스테퍼 모터 솔루션의 기능과 이점

스테퍼 모터(Stepper motor)는 표준 가변 속도 모터(standard variable speed motors)보다는 더 정밀해야 하지만, 서보 모터 (servo motor)보다는 비용과 복잡성이 더 낮은 모션 제어 응용 분야에서 중요한 역할을 한다.
산업용 기계는 일반적으로 정밀하고 강력하게 구동해야 하는 많은 운동 요소로 구성된다. 설계자는 비용을 절감하기 위해 공압 식 옵션을 선택하거나 최대 힘이 필요할 때 유압식 대안을 선택할 수 있다. 그러나 정확성, 속도, 전력, 내구성 및 운영 비용을 모두 고려할 때 가장 일반적인 구동력은 일반적으로 전기 모터에 의해 서다. 특히 어떤 형태의 전기 모터를 사용하여 이동 시스템의 위 치, 속도 및 가속도를 명령하는 자동화 시스템의 기능을 일반적으 로 모션 제어라고 한다.
표준 AC 유도 및 DC 모터는 고정 속도 또는 가변 속도에서 온/ 오프 및 연속 작동에 적합하다. 그러나 간헐적인 작동과 세심한 포지셔닝 타겟, 자동화 기계에 사용되는 속도/가속 프로파일은 더 많은 능력을 갖춘 기술을 요구한다. 서보 컨트롤러, 드라이브및 모터는 이와 관련하여 뛰어난 성능을 제공할 수 있지만 복잡성 으로 인해 재료 및 설계 비용이 증가한다.
많은 응용 분야에서 스테퍼 모터 솔루션은 필요한 성능을 제공 하는 최적의 위치를 차지하지만 서보 솔루션보다 훨씬 저렴한 비 용으로 제공된다. 이 기사에서는 DC 스테퍼 모터 솔루션의 기능 과 이점을 식별하고 더 많은 응용 분야에서 기술을 실현할 수 있 는 새로운 고전압 스타일을 소개한다.

전기 모터 옵션

모든 유형의 모터 제어를 구현하려면 일반적으로 모터, 드라이브, 컨트롤러 및 전원 공급 장치를 지정해야 한다. 대부분의 경우 이 러한 기능 중 일부는 구성 요소에 결합되거나 단순화될 수 있다. 예를 들어, AC 유도 모터는 간단한 온/오프 컨택터로 구동 및 제 어할 수 있으며 AC 설비 전원으로 전원을 공급받을 수 있다. 그러나 서보 모터에는 일반적으로 분리되어 있지만 모터에 물 리적으로 부착된 드라이브가 필요하다. 드라이브에는 온보드 동 작 제어 및 시퀀싱 기능이 있거나 별도의 상위 수준 동작 컨트롤 러 또는 PLC(프로그램 가능 논리 컨트롤러)에서 명령을 내릴 수 있다. 여러 모터 기술이 기계, 장비 및 프로세스 자동화의 다양한 측면에 적합하다.

• AC 인덕션 모터: 정확한 작동이 덜 중요한 다양한 크기와 마력 범위에 유용하다. 일반적으로 단일 속도 작동에 사용되지만 가 변 주파수 드라이브(VFD)로 속도 조절이 가능하다.
• DC 모터: 저속에서 우수한 토크와 필요한 DC 드라이브로 합리 적인 속도 제어가 달성된다.
• DC 스테퍼 모터: 더 낮은 속도와 작은 힘 요구 사항의 경우 스테 퍼 모터는 매우 빠르게 발생할 수 있는 작은 이산 스텝으로 이동하도록 펄스에 의해 명령을 받기 때문에 표준 AC 또는 DC 모터 보다 더 나은 제어 분해능을 제공한다.
• 높은 버스 전압 스테퍼 모터: DC 스테퍼 모터와 비슷하지만 드 라이브가 AC 전원을 수용하고 더 높은 DC 버스 전압을 생성하 는 데 사용하기 때문에 이 스타일은 낮은 전압에 비해 속도와 토 크가 더 높다. 그러나 DC 스테퍼와 마찬가지로 속도가 증가하 면 토크가 떨어지고 스테퍼 모터는 일반적으로 분당 1,000회전 (rpm) 미만에서 가장 잘 작동한다.
• 서보 모터: 서보 컨트롤러 및 서보 드라이브와 결합하면 서보 모 터는 속도 범위 전체에서 최대 토크로 고속을 제공하고 복잡한 프로파일을 통해서도 위치, 속도 및 가속도를 매우 정밀하게 제 어한다. 그러나 하드웨어 비용과 구성 노력은 스테퍼 구현 비용 의 최대 4배에 달하는 모터 기술의 경우 가장 높다.

