스텝 모터 시스템은 모션 제어 산업의 기반입니다. 개방 루프 시스템과 폐쇄 루프 시스템의 차이점을 살펴보고, 스텝 모터 시스템을 이전보다 훨씬 빠르고, 조용하며, 에너지 효율을 높이는 최신 기술에 대해서도 설명하겠습니다.

스텝 모터 시스템은 초창기 전압 구동 및 풀 스테핑 방식에서 크게 발전해 왔습니다. 먼저 PWM 구동과 마이크로스테핑이 등장했고, 그 후 디지털 신호 프로세서(DSP)와 반공진 알고리즘이 등장했습니다. 이제 새로운 폐루프 스테퍼 기술은 스텝 모터가 앞으로도 모션 제어 산업의 초석으로 자리매김할 수 있도록 뒷받침하고 있습니다.

운동이 선형이든 회전이든, 어떤 모터와 구동 시스템이 가장 적합한지 결정하는 가장 중요한 두 가지 고려 사항은 토크와 효율입니다. 이는 최종 응용 분야가 자동 조립 시스템, 자재 취급 기계, 3D 프린터, 직교 좌표 위치 제어기, 연동 펌프, 또는 스텝 모터가 선호되는 수많은 다른 응용 분야이든 적용됩니다.

스테퍼 시스템의 최신 개발은 저비용, 고해상도 피드백 장치와 고급 DSP를 적용하여 스테퍼 동작의 루프를 닫는 것입니다. 이러한 제어는 폐쇄 루프 스테퍼의 성능을 향상시켜 개방 루프 시스템보다 우수한 성능을 발휘합니다. 앞으로 살펴보겠지만, 이러한 폐쇄 루프 시스템 중 하나는 피드백 장치, 드라이버 및 컨트롤러 보드, 전원, 통신 및 I/O 전자 장치, 그리고 모터 측면과 후면의 시스템 커넥터를 포함하는 통합 모터 설계를 기반으로 합니다.

개방 루프 대 폐쇄 루프 스테퍼 시스템
먼저, 고성능 폐쇄 루프 스테퍼 시스템이 토크와 효율성 측면에서 기존의 개방 루프 스테퍼 시스템과 어떻게 비교되는지 살펴보겠습니다.

실험실 테스트 결과에서 두 시스템의 가속도(토크), 효율(소비 전력), 위치 오차(정확도), 발열량, 소음 수준을 비교한 결과, 폐루프 스테퍼 시스템이 개루프 시스템보다 성능이 우수하다는 것이 입증되었습니다. 토크와 가속도의 관계를 생각해 보세요. 토크-속도 곡선은 폐루프 스테퍼 시스템의 최대 토크 범위와 연속 토크 범위, 그리고 개루프 스테퍼 시스템의 사용 가능 토크 범위를 보여줍니다. 실제 환경에서 토크는 가속도로 변환되는 경우가 많습니다. 따라서 토크가 큰 모터일수록 주어진 부하를 더 빠르게 가속할 수 있습니다.

실험실에서 토크 성능의 차이를 테스트하기 위해, 동일한 크기의 개방 루프 및 폐쇄 루프 스텝 모터 시스템에 동일한 관성 부하를 가했습니다. 프로그래밍 명령은 두 시스템에 동일한 이동 프로파일을 수행하도록 했지만, 가속도와 최고 속도는 위치 오차가 발생할 때까지 천천히 증가시켰습니다.

개방 루프 시스템의 최대 가속 속도가 1,000회전/초라고 가정해 보겠습니다.²최고 속도는 10회전/초(600rpm)입니다. 이 최고 속도 10회전/초는 토크-속도 곡선의 평탄한 부분이 끝나는 지점과 상관관계가 있습니다. 폐루프 시스템은 (더 높은 토크 생성 능력으로 인해) 최대 가속 속도가 2,000회전/초입니다.²최고 속도는 20회전/초(1,200rpm)입니다. 이는 개방 루프 시스템 성능의 두 배이며, 이동 시간은 110밀리초에서 60밀리초로 거의 절반으로 단축됩니다.

