정밀하고 오류 없는 데스크톱 CNC 머신을 제작하든, 부드럽게 움직이는 로봇 팔을 제작하든, 흥미로운 프로젝트를 시작할 때 올바른 핵심 동력 부품을 선택하는 것이 성공의 열쇠가 되는 경우가 많습니다. 수많은 실행 부품 중에서도 마이크로 스테퍼 모터는 정밀한 개방 루프 제어, 뛰어난 토크 유지력, 그리고 비교적 저렴한 비용으로 인해 제작자, 엔지니어, 그리고 제조업체들이 선호하는 선택이 되었습니다.
하지만 다양한 모델과 복잡한 매개변수를 고려할 때, 로봇이나 CNC 기계에 가장 적합한 마이크로 스테퍼 모터를 어떻게 선택해야 할까요? 잘못된 옵션을 선택하면 정확도가 떨어지거나, 출력이 부족하거나, 심지어 프로젝트 실패로 이어질 수 있습니다. 이 가이드는 모든 핵심 요소를 명확히 파악하고 현명한 결정을 내릴 수 있도록 단계별로 안내하는 최고의 선택 지침서가 될 것입니다.
1단계: 핵심 요구 사항 이해 - 로봇과 CNC의 근본적인 차이점
매개변수를 검토하기 전에 모터에 대한 적용 시나리오의 핵심 요구 사항을 명확히 해야 합니다.
로봇 프로젝트(로봇 팔, 모바일 로봇 등):
핵심 요건은 동적 반응, 무게, 크기, 그리고 효율성입니다. 로봇의 관절은 빈번한 기동, 정지, 가변 속도 및 방향 전환을 필요로 하며, 모터의 무게는 전체 부하와 전력 소비에 직접적인 영향을 미칩니다.
주요 지표: 토크 속도 곡선(특히 중속~고속 토크)과 출력 대 중량 비율에 더 많은 주의를 기울이세요.
CNC 공작 기계(3축 조각기, 레이저 절단기 등):
핵심 요건은 추력, 평활도, 토크 유지, 그리고 정밀성입니다. CNC 공작 기계는 절삭 또는 조각 작업 시 높은 저항을 극복하고, 진동을 방지하기 위해 부드러운 움직임을 유지하며, 정확한 위치 결정을 해야 합니다.
주요 지표: 저속에서 토크를 유지하는 데 더 많은 주의를 기울이고, 진동을 줄이기 위한 마이크로 스텝 분해능과 모터 강성을 강화하세요.
이러한 근본적인 차이점을 이해하는 것은 이후의 모든 선택 결정의 기초가 됩니다.
2단계: 마이크로 스테퍼 모터의 5가지 핵심 매개변수 해석
데이터 매뉴얼에서 주의해야 할 핵심 매개변수 5가지를 소개합니다.
1. 크기와 토크 - 강도의 초석
크기(기계베이스 번호): 일반적으로 밀리미터(예: NEMA 11, 17, 23)로 표시됩니다. NEMA 표준은 모터의 성능이 아닌 설치 치수를 정의합니다. NEMA 17은 데스크톱 로봇과 CNC에 가장 널리 사용되는 크기로, 크기와 토크의 균형을 잘 이루고 있습니다. 작은 NEMA 11/14는 경부하 로봇 관절에 적합하고, 큰 NEMA 23은 대형 CNC 공작 기계에 적합합니다.
토크 유지: 단위는 N·cm 또는 Oz·in입니다. 이는 모터가 회전하지 않고도 전원을 공급할 수 있는 최대 토크입니다. 모터의 강도를 측정하는 데 가장 중요한 지표입니다. CNC 공작 기계의 경우 절삭력을 견딜 수 있는 충분한 유지 토크가 필요합니다. 로봇의 경우, 관절에 필요한 최대 토크를 계산해야 합니다.
필요한 토크를 어떻게 추정하나요?
