2상 스테핑모터와 5상 스테핑 모터의 차이

 

 

2상 스테핑 모터와 5상 스테핑 모터의 차이

스테핑 모터에서 2상과 5상은 여러 가지 공통점을 갖고 있다. 그러나 차이점은 분명히 드러난다. 2상 스테핑 모터는 보다 빠른 균형을 갖는 반면에 5상 스테핑 모터는 보다 작은 진동을 갖는다.

 

그렇다면 어떠한 스테핑 모터를 선택하는 것이 좋을까? 여기에서는 기능과 성능에 따라 2상과 5상 스테핑 모터의 장단점을 살펴보고 효율적인 스테핑 모터를 선택하는 그 기준에 대해 알아본다.

자료제공·INA, Oriental Motor

 

스테핑 모터의 구조와 드라이브의 배합이 스텝 각을 결정하며, 이것은 스테핑 모터가 특수한 적용환경에서 어떻게 구동하는지를 결정한다. 가장 일반적인 레졸루션(Resolution: 분해능)은 1.8도, 즉 회전당 200스텝(step/rev: 회전당 스텝 수)이지만, 90도의 범위인 회전당 4스텝(step/rev)까지 가질 수 있다.

5상 스테핑 모터는 2상 스테핑 모터 보다 작은 스텝 각을 가지기 때문에 높은 레졸루션과 높은 가속 및 감속율을 제공하며, 오버슈팅(Overshooting)과 언더슈팅(Undershooting)에 의한 탈동기성이 보다 적게 존재한다.
높은 정밀도와 저소음을 요구하는 환경에서는 5상 스테핑 모터가 선호되지만 스텝 각의 비율로 봤을 때는 2상 스테핑 모터가 보다 좋은 정확도를 갖는다. 2상 스테핑 모터는 또한 보다 저렴한 드라이버를 적용할 수 있으며, 고진동, 저토크 및 저속 환경에서 보다 좋은 대안이 될 수 있다.
 
핵심적인 구조 차이
2상과 5상 스테핑 모터의 주요한 한가지 차이점은 스테핑 모터의 구조에 있다. 모든 스테핑 모터는 스테이터(Stator)와 로터(Rotor)로 이루어지며, 로터는 2개의 컵(Cup)과 영구자석으로 이루어져 있다. 2상 스테핑 모터에서는 작은 치(Teeth)를 가진 8개의 자극(Magnetic Pole)이 스테이터를 구성하는 반면, 5상 스테핑 모터에서는 10개의 자극이 스테이터를 구성한다.
2상과 5상의 두번째 주요 차이점은 상(Phase)의 수에 기인하는 전기적인 특성이다. 이름에서 암시하듯이 2상 모터는 2개의 상, 즉 ‘A’와 ‘B’를 가지며, 5상 모터는 5개의 상을 가진다. 상의 수는 로터를 당기기 위해 활성화되는 극(Pole)의 조합을 나타낸다.

레졸루션(분해능)

5상 모터는 10극(상 당 2극)을 가지며, 로터는 다음 상에 정렬되기 위해서 치 피치(Tooth Pitch)의 1/10만큼만 이동한다. 반면 2상 모터는 8극(상 당 4극)을 지니며, 각각의 상으로 치 피치의 1/4만큼 이동한다. 이러한 특성은 2상 모터가 1회전 당 200번의 스텝을(스텝 당 1.8도) 가지도록, 5상 모터가 1회전 당 500번의 스텝을(스텝 당 0.72도) 가지도록 한다.
5상 모터의 증가된 레졸루션은 그 고유한 디자인에 기인한다. 5상 스테핑 모터가 마이크로스텝  드라이버와 같이 사용될 때는 0.00288도 만큼의 작은 스텝 각을 가질 수 있으며, 위치 정확도(Position Accuracy)와 반복성(Repeatability)은 모터의 기계적 정확도에 달려있다. 2상 및 5상 모터의 기계적 정확도는 모두 ±3분(Arc Minutes), 즉 0.05도이다.

 

진 동

작은 스텝 각 때문에 5상 모터는 2상 모터에 비해서 보다 작은 진동 특성을 지닌다. 더블-샤프트(Double-Shaft) 모터에 제너레이터(Generator)가 붙어있다고 생각해 보자. 모터가 더 많이 진동하면 할수록, 전압은 보다 크게 발생된다.
모터의 진동은 의도한 위치로 안정화되기 전, 그 위치로 언더슈팅되거나 오버슈팅되기 때문에 발생한다. 2상 모터는 5상 모터보다 2.5배나 많은 스텝을 지니므로 그 오버슈팅이나 언더슈팅이 5상 모터보다 현저히 크게 된다. 그러므로 진동 때문에 5상 모터가 동기성을 잃을 가능성은 2상 모터에 비해 훨씬 적게 된다.

