Stepper Motor _스텝모터

스텝모터(Stepper Motor) 기본 정보

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1. 정의

전기 펄스 신호를 받을 때마다 일정한 각도(Step) 만큼 회전하는 모터

DC 모터가 전기를 가하면 계속 뱅글뱅글 도는 것과 달리 스테퍼 모터는 “ 한칸, 두칸” 끊어서 움직이는것이 측징
-> 책에서 스테퍼 모터의 구조를 설명하는 그림 찾기 또는 직접 그려보기

2. 작동원리

스테퍼 모터의 내부에는 톱니 모양의 로터(회전자)와 그주위를 감싸는 스테이터(고정자) 전자기기가 있다.

1. 스테이터의 특정 코일에 전류를 흘려 자기장을 만든다.
2. 로터의 자석(금속 톱니)이 그 자기장에 이끌려 정렬된다.
3. 다음 코일로 전류를 옮기면 로터가 다음칸으로 이동한다.
4. 이과정을 빠르게 반복하면 부드러운 회전 운동이 된다.

3. 주요특징

1. 정밀한 위치제어 : 피드백 장치(엔코더) 없이도 입력된 펄스 수만큼 정확하게 회전합니다. 이를 오픈루프제어라고 합니다
   -> 오픈루프와 클로즈드 루프 엔코더는 무엇인가? 서보모터와 차이점은 무엇인가?
2. 강력한 유지 토크 ( Holding Torque) 정지상태에서도 모터가 위치를 고수하려는 힘이 강해 특정 위치에서 멈춰 있어야 하는 작업에 유리
3. 저속에서 고토크: 속도가 느릴때 큰힘을 낼 수 있다.
4. 반복 정밀도: 같은 동작을 반복했을 때 오차가 매우 적다.

4. 종류

1. PM 형 (permanent Magnet) 영구자석을 사용하며 보급형으로 가격이 저렴하고 토크 무난
2. Vt형 (Variable Reluctance) 자석대신 연철 로터를 사용합니다. 토크는 낮지만 관성이 작아 빠른 응답이 가능
3. HB형 (Hybrid) PMrhk VR의 장점을 합친 형태입니다. 고정밀 고토크를 구현하며 산업용으로 사용
   -> 이외에 42각, 17각 등 종류를 나누는 방법 설명하기

5. 탈조 (Step-Out)

스테퍼 모터의 유일한 약점 중 하나는 탈조입니다. 모터가 감당할 수 있는 부하보다 더 큰 힘이 걸리거나, 너무 빠르게 펄스를 주면 입력 신호와 실제 회전이 어긋나버리는 현상입니다. 이 경우 위치 오차가 발생하므로, 설계 시 적절한 토크 계산이 중요합니다.

 

 

스텝모터(Stepper Motor)를 구동하려면

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1. 필수 준비물 (하드웨어 구성)

단순히 모터에 전원을 연결한다고 도는 것이 아니라, 다음과 같은 **'제어 체인'**이 구성되어야 합니다.

1. 컨트롤러 (Controller): 펄스 신호를 생성합니다. (예: Arduino, Raspberry Pi, ESP32 등)
2. 모터 드라이버 (Motor Driver): 컨트롤러의 미세한 신호를 받아 모터를 돌릴 수 있는 큰 전류로 변환해줍니다. (예: A4988, DRV8825, TB6600 등)
3. 스테퍼 모터 (Stepper Motor): 가장 흔한 규격은 NEMA 17 사이즈입니다.
4. 외부 전원 (Power Supply): 모터는 전력을 많이 소모하므로 아두이노 전원과는 별도의 12V~24V 전압이 필요합니다.

2. 기본적인 연결 방식 (4선식 유니폴라/바이폴라)

가장 많이 쓰이는 바이폴라(Bipolar) 4선식 기준으로 설명해 드릴게요.

• A+, A- / B+, B-: 모터에서 나온 4개의 선은 두 개의 코일 쌍입니다. 드라이버의 각 핀에 맞게 연결해야 합니다.
• STEP 핀: 컨트롤러에서 이 핀에 신호를 한 번 줄 때마다 모터가 한 칸 움직입니다.
• DIR 핀: 이 핀의 신호(High/Low)에 따라 회전 방향이 결정됩니다.

