NEMA 모터: 3D 프린터 흔한 문제 식별 및 해결법

모든 FFF 3D 프린터의 기본 구성품 중 하나는 모터입니다. 프린트 헤드 위치를 제어하는 필요 이동과 익스트루더의 필라멘트 당김을 담당합니다.

사용되는 모터는 스테퍼 모터로, 가장 일반적인 유형은 NEMA 17과 NEMA 23입니다.

이미지 1: NEMA 모터 유형. 출처: motioncontrolproducts.com

양질의 스테퍼 모터는 매우 높은 신뢰성을 가지므로 모터 고장의 주원인은 보통 외부적이며, 주로 파워 드라이버나 연결과 관련됩니다.

스테퍼 모터

스테퍼 모터는 연속 회전 모터의 일종입니다. 회전은 주어진 각도의 이산적 도약으로 일어납니다. 표준 DC 모터와 서보 모터 중간에 있는 모터입니다. DC 모터처럼 여러 번 360° 회전이 가능하면서 서보 모터처럼 정밀한 각도 위치 제어가 가능합니다.

3D 프린터에서 가장 흔히 쓰이는 것은 바이폴라 하이브리드 스테퍼 모터로, 보통 NEMA17 또는 NEMA23 포맷입니다. 하이브리드 모터는 VR 모터의 작은 스텝 능력과 영구 자석 모터의 높은 관성 능력을 결합합니다. 반면 바이폴라 모터는 유니폴라 모터보다 더 높은 토크와 고정력을 제공하면서 더 가볍고 작지만, 전용 파워 컨트롤러가 필요합니다.

스테퍼 모터 선택 시 주요 특성을 알아야 합니다:

• 스텝(Step): 모터가 직접 회전할 수 있는 최소 각도(마이크로스텝 컨트롤러 미사용 시). 보통 1.8° 또는 0.9° 스텝 모터를 찾습니다. 일반적으로 스텝이 작을수록 정밀도는 높지만 최대 회전 속도는 낮아집니다.
• 작동 전류: 모터가 정상 작동하기 위해 공급해야 하는 최대 전류값. 모터에 더 많은 전류를 가하면 더 많은 토크를 얻어 더 큰 관성을 스텝 손실 없이 견딜 수 있지만, 발열과 마모도 커집니다. 제조사 지정값보다 높은 전류 사용은 모터 열화와 고장을 유발합니다.
• 상별 전압: 각 코일이 정상 작동하는 데 필요한 전압.
• 상 저항: 각 코일이 제공하는 전기 저항.
• 상 인덕턴스: 각 코일 활성화 시 생성되는 최대 인덕턴스 값.
• 위치 정밀도: 회전 운동 중 발생할 수 있는 최대 편차. 일반적으로 값이 낮을수록 정밀도가 높습니다.
• 최대 작동 온도: 모터가 견딜 수 있는 최대 작동 온도. 장시간 초과 시 모터 고장 발생.
• 로터 관성: 자중으로 인한 빈 로터의 관성. 모터가 지지하는 관성은 이 값에 모터에 결합된 요소들의 관성이 더해집니다.
• 토크 또는 홀딩 토크: 상이 비활성(전류 없음) 상태일 때 축 회전 없이 모터가 견딜 수 있는 최대 토크.
• 앵커 토크: 모터가 정지하고 상이 활성(통전) 상태일 때 축 회전 없이 견딜 수 있는 최대 토크. 최대 전류 공급 시 값으로 간주.
• 시동 토크: 로터 관성을 극복하고 회전을 시작하는 데 필요한 토크.
• 회전 토크: 모터가 회전 중 스텝 손실 없이 견딜 수 있는 최대 토크. 최대 전류 공급 시 값으로 간주.

높은 속도와 이동 중 높은 관성 견딤이 필요한 경우(예: XY 축)에는 1.8° 스텝과 높은 토크의 모터를 선택해야 합니다.

Z축 모터는 높은 작업 속도가 필요 없으므로 0.9° 모터가 더 부드러운 움직임을 제공합니다. 이 경우 플랫폼이나 갠트리 무게를 지지하기 위해(프린터 설계에 따라 다름) 최대 홀딩 토크와 앵커 토크를 가진 모터를 선택해야 합니다.

바이폴라 스테퍼 모터 연결

스테퍼 모터를 올바르게 연결할 때 제조사 사양서가 있으면 유용합니다. 와이어 위치가 모델마다 다르기 때문입니다.