전기 등급과 호환성을 준수하는 경우, 여러 공급업체에서 제공 하는 모터, 드라이브 및 컨트롤러를 혼합할 수 있다. 그러나 많은 사용자는 서보 모터의 경우 최고의 호환성과 지원을 위해 단일 벤 더 포트폴리오 내에서 제품을 선택하는 것이 가장 효과적이라는 것을 알고 있다.
AC 유도 및 DC 모터는 설치 및 유지 관리가 가장 쉬운 것으로 간주되는 반면, 스테퍼와 서보 모두 추가 하드웨어, 설계 요구 사 항 및 설치 노력으로 인해 더 많은 문제가 있다. 그러나 진정한 모 션 제어 성능을 얻으려면 일반적으로 스테퍼와 서보가 필요하다. 모션 제어에 사용되는 모터는 부하를 직접 또는 기어박스, 톱니 가 있는 풀리 및 벨트(부드럽거나 V-벨트 유형이 아님), 랙 및 피 니언 설정 또는 대상 장비 요소를 회전 또는 선형으로 구동하는 기타 메커니즘을 통해 작동할 수 있다. 이러한 포지티브 기계식 모션 전송 방법은 모터 모션이 부하 모션과 직접 관련되도록 한다. 일부 모션 애플리케이션은 위치 피드백이 제한되어 있거나 피 드백이 없어도 잘 작동한다. 그러나 더 나은 안정성과 고성능 솔 루션을 위해 시스템은 모터 피드백에서 가장 잘 작동한다.

개방 vs 폐쇄 루프 모션 제어

개방 루프 모터 작동은 스타터 또는 드라이브에 의해 모터가 작동 하도록 명령을 받지만 모터 위치 또는 속도가 직접 모니터링되지 않아 정확도에 대한 피드백이 없다. 폐루프 모터 작동은 모터에 센서를 설치하고 드라이브 또는 컨트롤러에 연결하여 시스템이 모터 속도 또는 위치를 더 잘 제어할 수 있도록 작동 피드백을 제 공함으로써 달성된다.
개방 루프 제어는 모터 속도 조절 또는 위치의 확실한 확인이 필요하지 않은 애플리케이션에 적합하다. 때때로 제어 시스템은 어느 정도의 피드백을 제공하기 위해 구동 장비를 외부에서 모니 터링한다. 예를 들어 앞뒤로 이동하고 각 이동 끝에 전기 제한 스 위치가 있는 크레인 갠트리가 있다. PLC는 모터를 앞뒤로 제어하 고 메커니즘의 끝에서 멈출 수 있다.
상자접기, 제품 배치 및 라벨링 요소가 위치에 도달하기 위해 정밀하게 제어되어야 하는 포장 기계의 메커니즘과 같은 정확한 모션 제어 및 기계 응용 분야에는 폐쇄 루프 제어가 필요하다. 스테퍼 모터를 폐쇄 루프로 작동하는 것이 가능하고 보편화되 고 있다. 반면에 서보 모터는 본질적으로 폐쇄 루프로 작동한다. 대부분의 스테퍼 모터는 AC 유도 및 DC 모터보다 더 나은 위치 명령이 있지만 서보 모터의 폐쇄 루프 피드백이 없는 중간 접지에 있다. 실제로 스테퍼 모터와 서보 모터의 적용에서 가장 큰 차이 점은 종종 개방 루프 피드백과 폐쇄 루프 피드백이다.
스테퍼 모터를 폐쇄 루프 시스템으로 구현할 수 있도록 피드백 을 추가하는 방법이 있다. 또한 드라이브가 통합된 일부 고급 스 테퍼 모터가 제공되고 있으며 폐쇄 루프 제어 형태를 제공한다. 스테퍼 모터는 서보 모터에 비해 저렴한 모션 제어 대안으로 간 주될 수 있지만 스테퍼에는 몇 가지 다른 장점이 있다. 스테퍼 모 터는 속도가 0일 때 지터/디더(jitter/dither)가 없다. 중력이나 다른 힘으로 인한 일정한 부하가 없는 응용 분야의 경우 일부 스 테퍼 드라이브에는 에너지를 절약하고 샤프트가 정지 상태일 때 헤딩을 줄이는 유휴 전류 감소 옵션이 있을 수 있다.
작동 시, 모션 제어 애플리케이션의 각 이동 경로는 회전이든 선형이든 관계없이 축이라고 한다. 제품 픽 앤 플레이스 그리퍼의 X, Y 및 Z 위치와 같이 여러 축을 함께 조정해야 하는 경우가 있 다. 이 경우, 모션 컨트롤러는 이러한 애플리케이션을 위해 인덱 서라고도 하는 내장형 경로 계획을 포함할 수 있다. 그러나 스테 퍼는 최적의 솔루션을 제공하는 단일 축 애플리케이션이 많이 적 용된다.

