고 토크 2相 스텝핑 모터 ‘PKP 시리즈’
2상 스텝핑 모터는 위치와 속도를 펄스 신호를 사용하여 쉽게 제어할 수 있다. 또한, 센서가 없기 때문에 저가이고 GAIN 조정이 필요치 않아서 자주 모션 제어용으로 사용된다. 여기에서는 2상 스텝핑의 동작원리와 토크 특성과 같은 기본적인 내용을 설명하고 ORIENTAL MOTOR의 고 토크 2상 스텝핑 모터로 새롭게 등장한 ‘PKP 시리즈’를 소개한다. PKP 시리즈는 콤팩트한 크기, 낮은 발열 및 저전력화를 실현했다.
고 토크화 실현
PKP 시리즈는 기존의 PK 시리즈보다 높은 토크를 실현한 모터이다.
철심의 자속 밀도를 최적화하고 권선이 들어가는 부분의 면적을 크게 취하는 것으로, 고 토크를 실현했다.
그림 1은 PK 시리즈 PK244-01B와 PKP 시리즈 PKP 244U12B-L의 토크 특성을 보여준다.
두 가지 모터 모두 같은 각 42mm이지만, PKP 시리즈는 주로 저속 영역에서 높은 토크가 발생한다. PK 시리즈를 사용하고 있었다면, PKP 시리즈로 그대로 대체함으로써 필요 전력에 대한 여유가 생긴다.
소형·공간 절약화
PKP 시리즈는 앞서 언급했듯이, 기존의 PK 시리즈와 비교해 같은 사이즈로 고 토크를 실현한 모터이다. 그 예로서 그림 2는 기존 제품 PK264-01B(설치 치수 56.4mm)와 PKP 시리즈 PKP244U12B-L(설치 치수 42mm)의 속도 - 토크 특성을 보여준다.
모터의 크기는 작지만 거의 동등한 토크가 출력되는 것을 알 수 있다. 따라서 PK264-01B에서 PKP244U12B-L로 대체 할 수 있다(그림 3 참조). 따라서 모터에 필요한 공간을 줄일 수 있으며, 여러 축 모터를 사용하는 경우, 장치 전체의 소형화가 가능하다.
소형화가 되어 장치의 무게가 가벼워졌기 때문에, 모터가 함께 움직이는 장치에서는 고속화가 가능하다.
저 발열·전력 절감
그림 4는 전류 값을 변화시켰을 때의 속도 - 토크 특성이다. 전류 값을 1.2A/相, 1A/相, 0.8A/相으로 변화시켰을 때 그 비율에 비례하여 토크도 변화하고 있다.
정격 전류 1.2A/相의 PKP 시리즈인 PKP244U12B-L을 정격 전류의 2/3인 0.8A/相의 전류 값으로 구동시켰을 때, 같은 크기 정격 전류 1.2A/相의 PK 시리즈 PK244-01B를 정격 전류로 구동했을 때와 동등한 토크가 되고 있다. 따라서 PK 시리즈에서 PKP 시리즈로 대체하면 전류가 1.2A에서 0.8A로 감소하게 된다.
전류를 낮추면 모터의 입력과 손실도 감소하기 때문에 발열이 저하한다. 그림 5는 PKP 시리즈와 PK 시리즈의 토크를 동등하게 한 경우 모터 케이스의 온도 상승 특성을 나타낸다.
PKP 시리즈가, PK 시리즈보다 외피온도가 18.2℃ 낮은 결과를 확인할 수 있다. 스텝핑 모터는 제어용 모터로써 위치 결정 용도에 사용되는 경우가 많다. AC 모터와 같이 지속적으로 운전하면 모터 내부의 온도가 상승한다. 오리엔탈 모터는 모터 내부의 권선 온도가 80℃ 이하로 될 수 있도록 권장하고 있다. 그러나 고객이 모터 내부의 권선 온도를 측정할 수 없기 때문에, 기준으로 모터 케이스 온도를 100℃ 이하로 한다(발열이 장비의 성능에 직접적으로 영향을 주는 경우에는 α-step AR 시리즈의 기술을 응용하여 발열을 줄인 고 토크·고효율 2상 스텝핑 모터 PKE244B-L을 권장한다).
또한, 발열이 감소하면 모터의 수명이 증가할 수 있다. 모터의 설계 수명을 크게 좌우하는 것이 Bearing의 수명이다. Bearing의 수명은 아래의 2종류로 나타낼 수 있다.