높은 처리량이 필요한 애플리케이션(인덱싱, 에지 가이드 위치 지정, 픽앤플레이스 시스템 등)의 경우 폐쇄 루프 시스템은 확실한 성능상의 이점을 제공합니다.

개방 루프 대 폐쇄 루프 효율성

개방 루프 시스템과 폐쇄 루프 시스템의 상대 효율을 측정하기 위해, 크기가 같은 두 모터로 동일한 실험을 반복한다고 가정해 보겠습니다. 이번에는 폐쇄 루프 모터와 개방 루프 모터를 동일한 관성 부하로 나란히 구동하되, 운동 프로파일을 일정하고 동일하게 유지하는 프로그래밍을 실행하여 두 시스템이 동일한 양의 일을 수행하도록 합니다.

두 모터가 동일한 동작 프로파일을 반복적으로 인덱싱하는 동안, 두 시스템에 공급되는 DC 전원 공급 장치의 전류 소모량을 측정하고 전력 소비량을 계산합니다. 값 플롯에서 볼 수 있듯이, 개방 루프 스테퍼 시스템의 평균 전력 소비량은 43.8와트인 반면, 폐쇄 루프 시스템의 평균 전력 소비량은 3분의 1인 14.2와트에 불과합니다. 이러한 전력 소비량의 극적인 차이는 폐쇄 루프 시스템의 작동 효율이 더 높음을 분명히 보여줍니다. 개방 루프 스테퍼 시스템의 시스템 효율을 높이고자 하는 사용자는 이제 폐쇄 루프 시스템으로 간단히 업그레이드하여 전력 소비량을 크게 줄일 수 있습니다.

모터 가열을 해결하는 방법

전력 소비 테스트의 자연스러운 확장은 모터 발열 조사입니다. 개방 루프 스테퍼 시스템은 단순한 기계입니다. 모터의 정격 전류에 맞춰 드라이브를 설정하기만 하면, 드라이브는 결과 토크가 필요하든 필요하지 않든 항상 모터에 해당 전류를 공급하기 위해 최선을 다합니다. 이로 인해 애플리케이션 기능에 필요한 에너지 대신 열이 발생하는 경우가 많습니다. 이것이 개방 루프 스테퍼 시스템이 폐쇄 루프 스테퍼 시스템보다 일반적으로 더 높은 온도를 유지하는 이유입니다. 또한 기계 설계자는 이러한 열을 처리하기 위해 추가적인 조치를 취해야 합니다. 예를 들어, 작업자 근처에서 작동하는 스테퍼 모터 주변에 특수 보호 장치를 설치하거나 팬과 같은 추가 냉각 시스템을 설치하는 경우가 많습니다.

위와 동일한 개방 루프 및 폐쇄 루프 시스템을 사용하여 실험실에서 수행한 모터 가열 시험 결과를 고려해 보겠습니다. 이 시험에서 두 시스템은 동일한 관성 부하를 구동하는 동일한 양의 일을 생성하며, 열 평형에 도달할 때까지 작동하도록 합니다. 개방 루프 시스템은 케이스 온도가 76.0°C에 도달하는 반면, 폐쇄 루프 시스템은 케이스 온도가 36.9°C에 불과하여 개방 루프 시스템의 절반에도 미치지 못합니다. 모터 가열이 크게 감소하면 기계 제작자는 추가적인 보호 및 냉각 서브시스템을 생략할 수 있으므로 부품 비용을 절감할 수 있습니다.

더 이상 시끄러운 모터는 없습니다

개방 루프 스테퍼 시스템에 대한 또 다른 일반적인 불만은 상당한 소음을 발생시킨다는 것입니다. 실험실, 병원, 사무실과 같은 특정 환경에서는 이러한 소음이 기계 설계자에게 심각한 문제를 야기할 수 있습니다.

