스테퍼 모터란 무엇인가? 스테퍼 모터에는 어떤 종류가 있는가? 스테퍼 모터를 이용해 어떻게 문제를 해결할 수 있을까? 간단한 질문이지만, 이에 대해 명쾌한 답을 내릴 수 있는 기술자들은 많지 않다. 스테퍼 모터는 현재 다양한 환경에서 사용되고 으며, 그만큼 정확한 지식이 필요하다. Nippon Pulse America에서 명쾌한 설명을 준비했다.
모터에 예상했던 것보다 좀 더 많은 와이어가 달려있는 것을 발견했던 경험이 있는가? 그것이 바로 스테퍼 모터이다. 스테퍼 모터는 일반적으로 그리고 다양하게쓰이고 있다. 활용사례는 당신이 매일 사용하고 있는 제품의 수만큼이나 많다고 해도 과언이 아니다. 손목시계에서 프린터에 이르기까지, IV 펌프부터 가스 펌프까지 광범위하게 사용되고 있는 것. 뿐만 아니라 공작기계, 공정제어시스템, 테이프 드라이브 및 디스크 드라이브 시스템 그리고 프로그래머블 컨트롤러에도 쓰인다.
오늘날 기술자들은 대부분 학교 등의 교육시설에서 모터에 대해 배운다. 하지만 스테퍼 모터의 작동법을 알고 있거나 문제를 해결하고 활용하는 방법을 기억하고 있는 이들은 드물다. 단극(Unipolar)과 양극(Bipolar) 스테퍼 모터의 차이점에 대해서 잘 모르는 경우도 있다. 작동방법에 대해서도 정전류 방식과 정전압 방식을 혼동하곤 한다. 왜 24V를 공급하고 있는데 5V 모터를 사용해야 할까?
하지만 언짢아하지는 말기를. 이 문제에 대해 제대로 이해하지 못하고 있는 엔지니어들이 상당히 많다. 따라서 이 문서에서는 스테퍼 모터의 대략적 개요에 대해 다룬다. 스테퍼 모터란 무엇이며, 어떻게 작동하는지를 서술한다. 또한 문제를 해결하는 방법에 대해서도 간략히 기술한다.
스테퍼 모터의 정의와 작동 방식
스테퍼 모터 혹은 스테핑 모터는 전자 펄스를 기계적 운동으로 전환한다. 각각의 전자 펄스 ‘스텝’이 샤프트를 어떤 각도로 회전하게 만든다(이를 스텝 앵글Step Angle이라 한다). 따라서 스테퍼 모터는 개회로 응용프로그램에서도 작동한다. 어떤 피드백도 필요 없이 일정한 거리를 일정한 속도로 이동 및 전달(Told)할 수 있음 의미한다.
스테퍼 모터의 다른 특징은 홀딩 토크(Holding Torque, 자기유지력)를 무기한 유지할 수 있다는 점이다. 회전자가 모터의 권선을 다 태워먹어 멈추기 전까지 자기유지력은 멈추지 않는다. 스테퍼 모터가 한 고정자 권선에 적용되어 안정적으로 DC 신호를 유지할 경우, 회전자는 잔류 토크를 무시하고 고정자 필드를 일렬로 세운다. 자기유지력이란 고정자에 동력을 공급해 회전자 작동을 실현하기 위해 필요한 토크의 양을 의미한다. 권선에 아무런 전력도 공급되지 않는 경우 영구자석과 고정자 사이에 작은 자력이 생겨난다. 이 자력을 잔류 토크 혹은 멈춤 토크라고 한다. 멈춤 토크는 스테퍼 모터를 수동으로 구동할 때 발견할 수 있으며, 일반적으로 홀딩 토크의 십분의 일에 불과하다.
스테퍼 모터는 어떻게 작동할까? 전형적인 1상 단계 시퀀스를 2상 모터에서 구동하는 방법은 총 4단계로 나뉜다. 이를 단계별로 살펴보자.
1단계를 보면, 우선 Phase A에서 2상 고정자(Two-Phase Stator)가 동력을 공급한다. 이후 로터에 자기잠금장치가 적용되는데, 이는 두 장치 사이에 서로 다른 극이 작용하기 때문이다. Phase A가 작동을 멈추고 Phase B가 작동하면 회전자가 시계방향으로 90° 회전한다.
3단계를 보면, Phase B가 작동을 멈추고 Phase A가 다시 작동한다. 하지만 1단계와 역극성(逆極性, Polarity Reversed)을 띤다. 이는 회전자가 또다시 90° 회전하기 때문이다. 마찬가지로 4단계에서도 Phase A가 작동을 멈추고 Phase B가 작동하지만 2단계와 역극성 관계를 보인다. 이 역시 회전자가 시계방향으로 90° 회전하는 것을 반복하기 때문이다.
