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아이씨엔 뉴스

고정밀 모션 컨트롤을 위한 스테핑 모터의 기술 발전이 급속하다

오늘날의 모션 컨트롤 애플리케이션 분야에서 서보 모터 만큼이나 고정밀 스테핑 모터가 부상하고 있다. 몇 년전 까지만 해도 스테핑 모터의 영역과 서보 모터의 영역이 확실하게 구분되었으나, 최근 들어 스테핑 모터의 서보화가 급속하게 진행되면서 고정밀 스테핑 모터와 서보 모터가 속도 및 위치결정 애플리케이션 분야에서 경쟁하기에 이르렀다. 

글_ 오승모 기자

 

 스테핑 모터는 펄스 신호의 지령에 의해 결정된 기계적 각도로 회전하는 모터를 의미한다. 특히 펄스 신호의 주파수에 비례하여 회전속도가 증가하는 동기 모터의 특징을 가지고 있어 광범위한 속도 제어기로서 그 적용분야를 점차 넓혀가고 있다. 스테핑 모터는 정해진 순서대로 고정자 코일을 여자(자석을 자극)하면, 그때마다 일정 각도 만큼 스텝 회전하는 구조를 가진 모터로서 회전각도와 속도를 정밀하게 제어할 수 있다는 장점을 가진다. 

위치 결정 제어에 DC모터 등 서보 모터를 사용할 경우, 어떤 각도 위치에 회전자를 유지시켜 두기 위해서는 끊임없이 정/역전류를 보내는 브래이크가 필요하다. 그러나 스테핑 모터에서는 여자를 유지하는 만큼 홀딩 토크를 얻을 수 있다. 또한 퍼머넌트형과 하이브리드형 스테핑 모터에서는 여자를 유지하는 만큼 홀딩 토크를 얻을 수 있으며, 퍼머넌드형과 하이브리드형 스테핑 모터에서는 여자를 끊어버려도 디텐트(Detent) 토크를 얻을 수 있으므로 정확한 위치 결정 제어가 가능하다. 

스테핑 모터는 AC 서보 또는 DC 서보 모터에 비해서 가격이 저렴하고 정확한 각도 제어에 유리하기 때문에 각종 사무용기기나 공장자동화용 장비에 널리 사용된다. 일반적으로 기계적인 이동량을 정밀하게 제어하는 작업에 DV 서보 모터나 스테핑 모터가 많이 사용되고 있으며, 특히 펄스에 의해 디지털적으로 제어하는 것이 가능하여 마이컴에서 사용하기에 적합하다. 

스테핑 모터가 DC 모터나 AC 모터와 크게 다른점은 샤프트의 위치를 검출하기 위해 인코더와 같은 별도의 피드백 신호없이 정해진 각도를 회전하고 상당히 정밀한 정확도로 정지할 수 있다는 것이다. 정지시 매우 큰 유지토크가 있기 때문에 전자 브레이크 등의 위치 유지기구를 필요로 하지 않는다. 또한 회전속도도 펄스비에 비례하기 때문에 간편하게 제어할 수 있어 서보 모터에 비해 아주 저렴하면서도 저가의 정밀 위치 제어기를 구성할 수 있다는 이점이 있다. 그러나 보통의 드라이브로 구동시 권선의 인덕턴스 영향으로 인해 권선에 충분한 전류를 흐르게 할 수 없기 때문에 펄스 비가 상승함에 따라 토크가 저하하며 DC모터에 비해 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

 

스테핑 모터의 분류 


 20세기에 들어오면서 스테핑 모터의 발명이 속속들이 이루어지고 있다. 미국 맥코이(Andrew T,MacCoy)는 전기 타자기(typewrite)용 모터로서, 회전방지의 라쳇(Rachet, 역전방지기구)이 달린 1스텝 30°의 영구자석형 모터를 발명했다. 1923년에는 스코틀랜드의 프렌치(James Weir French)에 의해 3상 VR형 스테핑 모터가 발명되고, 이때부터 스테핑 모터의 명칭이 사용되었다.

 1964년의 BASIC(Beginner's All-Purpose Symbolic Instruction code)의 탄생과, 1971년의 마이컴(Micro Computer)의 출현에 이은 퍼스컴의 출현에 의해, 그 단말기기인 프린터나 플로피 디스크 장치의 구동모터로서, 그 사용량이 급증하고 디지털 제어 기술의 진보와 더불어 자동 기계 장치의 구동원으로 활발한 수요가 진행되고 있다. 


