폐 루프 스테퍼는 오늘날 다양한 제어 관련 응용사례에서 찾아볼 수 있다. 세 가지 클로즈 루프 스테퍼 제어 구조와, 각 종류별 장단점에 대해 살펴본다.
자료 | ElectroCraft(www.electrocraft.com)

Q. 모든 폐 루프 스테퍼 시스템은 같은 기능을 하는가?
A. 그렇지 않다. 일부 제조업체는 서로 다른 종류의 폐 루프 스테퍼 시스템을 서로 비슷한 형태로 설명하곤 한다. 각 용어의 혼용 및 오용이야말로 시장에 혼란을 야기하는 주범이다. 

설계자들이 기업에 특정한 종류의 스테퍼 시스템을 요청하지만, 실제로 적용하고자 했던 시스템은 전혀 다른 경우도 존재한다.

Q. 가장 일반적인 폐 루프 스테퍼 시스템은?
A. 일반적인 폐 루프 스테퍼 시스템으로는 세 종류를 꼽을 수 있다. ▲스텝 손실 보상 기능을 갖춘 폐 루프 스테퍼와 ▲물체의 위치결정 및 위치제어가 가능한 폐 루프 스테퍼, 그리고 ▲폐 루프 스테퍼 서보 제어가 그것이다. 

스테퍼 드라이브 제조업체는 이들 모두를 ‘폐 루프’라고 칭하지만, 실제로는 각기 독자적인 기능을 가지고 있다.

Q. 폐 루프 스테퍼 시스템의 종류별 특징은?
A. 세 가지 종류의 폐 루프 스테퍼는 조금씩 다른 특징을 가지고 있다.

1. 스텝 손실 보상 기능을 갖춘 폐 루프 스테퍼는 폐 루프 제어 시스템 중에서도 가장 일반적인 유형이다. 스테퍼 드라이브는 마이크로스테핑 드라이브 형태로 동작하며, 일반적으로 펄스 및 방향 명령을 수신함으로써 대상을 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 엔코더가 샤프트 혹은 물체의 위치를 추적한다.

스텝 손실이 감지되면 보상 알고리즘이 추가적인 스텝을 삽입하고 따라서 모터 축(혹은 물체)가 원하는 위치에 동작한다.

일반적으로 스테퍼 모터 드라이브는 두 개의 전류를 내보낸다. 모터가 작동할 때 시동 전류를 내보내고, 멈출 때는 정지 전류를 내보낸다. 

2. 물체의 위치제어가 가능한 폐 루프 스테퍼의 경우, 스테퍼 드라이브는 일반적인 마이크로스테핑 드라이브 형태로 동작하며, 물체를 원하는 위치로 움직이기 위해 펄스 및 방향에 대한 명령을 수신한다. (일반적으로 검체 위에 장착되어 있는)엔코더는 검체의 위치를 계속해서 관찰한다. 

폐 루프 알고리즘은 물체의 위치를 동적으로 추적하며 이동에 대한 정보를 보고함으로써 위치 변화를 보상한다. 이 경우 모터는 작동할 때 시동 전류를, 멈출 때 정지 전류를 내보낸다.

3. 폐 루프 스테퍼 서보 제어는 스테퍼 모터를 다극(多極) 브러시리스 모터처럼 활용한다. 이는 서보모터의 역할을 수행할 수 있음을 의미한다. 샤프트에 장착된 엔코더는 샤프트의 위치를 감지하고, 전류 벡터를 감지한다. 이러한 드라이브 구동 방식을 통해 펄스와 방향에 대한 값을 제공한다.

위치 제어기는 원하는 위치에 물체를 옮겨놓기 위해 스텝 기능을 사용하지 않는다. 대신 폐 루프 알고리즘이 서보로 향하는 모터의 토크를 제어한다. 폐 루프는 또한 위치 제어 루프를 활용해 위치를 제어한다(이러한 예로 PID 루프가 있다).

이러한 모드는 역동적인 전류 설정을 실현한다. 스테퍼 드라이브는 모터 샤프트 및 물체를 원하는 위치까지 옮기기 위해 필요한 전류를 제공한다.

Q. 각 기능의 장점과 단점은?
A. 각 종류마다 다양한 장단점이 있다.

▲스텝 손실 보상을 위한 피드백 기능을 갖춘 폐 루프 스테퍼 제어는 스텝 손실을 검출하는 알고리즘을 활용한다. 현재 산업 현장에서 사용하는 보상 알고리즘에는 여러 종류가 있으며, 각기 다른 장단점을 가지고 있다.

