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목요일, 09 3월 2017

스테퍼 vs. 서보

폐루프 서보 기술의 이점을 스테퍼에 적용할 수 있을까요? 서보 같은 성능을 얻으면서 스테퍼의 비용 이점을 누릴 수 있을까요?

점점 더 다양해지고 까다로운 산업용 자동화 애플리케이션에서 기술의 진보는 스테퍼 모터와 서보 모터 사이의 성능대비비용 비율을 바꾸고 있습니다. 폐루프 기술의 적용과 드라이브와의 통합, 첨단 CANopen 네트워크에서의 작동 능력 덕분에 저렴해진 스테퍼는 보다 비싼 서보의 독점적인 영역으로 간주되었던 애플리케이션으로 진출하고 있습니다.

통상적인 이해로 볼 때 서보 제어 시스템은 높은 동적 응답이 요구되는 애플리케이션뿐만 아니라 분당 800회 이상의 속도가 요구되는 애플리케이션에서 우월하다고 봅니다. 스테퍼 모터는 저속에서 작동하고 저속~중속 가속도를 내거나 높은 정지토크를 필요로 하는 애플리케이션에서 선호됩니다. 하지만 스테퍼와 서보에 관한 이 통상적인 이해는 어디서 오는 것일까요?

스테퍼 모터는 마그네틱 코일을 사용하여 한 위치에서 다음 위치로 자석을 당겨서 여러스텝으로 회전합니다. 주어진 방향으로 모터를 100 위치 만큼 이동시키기 위해 회로는 모터를 100번의 스텝으로 처리합니다. 스테퍼는 펄스를 사용하여 증가함에 따라 움직이며 피드백 센서없이 정확하게 위치할 수 있습니다. 서보의 동작 방식은 다릅니다. 모터의 정확한 위치를 지속적으로 감지하는 위치 센서(인코더)에 연결된 마그네틱 로터를 사용합니다. 서보는 모터의 실제 위치와 명령된 위치의 차이를 모니터링하고 그에 따라 전류를 조정합니다. 이 폐루프 시스템은 모터가 자기의 경로를 유지하게 합니다. 스테퍼는 서보보다 가격이 저렴할뿐만 아니라 커미셔닝 및 유지 관리도 간단합니다. 동작하지 않을 때도 스태퍼는 안정적이며 동적부하가 작용해도 제 위치를 유지합니다. 그러나 특정 애플리케이션의 요구가 증가하기 때문에 더 비싸고 복잡한 서보가 적용되어야 합니다.

스테퍼와 서보 간의 큰 차이점은 매 순간 기계의 정확한 위치에 대한 정보를 필요로 하는 애플리케이션에 있습니다. 개루프제어의 스테퍼 제어 모션 애플리케이션은 제어 시스템이 모터가 항상 바르게 움직이는 것으로 간주합니다. 그러나 모터를 멈추게 만드는 끼임같은 문제가 발생하면 컨트롤러는 기계의 실제 위치를 알지 못하고 제 위치를 잃어버립니다. 서보의 핵심인 폐루프 시스템의 장점은 기계가 물체에 걸리거나 끼었을 때 즉시 감지합니다. 기계는 작동을 멈추고 결코 제 위치를 잃지 않습니다.


그림 1: 하이브리드 스테핑 모터의 기계적 구조(사진: 서보트로닉스)

스테퍼와 서보 사이의 성능 차이는 서로 다른 모터 설계에 기인합니다. 스테퍼 모터는 서보 모터보다 훨씬 더 많은 극을 가지고 있으므로 스테퍼 모터를 완전한 한 회전을 하려면 권선을 통해 더 많은 전류를 교환해야 하므로 속도가 증가함에 따라 토크가 급격히 떨어집니다. 나아가 최대 토크를 초과하면 스테퍼는 스텝 동기화를 잃을 수 있습니다. 이러한 이유로 대부분의 고속 애플리케이션에는 서보가 선호됩니다. 반대로 스테퍼의 많은 극 수는 빠른 속도에서 동일한 크기의 서보 모터에 비해 토크 이점을 주는 데 보다 더 효과가 있습니다.

개루프 스테퍼 모터는 일정한 전류로 작동하고 상당한 양의 열을 발산합니다. 폐루프 제어는 속도 루프에서 필요한 만큼의 전류만을 공급하여 열 문제를 방지합니다.
그림 2: PRO2 서보 모터 (그림: 서보트로닉스)

인식 변화

스테퍼제품에 폐루프 기술을 채택함으로써. 저비용 스테퍼 패키지에서 서보와 스테퍼의 장점들을 통합하여 제공할 수 있습니다. 성능과 에너지 효율성이 향상되었기 때문에 폐루프 스테퍼는 점차 다양해지고 까다로운 애플리케이션에서 비싼 서보를 대체할 수 있습니다. 서보트로닉스는 StepIM 통합 스테퍼 모터에 필드 지향적인 폐루프 제어 기능을 내장하고 있습니다. 통합된 전자 장치는 위치 루프, 속도 루프, DQ 제어 및 부가 알고리즘을 구현하는 2상 BLDC 모터처럼 스테퍼모터를 제어합니다. 앱솔루트 싱글 턴 인코더에 의한 폐루프 커뮤테이션은 모든 속도에서 최적의 토크 활용을 보장합니다. 더우기 폐루프 스테퍼 모터는 개루프 스테퍼 모터보다 시끄럽지 않고 진동이 덜합니다.