일반적으로 바이폴라 스테퍼 모터는 두 개의 독립적인 전원 회로로 구성된 4개 연결을 가집니다. 각 회로는 각 모터 코일에 전원을 공급하는 양극과 음극으로 구성됩니다.

먼저 우리 프린터 제어 보드의 이 4개 연결 위치를 알아야 합니다. 제어 보드에서 두 가지 명명법을 볼 수 있습니다. 첫째는 1A 1B 2A 2B로, 각 숫자가 회로를, A와 B가 극을 나타냅니다. 둘째는 A A⁻ B B⁻로, 각 문자가 회로를, 악센트가 음극을 나타냅니다.

보드 연결이 정해지면 모터도 동일하게 해야 합니다.

이미지 2. NEMA17 모터 사양서 연결 예시. 출처: Bondtech

사양서가 있으면 커넥터의 와이어 순서를 확인하세요. 이때 A A⁻ B B⁻ 명명법이 가장 흔합니다.

보드와 모터가 같은 명명법을 쓰면 각 단자를 짝지어 연결하면 됩니다. 다른 명명법을 쓰면 다음과 같이 짝지어야 합니다:

• 1A - A
• 1B - A⁻
• 2A - B
• 2B - B⁻

모터 데이터시트가 없으면 각 코일의 연결 쌍을 결정해야 합니다. 커넥터 핀 모든 조합으로 저항을 측정해 무한대가 아닌 첫 쌍을 찾습니다. 모터 제조사들이 가장 흔히 쓰는 조합은 1-3 4-6 또는 1-4 3-6이니 이 두 조합부터 테스트하세요.

찾으면 각 상을 각 코일에 연결합니다. 두 상이 같은 극성으로 코일에 연결되는 것이 중요합니다. 만약 역상으로 놓으면 전류 인가 시 모터가 움직이지 않고 소음만 냅니다. 이때 한 코일의 극성을 반전시켜야 합니다.

두 상을 분리해 두는 것이 매우 중요하므로 커넥터 상태를 자주 점검하세요. 불량 접촉이나 상 간 브리지는 모터 작동 불가를 유발합니다.

모터 전류 설정

스테퍼 모터는 전용 컨트롤러나 드라이버로 구동됩니다. 시장에 다양한 모델이 있습니다. 고품질일수록 일반적으로 내구성이 길고 소음이 적습니다.

사용 가능한 모델 중 모터에 보내는 전류 조정 방법은 두 가지입니다:

• 조정 나사로: 일반적으로 저가/저품질 드라이버는 포텐쇼미터 형태의 나사로 출력 전류를 조정합니다. 이때 멀티미터와 정밀 세라믹 드라이버가 필요합니다. 이 경우 두 가지 조정 방식이 있습니다:
  • 전류 방식: 프린터 켠 상태에서 모터 연결 후 한 상의 전류를 측정해 적정값으로 조정. 이 방식은 권장하지 않으며, 특히 새 드라이버 첫 연결 시 출력 전류가 모터 허용 전류보다 높은지 모른 채 모터에 전원이 공급되므로 위험합니다.
  • 기준 전압(Vref) 방식: 약간 더 복잡하지만 권장되는 방식. 먼저 다음 공식으로 필요 기준 전압 결정:

Vref = I_max · 8 · Rs

I_max는 모터에 공급할 최대 전류(보통 제조사 최대 지정값의 90% 이하), Rs는 드라이버의 검출 저항입니다.

드라이버에 전원 인가 후 Vref 핀(보통 포텐쇼미터 자체)과 접지 핀(보통 전원 공급 핀) 사이 전압을 측정해 포텐쇼미터로 적정값 설정.

• 펌웨어로: 요즘 많은 드라이버는 조정 포텐쇼미터가 없고 펌웨어로 출력 전류를 직접 설정합니다. 펌웨어 모터 섹션에 적정 전류값만 설정하면 됩니다.

드라이버 출력 전류 선택 시 제조사 결정 최대값을 쓰는 것은 권장하지 않습니다. 모터 수명 연장을 위해 제조사 최대값의 90%를 넘지 않게 하고, 관성을 견딜 충분한 토크를 내는 최소 전류가 최적입니다. 전류가 높으면 토크뿐만 아니라 발열, 소음, 마모도 커집니다.

스테퍼 모터 최대 속도

스테퍼 모터는 펄스로 전진하므로 모터 최대 속도는 제어 보드가 보낼 수 있는 최대 신호 주파수에 달려 있습니다. 또한 보통 여러 모터가 동시에 작동하므로 각 모터 주파수는 감소합니다.

