 있다고 확신할 수 있습니다.

부하의 관성은 모터 선택 의사 결정 과정에 들어가기 전에 고려해야 할 또 다른 요소입니다. 관성비를 계산해야 하는데, 이는 부하의 관성과 모터의 관성을 비교한 것입니다. 경험에 따르면 부하의 관성이 회전자의 관성의 10배를 초과하면 모터 튜닝이 더 어려워지고 성능이 저하될 수 있습니다. 하지만 이 규칙은 기술마다 다를 뿐만 아니라 공급업체마다, 심지어 제품마다도 다릅니다. 응용 분야의 중요도도 이 결정에 영향을 미칩니다. 일부 제품은 최대 30:1의 관성비를 처리하는 반면, 직접 구동 장치는 최대 200:1의 관성비로 작동합니다. 많은 사람들이 10:1을 초과하는 모터의 크기를 조정하는 것을 좋아하지 않습니다.

마지막으로, 특정 모터를 다른 모터보다 제한하는 물리적 제약이 있습니까? 모터는 다양한 모양과 크기로 제공됩니다. 경우에 따라 모터가 크고 부피가 커서 특정 크기의 모터를 수용할 수 없는 특정 작업이 있습니다. 최적의 모터 유형을 결정하기 전에 이러한 물리적 사양을 파악하고 이해해야 합니다.

엔지니어가 속도, 토크, 마력, 부하 관성, 물리적 한계 등 이 모든 질문에 답하면 가장 효율적인 크기의 모터를 선택할 수 있습니다. 하지만 의사 결정 과정은 여기서 끝나지 않습니다. 엔지니어는 해당 응용 분야에 가장 적합한 모터 유형도 파악해야 합니다. 수년간 모터 유형 선택은 대부분의 응용 분야에서 서보 모터 또는 개방 루프 스테퍼 모터 중 하나로 귀결되었습니다.

서보 및 스테퍼

서보 모터와 오픈 루프 스테퍼 모터의 작동 원리는 비슷합니다. 하지만 엔지니어가 특정 애플리케이션에 적합한 모터를 결정하기 전에 두 모터 사이에는 중요한 차이점이 있습니다.

기존 서보 시스템에서는 컨트롤러가 펄스와 방향 또는 위치, 속도, 토크와 관련된 아날로그 명령을 통해 모터 드라이브에 명령을 전송합니다. 일부 제어는 버스 기반 방식을 사용할 수 있으며, 최신 제어에서는 일반적으로 이더넷 기반 통신 방식을 사용합니다. 드라이브는 모터의 각 위상에 적절한 전류를 전송합니다. 모터 피드백은 모터 드라이브와 필요한 경우 컨트롤러로 다시 전달됩니다. 드라이브는 이 정보를 활용하여 모터를 적절하게 정류하고 모터 축의 동적 위치에 대한 정확한 정보를 전송합니다. 따라서 서보 모터는 폐루프 모터로 간주되며 내장 인코더를 포함하고 있으며, 위치 데이터는 컨트롤러에 자주 전달됩니다. 이 피드백을 통해 컨트롤러는 모터를 더욱 효율적으로 제어할 수 있습니다. 컨트롤러는 모터가 제대로 작동하지 않을 경우 다양한 정도로 작동을 조정할 수 있습니다. 이러한 중요한 정보는 개루프 스테퍼 모터가 제공할 수 없는 이점입니다.

스테퍼 모터는 모터 드라이브로 전송된 명령에 따라 작동하여 이동 거리와 속도를 결정합니다. 일반적으로 이 신호는 스텝 및 방향 명령입니다. 그러나 개루프 스테퍼 모터는 조작자에게 피드백을 제공할 수 없으므로, 제어 장치가 상황을 제대로 평가하고 모터 작동을 개선하기 위한 조정을 수행할 수 없습니다.

예를 들어, 모터의 토크가 부하를 감당하기에 충분하지 않으면 모터가 정지하거나 특정 스텝을 놓칠 수 있습니다. 이러한 경우 목표 위치에 도달하지 못합니다. 스테퍼 모터의 개루프 특성을 고려할 때, 이러한 부정확한 위치 정보는 컨트롤러로 제대로 전달되지 않아 조정이 불가능합니다.

서보 모터는 효율과 성능 면에서 분명한 장점이 있는 것처럼 보이는데, 그렇다면 왜 스테퍼 모터를 선택해야 할까요? 몇 가지 이유가 있습니다. 가장 흔한 이유는 가격입니다. 운영 예산은 설계 결정에 중요한 고려 사항입니다. 예산이 부족해지면 불필요한 비용을 줄이기 위한 결정을 내려야 합니다. 이는 모터 자체의 비용뿐만 아니라, 스테퍼 모터는 서보 모터보다 정기 및 긴급 유지 보수 비용이 더 저렴한 경향이 있습니다. 따라서 서보 모터의 장점이 비용을 상쇄하지 못한다면 일반 스테퍼 모터로도 충분할 수 있습니다.

순수하게 작동 관점에서만 보면, 스테퍼 모터는 표준 서보 모터보다 훨씬 사용하기 쉽습니다. 스테퍼 모터를 작동시키는 것은 이해하기도 쉽고 구성하기도 훨씬 쉽습니다. 대부분의 사람들은 작업을 지나치게 복잡하게 만들 필요가 없다면 단순하게 유지하는 것이 좋다는 데 동의할 것입니다.

두 가지 모터 유형이 제공하는 장점은 매우 다릅니다. 서보 모터는 3,000rpm 이상의 속도와 높은 토크를 필요로 하는 경우에 이상적입니다. 그러나 수백 rpm 이하의 속도만 필요한 애플리케이션에서는 서보 모터가 항상 최선의 선택은 아닙니다. 저속 애플리케이션에서는 서보 모터가 과할 수 있습니다.

