아두이노 강좌 #31 Step Stepper Motor 내부 구조 동작 원리

Step Stepper Motor 내부 구조 동작 원리

스텝모터 내부 구조와 동작 원리

지난 포스트에서 소개한 Servo Motor 는 각도 또는 위치를 제어하기 위해 사용됩니다. 이번 포스트에서 소개하는 Step 또는 Stepper Motor 는 서보모터 처럼 회전각이 정해 지지 않고 계속 돌아가는 방식의 모터입니다. 단순히 돌아가는 모터는 아니고, 한봐퀴를 많은 수의 스탭으로 정밀하게 제어할 수 있어 정밀하게 위치 제어가 중요한 장비에 주로 사용됩니다. 본 포스트에서는 이

스탭 모터의 내부 구조와 동작 원리

를 간단히 설명합니다.

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Step Motor 설명 범위

자세한 Step Motor의 내부 구조와 동작 원리는 추후 따로 HW만 다루는 포스트를 작성할 예정입니다. 스텝 모터에 대해 설명하기 위해는 (저도 잘 모르긴 하지만..) 포스트를 몇번이나 써야 할지 모르겠지만, 아두이노에서 STEP 모터를 사용하기 위한 기본적인 내용만 다루겠습니다. 아두이노에서 제공되는 라이브러리를 사용하면 내부 구조와 원리를 몰라도 사용하는데 지장이 없습니다. 혹시 설명이 부족해서 이해가 어려워도 걱정 안 하셔도 됩니다. 

Step Motor 의 Step 제어

Step 모터의 주요한 특징은 한 여러 스텝으로 나누어 제어를 할 수 있습니다. 그 스텝이라는 것이 1봐퀴당 100번 이 될 수도 있고, 1000번이 될 수도 있습니다. 즉 스텝이 많을 수록 더 세밀하게 제어가 가능합니다. 그래서 Step Motor 또는 Stepper Motor 라고 부릅니다. Step 모터의 내부를 이해하기 전에 아래와 같이 나침반이 있다고 정을 해봅시다. 나침반은 내가 있는 위치에서 북쪽을 알려 주어 방향을 재대로 알 수 있습니다. 그 원리는 나침반의 지침은 자성 물질로 지구 자기장의 방향에 맞게 정렬 하기 때문입니다. 그런데, 나침반 주위에 자석을 가져가게 되면 이 나침반의 지침은 자석을 향하게 됩니다. 그 뿐만 아니라 이 자석을 나침반 주위에서 요리 조리 흔들면 나침반의 지침은 자석에 따라 요리 조리 움직이게 됩니다.

나침반과 자석

Step Motor 의 중심부에는 나침반의 지침과 같은 자석 물질로 만들어 져있습니다. 아래 그림의 왼쪽 그림은 Step Motor 의 중심부와 중심부를 감싸는 구조물을 분리한 그림입니다. 모터의 중심부는 자성 물질로 만들어 져있고, 깔끔한 원기둥 형태가 아닌 톱니봐퀴 같이 돌기가 있는 것이 포인트입니다. 우측 그림은 스텝 모터의 단면을 간단하게 도식화한 그림인데 모터 중심부는 돌기가 있는 톱니봐퀴 모향의 원형 그리고 4개의 기둥 같은 것이 그 주위를 감싸고 있습니다. 이 기둥 같이 생긴 구조물 또한 돌기가 있는 것이 포인트입니다.

스텝 모터 내부 구조

위 그림에서 보이는 것처럼, 모터를 감싸고 있는 구조체는 전선이 감겨 있습니다. 이 전선에 전류를 흘리게 되면 전류가 흐른 기둥은 자석과 같은 역할을 하게 됩니다. 이렇게 동작하는 것을 전자석(전기로 자석을 만듦)이라고 합니다. 이제 저런 기둥을 스테이더(Stator) 란 용어로 부르고, 모터의 돌아가는 중심축을 로터(Rotor) 라고 부르겠습니다.

