양극 스테퍼모터(Nema 시리즈)

책에서는 입문용으로 단극 스테퍼모터만 다루었는데 이번에는 양극 스테퍼 모터를 알아보도록 하겠다. 3D 프린터, CNC 머신 등 정밀한 제어를 필요로 하는 곳에는 NEMA 규격의 양극 스테퍼 모터를 많이 사용한다.
미국의 미국 전기공업회 NEMA(National Electrical Manufactures Association)의 NEMA ICS 16-2001 스테퍼 모터 규격을 준수한 모터를 NEMA 표준 모터라 부른다. NEMA 11, NEMA 14, ... NEMA 34와 같이 이름을 사용하는데 뒷 부분의 숫자는 사이즈를 말한다. NEMA 11은 1.1인치 하우징 크기 모터를 말한다. 따라서 숫자가 클수록 모터의 크기 및 토크가 커진다고 보면 된다. 3D 프린터에서는 주로 17, 23을 많이 사용한다.

양극 스테퍼 모터의 작동 원리

https://en.nanotec.com/support/knowledge-base-pages/stepper-motors-animation/?tx_nanotec_animation%5Binitial%5D=motor_4lead&cHash=101d605e2a66cd40d55f422d77b3a0b6 사이트는 스테퍼 모터의 작동 원리를 잘 설명하고 있다. 위 페이지를 방문하면 아래 그림처럼 직접 모터 종류를 지정하고 테스트를 해볼 수 있다. 그림 아래 부분의 Half step, Full Step 버튼을 누르면 한 스텝씩 모터가 회전하며 Continous를 조절하면 자동으로 회전하는 모터를 확인할 수 있다.

Full step, Half step, Micro step

모터에 전류를 공급하는 방식에 따른 분류이며 이 방식에 따라 토크 크기, 1step 당 회전 각이 달라진다. 책에서 단극 스테퍼모터를 설명하면서 간단하게 Full step, Half step을 언급했기 때문에 여기에서는 설명을 생략한다. 양극 스테퍼 모터의 경우 Full step 모드에서 1.8° /step, Half step은 1.8°/2step, Micro step에서는 1/4, 1/8, 1/16, ...으로 변할 수록 1.8° 회전에 필요한 step 수가 2배씩 늘어난다. Full step을 기준으로 회전각을 1/2, 1/4, 1/8 ... 로 나누어 미세하게 회전하게 하는 것이 Micro step이다. 실제 Full step으로 회전하면 모터에서 심한 소음 및 진동이 발생한다. 하지만 Micro step을 이용하면 회전각이 줄어들 수록 소음 및 진동이 줄어든다. 대신 Full step의 회전 속도를 유지하려면 단위 시간당 step 수를 2, 4, 8, ... 배로 늘려줘야 한다. 유튜브 https://www.youtube.com/watch?v=Bs1zIZV1uSY, https://www.youtube.com/watch?v=tRoT3qpndbU 에서 Micro step에 관한 훌륭한 동영상을 소개하고 있다.

양극 스테퍼 모터 드라이버

적층식 3D 프린터 제어부를 유심히 살펴보면 스테퍼 모터를 제어하는 드라이버 칩을 확인할 수 있다. A4988, DRV8825가 많이 사용된다. TMC2XXX는 스테퍼 모터 구동시 발생하는 소음을 줄인 독일 Trinamic사의 제품이며 앞의 두 제품보다 가격이 비싸다. 하지만 스테퍼 모터의 소음 감소에 뛰어난 성능을 내기 때문에 앞으로 많은 사용이 예상된다. TMC 시리즈는 SPI, UART 통신을 지원하는 TMC2130, TMC2208 버젼도 있다.

좌측은 Allegro사의 A4988모터 드라이버 IC를 이용한 A4988 모듈이며 가운데는 TI사의 DRV8825 IC를 이용한 모듈이다. 두 제품 모두 Pololu사의 제품이다. 마지막 우측은 TMC2100이며 큰 방열판을 사용한다. 제품의 크기와 사용법이 아주 유사하다. http://reprap.org/wiki/A4988_vs_DRV8825_Chinese_Stepper_Driver_Boards 사이트에 A4988, DRV8825 두 제품을 비교한 자료가 있으며 http://reprap.org/wiki/TMC2100 에는 TMC2100에 대한 설명이 있다.