스테퍼 모터의 종류
스테퍼 모터에는 총 세 가지 종류가 있다. 영구자석(Permanent-Magnet, PM) 방식과 가변 릴럭턴스(Variable Reluctance, VR) 그리고 하이브리드가 그것이다. 영구자석 스테퍼 모터는 영구자석 로터와 전자기장이 서로 반응하는 방식으로 작동한다. 주로 Tin Can 혹은 Claw-Tooth 타입이 쓰이고 있다.
Tin Can 스테퍼는 회전자 축이 자석으로 둘러싸여있다. 로터 샤프트 주변에 자석이 둘러져있는 것. 여기에는 이(Teeth)가 없다. 또한 고정자는 와이어 권선 코일로 인해 일련의 극성을 띠고 있다. 모터에 전원이 공급되지 않는다 하더라도 자력으로 인해 회전자가 저항 움직임을 띨 수 있다. 영구자석 스텝 모터는 저 비용·저 전력을 필요로 하는 사례에 많이 쓰이고 있다. 자동판매기 안에 있는 지폐공급기 및 잔돈공급기가 대표적이다.
가변 릴럭턴스 스테퍼 모터와 영구자석 방식 스테퍼 모터의 가장 근본적인 차이점은 바로 잔류 토크다. 영구자석 회전자가 없기 때문에 일정한 위치에서 작동을 멈출 때 회전자를 유지하기 위한 잔류 토크가 발생하지 않는 것. 가변 릴럭턴스 스테퍼 모터는 자기저항 최소화라는 원칙을 따른다. 인가한 자기장의 경로를 따라 발생하는 자기저항을 줄이는 것이 목적이다.
가변 릴럭턴스 스테퍼 모터는 1920년대 영국에서 주로 쓰였다. 당시 영국 군함에 부착된 수뢰 발사관 및 총기류에 쓰이는 방향지시기 등 계기판에 부착한 것. 얼마 지나지 않아 미 해군 역시 비슷한 목적으로 가변 릴럭턴스 스테퍼 모터를 도입했다.
하이브리드 스텝 모터는 연철(Soft Iron)을 두 개 장착했다. 이 연철이 축 방향으로 회전하는 라운드 모터로 이루어져있다. 하이브리드(혼종)라는 이름에서 알 수 있듯, 이 모터는 영구자석 스테퍼 모터와 가변 릴럭턴스 스테퍼 모터를 서로 결합했다.
하이브리드 모터의 핵심 구조는 가변 릴럭턴스와 흡사하다. 하지만 한 상을 구축하고 있는 두 코일 중 하나만이 극에 감겨있는 가변 릴럭턴스 모터와 달리 하이브리드 모터는 한 극에 감겨있는 코일이 서로 다른 두 상을 구축한다. 극에 감긴 두 코일은 감겨있는 방법 및 배치 또한 독특한데, ‘Bifolar Connection’이라고 부르는 방식으로 두 가닥으로 감겨 연결된다.
하이브리드 모터의 각 극에는 연철로 만든 이가 균일한 간격으로 메워져있다. 각 극에 부착되어있는 이는 두 부분으로 나뉘어있으며, 각각 반으로 나뉜 이는 어긋난 형태로 되어있어 딱 맞아떨어지지 않는다.
하이브리드 모터는 고정자가 자기장을 생성하고, 이 자기장이 영구자석과 상호작용을 일으키는 방식으로 토크를 생성한다. 대부분의 하이브리드 스테퍼 모터는 NEMA 규격을 준수한다.
스테퍼 권선은 양극(Bipolar) 및 단극(Unipolar)의 두 종류가 있다. 권선 형태마다 각기 다른 장점이 있다.
2상 스테핑 시퀀스는 초기에 활용하던 ‘바이폴라 코일 와인딩’ 기술을 활용한다. 각 상은 단일 권선으로 구성되어있다. 이 구성은 양극성 권선에 적용되어있는데, 전류 흐름 과정이 코일과 반대되기 때문이다. 권선에 흐르는 전류를 반전시켜 전자기 극성 역시 반전하는 효과를 꾀하는 것.
다른 일반적 권선은 단선 권선으로, 4상 스테퍼라고 부르는 구조다. 이는 두 개의 권선이 서로 같은 방식으로 연결되어있는데, 이 중 한 권선에 동력을 공급하면 노스 폴(North Pole)이, 다른 한 권선에 동력을 공급하면 사우스 폴(South Pole)이 생성된다. 이를 단선 혹은 단극 권선이라고 하는데, 전류 흐름 등 드라이브에서 코일로 전달하는 전자 극성이 결코 반전되지 않기 때문이다.
스테퍼 모터 점검 작업 중에 모터에 이상이 생길 수 있다. 일반적으로 네 가지 주요 원인이 있다. ▲폭주(전소) ▲브러시 품질 저하 ▲베어링 품질 저하 ▲작업자의 실수로 인한 고장 등이 그것이다. 스테퍼 모터에 있어 이들 문제를 어떻게 해결할 수 있는지 살펴본다.
