스텝 모터의 이해

스테핑 모터를 구동할 때에는 우선 모터의 상여자에 대해 해설해 둘 필요가 있다. 사용하려고 하는

모터는 몇 상 모터인가, 어떤 여자방법으로 할 것 인가라 는 점을 잘못하면 정확한 회전을 시킬 수

없다. 그래서, 모터의 내부를 조금 관계해서 모터의 상여자의 구조에 대해 고찰해 보자.

1. 모터의 권선 구조에서 결정된다.

스테핑 모터의 구동 방법은 그 권선 코일에 어떤 형태로 전류를 흐르게 하는가에 따라 구별되고 있다.

이것은 모터의 종류에 따라서도 달라지지만, 가장 많이 사용되고 있는 PM 형이라고 불리우는 스테핑

모터로서 스텝각 90°의 경우를 예로 설명한다.

그림 1 : 스테핑 모터의 권선 구조 (PM 형)

그림 1 이 PM형 4 상 모터의 권선 구조이다. 스텝각은 90°이지만 각도가 작은 모터에서도 기본적인

구조나 사고 방식은 같다. 이 예의 경우는 각각 상대하는 고정자 (스테이터)의 이빨에 코일이 두

가닥씩 감겨져 있다. 또, A' 와 A' 가 B' 와 B'가 각각 코일선으로서 외부로 나와 있는 모터도

수많이 있다. 이 모터의 코일에 전류를 어떻게 흘리는 가에 따라 구동 (상여자) 방법이 달라지는

셈이다. 그리고, 일반적으로는 유니폴러 구동과 바이폴러 구동으로 구별할 수 있다.

내용 스텝각 입력 특징 입력 펄스와 각상 전류의 관계

유니폴러

1 상여자

항상

하나의

상에만

전류를

흐르게

하는

방식

θ

(폴 스텝)

P

입력이 1 상 뿐이므로 모터의

온도 상승이 낮고, 전원이

낮아도 된다. 출력 토크는

크지만 스텝했을 때에 감쇠

진동이 크고 난조를 일으키기

쉬우므로 광범위한 스텝

레이트로 회전 시킬 때는

주의를 요한다.

유니폴러

2 상여자

항상

2 개의

상에

적류를

흐르게

하는

방식

θ

(폴 스텝)

2P

항상 2 상이 여자되어

있으므로 기동 토크가

주어져 난조가

일어나기 어렵다. 상

전환시에도 반드시

1 상은 여자되어

있으므로 동작시에

제동 효과가 있다.

다만, 모터의 온도

상승이 있고 1 상

여자에 비해 배의 전원

용량을 필요로 한다.

유니폴러

1-2

상여자

하나의

상과

2 개의

상을

교대로

전류를

흐르게

하는

방식

θ/2

(하프

스텝)

1.5P

1 상, 2 상 여자의

용량을 특징을 가지며

스텝각이 1 상, 2 상에

비교해서 1/2 이 된다.

응답 스텝 속도는

1 상, 2 상 여자의 2

배가 된다.

표 1: 4 상 모터의 유니폴러 구동

2. 유니폴러 구동이란

그림 2 가 유니폴러 구동 회로예이다. 각각의 코일에 1 개의 트랜지스터가 접속되고 트랜지스터를 ON

하는 것으로서, 각 코일에 전류를 흐르게 한다. 또, 그림을 보아 알 수 있듯이 1 방향만의 코일에는

전류 (A' → A, A' → A , B' → B, B' → B)밖에 흐르지 않는다. 이와 같이 코일에 1 방향밖에

흐르게 하지 않는 데서 유니폴러 (편극성) 구동이라고 부르고 있다.

그림 2 : 유니폴러의 구동회로

이 구동 방식은 견해를 달리하면 코일에는 동일 시간에 A 상, A 상 혹은, B 상, B 상의 한쪽밖에

전류를 흘리고 있지 않으므로 저속 영역에서는 토크를 크게 취할 수 없다는 결점이 있다. 그러나,

모터의 전원 회로를 포함시켜 회로 구성을 가장 간단히 할 수 있는 점에서 널리 이용되고 있다.

