마이크로스테핑:정밀하고 부드러운 모션의 핵심

신디 창(Cindy Chang), 애플리케이션 엔지니어,
티 트란(Tea Tran), 애플리케이션 엔지니어

스테퍼 모터는 모션 제어에서 중요한 부품이며, 산업 자동화, 로보틱스, 의료 장비 및 기타 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 스테퍼 모터는 정밀 모션 제어를 구현하기 위한 핵심 기술 중 하나입니다.

정밀 모션 제어에서는 부드러운 모션과 고분해능 포지셔닝이 핵심 요구사항입니다. 부드러운 모션은 동작 중 진동 억제와 속도 평활화에 초점을 맞추는 반면, 고분해능 포지셔닝은 정적 위치 정확도와 미세 변위를 분해해 제어할 수 있는 능력을 강조합니다.

이 글에서는 ADI Trinamic 솔루션을 기반으로 스테퍼 모터의 작동 방식을 자세히 설명합니다. 또한 풀스텝, 하프스텝, 마이크로스텝 모드 간의 성능 차이를 비교해, 산업 분야에서 모터 구동 및 제어 기술이 얼마나 폭넓게 활용될 수 있는지를 보여줍니다.

도입

스테퍼 모터는 정밀도와 비교적 단순한 제어 방식 덕분에 3D 프린터, 컴퓨터 수치 제어 (CNC)  장비와 같은 산업용, 의료용, 3축 포지셔닝 시스템 애플리케이션에서 널리 사용되고 있습니다. AC 모터와 브러시리스 DC 모터도 높은 정밀도를 구현할 수 있지만, 스테퍼 모터는 개방 루프 제어로 동작하면서도 높은 정밀도를 제공하고, 저속에서 높은 토크를 낼 수 있다는 추가적인 장점이 있습니다. 또한 스테퍼 모터는 서보 모터보다 비용 효율적이고 구조가 덜 복잡한 경우가 많습니다. 브러시드 DC 모터와 달리, 스테퍼 모터는 높은 토크로 위치를 유지할 수 있습니다.

마이크로스테핑은 스테퍼 모터 제어에서 매우 유용합니다. 모터가 더 작은 증분 단위로 움직일 수 있게 해 회전당 이산 위치 수를 크게 늘리고, 그 결과 모터 소음과 진동을 줄여주기 때문입니다. 아나로그디바이스(Analog Devices)의 Trinamic Motion Control은 최대 256 마이크로스텝으로 스테퍼 모터를 구동할 수 있는 스테퍼 모터 드라이버 IC, 보드 레벨 모듈 및 완전한 솔루션을 제공합니다.

스테퍼 모터의 기본

모터 구조

스테퍼라고도 자주 불리는 스테퍼 모터는 자기 로터와 스테이터 코일로 구성됩니다. 하이브리드 2상 스테퍼는 그림 1과 같이 두 개의 자성 컵을 가진 로터를 사용하며, 각 컵에는 일반적으로 50개의 톱니가 있습니다. 이 자석들은 서로 반대의 자기 극성을 가지며 물리적으로 서로 오프셋되어 있습니다. 스테이터는 중앙 로터 주변의 여러 위치에 배치된 두 개의 와이어 코일로 구성됩니다. 각 상에 순차적으로 전류를 인가하면 모터가 회전합니다.
 

그림 1. 하이브리드 스테퍼 모터 구조. (a) 8극 스테이터. (b) 영구자석 로터.

출처: Analog Devices Inc.

동작

스테퍼 모터는 한 바퀴 회전을 등간격의 스텝으로 나누어 이산적인 스텝 단위로 움직입니다. 예를 들어 모터 1회전당 200개의 이산 위치를 갖는 스테퍼 모터는 1.8° 의 스텝각을 갖습니다. 스텝각은 1회전의 360°를 풀스텝 수로 나누어 도출됩니다.

 
그림 2와 같이 모터 코일에 전류가 인가되면 자기장이 생성되고, 이 자기장은 영구자석 로터를 끌어당기거나 밀어냅니다. 그러면 로터는 이 자기장에 정렬되도록 회전합니다. 모터가 계속 회전하려면 각 코일에 교대로 전류를 인가해 자기장이 로터보다 앞서 있도록 유지해야 합니다.

