스테핑 모터 (Stepping Motor) 정보 - 특징,특성,종류

안녕하세요.

엠투플러스(M2Plus)의 리모를 찾아서 입니다.

 

펄스모터라고 불리우며 펄스에 의한 제어로 일정한 각도의 회전이 쉬운 모터 '스테핑 모터'

 

얼마전 스테핑 모터의 구동원리에 대하여 포스팅으로 소개해드렸었죠.

 

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1. 스테핑 모터(Stepping Motor) 구동원리 확인하기

 

스테핑모터(스텝모터) 정보 - 구동원리

 

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이번 포스팅에서는 이 스테핑모터의 특징과 특성, 종류에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

" 스테핑 모터 (=스텝퍼모터, 스텝모터) "

 

 

 

입력신호의 변화 유무에 따라 일정하게 각도를 변화하거나 위치를 유지하고 정지하는 기능의 모터입니다.

 

스텝 모터는 전자 펄스를 기계적 운동으로 전환하고, 각각의 펄스 '스텝'이 샤프트를 어떤 각도로 회전하게 만듭니다.

(이를 스텝 앵글 'Step Angle' 이라 합니다)

 

따라서 스텝 모터는 개회로 응용 프로그램에서도 작동합니다.

어떤 피드백도 필요 없이 일정한 거리를 일정한 속도로 이동 및 전달 할 수 있음을 의미합니다.

 

 

 

 

 

" 스테핑 모터의 특징 "

 

 

1. 스테핑 모터의 회전 각도는 입력 펄스 신호에 완전히 비례합니다.

2. 1step당 각도 오차가 작고 오차는 누적되지 않습니다.

3. 기동,정지, 정역회전의 응답성이 좋습니다.

4. 디지털신호등의 펄스 입력에 Open loop control이 가능하고 시스템 구성 회로가 간단합니다.

5. 모터 축에 부하를 직접 연결시킨 상태에서 초저속 동기 운전이 가능합니다.

6. 브레이크 등을 사용하지 않아도 정지위치 제어 가능합니다.

7. 펄스 신호의 입력 주파수에 비례하여 회전 속도가 가변하고 저속부터 고소회전이 가능합니다.

 

 

스테핑모터의 특징으로는 간혈 초고속 구동, 연속 회전, 정/역전 변속, 마이크로 스텝 구동이 가능힙니다.

 

간혈 구동 성질을 이용함으로써 1시간 1스텝 구동을 쉽게 실현 할 수 있으며 이 것을 다른 모터로 실현시키려면 일시적으로 감속 기구를 더 정비해야 합니다.

 

마이크로 스텝 구동도 스텝 모터의 고유 기술인데 이들을 구상하면 초미세의 스텝각 회전을 실현할 수 있습니다.(0.0072도)

 

연속 회전 구동의 경우, 입력 펄스의 총 수에 따라 최적인 회전각을 정확히 규제할 수 있습니다.

단순한 구동력을 필요로 하는 용도에는 부적합합니다.

 

스테핑 모터의 다른 특징은 홀딩 토크(Holding Torque, 자기유지력) 을 무기한 유지할 수 있다는 점입니다.

회전자가 잔류 토크를 무시하고 고정자 필드를 일렬로 세웁니다.

 

자기 유지력이란 고정자에 동력을 공급해 회전자 작동을 실현하기 위해 필요한 토크의 양을 의미합니다.

 

권선에 아무런 전력도 공급되지 않는 경우 영구자석과 고정자 사이에 작은 자력이 생겨납니다.

 

이 자력을 잔류 토크 혹은 멈춤 토크라 하고, 멈춤 토크는 스테핑 모터를 수동으로 구동할 때 발견할 수 있으며 

일반적으로 홀딩 토크의 십분의 일에 불과합니다.

 

스테핑모터의 동특성을 나타내는 것으로 모터의 스텝수가 입력 펄스와 1:1의 관계로 가동시킬 수 있는 부하 토크의 범위를 말합니다. 이것을 풀인 토크 특성이라고 하는 경우도 있습니다.

 

이 범위를 넘는 펄스 입력에 대해서는 모터가 탈조 되어 버리며 모터가 이상 징동을 수반하지 않고 정지해버린다는 것을 의미합니다.

 

 

 

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" 스테핑 모터의 특성 "

 

 

ㅣ슬로잉 특성 : 모터를 스타팅 특성내에서 기동시킨 다음 입력 신호 주파수를 서서히 올릴 경우, 동기 회전할 수 있는 부하 토크의 범위를 말합니다. 이것을 Pull out Torque 특성이라고 하는 경우도 있습니다. 슬로잉 특성은 모터의 최대 자기동 주파수 범위를 넘고 있으므로 이것을 적극적으로 이용하면 대폭적으로 특성을 향상시킬 수 있습니다.

 

 

ㅣ 스타팅 특성 : 스테핑 모터의 동특성을 나타내는 것으로 모터의 스텝수가 입력 펄스와 1:1의 관계로 기동시킬 수 있는 부하 토크 범위를 말합니다. 같은 말로는 풀인 토크 특성이라고 하는 경우도 있습니다. 또한 이 범위를 넘는 펄스 입력에 대해서는 모터가 탈조되어 버리는데 모터가 이상 진동을 수반하지 않고 정지해버린다는 것을 의미합니다.

 

 

ㅣ최대 기둥 토크 : 모터의 스텝수가 입력 신호와 1:1의 관계로 기동시킬 수 있는 최대 주파수를 말합니다. 다만 이 경우 모터는 무부하 상태여야 합니다.

