Top 34 스텝 모터 Top 32 Best Answers

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스텝모터와 서보모터의 차이는 무엇인가요?

라즈이노 iOT :: 【 아두이노 기초 】 #31 스텝(Step Motor)모터의 이해

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【 아두이노 기초 】 #31 스텝(Step Motor)모터의 이해

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Summary of article content: Articles about 스테핑 모터 (Stepping Motor) 정보 – 특징,특성,종류 ” 스테핑 모터 (=스텝퍼모터, 스텝모터) ” … 입력신호의 변화 유무에 따라 일정하게 각도를 변화하거나 위치를 유지하고 정지하는 기능의 모터입니다. …
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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.

1. 스테핑 모터(Stepping Motor) 구동원리 확인하기

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 모터 입니다.

스텝 모터는 전자 펄스를 기계적 운동으로 전환하고, 각각의 펄스 ‘스텝’이 샤프트를 어떤 각도로 회전 하게 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 양 을 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.

” 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.

” 스테핑 모터의 종류 ”

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

PM형이 가장 많이 보급 되고 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 배치 되어 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 배치 되어 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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스테퍼모터, 스텝모터 또는 스테핑모터(stepper motor, step motor, stepping motor)는 한 바퀴의 회전을 많은 수의 스텝들로 나눌 수 있는 브러쉬리스 직류 전기 모터이다. 모터의 위치는 모터가 적절하게 장치에 설치되어 있는 한, 어떤 피드백 장치 없이도 아주 정확하게 조절이 가능하다.

변환 저항 모터란 보통 극성 변환수치가 줄어들고, 폐쇄되어 반복적으로 정류되는 아주 거대한 스테핑 모터를 말한다.

작동의 기본원리 [ 편집 ]
스테퍼 모터의 특징 [ 편집 ]
스테핑모터의 속도-토크 특성 1.무부하상태에서 이 값보다 빠른 입력 펄스 주파수에서 기동시킬수가 없게 되는 주파수를 최대 자기동주파수라 한다. 2.탈출(풀 아웃) 토크와 인입(풀 인) 토크에 의해 둘러쌓인 영역을 슬루(slew) 영역이라 한다. 3.무부하시 이 주파수 이상의 펄스를 인가하여도 모터가 응답할 수 없는 것을 최대응답주파수라한다.

2상 스테퍼 모터 [ 편집 ]
단극 모터와 양극모터에는 두가지 다른 전자력 코일을 감는 방식이 있다.

단극 모터 [ 편집 ]
단극 모터는 각 상 별로 중심 분기에 하나의 코일이 감겨있다. 각각의 감겨있는 부분은 각각의 자기장의 방향에 따라 뒤바뀐다. 이러한 배치에 의해 전류의 방향을 바꿀 필요 없이 하나의 자기 극은 다른 극으로 뒤바뀔 수 있기 때문에, 각각의 코일들에서 통신 회로는 아주 간단하게 구성된다(예를 들면 하나의 트랜지스터). 대개, 주어진 상에서 각각의 코일마다 중심분기가 사용된다. 예를 들면, 하나의 상 별로 3개의 전선이 만들어짐으로, 기본적인 2상 모터에서는 6개의 선이 나오게 되는 것이다. 많은 경우에 이러한 2상 모터의 중심 분기들은 내부적으로 연결되어 있기 때문에, 모터는 5개의 선만을 가진다.

다상 스테퍼 모터 [ 편집 ]
스테퍼 모터 구동회로 [ 편집 ]
L/R 구동회로 [ 편집 ]
초퍼 구동회로 [ 편집 ]
상별 전류파의 모습 [ 편집 ]
전류파 [ 편집 ]
한스텝 [ 편집 ]
반스텝 [ 편집 ]
마이크로 스텝 [ 편집 ]
학설 [ 편집 ]
풀인 토크 [ 편집 ]
풀아웃 토크 [ 편집 ]
멈춤 토크 [ 편집 ]
스테퍼 모터의 평가와 사양 [ 편집 ]
활용예 [ 편집 ]
컴퓨터로부터 제어되는 스텝모터는 동작제어 위치결정 시스템(Motion-Control positioning System)에 이용된다. 그들은 대부분 개방 루프 시스템(Open Loop System)의 홀딩(holding), 위치선정(positioning) 기능을 계수(Digital)적으로 제어한다. 스텝모터는 레이저나 광학 분야에서 정밀한 위치선정이 필요한 장비에 이용된다. 이에는 리니어 액추에이터(linear actuator), 리니어 스테이지(linear stage), 로테이션 스테이지(rotation stages), 고니오미터(goniometers), 미러 마운트(mirror mounts) 등 이있다. 그 외에도 포장기계나, 유체 제어 시스템(fluid control systems)의 벨브 안내봉 스테이지(Valve Pilot Stages)의 위치선정에 이용된다. 또한 상업적으로는 플로피 디스크 드라이브(Floppy Disk Drivies), 평면 이미지 스캐너(Flatbed Image Scanner), 컴퓨터 프린터(Computer Printers), 플로터(Plotters), 슬롯머신(Slot Machines), CD 드라이브(Compact Disc Drives), 지능형 조명(intelligent lighting)등 다양한 장치에 이용된다.