스페이더와 로터는 모두 돌기 같이 뽀죡하게 생겼습니다. 제가 저작권이 없는 적당한 사진을 찾지 못했지만, 초등학생 때 자석에 철가루를 뿌리는 실험 같은 것을 하면(요즘엔 안하는가..) 철가루가 자석의 모서리에 많이 붙는 것을 알 수 있습니다. 자석의 특징은 또는 자성을 가지고 있는 물체가 자기력이 가장 강하게 발생하는 곳이 그 물체의 모서리 부분이기 때문입니다. 위 그림에서 4번 스테이더의 코일에 전류를 흐르게 하면 4번 스테이더의 돌기와 로터의 돌기가 정렬하게 됩니다. 마치 앞서 얘기한 나침반 주위에 자석을 가져다 놓은 것처럼 움직입니다.

아래 그림은 각 스테이더에 전류를 흘리면서 내부 자석과 같은 로터가 어떻게 회전을 하는지 보여주는 그림입니다. 이해가 될 수 있게 단순화해서 그렸습니다. 1번 스테이더에 전류를 흘리면 자석은 1번 스테이더에 정렬 하고, 1,2번 스테이더에 동시에 전류를 흘리면 1번과 2번 스테이더 중심에 자석이 정렬을 하고 이후 2번 스테이더에 전류를 흘리면 자석은 2번 스테이더에 정렬을 합니다. 이런식으로 순차적으로 로터를 회전 시킬 수 있습니다.

스텝모터가 회전 하는 방법

Step 제어 방식

스테이더에 전류를 가하는 방식에 따라 다양한 Step 제어 방식이 있습니다. 스테이터에 감겨있는 코일에 전류를 인가하여 스테이터를 자석처럼 만드는 것을 여자(Excitation) 이라고 합니다. 대표적으로 아래의 3가지와 같은 여자 방식이 존재합니다. 각 여자 방식의 특징 장단점은 여러가지가 있지만 직관적으로 이해 가능한 부분만 다루겠습니다.

1상 여자방식

스페이더 하나씩 여자하며 로터를 회전 시키는 방식입니다.

스텝모터 1상 여자 방식

2상 여자방식

스테이더 두개를 동시에 여자시키면서 로터를 회전 시키는 방법입니다. 1상 여자 방식에 비해 2상 여자 방식은 2개의 스테이더의 자석 에너지로 로터를 고정하기 때문에 로터가 위치를 바로 잡으려는 힘이 강합니다. 즉, 로터가 원래 위치에서 이탈하는 탈조 현상이 적고, 진동이 적고, 토크(회전하는 힘의 크기)가 큽니다. 두 개의 코일에 전류를 동시에 흘려야 하기 때문에 1상여자 보다 전류는 2배 사용됩니다.

스텝모터 2상 여자 방식

1-2상 여자방식

1-2상 여자는 1상여자 2상 여자를 결합한 방식으로, 1 Step 의 회전 각이 작아 각도를 정밀하게 제어가 가능합니다. 1상 여자방식에 비해 전류를 1.5배 사용합니다.

스텝모터가 회전 하는 방법

1-2상 여자방식 대로 전류를 인가 하면 아래와 같이 여자 방식에 따라 로터가 회전하고, 로터를 따라 회전축이 회전을 하게 됩니다. 

1-2 여자 방식으로 모터 회전

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마무리

아두이노로 스텝 모터를 구현 하기 위해 Step Motor 의 기본적인 동작 원리를 설명하였는데, 이해하는데 조금이라도 도움이 되었으면 좋겠습니다. 이 글을 바탕으로 다른 웹 상의 좋은 자료를 이해하는데 도움이 되시길 바랍니다. 좀 더 쉽고 자세하게 쓰고 싶지만, 아두이노와 관련된 카테고리에서는 HW관련 부분은 최소한만 다루고자 이 정도로 작성을 하였습니다. 이후 포스트에서는 아두이노에서 주로 사용하는 28BJY-48 Step 모터를 소개하고 구현 하는 방법을 소개할 예정입니다.

끝까지 읽어 주셔서 감사합니다.😄

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