그림 2. 하이브리드 스테퍼 모터 동작.

출처: Analog Devices Ic.

풀스테핑, 하프스테핑

스테퍼 모터의 스테핑 동작을 더 잘 이해하기 위해, 그림 3과 같이 하나의 자극쌍을 가진 단순화된 2상 스테퍼 모터 모델을 살펴보겠습니다.

 
그림 3. 영구자석 로터를 사용하는 단순화된 2상 스테퍼 모터.

출처: Analog Devices Ic.

풀스텝 모드

풀스텝 모드에서 드라이버는 두 코일에 양의 전류 또는 음의 전류를 인가합니다. 두 상은 동시에 여자되며, 이를 통해 최대 토크를 얻을 수 있습니다. 코일을 통과하는 전류의 방향을 전환하면 샤프트가 회전합니다. 흔히 정류(commutation)라고 불리는 이 스위칭 패턴은 일반적으로 그림 4에 표시된 주기적 시퀀스를 따릅니다.

그림 4. 2상 스테퍼 모터의 풀스텝 모드.

출처: Analog Devices Inc.

풀스테핑은 정밀한 스텝, 속도 제어, 높은 홀딩 토크를 가능하게 합니다. 또한 고속 동작 시 모터의 토크 출력을 극대화할 수 있습니다. 그러나 그림 5는 풀스테핑이 과도한 진동과 소음을 유발할 수 있음을 보여줍니다. 이러한 진동과 소음은 주로 큰 위치 이동 때문에 발생합니다. 큰 위치 점프는 모터가 목표 위치를 지나치게 만드는 오버슈트를 유발하고, 그 결과 특정 속도에서 높은 공진이 발생하며 인가 토크가 감소합니다.

그림 5. 풀스테핑 오버슈트와 링잉.

출처: Analog Devices Inc.

단일 자극쌍을 가진 단순화된 모터가 풀스텝 정류를 통해 1회전당 네 개의 이산 위치를 구현한다면, 이 개념을 50개의 자극쌍을 가진 모터로 확장할 경우 1회전당 200개의 풀스텝이 됩니다.

이 구성에서는 로터의 톱니가 코일의 자기장과 정렬될 때 모터를 특정 위치로 이동시킬 수 있습니다.

하프스텝 모드

스텝 크기를 줄이면 위치 오버슈트, 진동, 소음 문제를 개선할 수 있습니다. 스텝 크기 감소는 그림 6과 같이 추가적인 전류 상태를 구현함으로써 실현할 수 있습니다. 하프스텝 모델은 자극쌍당 로터 위치 수를 8개로 늘려 위치 분해능을 두 배로 높입니다. 모터 드라이버는 단상 여자와 2상 여자를 교대로 적용해 하프스텝 동작을 구현합니다. 하프스텝 모델은 진동을 줄이면서 더 높은 위치 분해능을 제공합니다. 저속에서는 회전 토크가 약간 증가하지만, 새로운 하프스텝 위치에서 모터의 홀딩 토크는 감소합니다. 이를 일반적으로 증분 토크라고 합니다.

그림 6. 2상 스테퍼 모터의 하프스텝 모드.

출처: Analog Devices Inc.

이러한 개선에도 불구하고 하프스텝 모델에도 문제가 없는 것은 아닙니다. 모터는 여전히 비교적 큰 위치 점프를 수행하므로, 모터의 회전이 완전히 부드럽지는 않습니다. 이 문제는 특히 저속에서 두드러지며, 바로 이 점이 마이크로스테핑이 필요한 이유입니다.

마이크로스테핑

마이크로스테핑이란?

마이크로스테핑은 스테퍼 모터가 풀스텝 사이의 여러 중간 위치로 회전할 수 있도록 제어하는 방식입니다. 일반적으로 저속에서 더 높은 위치 분해능과 더 부드러운 회전을 구현하기 위해 사용됩니다. 이는 그림 7과 같이 각 풀스텝을 등간격의 마이크로스텝으로 나누어 수행됩니다. 마이크로스텝 분해능을 높이면 이동 거리가 줄어들고, 이에 따라 위치 오버슈트와 링잉이 감소해 진동과 소음이 개선됩니다.

