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question [Step Motor] 스텝모터를 선정하고 사용할 때 하는 6가지 질문 (1)

스텝 모터를 선정하고 사용할 때 하는 6가지 질문


스탭모터는 포장 장비, 3D 프린터, 재료 핸들링 및 정렬 공정 라인, CNC 기계 등 다양한 용도에서 디지털 방식으로 제어할 수 있는 저비용 고효율 손쉬운 방법을 제공합니다. 또한 많은 회전축과 리니어 축의 중요한 구성요소이기도 합니다.


스테퍼 모터의 비용-성능 이점은 오픈루프 제어방식에서 모터로부터 컨트롤러에 대한 피드백을 받지 않고도 정확하게 위치를 제어할 수 있는 능력이 있습니다.


오픈 루프 스텝핑 시스템의 최적화된 성능의 이점을 얻으려면 응용 프로그램에 스텝 모터를 지정하고 설치하는 방법을 이해해야 합니다.


다음은 초보자도 경험자도 쉽게 할 수 있는 6가지 일반적인 실수입니다.



"스텝 모터의 토크 사양이 내가 실제로 사용해야할 토크 (계산된) 보다 더 높아야 합니다."

애플리케이션에서 하중을 이동하는 데 필요한 토크를 계산한 후 사용자는 두 가지 기준으로 첫 번째 스텝 모터의 홀딩 토크 값 또는 (2) 속도 토크 곡선을 기준으로 스텝 모터를 선택합니다. 하지만 실제 상황에서 모터는 선정 시 예상한 토크량을 보여주지 않을 수도 있습니다.


첫 번째 실수는 스텝 모터를 선정하기 위해 홀딩 토크를 성능 척도로 사용하는 것입니다. 홀딩 토크는 모터가 위치를 유지하고 움직이지 않게 하기 위해 필요한 토크를 의미합니다. 이것은 모터가 움직일 때 발생하는 토크를 의미하진 않습니다. 스텝 모터가 움직이기 시작하면 정격 토크는 몇 rpm만 돌아도 홀딩 토크 값에서 급격히 떨어집니다. 속도가 빨라질수록 토크는 더 떨어집니다. 때문에 홀딩 토크 값만으로 스텝 모터를 선정하지 마십시오. 반드시 속도 토크 곡선을 참조하십시오.





두 번째 실수는 속도-토크 곡선의 의미를 이해하지 못하는 것입니다. 속도-토크 곡선은 스텝 모터가 스톨이 발생하기 전의 토크를 나타낸다. 스텝 모터가 스톨이 발생하면 로터가 스테이터와 동기화되지 않으며 결국 샤프트가 회전을 멈춥니다.


스텝 모터가 계속 작동하고 부하를 이동할 수 있는 충분한 토크를 제공하려면 안전율을 확보하여 속도-토크 곡선을 이용하십시오. 이를 위한 간단한 방법은 게시된 곡선의 약 1/2에서 2/3 높이에서 속도 토크 곡선에 평행한 선(Estimated line)을 상상하는 것입니다. 이 Estimated line은 스텝 모터가 최소한의 정지 위험에서 벗어나 신뢰성 있게 발생할 수 있는 토크의 양을 나타냅니다.


"스테핑 모터가 너무 뜨거우니, 무슨 문제가 있을것이다."


스텝 모터는 고온으로 작동하도록 설계되었다. 스텝 모터에 사용되는 가장 일반적인 절연 등급은 최대 130° C의 작동 정격인 B 등급입니다. 이는 스텝 모터의 표면 온도가 고장이 나기 전에 90° C 이상에 도달할 수 있음을 의미합니다. 이 온도는 사람이 만질 수 있는 온도보다 훨씬 더 뜨겁습니다. 이러한 이유로 스텝 모터를 사람이 만질 수 있는 위치에서 멀리 떨어뜨려 놓으십시오.


