Stepping Motor 개요/특성/구동방식

Stepping Motor의 역사 및 특징, 회전 원리, 종류와 구조를 개요에서 알아봅니다. 회전각도와 토크 특성, 각도와 정 토크 특성과의 관계, 속도와 토크 특성과의 관계, 과도 특성에는 어떠한 것들이 있는지 알아봅니다. Stepping Motor은 어떠한 구동방식들이 있는지를 알아보는 시간입니다.

 

Stepping Motor의 개요

Stepping Motor의 역사 및 특징

1. 역사 : Stepping Motor은 1920년 영국에서 개발되었습니다. 1960년대 일본에서 NC제어 공작 기계에 도입되었고 현재 수많은 분야에 이용되고 있습니다.

 

2. 특징

장점 : 피드백이 필요 없어 제어계가 단순합니다. 디지털 신호로 제어하므로 마이크로 컴퓨터 등의 정밀한 제어기에 사용됩니다. 총회 전각은 입력 펄스수의 총수에 속도는 1초당의 입력 펄스수에 비례합니다. 정지 시 큰 정지 토크를 갖아 회전 오차각이 누적되지 않습니다.

 

단점 : 관성 부하에 약하고 큰 부하 및 고속 운전 시 탈조 현상이 발생합니다. 가-감속을 하기 위해서 though up/down제어가 필요합니다. 특정 주파수에서 공진과 진동현상이 발생합니다. 권선의 인덕턴스 영향으로 Pulse 비가 상승함에 따라 Toque의 저하로 인한 효율이 저하됩니다.

 

Stepping Motor의 회전 원리

1. 구조 및 회전운동 : 스테핑 모터는 적층 강판에 코일을 권선 한 스테이터와 영구자석과 적충 강판의 조합으로 만들어진 로터로 구성되어 있습니다. 회전운동은 DC 모터의 원리와 동일합니다.

 

2. Stepping Motor의 종류와 구조

Variable Reluctance Type 가변 리액턴스 형 : 톱니바퀴형의 회전자와 고정자 권선에서 만들어지는 전자력으로 끌어 붙여 회전합니다. 무 여자 시 유지 토크는 0이며 관성이 적고 고속으로 응답하여 Step 각은 15도가 일반적입니다.

 

Permanent Type 영구 자석형 : 고정자 권선에서 만들어지는 전자력으로 당겨 붙여서 회전합니다. 영구 자석이므로 무 여자 시 유지 토크가 큽니다.

 

Hybrid Type 복합형 : 고 정밀도, 고 토크, 소 스텝에 주로 사용합니다.

 

Stepping Motor의 특성

1. 회전각도와 토크 특성

토크 : T=W x r [kg•m] (W:용수철저울의 값, r:폴리의 반지름)

 

유지 토크 : 변위각 14 토크 230 [g•cm] 이상의 부하 토크가 걸린 경우에는 모터는 정지 위치를 유지할 수 없게 되고 외력에 의해 모터 축이 회전하게 됩니다. 즉, 스테핑 모터의 유지 토크에는 한계가 있습니다.

최대 정지 토크 Tᴴ : 유지 토크의 한계 값

 

2. 각도와 정 토크 특성과의 관계

모터의 부하 토크가 0이라면 변위각의 오차는 0이 되고 정확히 정지합니다. 모터의 부하 토크가 가해지면 그 토크에 따라서 정지 각도가 변위 합니다. (부하와 모터의 로터 자체의 관성) 모터의 특성에서 최대 정지 토크 Tᴴ가 정해집니다. 이 이상의 부하 토크가 가해지면 θ위치를 넘어 모터는 다음 안정점 (2θ)까지 회전합니다.

부하 토크가 Tᴴ이내에서 부하 토크를 빼면 변위각은 0입니다. 즉, STEP 이동이 없었습니다.

 

3. 속도와 토크 특성과의 관계 속도

토크 특성 모터의 코일에 직류전류가 흘러 고속이 될수록 모터의 토크는 떨어집니다. 고속이 될수록 코일에 흐르는 전류가 완전히 상승되지 않기 때문입니다. 정지 시에 가장 많은 전류가 흘러 모터는 이때가 가장 토크가 큽니다.

 

저속, 중속, 고속에서의 모터 전류 파형

최대 자기동 주파수 : 모터가 무부하 시에 모터의 회전이 입력 펄스 수와 완전히 1:1로 대응해서 가동할 수 있는 속도를 말합니다.

자기동 영역 : 입력 신호에 추종해서 기동, 정지, 역전, 가속, 감속, 등이 행해집니다.

스타팅 특성 : 자기동 영역에서의 속도와 최대 토크 특성으로 모터를 스타트시키면 입력 펄스 수와 완전히 1:1로 대응한 제어를 합니다.

정상 영역 : 입력 펄스의 주파수를 증가시키면서 입력 펄스수와 완전히 1:1로 대응할 수 있는 영역입니다.

정상 회전 특성 : 정상 영역에서의 속도와 최대 토크 특성을 말합니다.

최대 기동 토크 : 10 pps로 회전하고 있을 때의 모터의 토크입니다.

