스테퍼 모터를 PC 기반 시스템에 인터페이스하기 위한 전용 스테퍼 모터 드라이버 카드 및 기타 디지털 제어 기술의 발명은 최근 스테퍼 모터가 널리 수용되는 이유입니다. 스테퍼 모터는 정밀한 속도 제어나 정밀한 위치 지정 또는 둘 다 필요한 자동화 시스템에 이상적인 선택이 됩니다.
많은 산업용 전기 모터가 정확한 위치 지정 또는 정확한 속도 제어를 달성하기 위해 폐쇄 루프 피드백 제어와 함께 사용되는 반면, 개방 루프 컨트롤러에서 작동할 수 있는 스테퍼 모터가 사용된다는 것을 알고 있습니다. 이는 서보 시스템 제어에 비해 총 시스템 비용을 줄이고 기계 설계를 단순화합니다.
스테퍼 모터란?
스테퍼 모터는 여자 권선에 적용된 전기 펄스 열을 정밀하게 정의된 단계별 기계적 샤프트 회전으로 변환하는 브러시리스 전기 기계 장치입니다. 모터의 샤프트는 각 개별 펄스에 대해 고정된 각도로 회전합니다. 이 회전은 선형 또는 각도일 수 있습니다. 단일 펄스 입력에 대해 한 단계 이동을 얻습니다.
펄스 트레인이 적용되면 특정 각도로 회전합니다. 각 펄스에 대해 스테퍼 모터 샤프트가 회전하는 각도를 스텝 각도라고 하며 일반적으로 도 단위로 표시됩니다.
모터에 주어진 입력 펄스의 수는 스텝 각도를 결정하므로 모터 샤프트의 위치는 펄스 수를 제어하여 제어됩니다. 이 독특한 기능으로 인해 스테퍼 모터는 피드백 센서를 사용하지 않고 정확한 수의 펄스로 샤프트의 정확한 위치가 유지되는 개방 루프 제어 시스템에 매우 적합합니다.
스텝 각도가 작을수록 회전당 스텝 수가 커지고 얻은 위치의 정확도가 높아집니다. 스텝 각도는 최대 90도에서 최소 0.72도까지 가능하지만 일반적으로 사용되는 스텝 각도는 1.8도, 2.5도, 7.5도 및 15도입니다.
샤프트 회전 방향은 고정자에 적용되는 펄스 순서에 따라 달라집니다. 샤프트의 속도 또는 평균 모터 속도는 여자 권선에 적용되는 입력 펄스의 주파수(입력 펄스 속도)에 정비례합니다. 따라서 주파수가 낮으면 스테퍼 모터가 단계적으로 회전하고 고주파의 경우 관성으로 인해 DC 모터처럼 연속적으로 회전합니다.
모든 전기 모터와 마찬가지로 고정자와 회전자가 있습니다. 로터는 권선, 브러시 및 정류자가 없는 가동 부품입니다. 일반적으로 로터는 가변 릴럭턴스 또는 영구 자석 종류입니다. 고정자는 종종 다극 및 다상 권선으로 구성되며, 일반적으로 입력 펄스당 원하는 각도 변위에 의해 결정되는 필요한 수의 극에 대해 감긴 3상 또는 4상 권선으로 구성됩니다.
다른 모터와 달리 이 제품은 전자 드라이브를 통해 고정자 권선에 적용되는 프로그래밍된 개별 제어 펄스에서 작동합니다. 회전은 순차적으로 통전된 고정자 권선의 극과 회전자의 극 사이의 자기 상호 작용으로 인해 발생합니다.
다양한 크기, 스텝 수, 구조, 배선, 기어링 및 기타 전기적 특성에 대해 여러 유형의 스테퍼 모터를 사용할 수 있습니다. 이 모터는 별개의 특성에서 작동할 수 있기 때문에 컴퓨터와 같은 디지털 제어 장치와 인터페이스하는 데 적합합니다.
