스텝 모터 시스템은 모션 제어 산업의 핵심입니다. 개방 루프 시스템과 폐쇄 루프 시스템의 차이점을 살펴보고, 스텝 모터 시스템을 더욱 빠르고 조용하며 에너지 효율적으로 만드는 최신 기술 개발 동향에 대해 설명하겠습니다.

스텝 모터 시스템은 전압 구동 방식과 풀 스텝 방식이었던 초창기 시절부터 비약적인 발전을 거듭해 왔습니다. 먼저 PWM 구동 방식과 마이크로 스텝 방식이 등장했고, 이후 디지털 신호 처리기(DSP)와 공진 방지 알고리즘이 도입되었습니다. 그리고 이제 새로운 폐루프 스텝 모터 기술이 등장하면서 스텝 모터는 앞으로도 오랫동안 모션 제어 산업의 핵심 요소로 자리매김할 것으로 기대됩니다.

직선 운동이든 회전 운동이든, 어떤 모터와 구동 시스템이 가장 적합한지를 결정하는 두 가지 주요 고려 사항은 토크와 효율입니다. 이는 자동 조립 시스템, 자재 운반 기계, 3D 프린터, 직교 위치 제어 장치, 연동 펌프 등 스텝 모터가 선호되는 수많은 응용 분야에 모두 적용됩니다.

최근 스테퍼 시스템의 발전은 저비용 고해상도 피드백 장치와 고급 DSP를 적용하여 스테퍼 모션의 폐루프 제어를 구현하는 데 있습니다. 이러한 폐루프 제어는 스테퍼 모터의 성능을 개루프 시스템보다 훨씬 향상시킵니다. 앞으로 살펴보겠지만, 이러한 폐루프 시스템의 한 예로 피드백 장치, 드라이버 및 컨트롤러 보드, 전원, 통신 및 I/O 전자 장치, 그리고 모터 측면과 후면에 시스템 커넥터가 통합된 모터 설계가 있습니다.

개방 루프 스테퍼 시스템과 폐쇄 루프 스테퍼 시스템 비교
먼저 고성능 폐루프 스테퍼 시스템이 기존 개루프 스테퍼 시스템과 토크 및 효율 측면에서 어떻게 다른지 살펴보겠습니다.

실험실 테스트 결과에서 두 시스템의 가속도(토크), 효율(전력 소비), 위치 오차(정확도), 발열량 및 소음 수준을 비교한 결과, 폐루프 스테퍼 시스템이 개루프 시스템에 비해 우수한 성능을 보이는 것으로 나타났습니다. 토크와 가속도의 관계를 생각해 보세요. 토크-속도 곡선은 폐루프 스테퍼 시스템의 최대 토크 범위와 연속 토크 범위를 보여주는 반면, 개루프 스테퍼 시스템의 실제 사용 가능한 토크 범위도 보여줍니다. 실제 상황에서 토크는 가속도로 직결되는 경우가 많으므로, 토크가 큰 모터는 주어진 부하를 더 빠르게 가속할 수 있습니다.

실험실에서 토크 성능 차이를 테스트하기 위해 동일한 크기의 개방 루프 및 폐쇄 루프 스텝 모터 시스템에 동일한 관성 부하를 적용합니다. 프로그래밍 명령을 통해 두 시스템은 동일한 동작 프로파일을 수행하지만, 각 시스템에서 위치 오차가 발생할 때까지 가속률과 최고 속도를 서서히 증가시킵니다.

개방 루프 시스템의 최대 가속도가 초당 1,000회전이라고 가정해 봅시다.²최고 회전 속도는 초당 10회전(600rpm)입니다. 이 최고 회전 속도 초당 10회전은 토크-속도 곡선의 평탄한 부분이 끝나는 지점과 일치합니다. 폐쇄 루프 시스템은 (더 높은 토크 생성 능력 덕분에) 최대 2,000rpm의 가속률을 얻을 수 있습니다.²최고 속도는 초당 20회전(1,200rpm)입니다. 이는 개방형 시스템보다 두 배의 성능을 제공하며, 이동 시간을 110밀리초에서 60밀리초로 거의 절반으로 단축합니다.

