부하를 정확한 위치로 이동시키거나 지터 없이 현 위치를 유지해야 할 경우에는 스테퍼 모터를 사용한다. 스테퍼 모터는 현미경 및 레이저 위치검출기의 초점을 맞추고, CNC 머시닝 센터의 안정성을 유지하며, 레이저젯 프린터 헤드를 적절한 지점에 위치시킨다. 의료용 액체를 주사하는 펌프에 스테퍼 모터를 적용하면 액체의 용량이나 부피 등을 정확하고 꼼꼼하게 조절할 수 있다.

자료 | MICROMO(www.micromo.com)

  스테퍼 모터는 각기 다른 각도로 부하를 회전시킨다. 고정자 권선에 순차적으로 전원을 공급함으로써 상이한 부하 회전을 실현한다. 회전자는 고정자의 전원이 공급되는 부분에 맞추어 조정 및 정렬된다. 접촉 없이 자속(Magnetic Flux)을 최소화하고, 장치와 접촉하지 않고도 전기·자기 에너지를 기계적인 작업으로 변환한다. 기본적인 스테퍼 모터 설계는 움직이지 않도록 고정되어있는 고정자와, 축 및 궁극적으로는 부하와 연결되어있는 회전자, 전류 드라이버(Current Driver) 혹은 모션컨트롤러 등을 포함하는 것이 일반적이다. 스테퍼 모터의 토크는 전류와 거의 정확하게 비례하며, 따라서 낮은 속도에서 철손으로 인한 전력 손실을 무시할 수 있다.

가변 릴럭턴스 모터는 철 회전자를 둘러싸고 있는 다수의 권선(Multiple Wound)을 가진 고정자 자극(Stator Poles)을 가지고 있다. 전류 드라이버는 각각의 극에 차례로 전력을 공급한다. 회전자와 가장 가까운 극을 끌어와 회전을 유지하기 위함이다. 또한 전류 드라이버의 신호 이력을 통해 복잡한 폐루프 전자부품 및 기술 없이도 축의 위치를 밝힐 수 있다. 또한 초당 1만 스텝 이상 작동할 수 있다. 
 

가변 릴럭턴스 모터는 토크가 약한 것이 흠이다. 또한 소음이 많고, 고속에서 공명을 일으키는 경향이 있다.

영구자석 모터는 이름 그대로 회전자가 영구적으로 자화(Permanently Magnetized)하는 것이 특징이다. 짝수 개의 자극(Magnetic Pole)을 연철 고정자 극에 맞추어 조정함으로써 이러한 구조를 실현한다. 2성 권선(Two Winding Phase)을 통해 순차적으로 회전자에 전원을 공급함으로써 장치를 활성화시킨다. 

영구자석 모터는 일반적으로 직경이 22㎜ 이하이고, 원형의 형상계수(Shape Factor)를 가지고 있으며, 대량 생산으로 인해 제품의 생산비용이 상대적으로 저렴하다.

영구자석 회전자는 가변 릴럭턴스 모터가 가지고 있지 않은 스테퍼 유형을 제공한다. 자기지지력(디텐트 토크)가 그것이다. 권선에 전력이 가해지지 않을 때, 원위치에서 벗어난 회전자의 회전에 반발하는 복원력을 말한다. 이 종류의 모터는 또한 모터에 전류가 흐를 때 가변 릴럭턴스 모터보다 높은 고정 토크(홀딩 토크) 및 동적 토크(다이내믹 토크)를 자랑한다. 

영구자석 모터는 한 회전을 24단계(Step)으로 나누는 것이 일반적이며, 초당 최대 5천 스텝 가량을 작동한다. 하지만 기술자들은 기어박스를 추가하여 속도를 잃는 대신 해상도와 토크를 높이고는 한다.
 

하이브리드 스테퍼 모터 또한 회전자를 둘러싼, 2상으로 감긴(Two-Phase Wound) 고정자가 특징이다. 권선은 모터 축과 평행을 이루고, 고정자 잇날은 최적의 자속 경로에 유입되는 공극(空隙)을 최소화한다. 하이브리드 모터는 특유의 사각형 모양 횡단면(Square Cross Section)으로 인해 식별이 매우 쉽다. 하이브리드 모터는 고정자의 연철판을 안정적으로 고정시키기 위해 네 모서리에 나사를 삽입한 형태를 띠고 있다.

하이브리드 모터의 회전자는 영구자석 자철심과 두 개의 연철 엔드 캡을 결합한 것이다. 두 개의 엔드캡 중 하나는 회전자의 N극을, 하나는 S극을 향하도록 회전시킨다. 두 엔드 캡의 잇날은 서로 1/2피치씩 어긋나있는데, 이로 인해 N극 쪽 엔드 캡의 잇날은 수직 고정자 극(Vertical Stator Pole)에 맞추어 조정되며, S극 쪽 엔드 캡은 수평 극(Horizontal Pole)과 맞물린다.

