스테퍼 모터는 다양한 모션 및 위치 제어 애플리케이션에서 최고의 선택입니다. 다양한 크기와 토크 정격으로 제공되며, 고급 서보 모터보다 훨씬 저렴합니다. 따라서 피드백 장치를 추가하여 스테퍼 모터의 성능을 서보 모터 수준으로 향상시키는 방법에 대해 알아보겠습니다. 피드백 장치가 장착된 스테퍼 모터는 서보 모터를 완전히 대체할 수는 없지만, 다양한 실제 애플리케이션에서 신뢰할 수 있는 대안을 제공할 수 있습니다. 이러한 모션 설계 솔루션은 큰 비용 부담 없이 기계 성능을 향상시킵니다.

스테퍼 모터의 장점과 단점

스테퍼 모터는 연속적인 회전 운동이 아닌 불연속적인 스텝으로 움직이는 브러시리스 DC 전기 모터입니다. 이러한 스텝 운동은 고정자에 있는 전자기 코일 세트의 자기장 변화에 의해 구동됩니다. 스테퍼 모터의 작동은제어 장치— 모터의 고정자 코일에 전류를 순차적으로 공급하여 스텝 운동을 구동하는 전자 장치입니다. 컨트롤러의 성능은 모터 성능에 상당한 영향을 미칩니다.

여러 종류의 스테퍼 모터가 있지만, 가장 일반적인 스테퍼 모터는 우수한 분해능(회전당 200스텝 이상)과 준수한 저속 토크, 견고한 구조, 긴 수명, 그리고 비교적 저렴한 가격을 제공합니다. 하지만 이러한 모터에도 한계가 있습니다. 높은 회전 속도에서는 토크 출력이 감소하고, (간단한 컨트롤러를 사용하는 경우) 스테퍼 모터는 링잉(고주파 진동)에 취약할 수 있습니다. 가장 큰 단점은 위치 제어 애플리케이션에서도 기본 스테퍼 모터 시스템은 개루프 제어로 작동한다는 것입니다.

스테퍼 모터는 컨트롤러의 명령에 따라 특정 수의 스텝을 이동하지만, 이 동작이 완료되었는지에 대한 피드백을 컨트롤러에 제공하지 않습니다. 따라서 모터가 요청된 스텝 동작을 완료하지 못하면 컨트롤러가 지시하는 값과 실제 값 사이에 불일치가 커질 수 있습니다.가정한다모터 샤프트의 회전 위치와진실샤프트(및 부착된 부하 또는 구동 메커니즘)의 위치. 이러한 불일치는 모터의 토크가 기계적 저항을 극복하기에 충분하지 않을 때 발생합니다. 실제로 이러한 불일치는 고속 회전 시 심각한 문제가 될 수 있습니다. 고속 회전 시에는 모터 토크-출력 성능이 제한되기 때문입니다. 이것이 설계 엔지니어가 스테퍼 모터를 과도하게 설계하는 이유입니다. 스테퍼 모터의 과다 설계로 인해 가장 까다로운 모션 프로파일을 제외한 모든 모션 프로파일에서 스테퍼 모터가 지나치게 크고 무거워지는 상황이 발생하더라도, 스텝 누락을 방지하기 위해서입니다.

또 다른 단점은 기존 스테퍼 모터가 정지하면 스테퍼 모터 축을 제자리에 고정하기 위해 모터 권선을 통해 전류가 흘러야 한다는 것입니다. 이로 인해 전력이 소모되고 모터 권선과 주변 부품에 열이 발생합니다.

안정적인 위치 지정을 위한 스테퍼 모터 시스템에 대한 피드백

스테퍼 모터 시스템에 인코더를 추가하여 샤프트 위치 피드백을 받으면 제어 루프가 사실상 닫힙니다. 이러한 피드백 장치를 추가하면 전체 시스템 비용이 증가하지만, 서보 모터로 전환하는 것만큼 크지는 않습니다.

인코더 피드백을 추가하기 위한 한 가지 접근 방식은 다음과 같습니다.이동하고 확인하다모드. 이 경우, 스테퍼 모터의 테일 샤프트에 간단한 증분형 인코더가 추가됩니다. 컨트롤러가 모터에 스텝 명령을 내리면, 인코더는 명령된 동작이 수행되었는지 컨트롤러에 지속적으로 확인합니다. 모터가 요청된 스텝 수를 완료하지 못하면, 컨트롤러는 모터가 의도한 위치에 도달할 때까지 추가 스텝을 요청할 수 있습니다. 더 정교한 컨트롤러는 이러한 추가 스텝을 위한 토크를 높이기 위해 모터로 공급되는 상 전류를 증가시키기도 합니다.

이러한 이동 및 검증 설정에 사용되는 인코더는 일반적으로 회전당 200개 위치의 배수인 분해능을 갖습니다.

이동 및 검증 모드를 사용하는 설정은 대형 모터를 포함하면 여전히 이점을 얻을 수 있지만, 간단한 개방 루프 시스템에 필요한 정도로 대형화할 수는 없습니다.

또한 이 모드는 지능형 컨트롤러가 정지 중에 모터로 ​​흐르는 전류를 미세 조정하여 효율성을 약간 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 하지만 전반적인 에너지 소비는 여전히 높은 경향이 있습니다.

절대 인코더를 사용한 폐쇄 루프 스테퍼 제어

중요 위치 제어 애플리케이션을 위한 또 다른 좀 더 정교한 옵션은 멀티턴 절대 엔코더를 사용하는 완전 폐루프 제어입니다. 여기서 사용되는 엔코더는 스테퍼 모터의 테일 샤프트에 부착되어 다음을 모니터링합니다.

1. 스테퍼 모터의 각도 위치와
2. 스테퍼 모터의 회전 수.

이 구성에서 스테퍼 모터는 고극수 브러시리스 DC(BLDC) 모터처럼 제어되며, 인코더는 컨트롤러에 지속적으로 위치 피드백을 제공합니다. 모터에 공급되는 유지 전류는 주어진 위치 허용 오차 내에서 위치를 유지하는 데 필요한 양에 맞춰 정확하게 조절됩니다. 브러시리스 서보 모터처럼 제어되는 스테퍼 모터는 진정한 BLDC 서보 모터보다 에너지 효율이 높고 비용이 저렴합니다. 그렇다면 모든 BLDC 서보 애플리케이션에 저가형 스테퍼 모터를 사용하는 것은 어떨까요?

폐루프 서보 시스템에 사용되는 스테퍼 모터는 실제 BLDC 서보 모터에는 없는 물리적 한계를 가지고 있습니다. 더 구체적으로, 이렇게 구동되는 스테퍼 모터는 본질적으로 50극 브러시리스 모터처럼 작동하기 때문에 서보 모터로 가능한 회전 속도를 달성할 수 없습니다. 또한, 스테퍼 모터의 회전자는 동급 출력의 실제 BLDC 서보 모터보다 관성이 높아 동일한 가속도를 제공할 수 없습니다.

BLDC 모드에서 스테퍼 모터를 사용하면 인코더가 중요한 작업을 수행합니다.정류역할은 모터 축의 정확한 회전 위치를 보고하는 것입니다. 이를 통해 컨트롤러는 필요에 따라 적절한 고정자 전자석 세트에 전원을 공급하여 연속 회전을 가능하게 합니다. 또한, 정밀 절대 엔코더는 고급 마이크로스테핑 컨트롤러가 위상 전류를 미세 조정하여 기본적인 스테퍼 모터 시스템에서 발생하는 링잉(진동)을 줄이는 데에도 도움을 줄 수 있습니다.