스텝 모터는 오픈 루프 제어 시스템에서 사용하기 때문에 고온에서 작동하도록 설계되었습니다. 오픈 루프 스텝 모터는 전류 피드백(또는 속도 또는 위치 피드백) 없이 작동하기 때문에, 필요 토크와 관계없이 드라이브에 의해 공급되는 전류는 일정합니다. 스텝 모터로부터 최대한의 토크를 얻기 위해 제조업체는 B 등급 단열재를 사용합니다. 따라서 전류 정격은 과열 없이 토크 출력을 극대화하도록 설계됩니다. 그 결과 스텝 모터는 고 토크와 더블어 고열도 발생됩니다.


"12볼트 전력 공급 장치를 사용하여 스탭모터에 전원을 공급하고 주행할 수 있는가?"

스텝 모터뿐만 아니라 다른 전기 모터에도 공급 전압은 모터 속도와 직접 관련이 있습니다. 48V가 정격전압인 시스템에 12V를 공급하면 모터는 예상 토크에 도달할 수 없습니다.  시스템에 전압을 높여 공급하면 모터는 더 높은 속도로 회전합니다. 서보 및 DC 모터의 정격 공급 전압은 속도, 토크 및 전력을 포함한 기타 정격 사양에 의해  결정됩니다. 스텝 모터의 지정된 정격 전압은 일반적으로 스텝 모터의 권선 저항과 정격 전류를 곱한 값보다 크지 않습니다. 이것은 홀딩 토크를 계산하는데 유용하지만 스텝 모터가 움직일 때는 추가적으로 고려되어야 할 사항이 있습니다. 모든 전기 모터와 마찬가지로, 샤프트가 움직이기 시작하면 스텝 모터는 Back- EMF(BEMF) 전압이 발생되어 와인딩으로 흐르는 전류를 방해합니다. 그래서 필요한 토크를 얻기 위해서는, 공급 전압이 BEMF보다 훨씬 높아져야 합니다

그렇기 때문에 일정한 공급 전압에서는 속도가 올라갈수록 BEMF는 커지고 커진 BEMF가 전류의 흐름을 방해하여 모터의 토크를 떨어뜨리기 때문에 모터 선정 시 제조사가 제공한 속도-토크 곡선을 반드시 검토해야 합니다.






question [Step Motor] 저속 시 진동 발생 원인 및 대책은?

Step Motor는 ROTOR와 STATOR에 작은 치형(小齒)를 가지기 때문에 정지 시 또는 저속 구동 시에 OVER SHOOT / UNDER SHOOT가 발생합니다.

이것이 출력축에서의 진동으로 나타나게 되며, 속도대별 진동 특성은 아래 그림과 같습니다.




대책


1. 고해상도 엔코더 (upto 20000) 사용


2. Micro-Step (upto 51,200)기능 이용 


3. Smoothing filter를 적용


question [Step Motor] 독립 작동 Stand-Alone Operation

독립 방식에서 인덱서는 호스트 컴퓨터 없이도 작동을 할 수 있습니다.

비휘발성 메모리에 일단 다운로드 되면 모션 프로그램은 키패드 또는 터치스크린과 같은 다양한 유형의 작업자 인터페이스에 의하여 혹은 보조 I/O 입력을 통한 스위치로부터 개시될 수 있습니다.


독립 스텝 모터 제어 시스템은 종종 드라이버와 전원 공급 그리고 스톨 감지 및 정확한 모터 위치 보상이 필요한 Closed Loop 적용분야를 위한 선택적인 인코더 피드백과 함께 제공됩니다.


즉 간단한 단축 제어의 경우 별도의 PLC, 모션카드, PC가 없이도 드라이버에 내장된 컨트롤러 기능으로 모터를 제어할 수 있으며, 비용 절감 효과를 가집니다.


당사 제품군 중 Real Servo 제품들에 해당되며 TSM, TXM, SSDC, SS, RS 제품들입니다.


question [Step Motor] 스텝모터의 위상(Phase)이란? 2상 모터, 3상 모터, 5상 모터

스텝 모터 표준 타입은 2상 모터라고 할 수 있는데, 추가적으로 3상 모터 및 5상 모터가 있습니다. 영어로는 2phase, 3phase, 5phase라고 합니다.


