스텝모터란?

안녕하세요. 취업한 공대누나입니다.

오늘은 스텝모터에 대해 알아보도록 하겠습니다.

저는 학부 시절과 회사에서 스텝 모터 제어를 해보았는데요.

사실 부끄럽지만 자세하게 공부해보는 건 이번이 처음입니다.

원리도 모르고 그동안 제어를 했었음에 반성합니다. 

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1. 스텝 모터의 기본 동작

 

스텝 모터 혹은 스테핑 모터라고 불립니다.

 

 

우선 펄스가 입력될 때마다 일정한 각도씩 모터가 회전합니다.

즉 1개의 Pulse당 일정한 각도만큼 동작하는 것입니다.

예를 들어서 아래와 같은 3개의 펄스를 입력하게 되면 모터가 정해진 각도만큼 회전하는 것입니다.

이 때 회전하는 각도를 스텝각이라고 부릅니다.

이러한 스텝각을 작게 하면 모터의 위치를 결정하는 정밀도를 향상시킬 수 있는 것입니다.

 

회전 각도는 입력 펄스의 신호의 수에 비례하고, 회전 속도는 입력 펄스 신호의 주파수에 비례합니다.

즉, 주파수가 낮으면 천천히 회전하고, 주파수가 높으면 빠르게 회전하게 됩니다.

 

 

즉 위의 그림에서 위의 신호를 입력하게 되면 느리게 아주 조금 돌았을 것이고

밑의 신호를 입력하게 되면 빠르게 많이 돌았을 것입니다.

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2. 스텝모터 작동 (여자 방식에 대해서)

 

스텝모터가 어떤식을 동작하는 지 동작시키는 '방법'은 대충 알았습니다.

이제는 왜 이런 방식으로 동작을 하는지 한 번 알아보도록 하겠습니다.

 

우선 스텝모터는 자석인 '로터'(회전자)와 자속을 전달할 수 있는 '스테이터'(고정자)와 결합됩니다.

코일 와인딩에 전기를 공급하게 되면 N극과 S극의 전자기장이 형성됩니다.

 

 

일상여자방식

우선 여자방식해서 굉장히 이름이 특이합니다.

남자 여자 할 때 그 여자 같지 않나요? ㅎㅎ

하지만 여기서는 당연히 그 의미가 다르겠지요. 우리는 자기화 되는 것을 '여자'라고 합니다. 쉽게 말해서 그냥 자석이 된 것이라서 '여자'인 것입니다.

 

일상여자방식이라고 말하는 여자 방식은

한 군데에만 전류를 흘리는 것을 말합니다. 그래서 모터가 과열되지 않는다는 장점이 있습니다.

왼쪽을 보시면 A상의 Stator에 감겨있는 코일에 전류를 흘려줍니다. 이렇게 될 경우 Rotor가 그림의 위치처럼 고정이 되게 됩니다.

그리고 다음에는 B상의 Stator에 감겨있는 코일에 전류를 흘려줍니다. 이렇게 될 경우 Rotor가 시계 방향으로 90도 회전하게 된 것을 확인할 수 있습니다.

 

그 다음의 동작은 반복이라 더 설명하지는 않겠습니다.

 

이상여자방식

이상여자방식은 두 군데에 동시에 전류를 흘려주는 것입니다. 두 군데가 자석이 되기 때문에 전류 소모가 더 크지만 힘도 좋고 진동이 더 작다는 장점이 있습니다. 그래서 일반적으로 많이 사용됩니다.

동작 방식은 크게 다르지 않습니다.

 

 

 

이 외에도 일이상여자 동작 방식도 있습니다.

일상 여자 방식과 이상 여자 방식을 교대로 반복하는 방법인데요. 

앵글이 반으로 되어서 하트 스텝(HALT-STEP)이라고도 합니다. 각도가 반으로 나뉘기 때문에 좀 더 정밀하게 제어할 수 있습니다.

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3. 유니폴라 방식과 바이폴라 방식

 

스텝 모터의 구동 방식에는 유니폴라(uni-polar)와 바이폴라(bi-polar) 구동 방식이 있습니다.

코일에 전류가 한쪽 방향으로만 흐르면 유니폴라, 양쪽 방향으로 교차로 흐르면 바이폴라라고 합니다.

2상 6선식을 예시로 한 번 보도록 하겠습니다.

 

 

바이폴라 방식은 권선에 흐르는 전류를 바꿔주는 방식입니다.

코일에 연결된 리드선 A-A' 및 B-B'를 통해 전류의 양방향 흐름이 가능하며, 유입된 전류를 모터 권선 전체를 흐르게 되는 점이 특징입니다.

유니폴라의 방식은 바이폴라 스텝 모터의 리드선 4개 외에도 중간에 추가적인 리드선이 있습니다.

그래서 총 6개의 리드선이 외부로 유출되어 있습니다. 전류 방향은 센터 탭에서 리드선을 통해 단방향으로 흐르게 됩니다. 또한 바이폴라와 달리 스텝 모터의 전류가 코일 권선의 절반만 통과하게 됩니다.

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이미지 출처 : http://ohmye.co.kr/article/%EC%9D%B4%EC%9A%A9%EC%95%88%EB%82%B4-faq/3/104/

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4. 스텝모터의 특징

여러 특징이 있지만 설명드리지 않은 중복되지 않은 특징 하나가 있습니다.

바로 스텝 모터는 Open-loop System이라는 것인데요.

바로 피드백을 따로 받지 않는다는 것입니다.

그래서 현재의 위치를 알아낼 수가 없습니다.

이 점이 서보모터와의 차이점이기도 합니다.

그래서 스텝모터를 사용할 때는 위치를 알 수 있도록 다른 별도의 장치를 두기도 합니다.

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스텝모터는 정말 간단하다고 생각했지만 생각보다 간단하지 않았습니다.