스테퍼 사양

스테퍼 시스템은 일반적으로 펄스에 의해 명령된다. 드라이브로 들어가는 각 펄스는 모터가 한 스텝 이동하도록 지시하며 일반적으로 각 360도 회전에 대해 200스텝이 있으므로 각 스텝은 1.8도 의 이동을 나타낸다. 각 애플리케이션에 대해 사용자는 스텝 모 드, 컨트롤러, 스텝 펄스 및 신호 유형, 위치 확인 및 모터 크기를 고려해야 한다.

스텝 모드

전체 스텝 모드에서 컨트롤러는 완전한 모터 1회전을 달성하기 위해 200스텝(펄스)를 생성해야 한다. 그러나 대부분의 사용자는 스텝의 코깅 효과로 인해 풀스 텝 모드가 거칠기 때문에 사용하지 않는다.
대신 많은 사용자는 완전한 회전에 필요한 펄스 수를 각각 두 배와 네 배로 늘리는 하프 스텝 또는 쿼터 스텝 모드를 선택한다. 일부 스테퍼 드라이브는 완전한 혁명을 위해 최대 50,000 스텝을 요구할 수 있는 마이크로 스텝 모드를 지원한다. 일반적인 마이크 로스테핑 드라이브에는 마이크로스테핑 분해능에 사용할 수 있 는 여러 가지 설정이 있다.
다음 고려 사항은 컨트롤러가 얼마나 빨리 펄스를 생성할 수 있 는지 보여준다. 컨트롤러가 초당 100,000 펄스(100kHz)를 생성 할 수 있는 경우 다음 모드는 다음과 같은 속도를 생성할 수 있다.
• 400스텝/회전(하프스텝): 250rps 또는 15,000rpm
• 800스텝/회전(1/4스텝): 500rps 또는 7,500rpm
• 10,000스텝/회전: 10rps 또는 600rpm
• 50,000스텝/회전: 2rps 또는 120rpm

정확성, 매끄러움, 속도 및 힘 사이에는 본질적인 절충점이 있 으며 주요 절충점은 해상도와 속도 사이에 있다. 미세한 스텝 모드는 정확성과 부드러움을 향상시키지만 결국 컨트롤러 펄스 생 성 또는 드라이브 응답 제약으로 인해 최대 속도를 제한한다. 스테퍼 모터에 내재된 또 다른 고려 사항은 속도가 증가함에 따 라 사용 가능한 토크가 감소하므로 설계자는 전송 배열과 모터 속 도의 균형을 맞춰야 한다는 것이다.

