스테퍼 모터로 알려진 전기 모터는 회전 위치, 속도 및 방향에 대한 정확한 제어가 필요한 응용 분야에서 자주 사용됩니다. 이들은 불연속적인 단계로 움직이기 때문에 모터의 움직임을 보다 세밀하게 제어한다는 점에서 일반 DC 모터와 다릅니다.

스테퍼 모터란?

스테퍼 모터를 제어하는 ​​방법

각 단계는 모터 샤프트의 각도 회전이며, 모터는 설정된 수의 단계로 회전하도록 제어할 수 있습니다. 이러한 모터는 모터 설계에 따라 일반적으로 단계당 0.9°~1.8°의 범위 내에서 고정된 양만큼 회전하도록 설계되었습니다.

스테퍼 모터는 피드백 시스템이 필요 없이 미세한 제어를 달성할 수 있는 능력이 다른 모터 유형(예: 브러시 DC 모터)에 비해 가장 큰 장점입니다. 스테퍼 모터는 일반적으로 모터 권선에 일련의 전기 펄스를 보내 제어되며, 각 펄스는 모터를 한 단계 앞으로 또는 뒤로 이동시킵니다.

스테퍼 모터의 종류

제어 기술에 뛰어들기 전에 모터 제어 방식에 영향을 미치는 다양한 유형의 스테퍼 모터를 이해하는 것이 중요합니다.

영구 자석(PM) 스테퍼 모터:

  1. 로터에 영구 자석이 있는 이 모터는 감소된 속도에서 토크와 효율을 증가시킵니다.
  2. 이들은 가장 일반적인 유형의 스테퍼 모터이며 저속 애플리케이션에 이상적입니다.

가변 릴럭턴스(VR) 스테퍼 모터:

  1. 이러한 모터에서 로터는 연철로 만들어지고 로터의 움직임은 스테이터에 전원이 공급될 때 자기 저항 변화에 의해 안내됩니다.
  2. PM 모터와 비교했을 때 토크는 낮지만 속도 성능은 더 좋습니다.

하이브리드 스테퍼 모터:

  1. 이들은 VR과 PM 스테퍼 모터의 특성을 결합합니다. 높은 토크, 정확도, 속도가 모두 균형을 이룹니다.
  2. 하이브리드 스테퍼 모터는 산업용 애플리케이션에서 가장 널리 사용됩니다.

스테퍼 모터 제어의 기본 원리

스테퍼 모터는 스테이터에 배열된 일련의 권선에 의존하여 자기장을 생성합니다. 운동은 이러한 자기장과 로터 또는 회전 구성 요소의 상호 작용에 의해 생성됩니다. 일반적으로 영구 자석이나 연철 조각의 경우 로터는 스테이터 권선이 특정 순서로 활성화됨에 따라 점진적으로 이동합니다.

스테퍼 모터 제어의 원리

스테퍼 모터를 제어하는 ​​데에는 이해해야 할 몇 가지 핵심 개념이 있습니다.

스텝 각도:

스텝 각도는 로터가 각 스텝에서 얼마나 움직이는지를 정의합니다. 예를 들어, 스테퍼 모터의 스텝 각도가 1.8°이면 모터의 로터는 각 펄스에 대해 1.8° 이동합니다.
모터의 총 회전은 360°를 스텝 각도로 나누어 결정할 수 있습니다. 예를 들어, 스텝 각도가 1.8°인 모터는 완전한 회전을 완료하는 데 200단계가 필요합니다(360° / 1.8° = 200단계).

단계 모드:

스테퍼 모터는 코일에 전원이 공급되는 방식에 따라 다양한 모드로 구동될 수 있습니다.

  1. Full Step: 모터에 전원을 공급하여 각 단계가 로터를 Full Step 각도로 움직입니다.
  2. Half Step: 모터가 더 작은 단계로 움직여 더 부드러운 움직임과 더 높은 분해능을 제공합니다.
  3. Microstepping: 이것은 가장 진보된 모드로, 모터의 코일에 전원을 공급하여 로터가 매우 작은 단위로 움직입니다. 이것은 매우 정밀한 제어와 부드러운 움직임을 제공합니다.

위상 및 코일:

  1. 스테퍼 모터는 여러 상 또는 코일로 구성됩니다. 이러한 코일에 올바른 순서로 전원을 공급하면 로터가 점진적으로 움직이도록 강제됩니다.
  2. 예를 들어, 2상 스테퍼 모터에서 코일에 특정 순서로 전원을 공급하여 생성된 자기장으로 인해 로터가 별개의 단계로 회전합니다.

스테퍼 모터 제어 방법

스테퍼 모터를 제어하는 ​​방법에는 여러 가지가 있으며, 각각 장단점이 있습니다. 선택하는 방법은 애플리케이션, 필요한 정밀도, 사용 가능한 하드웨어에 따라 달라집니다.

마이크로컨트롤러 사용(예: Arduino)

스테퍼 모터는 종종 마이크로컨트롤러에 의해 제어됩니다. 이들은 모터의 코일을 통과하는 전류를 조절하는 모터의 드라이버 회로로 전송되는 필요한 펄스 신호를 생성합니다. 이 기술은 종종 소형 기계 및 DIY 프로젝트에 적용됩니다.

예를 들어, Arduino는 AccelStepper와 같은 라이브러리를 사용하여 스테퍼 모터를 제어할 수 있습니다. Arduino는 일련의 디지털 펄스를 모터 드라이버로 보내고 드라이버는 모터 코일에 적절한 전압과 전류를 공급합니다.