① Grease가 열에 의해 열화되는 Grease 수명
② 운전피로에 의한 기계적 수명
모터에서는 대부분의 경우 Bearing에 가해지는 하중으로 인한 기계적 수명의 영향보다, 발열이 Grease 수명에 미치는 영향이 커서, ①의 Grease 수명이 지배적이다. 이 Bearing Grease 수명에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 온도로, 수명시간이 크게 좌우된다. 이것을 간단히 표현한 것이 그림 6이다.
그림 6은 Bearing의 온도가 15℃ 상승할 때마다 Bearing Grease 수명이 반감되는 것을 보여주고 있다.
진동 특성과 각도의 정확도
스텝핑 모터는 그림 7에 나타난 진동 특성을 가지고 있다. DC TACO GENERATOR(속도에 비례한 전압이 출력되는 직류 발전기)를 이용하여 각 회전 속도에서 스텝핑 모터의 진동을 진동 성분 전압으로 측정한 결과이다. 진동 성분 전압이 높을수록 모터의 진동이 큰 것을 나타내고 있다. 진동이 가장 큰 주파수를 공진 주파수라고 부른다.
공진 주파수 속도에서는 소음과 탈조의 원인이 되는 경우가 있으므로, 이 영역을 피해 운전하는 것이 일반적이다. 모터의 진동을 줄이려면 모터에 DAMPER를 부착하거나 운전 전류를 낮추고 MICRO STEP 구동을 하는 등의 방법이 있다.
스텝핑 모터의 정밀도를 나타내는 지표로서 오리엔탈 모터에서는 ‘정지각도 오차’로 표현한다. 이것은 어떤 점을 원점으로 360° 회전 각 단계에 대해 실제 정지 위치와 이론적 정지 위치의 차이를 측정한 것이다.
그림 8은 사양 값이 ±3분(±0.05°)인 PKP 시리즈 PKP244U12B-L에서 정지각도 오차를 측정한 결과, 규격 값의 약 반인 ±0.028°가 되었다. 이 정도를 실현하기 위해 부품에 미크론 단위의 정밀한 가공을 하고 있다.
다양한 제품 라인업
2상 스펩핑 모터에는 두 가지 구동 방식이 있다. 여자 전류의 방향이 단방향으로 되며 회로 구성이 간단한 Unipolar 구동과 여자 전류의 방향이 양방향으로 되며 Unipolar 구동에 비해 저속 토크가 높은 Bipolar 구동이 있다. 그림 9는 Unipolar 구동과 Bipolar 구동의 결선도를 보여준다.
Unipolar 구동 결선에서 Bipolar 구동 결선하면 결선 개수가 6개에서 4개가 된다. Unipolar 구동에 대해 Bipolar 구동은 2배 권선을 사용하여 구동하고, 입력이 동일한 경우에 토크는 사용하는 권선량의 제곱근에 비례하기 때문에 토크는 √2배가 된다. Unipolar 구동 회로는 Switching Transistor가 하나의 코일당 2개로 되어 있다. 그래서 Bipolar 구동 회로에 비해 비용이 낮기 때문에 전부터 많이 사용되어 왔다.
현재는 저렴한 Bipolar 드라이버 IC가 각 사에서 판매되고 있다. 두 가지 구동 방식도 사용할 수 있도록 오리엔탈 모터에서 스텝핑 모터는 PKP 시리즈를 비롯해 각 모터 크기에서 Unipolar 결선과 Bipolar 결선의 두 종류를 준비하고 있다.
또한, 표준형의 라인업에 설치 치수 20mm, 28mm, 38mm도 준비되어 있으며, SH Geared 타입도 갖추었다.
SH Geared 타입의 경우, 설치 치수 28mm, 42mm, 60mm로 감속비 7.2, 9, 10, 18, 36가 준비되어 있다. 백래시의 경우 최대 1.5도이며, 허용 속도범위도 기존 제품보다 넓어져 사용이 더욱 간편해졌다.
PKP 시리즈는 기존 제품보다 높은 토크를 얻을 수 있다. 고 토크가 필요한 경우에도 소형 모터로 대체, 공간 절약과 경량화에 도움이 될 수 있다. 또한, 저발열·저전력 대응이 가능하다. 그리고 감속기 부착 타입을 적용함으로써 대관성부하 구동에도 적용할 수 있다.
PKP 시리즈는 6종류의 감속기 타입이 준비되어 있어 기구적인 감속을 위해 별도 기구부를 설계, 제작하는 등의 시간을 최소화할 수 있다.
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인아오리엔탈모터 기술연구소