스테퍼 컨트롤러

스테퍼 컨트롤러는 모터가 회전해야 하는 거리와 회전 속도를 자 세히 설명하는 명령을 생성한다. 복잡성이 증가하는 몇 가지 모션 예는 다음과 같다.
• 고정된 속도로 이동
• 여러 걸음 이동 후 정지
• 한 속도에서 다른 속도로 가속 (리니어 모션)
• 한 정지 위치에서 다른 위치로 여러 스텝을 이동한다. 먼저 목표 속도로 가속한 다음 목표 위치에서 다시 0 속도로 감속한다 (사 다리꼴 모션, 그림1).
• 한 속도에서 다른 속도로 가속한다 (S자 곡선 모션, 그림2).

기본 스테퍼 드라이브는 지능형이 아니며 컨트롤러에서 고속 펄스 트레인을 수신하여 모터 작동에 필요한 전압으로 증폭한다. 더 많은 기능을 갖춘 스테퍼 드라이브에는 고급 기능을 수행하는 제어 인텔리전스가 포함되어 있으며 통신 프로토콜을 통합하여 더 높은 수준의 자동화 구성 요소와 상호 작용할 수 있다. 일부 컨트롤러 옵션은 PLC, 마이크로 컨트롤러 또는 고속 디지 털 출력이 있는 PC 또는 전용 모션 컨트롤러를 사용하여 기본 스 테퍼 드라이브에 명령을 내리는 것이다. 컨트롤러는 모든 논리 및 동작 활동을 조율하고 드라이브는 모터를 작동하는 데 필요한 전 압 펄스를 생성한다. PLC 옵션은 많은 기계가 이미 PLC에 의해 자동화되었기 때문에 매력적이다. 따라서 스테퍼 구동 비용을 최 소화하면서 동작 동작을 컨트롤러 프로그램과 긴밀하게 통합할 수 있다. 고속 개별 출력 카드가 장착된 PLC는 이러한 유형의 단 일 축 기계 제어를 구현하는 효과적인 방법이다.

스텝 펄스 및 신호

▷ 고속 펄스
컨트롤러가 스테퍼 드라이브로 보내는 고속 펄스는 원하는 동작 을 함께 정의하는 방향과 펄스 주파수를 인코딩해야 한다. 세 가 지 주요 유형이 있다.
• 펄스/방향(가장 일반적인 방법)
• 시계방향(CW) / 반시계방향(CCW)
• A/B 구적법
설계자는 호환 가능한 컨트롤러 및 드라이브 펄스 방법을 선택 해야 한다. 또 펄스 신호의 전기적 특성은 오픈 콜렉터, 라인 드라 이버 또는 푸시-풀일 수 있다. 다시 말하지만 직접 선택하거나 적 절한 신호 컨디셔너를 사용하여 조정해야 한다.

▷ 아날로그 신호
스테퍼 모터는 사용자가 알려진 거리나 지정된 위치로 모터를 이 동하도록 명령해야 할 때 주로 사용되지만 명령된 회전 속도를 제 공하는 데 사용할 수 있다. 사용자는 0-10Vdc 또는 4-20mA와 같은 표준 산업용 아날로그 신호를 수용하는 드라이브를 선택하 기만 하면 드라이브가 자체 펄스 트레인을 생성한다. 예를 들어, 4mA는 정격 모터 속도의 0%에 해당하고 20mA는 100%(또는 원 하는 최대 속도)에 해당할 수 있다. 이러한 형태의 제어는 펄스 신 호만큼 정확하지는 않지만 소형 턴테이블이나 컨베이어와 같이 지속적으로 회전하는 장비에 적합한 경우가 많다. 이러한 경우 설 계자는 DC 드라이브와 관련 모터 및 기어박스를 선택하는 대신 대 형 스테퍼 드라이브와 드라이브 장비를 직접 지정할 수 있다.