그림 7. 마이크로스테핑 중 각 코일에 흐르는 전류.

출처: Analog Devices Inc.

그림 8. 다양한 스텝 모드에서 전류 파형과 위치 오버슈트/링잉 비교.

출처: Analog Devices Inc.

마이크로스테핑 작동 방식

마이크로스테핑은 그림 8과 같이 모터에 사인파형을 제공함으로써 구현됩니다. 모터 드라이버는 전류 레귤레이션을 사용해 각 모터 코일에 이러한 사인파를 정밀하게 전달합니다. 그러나 완벽한 사인파를 생성하는 것은 불가능합니다. 사인파의 품질, 따라서 마이크로스테핑의 품질은 스테퍼 드라이버의 아날로그-디지털 컨버터 (ADC) 와 디지털-아날로그 컨버터 (DACs) 의 분해능에 의해 제한됩니다. ADI Trinamic의 각 스테퍼 모터 드라이버는 최소 8비트 ADC와 DAC를 갖추고 있어 풀스텝당 최대 256 마이크로스텝을 지원합니다. 하이브리드 스테퍼 모터는 일반적으로 회전당 200개의 풀스텝을 가지므로, 256 마이크로스텝을 사용하면 1회전당 최대 51,200개의 이산 위치를 구현할 수 있습니다. 그 결과 0.00703125°라는 인상적인 스텝 분해능을 얻을 수 있습니다.

핵심 고려사항: 위치 정확도와 증분 토크

마이크로스테핑에는 많은 이점이 있지만, 두 가지 핵심 과제가 있습니다. 바로 위치 정확도와 증분토크입니다.

위치 정확도는 모터의 실제 위치와 명령된 위치 사이의 오차를 의미합니다. 마이크로스테핑은 더 많은 이산 위치를 제공해 위치 분해능을 높이지만, 위치 정확도를 개선하지는 않습니다. 모터의 정확도는 여전히 구조적 공차, 모터에 걸리는 부하, 그리고 드라이버가 모터 코일에 원하는 전류 레벨을 정확하게 제공할 수 있는 능력에 의해 결정됩니다. 이러한 제한 요인은 풀스테핑과 마이크로스테핑 모두에서 모터의 정확도에 영향을 미칩니다.

증분 토크는 모터가 정지 상태에 있을 때 모터를 해당 위치에서 벗어나게 하는 데 필요한 토크의 양으로 정의됩니다. 풀스테핑을 사용할 때는 자기 로터가 모터 코일과 완벽하게 정렬되어 모터의 지정 홀딩 토크와 동일한 최대 홀딩 토크를 생성합니다. 그러나 마이크로스테핑을 사용할 경우, 모터가 유지되고 있는 마이크로스텝 위치에 따라 증분 토크가 감소합니다.

증분 토크는 다음 식 (4)로 근사할 수 있습니다.

여기서 각 항목은 다음을 의미합니다.

•    TINC: 뉴턴미터 (N⋅m) 단위의 증분 토크

•    THOLD: 뉴턴미터 (N⋅m)단위의 풀스텝 홀딩 토크

•    SDR: 스텝 분할비 또는 다음 단순화된 분수의 분모:

이 현상은 몇 가지 예시를 통해 가장 잘 설명할 수 있습니다. 256 마이크로스텝을 사용하는 모터가 하프스텝 위치에서 정지해 있다고 가정해 보겠습니다.

SDR은 단순화된 분수의 분모이므로, 이 경우 SDR은 2입니다. 증분 토크는 모터 홀딩 토크의 70.709%로 감소합니다.

또 다른 예로, 모터가 7/256 마이크로스텝 위치에서 정지해 있는 경우를 생각해 보겠습니다.

따라서 SDR은 256이며, 증분 토크는 모터 홀딩 토크의 0.61%로 떨어집니다.

SDR과 증분 토크의 관계는 표 1에 요약되어 있습니다.

