[모터와 발전기] 스텝모터 동작원리, 종류

스텝모터 동작원리와 종류 

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스텝 모터는 일정한 각도씩 회전 또는 직선 운동을 하는 디지털 엑추에이터라 할 수 있다. 일반적으로 회전 운동을 하는 경우 스텝 모터라 부르고, 직선 운동을 하는 경우에는 리니어 스텝 모터라 부른다.

산업용 로봇의 관절 기구와 같은 부분에 스텝 모터가 주로 채택되는데, 이는 외부로부터 주어지는 하나의 입력 펄스 당 일정 각도만큼 로터가 회전하여 자동 제어에 적합한 형태이기 때문이다. 또, 펄스 신호수에 비례한 만큼만 출력축이 회전하므로, DC 모터와는 달리 위치의 피드백이 불필요하며, 자기지지 토크가 형성되기 때문에 브레이크 기구가 없어도 자체의 위치결정 능력을 가지고 있는 점이 특징이다.

예를 들어 200펄스에 1회전 하는 스텝 모터는 기본적으로 1스텝당 1.8도(360도/200펄스)만큼 모터 축이 회전한다. 따라서 모터에 부여되는 펄스 수에 따라 모터의 회전각이 제어되어진다. 즉 개루프(Open Loop)의 위치 결정 제어가 가능하게 되는 것이다. 또 펄스 주파수(디지털 신호)에 의해 회전 속도가 제어되며, 구동회로도 디지털 적으로 동작하므로, 마이크로프로세서와 결합하기 쉬운 모터라고 할 수 있다.

스텝 모터(step motor), 스텝퍼 모터(stepper motor), 스텝핑 모터(stepping motor), 펄스 모터(pulse motor)는 같은 의미로 사용된다. 스텝 모터로 분류될 수 있는 엑추에이터들은 60여년 이상 사용되어져 왔으나, 드라이브 시스템에서의 로직 디바이스와의 결합 이후에야 고속 모션 제어에 이용되는 DC 서보모터에 대한 효과적이며 경제적인 대안으로 부각되어졌다. 다음은 스텝 모터의 특징을 정리하였다. 

1) 회전 각도는 입력 펄스 신호수에 비례하여 정해진다.

2) 회전속도는 입력 펄스 레이트(펄스 주파수)에 비례한다.

3) 회전자에 영구 자석을 사용하면 무자력 상태에서도, 자기보지력(self-holding torque, detent torque)가 발생한다.

4) 고토크, 고속 응답, 소형 경량이다.

5) 미소각, 고정도, 저가격이다.

6) DC 모터의 브러쉬에 의한 기계적인 마찰로 인한 파손이 없기 때문에, 보수가 필요없다.

 

 

스텝 모터의 종류

 

스텝 모터에는 다양한 종류가 있지만, 여기서는 회전 방식의 타입에 대해서 주로 언급하기로 한다. 널리 사용되는 타입으로는 VR, PM, HB 타입이 있다.

 

1) 가변 릴럭턴스형(Variable Reluctance Type) 

전자 재료로 만들어진 기어 형상의 로터를 가지고 있으며, 스테이터 코일에서 발생된 전자력을 흡인, 반발하여, 스테이터에서의 자극의 회전에 따라 회전한다. 그림 4.8은 동작원리를 설명하기 위해 스테이터와 로터가 각각 4개의 이로 구성된 VR형 스텝모터를 나타낸 것이다.

스테이터는 상, 상 및 상의 3조 코일과 각각의 스위치 , 및 가 직류 전원에 접속되어 있다고 하자. 그림 4.8(a)의 경우 스위치만이 닫혀서 상으로 전류가 흐른다. 이때 스테이터 코어(고정자 철심) 및 로터 코어(회전자 철심)가 여자된 상태로 되어서 상호 간에 자기 흡인력이 화살표 방향으로 작용하기 때문에 로터는 정지된다. 이 상태에서 스위치 를 열고 스위치 를 닫으면, 상으로 전류가 흐르게 되고 상 코일에 있는 스테이터의 이( 와 )와 로터의 이( 와 )가 그림 4.8(b)의 화살표 방향으로 발생하는 자기 흡인력에 의해 서로 끌어 당겨진다. 그러므로 로터는 조금씩 회전하게 되고 그림 4.8(c)에서 나타나는 화살표 방향으로 발생하는 자기 흡인력에 의해 끌려서 로터는 회전하다가 정지한다. 이와 같이 계속 스위치가 반복하여 순차적인 순서 , 및 로 열리고 닫히고 하면 로터는 계속적으로 회전 및 정지를 반복하면서 회전한다.

본 예에서는 스테이터의 핏치각은 이며, 회전자의 핏치각은 이므로, 스텝각은 = - = 90°- 60° = 30°이다. (단, ). 

 

          (a) ON, 초기 0°의 위치                                                (b) ON, 30°만큼 CW방향으로 이동

∼ : 스테이터 코어의 이 ∼ : 로터 코어의 이

                                (c) ON, 30°만큼 CW방향으로 이동하여 최종 60°의 위치로 이동함.

 

그림 4.8 VR형 스텝 모터의 동작 원리

 

 

 

 

2) 영구자석형(Permanent Magnetic Type)

영구 자석으로 만들어진 로터를 이용하여, 스테이터 코일에서 발생한 전자력에 대해 흡인, 반발시키는 타입이다. 로터는 스테이터의 자극의 회전에 따라 회전하게 된다. 그래서, 무자력의 때에도, 보지토크(Detent Torque)가 발생된다. VR형과 동작 원리는 같으면서도 가격이 저렴하여 일반적인 기기에 많이 이용되고 있다. 그림 4.9에 2상 PM 스텝 모터가 시계방향 회전하는 경우의 각 스텝의 순서를 보였다. 

  

                                

                                   

그림 4.9 2상 PM 스텝 모터의 시계방향 회전의 스텝 순서

3) 복합형(Hybrid Type)

VR형과 PM형을 합친 형으로 로터에 전자 재료를 이용하여 만든 기어 형상을 이용하고, 스러스트 방향(thrusting direction)에 자극을 가진 자석으로 구성된 것으로, 스테이터 권선에서 합성된 전자력에 대해 흡인, 반발하고, 스테이터의 자극 회전에 의해 로터가 회전한다. 따라서, 무자력의 때에서도 보지토크(Detent Torque)가 발생한다. 그림 4.10은 4상과 5상 HB형 스텝 모터의 단면구조와 내부 결선을 나타내고 있다. 

 

                               단면구조 내부 결선도

                                                                                             (a) 4상 

 

                             단면구조 내부 결선도

                                                                                (b) 5상 

그림 4.10 HB형 스텝 모터의 단면 구조와 내부 결선

 

이 그림에서 HB형 고정자의 이는 다시 몇 개의 작은 이로 구성되는데, 이는 작은 스텝각을 내기 위한 것이다. 따라서, 하이브리드형은 작은 스텝각으로 회전할 수 있기 때문에, 고정도 고토크의 특성을 필요로 하는 정밀 FA기기에 널리 이용된다.

일반적으로 5상 스테핑 모터가 정밀 기기용으로 많이 이용되는데, 4상과 5상 모터의 스텝각을 비교해 보면 회전자의 잇수가 50개일 때 4상은 1.8도이고, 5상은 0.72도이다.

[출처] 스텝모터 동작원리와 종류 |작성자 북청물짱