그러면, 이하에 4 상 모터에서의 유니폴러 구동에 있어서의 상여자 순서에 대해 조사해 보기로 하자.

4 상 모터에서의 유니폴러 구동에 있어서의 상여자 시퀀스에 대해 조사해 보기로 하자. 4 상 모터에는

1 상 여자, 2 상 여자, 1-2 자라고 불리우는 여자 시퀀스가 있고, 이 방법의 선택에 따라 입력 펄스와

스텝각과의 특성이 달라진다. 표 1 이 4 상 모터에서의 유니폴러 구동에서의 여자 방식의 특징이다.

1) 4 상 모터의 1 상 여자 동작

그림 3 에 1 상 여자에서의 모터의 동작을 나타낸다. 스텝 1 에서 트랜지스터 Tr1 이 ON 이되고 A' →

A 로 전류가 흐른다. 코일에 전류가 흐름으로써 고정자 (스테이터)의 이빨은 N, S 극으로 여자된다.

이 때 B 쪽에는 전류가 흐르고 있지 않으므로 B 쪽의 스테이터의 이빨은 비여자이지만, A 쪽의

여자에 동반해서 회전자 (로터)의 영구 자석은 각각 N 과 S, S 와 N 이 경합해서 안정한 위치에서

정지한다.

그림 3 : 유니폴러 구동 1 상 여자

다음으로 스텝 2 로 진행하면 먼저 ON 하고 있던 Tr1 은 OFF 되고, 대신으로 Tr3 이 ON 이 된다. Tr3

이 ON 이 된다. Tr3 이 ON 이 되는 것으로 B' → B 의 코일에 전류가 흘러 이번에는 90° 어긋나

있는 고정자가 여자된다. 그리고, 시계로 말하면 지금까지 12 시의 위치에 있던 S 극이 3 시의 위치로

교체된다. N 극도 마찬가지로 6 시의 위치에서 9 시의 위치로 바뀐다.

그리고, 여자 위치가 이동한 것으로 회전자도 시계 방향으로 당겨져 90° 회전하게 된다.

다시 스텝 3 에서는 Tr2 가 ON 해서 A' → A 의 코일에 전류를 흘린다. 이 때 고정자의 이빨은 A' →

A일 때와 같지만, 코일의 감겨져 있는 방향이 A' → A로 반대이므로 여자에 의해 생기는 극은 A' →

A의 경우와 반대가 된다. 즉, 12 시의 위치가 N극, 6 시의 위치가 S극으로 되고 회전자도 여자극과

서로 당겨 다시 90° 시계 방향으로 진행한다.

스텝 4 는 B' → B 의 코일에 전류가 흐른다. 그리고 , 마찬가지의 이유로 회전자는 90° 진행한다.

이렇게 해서 스텝 1~4 의 여자를 반복함으로써 모터를 90° 씩 진행시켜 자동차에 사용되는 스텝

모터이다.

2) 4 상 모터의 2 상 여자 동작

그림 4 가 2 상 여자의 동작이다. 2 상 여자의 경우는 A, B 쪽으 코일이 동시에 1 가닥씩 여자된다.

그림 4 : 유니폴러 구동 2 상 여자

우선, 스텝 1 에서는 A' → A, B' → B 의 코일에 전류가 흐른다. 고정자 (스테이터)의 극은 1 상

여자와 같이 12 시, 3 시가 S 극, 6 시와 9 시의 위치가 N 극으로 여자된다. 그리고, 그 결과로서

회전자(로터)의 N 극은 12 시와 3 시의 S 극의 중간의 위치에서 정지한다.

다음으로 스텝 2 에서는 A 상의 코일이 전환되고 A' → A 로 전류가 흐른다. 그리고 12 시의 극이 N,

6 시의 극이 S로 된다. 그 결과, 회전자의 N 극은 12 시의 N 극과 반발해서 3 시와 6 시의 S 극의 중간

위치에 안정한다.