DRV8825와 NEMA 17 그리고 파이의 연결

DRV8825와 관련한 내용은 https://www.rototron.info/raspberry-pi-stepper-motor-tutorial/ 에서 많은 부분을 참조했음을 미리 밝혀둔다.

DRV8825 스테퍼 모터 드라이버

DRV8825는 다음과 같은 특징이 있다.

Full step ~ 1/32까지 6단계 조절 가능
3.3V레귤레이터 내장(파이와 연결 쉬움)
Vref를 이용해 허용 전류 제한 가능 Imax = 2 X Vref

연결

파이와 DRV8825 그리고 NEMA 스테퍼 모터는 다음과 같이 연결한다. 먼저 파이와 DRV8825는 다음과 같이 연결한다.

STEP핀을 파이의 임의의 GPIO 핀에 연결한다. 여기에서는 21번에 연결
회전 방향을 정하는 DIR핀을 파이의 임의의 GPIO 핀에 연결한다. 여기에서는 20번에 연결
RST(Reset), SLP(Sleep)는 3.3V에 연결해 항상 High 상태를 유지한다. Low 값이면 Reset, Sleep 모드가 된다.
M0, M1, M2는 GPIO 14, GPIO 15 그리고 GPIO 18에 연결한다.(역시 다른 핀 연결 가능) 이 3개의 핀은 Full, Half, Micro 등의 스텝 방식을 결정한다.

M0, M1, M2 값에 따른 모터 회전 방식 및 회전각은 다음과 같다.

NEMA 17과 DRV8825는 다음과 같이 연결한다.

Vmot, GND는 모터에 공급할 외부 DC 전원을 연결한다. 8.2V ~ 45V 까지 연결 가능하다. 하지만 최대 2.5A의 공급 전류를 초과하면 안된다. 그리고 100uF의 커패시터를 연결해 스파크 발생을 방지한다. 스파크 방지용 커패시터는 책의 DC모터를 참조한다.
A1, A2, B1, B2는 양극 스테퍼 모터의 4개 선을 연결한다. 양극 모터는 내부 2개의 코일에서 한 쌍씩 모두 4개의 선이 제공된다. 반드시 쌍을 맞추어 연결한다. 만약 모터 데이터 시트에서 확인이 어려우면 모터를 손으로 돌려 발전을 한 다음 4개 선 중 2개를 선택해 전압을 측정한다. 전압이 측정되는 2개의 선이 한 쌍이 된다.
GND는 파이의 GND와 공유해서 전위차를 맞춘다.

모터 공급 전류 제한

DRV8825의 가변 저항을 조절하면 모터에 공급되는 최대 전류를 제한할 수 있다. 가변 저항을 조절해 X 2의 값이 최대 공급 전류가 된다.

I_max= V_ref ×2

위 그림에서 가변 저항과 GND의 전위차를 측정하면 된다. 가변 저항이 금속 재질이기 때문에 가변저항에 멀티미터 프로브를 접촉해도 된다.

항상 모터를 연결하기 전에 데이터 시트를 참조해 모터에 공급 가능한 전류를 체크한 다음 공급 전류를 미리 제한하도록 한다

drv8825를 이용한 NEMA 스테퍼 모터 제어 프로그래밍

이제 파이에서 양극 NEMA 스테퍼 모터를 제어하는 프로그래밍을 해본다.

#!/usr/bin/env python
#-*- coding: utf-8 -*-
#If this code works, it was written by Seunghyun Lee(www.bluebaynetworks.co.kr).
#If not, I don't know who wrote it
from time import sleep
import RPi.GPIO as GPIO