하이브리드 스테퍼 모터는 가변 릴럭턴스 모터가 가진 고해상도와 영구자석 모터의 특징인 높은 토크를 결합한 제품이다. 하이브리드 스테퍼 모터의 잇날은 각 날에 대응하는 극의 역할을 한다. 일반적으로 각 스텝 당 1.8°에서 3.6°정도의 해상도를 뽐낸다. 하지만 1500rpm 혹은 초당 1천 내지 5천 스텝으로 제한되어있는 것이 단점이다. 이러한 이유로 인해 대부분의 하이브리드 스티퍼 모터는 직접구동 형태를 띤다.

  스테퍼 모터의 기본 동작

일반적인 2상 고정자의 양극 하이브리드는 네 개의 자극쌍(폴 페어)을 가지고 있다. 각 자극은 서로 반대쪽 자극과 결합된다. 상은 고정자의 둘레를 따라 번갈아 나오며, 드라이버를 통해 공급받는다. 방향 및 초당 스텝 혹은 시간 입력이 필요한 대부분의 응용사례에서 드라이버를 사용하고 있다.

각 상이 전원을 공급하는 방식은 드라이브 모드에 따라 달라진다.

1. 웨이브 모드는 한 번에 하나의 상에 전력을 공급하며, A-B-A’-B’ 방식으로 공급한다. 여기서 A’와 B’는 역극성(逆極性)을 나타낸다. 이 모드에서 구현할 수 있는 스텝의 수는 회전자 잇날의 수와 같다. 이 모드는 한 번에 하나의 상을 사용함으로써 자원을 절약할 수 있는 장점이 있지만, 모터가 수행할 수 있는 모든 토크를 사용하지 않는 단점도 가지고 있다.

 

2. 풀 스텝 모드는 두 개의 상 모두에 전력을 공급한다. 이로 인해 전력소비량이 두 배 높다. 토크를 30% 내지 40%가량 높이는 것 역시 특징이다. 풀 스텝 모드는  AB-A’B-A’B’-AB’의 방식으로 전력을 공급한다. 풀 스텝 모드의 해상도는 웨이브 모드의 그것과 동일하다. 하지만 평행한 축각(Shaft Angle)으로 인해 회전자가 두 고정자 극 사이에서 멈춘 상태에서 움직이는 것이 차이점이다. 각 스텝을 마칠 때마다 회전이 완전히 멈추기 때문에 웨이브 모드와 풀 스텝 모드 모두 급정지를 하거나 덜컥거리는 움직임을 야기한다. 또한 특정한 속도에서 공명 문제를 일으키는 경향이 있다.

3. 하프 스텝 모드는 사용 가능한 스텝 수가 두 배 가량 많다. 또한 매 세 번째 스텝마다 각 상을 전환(Switching Off)함으로써 부드러운 움직임을 보장한다. 이 모드의 토크는 웨이브 모드 및 풀 스텝 모드보다 떨어진다는 게 정설이다. 각 스텝에 사용할 수 있는 토크의 양 또한 각기 다른데, 얼마나 많은 상에 전원을 공급했는지에 따라 달라진다.

대부분의 응용사례에서 모션컨트롤러가 마이크로스테핑에 쓰이는 전류 파형을 제공한다. 보다 작은 스텝 앵글, 보다 부드러운 움직임, 공진 제거를 위해 스텝을 몇 차례 가량으로 세분화한다. 이상적인 전류 파형은 다음과 같은 것이라고 볼 수 있다.

I1 = IMAX cos(((π/2)/S)/θ)

I2 = IMAX sin(((π/2)/S)/θ)
위 식에서 IMAX는 최대 전류를, S는 스텝 각도를 라디안 단위로 나타낸 것이며, θ는 축(샤프트) 각도를 라디안 단위로 나타낸 것이다.

두 권선의 이상적인 토크를 통해 도출할 수 있는 결과는 다음과 같다.

T1 = H sin(((π/2)/S)θ )

T2 = H cos(((π/2)/S)θ)
위 식에서 H는 고정 토크를 의미한다.

이론상으로는 스텝을 무한히 나눌 수 있다. 하지만 자기지지력과 마찰 그리고 부품의 내성(Tolerance)으로 인해 매 스텝 당 64마이크로스텝 이상의 분할은 의미가 없다. 응용사례에 정확·정밀하게 만들어진 부품을 사용하는 것이 아니라면 매 스텝 당 16마이크로스텝 이상의 분할은 별 도움이 되지 않는다.