표 1. 증분 토크

중요한 점은 증분 토크가 이러한 마이크로스텝 위치에서 모터를 유지하는 데 사용할 수 있는 토크를 감소시키지만, 회전 토크에는 대체로 영향을 주지 않는다는 것입니다. 모터가 회전 중일 때는 증분 토크 감소의 영향이 나타나지 않습니다. 실용적인 관점에서 높은 홀딩 토크가 필요하다면, 사용자는 모터를 풀스텝 또는 하프스텝 위치에서 정지시키는 것이 좋습니다.

일반적인 마이크로스테핑 애플리케이션

스테퍼 모터를 사용하는 많은 애플리케이션은 마이크로스테핑의 이점을 얻을 수 있습니다. 예를 들어 3D 프린팅은 고품질 출력물을 제작하기 위해 높은 위치 분해능과 최소한의 진동이 필요합니다. 의료 영상 장비와 수술 로봇은 환자의 편안함과 안전을 보장하기 위해 조용한 동작과 정밀한 위치 제어가 필요합니다. 마이크로스테핑은 이러한 요구사항을 충족합니다.

또한 스텝 크기가 작아지기 때문에 위치 오버슈트가 크게 줄어듭니다. 이는 진동 감소, 효율 향상, 더 부드러운 모션이라는 여러 장점을 제공합니다. 기계적 진동은 에너지를 소모하며, CNC 밀링 머신과 같은 일부 애플리케이션에서는 추가적인 마모를 유발하고 신뢰성을 저하시킵니다. 마이크로스테핑은 기계적 진동과 소음을 줄임으로써 모터 제어 시스템 운영과 관련된 비용 및 에너지 낭비도 줄입니다.

마이크로스테핑을 사용하는 다른 애플리케이션으로는 의료 연구 장비, 밸브 제어, 에어 펌프, CCTV, 로보틱스, 공장 자동화 등이 있습니다.

ADI Trinamic 솔루션

ADI Trinamic의 스테퍼 모터 제품은 마이크로스테핑 구현을 지원할 수 있는 다양한 기능을 제공합니다. 최대 256 마이크로스텝의 마이크로스테핑은 ADI Trinamic의 모든 스테퍼 모터 제품에서 표준으로 제공됩니다.

또한 일부 ADI Trinamic 부품은 MicroPlyer™  기술을 제공하는데, 이는 기존 애플리케이션이 높은 마이크로스텝 분해능을 쉽게 활용할 수 있도록 하는 마이크로스텝 보간 기술입니다.

ADI Trinamic 제품 포트폴리오는 모든 공간 및 성능 요구사항을 지원할 수 있는 완전하고 효율적이며 작은 풋프린트의 솔루션을 포함합니다. 이러한 부품은 스테퍼 모터 애플리케이션에서 복잡성과 출시 기간을 줄이는 데 도움이 됩니다.

MicroPlyer 마이크로스텝 보간기

256 마이크로스텝의 분해능은 일부 제조사의 스테퍼 드라이버가 지원하기 어려운 수준일 수 있습니다. 다행히 ADI Trinamic의 MicroPlyer 기술은 모션 제어 로직을 수정할 필요 없이 낮은 스텝 분해능의 시스템을 256 마이크로스텝으로 업그레이드할 수 있게 해줍니다.

MicroPlyer는 위치와 속도를 유지하면서 스텝 펄스 사이에 추가 전류 스텝을 삽입하는 방식으로 작동합니다. 이 유닛은 이전 스텝 주기의 시간 간격을 측정하고 이를 동일한 구간으로 나눠 스텝 펄스 사이의 시간을 보간합니다. 이렇게 생성된 내부 256 마이크로스텝 STEP 신호가 모터 구동에 사용됩니다. 그 결과 저분해능 스텝 신호 입력이 제공되더라도 부드러운 256 마이크로스텝 출력을 얻을 수 있습니다. 따라서 ADI Trinamic 스테퍼 모터 드라이버는 기존 애플리케이션의 드롭인 대체품으로 이상적입니다.