예: 제어 보드가 100,000Hz에서 작동하고 4개 모터(X, Y, Z, 익스트루더)가 동시에 작동하면 각 모터는 25,000Hz, 즉 초당 25,000펄스로 제어됩니다. 마이크로스테핑 없이 1.9° 모터는 초당 최대 125회전 가능. GT2 8톱니 벨트 구동 시스템(가장 일반적)에서는 이론상 최대 선속도 3600mm/s가 됩니다.

마이크로스테핑 사용 시 최대 속도는 비례해 감소하므로, 16 마이크로스텝이면 225mm/s, 256 마이크로스텝이면 14mm/s로 떨어집니다.

제어 보드 동작 주파수를 아는 것이 매우 중요합니다. 낮은 출력 주파수와 높은 마이크로스텝 설정 조합은 최대 허용 속도를 출력 속도보다 낮게 만들어 상당한 스텝 손실을 유발할 수 있습니다.

스텝/mm 적절한 설정

운동 신호가 모터로 회전 형태로 전송되지만 출력 파일에 포함된 움직임은 선형입니다. 그래서 프린터가 각운동을 선운동으로 변환할 수 있어야 합니다.

움직임은 일반적으로 톱니 풀리와 벨트로 전달되므로 스텝/mm 변환은 풀리 직경에 의존합니다. 다음 공식 적용:

steps/mm = (360/P) · MS / (2 · π · R_pulley)

P는 모터 피치, MS는 설정된 마이크로스텝(마이크로스테핑 미사용 시 1), R_pulley는 사용 풀리 반경.

나사 전송 움직임의 경우 나사 피치가 이송률을 정의합니다. 다음 공식 적용:

steps/mm = (360/P) · MS / A

P는 모터 피치, MS는 설정된 마이크로스텝(미사용 시 1), A는 나사산 피치.

Prusa Printers 제공 계산기 등 이런 값들을 쉽게 구하는 계산기들도 많습니다.

이 값들을 얻고 나면 이론적으로는 맞지만, 제조/조립 결함 보정을 위해 정밀 보정을 수행하는 것이 좋습니다.

이를 위해 알려진 치수의 큐브(예: 50×50×50mm)를 출력해 실제 치수 측정 후 다음 공식 적용:

steps/mm = D_theorical · P_actual / D_real

D_theorical은 부품이 가져야 할 이론적 크기, P_actual은 현재 P/mm 설정값, D_real은 출력 부품 실측값. 새 P/mm 값 입력 시 적절한 치수의 부품을 얻을 수 있습니다.

고려사항

• 스텝 손실: 보통 모터 과도한 토크로 발생. 큰 가속도나 높은 방향 전환 속도는 모터 토크가 보상할 수 없는 관성을 일으켜 스텝 손실 유발. 낮은 신호 주파수와 높은 마이크로스텝 설정 조합도 최대 모터 속도를 급격히 낮춥니다. 출력 속도가 이를 초과하면 스텝 손실 발생. 오픈루프 프린터에서 스텝 손실은 위치 상실로 이어짐.
• 온도: 높은 전류 설정은 모터 발열 유발. 모터가 밀폐/가열 구조 내부에 있어 열 방출이 안 되면 작동 온도 초과로 자석 탈자, 오작동/고장 발생. 밀폐형 프린터에서는 모터를 챔버 밖에 두거나, 불가능하면 전류를 최소 필요치로 낮추는 것이 좋습니다.
• 히스테리시스: 모터 고유 현상. 움직임 끝에서 작은 위치 오차 유발. 양질 모터 사용 시 오차 감소.
• 공진(Resonance): 모든 모터는 고유 주파수 보유. 모터로 보낸 펄스 주파수가 고유 주파수와 비슷하면 공진 효과 발생. 진동, 소음, 마모 증가.
• 스텝 설정: 부적절한 스텝/mm 설정은 위치 오차 유발, 부품 치수 오차로 반영.
• 연결: 상 혼합이나 브리지는 모터 회전 안 함이나 불규칙 회전 유발. 한 상을 다른 상과 반대 극성으로 놓으면 모터 안 돔. 두 상 극성 모두 반전(올바르게 연결된 경우)은 모터 역회전 유발.

이 가이드는 일반적인 개념을 다루며 특정 제조사나 모델에 초점을 맞추지 않습니다. 제조사나 모델 간 보정이나 조정 절차에 중요한 차이가 있을 수 있으므로 이 가이드를 읽기 전 제조사 매뉴얼을 참조하시기 바랍니다.