[스테핑 모터 vs 서보 모터] 스텝 모터는 간단 정밀 제어용, 서보 모터는 고정밀 장비용…과연 사실일까?

[첨단 헬로티]
반도체, 디스플레이를 비롯하여 로봇, CNC 기계 등 관련 장비에 고속·고정밀·고정도의 제어가 요구되면서 모터는 급속한 발전을 해왔다. 이와 관련해 모션 제어 기술은, 요구에 따라 기계를 얼마나 정밀하고 빠르게 움직일 수 있는지에 대한 문제가 중요해졌다. 최근 화두가 되고 있는 스텝 모터(Step Motor)와 서보 모터(Servo Motor)의 제어 방식 및 특성의 비교를 통해, 모터의 차이점 그리고 장·단점을 정확히 파악하여 장비의 요구에 적합한 모터 선정법을 알아보자.

비교 포인트①-제어 시스템

자동차의 속도 조절기의 예를 보자. 속도를 일정하게 유지하기 위해 생각할 수 있는 가장 간단한 방법은 스로틀(throttle) 위치를 일정하게 고정하는 것이다.

그러나 자동차는 주행하면서 오르막길과 내리막길, 노면의 상태 등 외부적인 변화를 겪게 되므로, 실제로 스로틀을 일정하게 고정해서는 속도를 일정하게 유지할 수 없다.

따라서 자동차의 속도를 측정하여, 그 속도가 원하는 속도보다 낮으면 속도를 더 빠르게 하고, 원하는 속도보다 높으면 속도를 낮추게 하는 방식의 제어가 필요하다.

이처럼 시스템의 실제 출력 값을 원하는 값과 비교하여 그 차이를 시스템의 입력 값 조절에 반영하는 방식이 폐(閉)루프 제어(Closed-Loop System)이며, 이는 서보 모터의 제어 방식이다.

이에 반해, 스로틀을 고정하는 경우처럼 시스템의 출력이 시스템의 입력 조절에 반영되지 않는 방식이 개(開)루프 제어(Open-Loop System)이며, 이는 일반적인 스텝 모터의 제어 방식이다.

▲ 그림 1 스텝 모터 vs 서보 모터

1. 스테핑 모터(Open-Loop System)

스텝 모터는 높은 정밀도가 필요한 위치 결정 운전이 가능하게 설계된 모터이다. 드라이버는 컨트롤러에서 출력하는 펄스 신호와 동시에 움직이도록 설계되어 스텝 각(분해능)으로 모터를 회전시킨다. 따라서 Open-Loop 제어 방식은 구축이 쉽고 서보 모터와 달리 별도의 튜닝이 필요 없으며, 모터가 보증하는 오차범위(표준 오차범위: ±0.05°) 이내에서 동작하기 때문에 높은 정밀도의 위치 결정 운전을 할 수 있다(그림 2).

▲ 그림 2 스테핑 모터 (Open-Loop System)

2. 서보 모터(Closed-Loop System)

서보 모터의 경우 회전 검출기인 엔코더(Encoder)를 탑재하여 모터 축의 회전 위치/회전 속도를 AMP에 피드백한다. AMP는 컨트롤러의 펄스 신호(위치 지령/속도 지령)와 피드백 신호(현재 위치/속도)의 오차를 계산하고, 이 오차가 ‘0’이 되도록 모터의 회전을 제어한다. 모터, AMP, 엔코더는 Closed Loop 제어 방식을 구축하여 높은 정밀도의 위치 결정 운전을 할 수 있다(그림 3).

▲ 그림 3 서보 모터 (Closed-Loop System)

3. ‌빠른 응답성·높은 신뢰도를 모두 갖춘 α-STEP 모터(Closed-Loop System)

스텝 모터는 Open-Loop System, 서보 모터는 Closed-Loop System으로 동작하도록 구성되어 있다. 인아오리엔탈모터에는 독자적인 제어방식으로 Open-Loop 방식과 Closed-Loop 방식의 장점을 함께 가진 α-Step 모터가 있다.

α-Step 모터는 평상시에는 지령 펄스에 따라 Open-Loop 제어로 운전하다가, 과부하 시에는 Closed-Loop 제어로 전환되어 위치를 조정한다. 또한, 연속적으로 과부하가 가해지면 알람 신호를 출력하며, 위치결정 완료 시에는 END 신호를 출력하여 장비의 신뢰성을 보장한다. 즉 Open-Loop 제어로 인한 빠른 응답성과 Closed-Loop 제어로 인한 뛰어난 성능과 높은 신뢰도를 모두 갖춘 모터이다.