스텝 모터에서 발생하는 소음은 높은 전기 주파수와 고정자 톱니의 빠른 자속 변화, 그리고 개방 루프 시스템은 부하에 관계없이 최대 정격 전류로 작동하기 때문에 발생합니다. 반면, 폐쇄 루프 스테퍼 시스템은 부하를 제어하기에 충분한 전류만 모터에 공급하기 때문에 가청 소음이 훨씬 적습니다.

본 논문에 첨부된 음향 소음 그래프에 나타난 시험 결과를 도출하기 위해, 각 시스템의 음향 소음을 방음 챔버에서 측정했습니다. 폐쇄 루프 시스템은 0~20회전/초의 속도 범위에서 개방 루프 시스템보다 훨씬 조용했습니다. 이 속도 범위는 스텝 모터 시스템이 가장 많이 사용되는 실제 응용 분야의 속도 범위와 일치합니다. 즉, 대부분의 스텝 모터 응용 분야에서 폐쇄 루프 시스템으로 전환하면 모터 소음 감소 효과를 얻을 수 있습니다.

위치 오류를 제거하기 위한 더 나은 모터 정확도

개방 루프 스텝 모터 시스템은 피드백 메커니즘이나 폐쇄 루프 제어 시스템 없이도 부하의 위치를 ​​정밀하게 제어할 수 있다는 점에서 높은 평가를 받고 있습니다. 단, 개방 루프 시스템이 정상 작동 중 위치 오차가 발생하지 않을 만큼 충분한 토크 마진을 확보해야 합니다. 정확도 향상 및 더욱 견고한 시스템 설계를 위해, 고해상도 인코더의 피드백을 중심으로 서보 위치 루프를 폐쇄하면 폐쇄 루프 시스템이 개방 루프 시스템에서 위치 오차를 유발할 수 있는 토크 요구량 증가를 자동으로 보상할 수 있습니다. 이는 특히 픽앤플레이스 시스템이나 3D 프린터처럼 짧고 빠른 이동과 빈번한 방향 전환이 필요한 매우 동적인 애플리케이션에서 전반적인 시스템 정확도를 크게 향상시킵니다.

기존 스테퍼 시스템 업그레이드

통합 스텝 모터 시스템의 구성 요소 중 모터, 전력 증폭기 및 통신 비용은 일반적으로 개방 루프에서 폐쇄 루프로 전환해도 증가하지 않습니다. 제어 전자 장치는 모터를 서보 제어하기 위해 약간 더 많은 중앙 처리 성능이나 메모리가 필요할 수 있지만, 일반적으로 정가에는 영향을 미치지 않습니다. 개방 루프와 폐쇄 루프 스테퍼 시스템 간의 비용 차이는 대부분 고해상도 피드백 장치의 추가에 있지만, 제조 기술의 발전으로 이러한 장치의 가격이 점차 저렴해졌습니다. 따라서 폐쇄 루프 스테퍼 시스템은 기존 서보와 같은 다른 유형의 위치 제어 시스템에 비해 개방 루프 스테퍼 시스템의 비용 이점을 유지하면서도 거의 모든 면에서 성능이 크게 향상되었습니다. 일반적으로 폐쇄 루프 시스템의 에너지 절감 및 처리량 증가는 피드백 장치의 소폭 증가분을 빠르게 상쇄합니다.

비용 증가를 최소화할 뿐만 아니라, NEMA 프레임 크기 제품을 사용하면 개방 루프 스테퍼 시스템에서 폐쇄 루프 시스템으로의 업그레이드가 간소화됩니다. 폐쇄 루프 NEMA 23 스텝 모터는 개방 루프 NEMA 23 스텝 모터와 프레임 크기, 파일럿 직경, 볼트 구멍 원, 볼트 구멍 직경이 동일하므로 장착 브래킷도 동일하게 유지됩니다. 폐쇄 루프 시스템에서 얻을 수 있는 토크가 더 크기 때문에 폐쇄 루프 스텝 모터의 샤프트 직경이 더 커질 수 있지만, 이는 일반적으로 샤프트 커플링을 간단히 교체하면 쉽게 해결할 수 있습니다.