▷ 이산 입력(Discrete Inputs) 및 디지털 통신
가장 지능적인 스테퍼 드라이브에는 미니 컨트롤러가 내장되어 있어 간단한 켜기/끄기 신호에 의해 트리거 되거나 상위 수준 컨트롤러의 고급 통신에 의해 시작되는 조정 가능한 매개변수 및 사 전 구성된 이동으로 프로그래밍할 수 있다. 이 방법은 고급 지점 간 이동이 지능형 스테퍼 드라이브에 의해 직접 처리되기 때문에 상위 레벨 컨트롤러의 부담을 효과적으로 덜어준다. 이산 신호는 일반적으로 24Vdc 또는 건식 접점이다. 일부 지능형 스테퍼 드라 이브는 다음과 같이 널리 사용되는 산업용 네트워킹 프로토콜과 함께 작동할 수 있다.
• ASCII/직렬
• 모드버스 RTU 또는 모드버스 TCP
• 이더넷/IP
• PROFIBUS 또는 PROFINET

이러한 산업용 프로토콜은 빠르고 많은 양의 데이터 통신을 허 용하지만 타이밍이 충분히 정확하여 실시간 이동을 실행할 만큼 빠르지 않다는 우려가 있을 수 있다. 이러한 경우, 드라이브 입력 에 연결된 이산 제어 출력이 중요한 이동을 시작하는 동안 스마트 스테퍼 드라이브에서 매개변수를 사전 구성하고 세부 정보를 이 동하기 위해 상위 레벨 컨트롤러에 산업용 프로토콜을 사용하는 하이브리드 접근 방식이 가능하다.

▷ 원점 복귀 및 위치 확인
컨트롤러 유형 및 신호 방법에 관계없이 스테퍼 모터는 컨트롤러 가 원점 복귀라는 절차인 홈 위치를 학습한 후에만 정확한 위치 이동을 수행할 수 있다. 또한 주기적 위치 확인을 사용하여 후속 작업 중에 정확한 움직임을 확인할 수 있다.
복귀 절차는 후속 페이로드의 실제 무게를 결정하기 전에 영점 을 맞춰야 하는 저울과 같이 향후 이동을 위한 위치 기준선을 설 정하는 기능을 한다. 스테퍼 컨트롤러의 경우 펄스 카운트 적산 기는 알려진 홈 위치에서 0이 되며 이 위치를 기준으로 향후 모든 이동이 계산된다.
원점 복귀는 일반적으로 장비 전원을 켤 때 수행해야 하며 이후 필요에 따라 간헐적으로 수행할 수 있으며 이 작업을 수행하는 데 약간의 시간이 걸릴 수 있다. 위치 검증은 유사한 활동이지만 일 반적으로 위치가 예상대로인지 확인하는 데 사용되는 빠른 확인 이다. 문제가 감지되면 원점 복귀 절차를 수행하여 포지셔닝 기준 선을 다시 설정해야 한다. 엄격한 응용 프로그램은 각 주기 또는 작업에 대해 아마도 한 번(또는 그 이상) 빈번한 위치 확인을 요구할 것이다.
원점복귀를 수행하는 한 가지 방법은 구동 메커니즘의 알려진 위치에 위치 스위치를 설치하는 것이다. 스테퍼 컨트롤러/드라이 브 조합이 홈 위치를 학습할 준비가 되면 예상 위치로 빠르게 이동 한다. 위치 스위치가 트리거되는 즉시 컨트롤러는 펄스 카운트 토 털라이저를 제로화하여 새로운 홈 위치를 효과적으로 학습한다. 
정확성을 향상시키기 위한 이 절차의 개선 사항은 장비를 홈 위 치 스위치에서 천천히 끄고 스위치가 트리거 되지 않을 때 기록하 여 훨씬 더 정확한 홈 위치를 생성하는 것이다. 위치 확인은 비슷 하지만 작동 주기를 통해 장비가 정상적으로 이동하는 동안 하나 이상의 위치에서 위치 스위치를 검사할 수 있다.

