스테퍼 모터의 구동 방식 비교: 유니폴라 vs. 바이폴라

스테퍼 모터(Stepper Motor)는 널리 사용되고 있는 부품입니다. 이 모터는 다른 많은 기본 부품들과 마찬가지로 어떤 면에서는 단순하지만, 다양한 구성 방식을 가지고 있고 동작 방식에도 미묘한 차이가 있습니다. 스테퍼 모터는 ‘모터’라는 용어를 생략한 채 ‘스테퍼’라고 부르기도 하는데, 크게 두 가지 방식의 권선 및 구동 설정으로 나뉩니다. 바로 유니폴라(unipolar)와 바이폴라(bipolar)가 그것입니다. 

이번 글에서는 배선, 성능, 애플리케이션에 초점을 맞춰서 유니폴라와 바이폴라 스테퍼 모터 구동 방식의 차이를 살펴보겠습니다.

먼저, 용어부터 살펴보겠습니다. 스테퍼 모터에서 사용하는 ‘유니폴라’ 및 ‘바이폴라’라는 용어는 일반적인 회로, 특히 아날로그 회로에서 사용하는 개념과는 다릅니다. 전원 레일(power rail)에 대해 얘기할 때 유니폴라는 양(+)의 전압과 접지(ground)만을 사용하는 단일 전원 공급 방식을 의미하며, 음(-)의 공급 전압은 포함하지 않습니다. 반면 바이폴라는 양(+)과 음(-)의 전원 레일을 모두 포함하는 공급 방식을 말합니다. 연산 증폭기(op-amp)와 같은 일부 애플리케이션은 완전한 성능을 달성하기 위해 이러한 바이폴라 또는 분할 전원 공급이 필요합니다. 하지만 이러한 유니폴라/바이폴라의 정의는 스테퍼 모터에는 적용되지 않습니다.

기본 상 배선 배열

코일의 구성과 배선 배열은 크게 유니폴라와 바이폴라 연결 방식으로 나뉩니다 (그림 1). 유니폴라와 바이폴라 구성은 구동 회로와 성능 특성에서 차이가 나며, 속도, 토크, 효율, 재료 비용 등에 영향을 미칩니다. 바이폴라 배열은 그 모양이 'H'자와 유사하여 종종 'H-브리지(H-bridge)'라고 불리기도 합니다.

유니폴라와 바이폴라 스테퍼 모터 구성 모두 유니폴라(단일 레일) 전원 공급장치로 작동할 수 있습니다. 두 가지 구성 모두 이 단일 전원 공급장치로 양방향 회전이 가능합니다.

스테퍼 모터 드라이버는 특정 순서로 스테퍼 권선을 에너지화하여 로터의 위치를 제어합니다. 이 예시에서는 마이크로컨트롤러(MCU)가 스테퍼 드라이버에 펄스를 보내어 스테퍼 로터가 다음 위치로 이동해야 함을 지시합니다. 스테퍼 드라이버가 펄스를 받으면 순차적으로 상 권선들 중 하나에 전기를 공급하여 에너지화합니다. 다음 펄스를 받으면 드라이버는 또 다른 상에 전기를 공급하여 로터가 계속해서 이동할 수 있도록 합니다. 만약 마이크로컨트롤러가 더 이상 스텝 펄스를 보내지 않으면 로터는 정지하고, 에너지화된 상의 자계에 맞춰 정렬된 상태로 남습니다.

하이브리드 및 영구 자석 스테퍼 모터

하이브리드 및 영구 자석 스테퍼 모터는 바이폴라와 유니폴라 권선 구성으로 제공됩니다. 바이폴라 모터의 경우, H-브리지를 사용하여 전류가 권선에 대해 둘 중 하나의 방향으로 흐를 수 있게 합니다. 전류의 방향은 해당 권선에 의해 생성된 자기장의 극성을 결정합니다.

바이폴라 스테퍼 모터는 각 상마다 하나의 권선만을 사용하므로, 구동 회로가 전류 흐름과 자기장을 반전시키는 작업이 더 복잡합니다. 유니폴라 모터는 4개의 트랜지스터(FET 또는 IGBT)를 사용하여 하프 브리지 방식으로 전체 제어가 가능한 반면, 바이폴라 모터는 제어를 위해 8개의 트랜지스터가 두 개의 H-브리지를 이루어 배치됩니다.

