STEP MOTOR 1,2,3

STEP MOTOR의 제어

1. Stepping motor의 개요

최근에 stepping motor(pulse motor, stepper motor)가 가지는 독특한 특성과 정확한 위치 제어 때문에 OA, FA 등에 많이 사용되고있다. stepping motor는 AC servo, DC servo motor에 비하여 값이 싸고 정확한 각도 제어에 유리하여 우리 주위에서 쉽게 접할수가 있다.
일반적으로 기계적인 이동량을 정밀하게 제어하는 일에 DC servo motor나 stepping motor가 많이 사용되고 있으며, 특히 stepping motor는 pulse에 의해 digital적으로 제어하는 것이 가능하므로 micom에서 사용하기에 적합한 motor이다. stepping motor가 DC motor나 AC motor와 크게다른 점은 모터의 shaft의 위치를 검출하기 위한 feedback없이, 정해진 각도를 회전하고, 상당히높은 정확도로 정지할 수 있는 것이다. 그리고, system에 짜여진 뒤에도 초기 성능이 만족되어있으면, 갱년 변화가 적고, 보수가 용이하며, 매우 신뢰성이 높은 system을 구성할 수 있다.
또 다른 motor에 비해 정지시 매우 큰 유지 토크(정지 토크)가 있기 때문에 전자 브레이크 등의 유지 기구를 필요로 하지 않는다. 회전 속도에 있어서도 stepping motor에 부여하는 pulse rate에 비례하므로 임으로 제어할 수 있다. stepping motor는 serial print의 종이 보내기 제어,printer head의 인자 위치 제어, XY Plotter의 펜위치 제어나 floppy disk의 head위치 제어,지폐 계수기, 봉재기기, 전동 타자기, 팩시밀리 등에도 사용되고 있다.

2. Stepping motor의 특징

a) 장 점
1) motor의 총 회전각은 입력 pulse수의 총 수에 비례하고, motor의 속도는 1초간 당의 입력 pulse 수에 비례한다.
2) 1 step 당 각도 오차가 ㄫ5%이내이며 회전각 오차는 step마다 누적되지 않는다.
3) 회전각 검출을 위한 feedback이 불필요하여, 제어계가 간단해서 가격이 상대적으로 저렴하다.
4) DC motor등과 같이 brush교환 등과 같은 보수를 필요로 하지 않고 신뢰성이 높다.
5) 모터축에 직결하므로써 초저속 동기 회전이 가능하다.
6) 기동및 정지 응답성이 양호하므로 servo motor로써 사용가능하다.

b) 단 점
1) 어느 주파수에서는 진동, 공진 현상이 발생하기 쉽고, 관성이 있는 부하에 약하다.
2) 고속 운전시에 탈조하기 쉽다.
3) 보통의 driver도 구동시에는 권선의 인덕턴스 영향으로 인하여 권선에 충분한 전류를 흘리게 할 수 없으므로 pulse비가 상승함에따라 torque가 저하하며 DC motor에 비해 효율이 떨어진다.

3. Stepping motor의 동작 원리

Stepping motor에서 그 내부를 구성하는 고정자라고 불리우는 극의 수에 따라 단상(1상), 2상, 3상, 4상, 5상, 6상 등의 종류가 있으며, 기본적으로 이 극의 수에 따라 motor의 step각 등의 기본 특성이 달라진다. 여기서는 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 4상 stepping motor를 예를 들어 동작원리에 대해 설명한다.


그림 3.1　고정자와 회전자의 구성	그림 3.2　권선의 상태

Motor는 회전자(rotor)와 고정자(stator)로 구성되어 있으며 그림 3.1과 같이 회전자에는 축방향으로 자화된 영구 자석과 그 바깥 쪽에 회전자 이빨의 철심 A, B가 있다. 그리고, 각각 N극과 S극으로 자화되고, 철심 A와 B와의 이빨은 반 피치가 어긋나 있다. 고정자에는 4상의 여자 코일이 그림 3.2와 같이 감겨져 있다. 그리고 coil에 직류를 흐르게 하므로써 고정자는 자화되고 회전자을 끌어 당긴다. 또 A상과 A'상, B상, B'상은 감은 방향이 반대로 되어 있으며, 반대의 극성이 발생한다. 각 상씩 여자 할때의 상태를 그림 3.3 에 나타낸다.
또한 step각이 1.8^o의 일반적인 4상 motor에서는 회전자쪽에는 50회전자 이빨, 고정자 쪽에는 48의 고정 이빨이 각각 등간격으로 만들어져 있다. 그 약도가 그림 3.4에 있으며, 이 그림은 S극쪽을 나타내고 A상이 여자된 위치이다.