 

 

ㅣ디턴트 토크 : 무여자 유지 토크는 스테핑 모터의 축 외부에서 회전 토크를 주어 강제적으로 각도 변위를 줌으로써 발생하는 토크를 말합니다.

 

 

ㅣ잔여 진동 시간 : 최정 펄스 신호를 입력한 다음 로터가 정지하기 전까지의 감쇠 진동 시간을 말합니다. 스테핑 모터에 있어서는 이 시간이 짧고 보다 진폭이 작은 것이 요구됩니다.

 

 

 

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" 스테핑 모터의 종류 "

 

 

 

스테핑모터의 종류로는 정밀한 위치 결정 제어에는 하이브리드 형, 저가격으로 간단한 제어계에는 PM형이 각각 사용되고 있습니다.

 

PM형이 가장 많이 보급되고 있으며 특히 PM형에서는 판금 가공을 주체로 한 것이 그 태반을 차지하고 있습니다.

 

스테핑 모터를 분류할 경우 자기 회로의 구성에 의한 분류가 일반적이나 이 밖에도 모터의 외관 형상 운동 형태, 구동 권선, 여자 모드 등에 다라 분류하는 것도 있습니다.

 

 

 

ㅣ PM형(영구자석형) : PM형 스테핑 모터의 구조는 로터부가 영구자석으로 구성되어 있고, 그 주위에 여러 개의 스테이터 자극이 대향으로 배치되어 있습니다.

 

특히 판금 가공에 의하여 돌기를 세운 것을 클로폴형(Claw pole) 구조라 부르고 있습니다. 도 스테이터 구조에는 이 밖에 적층 코어 타입도 있습니다. 영구자석 로터와 전자기장이 서로 반응하는 방식으로 작동되며 주로 Tin Can 혹은 Claw-Tooth 타입이 쓰이고 있습니다.

 

Tinc can 스테퍼는 회전자 축이 자석으로 둘러 싸여 있습니다. 로터 샤프트 주변에 자석이 둘러져 있는 것으로 여기에는 이(Teeth)가 없습니다.

 

또한 고정자는 와이어 권선 코일로 인해 일련의 극성을 띠고 있습니다. 모터에 전원이 공급되지 않는다 하더라도 자력으로 인해 회전자가 저항 움직임을 띨 수 있습니다. 영구 자석 스텝 모터는 저 비용, 저 전력을 필요로 하는 사례에 많이 쓰이고 있습니다. 자동 판매기 안에 있는 지폐공급기 및 잔돈공급기가 대표적입니다.

 

 

 

ㅣVR형(가변 릴럭턴스형) : VR형의 구동 원리는 전자석의 흡인력에 의하여 로터 돌극을 끌어들임으로써 발생하는 회전력을 이용한 것입니다. 가변 릴럭턴스 스테핑 모터와 영구자석 방식 스테핑 모터의 가반 근본적인 차이점은 바로 잔류 토크입니다. 영구자석 회전자가 없기 때문에 일정한 위치에서 작동을 멈출 때 회전자를 유지하기 위한 잔류 토크를 발생하지 않는 것으로 가변 릴럭턴스 스테핑 모터는 자기 저항 최소화라는 원칙을 따릅니다.

 

인가한 자기장의 경로에 따라 발생하는 자기저항을 줄이는 것이 목적이고 가변 릴럭턴스 스테핑 모터는 1920년대 영국에서 주로 쓰였습니다. 당시 영국 군함에 부착된 수뢰 발사관 및 총기류에 쓰이는 방향지시기 등 계기판에 부착한 것으로 얼마 지나지 않아 미 해군 역시 비슷한 목적으로 가변 릴럭턴스 스테핑 모터를 도입하였습니다.

 

 

 

ㅣHB형(영구자석, 가변릴럭턴스 형) : 일반적으로 모터중에서 가장 가격이 비싼 편입니다. 그 구조는 좌우 2개의 로터 자극간에 착자된 희토류 마그넷에 배치되어 있습니다. 하이브리드 스테핑 모터는 연철(soft lron)을 두 개 장착하였고 이 연철이 축 방향으로 회전하는 라운드 모터로 이루어져 있습니다.

 

하이브리드라는 이름에서 알 수 있듯, 이 모터는 영구자석 스테핑 모터와 가변 릴럭턴스 스테핑 모터를 서로 결합하였습니다. 하이브리드 모터의 핵심 구조는 가변 릴럭턴스와 흡사합니다. 하지만 한 상을 구축하고 있는 두 코일 중 하나만이 극에 감겨 있는 가변 릴럭턴스 모터와 달리 하이브리드 모터는 한 극에 감겨있는 코일이 서로 다른 두 상을 구축합니다.

 

극에 감긴 두 코일은 감겨 있는 방법 및 배치 또한 독특한데 Bifolat connection이라고 부른 방식으로 두 가닥으로 감겨 연결됩니다. 하이브리드 모터의 각 극에는 연철로 만든 이가 균일한 간격으로 메워져 있습니다. 각 극에 부착되어 있는 이는 두 부분으로 나뉘어 있으며 각각 반으로 나뉜 이는 어긋난 형태로 되어 있어 딱 맞아 떨어지지 않습니다.

 

하이브리드 모터는 고정자가 자기장을 생성하고 이 자기장이 영구자석과 상호작용을 일으키는 방식으로 토크를 생성합니다. 대부분의 하이브리드 스테핑 모터는 name 규격을 준수합니다. 스텝 권선은 양극(Bipolar) 및 단극(Unipolar)의 두 종류가 있습니다. 권선 형태마다 각각 다른 장점이 있습니다.

 

 

 

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