Stepper Motor
1. 개요
모터의 일종으로 회전운동을 하는것이 아닌 1각씩 단계적으로 움직인다는 뜻으로 Stepper motor라는 이름으로 불리며 줄여서 스텝 모터라고 쓰기도 한다.표제어인 스테퍼 모터, 약어인 스텝모터 뿐만 아니라 스테핑 모터 등으로 불리기 때문에 용어 통일이 잘 안되는 모습을 보여주는데 일단 영문의 경우 Stepper Motor가 보편적으로 쓰이기에 본 문서는 스테퍼 모터를 표제어로 사용한다.
2. 원리
기본적으로 DC입력을 받는 브러시리스 모터의 일종인데 스텝 모터 내부에는 영구자석으로 된 회전자가 있으며 이를 외각에 전자석이 두르고 있는데 BLDC같은 모터와의 차이점은 스테퍼 모터의 경우 이 자석과 회전자에 무수히 많은 톱니가 있는데 이 톱니가 스테퍼 모터의 핵심으로 전자석에 달린 톱니는 다른 상의 전자석의 톱니와 약간의 간격의 차이가 있다.한쪽 전자석에 전류가 흐르면 내부 회전자는 해당 방향에 톱니를 맞춰 정렬되는데 이 과정중 다음 상의 전자석과는 톱니가 어긋나게 되며 이 상태에서 다음 상의 전자석에 전원이 인가되면 해당 전자석의 톱니에 맞춰 움직이며 다시 정렬된다. 이 과정이 반복될 때 마다 스텝모터는 조금씩 회전하게 된다.
이 1각씩 움직이는 정도는 내부의 톱니 수와 전자석의 위상 등에 결정되며[1] 일반적인 스텝모터의 구분은 1회전이 총 몃 각으로 구분되는지에 따라서 구분되어지는 경우가 많다.
내부가 전자석으로 동작한다는 특징 때문에 별도의 드라이버 없이도 구동이 가능하다는 특징이 있으며 이때문에 ULN2003같은 IC하나만 달고[2] 제어하는 경우도 있다.
다만 마이크로 스테핑 같은 초정밀 제어나 대형 스텝모터를 다룰경우 정밀한 대전류 제어를 위해서 스텝모터 드라이버가 별도로 사용되며 이외에도 2채널짜리 DC 모터 드라이버를 스텝모터 드라이버 대용으로 사용하기도 한다.
스테퍼 모터는 다른 모터와 비교해 다음과 같은 장점이 있다.
- 브러시가 없어 수명이 훨씬 더 김.
- 매우 천천히 동작이 가능함. 다른 모터들은 초저속으로 동작하면 큰 문제가 발생하지만[3] 스테퍼 모터는 그 구조상 매우 느린속도로 동작해도 아무런 문제가 발생하지 않는다.
- 시동, 저속 상태에서 강한 토크를 발동이 가능함.
- 구조가 단순한 편에 속해서 신뢰성이 높고 제어하기도 훨씬 간단함. 전원만 넣으면 바로 동작하는 DC모터에 비할 바는 아니지만 BLDC모터와 비교하면 천지차이다.
- 기본적으로 1각씩만 동작하기 때문에 원하는 만큼만 동작시키는것에 있어서 매우 자유롭다.
- 모터 구동중 발생하는 동작 오차율이 매우 적으며 1각씩 동작하는 구조상 이 오차가 누적되어 영향을 줄 가능성이 매우 낮음. 즉 반복작업에 있어서도 높은 신뢰성을 보여준다.
기존 모터 대비 단점은 다음과 같다
- 원형운동이 아닌 1각씩 움직이기 때문에 RPM을 높이려면 매우 빠른 제어가 필요하며 이때문에 고속에서 타 모터 대비 토크등이 떨어지는 모습을 보여준다.
- 소리. 구동중에 위상이 정렬되면서 떨림이 발생하고 이 떨림으로 인해 자극적인 소음이 발생하는데[4] Moppy등은 이 소음을 가지고 제어해서 악기로 만든 사례이다.
3. 활용
특성상 정밀하게 움직여야 하는 많은 기계에 사용되며 대표적인 예시는 출력물의 정밀성이 요구되는 프린터가 있으며 이 외에도 각종 공작기계등에서도 많이 사용된다.
[1]
구체적으로는 다음과 같다. 1회전인 360도를 기준으로 내부 톱니 수만큼 나누고 이를 페이즈 수에 따라 나누면 1스텝의 각이 나온다.
[2]
모터 드라이버는 아니고 그냥 트랜지스터 어레이 IC다. 즉 그냥 전류증폭만 하는 IC로 제어하는 셈.
[3]
DC 모터의 경우 초 저속으로 동작 시에는 한쪽 브러시에 과도한 전류가 흘러 모터에 큰 부담을 주며 반대로 브러시리스 DC 모터는 교류모터에 가까운 특성상 부하가 많은 구동 초기단계에 탈조가 발생해서 자주 멈추기도 한다.
[4]
단순이 "위이이이이잉"거리는 회전음과는 다른 "브으으으으읖" 하는 소음이 발생한다.