  스테퍼 모터 선택
스테퍼 모터의 크기를 조정하고자 할 때는 토크와 속도 그리고 전력 소비가 중요한 요소로 떠오른다. 
스테퍼 모터가 좋은 고정 토크를 자랑한다고는 하지만, 시스템에 고정 토크의 한계를 넘는 부하를 가하면 모터가 제대로 작동하지 않게 된다(Cog). 즉, 전류의 입력 여부 및 입력양과 상관없이 모터 축이 평행 위치(Equilibrium Position)로 되돌아가버릴 것이다. 스테퍼 모터는 평행 위치 사이에 복원 토크(Restoring Torque)가 없다. 이로 인해 스텝을 잃고 과부하한 시스템은 위치 정확도 혹은 동시성을 상실한다.

변동이 없고 꾸준한 토크의 응용사례에서는 최악의 경우에 발생하는 토크를 고려해야 한다. 토크는 시스템의 관성을 고려 및 계산할 때, 장치가 가속 및 감속하는 과정에서 확인할 수 있다. 스테퍼 모터 제조업체는 관성을 포함한 토크 요구사항보다 30% 내지 50%가량 큰 모터를 사용하기를 추천한다. 이는 1mN-m 모터는 0.5mN-m 내지 0.7mN-m의 요구사항을 가진 응용사례에만 적합한 제품임을 의미한다. 토크를 예측할 수 없거나 일시적인 최고 수치가 매우 높을 때에는 안전을 위해 여분의 토크를 추가하거나, 안전장치를 추가하거나, 다른 설계의 모터를 선택하는 것이 바람직하다.

제조업체는 자기지지력·고정 토크·인입 토크·탈출 토크·이들의 조합 등 제품의 다양한 사양을 명시한다. 이 중 인입 토크(Pull-in Torque)는 모터가 정지 상태에서 가속하면서 발휘할 수 있는 최대 토크를 말하며, 탈출 토크(Pull-out torque)는 정격 전압, 정격 주파수 아래서 여자를 일정하게 유지하고 부하를 서서히 증가하였을 경우에 견딜 수 있는 최대 부하 토크를 말한다(출처 전기용어사전).

속도에 관해 이야기하자면, 설계자들은 권선의 속도를 결정짓는 높은 스텝률(Step Rates)이 사실 권선의 전기적 시간 상수인 TC에 대한 뒤바뀐 접근법(Switched Approaches)임을 이해해야 한다. 스텝률은 최대 전류의 63%에 해당하는 전류까지 도달하는 시간을 나타낸다. 바꿔 말하면 전류가 최대치로 상승하지 않으면 토크 역시 최대치까지 오르지 않음을 의미한다. 이를 해결하기 위한 방법으로 전류의 상승률(Current Rise Rate)을 높이는 것이 있다.

I(t) = V / L

위 식에서 V는 전압을, I는 인덕턴스(회로에 흐르는 전류의 변화에 의해 전자기유도로 생기는 역기전력의 비율을 나타내는 양으로 단위는 H헨리이다. 출처 두산백과)를 의미한다. 전압을 3배 내지 5배가량 높이고 전류 초퍼를 추가함으로써 전류의 상승률을 높일 수 있다. 프로그래밍 가능한 드라이버 역시 속 및 감속 시에 더 많은 전류를 만들 수 있다. 또한 정상상태로 작동하는 도중에 중단(Chop)함으로써 추가로 전류를 생산할 수 있다.

모션컨트롤러에 필요한 만큼의 전류를 정확히 인가하는 것 역시 중요하다. 24V, 1A 모션컨트롤러는 상전류가 1A 이하인 모터와 짝을 이루어야 한다. 하지만 크기가 상당히 비대한 모션컨트롤러, 예를 들어 60㎃의 전류를 필요로 하는 모터에 1A 컨트롤러를 연결하면 설정할 수 있는 전류량이 최대치의 0% 내지 6%에 불과하므로 제어 측면이 약화된다.

효율을 최대화하기 위해 최대 가능한 전력 손실에 최대한 가깝게 작동해야 한다. 단, 이 수치를 넘어서는 안 된다.

 

PR = R ×  IMAX2

위 식에서 R은 저항을, IMAX는 최대 전류를 나타낸다. 모터의 등급 또한 간헐적 혹은 지속적인 작동한계에 대해 확인해보아야 한다.

제품 수명 또한 스테퍼 모터를 선택할 때 고려해야 할 사항 중 하나다. 코어리스 DC 모터와 달리 스테퍼 모터는 발화를 유발하거나 마모를 동반하는 브러시를 가지고 있지 않다. 스테퍼 모터의 수명은 이들 모터에 장착된 베어링의 수명과 관련이 있다. 저가의 스테퍼 모터는 마모에 민감한 슬리브 베어링을 장착하고 있는 것이 대부분이나, 고급 제품을 제조하는 업체는 좀 더 내구성이 좋고 마찰이 적은 볼 베어링을 장착하기도 한다.

베어링을 선택할 때에는 스테퍼 모터의 종류와 토크 그리고 해상도 등을 명확히 알아야(혹은 설정해야) 한다. 또한 응용사례에 사용할 모션컨트롤러가 수 년 동안 구성요소들의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있는지에 대해서도 살펴야 한다.