속도, 회전, 방향 및 각도 위치의 정밀한 제어로 인해 산업 공정 제어 시스템, CNC 기계, 로봇 공학, 제조 자동화 시스템 및 계측에 특히 관심이 있습니다.
스테퍼 모터의 종류
스테퍼 모터에는 세 가지 기본 범주가 있습니다.
- 영구 자석 스테퍼 모터
- 가변 릴럭턴스 스테퍼 모터
- 하이브리드 스테퍼 모터
이 모든 모터에서 여자 권선은 고정자에 사용되며 권선 수는 위상 수를 나타냅니다.
DC 전압은 권선의 코일에 여기로 적용되고 각 권선 단자는 솔리드 스테이트 스위치를 통해 소스에 연결됩니다. 스테퍼 모터의 유형에 따라 로터 설계는 돌출 기둥이 있는 연강 로터, 원통형 영구 자석 로터 및 연강 톱니가 있는 영구 자석과 같이 구성됩니다.
가변 릴럭턴스 스테퍼 모터
오랫동안 존재해 온 스테퍼 모터의 기본 유형이며 구조적 관점에서 작동 원리를 가장 쉽게 이해할 수 있는 방법입니다. 이름에서 알 수 있듯이 회전자의 각도 위치는 고정자 극(톱니)과 회전자 톱니 사이에 형성된 자기 회로의 저항에 따라 달라집니다.
가변 릴럭턴스 스테퍼 모터
감긴 스테이터와 부드러운 철제 멀티 톱니 로터로 구성되어 있습니다. 스테이터에는 스테이터 권선이 감겨 있는 실리콘 강철 적층판이 있습니다. 일반적으로 극쌍 사이에 분포하는 세 단계 동안 감깁니다.
이렇게 형성된 스테이터의 극 수는 스테이터의 권선이 손상되는 위상 수의 짝수 배수와 같습니다. 아래 그림에서 스테이터에는 12개의 동일한 간격으로 돌출된 폴이 있으며 각 폴은 여기 코일로 감겨 있습니다. 이 세 단계는 솔리드 스테이트 스위치의 도움을 받아 DC 소스로부터 전원이 공급됩니다.
로터에는 권선이 없으며 전체가 슬롯 강철 라미네이션으로 제작된 돌출 폴 유형입니다. 로터 폴의 돌출된 톱니는 고정자 톱니와 동일한 폭을 갖습니다. 스테이터의 폴 수는 로터 폴 수와 다르며, 이는 모터의 자체 시동 및 양방향 회전 기능을 제공합니다.
3상 스테퍼 모터의 고정자 극에 대한 로터 극의 관계는 Nr = Ns ± (Ns / q)와 같습니다. 여기서 Ns = 12, q = 3, 따라서 Nr = 12 ± (12 / 3) = 16 또는 8. 여기가 없는 8극 구성 로터가 아래에 나와 있습니다.
가변 릴럭턴스 스텝 모터의 구성
스테퍼 모터는 로터가 최소 릴럭턴스 경로가 존재하는 자기 회로에서 여자 극의 톱니와 특정 위치에 정렬되는 원리에 따라 작동합니다. 모터에 전력이 가해질 때마다 특정 권선을 자극하여 자기장을 생성하고 자체 자극을 발생시킵니다.
회전자 자석 극의 잔류 자성으로 인해 회전자가 이러한 위치에서 움직여 최소 릴럭턴스 위치를 달성하므로 한 세트의 회전자 극이 고정자의 통전된 극 세트와 정렬됩니다. 이 위치에서 고정자 자기장의 축은 회전자의 두 자극을 통과하는 축과 일치합니다.
회전자가 고정자 극과 정렬되면 샤프트가 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 다음 위치로 이동하지 않도록 유지하기에 충분한 자기력을 갖습니다.
아래 그림에 표시된 3상, 6개의 스테이터 폴 및 4개의 로터 톱니의 개략도를 살펴보겠습니다. 스위치 -1을 닫아 위상 A-A'에 DC 전원이 공급되면 권선이 자석이 되어 한쪽 톱니가 북쪽 톱니가 되고 다른 쪽 톱니가 남쪽 톱니가 됩니다. 그래서 고정자 자축은 이 극들을 따라 놓여 있습니다.