CNC 공작 기계의 경우, 대략적으로 최소 20~30N(약 2~3kg)의 축방향 추력을 제공할 수 있는 토크가 필요합니다. 이 토크는 스크류의 리드와 효율을 통해 변환되어야 합니다. 로봇의 경우, 암 길이, 하중 무게, 가속도 등을 기반으로 복잡한 동적 계산이 필요합니다. 마찰이나 관성과 같은 불확실한 요인에 대처하기 위해 30~50%의 토크 여유를 두어야 합니다.
2.스텝 각도와 정확도 - 스텝의 영혼
스텝 각도: 1.8° 또는 0.9°와 같은 각도입니다. 1.8° 모터는 200스텝마다 한 번씩 회전하는 반면, 0.9° 모터는 400스텝이 필요합니다. 스텝 각도가 작을수록 모터의 고유 정확도가 높아집니다. 0.9° 모터는 일반적으로 저속으로 작동할 때 더 부드럽습니다.
3. 전류 및 전압 - 드라이버 매칭
상 전류: 단위는 암페어(A)입니다. 이는 모터의 각 상 권선이 견딜 수 있는 최대 정격 전류입니다. 이 매개변수는 어떤 드라이브를 선택해야 하는지를 직접적으로 결정합니다. 드라이버의 출력 전류 용량은 모터와 일치해야 합니다.
전압: 모터는 일반적으로 정격 전압에 따라 정격이 정해지지만, 실제 작동 전압은 드라이버에 의해 결정되는 것보다 훨씬 높을 수 있습니다. 전압이 높을수록 모터의 고속 성능이 향상됩니다.
4. 인덕턴스 및 고속 성능 - 쉽게 간과되는 핵심 요소
인덕턴스는 모터의 고속 토크에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 인덕턴스가 낮은 모터는 전류를 더 빨리 생성하여 고속에서 더 나은 성능을 발휘합니다. 로봇의 관절을 빠르게 회전시키거나 CNC 기계의 이송 속도를 높여야 하는 경우, 인덕턴스가 낮은 모델을 우선적으로 선택해야 합니다.
5. 샤프트 유형 및 인출 라인 방식 - 기계적 연결 세부 사항
샤프트 유형: 광축, 단일 플랫 샤프트, 이중 플랫 샤프트, 기어 샤프트. D형 트리밍(단일 플랫 샤프트)이 가장 일반적이며 커플링의 미끄러짐을 효과적으로 방지할 수 있습니다.
발신 방법: 직접 출력 또는 플러그인 방식. 플러그인 방식(예: 4핀 또는 6핀 항공 헤드)은 설치 및 유지 관리가 편리하며, 보다 전문적인 선택입니다.
3단계: 없어서는 안 될 파트너 - 스테퍼 모터 드라이버를 선택하는 방법
모터 자체는 작동하지 않으므로 스테퍼 모터 드라이버와 함께 사용해야 합니다. 드라이버의 품질은 시스템의 최종 성능을 직접적으로 결정합니다.
마이크로스텝: 전체 스텝을 여러 개의 마이크로 스텝(예: 16, 32, 256 마이크로 스텝)으로 세분화합니다. 마이크로 스텝핑의 주요 기능은 모터 동작을 매우 부드럽게 하여 진동과 소음을 크게 줄이는 것입니다. 이는 CNC 공작 기계의 표면 품질에 매우 중요합니다.
현재 제어: 우수한 드라이버는 자동 반전류 기능을 갖추고 있습니다. 모터가 정지 상태일 때 전류를 자동으로 줄여 발열과 에너지 소비를 줄입니다.
일반적인 드라이버 칩/모듈:
입문 수준: A4988- 가격이 저렴하여 간단한 로봇 프로젝트에 적합합니다.
주류 선택: TMC2208/TMC2209 - 무소음 구동(StealthShop 모드)을 지원하고, 매우 조용하게 작동하며, CNC 공작 기계에 적합한 선택이며, 더욱 진보된 제어 기능을 제공합니다.