→ 유니폴라와 바이폴라를 설명하는 그림 필요 -> DIR 핀, STEP 핀과 POUL+ - DIR +-, ENA+- 가 있는 것은 뭐가 다른가?

3. 제어 핵심: 마이크로스테핑 (Microstepping)

스테퍼 모터는 기본적으로 한 걸음에 1.8도(한 바퀴에 200걸음)씩 움직입니다. 하지만 드라이버 설정을 통해 이 한 걸음을 더 쪼갤 수 있는데, 이를 마이크로스테핑이라고 합니다.

• 장점: 진동과 소음이 획기적으로 줄어들고, 훨씬 부드러운 움직임이 가능해집니다.
• 설정: 드라이버에 있는 MS1, MS2, MS3 점퍼 핀을 조절하여 1/2, 1/4, 1/16, 1/32 등으로 나눌 수 있습니다.

4. 간단한 구동 로직 (Arduino 예시)

코딩의 논리는 매우 직관적입니다.

1. DIR 핀을 HIGH로 설정 (방향 결정)
2. STEP 핀에 HIGH 신호를 보냄
3. 아주 짧은 시간(예: 500ms) 대기
4. STEP 핀을 LOW로 설정
5. 다시 대기 (이 주기가 빠를수록 모터가 빨리 돕니다)

5. 실전 팁: 전류 제한(Current Limiting) 설정

드라이버(A4988 등)를 사용할 때 가장 중요한 단계입니다. 드라이버에 달린 작은 가변저항(Potentiometer)을 돌려 모터에 흐르는 전류를 제한해야 합니다.

• 제한하지 않으면 모터나 드라이버가 과열되어 타버릴 수 있습니다.
• 멀티미터를 사용해 Vref 전압을 측정하며 모터 사양에 맞게 맞춰주는 과정이 꼭 필요합니다.

 

 

 

 

1. 스텝모터 드라이버 선택하기

 

스텝모터의 전류를 확인하고 이에 맞는 스텝모터 드라이버를 선택해야한다.

 

만약 42각 짜리 모터 즉 40.5mm 스텝모터를 사용한다면 전류는 2.4A (Rated Current)이다.

이때 모터드라이버가 2.4A이상의 전류를 내보낼수 있어야 한다.

 

TB6600 모터 드라이브는 딥스위치라는 기능이 있어 안정적인 이송이 가능하다.

 

 

분해능설정

1번부터 3번 스위치는 분해능 설정(분해능이 무엇인가?

 

 

full step일경우 1.8 도 인데 이를 8분주로 나누게 되면 1번의 신호가 들어가면 0.225도가 움직인다. 그래서 한바퀴에 1600번의 신호가 들어간다.

 

4번부터 6번은 전류설정이다.

2.4A라면 5번 6번 스위치를 키면 된다.

 

 

 

첫번쨰로 구입했던 [itm] A4988 모듈이 왜 작동을 안했을까?

 

[itm] A4988 모터 드라이브의 데이터 시트

A4988 Stepper Motor Driver / 방열판 포함 / Voltage: 3V - 5.5V / Size: 21mm x 11mm

이런 모듈에는 반고정 저항이 있는데 전류를 설정할 수 있습니다.

 

DRV8825 모터 드라이브의 데이터 시트

• 간단한 스텝 및 방향 제어 인터페이스
• 6단계 해상도 : 풀 스텝, 하프 스텝, 1/4 스텝, 1/8 스텝, 1/16 스텝, 1/32 스텝
• 전류 제어가 가능하여, 포텐셔미터를 사용해 최대 출력 전류를 설정이 가능
• 스텝 모터의 정격 전압보다 높은 전압 사용으로 보다 높은 스텝 속도를 얻을 수 있습니다.
• 정격 전압 : 8.2V - 45V
• 최대 공급 전압 : 45V
• 정격 전류 : 2.5A
• 3.3V 및 5V 시스템과 직접 인터페이스 가능
• 내장 레귤레이터(외부 로직 전압 전원이 필요없음)
• 과온 과열 셧다운, 과전류 셧다운 및 저전압 셧다운
• 단락 - 접지 및 단락 - 부하보호
• Size: 20mm x 15mm