스테핑모터란? Pulse마다 회전하는 원리

스테핑모터란 입력되는 Pulse에 따라 회전자가 일정한 Step Angle만큼 이동하는 모터입니다. 고정자 권선의 여자순서와 Full Step·Half Step·Microstepping의 위치제어 원리를 알아봅니다.

스테핑모터란 무엇이며 어떤 특징이 있을까?

스테핑모터(Stepping Motor 또는 Stepper Motor)는 Driver에서 입력되는 Pulse에 맞춰 Rotor가 일정한 각도씩 단계적으로 회전하도록 설계된 Motor입니다. 일반적인 연속회전 Motor와 달리 한 번의 명령 Pulse가 입력될 때마다 정해진 Step Angle만큼 이동할 수 있어 Position Control에 널리 사용됩니다. 예를 들어 기본 Step Angle이 1.8°인 Motor를 Full Step 방식으로 구동하면 이상적인 명령 기준으로 200 Step이 한 바퀴에 해당합니다. Pulse 수는 이동량, Pulse Frequency는 회전속도, Phase Excitation Sequence는 회전방향을 결정하는 기본요소가 됩니다. 이러한 특성으로 CNC 장비, 3D Printer, XY Stage, 소형 Robot, Printer와 각종 자동화 위치결정장치에 활용됩니다. 특히 Encoder 없이도 입력한 Pulse 수를 기준으로 위치를 명령할 수 있는 Open-loop Control이 가능하다는 장점이 있습니다. 다만 실제 부하가 Motor의 가용 Torque를 초과하면 Step-out 또는 Lost Step이 발생할 수 있으므로 명령 Pulse 수와 실제 위치가 항상 일치한다고 가정해서는 안 됩니다.

Pulse와 고정자 여자순서는 어떻게 회전자를 움직일까?

Stepper Motor의 Stator에는 여러 Phase의 Winding이 배치되어 있으며 Driver는 정해진 순서에 따라 각 권선의 Current를 전환하여 Magnetic Field의 방향을 단계적으로 변화시킵니다. Rotor는 Permanent Magnet, 자성체의 돌극 또는 두 구조의 조합으로 만들어지며 Stator Magnetic Field와 정렬되려는 방향으로 Torque를 받습니다. 예를 들어 2상 Stepper Motor에서는 A상과 B상의 전류방향과 조합을 순차적으로 변경하여 Stator의 합성자계 위치를 이동시킬 수 있습니다. Rotor는 변화하는 자계의 안정된 위치를 따라 이동하면서 한 Step씩 회전합니다. Driver에 Pulse가 계속 입력되면 이러한 과정이 반복되어 연속적인 회전처럼 보이게 됩니다. Pulse Sequence를 반대로 적용하면 합성자계가 이동하는 방향도 바뀌므로 Motor의 회전방향을 반전시킬 수 있습니다. 따라서 Stepper Motor에서 중요한 것은 단순히 Pulse를 Motor 권선에 직접 입력하는 것이 아니라 Controller의 Step·Direction 명령을 Driver가 받아 각 Phase Current를 적절한 순서와 크기로 제어한다는 점입니다.

Full Step·Half Step·Microstepping은 무엇이 다를까?

Stepper Motor의 구동방식에는 Full Step, Half Step과 Microstepping 등이 있습니다. Full Step은 Motor의 기본 Step Angle 단위로 Rotor 위치를 이동시키는 방식입니다. 1.8° Motor라면 한 바퀴에 200개의 Full Step이 필요합니다. Half Step은 Phase Excitation 상태를 추가하여 기본 Step Angle의 절반에 해당하는 명령위치를 만들 수 있으므로 1.8° Motor에서는 0.9° 간격의 Step을 구성할 수 있습니다. Microstepping은 각 Phase Current를 단순한 ON·OFF가 아니라 세밀한 비율로 제어하여 두 Full Step 사이에 여러 개의 중간 전기적 평형위치를 만듭니다. 예를 들어 1/16 Microstep 설정에서는 한 Full Step을 명령상 16개로 세분화할 수 있습니다. Microstepping은 회전을 부드럽게 하고 저속 진동과 소음을 줄이는 데 효과적이지만 Microstep 분할수가 그대로 절대적인 위치정확도 증가를 의미하지는 않습니다. Motor의 Detent Torque, 부하, 마찰, Current Regulation과 기계적인 오차 때문에 실제 Rotor 위치는 이상적인 Microstep 위치와 차이가 날 수 있습니다.

스테핑모터는 속도와 Torque를 어떻게 제어할까?

Stepper Motor에서 기본적인 이동량은 입력 Pulse 수와 관련되고 Speed는 Pulse Frequency에 의해 결정됩니다. 예를 들어 1.8° Full Step Motor에 초당 1,000개의 Step 명령을 공급하면 이상적인 명령속도는 초당 5회전, 즉 약 300rpm에 해당합니다. 하지만 정지상태에서 갑자기 높은 Pulse Frequency를 입력하면 Rotor가 변화하는 Magnetic Field를 따라가지 못해 Lost Step이 발생할 수 있습니다. 따라서 실제 Motion Control에서는 Acceleration과 Deceleration Profile을 사용하여 Pulse Frequency를 점진적으로 증가시키고 감소시킵니다. Stepper Motor는 저속에서 비교적 높은 Holding Torque를 얻을 수 있지만 일반적으로 회전속도가 증가하면 사용할 수 있는 Torque가 감소합니다. Winding Inductance 때문에 고속에서 Phase Current가 명령값까지 충분히 상승할 시간이 짧아지는 것도 중요한 원인입니다. 이러한 이유로 Driver는 Current Regulation과 적절한 Supply Voltage를 이용하여 Motor Current를 제어합니다. 실제 선정에서는 단순한 정격 Torque가 아니라 필요한 Speed 영역의 Torque-Speed Curve를 확인해야 합니다.

스테핑모터를 사용할 때 무엇을 확인해야 할까?

Stepper Motor를 선정할 때는 Step Angle, Rated Current, Phase Resistance와 Inductance, Holding Torque, Rotor Inertia와 Torque-Speed Characteristic을 확인해야 합니다. Driver는 Motor의 Phase Current에 맞춰 설정해야 하며 Full Step·Half Step·Microstep Resolution도 Motion Controller의 Pulse Frequency와 필요한 이동정밀도를 고려해 결정해야 합니다. 부하관성이 크거나 급격한 가감속을 요구하면 Step-out 위험이 증가하므로 적절한 Acceleration Profile과 Torque Margin이 필요합니다. Open-loop System에서는 Motor가 실제로 명령위치에 도달했는지 직접 확인하지 못하기 때문에 중요한 위치결정설비에서는 Home Sensor를 사용해 기준위치를 주기적으로 확인할 수 있습니다. Encoder가 결합된 Closed-loop Stepper System을 사용하여 실제 위치를 Feedback하는 방식도 있습니다. 또한 정지상태에서도 Holding Current가 계속 흐르면 Motor와 Driver에서 열이 발생할 수 있으므로 정지전류 감소기능 등을 활용할 수 있습니다. 결국 스테핑모터는 Pulse와 Phase Current의 순차적인 제어를 이용해 Rotor를 일정한 Step Angle씩 이동시키는 대표적인 디지털 위치제어 Motor입니다.