높은 처리량이 요구되는 애플리케이션(예: 인덱싱, 에지 가이드 위치 지정 및 픽앤플레이스 시스템)의 경우 폐쇄 루프 시스템이 성능 면에서 확실한 이점을 제공합니다.

개방형 루프 효율 대 폐쇄형 루프 효율

개루프 시스템과 폐루프 시스템의 상대적 효율을 측정하기 위해, 동일한 크기의 모터 두 개를 사용하여 동일한 테스트를 반복한다고 가정해 보겠습니다. 이번에는 폐루프 모터와 개루프 모터를 동일한 관성 부하로 나란히 작동시키되, 동작 프로파일을 일정하고 동일하게 유지하는 프로그래밍을 실행하여 두 시스템이 동일한 양의 작업을 수행하도록 합니다.

두 모터가 동일한 동작 프로파일을 반복적으로 수행하는 동안 두 시스템에 전원을 공급하는 DC 전원 공급 장치의 전류 소모량을 측정하고 전력 소비량을 계산했습니다. 값 그래프에서 볼 수 있듯이, 개방 루프 스테퍼 시스템의 평균 전력 소비량은 43.8와트인 반면, 폐쇄 루프 시스템의 평균 전력 소비량은 14.2와트로 그 3분의 1에 불과합니다. 이러한 전력 소비량의 극적인 차이는 폐쇄 루프 시스템의 더 높은 효율을 명확하게 보여줍니다. 개방 루프 스테퍼 시스템의 효율을 높이려는 사용자는 이제 폐쇄 루프 시스템으로 간단하게 업그레이드하여 전력 소비량을 크게 줄일 수 있습니다.

모터 과열 문제를 해결하는 방법

전력 소비 테스트의 자연스러운 연장선상에서 모터 발열 조사가 이루어집니다. 개방 루프 스테퍼 시스템은 구조가 간단합니다. 구동 장치를 모터의 정격 전류로 설정하면, 구동 장치는 필요한 토크가 발생하든 안 하든 항상 정격 전류를 모터에 공급하려고 최선을 다합니다. 이로 인해 에너지가 응용 기능에 사용되는 대신 열이 발생하는 경우가 많으며, 이것이 바로 개방 루프 스테퍼 시스템이 폐쇄 루프 시스템보다 일반적으로 더 뜨거워지는 이유입니다. 또한 기계 설계자는 이러한 열을 처리하기 위해 추가적인 조치를 취해야 하는데, 예를 들어 작업자 근처에서 작동하는 스테퍼 모터 주변에 특수 보호 장치를 설치하거나 팬과 같은 추가 냉각 시스템을 설치하는 경우가 많습니다.

앞서 설명한 것과 동일한 개방형 및 폐쇄형 시스템을 사용하여 실험실에서 수행한 모터 발열 테스트 결과를 살펴보겠습니다. 이 테스트에서 두 시스템은 동일한 관성 부하를 구동하면서 동일한 양의 일을 수행하고 열평형에 도달할 때까지 작동하도록 합니다. 개방형 시스템은 케이스 온도가 76.0°C에 도달하는 반면, 폐쇄형 시스템은 36.9°C의 케이스 온도에서 열평형에 도달합니다. 이는 개방형 시스템의 절반에도 미치지 못하는 온도입니다. 이처럼 모터 발열이 크게 감소하면 기계 제조업체는 추가적인 보호 장치 및 냉각 시스템을 생략할 수 있으므로 부품 비용을 절감할 수 있습니다.

시끄러운 모터는 이제 그만!

개방 루프 스테퍼 시스템에 대한 또 다른 일반적인 불만은 상당한 소음이 발생한다는 점입니다. 실험실, 병원, 사무실과 같은 특정 환경에서는 이러한 소음이 기계 설계자에게 심각한 문제가 될 수 있습니다.

