글 Jeremy Cook
스테퍼 모터는 가장 기본적으로 정밀하게 제어된 순서에 따라 코일에 전원을 공급하여 정확한 움직임을 만듭니다. 그러나 스테퍼 모터가 근본적인 수준에서 어떻게 작동하는지에 대한 질문은 이해하기 어려울 수 있습니다. 단순화된 스테퍼 작동에 대해 설명하고 NEMA17 양극 스테퍼 모터를 분해하여 실제로 이러한 개념을 자세히 알아보겠습니다.
스테퍼 모터는 어떻게 작동할까요?: 단순화된 모터 그림
단순화된 양극 스테퍼 모터의 경우, 두 전자석 세트는 각각 H-브릿지에 의해 제어됩니다. 이를 통해 아래와 같이 회전자의 영구 자석 극을 밀어내거나 끌어당기기 위해 즉석에서 극성을 전환할 수 있습니다.
또 다른 변형은 전원이 공급된 코일과 정렬되는 비자화 코어를 사용하는 가변 자기 저항 모터입니다. 많은 스테퍼는 다섯 개 이상의 코일을 사용합니다.
이 그림에서 B와 B1이 연결되어 B이 통전되면 마그네틱 S극으로 작용하고 B1이 N극으로 작용하여 회전자 위치를 제자리로 뒤집습니다. 다음으로, A1은 회전자의 N극을 끌어당기기 위해 S극으로 통전되고, A는 N극으로 통전되어 마그네틱의 N극을 끌어당깁니다. 이 작업은 아래 패턴에 설명된 대로 계속됩니다. 이 단일 코일 패턴을 그래프로 표시하면 패턴이 파형과 유사하며 흔히 "파형 드라이브" 시퀀스라고 합니다.
시계 방향 패턴(다시 시작)
| N극: | B1 | A | B | A1 | (A) |
| S극: | B | A1 | B1 | A | (B) |
스텝 분해능이 90º인 이 모터는 매우 거친 스테퍼 모터입니다. 이를 달성하는 또 다른 방법은 N극과 S극이 순차적으로 나란히 정렬되도록 네 개의 코일에 동시에 전원을 공급하는 것입니다. 영구 마그네틱 회전자는 활성 전자석 사이의 결합된 자기력의 중심을 가리킵니다. 이 전체 코일 작동은 단일 코일 드라이브 설정보다 더 많은 토크를 생성하지만 완전히 통전될 경우 두 배의 전력이 필요합니다.
시계 방향 순서는 다음과 같습니다.
시계 방향 패턴(다시 시작)
| N극: | A1-B1 | B1-A | A-B | B-A1 | (A1-B1) |
| S극: | A-B | B-A1 | A1-B1 | B1-A | (A-B) |
여전히 90°C의 전체 단계로 이동하고 있지만, 두 가지 옵션을 모두 갖추면 4단계 대신 8단계로 두 단계를 상호 배치할 수 있습니다. 이를 하프 스테핑이라고 하며 아래 그림에 나와 있습니다.
더 긴 시퀀스는 여기 나와 있지 않지만 유사한 진행 단계를 따릅니다. 특히, 제시된 패턴은 시계 반대 방향으로 진행되도록 반전시킬 수도 있습니다.
마지막으로 마이크로 스테핑을 통해 다중 자석 설정을 더욱 확장할 수 있습니다. 이 구성에서 각 극은 아날로그 사인 곡선 패턴으로 점차 전원을 공급받으며, 이러한 8개의 개별 단계를 16, 32 및 잠재적으로 더 작은 증분으로 더 세분화할 수 있습니다.
NEMA 17: 회전당 200스텝
위에서 설명한 간단한 마그네틱 배열 외에도 일반적으로 사용 가능한 NEMA17 스테퍼 모터는 회전당 200개의 개별 풀 스텝을 갖추고 있습니다. 단일 스텝 분해능은 한 스텝당 1.8º(360º/200)입니다. 일반적인 NEMA17 스테퍼는 원주 둘레에 8개의 코일이 엇갈려 있지만, 위 그림에 표시된 것과 같은 종류의 A, A1, B, B1 패턴으로 작동합니다.