 

4. 과도 특성

1 STEP 이동 : 모터에 스텝을 입력하면 로터는 고유의 감쇠 진동을 하면서 setting time까지 진동하고 정지합니다.

역방향 토크 작용일 때 다음의 펄스 입력 시에 회전자는 역회전 등으로 모터가 불안정하여 여러 가지 속도로 스포트적으로 공진이라고 불리는 진동이 발생합니다.

모터를 고속 회전하기 위해서는 시상수를 작게 해서 상승 시간을 짧게 해야 합니다.

모터의 코일에 직렬 저항과 환류 다이오드 병렬연결합니다. 

 

Stepping Motor의 구동방식

1. 구동방식에 대한 분류

일반적인 회로도 : 유니 플러 구동방식과 바이 플러 구동방식이 있습니다.

 

2. 1상 여자 방식 비교

유니 플러 1 상여자 방식 : 항상 하나의 상에만 전류를 흐르게 하는 방식입니다. 온도 상승이 낮고 저 전원이며 출력 토크가 큽니다. 스텝 했을 때에 감쇠 진동이 큰 난조를 일으킵니다.

 

바이 플러 1 상여자 방식 : 항상 1조(2상)의 상에만 전류를 흘리는 방식(전류 방향은 교대)입니다. 각도 정확도가 우수하고 2배의 전압을 가지며 전 코일의 1/2 사용해서 저 효율(사용 불가)입니다.

 

3. 1-2상 여자 방식 비교

유니 플러 1-2상 여자 방식 : 하나의 상과 2개의 상을 교대로 흐르게 하는 방식입니다. 1상, 2상 여자의 용량 특징을 가지고 있습니다. 스텝각이 1상, 2상에 비교하여 1/2입니다. 응답 스텝 레이트는 1상, 2상 여자의 2배입니다.

 

바이 플러 1-2상 여자 방식 : 1조의 상과 2조의 상을 교대로 전류를 흘리는 방식(전류 방향은 교대)입니다. 4상 권선 중 여자가 교대로 여자 되는 방식입니다. 바이 플러 1상, 2상 여자의 중간 특징을 가지며 스텝각은 1/2입니다. 유니 플러 드라이브에 비해서 복잡한 제어회로를 필요합니다.

 

4. 2상 여자 방식

유니 플러 2상 여자 방식 : 항상 2개의 상에 직류를 흐르게 하는 방식(기동 토크가 낮아 난조 발생이 어렵다.)입니다. 상 전환 시 반드시 1상은 여자 되어 있어 동작 시 제동 효과가 큽니다. 단, 모터의 온도 상승이 있고 1상 여자에 비해 배의 전원 용량을 필요로 합니다.

 

바이 플러 2상 여자 방식 : 항상 2조의 상에 직류를 흘리는 방식(전류의 방향은 교대)입니다. 4상 권선의 모두가 여자 되는 방식으로 덤핑 특성이 좋습니다. 유니 폴러에 비해 저속 시 토크 특성이 우수합니다. 고속 시 코일이 직렬로 접속되어 있기 때문에 L이 크고 시상수가 길며 반대로 토크가 낮아지는 결정도 있습니다. 그래서 코일의 이용률이 가장 높습니다.

 

5. 여자 전류에 의한 구동방식

정전압 구동방식 : 고속시 모터에 전류가 감소합니다. 코일과 직렬 저항 삽입 후 2~4배의 전압인가 됩니다.

2 전압 구동방식 : 외부 저항이 적게 동작됩니다. 정지 반복 시에 저전력이 구동됩니다.

장전류 구동 방식 : 고속에서의 토크가 저하하므로 높은 전압을 투입하여 전류 상승을 빠르게 합니다. 전류 상승의 시정수 개선됩니다. 저 전류에 적합하며 직렬 저항에서 전력소비가 큽니다.

 

6. 블록선도

블록선도는 Controller(PC&MICOM), Driver(전용 IC), Stepping Motor)이 있습니다.

 

7. 범용 IC를 이용한 구동 법

4상 모터의 2상 여자 회로(4bit 쌍방향 shift register 74194를 이용)

전원 on 시에 콘덴서 10uf로 충전하는 사이 S0, S1을 "H"로 되고 양쪽이 "H"일 때 약간 뒤진 클럭에 의해 A - D의 입력 데이터가 내부 플립에 세트 됩니다. 쌍방향 시프트 레지스터 74194의 Qa를 SL에 Qd를 SR에 접속하고 있기 때문에 펄스가 들어갈 때마다 2비트의 "H"데이터는 오른쪽이나 왼쪽으로 (CW나 CCW) 계속해서 빙빙 돕니다. 1상 여자로 하려면 74194의 A입력을 Vcc, B, C, D 입력을 GND로 떨어지게 하면 됩니다.

8비트 출력 중 하나 건너 출력에 접속되어 있기 때문에 1 출력이 "H"인 경우와 2 출력이 "H"인 경우를 교대로 반복합니다. D입력 "H"로 하면 2 펄스로 1상 시프트의 2상 여자로 됩니다.

 

참고문헌 : endi사이트/home/news/7월호 연재, ace.yonam-c사이트/jhs/mecha/stepping

스테핑 모터의 제어회로(도서출판 세윤), 모터 응용회로 101선(도서출판 세화)