예를 들어 설계자가 더 부드러운 모션을 구현하기 위해 16 마이크로스텝 드라이버와 시스템을 256 마이크로스텝으로 업그레이드하고자 한다고 가정해 보겠습니다. 원하는 속도가 초당 10회전(RPS) 이고 1.8° 스텝각 모터를 사용한다면, 16 마이크로스텝 사용 시 입력 STEP 신호는 32 kHz가 필요합니다. 일반적으로 200 풀스텝 모터에서 256 마이크로스텝을 사용해 10RPS로 회전하려면 512kHz의 신호 주파수가 필요합니다. 이는 일부 호스트 컨트롤러나 MCU에는 너무 높은 주파수일 수 있습니다. 대안으로 설계자는 MicroPlyer를 지원하는 ADI Trinamic 드라이버를 그대로 적용하고 32kHz STEP 신호를 유지할 수 있습니다. ADI Trinamic 드라이버는 그림 9와 같이 STEP 신호의 보간을 처리해 256 마이크로스텝을 사용한 모션을 생성합니다.

TMC2240 36V, 2A rms+ S/D 및 SPI 지원 스마트 통합 스테퍼 드라이버와 TMC5240 36V, 2A rms+ 스마트 통합 스테퍼 드라이버 및 컨트롤러

ADI TMC2240 및 TMC5240은 직렬 통신 인터페이스 (SPI, UART), 광범위한 진단 기능, MicroPlyer 기술을 통한 마이크로스텝 보간 기능을 갖춘 스마트 고성능 2상 스테퍼 모터 드라이버 IC입니다. 이 드라이버 IC는 256 마이크로스텝 기반의 고급 스테퍼 모터 드라이버, 내장 인덱서, 완전 통합형 36 V, 3.0 AMAX H-브리지 2개, 그리고 비소산 통합 전류 감지(ICS)를 결합했습니다. TMC2240과 TMC5240은 동급 최고 수준의 모션 및 전류 제어 기능을 바탕으로 부드럽고 조용한 스테퍼 모터 동작을 제공합니다. 또한 전력 효율을 높이는 CoolStep™, 센서리스 부하 및 스톨 감지 (StallGuard2™/StallGuard4™), 저소음 동작(StealthChop2), 리플 저감 전류 제어(SpreadCycle™) 등 ADI Trinamic 기능 전체를 갖추고 있습니다. SpreadCycle 및 StealthChop2 초퍼 모드는 넓은 속도 범위에서 최소 소음 동작을 가능하게 하며, SpreadCycle과 StealthChop2 사이의 자동 전환을 지원합니다. ADI Trinamic의 정교한 StealthChop2 초퍼는 최대 효율과 최적의 모터 토크를 결합한 무소음 동작을 보장합니다. TMC5240은 일반적인 모터 드라이버를 넘어 모션 컨트롤러를 통합한 cDriver™ IC로, 시스템 아키텍처를 단순화할 수 있습니다. 통합 8포인트 모션 램프를 통해 사용자는 원하는 위치와 모션 프로파일을 프로그래밍할 수 있으며, 저크를 최소화하고 필요한 계산을 호스트 컨트롤러에서 오프로드할 수 있습니다.

이 제품들은 단락 또는 과전류 보호, 열 셧다운, 저전압 록아웃(UVLO)과 같은 진단 및 보호 기능을 제공합니다. 열 셧다운 및 UVLO 이벤트가 발생하면 손상을 방지하기 위해 드라이버가 비활성화됩니다. 또한 이 디바이스들은 하나의 외부 아날로그 입력을 측정하고, 드라이버 온도를 평가하며, 모터 온도를 추정하는 기능도 제공합니다.

높은 통합도, 높은 에너지 효율, 작은 폼팩터는 비용 효율적인 솔루션을 위한 소형화되고 확장 가능한 시스템을 가능하게 합니다. 내부 전류 감지는 부피가 큰 외부 전류 감지 저항의 필요성을 없애줍니다. 이 완전한 솔루션은 동급 최고 수준의 성능을 제공하고 학습 곡선을 최소화합니다.

그림 9. MicroPlyer 마이크로스텝 보간기의 단순화된 예시로, 풀스테핑에서 16 마이크로스텝으로 보간하는 과정을 보여줍니다.

출처: Analog Devices Inc.

이 두 제품은 의료 계측, 연구실 및 공장 자동화, CCTV, 보안, 3D 프린터 등의 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.