모터 내부에는 회전자 자석이 N극과 S극을 축 방향으로 정렬하고 있으며, 각 끝에는 50개의 톱니 모양의 강철 캡이 있어 하이브리드 영구 자석/변수 저항 작동을 가능하게 합니다. 톱니형 강철 캡 톱니의 각 세트는 반대편의 극성 회전자 톱니로 엇갈려 있으며, 이 회전자는 회전당 200단계를 허용합니다.
하프 스테핑을 사용하면 0.9º의 분해능을 달성할 수 있는 반면, 마이크로 스테핑은 이러한 분할을 더욱 증가시킬 수 있습니다. 대부분 스테퍼 모터가 생산 후 100달러 미만으로 판매되는 경우를 고려하면, 이는 놀라운 혁신입니다.
NEMA 17 스테퍼: 자세한 분석을 위해 분해
NEMA17 스테퍼는 쉽게 분해할 수 있습니다. 모터 뒷면의 볼트를 풀고 샤프트를 테이블이나 다른 단단한 표면에 두드립니다. 파손될 위험이 있으나 저렴한 장치를 분해하는 일은 목적 달성을 위한 가치가 있는 일이었습니다. 한 단계 더 나아가 작동 방법을 보기 위해 인클로저 상단에 구멍을 뚫었습니다.
아래 첫 번째 이미지에서 스테퍼의 주요 부분을 볼 수 있습니다. 왼쪽의 하단 섹션은 보기 위해 수정하였습니다. 회전자는 중간에 있으며, 앞서 다룬 오프셋 돌출부와 원활한 작동을 위해 상단과 하단에 베어링이 있습니다. 주요 전자석 섹션은 우측에 있으며, 8개의 코일과 수직 마그네틱 톱니 돌출부가 회전자를 순차적으로 끌어당기고 밀어내는 데 사용됩니다. 우측 하단의 웨이브 스프링은 회전자를 단단히 고정하고, 그 너머로 물체를 고정하는 몇 개의 스크류가 부분적으로 가려져 있습니다.
다음 두 이미지는 뒤집힌 소형 디스크 자석으로 극성을 나타내며, 로터를 더 자세히 보여 줍니다. 그 다음은 코일과 돌출부가 있는 고정자의 근접 촬영입니다.
모든 것을 (다시) 종합해 보면, 다음 이미지는 회전자와 코일이 정렬된 절단면을 표시합니다. Arduino Uno 및 모터 실드는 L293D 드라이버 칩을 사용하여 순차적으로 스테퍼를 활성화합니다. 이러한 칩은 코일이 어느 방향으로든 통전될 수 있도록 두 개의 H-브리지 회로를 구현하기 때문에 특히 스테퍼 사용에 적합합니다.
L293D 모터 실드는 수정된 스테퍼에 연결되어 Adafruit의 모터 실드 테스트 코드의 수정된 버전을 실행합니다(기본값 48 대신 회전당 200스텝, 느린 속도). LED는 코일 출력을 가로질러 부착되었으며, 한 방향은 빨간색이고 다른 방향은 파란색이었습니다. 이렇게 하면 빨간색이 한쪽 코일 방향에 켜지고 파란색이 반대 방향에 켜집니다. 네 가지 스테핑 패턴을 거치면서 전류 흐름이 다음과 같이 잘 시각화됩니다.
양극 스테퍼 모터: 유용한 모터 제어
결국 적절한 드라이버와 소프트웨어가 정상적으로 작동하는 것처럼 스테퍼 모터의 내부는 전혀 고려하지 않아도 될 것입니다. 또한 이 기사를 통해 이런 놀라운 장치가 어떤 식으로 작동하는지에 대한 통찰력을 얻으셨기를 바랍니다. 사용 시 몇 가지 제한이 있지만(예: 서보처럼 내장된 피드백이 없음), 스테퍼는 흔히 정밀한 회전 제어를 위한 훌륭한 선택이 될 수 있습니다.
순 거리가 아닌 속도에 따라 피드백과 조정이 필요한 경우, PID 제어 설정을 구현하는 방법에 대한 기사를 참조하십시오.