▲ 그림 4 α-STEP 모터 (Closed-Loop System)

CLOSED-LOOP 스테핑 모터 ‘α-STEP 모터’

▲ ROTOR 위치검출 센서

▲ ABZO 센서

서보 모터는 모터의 회전속도와 현재 위치를 검출하기 위하여 엔코더가 결합되어 있는 반면, 인아오리엔탈모터사의 α-STEP 모터에는 리졸버(Resolver) 또는 ABZO 센서가 결합되어 있다.

리졸버는 엔코더와 같이 모터의 회전각과 위치를 검출하는 용도로 사용되고 있으며, 엔코더가 변위량을 디지털 신호로 변환하는 것에 비하여 레졸버는 아날로그 신호로 변환한다. 리졸버가 결합된 α-STEP 모터의 경우 인크리멘탈(Incremental) 방식이며, 앱솔루트 시스템으로 사용 시 외부 배터리가 필요하다. 이는 배터리 교체와 유지보수 등의 단점이 있는데, 이를 해소하기 위해서는 배터리가 필요 없고 멀티 턴이 가능하며 반영구적인 절대치 엔코더가 필요하다. 이러한 시장의 요구에 대응하고자 ‘ABZO 센서’라는 무전원 배터리, 멀티 턴 앱솔루트 엔코더를 개발했다.

ABZO 센서를 탑재한 AZ 시리즈는 α-STEP의 ‘TUNINGLESS’, ‘높은 효율’ 등의 특징을 계승하면서, ‘배터리가 필요 없는 시스템’, ‘다회전 앱솔루트 시스템’을 실현한 모터다. 배터리가 불필요하므로 장기간의 장비 이송도 안심할 수 있으며, 외부 센서가 불필요하여 배선을 간소화할 수 있다.

비교 포인트②-위치결정 시간

스텝 모터와 서보 모터는 각각의 특성 및 제어 방식에 따라 위치결정 시간에 차이가 발생한다(그림 5, 6).

▲ 그림 5 동일한 조건 아래 스텝 모터와 서보 모터 구동 시 나타나는 위치결정 특성

▲ 그림 6 스텝 모터와 서보 모터 구동 시 위치결정 시간

서보 모터는 컨트롤러의 펄스 신호와 엔코더의 피드백 신호 오차를 ‘0’이 되도록 드라이버에서 제어하는 방법을 사용한다. 그래서 정정 시간이 발생하여, 스텝 모터보다 응답성이 낮다.

또한, 서보 모터는 ±1 펄스의 편차에서 위치를 감시하고 있기 때문에 정지 중에도 완전히 정지하지 않고 ±1 펄스로 움직이고 있어서 미세하게 떨리는 헌팅(Hunting)현상이 발생한다.

반면 스텝 모터는 동작 지령에 운전하고 피드백 제어를 하지 않기 때문에 빠른 응답성을 갖는 장점이 있다.

α-Step의 경우 로터(ROTOR)와 스테이터(STATOR)의 위치편차가 1.8° 이내이면 Open-Loop 방식으로 동작하기 때문에 표준 스텝 모터와 같은 빠른 응답성을 갖고 있다.

이와 같은 특성 때문에 높은 응답성이 필요하거나 정지 시에 미세한 진동(Hunting)이 없어야 하는 카메라 모듈 또는 검사장비라면 서보 모터보다는 스텝 모터가 적합하다.

비교 포인트③-토크 특성

스텝 모터는 서보 모터와 다르게 ‘정격회전속도’라는 것이 없다. 일반적인 AC 모터나 서보 모터의 출력(W) 표시는 정격회전속도로 회전하고 있을 때의 출력(W)을 표시하고 있으며, 이것을 ‘정격출력’이라고 한다.

스텝 모터도 계산식으로 출력(W)을 산출할 수 있지만, 정격회전속도가 없으므로 정격출력으로 표시하는 것은 불가능하다.

출력(W) = 0.1047×T×N

0.1047 : 정수

T (N·m) : 토크

N (r/min) : 회전속도

대입할 회전속도의 수치가 다르면 산출되는 출력(W)도 변한다.

이와 같은 이유로 스텝 모터는 출력(W)으로 표현할 수 없기 때문에 서보 모터와 사양 비교 시 동일한 설치치수에 따라 사양을 비교하면 된다. 그림 7은 서보 모터와 α-STEP 모터의 설치치수에 따른 회전속도-토크 특성을 비교한 자료이다.