StepIM 스테퍼 모터는 효율적으로 에너지를 소비합니다. 발열과 소음의 원인이 되는 최대 전류로 항상 구동되는 개루프 스테퍼와 달리 StepIM 모터는 필요한 경우에만(예: 가속이나 감속 시)전류를 사용합니다. 서보와 마찬가지로 이 스테퍼는 어떤 모멘트가 주어지더라도 필요한 실제 토크에 비례하여 전류를 소모합니다. 모터와 통합 전자 장치가 더 저온으로 동작하므로 스테퍼는 서보와 관련있는 피크토크 수준보다 더 높게 구현할 수 있습니다.

성능 요구 조건에 근접한 일치

외란을 극복하고 스텝손실을 방지하기 위해서, 개루프 스테퍼는 관례적으로 애플리케이션에서 요구되는 것보다 최소 40% 더 큰 토크로 조정됩니다. 폐루프 StepIM 스테퍼에서는 이러한 조치가 필요하지 않습니다. 이런 스테퍼가 정지 상태가 될 정도로 과부하가 가해지면 토크를 잃지 않고 부하를 계속 견디어 냅니다. 차단된 부하를 없애면 다시 돌아갑니다. 위치센서의 피드백이 어떤 스텝도 손실이 없게 하는 한, 주어진 속도에서 최대 토크는 보장됩니다. 따라서 폐루프 스테퍼는 40%의 초과마진 없이 애플리케이션의 토크 요구에 거의 일치하도록 선정할 수 있습니다. 개루프 스테퍼를 사용하면 스텝손실 위험때문에 매 순간의 높은 토크 요구를 맞추기 어렵습니다. 폐루프 스테퍼는 빠른 가속이 가능하고, 보다 조용하게 작동하며, 기존 스테퍼 모터보다 낮은 공진을 갖습니다. 또한 더 높은 대역폭에서 작동할 수 있습니다. 스테퍼는 전자 장치를 모터와 통합하고 분산 아키텍처를 만들어 배선을 줄이고 구성을 단순화하여 캐비닛이 없는 시스템을 만들 수 있습니다.

고정밀 목공 기계의 스테퍼
목공 애플리케이션의 모션 컨트롤 동작은 통상 서보로 수행되지만 폐루프 스테퍼 모터로도 수행 될 수 있습니다. 세계적인 산업자동화 회사는 매년 창문용 목재 프레임을 제작할 수 있는 수백 대의 정밀 CNC 기계를 제작하여 판매하고 있습니다. 정밀한 동기화와 높은 토크가 요구되는 이 애플리케이션은 기계 당 약 20~30개의 공압부품 및 전자 서보 모터가 필요합니다. 서보의 높은 비용은 기계 당 총 비용에서 상당한 규모를 차지합니다. 더구나 스탠드얼론타입에서 사용되는 상당한 양의 부가적인 케이블들은 캐비닛에 장착되는 서보 드라이브들의 설치 시간을 늘리고 유지 관리의 복잡성을 증가시킵니다.그림 2: PRO2 서보 모터
(그림: 서보트로닉스)
서보트로닉스의 폐루프 스테퍼 모터에 관해 듣자마자 이 회사는 목공 기계에 적용 가능한지 판단하고 싶어 했습니다. 개발 책임자는 “전세계적으로 당사의 하이엔드급 장비를 경쟁력있게 유지하는 데 있어 비용은 큰 비중을 차지합니다”라고 말합니다. “그렇지만 성능, 정밀도와 신뢰성을 양보할 수는 없습니다” 저가의 폐루프 스테퍼가 성능 목표를 달성할 수 있다면 이 회사는 더 비싼 서보를 교체할 수 있고 시장에서 확실한 우위를 점할 수 있습니다. 이 회사는 서보를 StepIM 통합 모터로 교체하여 하나의 기계를 제작하는 파일럿 프로젝트에 착수했습니다. 단순히 모터만 변경되었습니다. 모션 컨트롤러와 통신 프로토콜(CANopen)은 그대로 유지되었습니다. 매우 간단한 작업이라는 것도 알았습니다. 모터가 전자 장치와 통합되어 있기 때문에 케이블도 거의 필요하지 않습니다. 케이블이 적으면 설치 시간 및 유지 보수가 더 빠르고 덜 복잡해집니다.

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