DIR = 20   # Direction GPIO Pin
STEP = 21  # Step GPIO Pin
CW = 1     # Clockwise Rotation
CCW = 0    # Counterclockwise Rotation
SPR = 200   # 한바퀴 회전에 필요한 스텝수 (360 / 1.8)
MODE = (14, 15, 18)   # Microstep Resolution GPIO Pins
resolution = 'Full'
delay = 0.0
rotate_dir = CW
RES = {'Full': (0, 0, 0),
              'Half': (1, 0, 0),
              '1/4': (0, 1, 0),
              '1/8': (1, 1, 0),
              '1/16': (0, 0, 1),
              '1/32': (1, 0, 1)}

def set_step_mode(step_mode):
    global resolution, SPR

    if(step_mode == 'Full'):#1.8/step -->200 step / rotation
        SPR = 200
    elif(step_mode == 'Half'): #full step에 비해 두배의 스텝이 필요
        SPR = 200 * 2
    elif(step_mode == '1/4'):
        SPR = 200 * 4
    elif(step_mode == '1/8'):
        SPR = 200 * 8
    elif(step_mode == '1/16'):
        SPR = 200 * 16
    elif(step_mode == '1/32'): 
        SPR = 200 * 32
    else:    
        print "Unknown step mode" 
        return

    print "set_step_mode:", step_mode, "  SPR:", SPR 
    resolution = step_mode
    for i in range(3):
        GPIO.setup(MODE[i], GPIO.OUT)
        GPIO.output(MODE[i], RES[step_mode][i])

    return


def set_dir(direction):
    if(direction == 'CW'):
        print "direction Clockwise" 
        rotate_dir = CW
    else:    
        print "direction Counter Clockwise" 
        rotate_dir = CCW
    GPIO.output(DIR, rotate_dir)
        
def rotate(angle):
    step_count = int(SPR * angle  / 360.0)
    
    print "angle:", angle, "  step count:", step_count, "  delay:", delay 
    for x in range(step_count):
        step()
    return    

def step():
    GPIO.output(STEP, GPIO.HIGH)
    sleep(delay)
    GPIO.output(STEP, GPIO.LOW)
    sleep(delay)


GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(DIR, GPIO.OUT)
GPIO.setup(STEP, GPIO.OUT)

set_step_mode('1/8')
delay = 60.0 / (SPR * 120)

set_dir('CW')
rotate(3600)
sleep(1)

set_dir('CCW')
rotate(720)

GPIO.cleanup()

TMC2100과 NEMA 17 그리고 파이의 연결

TMC2100 스테퍼 모터 드라이버

TMC2100은 다음과 같은 특징이 있다.

4.75 ~ 46V DC까지 모터 전원 공급
2A 전류 (피크 2.5A)까지 공급 가능
256 마이크로 스텝 제공
stealthChop™ 모드 : 최저 소음과 부드러운 모터 회전 제공.
spreadCycle™ 모드 : 적은 소음과 비교적 강한 토크 제공.
3.3V레귤레이터 내장(파이와 연결 쉬움)한 제품 제공
Vref를 이용해 허용 전류 제한 가능
모터 정지 파악 후 3 ~ 4초 이내에 모터 소모전류를 34% 수준으로 감소시킴
과열시(150도) 자동으로 작동 중지

TMC2100은 DRV8825, A4988과 달리 모듈 하단에 가변 저항이 달려있다. 아마도 발열 문제로 인한 큰 방열판을 고려한 배치인 것 같다.

스텝 방식을 결정하는 핀 구성은 다음과 같다.

모듈 구성에 따라 핀 구성이 다를 수 있기 때문에 제품 데이터 시트를 최우선으로 참조한다.

위 그림은 필자가 구매한 watterott사 제품의 중국 복제품의 핀 구성이다. 좌측 그림의 주황, 녹색, 노란색은 점퍼 세팅이다. 오른쪽 데이터 시트의 표를 참조해 점퍼를 납땜한다. 노란색, 녹색 점퍼의 가운데 위치한 CFG1, CFG2를 양 옆의 GND 또는 ViO와 연결시키거나 그대로 두는 방식(Open)으로 납땜하면 된다.
스텝 방식에 따라 미리 점퍼를 납땜해야 하기 때문에 스텝모드 변경이 어려운 단점이 있다.

Chopper Mode의 spreadCycle, stealthChop 두가지 모드에 대한 설명은 유튜브 https://www.youtube.com/watch?v=Q0sJlGh9WNY 에 자세히 나와있다. DRV8825, A4988의 16 마이크로스텝보다 TMC2100이 훨씬 전류 공급 곡선이 깨끗하다. stelathChop이 가장 깨끗한 파형을 제공하며 소음도 가장 적다.