인력의 힘으로 인해 스테이터 코일 북극이 반대 극성의 가장 가까운 로터 톱니를 끌어당깁니다. 즉, 남극과 남극이 반대 극성의 가장 가까운 로터 톱니를 끌어당깁니다. 즉, 북극이 반대 극성의 가장 가까운 로터 톱니를 끌어당깁니다. 그런 다음 로터가 로터 자기 축이 스테이터 자기 축과 정확히 일치하는 최소 저항 위치로 조정됩니다.
가변 릴럭턴스 스테퍼 모터의 작동
위상 B-B'가 스위치 -2를 닫음으로써 전원이 공급될 때 위상 A-A'가 개방 스위치-1에 의해 전원이 차단된 상태로 유지되면 권선 B-B'는 자속을 생성하므로 고정자 자기 축은 이에 의해 형성된 극을 따라 이동합니다. 따라서 회전자는 자화된 고정자 톱니로 최소 저항으로 이동하고 시계 방향으로 30도 각도로 회전합니다.
스위치-3를 연 후 스위치-2에 전원이 공급되면 위상 C-C'에 전원이 공급되고 로터 톱니는 30도의 추가 각도를 통해 이동하여 새 위치에 정렬됩니다. 이러한 방식으로, 회전자는 특정 순서로 고정자 권선을 연속적으로 여기시킴으로써 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 움직입니다. 이 3상 4극 로터 톱니 스테퍼 모터의 스텝 각도는 360/(4 × 3) = 30도(스텝 각도 = 360/Nr × q)로 표시됩니다.
스텝 각도는 고정자와 회전자의 극 수를 늘림으로써 더 줄일 수 있으며, 이 경우 모터는 종종 추가 위상 권선으로 감겨 있습니다. 이것은 또한 다중 스택 배열 및 감속 기어 메커니즘과 같은 스테퍼 모터의 다른 구성을 채택하여 달성할 수 있습니다.
영구 자석 스테퍼 모터
영구 자석 설계 모터는 아마도 여러 유형의 스테퍼 모터 중에서 가장 일반적일 것입니다. 이름에서 알 수 있듯이 모터 구조에 영구 자석을 추가합니다. 이 유형의 스테퍼 모터는 캔 스택 모터 또는 주석 캔 모터라고도합니다. 이 모터의 가장 큰 장점은 제조 비용이 저렴하다는 것입니다. 이 유형의 모터는 회전당 48-24 단계를 갖습니다.
영구 자석 스테퍼 모터
이 모터에서 고정자는 다극이며 그 구조는 위에서 논의한 가변 릴럭턴스 스테퍼 모터의 구조와 유사합니다. 고정자 코일이 감겨 있는 홈이 있는 주변 장치로 구성됩니다. 권선 권선이 2상 또는 3상 또는 4상이 될 수 있는 슬롯 구조에 돌출된 극이 있습니다.
이 모든 권선의 끝 단자는 구매되어 구동 회로의 솔리드 스테이트 스위치를 통해 DC 여기에 연결됩니다.
영구 자석 스테퍼 모터
로터는 원통형 또는 돌출 극 모양이 될 수 있는 페라이트와 같은 영구 자석 재료로 구성되지만 일반적으로 부드러운 원통형입니다. 로터는 북쪽과 남쪽 극성이 번갈아 가며 짝수 개의 영구 자극을 갖도록 설계되었습니다.
영구 자석 스테퍼 모터의 작동
이 모터의 작동은 극과 달리 서로를 끌어당기고 극처럼 서로를 밀어내는 원리에 따라 작동합니다. 고정자 권선이 DC 공급으로 여기되면 자속을 생성하고 북극과 남극을 설정합니다. 영구 자석 회전자 극과 고정자 극 사이의 인력과 반발력으로 인해 회전자는 고정자에 펄스가 주어지는 위치까지 이동하기 시작합니다.