유니폴라 모터는 전류가 권선을 통해 한 방향으로만 흐르게 하기 위해 하이사이드 또는 로우사이드 FET를 필요로 합니다. 유니폴라 모터의 권선에는 중앙 탭이 있어 이를 접지나 모터 전원에 연결할 수 있습니다. 스테이터 자기장의 극성을 바꾸기 위해 전류를 양방향으로 흐르게 하는 대신, 특정 상의 코일들을 서로 반대 방향으로 감음으로써 로터를 계속 움직이는 데 필요한 자기장 극성의 변화를 만들 수 있습니다.

이 방법은 전류 방향을 바꾸지 않고도 방향을 반전시킬 수 있게 하여, 단극성 전원에서도 반전이 가능합니다. 통상적으로, 배선은 각 상마다 세 개의 리드가 있어, 표준 2상 스테퍼 모터는 총 6개의 리드를 가집니다. 중앙 탭을 연결하지 않고 코일을 바이폴라 스테퍼 모터 드라이버에 연결하면 유니폴라 모터를 바이폴라 모터처럼 구동할 수 있습니다.

‘유니폴라’와 ‘바이폴라’ 스테퍼 모터의 주요 차이점은 권선 코일을 절반으로 분할하는 중앙 탭 선의 유무입니다. 이러한 분할은 코일 쌍에 대해 하나의 연결선만 사용하거나, 또는 코일의 각 끝에 한 개씩 두 개의 연결선을 사용하는 방식으로 구현할 수 있습니다. 중앙 탭을 제거하면 유니폴라 연결이 바이폴라 직렬 연결로 변환됩니다.

사실상, 모터 리드 색상은 업계에서 어느 정도 표준화되어 있으며, 특정 벤더의 제품군 내에서는 일관성이 있습니다. 그 결과, 많은 배선 다이어그램들이 리드를 번호 대신 색상으로 표기합니다. 이처럼 색상으로 구분하는 방법이 유용하고 명확하다고 생각하는 사람들도 있고, 혼동을 줄 수 있다고 여기는 사람들도 있지만, 색상으로 구분하는 게 일반적입니다.

유니폴라와 바이폴라 구성 간의 선택은 배선 설정뿐만 아니라 모터 권선의 전기적 특성에도 영향을 미쳐, 결국 전압, 저항, 인덕턴스, 속도, 가속도 및 토크에도 영향을 미치게 됩니다.

유니폴라/바이폴라의 차이점과 각각의 장단점

유니폴라 제어에서는 한 번에 상 권선의 절반만 전류가 공급되며, 바이폴라 구동은 각 상에 대해 전체 구리 권선이 사용됩니다. 이 차이는 비용과 무게, 성능에 영향을 미치며, 속도와 토크는 일반적으로 가장 중요한 파라미터입니다(그림 2).

토크는 구동 전류와 코일의 권선 수의 곱에 비례합니다. 권선 수가 많으면 더 큰 토크를 얻을 수 있지만, 대신 고속 동작에서는 해당 장점이 떨어져 스테퍼 모터의 최대 유효 속도를 제한합니다. 코일의 자기 유도는 구동 전류가 변하는 속도를 제한하므로, 고속에서는 토크가 감소합니다. 반면, 권선 수가 적으면 자기 유도가 적어 저속에서는 토크가 적고, 고속에서는 토크가 유지됩니다.

또한 토크는 속도와 인덕턴스의 제곱근에 대해 반비례하는 관계가 있다는 점을 명심해야 합니다.

토크 α 모터 공급 전압 / (모터 속도 × √모터 인덕턴스)

바이폴라 모터가 코일 권선의 사용 효율이 더 높기 때문에, 유니폴라 모터보다 일반적으로 더 많은 토크를 가질 뿐 아니라 더 효율적입니다. 반면, 유니폴라 모터는 주어진 시간에서 각 권선 코일의 절반만 사용하므로 토크와 효율이 더 낮습니다.

유니폴라와 바이폴라 구성을 선택하면 스테퍼 모터 설계가 더 복잡해지는 것은 분명합니다. 그림 3은 기본적인 유니폴라와 바이폴라 방식의 주요 특성을 요약한 것입니다.

과거에는 구동 방식으로 유니폴라 제어가 널리 사용되었지만, 요즘에는 전자 제품의 비용 저감을 위해 바이폴라 구성이 선호됩니다. 그러나 전압 구동의 경우, 유니폴라가 여전히 비용 효율적인 옵션입니다.