이때 상(phase)은 무엇을 의미하는 것일까요?


단순하게 말하면 모터 내부에 코일이 와인딩(감기)이 되어 있는데 총 몇 개의 코일이 있는 가로 구분합니다.


2상 모터는 2개 코일

3상 모터는 3개 코일

5상 모터는 5개 코일


일반적인 위상에 따른 스텝각 (1펄스의 신호를 받았을때 모터 축이 회전하는 각도)


2상 모터 : 1.8도 (200펄스/1회전)

3상 모터 : 1.2도 (300펄스/1회전)

5상 모터 : 0.72도 (500펄스/1회전)


상기 조건으로 보면 5상 모터가 2상 모터보다는 정밀각도제어가 됩니다.

반대로 2상 모터가 5상 모터보다는 고속운전이 가능합니다.

가격은 5상 모터가 높습니다.


하지만 요즘 드라이버에서 Micro-Stepping 기능이 있어 스텝 각은 더 세밀하게 나눌 수 있습니다.

1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64 ~ 1/256 즉 51200 count/1회전


Moons'의 스텝드라이버 SR(DC), SRAC는 최대 51200count/1회전까지 대응 가능합니다.






question [흥진ATG] 감속기 SET COLLAR의 CLAMP SCREW 체결 시 주의 사항은?

많은 유저분들께서 SET COLLAR의 CLAMP SCREW 체결시 볼 렌치를 사용하고 계십니다.

이는 조금이라도 체결 방향이 어긋날 경우, 혹 무리한 힘을 가한 경우 볼트 내 렌치의 접촉면이 적어지며 볼트의 육각면이 뭉그러질 수 있습니다.

이 경우 사용자의 부주의로 인한 결과이므로 본사에서의 A/S는 불가한 상태입니다.


*주의 사항*

셋트 컬라의 스트류 볼트 체결시 반드시 육각렌치를 사용하여 주시기 바랍니다. (볼 렌치 금지)

question [Step Motor] Holding Torque (홀딩토크)란?

스텝모터는 높은 홀딩토크를 가짐에 따라 다른 종류 모터 대비 정지 상태의 토크가 큽니다.


비젼검사시 흔들림을 최대한 억제 해야하기 떄문에 스텝 모터를 많이 사용 합니다.

 


1.의 위치에서 SHAFT에 외력을 가하면 반대 방향으로 TORQUE가 발생하며 2.위치에 정지 합니다.


3.위치 : 이때 계속 외력을 가하면 발생 TORQUE가 최대가 되는 각도가 있으며 이떄의 힘을 HOLDING TORQUE라고 합니다.


초과하는 힘을 계속적으로 가하면 불안정점 5를 지나 다음 안정점 1의 위치로 이동 후 정지합니다.


안정점


- STATOR와 ROTOR의 소치가 완전히 마주본 위치에서 정지 하고 있는 부분, 외력이 0일 때 이 위치에서 정지합니다.


불안정점


- STATOR와 ROTOR의 소치가 1/2피치 어긋난 부분이며, 외력이 조금이라도 가해지면 좌우의 안정점으로 이동합니다.





question [Step Motor] 스텝각 1.8도의 원리는?

스텝각 1.8도 원리


STATOR TEETH (고정자 잇수) : 48개


ROTOR TEETH (회전자 잇수) : 50개


6-STATOR TEETH*8POLES 고정자는 8개로 분리되었고 분리된고정자에 잇수는 6개 입니다.




회전자 (Rotor)의 총잇수는 50개, 이빨간극  = 360/50 = 7.2도


고정자 (Stator)는 그중에 2개의 이빨을 제거한 (50 - 2 = 48개 / 8그룹 = 6개 이빨)


그럼 7.2도*2 = 14.4도의 각도가 별도로 생깁니다.



6개 이빨로 구성된 독립된 고정자 그룹이 총 8개 있으며 각각 나눠 가지면

14.4도 / 8개 = 1.8도



상기 그럼처럼 붉은색 고정자와 일치하던 회전자가 1.8도 회전하면 초록색 고정자와 일치합니다.


