Stepping Motor - 1

      스텝모터(스테핑모터)는 아래 사진과 같이 다양한 종류가 있으며 최근에는 마이크로스텝으로 매우 미세하게 각도를 컨트롤 가능합니다.


참고) How does a Stepper Motor work ? (YouTube)
참고) STEPPING MOTOR 기초 (인아오리엔탈모터, PPT)


위 사진은 2상 바이폴라(bipolar) 방식의 스텝 모터를 사용하여 만든 X-Y 스테이지의 한 부분으로 왼쪽에 PIC를 보드와 중간에 스텝모터 드라이브를 볼 수 있습니다.

스텝모터를 사용한 정확한 거리조절

왼쪽 사진은 스텝모터를 사용한 직선 운동용 기구로서 스텝모터(stepping motor), 볼 스크루(ball screw), 볼 너트(ball bush, 중간 사각 형 움직임 판))와 직선 가이드(linear giude)를 사용하였습니다. 스텝모터를 회전시키면 볼 스크루가 회전하고 그러면 움직임 판(stage)이 좌우로 움직이게 됩니다. 스텝 모터의 회전 운동을 직선운동으로 바꾸어져 움직임 판이 좌우로 움직이게 됩니다. 이때 움직임 판의 이동 거리는 볼 스크루의 피치(나사 산의 거리)와 회전 각도에 의하여 결정 됩니다.
볼 스크루의 피치(1 mm, 또는 2 mm 등)는 일정하기 때문에 볼 스크루의 회전 각도에 따라 거리가 결정 되게 됩니다. 볼 스크루의 회전 각도는 스텝모터의 회저에 의한 것이므로 결과적으로 움직임 판의 움직이는 거리는 스텝모터의 회전 수에 의하여 결정되게 됩니다.
따라서 움직임 판의 이동 거리는 볼 스크루의 피치를 회전 수로 곱한 값으로 표현 된다.
또한 최소 움직이는 거리는 피치를 최소 회전수 (360/최소 회전각)로 나눈 값으로 결정 된다.

     이동 거리 (mm) = 피치 (mm) x 회전 수
     최소 조절거리 (mm) = 피치(mm) / (360(도) / 최소회전각(도))
     최소 회전 각 (도) = 1.8 (도), 2 상 모터의 경우
     최소 회전 각 (도) = 0.72 (도), 5 상 모터의 경우
     마이크로스텝 드라이브를 사용하면 최소 각도를 매우 적게 할 수 있음

예로 1 mm 피치의 볼 스크루를 사용하고 2 상 스텝모터(360 도/200 step)를 사용한다고 할때, 최소 조절 가능한 거리는 위 수식에서 보여 주듯이 5 um가 됩니다. 스텝모터에 100 펄스를 넣어주면 스텝모터는 180 도를 회전(1 스텝당 1.8 도 이므로)하고 볼 스크루가 180 도를 회전하고 1/2 바퀴회전 하였기떄문에 1 mm 피치를 갖는 볼 스크루에 의한 움직임대의 이동 거리는 1 mm x 1/2 바퀴 = 0.5 mm, 즉 0.5 mm 이동하게 됩니다.
이러한 직선운동 기구를 사용하여 정밀한 이동을 구현하기 위하여 스텝 모터를 많이 사용합니다. 일반적으로 시료를 2차원 X, Y 방향의 2차원으로 움직이게 하거나 3 차원으로 정학하게 컨트롤 할때 널리 사용합니다. 이밖에도 다양한 측정 장비의 자동화 시스템에 널리 사용합니다.


스텝모터를 사용한 정확한 각도조절

오른쪽 사진은 스텝모터를 사용하여 시료를 정확하게 회전 시킬 수 있는 스테이지로 광학 시스템에서 널리 사용하는 회전 스테이지로 각도를 매우 정확하게 컨트롤 할 수 있습니다. 회전 각도는 스테이지 내부에 있는 웜 기어의 비와 스텝 모터의 회전 각도에 의해 결전됩니다. 웜기어의 비는 장치를 만들때 결정되기때문에 최종 적으로 스텝 모터의 회전에 의해 스테이지의 회전각이 결정됩니다.
최근에는 스텝모터의 1 각(FULL STEP인 경우 2 상 스텝모터는 1.8 도, 5 상 스텝 모터는 0.72 도)을 1000 등분 이상으로 매우 세밀하게 나눌수 있는 마이크로스텝 드라이브를 판매하고 있어 스텝 모터의 각도를 매우 세밀하게 컨트롤 할 수 있고 이에 따라 스테이지의 각도를 더 세밀하게 컨트롤 가능합니다.


스텝 모터를 구동하기 위해서는 크게 세 가지가 필요합니다.
1. 스텝모터
2. 스텝모터 드라이브
3. 스텝모터 컨트롤러

- 스텝모터의 경우 2 상과 5 상으로 나눌 수 있으며
2 상의 경우 1 스텝당 1.8 도의 회전 각을 가지고 있습니다.
5 상의 경우 1 스텝당 0.72 도의 회전 각을 가지고 있습니다.
회전 각도는 드라이브의 출력 방식에 따라 기본 회전 각도를 다시 세분하여 나눌 수 있습니다.

- 드라이브의 경우 2 상과 5 상 스텝모터로 구분되어 있으며 이에 맞게 구입하여야 합니다.
일반적으로 드라이브는 모터와 연결하는 출력 단자(2 상의 경우 4 개 또는 6 개, 5 상의 경우 5 개)가 있고 컨트롤러에서 신호를 받을 수 있는 입력 단자가 있습니다. 입력 단자는 통상적으로 방향 설정용 단자와 펄스를 넣어 주기 위한 단자 기타 여러 단자가 있습니다. 이중 방향 설정용 단자, 펄스를 넣어 주기 위한 단자, 그리고 스텝모터를 활성화 비 활성화 하기 위한 단자를 사용하면 어렵지 않게 스텝모터를 컨트롤 할 수 있습니다.


- 컨트롤러의 경우 다양한 종류가 있으며 PLC를 사용하는 경우 PC를 사용하는 경우 마이크로컨트롤러를 사용하는 경우가 있습니다.
여기서는 PIC 마이크로컨트롤러를 사용하였습니다. 마이크로컨트롤러를 사용하는 경우 프로그램을 하여 사용자의 목적에 맞게 스텝모터를 사용할 수 있습니다.



 
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