▲ 그림 7 스테핑 모터와 서보 모터의 토크 비교

그림 7의 그래프를 통해서 스텝 모터와 서보 모터의 설치치수에 따라 토크 특성을 비교하여 사용하고자 하는 속도에 적합한 모터를 선정하면 된다.

α-Step 모터는 기존 스텝 모터보다 고속영역에서 토크 특성이 향상되었으며, 설치치수 85mm 기준으로 서보 모터 750W와 비교 시 약 1,000rpm까지는 스텝 모터의 토크 특성이 우수하다.

▲ 그림 8 더 큰 회전체를 동작시킬 수 있는 스텝 모터

비교 포인트④-관성 모멘트

장비에 적합한 모터를 선정할 때는 토크는 물론, 관성 모멘트(Moment)까지 만족해야 정확한 모터가 선정되었다고 할 수 있다. 관성 모멘트란 물체가 현재 상태를 계속 유지하려는 성질의 크기이다. 관성 모멘트는 질량에 비례하며, 회전체 반경의 제곱에 비례하여 커진다.

예를 들어, 우산을 접고 돌릴 때보다 펼쳐서 돌릴 때 더 무거운 느낌을 받는 것은 관성모멘트가 더 크기 때문이다. 관성 모멘트가 커지면 그에 비례하여 필요한 가·감속 토크도 커지기 때문에 모터의 기동·정지 시에 영향을 준다.

만약 감속기의 허용 관성모멘트가 장비의 관성 모멘트보다 낮다면 감속기의 샤프트가 파손될 수 있으므로 모터 선정 시 허용 관성 모멘트와 관성비까지 계산해야 한다.

스텝 모터의 경우 관성비는 10 이하, α-Step 모터의 경우 30 이하가 되도록 만족하는 모터를 선정하는 것이 좋다.

관성비 = 부하 관성 모멘트/로터 관성 모멘트

모터의 가·감속 토크에 여유가 있어도 관성비가 너무 크면 탈조가 발생하거나 정상적인 구동이 되지 않을 수 있다. 서보 모터도 부하 관성 모멘트가 허용 관성 모멘트보다 크다면, 정상적인 제어는 물론 동작이 불안정해지거나 알람 출력이 발생할 수 있다.

이처럼 부하 관성 모멘트가 더 큰 조건이면 감속기를 결합하여 사용할 수 있으며, [허용 관성모멘트×감속비2]의 식으로 계산된다. 결과적으로 감속비의 제곱만큼 증가한다고 볼 수 있다.

1. 허용 관성 모멘트 비교

인아오리엔탈모터의 α-Step 모터 AZ 시리즈와 서보 모터의 로터 관성 모멘트를 비교해보자.

이처럼 스텝 모터의 관성 모멘트가 서보 모터보다 우수하기 때문에 동일한 무게의 부하를 구동 시 스텝 모터가 더 큰 회전체를 동작시킬 수 있다.

비교 포인트⑤-정지 정밀도

고정밀도의 위치 결정 운전을 하는 경우 정지 상태와 정지위치 정밀도에 대해서 고려해야 한다. 정지위치 정밀도는 ‘이론상의 정지위치에 대한 실제 정지 위치와의 차’이며, 스텝 모터의 정지 정도는 ±0.05°, 서보 모터의 정지 정도는 ±1 펄스 이내(엔코더 분해능)이다.

최근에는 서보 모터에 결합된 엔코더의 성능 향상으로 서보 모터의 분해능이 비정상적으로 작아져 엔코더의 조립 정도에 의해 오차가 크게 영향을 받는다. 따라서 엔코더는 높은 분해능으로 분할할 뿐 정밀도를 향상시키지는 못한다.

실측 데이터를 보면 스텝 모터와 서보 모터의 정지 정도는 ±0.02°~0.03° 정도로 거의 같다. 게다가 스텝 모터의 경우 모터 부품의 기계적 정도에 따라 정도가 결정되므로 정지 위치를 7.2°마다 실시할 수 있다면, 모터의 구조상 항상 같은 ROTOR 소치를 사용하여 위치 결정이 가능해서 더욱 정지 위치를 향상시킬 수 있다(그림 9, 10).

▲ 그림 9 스텝 모터와 AC 서보 모터 정지 정도(실측값)

▲ 그림 10 스텝 모터 7.2°마다 위치결정 시 정지 정도(실측값)

▲ 그림 11 α-STEP 모터의 장점

지금까지 살펴본 것처럼 스텝 모터와 서보 모터는 주로 정밀제어가 필요로 하는 용도에 사용된다. 모터를 사용하는 대부분 사람들은 모터의 특성은 배제하고 이전에 사용했던 모터 또는 동일한 제어 방식의 모터를 선호하는 경향이 있다.

장비의 생산성과 효율성을 높이기 위해서는 모터의 특성을 정확하게 이해하여 장비의 요구에 적합한 모터를 적용해야 할 것이다.

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