이것을 스텝각도라 표현합니다. (표준 1.8도)





question [Step Motor] 탈조란?

※ 탈조


Stepping Motor는 Stator 권선코일에 순차적으로 전류를 공급받아 회전합니다.

이떄 Rotor가 이를 추종하지 못하여 회전하지 않거나 위치편차가 생기고, 회전음만 발생합니다.



※ 탈조의 원인


1. 운전전류 부족


2. Pull Out Torque 곡선 밖에서 구동하는 경우 (과부하)


3. 허용 자기동 주파수보다 빠르게 구동할 경우


4. 관성부하가 클 경우


<출처 : MC TECH>

question [Step Motor] 스텝모터의 장점은?
    스텝 모터에는 더욱 향상된 성능과 가치를 제공하는 여러 가지 기능이 포함 되어 있습니다. 업그레이드를 통한 평균 20% 토크 증대

1. 다양한 사이즈 : 8, 11, 14, 16, 17, 23, 24, 34, 42
 

2. 2상 모터 & 사이즈 17이상은 UL 인증
 

3. 0.9도 2상 모터 및 3상 모터로 부드럽고 조용한 나은 성능 제공
 

4. PowerPlus 기술: 전속도구간에서 효율성 및 성능 극대화 (최대 30% 토크상승)
 

5. Rotor의 낮은 회전 관성으로 높은 가속성능제공
 

6. 고전압, 고성능 드라이브와 함께 사용할 수 있도록 고전압 절연방식 사용
 

7. 저손실 Stator 사용으로 고속 성능 개선
 

8. 고밀도의 표준 구리선 와인딩으로 높은토크제공
 

9. 광범위한 권선 및 표준 옵션이 포함됩니다.



'



question [Torque] 부하토크 계산은 어떻게 하나요?

부하토크를 계산하기 위해서 장비의 운전방식에 대한 이해가 필요합니다.

운전방식은 총 4가지가 있습니다.


1. 볼스크류 운전

2. 밸트 & 풀리,  체인 & 스프라켓, 랙&피니언 운전

3. 인덱스회전

4. 틸팅 회전


각각의 운전방식에 따른 공식은 아래와 같습니다.


1.볼스크류 운전


T (자중토크)= (9.8 m/sec^2 * 마찰계수 * 자중kg) * 스크류 리드(m) / (2*π)

T (가속토크)= (자중kg * 가속도 m/sec^2) * 스크류 리드(m) / (2*π)

Total Torque = 자중토크 + 가속토크

마찰계수 (수직운전 시 1,  수평운전시 0.1)


2. 밸트 & 풀리 운전


T (자중토크)= (9.8 m/sec^2 * 마찰계수 * 자중kg) * 풀리 PCD(m) / (2*π)

T (가속토크)= (자중kg * 가속도 m/sec^2) * 풀리 PCD(m) / (2*π)

Total Torque = 자중토크 + 가속토크

마찰계수 (수직운전 시 1,  수평운전시 0.1)


3. 인덱스 회전


T (자중토크)= (9.8 m/sec^2 * 마찰계수 * 자중kg) * (무게중심과 회전중심간 거리 (m)

T (관성토크)= (관성모멘트 kg m^2) * 각가속도 (rad/sec^2)

Total Torque = 자중토크 + 관성토크

마찰계수 (수직운전 시 1,  수평운전시 0.1)


4. 틸팅회전


T (자중토크)= (9.8 m/sec^2 * 마찰계수 * 자중kg) * (무게중심과 회전중심간 거리 (m)

T (관성토크)= (관성모멘트 kg m^2) * 각가속도 (rad/sec^2)

Total Torque = 자중토크 + 관성토크

마찰계수 (수직운전 시 1,  수평운전시 0.1)


* 관성모멘트를 계산하는것은 뒤에 따로 설명하겠습니다.

이렇게 계산된값에 안전율 과 효율을 곱한값이 모터의 토크보다 낮게 모터를 선정해야 합니다.

필요에 따라선 감속기를 적용하여 모터토크값을 올릴수 있습니다.