1. 과열(모터가 불에 탐)
스테퍼 모터가 가지고 있는 중요한 특성 중 하나는 회전자가 멈추었을 때 홀딩 토크를 무기한으로 유지할 수 있다는 것이다. 스테퍼 모터는 스톨 아웃(일종의 지연 현상을 의미. 역자 주) 상태에 접어들더라도 일반적인 AC 혹은 DC 모터처럼 과열하지 않는다.
모터가 과열하는 경우 일반적으로 드라이버에 문제가 있음을 의미한다. 이 경우 단순히 모터를 교체하는 것만으로는 만족스러운 해결수단이 될 수 없다. 모터가 다시 타버리는 결과를 맞이할 것이 빤하기 때문이다. 따라서 드라이버를 교체하는 것이 바람직하다. 물론 드라이버가 아닌 스테퍼 모터 자체에 문제가 있을 수도 있지만, 그 가능성은 극히 희박하다.
2. 브러시 품질 저하
스테퍼 모터에는 브러시가 없다. 따라서 스테퍼 모터를 사용하면 이러한 걱정이 없다.
3. 베어링 품질 저하
모터의 온도가 베어링 수명을 결정한다. 모터에 냉각제가 장착되어있거나 온도가 낮은 곳에 있으면 베어링이 오래 버틸 수 있는 것. 물론 부지불식간에 베어링 상태가 나빠질 수도 있지만, 이 역시 흔한 경우는 아니다. 현재 가장 가격이 저렴한 모터에 장착되는 베어링은 3천 시간 이상, 최고급 품질 모터는 9천 시간에서 1만 시간동안 품질 평가를 시행하고 있다.
4. 작업자의 실수로 인한 고장
사실상 이것이 스테퍼 모터가 문제를 일으키는 가장 큰 원인이다. 스테퍼 모터를 활용하고자 한다면, 사용자는 모터 사용에 주의해야 한다. 물론 중국산 제품처럼 세심한 주의를 기울일 필요는 없지만, 일단 제품이 망가지면 개인이 망치를 들고 수리할 수는 없는 노릇이니 말이다. 가장 가격이 저렴한 모터는 접착제를 사용해 샤프트와 로터를 잇지만, 고품질 스테퍼 모터는 접착제와 함께 홈(Groove)을 이용한다.
점검
모터를 직접 점검하기 원한다면 우선 저항계를 챙겨야 한다. 저항계를 사용하면 과열로 인해 권선이 탔는지 여부는 물론이고 어떤 종류의 스테퍼 모터를 활용하고 있는지 알 수 있다(아마 양극 혹은 단극 모터를 가지고 있을 것이다). 양극 모터는 언제나 4개의 리드를 가지고 있다. 반면 단극 모터는 5 내지 6개의 리드를 가지고 있다. 만약 리드가 5개라면 일반적으로 두 선이 연결되어있을 것이다. 간혹 6개의 리드를 가지고 있는 모터도 있다. 이런 모터는 단극과 양극 어느 쪽으로든 배선할 수 있다. 저항계를 사용하면 권선의 저항을 확인할 수 있다.
양극 모터는 양 권선의 저항이 양방향으로 동일해야 한다. 단극 모터 권선은 각 단계마다 발생하는 저항이 양방향으로 동일해야 한다. 저항계로 모터를 확인했다면, 이제 9V 배터리를 사용할 차례다. 9V 배터리를 통해 모터의 속도 등을 점검할 수 있다. 모터 권선 상태가 좋은지 확인할 수 있는 방법이기도 하다.
베어링 상태가 나쁜지를 확인하고자 한다면, 수동으로 모터를 작동시켜보면 된다. 영구자석 스테퍼 모터 및 하이브리드 스테퍼 모터는 멈춤 토크를 조금씩 가지고 있다. 정확히 말하면 영구자석 모터가 하이브리드 모터보다 조금 더 많은 멈춤 토크를 가지고 있다. 만약 스테퍼 모터가 멈춤 토크에 도달하면 그 반응이 크게 과장될 것이다.
여기서 주의해야 할 점은, 몇몇 기술자들이 질 나쁜 베어링과 연결하는 실수를 저지른다는 점이다. 베어링 상태가 불량하다면 모터에 축 방향으로 유격이 생긴다. 이 부분을 점검하면 정상적인 모터인지 아닌지를 알 수 있다.
많은 사람들이 모터를 교체할 때 전선의 색상 코드가 무엇인지 걱정하고는 한다. 이때는 권선이 여러 전자석들의 조합으로 이루어져있다는 것을 기억하면 간단하다. 따라서 권선을 올바르게 짝지어주기만 하면(1상과 2상을 함께, 2상과 4상을 함께 짝짓는 것을 말한다), 최소한 모터를 작동시킬 때 거꾸로 동작하는 상황은 피할 수 있다. 각 상에 해당하는 권선을 섞지 않는 것에 주의하자(1과 3, 2와 4상이다).