구동 장비 또는 스테퍼 모터 자체에 증분 또는 절대 인코더를 설치하고 컨트롤러가 동작 활동을 모니터링할 수 있도록 연결할 수도 있다(그림3). 이러한 방식으로 사용되는 인코더는 폐쇄 루 프 작동을 제공하여 위치를 확인한다. 이를 통해 컨트롤러는 웹을 구동할 때와 같이 미끄러짐을 감지하거나 자동화 프로그램이 작 동하거나 운영자에게 알릴 수 있도록 과부하 또는 정지된 모터 상 태를 식별할 수 있다. 속도 제어 모드에서 인코더는 적절한 작동 속도를 확인한다. 
일부 인코더에는 회전에서 알려진 위치를 식별하는 Z-펄스라 고도 하는 내장형 마커 펄스가 있다. 일부 애플리케이션에서 이 마커 펄스는 외부 스위치와 함께 사용되어 스테퍼 모터를 홈으로 설정할 수 있다. 마커 펄스가 있는 대부분의 인코더는 공장에서 고정된 위치로 구성되어 출고되므로 장비에 설치하고 시운전할 때 상대 위치를 처음에 학습해야 한다. 일부 최신 인코더에는 하 드웨어/물리적 조정이 필요 없이 설치 중에 원하는 대로 설정할 수 있는 구성 가능한 마커 펄스가 있다.
위치 검증과 관련된 사실은 많은 모션 시스템이 이동 끝 및 초 과 이동 제한 스위치를 필요로 한다는 사실이다. 이 스위치는 기 계적 한계에 도달했을 때 모터가 멈추거나 장비가 손상되는 것을 방지하기 위해 작동 중에 컨트롤러가 모니터링할 수 있다. 이 스 위치는 작동 중에 모터가 정지되어 동기화가 손실되었음을 나타 내기 위해 작동 중에 경보를 울리거나 위치 확인 작업을 시작할 수 있다.

▷ 모터 크기
스테퍼 모터는 많은 표준 NEMA 크기로 제공되며 NEMA 14에서 최대 NEMA 34 범위의 모터가 일반적으로 사용된다. 그것들은 크기가 콤팩트하고 일반적으로 몇 인치 제곱을 넘지 않아 기계로 쉽게 설계할 수 있다. 7.5 HP AC 모터의 토크를 제공하는 NEMA 42와 같은 더 큰 스테퍼 모터를 사용할 수 있지만 이러한 더 큰 모터는 정격 최대 속도가 훨씬 더 낮다. 업계에서 경험으로 볼 수 있는 한 가지 규칙은 잠재적인 실속 상태를 피하기 위해 예상 부 하가 사용 가능한 토크의 50%만 사용하도록 스테퍼 모터 및 드 라이브의 크기를 지정하는 것이다. 현재 문제가 있는 짧은 과부하 를 처리할 수 있는 AC 유도 및 서보 모터와 비교할 때 스테퍼에는 과부하 기능이 없기 때문이다.

결론

AC 유도 및 DC 모터는 안정적이고 기본적인 모션 제어 방법으로 잘 알려져 있다. 마찬가지로 대부분의 설계자는 서보 모터가 로봇 공학과 같은 가장 까다로운 동작 제어 응용 분야를 위한 고성능 솔루션이라는 것을 알고 있다. 스테퍼 모터는 많은 응용 분야에서 유리한 선택이 될 수 있으며 적합할 경우 가장 비용 효율적인 옵션이 될 것이다. 정확한 단일 축 또는 제한된 다축 모션 제어가 필요한 저출력 응용 분야의 경 우 위치 스위치 및/또는 인코더와 함께 사용되는 스테퍼 모터 및 드라이브는 서보 모터 시스템 비용의 약 25%로 기계를 안정적으로 작동한다. 

자료제공: AutomationDirect (www.AutomationDirect.com)