스테핑 모터를 구조면에서 분류하면

 ① 가변 릴럭턴스형(Variable-Reluctance Type) 스테핑 모터

 ② 영구자석형(Permanent Magnet Type) 스테핑 모터

 ③ 하이브리드형(Hybrid Type) 스테핑 모터 등 세 개의 타입으로 대별된다.

 

가변 릴럭턴스형 스테핑 모터 이 타입은 간단히 머릿글자를 따서 VR형 스테핑 모터라고 불리고 있다. 역사적으로 19세기 중경부터 아주 기초적인 구조를 한 모터라고 할 수 있다. 그 구조는 고정자와 회전자에는 모두 일정 간격의 돌극기어가 배치되어 있고, 코일을 여자함에 따라 고정자와 회전자의 같은 돌극기어가 일직선상으로 일치하려 하는 힘을 이용하여, 스텝상의 회전력을 얻는 타입의 모터이다. 아래 그림에 표시되어 있는 모터는 3상 종속(Cascade) VR형 모터의 한 예이다.

 A, B, C의 각 자극에는 각각 12매의 돌극치가 설치되어 있고, A자극, B자극, C자극의 같은 기어는 10°씩 간격이 어긋나 축방향으로 겹쳐져 있다. 영구자석형 스테핑 모터 이 타입은 PM형 스테핑 모터라고도 불리며, 회전자에 영구자석을 이용한 구조의 스텝핑 모터이다. 1 차적으로는 그림처럼 고정자에는 프레스 가공에 의해 톱니(Claw)기어 형상의 기어극이 이용되며, 회전자에는 원주방향으로 여러 개의 자석이 이용되고 있는 저가의 모터를 가리키는 경우가 많다.

 하이브리드형 스테핑 모터 이 모터는 복합형 스테핑 모터 또는 HB형 스테핑 모터라고 불린다. 중심부의 자석 효과만을 보면 PM형 모터이며, 자석이 없는 연자성체만을 보면 VR형 모터가 된다. 때문에 이러한 의미에서 HB형은 VR형과 PM형 모터를 결합시킨 구조이다. VR형 모터의 회전자측이나 고정자측에 영구자석을 배치하여 공극(Airgap)부에 직류 바이러스 자계를 발생시킴에 의해 출력 토크를 증가시켜 효율을 향상시키고 있다. 


스테핑 모터 시장 동향 


스테핑 모터는 기존 OA기기 및 PC 주변기기 중심의 활용에서 출발하여 정밀기기, 분석기기, 의료기기 및 공장자동화 기기에서의 활용 폭이 점차 증가하고 있다. 또한 최근에는 작동완구와 같은 오락기기 분야에서의 활용도 크게 늘고 있는 것으로 나타나고 있다. 그리고 자동차에서의 스테핑 모터 적용도 완성차 업체들로부터 다양하게 추진되고 있어 주목된다. 미국 및 유럽의 완성차 업체 및 전장업체를 중심으로 저전력 고효율 소형 모터인 스테핑 모터를 조향 모듈이나 에어컨 방향조절 모듈 등에 채용하기 위해 적극적인 노력을 기울이고 있다.

 국내 스테핑 모터 주요 개발업체로는 모아텍을 비롯하여 삼홍사, 삼성전기, 마스터정밀, 협진정밀, 제일엔지니어링 등이 있다. 이들 업체들은 주로 PC 및 사무기기 등의 정보통신분야에 주력하고 있으며, 이들 시장이 전체 스테핑 모터 시장의 70% 이상을 점유하고 있다. 가전 및 정보기기 관련 스테핑 모터의 시장은 꾸준한 모터 물량의 증가에도 불구하고 모터 가격의 하락폭도 그만큼 크기 때문에 시장규모면에서의 큰 성장은 기대하기 어려운 형편이다.

 그러나 반도체 디스플레이 제조장치 및 공장자동화 기기 분야에서의 스테핑 모터는 새로운 적용범위와 분야를 계속 늘려가고 있어 향후 시장성장 폭도 상당할 것으로 분석된다. 현재 공장자동화 관련 위치 결정기구로 주로 사용되는 스테핑 모터는 5상 하이브리드형 스테핑 모터이다.