고성능: DRV8825/TB6600- 더 높은 전류와 전압을 지원하므로 더 큰 토크가 필요한 애플리케이션에 적합합니다.
기억하다: 훌륭한 운전자는 모터의 잠재력을 최대한 활용할 수 있습니다.
4단계: 실제 선택 과정 및 일반적인 오해
4단계 선택 방법:
부하 정의: 기계를 움직이는 데 필요한 최대 중량, 필요한 가속도, 속도를 명확하게 정의하세요.
토크를 계산하세요: 온라인 토크 계산기나 기계 공식을 사용하여 필요한 토크를 추정하세요.
모터의 예비 선택: 토크와 크기 요구 사항을 기반으로 2~3개의 후보 모델을 선택하고 토크 속도 곡선을 비교합니다.
매치 드라이버: 모터의 위상 전류와 필요한 기능(예: 음소거, 고분할)에 따라 적절한 드라이버 모듈과 전원 공급 장치를 선택하세요.
일반적인 오해(구덩이 피하기 가이드):
오해 1: 토크가 클수록 좋습니다. 토크가 과도하면 모터가 커지고, 무게가 무거워지며, 전력 소비가 증가하여 로봇 관절에 특히 해롭습니다.
오해 2:토크 유지에만 집중하고 고속 토크는 무시하세요. 모터는 저속에서는 토크가 높지만, 속도가 증가함에 따라 토크가 감소합니다. 토크 속도 곡선표를 꼭 확인하세요.
오해 3: 전원 공급 부족. 전원 공급은 시스템의 에너지원입니다. 전원 공급이 약하면 모터가 최대 성능을 발휘할 수 없습니다. 전원 공급 전압은 드라이버 정격 전압의 중간값 이상이어야 하며, 전류 용량은 모든 모터 상 전류 합의 60% 이상이어야 합니다.
5단계: 고급 고려 사항 – 폐쇄 루프 시스템을 고려해야 하는 경우는 언제인가요?
기존 스테퍼 모터는 개루프 제어 방식을 사용하는데, 부하가 너무 커서 모터의 "스텝 손실"을 유발하더라도 컨트롤러가 이를 감지할 수 없습니다. 이는 상업용 CNC 가공과 같이 100% 신뢰성이 요구되는 애플리케이션에 치명적인 결함입니다.
폐루프 스테퍼 모터는 모터 후단에 인코더를 통합하여 실시간으로 위치를 모니터링하고 오류를 수정할 수 있습니다. 스테퍼 모터의 높은 토크와 서보 모터의 신뢰성이라는 장점을 모두 갖추고 있습니다. 프로젝트가 다음과 같은 경우:
편차의 위험은 허용되지 않습니다.
모터의 최대 성능을 최대한 활용하는 것이 필요합니다(폐쇄 루프는 더 높은 속도를 제공할 수 있습니다).
상업용 제품에 사용됩니다.
그러므로 폐쇄 루프 스테퍼 시스템에 투자하는 것은 가치가 있습니다.
결론
로봇이나 CNC 기계에 적합한 마이크로 스테퍼 모터를 선택하는 것은 기계, 전기, 제어 측면을 종합적으로 고려해야 하는 시스템 엔지니어링입니다. '최고의' 모터는 없으며, '가장 적합한' 모터만 있을 뿐입니다.
핵심 사항을 요약하자면, 적용 시나리오부터 로봇은 동적 성능과 무게를 우선시하는 반면, CNC 공작 기계는 정적 토크와 안정성을 우선시합니다. 토크, 전류, 인덕턴스라는 핵심 매개변수를 확실히 이해하고, 우수한 드라이버와 충분한 전원 공급 장치를 갖추십시오. 이 글의 지침을 통해 다음 프로젝트를 위한 완벽한 선택을 확신하고, 여러분의 작품이 정확하고 강력하며 안정적으로 작동하도록 하시기 바랍니다.
게시 시간: 2025년 9월 25일