기본 Arduino 코드 예:

#include
<Stepper.h>

const int stepsPerRevolution = 200; // Change this to match your motor’s specification

// Initialize the Stepper library with the number of steps per revolution
Stepper stepper(stepsPerRevolution, 8, 9, 10, 11);

void setup() {
// Set the motor speed (in RPM)
stepper.setSpeed(60);
}

void loop() {
// Move the motor 100 steps forward
stepper.step(100);
delay(1000);

// Move the motor 100 steps backward
stepper.step(-100);
delay(1000);
}

전용 스테퍼 모터 드라이버 사용

A4988 또는 DRV8825와 같은 스테퍼 모터 드라이버라고 하는 특수 회로를 사용하여 스테퍼 모터 코일로 흐르는 전류를 제어할 수 있습니다. 스테퍼 모터에 필요한 더 높은 전류를 처리하는 것 외에도 이러한 드라이버는 더 유동적인 동작을 위한 마이크로 스테핑 기능을 제공합니다.

예를 들어, Arduino 또는 다른 마이크로컨트롤러는 A4988과 같은 드라이버와 결합되어 펄스 신호를 통해 스테퍼 모터를 제어할 수 있습니다. 마이크로컨트롤러는 신호를 생성하고 드라이버는 해당 신호에 따라 모터의 코일을 제어합니다.

Arduino를 사용한 A4988 드라이버의 기본 배선:

  • VDD에서 Arduino 5V로
  • GND에서 Arduino GND로
  • STEP에서 Arduino 디지털 핀(예: 핀 3)으로
  • DIR에서 Arduino 디지털 핀(예: 핀 4)으로
  • VMOT에서 모터 전원 공급 장치로
  • 마이크로 스테핑 설정을 위한 M0, M1, M2 핀(선택 사항)

컴퓨터 또는 PLC(프로그래밍 가능 논리 컨트롤러) 사용

산업 및 보다 복잡한 애플리케이션의 경우, 스테퍼 모터는 제어 소프트웨어를 실행하는 컴퓨터 또는 PLC로 제어할 수 있습니다. 이러한 설정은 여러 모터와 정밀한 움직임에 대해 더 높은 수준의 제어가 필요한 CNC 기계 및 자동화 시스템에서 일반적입니다.

전원 공급 장치로 제어

드라이버 외에도 전원 공급 장치는 스테퍼 모터 제어의 핵심 구성 요소입니다. 모터와 드라이버의 전압 및 전류 사양은 일치해야 합니다. 부적절한 전원 공급은 과열, 토크 손실 및 모터 손상을 일으킬 수 있습니다.

제어 신호 및 타이밍

  • 펄스 속도(주파수): 펄스 신호의 주파수는 모터의 속도를 결정합니다. 더 빠른 움직임은 더 높은 주파수와 연관되고, 더 느린 움직임은 더 낮은 주파수와 연관됩니다.
  • 방향 제어: 많은 드라이버의 경우 DIR 핀은 회전 방향을 제어합니다. 이 핀의 상태(HIGH 또는 LOW)를 변경하면 모터의 회전이 역전됩니다.

스테퍼 모터 제어 요약 차트

제어 방법 장점 단점
마이크로컨트롤러 저비용, 간단하고 프로그래밍 용이 제한된 전력 처리
전용 스테퍼 드라이버 신뢰성 높음, 고전력 처리, 마이크로스텝 지원 더 복잡한 배선, 추가 비용 발생
PLC/컴퓨터 기반 제어 고정밀, 대규모 시스템 확장 가능 비쌈, 복잡한 설정
전원 공급 제어 기본적, 간단한 응용에 적합 기능 제한적, 고급 제어 불가능

스테퍼 모터 제어 시 주요 고려 사항

  • 전력 요구 사항: 스테퍼 모터는 일반 DC 모터보다 더 많은 전력이 필요하며, 특히 부하가 걸리거나 고속으로 작동할 때 그렇습니다. 손상을 방지하려면 항상 모터 요구 사항과 호환되는 전원 공급 장치를 사용하십시오.
  • 열 발산: 스테퍼 모터는 특히 부하가 걸릴 때 뜨거워지는 경향이 있습니다. 모터를 장시간 작동시키는 경우 적절한 환기가 되는지 확인하거나 방열판이나 팬을 추가하는 것을 고려하십시오.
  • 마이크로 스테핑: 풀 스테핑은 모터에 가장 높은 토크를 제공하는 반면, 마이크로 스테핑은 토크가 감소하더라도 더 부드러운 움직임과 더 나은 정밀도를 제공합니다. 제어 방식을 선택할 때는 트레이드오프를 이해하는 것이 필수적입니다.

결론

스테퍼 모터의 동작을 이해하고 애플리케이션에 가장 적합한 제어 전략을 선택하는 것은 제어에 필수적입니다. Arduino와 같은 마이크로컨트롤러, A4988과 같은 전용 드라이버 또는 보다 진보된 산업 시스템을 사용하든, 스테퍼 모터는 피드백 시스템이 필요 없이 위치와 속도에 대한 뛰어난 제어를 제공합니다. 적절한 전원, 드라이버 및 제어 신호 조합을 선택하면 프로젝트에 대한 정확하고 안정적인 작동을 달성할 수 있습니다.