이렇게 해서 회전자는 시계 방향으로 90° 회전하는 셈이다. 스텝 3, 스텝 4 에서도 마찬가지로

2 상씩 같은 극으로 여자되어 회전자의 극이 그 중간의 위치에서 정지하면서 회전하게 된다.

또한, 2 상 여자는 1 상 여자에 비교해서 2 배의 전류가 흐른다. 그러나 코일의 2 상이 여자되어

있으므로 1 상 여자에 비하면 정지시의 오버 슈트나 언더 슈트가 작고 과도 특성이 좋아진다.

3) 4 상 모터의 1-2 상 여자 동작

그림 5 의 1-2 상 여자는 전술한 1 상 여자와 2 상 여자를 교대로 반복하는 것이다. 따라서, 회전자는

스텝마다 45° 회전한다. 즉, 스텝각은 메이커가 표시하는 각도의 1/2 이 된다. 1-2 상 여자는 1 상

여자와 2 상 여자의 특성을 갖고 있으므로 스텝 속도는 배가 된다.

그림 5 : 유니폴러 구동 1-2 상 여자

2. 바이폴러 구동에서는

스테핑 모터의 구동으로는 전술한 것과 같은 간단한 구성으로 끝나는 유니폴러 구동 외에, 회로는

복잡해지지만 저속 영역에서의 토크를 개선하는 바이폴러 구동이라는 방법이 있다. 이 바이폴러

구동은 모터의 코일에 교대로 전류를 흘리도록 드라이브한다. 그림 6 에 브리지형이라고 불리우는

바이폴러 구동회로를 나타낸다. 회로를 보면 알 수 있듯이, 유니폴러 구동과 비교해서 2 배의 수의

트랜지스터를 필요로 한다.

그림 6 : 바이폴러 구동회로

또, 모터의 코일을 감는 방법도 다르고, 2 가닥의 코일을 같은 방향으로 겹쳐 감안 단자만을 별개로

빼내는 구조가 이용되고 있다. 이 중 1 가닥의 와이어를 연속적으로 감은 것은 모노파일러 감기라고

부르고, 2 가닥을 동시에 겹쳐 감은 것을 바이파일러 감기라고 하는데, 그림 7 과 같이 바이파일러

감기 쪽이 2 가닥의 코일의 인덕턴스가 동등하게 되므로, 결과적으로 위치 결정 정확도가 좋아진다는

특징을 갖고 있다.

그림 7 : 스테핑 모터의 바이파일러 감기

이 바이폴러 구동에도 유니폴러 구동과 마찬가지로 1 상 여자와 2 사 여자, 1-2 상 여자가 있는데,

바이폴러 1 상 여자는 효율면에서 사용되는 일이 적고, 2 상 여자와 1-2 상 여자가 주류이다. 그리고,

여자 방식에 의한 스텝각의 차이에서 2 상 여자를 풀 스텝 구동, 1-2 상 여자를 하프 스텝 구동이라고

부르고 있다.

스텝모터의 작동 원리

.

엔진의 공회전을 컨트롤하는 이유는 아이들 상태에서 최적의 연비

유지와 엔진의 흔들림을 줄여 운전자로 하여금 최고의 정숙함을 느끼게

하는데 있다.

즉 엔진 시동때 냉각수 온도에 따라 엔진의 흡입 공기량을 조절하기

위해 아이들업을 시키는 것이다. 또 냉간 때 AT 엔진의 워밍업을 통해

빠른 시간에 엔진 온도를 적정 수준까지 올려 오일의 순환을 원활하게

함은 물론 연료의 절감을 가능하게 한다.

에어컨이나 AT 에서 엔진 부하를 걸게 되면 그 부하량 상태에 따른

공회전 속도를 목표치까지 유지하는 역할과 감속 때 급작스러운 엔진의

흔들림을 없애기 위해 대시포트 기능을 하는 것이다.