아래 그림과 같이 두 개의 영구 자석 회전자 극이 있는 2상 스테퍼 모터를 고려하십시오.
위상 A가 A'에 대해 양수로 활성화되면 권선은 북극과 남극을 설정합니다. 인력으로 인해 회전자 극은 고정자 극과 정렬되어 그림과 같이 회 전자의 자극 축이 고정자의 자극 축과 조정됩니다.
여자가 B 상으로 전환되고 위상 A를 끄면 회 전자는 B 상의 자기 축으로 추가로 조정되어 시계 방향으로 90도 회전합니다.
다음으로, 위상 A가 A'에 대해 음의 전류로 통전되면 고정자 극이 형성되어 회전자가 시계 방향으로 90도 더 이동하게 됩니다.
같은 방식으로, 위상 A 스위치를 닫음으로써 위상 B가 음의 전류로 여기되면 로터는 같은 방향으로 또 다른 90도 회전합니다. 다음으로, 위상 A가 양의 전류로 여기되면 회전자는 원래 위치로 와서 360도 완전한 회전을 합니다. 이것은 고정자가 여기될 때마다 회전자가 시계 방향으로 90도 회전하는 경향이 있음을 의미합니다.
이 2상 2극 영구자석 회전자 모터의 스텝 각도는 360/(2 × 2) = 90도로 표현됩니다. 스텝 크기는 두 위상에 동시에 전원을 공급하거나 적절한 극성으로 일련의 1상 ON 및 2상 ON 모드에 전원을 공급하여 줄일 수 있습니다.
하이브리드 스테퍼 모터
스텝 분해능, 유지 토크 및 속도 측면에서 영구 자석 로터보다 더 나은 성능을 제공하기 때문에 가장 널리 사용되는 스테퍼 모터 유형입니다. 그러나 이러한 모터는 PM 스테퍼 모터보다 비쌉니다. 가변 릴럭턴스와 영구 자석 스테퍼 모터의 장점을 결합합니다. 이 모터는 1.5도, 1.8도 및 2.5도와 같이 매우 작은 스테핑 각도가 필요한 응용 분야에 사용됩니다.
하이브리드 스테퍼 모터
이 모터의 고정자는 영구 자석 또는 릴럭턴스 유형 대응물과 동일합니다. 고정자 코일은 교류 극에 감겨 있습니다. 여기에서 서로 다른 위상의 코일이 각 극에 감겨 있으며 일반적으로 바이필라 연결이라고 하는 극에 두 개의 코일이 감겨 있습니다.
회전자는 한 쌍의 자극(N 및 S극)을 생성하기 위해 축 방향으로 자화되는 영구 자석으로 구성됩니다. 각 기둥은 균일한 간격의 톱니로 덮여 있습니다. 톱니는 연강과 두 개의 섹션으로 구성되며, 그 중 각 극은 반 톱니 피치에 의해 서로 정렬되지 않습니다.
하이브리드 스테퍼 모터의 작동
이 모터는 영구 자석 스테퍼 모터와 유사하게 작동합니다. 위의 그림은 2상, 4극, 6톱니 로터 하이브리드 스테퍼 모터를 보여줍니다. 위상 A-A'가 DC 공급으로 여기되어 B-B'가 여기되지 않은 상태로 유지되면 회전자는 회전자의 남극이 고정자의 북극을 향하고 회전자의 북극이 고정자의 남극을 향하도록 정렬됩니다.
하이브리드 스테퍼 모터의 작동
이제 위상 B-B'가 여기되어 A-A'를 꺼진 상태로 유지하여 위쪽 극이 북쪽이 되고 아래쪽이 남쪽이 되면 회전자는 시계 반대 방향으로 이동하여 새로운 위치에 정렬됩니다. 위상 B-B'가 반대 방향으로 여기되어 위쪽 극이 남쪽이 되고 아래쪽 극이 북쪽이 되면 회전자가 시계 방향으로 회전합니다.