그림 3.3　각 상이 여자되었을 때의 극의 상태	그림 3.4　고정자 이빨과 회전자 이빨과의 관계

3.1 기본 동작법

여기서는 모터의 기본동작을 아는 것이 목적이므로 간단히 스윗치로 모터의 여자를 변환해서 회전시켜본다. 따라서 소전류로 동작하는 스테핑모터가 알맞다. 일반적으로 쉽게 구할 수 있고 센터 탭 (center tap)이 있는 스텝 각도 15^o 라는 시방의 모터이다. 모터에 나와 있는 코일의 리드선은 모터의 종류나 메이커에 따라 다르지만, 대강 그림 3.5와 같이 되어있다.


그림 3.5　스테핑 모터의 결선 예

그림(a)와 같이 코일의 센터탭이 단독으로 나와 있는것과, 내부에서 센터탭끼리 서로 접속되어 한 가닥이 나오는 그림(b)등이 있다. 일반적으로는 그림(a)의 유형으로 되어있다. 모터와 스윗치 및 전원의 결선은 그림 3.6과 같다.


그림 3.7　모터와 스위치와의 결선	그림 3.8　실험용 모터에 폴리를 부착하여 각도 검출

전원은 원래 모터의 Vcc보다 같거나 좀 낮은것을 쓴다. 우선 스윗치 S₁ -S₄를 모두 off 한다음, 전원을 접속한다.

3.2 회전 시키기위한 순서

회전법에서는 뒷장에서 배우겠지만 그 여자 방법에 따라 1상,2상 1-2상 여자방법이 있다. 여기서는 스윗치 손놀림의 동시화를 꾀하기 어려우므로 1-2상 여자 방법을 택한다.

표 3.1　스위치의 ON/OFF 순서

그럼 표 3.1와 같이 순서와 같이 스윗치를 on/off하여보자. 우선 S₁을 on 한다. 그러면 그때까지는 모든 코일이 off상태(비여자 상태)이므로 코일에 처음으로 전류가 흐르게 된다. 따라서 이때 스텝각은 반드시 정해진 각도는 되지 않는다. 즉, 여자 상태에서의 정지와 비여자 상태에서의 정지는 틀린다. 그리고,다음의 스윗치에 의한 여자부터 정상 동작이 된다. 그러면 S₂를 on 한다. 이것으로 a상, b상이 함께 여자된 것이 된다. 그리고 이 때의 변위각은 약 7.5^o이다. 다시 스윗치를 전환 시켜 본다. 다음은 S₁을 off로 한다. 즉 b상만 여자 되어 있는 상태이다. 이 때도 7.5^o쯤 시게 방향으로 회전 하고 있다. 그런데 모터의 특성에서는 스테각은 15^o이지만 여기선 7.5^o이다. 어째서일까. 실은 1-2상 여자는 1상,2상과는 달리 스쥜각이 절반 각도 ( 하프 스쥜 ) 이다.
표 3.1의 순서와 같이 스윗치를 전환 하면 모터는 시계방향으로 회전 한다. 그래서 어느 정도 회전 시켰으면 이번에는 스윗치를 반대 방향으로 on/off를 실행해 보기 바란다. 그러면 반시계 방향으로 7.5^o 씩 회전하고 최후에는 원 위치로 복귀할 것이다.
이 사실에서 스테핑 모터는 여자하는 순서에 따라서 일정각도의 회전을 하고,여자상이 변화 했을 때에 회전하는 것을 안다. 또 여자 중, 즉 코일에 전류가 계속해서 흐르고 있는 동안은 모터축은 일정 위치로 유지된다.