[3D프린터] 소음 zero 프로젝트 - 1.스텝퍼 모터 드라이버란?

3D프린터는 X, Y, Z축을 움직여주는 모터와 이를 제어하는 컨트롤 보드를 가지고 있다.

(여기서 말하는 3D프린터는 내가 사용중인 적층식 FDM(FFF)방식)을 의미함)

대부분의 3D프린터에 사용하는 모터로 스텝퍼 모터(stepper motor, 스텝모터)를 주로 사용하는데, 그 이유는 스텝퍼라는 이름처럼 스텝값을 조절하여 정교한 값 만큼만 움직일 수가 있으며, 정방향 또는 역방향으로 회전이 가능하기 때문이다.

(스텝퍼 모터)

스텝퍼 모터에 전달되는 전류를 제어하여 모터의 움직임과 힘(토크)을 조정 가능하도록 해주는 장치를 스텝퍼 모터 드라이버라고 하며, 일반적으로 3D프린터의 컨트롤러 보드에 함께 설치가 된다. 저가형/보급형 3D프린터의 경우 스텝퍼 모터 드라이버로 Pololu사의 a4899 또는 DRV8825 등이 설치되어 판매되는데, 이 저렴한 드라이버는 양호한 성능에 비해 엄청난 소음을 동반한다. 

(DRV8825)

(컨트롤 보드에 장작된 a4899와 DRV8825)

보통 3D프린터의 소음은 노즐을 움직이는 X축과 Y축에서 발생하는데, 베어링에서 나는 소리나 쿨링팬에서 나는 소음보다 모터 자체에서 발생하는 고주파음이 가장큰 소음을 유발한다. 이 고주파음은 장시간 출력할때나, 밤에 출력을 걸어놓고 자는 경우 벽을 타고 울려서 가족 또는 이웃집에 스트레스를 유발한다.

스텝퍼 모터의소음을 줄이는 방법으로 가장 효과적인 방법은 모터 드라이버를 바꾸는 방법인데, Trinamic사의 드라이버 시리즈가 대중적으로 이용되고 있다. 다만 Trinamic사의 스테퍼 드라이버는 가격이 비싸므로 중국산 클론(bigtreetech社, FySecC社)를 많이 사용한다. 중국산 클론의 성능에 대해 이견이 있지만 기본적으로 같은 기능을 한다고 생각한다.

다만, 일부 프린터의 경우 스텝퍼 모터 드라이버가 내장되어 있어 교체가 불가능하다. 예를 들면 일체형 PC와 같이 메인보드에 드라이버 모듈이 설치된 구조라 이러한 컨트롤 보드의 사용자가 모터 드라이버를 교체하고자 하는 경우 보드도 함께 바꿔야 한다. 내가 사용하는 MKS base가 그런 경우에 해당하고, MKS Gen v1.4보드와 함께 TMC2208 드라이버를 설치하는데 필요한 내용들을 정리하고자 본 포스팅을 작성중이다.

(모터 드라이버가 온보드 형태인 MKS base 컨트롤보드. )

스테퍼 모터 드라이버는 종류도 다양하지만 같은 종류라 해도 세팅에 따라서 작동방식이 달라진다. 따라서 전압값(Vref) 조정이나 일부 세팅의 경우 납땜 및 저항을 추가하는 작업이 필요하다. 물론 기존의 드라이버를 제거하고 핀의 방향만 맞춰서 끼우기만하는 방법도 있지만 드라이버의 기능을 전부 활용하려면 전기회로 등에 대한 약간의 이해가 필요하다. 

이에 대한 자세한 내용은 이후 포스팅에서 다뤄보겠다.