연결

TMC2100의 경우 점퍼를 세팅하지 않고 초기 상태로 사용하면 stealthChop 모드의 16스텝이 된다. 이 모드에서 작업을 해보겠다.

TMC2100은 3.5V 로직 전압, 5V 로직 전압 2가지가 존재한다. 3.5V제품은 내부에 Voltage Regulator가 있다. 3.5V 제품을 사용해야 파이와 연결하기 쉽다. 참고로 5V 전용 제품은 로직 전압 핀 ViO 위치에 5V로 표기되어 있다.

파이와 TMC2100 그리고 NEMA 스테퍼 모터는 다음과 같이 연결한다. 먼저 파이와 TMC2100는 다음과 같이 연결한다.

STEP핀을 파이의 임의의 GPIO 핀에 연결한다. 여기에서는 21번에 연결
회전 방향을 정하는 DIR핀을 파이의 임의의 GPIO 핀에 연결한다. 여기에서는 20번에 연결
EN(Enable)핀은 GPIO 23번에 연결한다. EN핀은 초기 비활성 상태(HIGH)로 유지하면서 DIR핀을 세팅한다. 그리고 다시 활성 상태(LOW)로 바꾼다음 STEP핀을 ON, OFF시키면 모터가 회전한다.
점퍼를 통해 스텝 모드를 미리 정했기 때문에 CFG1, CFG2, CFG3은 연결할 필요 없다.

모터 공급 전류 제한

TMC2100의 가변 저항을 조절하면 모터에 공급되는 최대 전류를 제한할 수 있다. 가변 저항을 조절해 X 2의 값이 최대 공급 전류가 된다. 가변 저항 측정방법은 DRV8825와 동일하다.

I_rms= V_ref × 1.77A / 2.5V = V_ref X 0.71
I_max= I_rms X 1.41

NEMA 스테퍼 모터 제어 프로그래밍

파이에서 양극 NEMA 스테퍼 모터를 제어하는 프로그래밍을 해본다. TMC2100 모듈을 판매하는 watterott사의 github 사이트(https://github.com/watterott/SilentStepStick/tree/master/software)에 TMC2100을 제어하는 아두이노 소스코드가 있다. 작동 원리는 파이 역시 차이가 없기 때문에 이 코드들을 참조하면 유용하게 사용할 수 있다.

tmc2100를 이용한 NEMA 스테퍼 모터 제어 프로그래밍

tmc2100은 drv8825와는 달리 step mode를 납땝을 이용해 미리 정한 상태에서 작동한다. 따라서 파이썬 코드에서 스텝 모드 설정이 불가능하다. 나머지 코드는 drv8825와 동일하다.

#!/usr/bin/env python
#-*- coding: utf-8 -*-
#If this code works, it was written by Seunghyun Lee(www.bluebaynetworks.co.kr).
#If not, I don't know who wrote it
from time import sleep
import RPi.GPIO as GPIO

EN = 18    # Low:Enable
DIR = 20   # Direction GPIO Pin
STEP = 21  # Step GPIO Pin
CW = 1     # Clockwise Rotation
CCW = 0    # Counterclockwise Rotation
SPR = 200   # Steps per Revolution (360 / 1.8)

resolution = 'Full'
delay = 0.0
rotate_dir = CW


def set_dir(direction):
    if(direction == 'CW'):
        print "direction Clockwise" 
        rotate_dir = CW
    else:    
        print "direction Counter Clockwise" 
        rotate_dir = CCW
    GPIO.output(DIR, rotate_dir)
        
def rotate(angle):
    step_count = int(SPR * angle  / 360.0)
    
    print "angle:", angle, "  step count:", step_count, "  delay:", delay 
    for x in range(step_count):
        GPIO.output(STEP, GPIO.HIGH)
        sleep(delay)
        GPIO.output(STEP, GPIO.LOW)
        sleep(delay)
    return    

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(EN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(DIR, GPIO.OUT)
GPIO.setup(STEP, GPIO.OUT)
GPIO.output(EN, GPIO.LOW)

SPR = SPR *16 #StealthChop(16 step)
delay = 60.0 / (SPR * 120)      

set_dir('CW')
rotate(3600)
sleep(1)

set_dir('CCW')
rotate(720)

GPIO.cleanup()

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