 고정도, 고토크의 고특성을 가지는 5상 스테핑 모터는 반도체, 정밀기기 등의 위치 제어 시스템의 핵심장비로서 기존 서보모터의 영역을 잠식해 가고 있는 중이다. 일반적으로 1,000 rpm 이하의 저속 컨트롤에서는 스테핑 모터가 서보 모터에 비해서 유리하다는 것일 일반적인 의견이다.

 국내 5상 스테핑 모터 시장은 70~80억원 정도를 보이고 있으며, 전체 5상 시장의 50% 이상을 오리엔탈모터가 확보하고 있다. 여기에 국산업체인 오토닉스와 한국 마쓰루가 오리엔탈모터와 본격적인 경쟁체제에 돌입한 상태이다. 고정밀의 5상 스테핑 모터는 오토닉스, 오리엔탈모터, 한국마쓰루, 산요, 제이씨인터내쇼날 등이 적극적인 국내 시장 공략에 나서고 있다. 그리고 오토닉스만이 5상 스테핑 모터 개발을 완료하고 지난해부터 본격적인 마케팅 활동에 들어갔으며, 릴레이 스위치 등의 단품 위주 사업에서 5상 스테핑 모터 시장 진출을 계기로 자동화 시스템 공급업체로 거듭하고 있는 중이다.

 오리엔탈모터의 알파 스텝((-Step)은 고정밀 위치제어용 스테핑 모터로써의 트렌드를 제시한 제품으로 스테핑 모터와 서보 모터의 틈새시장에서 큰 반향을 일으키고 있다. (-Step은 스테핑 모터에 위치 검출기를 탑재하고, 신기술 ROTOR를 통해 스테핑 모터의 사용 편리성과 서보 모터의 신뢰성을 결합한 CLOSED LOOP 제어용으로 개발되었다.

 한편 오토닉스는 최근 들어 특수 타입의 스테핑 모터를 적극 출시하고 있어 주목된다. 브레이브 및 기어 타입의 5상 스테핑 모터를 출시한 데 이어, 로터리 액추에이터 타입 스테핑 모터를 출시하여 반도체 라인에서의 로터리 시장을 적극 대체해 나간다는 구상이다. 이 모터는 스테핑 모터와 원형 감속 시스템이 일체형으로 설계된 제품으로 주로 반도체 장비의 웨이퍼 및 소자 이송용으로 적합하다. 특히 기존 유공압식으로 구동하거나 상용 모터에 기계적 구조물을 부착하여 구동하는 인덱스 테이블 및 유동 Arm 등의 매개부품을 배제시켜 사용자가 간단히 탈부착이 가능해 편리한 적용 장비의 구조 개선 및 작업공간을 절약할 수 있다.

 


향후 기술 개발 전망

 


스테핑 모터의 제어방식인 오픈 루프 제어의 단점인 탈조 여부와 위치 피드백 요소가 없는 부분을 보완하고, 서보의 장점과 스텝의 장점을 합한 스테핑 모터 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 또한 드라이버, 컨트롤러, 모터가 일체화된 기기개발도 활발하게 진행중이며, 취부공간 활용 및 제어의 간편함을 활용한 인코더에 의한 피드백 기능형의 스테핑 모터도 출시되고 있다.

 향후에는 스테핑 모터의 활용범위와 응용분야가 더욱 증가할 것으로 예상된다. 특히 제작에 있어서는 하우징과 어셈블리 기술에 대한 연구개발이 활발하다. 스테핑 모터의 특성 향상 노력으로는 위치 제어의 미세조정, 높은 토크 특성, 스텝 동작 안정화, 코깅 토크 저감, 회전자의 회전 오차 감소, 회전자의 위치 결정 정밀도, 소형 경량화, 회전속도의 정속성, 진동감소, 소음 감소 및 출력 증가 등에 대한 기술개발이 예상되고 있다.

 특히 국내 LCD 디스플레이 산업에서의 고정밀 위치 제어기에 대한 수요가 크게 증가하고 있는 가운데, LCD 장비 및 반도체 장비, 정밀기기, 전자조립기, 정밀 계측기, 인덱스 테이블 등의 각종 제어기기용 구동체로써 5상 스테핑 모터의 활용이 적극 기대된다. 


2005년 기사 작성