고정자에 대한 적절한 펄스 순서에 의해 모터는 원하는 방향으로 회전합니다. 모든 여자에 대해 로터는 새로운 위치에 고정되며 여자가 제거되더라도 영구 자석 여기로 인해 모터가 여전히 잠금 상태를 유지합니다. 이 2상, 4극, 6톱니 로터 모터의 스텝 각도는 360/(2 × 6) = 30도입니다. 실제로 하이브리드 모터는 높은 각도 분해능을 얻기 위해 더 많은 수의 로터 폴로 구성됩니다.
유니폴라 및 바이폴라 스테퍼 모터
위에서 논의된 모터는 코일 권선 배열에 따라 단극 또는 양극일 수 있습니다. 단극 모터는 위상당 두 개의 권선이 사용되므로 이러한 권선을 통한 전류 흐름 방향에 따라 모터의 회전이 변경됩니다. 이 구성에서 전류 흐름은 한 코일에서 한 방향을 통과하고 다른 코일에서 반대 방향을 통과합니다.
아래 그림은 A와 C 코일이 단상용이고 B와 D가 다른 상용인 2상 단극 스테퍼 모터를 보여줍니다. 각 단계에서 각 코일은 다른 코일과 반대 방향으로 전류를 전달합니다. 특정 회전 방향을 달성하기 위해 각 단계에서 한 번에 하나의 코일만 전류를 전달합니다. 따라서 단자를 각 코일로 전환하기만 하면 회전 방향이 제어됩니다.
2상 단극 스테퍼 모터 작동
바이폴라 스테퍼 모터의 경우 각 위상은 단극 1의 경우 2개가 아닌 1개의 권선으로 구성됩니다. 이 경우 권선을 통해 전류를 반전시켜 회전 방향을 제어합니다. 따라서 전류 반전을 위한 복잡한 구동 회로가 필요합니다.
2상 바이폴라 스테퍼 모터
스테퍼 모터의 스테핑 모드
일반적인 스테핑 동작은 모터가 주어진 전류 펄스에 대한 응답으로 일련의 평형 위치를 통과하도록 합니다. 고정자 권선에 전원이 공급되는 순서를 변경하는 것만으로도 스테핑 동작을 다양한 방식으로 변경할 수 있습니다.
다음은 스테퍼 모터의 가장 일반적인 작동 또는 구동 모드입니다.
웨이브 스텝 모드
웨이브 스텝 모드는 주어진 시간에 하나의 권선만 활성화되는 다른 모든 모드 중 가장 간단합니다. 위상의 각 코일은 공급 장치에 교대로 연결됩니다. 아래 표는 4상 스테퍼 모터에서 코일에 전원이 공급되는 순서를 보여줍니다.
이 모드에서 모터는 다른 모든 모드에 비해 최대 스텝 각도를 제공합니다. 스테핑에 가장 간단하고 가장 일반적으로 사용되는 모드입니다. 그러나 생성된 토크는 주어진 시간에 전체 권선의 일부를 사용하기 때문에 더 적습니다.
풀 스텝 모드
이 드라이브 또는 모드에서는 주어진 시간에 두 개의 고정자 위상이 동시에 활성화됩니다. 두 위상에 함께 전원이 공급되면 로터는 두 위상 모두에서 토크를 경험하고 평형 위치에 도달하며, 이는 인접한 두 개의 파동 스텝 위치 또는 1상 여기 사이에 인터리브됩니다. 따라서 이 단계는 웨이브 단계보다 더 나은 유지 토크를 제공합니다. 아래 표는 4상 스테퍼 모터의 풀 스텝 드라이브를 보여줍니다.
하프 스텝 모드
파형 모드와 전체 스텝 모드의 조합입니다. 이 경우, 단상 및 이중상 들뜸이 교대로 수행됩니다. 즉, 단상 ON, 2상 ON 등입니다. 이 모드에서 스텝 각도는 전체 스텝 각도의 절반이 됩니다. 이 주행 모드는 다른 모든 모드에 비해 토크와 안정성이 가장 높습니다. 아래 표에는 4상 모터의 반 스테핑에 대한 위상 펄스 시퀀스가 나와 있습니다.