·알고리즘 중 일부는 다양한 점대점 움직임을 가진 응용사례에 사용되지만, 다양한 부하 및 물체를 운용하는 응용사례에서 일정한 궤도를 유지하기 어렵다.

·스테퍼 모터 제어가 가지고 있는 약점 또한 여실히 드러난다. 한 번 이탈 토크(Pullout Torque)를 초과하면 물체에 전달되는 토크가 0으로 급락하며, 이를 해결하기 위해서는 복구 알고리즘이 필요하다.

·스테퍼의 공진 자극(Resonance Excitation) 또한 골머리를 앓게 하는 원흉이다. 스테퍼 공진을 줄이기 위한 알고리즘이 다양하게 개발되었지만, 이 문제를 완전히 없애는 방법은 아직까지 전무하다.

·개 루프 스테퍼와 마찬가지로, 모터가 과도한 발열을 일으킬 수 있다. 매번 움직임을 실행할 때마다 최대한의 전류를 인가하기 때문이다.

▲물체의 위치제어가 가능한 폐 루프 스테퍼는 스텝 손실 보상과 유사한 측면이 있다. 드라이브가 스텝 손실을 감지하고 해결하기 위해 피드백 및 보상 알고리즘을 사용하는 것이다. 이 스테퍼는 처음에 의도한(즉 명령한) 위치와 현재 실제 위치 사이에 차이가 있을 때 출력 위치를 동적으로 파악 및 업데이트하여 제어한다. 이러한 보상 알고리즘 역시 장점과 단점을 가지고 있다.

·이러한 스테퍼는 다양한 무게 및 부하를 가진 물체를 이동할 때도 사전에 계획한 궤도를 지속적으로 유지해야 하는 응용사례에서 유용하다.

·하지만 스테퍼 모터 제어가 가진 전형적인 약점(이탈 토크를 초과하면 토크가 급격히 하락하는 현상)을 극복하지는 못했다.
·스테퍼 공진 현상에 대한 문제 역시 남아있다.

·모터의 발열 문제 역시 여전히 남아있다. 모터를 구동할 때마다 최대 전류를 인가하기 때문이다.

▲드라이브가 폐 루프 스테퍼 제어를 구현할 수 있다면, 많은 이들에게 새로운 가능성을 제기할 수 있다. 드라이브를 통해 토크를 제어할 수 있게 되기 때문이다. 일례로 ElctroCraft의 PRO 시리즈 드라이브는 폐 루프 스테퍼 서보 제어를 통해 스테퍼를 다극 브러시리스 모터처럼 활용할 수 있다. 토크 제어 기능은 장점과 단점을 동시에 야기한다.

·폐 루프 스테퍼는 다양한 제어를 실현할 수 있다. 점대점 운동은 물론 축의 좌표를 설정하거나 사전에 움직임 정도를 지정할 수도 있다.

·폐 루프 스테퍼를 사용하면 모터의 정격 토크를 최대한으로 활용할 수 있다. 이 알고리즘은 토크 이탈 문제를 일으키지 않기 때문이다. 최대한의 토크를 최고 한계(Maximum Limit)까지 유지할 수 있는 비결이다.

·드라이브는 모터의 최대 토크를 활용하면서, 각 시점마다 필요한 토크 양만을 전달할 수 있다. 이를 통해 기존 스테퍼 드라이브 및 여타 폐 루프 제어의 고질적인 문제점이던 모터의 발열을 낮출 수 있다.

·폐 루프 스테퍼 제어 방식을 활용하면 스테퍼 공진 문제를 깔끔하게 해결할 수 있다. 모터가 스테퍼 방식으로 작동하지 않게 되기 때문이다.

·모터 전류를 제어하는 방식은 보다 복잡하고 견고한 계획을 실현케 한다. 이는 결코 쉽게 달성할 수 없는 기술이며, 비용 또한 스텝 손실 보상 시스템보다 비싸다.

Q. 나에게 가장 적절한 제어방식을 찾으려면?
A. 장비 제조업체 및 사용자들은 항상 의문을 가져야 한다. ‘어떤 제어방식이 가장 적합할까?’라고. 하지만 아무런 지식 없이 ‘가장 적절한 제어방식’을 찾는다는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 드라이브 제조업체 등과의 상담과 제품 문서 검토 등이 필요하다.