[그림 1] 스텝모터의 위치와 구성도

엔진 공회전 컨트롤로 최적의 연비 유지

결국 스텝모터의 공전 조절은 각종 센서의 신호를 토대로 엔진 상태에 따라 ECU에 의해 제어됨으로써

최상의 공전 속도를 조절하는 것이다. 이때 엔진의 rpm은 약 750rpm이고, 스텝모터 방식의 전체 구성도를

보면 그림 1 과 같이 스텝모터, 패스트 아이들 에어밸브, 공기 조정 스크루로 구성되어 있다. 스텝모터는

ECU의 펄스 신호에 따라 회전되고 모터의 회전에 따라 밸브가 수축 팽창해 바이패스 공기량을 제어한다.

[그림 2] PM 형 스텝모터 구조

[그림 3] 기존 현대차의 ISC 모터

스텝모터의 특징

①피드백이 없어 제어가 단순하다.

②회전각의 오차가 정밀하다.

③컴퓨터 제어가 쉽다.

④모터에 브러시가 없어 신뢰성이 높다.

⑤특정 주파수에서 공진 및 진동현상이 발생된다.

스텝모터의 내부구조 및 작동원리를 살펴보자. 내부구조는 영구자석, 고정자 코일, 회전자로 구성되어 있고

현재 사용되고 있는 것은 PM형이다(그림 2 참조).

우리가 어떠한 파형을 이해하기 위해서는 기본구조와 작동원리를 머리속으로 천천히 그려보면 된다. 결국

파형이란 전압축과 시간축 사이에서 변화하는 전기공정이 표출된 것을 의미한다. 하지만 파형은 너무나

빠른 속도로 흘러가 버리기 때문에 스코프를 이용해 그 모양을 잡아 일정한 시간축에서 변하는 흐름을

보면서 고장 부위를 판단하는 것이다. 그럼 스텝모터의 내부를 보면서 전기의 흐름을 머리속에 그려보자.

내부를 보면 4 개의 코일이 원을 그리는 형태로 배치되어 있으며 코일의 상수에 따라 4 상이라 부른다. 결국

한 원을 그리면 360°라는 각도가 되고 4 개의 코일로 구성되어 있으니 이것을 4 로 나누면 90°라는 각도가

나온다(그림 4 참조). 다시 말해 전기를 순차적으로 줄 때 위상으로 보면 90°씩 차례대로 주게 되는 것이고

아주 빠른 속도로 단속해야 하기 때문에 ECU의 펄스 신호를 이용하는 것이다.

4 개의 연결된 코일을 2 조로 나누어 산이 6 개로 만든 고정된 철판 4 개로 2 조의 코일에 감싸놓았다. 이는

산 6 개에 철판 4 를 곱하면 24 가 되고 결국 360°에 24 를 나누면 15 가 나온다. 결국 한 원에 24 개의

극성을 만들어 한 개의 코일에 전기를 흘렸을 때 15°씩 돌아가는 원리가 성립되는 것이다. 이것을 다시

말하면 360°안에서 24 개의 극성을 구성하고 15°라는 정밀한 각도 제어를 한다는 말이다. 우리가 서비스

데이터로 보게 되면 최고 120 스텝까지 보상을 하게 되는데 이 120 스텝이면 전부 몇회전이 되는지를

계산해 보면 정확하게 이해할 수 있을 것이다. 그렇다면 120 에 15°를 곱하면 1 천 800°가 되고 1 천 800°를

360°로 나누면 5 가 된다. 결국 360°가 5 이면 스텝모터는 총 5 번을 회전할 수 있고 그 이상은 돌아가지

않을 것이다.

[그림 4] 스텝모터 회로도

4 선 중 한선 선택해 전류 변화 살펴 지금부터 스텝모터가 작동되는 방법에 대해 자세히 알아보자. 코일에

고정자를 상하로 부착해 놓고 그 홈을 전부 24 개로 만들어 놓고 한 개의 코일에 전류를 공급하면 철판은

자화가 된다.

영구자석과 극성을 같게 하면 밀리는 힘(같은 극성의 자석이 서로 밀리는 힘)으로 인해 한번 움직이게

하는데 그 움직일 수 있는 범위는 철판홈의 한 구간으로 그 각도가 15°가 되는 것이다. 그럼 코일에 전류를

어떻게 공급하는지 알아보자(그림 4 참조).