TMC2160 바이폴라 스테퍼 모터용 고전압 드라이버 및 TMC5160 바이폴라 스테퍼 모터용 고전압 드라이버 및 모션 컨트롤러

TMC2160 및 TMC5160은 직렬 통신 인터페이스(STEP/DIR, SPI, UART), 256 마이크로스텝 분해능, MicroPlyer를 통한 마이크로스텝 보간 기능을 갖춘 고전력 2상 스테퍼 모터 드라이버 IC입니다. 이 IC들은 CoolStep, StealthChop2, StallGuard2, SpreadCycle을 포함한 다양한 ADI Trinamic 기능을 활용해 드라이버 성능을 최적화합니다. TMC5160은 통합 모션 컨트롤러를 갖춘 cDriver IC이며, 더 빠른 포지셔닝과 사다리꼴 램핑으로 인한 공진 완화를 위해 SixPoint™  램핑을 제공합니다.

이 IC들은 FET를 통합하지 않았기 때문에, 고전류 및/또는 고전압에 맞춰 FET 선택을 유연하게 할 수 있습니다. 이러한 범용성 덕분에 배터리 구동 시스템부터 고전압 산업용 애플리케이션까지 폭넓은 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.

이 두 제품은 의료, 섬유, 로보틱스, 산업용 드라이브뿐만 아니라 CCTV, 보안, 공장 자동화 애플리케이션에도 사용할 수 있습니다.

TMC2300 2상 스테퍼 모터용 저전압 드라이버

TMC2300은 2상 배터리 구동 스테퍼 모터용 저전압 스테퍼 모터 드라이버입니다. 이 드라이버는 256 마이크로스텝 분해능과 함께 CoolStep, StealthChop2, StallGuard4, SpreadCycle 기능을 포함합니다. StealthChop2는 휴대용, 가정용, 사무용 애플리케이션에서 조용한 모션 제어를 가능하게 합니다. TMC2300은 최대 256 마이크로스텝을 위한 STEP/DIR 인터페이스를 사용하며, 고급 구성을 위한 선택적 UART 인터페이스도 제공합니다. 고효율 파워 스테이지와 0.03µA의 매우 낮은 대기 전류는 긴 배터리 수명을 보장하는 데 도움이 됩니다. 이 드라이버와 함께 사용되는 듀얼 AA 배터리 또는 단일 리튬 이온 배터리는 일반적으로 2.0V까지 방전될 수 있습니다.

TMC2300 드라이버는 3mm × 3mm의 작은 패키지에서 높은 모터 전류를 제공하며, IoT, 핸드헬드 디바이스, 배터리 구동 장비, 모바일 의료 기기에 적합합니다.

맺음말

스테퍼 모터 구동 기술은 모션 제어 분야에서 중요한 역할을 합니다. 풀스텝 및 하프스텝 모드부터 고급 마이크로스테핑 기술에 이르기까지, 이 기술은 고정밀, 저소음, 고효율에 대한 다양한 산업의 요구를 충족할 뿐 아니라 산업 생산, 의료 장비, 로보틱스 분야에서 폭넓은 적용 가능성을 보여줍니다.

ADI의 마이크로스테핑 솔루션은 Trinamic 모션 제어의 핵심 기술입니다. 이 솔루션은 고급 구동 기술을 통해 스테퍼 모터의 성능을 향상시키며, 고분해능 포지셔닝과 부드러운 모션을 가능하게 합니다.

출처

¹Analog Devices Inc. https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/mastering
precision-understanding-microstepping.html

저자 소개

신디 창(Cindy Chang)은 Analog Devices 센트럴 애플리케이션 그룹(Central Applications Group)의 애플리케이션 엔지니어입니다. 캘리포니아대학교 로스앤젤레스 캠퍼스(UCLA)에서 전기공학 학사 학위를 취득했으며, 2022년 7월 ADI에 합류했습니다.

티 트란(Tea Tran)은 Analog Devices 센트럴 애플리케이션 그룹(Central Applications Group)의 애플리케이션 엔지니어입니다. 캘리포니아 폴리테크닉 주립대학교 샌루이스오비스포 캠퍼스(Cal Poly, San Luis Obispo)에서 전기공학 학사 학위를 취득했으며, 2022년 7월 ADI에 합류했습니다.