마이크로 스테핑 모드
이 모드에서는 각 모터 스텝이 여러 개의 작은 단계, 심지어 수백 개의 고정 위치로 세분되므로 더 큰 위치 결정 분해능을 얻을 수 있습니다. 이 과정에서 권선을 통한 전류는 매우 작은 단계를 얻기 위해 지속적으로 변화합니다. 이 경우 두 위상이 동시에 들뜨지만 각 위상의 전류가 같지 않습니다.
예를 들어, 위상-1을 통과하는 전류는 일정하게 유지되고 위상-2를 통과하는 전류는 음이든 양이든 전류의 최대값까지 단계적으로 증가합니다. 그런 다음 위상 1의 전류는 0이 될 때까지 단계적으로 감소하거나 증가합니다. 따라서 모터는 작은 스텝 크기를 생성합니다.
위에서 설명한 각 스테퍼 모터 유형을 통해 이러한 모든 스테퍼 모드를 얻을 수 있습니다. 그러나 이러한 단계에서 각 권선의 전류 방향은 모터의 유형과 단극 또는 바이폴라에 따라 달라질 수 있습니다.
스테퍼 모터의 장점
- 정지 위치에서 모터는 최대 토크를 갖습니다. 순간이 없거나 위치가 바뀌어도 상관없습니다.
- 시동, 정지 및 후진 위치에 대한 반응이 좋습니다.
- 스테퍼 모터에 접촉 브러시가 없기 때문에 신뢰성이 높고 모터의 베어링에 따라 수명이 달라집니다.
- 모터 회전 각도는 입력 신호에 정비례합니다.
- 모터가 디지털 입력 신호에 응답할 때 개방 루프 제어를 제공하므로 제어가 간단하고 비용이 적게 듭니다.
- 모터 속도는 입력 펄스 주파수에 정비례하며, 이를 통해 광범위한 회전 속도를 달성할 수 있습니다.
- 로드가 샤프트에 결합되어 있어도 저속으로 동기 회전을 실현할 수 있습니다.
- 한 단계에서 다른 단계로 오류가 누적되지 않는 단계의 정확도가 3-5%이므로 이동의 정확한 위치 지정 및 반복성이
- 좋습니다.
- 스테퍼 모터는 (서보 모터에 비해) 더 안전하고 저렴한 가격으로 저속에서 높은 토크를 가지며, 어떤 환경에서도 작동하는 간단한 구조로 높은 신뢰성을 제공합니다.
스테퍼 모터의 단점
- 낮은 효율을 갖는 스테퍼 모터.
- 정확도가 낮습니다.
- 토크는 속도에 따라 매우 빠르게 감소합니다.
- 스테퍼 모터는 개방 루프 제어에서 작동하기 때문에 잠재적인 누락 단계를 나타내는 피드백이 없습니다.
- 토크 대 관성 비율이 낮기 때문에 부하를 매우 빠르게 가속할 수 없습니다.
- 소음이 큽니다.
스테퍼 모터의 응용
- 스테퍼 모터는 자동화된 생산 장비 및 자동차 게이지 및 포장, 라벨링, 충전 및 절단 등과 같은 산업 기계에 사용됩니다.
- 보안 및 감시 카메라와 같은 보안 장치에 널리 사용됩니다.
- 의료 산업에서 스테퍼 모터는 샘플, 디지털 치과 사진, 인공 호흡기, 유체 펌프, 혈액 분석 기계 및 의료 스캐너 등에 널리 사용됩니다.
- 이 제품은 가전 제품, 이미지 스캐너, 복사기 및 인쇄기, 디지털 카메라, 자동 줌 및 초점 기능 및 위치에 사용됩니다.
- 스테퍼 모터는 엘리베이터, 컨베이어 벨트 및 차선 전환기에도 사용됩니다.
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