[그림 5] 1 스텝만 잡았을 때의 파형

[그림 6] 정상 파형

컨트롤 릴레이에서 전기가 코일을 통해 ECU TR 의 컬렉터에 대기하고, ECU 드라이브단에서 TR 베이스에

ON 신호가 들어가면 컬렉터에 대기하고 있던 전기가 이미터를 통해서 차체로 흘러나간다. 이것이 코일의

전류 공급 과정으로 코일에 전류가 공급되는 동안(TR ON 때)에 회전자가 돌아가게 된다.

스텝모터의 배선은 배선 6 개 중에 2 개는 본선이 들어가고 나머지 4 선 중에 1 개를 선택해서 탐침을

연결해 그 전류의 변하는 과정을 보게 되면 나머지 코일의 상태도 함께 볼 수 있다. 예를 들어 스텝 파형만

잡아보기로 하자. 이 파형은 한 개의 임의의 코일에 전류를 공급해 잡은 파형인데 자세히 보면 인젝터

파형과 비슷함을 느낄 것이다. 차이점은 서지전압 후에 배터리 전압으로 돌아가는 구간에서 바로 돌아가지

않고 구불어지면서 돌아가는 것이 틀린 점이다. 우리는 이 이유를 정확하게 알아야 파형을 분석할 수 있는

것이다.

[그림 7] 문제의 파형(코일의 열화,접촉불량)

[그림 8] 문제의 파형(스텝모터 고착 120 스텝)

한 개 파형만 보아도 남은 코일로 표출되어 인젝터의 내부를 보게 되면 철판 공간에 코일을 감아놓았는데

이 코일에 전기를 가하면 철판이 자화되고 이 자석의 힘을 이용해 핀들을 들어올려 연료의 공급라인을

열어주고 전기를 끊으면 다시 본위치로 돌아가는 원리이다. 그렇기 때문에 상대적으로 전기를 차단했을 때

코일에 잔류하고 있던 전기 에너지는 역방향으로 흐르려는 성질을 갖고 있으므로 더욱 큰 힘으로 높은

전압이 걸리게 되는 것이다.

그런데 스텝 모터가 인젝터와 다른 것은 4 개의 코일로 구성되어 있으며 회전자 역시 영구자석으로 되어

있기 때문에 파형이 서로 다른 것이다. 코일을 감아놓고 영구자석을 움직이면 그 코일에는 전기를 공급하지

않아도 전류가 흐른다.

한 개의 코일에 전류를 공급해 영구자석이 돌아가면 나머지 3 개의 코일에 전기를 가하지 않아도 전류가

코일에 유도되기 때문에 그 유도된 전류의 움직임이 파형으로 표출되는 것이다. 결국은 한 개의 파형을

본다고 해도 나머지 코일에서 연동되어 표출되기 때문에 만약 코일의 열화나 단락의 문제가 있다면

연동되어 움직이는 전류의 흐름이 변하기 때문에 쉽게 알 수 있게 되는 것이다(그림 6 참조). 특히 코일을

시험할 때는 항상 열화된 상태에서 점검을 해야 한다. 그 이유는 코일은 도체이므로 열을 받아야 저항이

변하기 때문에 에어컨 부하를 5 회 이상 준다음 파형을 잡아야 한다. 그렇기 때문에 열화가 되지 않은

상태에서 그냥 파형을 잡는다면 그 파형의 의미는 별로 없을 것이다.

파형을 보는 목적은 보이지 않는 구간을 전기공정의 흐름으로 판단하는 것이다. 결국은 저항이 걸려

정상적인 흐름이 깨졌을 때 그 원인을 정확하게 끄집어 내는 것인데 이 방법에 있어서 특별한 이유는 없고

항상 상대 비교해야 한다. 그 이유는 정확하게 얼마이다 라는 절대값은 없기 때문에 문제가 없는

자동차에서 정상파형을 숙지하고 그 작동 원리를 이해하면 보다 정확한 분석이 가능하다.