벤더 입장에서는 가용한 코일 끝이 모두 노출되어 있어 사용자가 필요한 대로 스테퍼 모터 코일을 구성할 수 있게 해주는 단일 유형의 모터를 공급하는 것이 합리적으로 보일 수 있습니다. 이는 FPGA(field-programmable gate array)처럼 자재 목록(BOM)과 재고 관리를 단순화할 수 있습니다.

결국, 6선 모터는 유니폴라 또는 바이폴라 시리즈로 배선할 수 있고, 8선 모터는 유니폴라, 바이폴라 또는 바이폴라 병렬로 배선할 수 있습니다. 실제로 이러한 비고정형(uncommitted) 와이어 리드 방식이 사용되곤 하며, 이 경우 벤더는 사용자가 원하는 구성을 할 수 있도록 와이어 리드 연결 방법을 보여주는 구성 차트를 함께 제공합니다.

물론, 모터에 대해서는 일반적으로, 특히 스테퍼 모터에 대해서는 많은 것들이 제공되고 있는 일이 많습니다. 대부분의 벤더는 특정 솔루션만을 강요하기보다는 광범위한 제품 라인을 제공함으로써 사용자가 적합한 옵션을 선택할 수 있게 하고 있습니다. 많은 설계 엔지니어가 모터의 파라미터에 대한 전문성이 부족할 수 있다는 점을 고려하여, 벤더들은 스테퍼 모터의 기초, 크기 선택, 열 고려 사항, 최적화 등에 대해 유용한 애플리케이션 노트를 제공합니다. 이러한 자료들은 대부분 특정 벤더 제품에만 국한되는 내용이 아니라, 어떤 벤더의 모터 제품에든 적용 가능합니다. 또한 벤더들은 모터의 선택과 사용의 정성적인 측면뿐만 아니라 정량적인 사양에 특화된 애플리케이션 엔지니어들을 보유하고 있습니다.

모터 드라이버

스테퍼 모터가 정밀한 위치 결정에 실용적이고 적합함에도 불구하고, 광범위하게 채택되는 데 시간이 걸린 이유 중 하나는 필요한 드라이버와 코일 타이밍 관리 문제 때문이었습니다. 그러나 이 문제는 높은 수준의 임베디드 기능을 갖춘 IC가 등장하면서 해결되었습니다. 오늘날 많은 벤더들은 다양한 기능과 능력을 갖춘 스테퍼 모터 드라이버 IC를 제공합니다.

스테퍼 드라이버는 모션 관련 명령을 내리는 시스템 마이크로컨트롤러(MCU)와 프로세서 간의 인터페이스 역할을 합니다. 이 드라이버는 이러한 명령을 실행하여 모터에 대한 전류와 전압을 직접 관리하거나(그림 4), 또는 외부 MOSFET을 제어합니다.

기본 드라이버는 온칩 MOSFET 드라이버 및 MOSFET을 사용하여 모터 코일에 최대 1 또는 2암페어(A)의 전류를 제공합니다. 더 높은 전류나 전압이 필요한 스테퍼 모터의 경우, MOSFET 드라이버로 기능하는 다른 종류의 스테퍼 드라이버가 사용되며, 실제로 전류를 제어하고 모터에 전달하는 MOSFET은 포함하지 않습니다. 대신, 설계 엔지니어는 모터 및 프로젝트 요구 사항에 맞는 적절한 외부 MOSFET을 추가합니다. 일부 벤더는 광범위한 전압 및 전류 구동 능력을 갖춘 제품군을 제공하며, 일부 스테퍼 모터 컨트롤러는 더 넓은 온도 범위나 차량용 애플리케이션에 적합하도록 정격이 지정되어 있습니다.

결론

스테퍼 모터는 소형 저가형 프린터부터 차량의 파워트레인 제어와 같은 중요한 기능까지 광범위한 애플리케이션에 사용됩니다. 설계 엔지니어는 특정 모터를 선택하고 구성할 때 속도, 토크, 효율, 크기 및 비용 간의 균형을 맞춰야 합니다. 컨트롤러 IC는 다양한 수준의 관리 정교함과 알고리즘을 제공하며, 스테퍼 코일에 전력을 공급하는 내부 또는 외부 MOSFET 옵션도 제공합니다. 또한 벤더들은 사용자가 적절한 모터 및 컨트롤러 조합을 선택하고 제대로 작동하는 방법에 대해 도움이 될 만한 유용한 애플리케이션 노트와 가이드를 제공합니다.

출처:

[1] https://www.portescap.com/-/media/project/automation-specialty/portescap/portescap/pdf/whitepapers/wp_bipolar_drives_vs_unipolar_drives_for_stepper_motors.pdf