토 크(Torque)

2상 및 5상 모터의 출력 토크의 차이는 미미하지만 5상 모터가 보다 많은 ‘유용한’ 토크를 가진다. 해프(Half) 또는 마이크로스텝 5상 모터는 추가적으로 상을 활성화함으로써 10%까지 토크를 증가시킬 수 있다.
스테이터 활성화는 로터의 자속(Magnetic Flux)을 당기는 전자석을 발생시키며, 자속은 법선(Normal) 및 접선(Tangential) 벡터로 유입되어, 법선(탄젠트) 성분이 존재할 때, 토크를 발생시킨다.
각 상은 모터 전체 출력 토크에 사인 모양의 토크 전치(Displacement) 원인이 된다. 피크(Peak)와 밸리(Valley) 사이의 차이가 ‘토크 리플’이 되며, 이것은 진동의 원인이 된다.
2상 모터에 비해, 5상 모터에서의 추가적인 상은 전반적인 토크 리플을 감소시킨다. 5상 모터의 보다 적은 토크 리플, 즉 보다 적은 진동 특성은 2상보다 부드러운 움직임을 가지게 한다.

정확도 및 반복성
정확도는 2가지 구성요소, 즉 전기적 특성 및 기계적 특성에서 구체화된다. 비대칭적인 상(Out-of-Balance Phase)은 전기적 에러의 원인이 된다. 예를 들어, 10W의 모터가 ±10%의 권선 저항(Winding Resistance)을 갖는다고 하면, 한 상은 9.2W, 그리고 다른 상은 10.6W를 가질 수 있다. 이러한 차이는 로터가 하나의 상에 더 정렬하도록 하는 원인이 된다.
치의 배열(Tooth Configuration)도 기계적 에러의 주요원인이 된다. 모터의 치는 정사각 모양이지만, 압인과 마모에 의해서 몇몇 부분(즉, 치의 부분)이 둥글게 될 수 있다.
이러한 현상이 발생하면, 자속은 더 이상 직선으로 흐르지 않고, 공극(Airgap) 사이로 흐르게 되어, 하나의 치에 수렴하는 대신, 다른 치로 벗어나게 되어 각도 오차가 발생하게 된다.
신뢰도에 관해서는 풀 스텝 인 경우, 2상 모터는 매 4번째 스텝을 반복하며, 5상 모터는 매 10번째 스텝을 반복한다. 즉, 2상 모터에서는 매 4번째 스텝이 상 불균형을 무효로 하는 반면, 5상 모터에서는 매 10번째 스텝이 상 불균형을 무효로 한다.
2상 모터는 회전당 200스텝을 움직여 거의 완전한 200스텝을 가지게 되며, 5상 모터는 회전당 500스텝을 만들기 때문에 거의 완전한 500 스텝을 가지게 된다.

동기성

5상 스테핑 모터는 스텝 당 0.72도(°/step)를 이동하므로, 오버슈팅이나 언더슈팅에 따른 미스-스텝의 가능성이 적다. 로터의 치가 스테이터 치에 정렬되지 않을 때, 모터는 동기성을 잃거나 미스-스텝을 일으킨다.
이것은 3.6° 이상에 의한 오버슈팅나 언더슈팅의 결과이다. 이 각도는 자력에 끌린 로터 치가 적절히 정렬하기 위해서 스테이터 치 사이의 중간에 멈춰야 하기 때문에 중요하다(로터 치 사이의 7.2°를 2로 나누면 3.6°가 된다).
그러므로 로터가 오버슈팅 할 때, 다음 치는 한 스텝을 넘어서 그 자리에 정렬하게 된다. 반대로 로터가 언더슈팅 할 때는 현재의 치가 스테이터 치와 정렬되어 회전하지 않아 한 스텝을 놓치게 된다.

유용한 토크 정의

홀딩 토크
정격 전류가 권선에 흐를 때, 모터 정지 시, 발생되는 토크 양

시작/정지 영역
모터가 구동, 정지하거나, 그 역으로 즉각 작동할 수 있는 값

풀인 토크
모터가 입력 펄스에 동기되어 구동, 정지하거나, 그 역으로 즉각 작동할 수 있는 토크와 스피드 값

풀아웃 토크
입력 상에 동기되어 모터가 구동할 수 있는 토크와 스피드 값; 모터가 스톨 없이 발생할 수 있는 최대 값

최대 스타팅 속도
모터가 무부하 시, 스타트할 수 있는 최대 속도

최대 구동 속도
모터가 무부하 시, 구동할 수 있는 최대 속도

스테핑 모터의 종류와 특징에 대해 자세히 알아보기

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