[그림 6]을 보게 되면 시간축에서 일어나는 전압의 변동 상황을 이해할 수 있다. 코일에 전류를 흘러보내는

시간 약 20 ㎜/s 정도로 접지를 제어하고 TR OFF 때 역기전압과 시간축에서 일어나는 전압의 곡선도를

갖고 스텝모터의 동작여부를 판단하기 위해서 파형을 보는 것이다. 여기서는 4 개의 코일에서 영구자석이

회전하면서 코일에 전류가 흐르게 되고 그 전류의 움직임이 시간축에 표출되는 것이다.

이 파형은 각 코일에 아주 정상적으로 기전력이 유도됨을 알 수 있을 것이다. 그럼 비정상 파형을 보면서

무슨 문제인지를 찾아보자. 그림 7 의 파형을 보게 되면 일단 무엇인가 균형이 맞지 않고 시간축에서

일어나는 기전력의 변화가 무엇인가에 의해 저항을 받다가 다시 정상으로 돌아가는 것을 느낄 수 있을

것이다. 이 문제는 자석이 돌아가는데도 기전력이 유도되지 않는 것으로 코일의 열화나 접촉불량으로 인해

어느 구간에서는 작동이 되지만 또 어떤 구간에서는 작동이 되지 않는 것을 의미한다.

[그림 8]을 보면서 다시 한번 생각해 보자. 기전력의 유도가 전혀 느껴지지 않으므로 움직이지 않는다는

것을 쉽게 느낄 수 있을 것이다. 결론을 내려보자. 정상적인 파형을 평소에 눈으로 자주 보면서

숙지시킨다면 문제의 파형이 표출되었을 때에도 바로 쉽게 파악할 수 있다. 또 동작의 특성만 이해한다면

그림으로 보이지 않는 공간을 보면서 쉽게 정비를 할 수 있어서 아주 정밀한 부분까지 찾아낼 수 있게

된다.

[참고] 엔진 온도가 약 50°이하일 때는 빠른 워밍업을 위해 스텝모터에서 스텝으로 제어하는 것이 아니라

패스트 아이들 에어 밸브(Fast Idle Air Valve)의 서모 왁스의 신축 작용에 의해 추가로 공기를 공급하게

된다. 만약 이 밸브의 문제로 냉각수가 샌다면 그것이 바로 스텝모터를 고장나게 하는 원인이 된다.

스텝모터의 스텝은 0∼120 스텝을 제어하며 공회전 때에는 약 7∼14 스텝으로 제어되고 스텝의 변화가 클

때는 엔진의 rpm 변화가 심해 이를 보상하기 위해 움직였을 경우와 스텝모터 핀틀부분에 카본이 많이

누적된 경우라고 보면 된다. 0 스텝의 의미는 ECU에서 제어를 하지 않는 경우를 말하고, 120 스텝의 의미는

ECU에서 내보내는 최대 신호를 말한다. 스텝모터를 제어하기 위해 신호를 계속해서 주어도 rpm 변화가

없을 때에는 스텝모터가 동작하지 않는 것으로 보면 된다.

ISC 모터 방식은 모터 포지션 센서의 가변 저항을 이용해 그 움직임을 피드백하지만 스텝모터 방식에서는

감지센서 자체가 없기 때문에 엔진의 rpm을 기준으로 한다. 따라서 약 750rpm보다 낮다면 스텝수를

늘리고 높다면 스텝을 줄여 기준 rpm을 유지해 외부 부하를 걸었을 때도 바로 이 기능을 수행하게 된다(표

1 참조).

요구조건 부하조건 규정값(스텝수)

엔진 웜업 후 모든 전기, 기계적 OFF 때 에어컨 스위치 OFF 때 2∼20 스텝(보통 9 스텝)

엔진 공전 상태 에어컨 스위치 ON 때 8∼50 스텝 증가

공전 상태 에어컨 스위치 OFF AT 인 경우 N-D로 변환 때 5∼30 스텝 증가

에어컨 스위치 ON AT 인 경우 N-D로 변환 때 5∼40 스텝 증가

[표 1] 부하조건에 따른 스텝수의 변화