스텝 모터에서 발생하는 소음은 높은 전기 주파수와 고정자 치에서의 급격한 자속 변화, 그리고 개방 루프 시스템이 부하와 관계없이 정격 전류로 작동하기 때문에 발생합니다. 반면 폐쇄 루프 스텝 모터 시스템은 부하를 제어하는 ​​데 필요한 만큼의 전류만 모터에 공급하므로 소음이 훨씬 적습니다.

본 기사에 첨부된 소음 그래프에 나타난 테스트 결과를 얻기 위해 각 시스템의 소음은 방음실에서 측정되었습니다. 폐쇄 루프 시스템은 0~20rpm 범위에서 개방 루프 시스템보다 훨씬 조용합니다. 이 속도 범위는 스텝 모터 시스템이 가장 흔히 사용되는 실제 응용 분야의 속도 범위와 일치하므로, 대부분의 스텝 모터 응용 분야에서 폐쇄 루프 시스템으로 전환하면 모터 소음 감소 효과를 볼 수 있습니다.

모터의 정확도를 향상시켜 위치 오류를 제거합니다.

개방 루프 스텝 모터 시스템은 피드백 메커니즘이나 폐쇄 루프 제어 시스템 없이도 하중을 정밀하게 위치시킬 수 있다는 장점으로 높이 평가받습니다. 하지만 이는 개방 루프 시스템이 정상 작동 중 위치 오차가 발생하지 않을 만큼 충분한 토크 여유를 확보했을 때만 가능합니다. 정확도를 향상시키고 시스템 설계를 더욱 견고하게 하기 위해, 고해상도 엔코더의 피드백을 기반으로 서보 위치 루프를 폐쇄 루프 방식으로 구성하면, 개방 루프 시스템에서 위치 오차를 유발할 수 있는 토크 요구량 증가를 자동으로 보상할 수 있습니다. 이는 특히 짧고 빠른 움직임과 잦은 방향 전환이 필요한 픽앤플레이스 시스템이나 3D 프린터와 같은 고동적 응용 분야에서 시스템의 전반적인 정확도를 크게 향상시킵니다.

기존 스테퍼 시스템 업그레이드

통합 스텝 모터 시스템의 구성 요소 중 모터, 전력 증폭기 및 통신 비용은 일반적으로 개루프에서 폐루프 방식으로 전환할 때 증가하지 않습니다. 제어 전자 장치는 모터를 서보 제어하기 위해 약간 더 많은 중앙 처리 능력이나 메모리가 필요할 수 있지만, 이는 일반적으로 제품 가격에 영향을 미치지 않습니다. 개루프와 폐루프 스텝 모터 시스템의 비용 차이 대부분은 고해상도 피드백 장치의 추가에서 비롯되지만, 제조 기술의 발전으로 이러한 장치의 가격이 점차 저렴해지고 있습니다. 따라서 이제 폐루프 스텝 모터 시스템은 기존 서보 모터와 같은 다른 유형의 위치 제어 시스템에 비해 개루프 스텝 모터 시스템의 비용 이점을 유지하면서 거의 모든 면에서 성능이 크게 향상되었습니다. 일반적으로 폐루프 시스템의 에너지 절감 및 처리량 증가는 피드백 장치 비용의 약간의 증가분을 빠르게 상쇄합니다.

개방형 루프 스테퍼 시스템에서 폐쇄형 루프 시스템으로 업그레이드할 때 비용 증가가 최소화될 뿐만 아니라, NEMA 프레임 크기가 동일하게 제공되어 업그레이드 과정이 간소화됩니다. 폐쇄형 루프 NEMA 23 스테핑 모터는 개방형 루프 NEMA 23 스테핑 모터와 프레임 크기, 파일럿 직경, 볼트 구멍 원, 볼트 구멍 직경이 동일하므로 장착 브래킷도 그대로 사용할 수 있습니다. 폐쇄형 루프 시스템은 더 큰 토크를 제공하므로 스테핑 모터의 샤프트 직경이 더 커질 수 있지만, 샤프트 커플링을 간단히 교체하면 이 문제는 쉽게 해결할 수 있습니다.