저속 애플리케이션은 스테퍼 모터가 최적의 솔루션으로 빛을 발하는 분야입니다. 스테퍼 모터는 정지 시 반복성이 우수할 뿐만 아니라, 저속에서도 높은 토크를 제공하도록 설계되었습니다. 이러한 설계 특성상 스테퍼 모터는 속도 한계까지 제어 및 구동될 수 있습니다. 일반적인 스테퍼 모터의 속도 한계는 보통 1,000rpm 미만인 반면, 서보 모터는 최대 3,000rpm 이상의 정격 속도를 가질 수 있으며, 때로는 7,000rpm을 초과하는 경우도 있습니다.

스테퍼 모터의 크기가 적절하다면 완벽한 선택이 될 수 있습니다. 하지만 스테퍼 모터가 개방 루프 구성으로 작동 중 문제가 발생하면 작업자가 문제 해결에 필요한 모든 데이터를 얻지 못할 수 있습니다.

오픈 루프 문제 해결

지난 수십 년 동안 개방 루프 스테퍼 모터의 기존 문제를 해결하기 위해 여러 가지 접근 방식이 제시되어 왔습니다. 전원 공급 시 또는 애플리케이션 실행 중에 모터를 센서로 원점 복귀시키는 것이 한 가지 방법이었습니다. 이 방법은 간단하지만, 작업 속도를 늦추고 정상적인 작동 과정에서 발생하는 문제를 포착하지 못합니다.

모터가 정지하거나 위치를 이탈했는지 감지하는 피드백을 추가하는 것도 또 다른 접근 방식입니다. 모션 제어 회사의 엔지니어들은 "정지 감지" 및 "위치 유지" 기능을 개발했습니다. 스테퍼 모터를 서보 모터처럼 다루거나, 최소한 정교한 알고리즘으로 모방하는 등 한 걸음 더 나아가는 접근 방식도 있습니다.

서보 모터와 오픈 루프 스테퍼 모터 사이에는 다소 새로운 기술인 클로즈드 루프 스테퍼 모터가 있습니다. 이 기술은 위치 정확도와 저속 구동이 필요한 애플리케이션의 문제를 해결하는 가장 효과적이고 경제적인 방법입니다. 고해상도 피드백 장치를 적용하여 클로즈드 루프를 구현함으로써 엔지니어는 "두 가지 기술의 장점"을 모두 누릴 수 있습니다.

폐루프 스테퍼 모터는 스테퍼 모터의 모든 장점을 제공합니다. 사용 편의성, 단순성, 그리고 정확한 정지와 함께 저속에서도 안정적으로 구동할 수 있는 능력입니다. 게다가 서보 모터와 같은 피드백 기능도 제공합니다. 다행히 서보 모터의 가장 큰 단점인 높은 가격 때문에 고민할 필요는 없습니다.

핵심은 항상 개방 루프 스테퍼 모터의 작동 방식에 있었습니다. 일반적으로 두 개의 코일, 때로는 다섯 개의 코일이 있으며, 그 사이에는 자기 균형 작용이 일어납니다. 움직임은 이 균형을 깨뜨려 모터 축이 전기적으로 뒤로 떨어지게 하지만, 작업자는 얼마나 뒤로 떨어지는지 알 수 없습니다. 정지 지점은 개방 루프 스테퍼 모터에서는 반복 가능하지만 모든 부하에서 그런 것은 아닙니다. 스테퍼 모터에 인코더를 장착하고 폐쇄 루프로 만들면 어느 정도 동적 제어가 가능해집니다. 이를 통해 작업자는 다양한 부하 조건에서 정확한 지점에 정지할 수 있습니다.

특정 응용 분야에서 폐루프 스테퍼 모터를 사용함으로써 얻을 수 있는 이러한 이점 덕분에 모션 제어 분야에서 폐루프 스테퍼 모터의 인기가 급격히 높아졌습니다. 특히 반도체와 의료기기 제조업체라는 두 주요 산업 분야에서 폐루프 스테퍼 모터 사용이 눈에 띄게 증가하고 있습니다. 이러한 산업 분야의 엔지니어는 모터가 벨트 또는 볼 스크류에 동력을 공급하든 부하 또는 액추에이터의 위치를 ​​정확히 파악해야 합니다. 이러한 스테퍼 모터의 폐루프 피드백을 통해 부하 또는 액추에이터의 위치를 ​​정확히 파악할 수 있습니다. 또한, 저속에서는 서보 모터보다 더 나은 성능을 제공할 수 있습니다.

일반적으로 서보 모터보다 낮은 비용으로 보장된 성능이 필요하고 비교적 낮은 속도에서 작동할 수 있는 모든 애플리케이션에는 폐쇄 루프 스테퍼 모터가 적합합니다.

운영자는 드라이브 또는 제어 장치가 폐루프 스테퍼 모터를 지원하는지 확인해야 합니다. 과거에는 후면에 인코더가 있는 스테퍼 모터를 구입할 수 있었지만, 드라이브는 표준 스테퍼 모터 드라이브였고 인코더를 지원하지 않았습니다. 인코더를 컨트롤러로 다시 가져와야 했고, 이동이 끝나면 위치 검증을 구현해야 했습니다. 하지만 새로운 폐루프 스테퍼 드라이브에서는 이러한 작업이 필요하지 않습니다. 폐루프 스테퍼 드라이브는 컨트롤러 없이도 위치 및 속도 제어를 동적으로 자동으로 처리할 수 있습니다.