STEP MOTOR 4,5

4. stepping motor의 종류와 구조

Stepping motor는 그 구조상 세가지로 분류할 수 있다.
(1) VR형(variable reluctance type : 가변 리럭턴스 형)
(2) PM형(permanent type : 영구 자석 형)
(3) HB형 (hybrid type : 복합형)
그림 4.1에 각 방식의 구조를 나타낸 것이다.


(a)VR형	(b)PM형	(c)하이브리드PM
그림 4.1　스테핑 모터의 각종 구조

a) VR형
VR형도 연철 또는 성층강판으로 회전자가 만들어져 있고, 톱니 바퀴형의 회전자와 고정자 권선에서 만들어지는 전자력으로 끌여 붙여 회전한다. 이 motor는 무여자 일때는 자력이 어느곳에서도 발생하지 않으므로 유지 torque는 0이 된다. 또한 이 VR형의 것을 회전자의 관성이 적고 고속 응답에 우수하다.
Step각은 15^o가 일반적이다.

b) PM형
PM형은 회전자를 영구 자석으로 사용하고, 고정자 권선에서 만들어지는 전자력으로 당겨 붙여서 회전한다. 이 PM형은 영구 자석을 사용하고 있기 때문에 무여자시에도 유지 torque가 크다는 점이 특징이다. 영구 자석의 종류에 따라 step 각이 분류되어 있으며, step각도가 큰 90^o, 45^o의 motor에는 일반적으로 알니코계의 자석을, 18^o, 15^o, 7.5^o등의 motor에는 페라이트계의 자석이 사용되고 있다.

c) HB형
PM형과 VR형을 복합한 type인데, 회전자의 바깥쪽에 이빨이 만들어져 있다. 또 회전자에는 축방향으로 자화된 영구자석이 끼워져 있으며, 그 바깥쪽에 이빨이 있는 2개의 철심으로 구성되어 있다.
복합형은 고정밀도, 고토크, 소스텝의 motor에 많이 사용되고 있다.

각 모터의 특징을 나타내면 아래 표 4.1과 같다.

표 4.1 스텝모터의 종류별 특징
항목\motor type	PM형	HR형	VR형
step각	7.5°∼ 15°가 많다	1.8°∼ 3.6°가 많다	1.8°∼ 15°가 많다
torque	소	대	중∼대
settling time	소∼중	소	대
cost	저렴	고가	고가


(a)VR형 스테핑 모터	(b)PM형 스테핑 모터

(c)하이브리드형 스테핑 모터	(d)(c)의 회전자와 고정자를 결합했다.

5. stepping motor의 특성

Stepping motor를 사용하는데 있어서는 다음의 세 가지 특성에 주의할 필요가 있다.
(1) 회전각도와 토크의 관계
(2) 속도와 토크와의 관계
(3) 과도응답 특성

이하 각각의 특성에 대해 간이적인 장치로 실험해 보기로 한다. 실험의 목적은 각각의 특성의 개략을 실감적으로 포착하기 위해서이다.

5.1 회전 각도와 토크 특성

스테핑모터의 가장 기본적인 특성의 하나로 정특성이라는 것이 있다. 이것은 각도-정토크 특성 이라고도 한다. 모터를 정격의 직류 전압으로 여자하고 모터의 출력축에 외력을 가했을 때에 출력축에 발생하는 토크를 나타내고 있다.
모터의 토크를 측정하려면 토크 미터등의 측정장치가 있으면 정밀하게 측정할 수 있지만 여기서는 큰 정밀도를 필요로 하지 않으므로 간단히 용수철 저울로 대용한다.


그림 5.1　정토크 특성의 측정

실험에 쓰이는 모터의 스텝각도는 15^o정도의 모터가 적당하다. 모터에 부착한 풀리에 신장(伸張)이 적은 철사를 감고 그림 5-1과 같이 용수철 저울을 끌여 올렸을 때의, 용수철 저울이 지시하는 값과 모터 축이 변위한 각도에서 각도 -정토크 특성을 구한는 셈이다.
풀리의 반지름을 r (cm) ,용수철 저울의 값을 W ( g ) 라고 하면 토크 T 는 아래와 같은 식이 된다.

T = r x W (cm^.g)

3-1절에서 만든 기본접속 그림 3-6 에서 스윗치를 사용해서 동작 시켰을때 스태핑 모터 (모델 15BA-H074-01)의 각도 정토크 특성을 그림 5-2에 나타냈다. 용수철 저울은 최대 200g, 풀리는 지름 1.5cm의 것을 사용했다.


변위각 (。)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
토크 (g·㎝)	22.5	36.0	45.0	66.0	93.0	109.5	139.5	165.0	186.0	204.0	216.0	229.5	232.5	234.0

그림 5.2 각도-정토크 특성의 측정값
그리고 모터의 스텝각과 동등하게 되는 위치가 최대 토크로 되어 있다. 또 그림 5-2의 측정예에서는 약 230 g^.cm 의 부하 토크까지는 유지 되었지만 그 이상의 부하토크가 걸린 경우에는 모터는 정지 위치를 유지할 수 없게 되고, 외력에 의해 모터축이 회전하게 되었다. 즉, 스테핑 모터의 유지 토크에는 한계가 있는 셈이다.
이 한계값을 최대 정지 토크 T_H이라고 한다. 모터의 부하가 이 T_H이면 부하토크를 빼면 모터의 축은 원위치로 복귀한다.
따라서, 물체를 달아 올리는 것 같은 기계에 스테핑 모터를 이용하는 경우에는 주의가 필요하다. 또, 부하 토크에 의해 정지 각도에 최대 ㄫθ^o(모터의 소정 스텝각)의 변위가 생기므로, 정확도가 높게 정지 시키려면 부하 토크를 가볍게 해서 사용하는 것이 중요하다.

5.2 각도와 정토크 특성과의 관계

아래 그림 5-3 은 각도와 정토크 특성과의 관계를 나타낸것이다. 모터의 부하 토크가 0 이라면 변위각의 오차는 0이 되고 정확하게 정지한다. 그러나 모터의 부하 토크가 가해지면 그 토크에 따라서 정지 각도가 변위한다.

그림 5.3　각도와 정토크의 특성
예컨데, 모터의 정지 위치에서 모터를 회전 방향으로 회전 시키려고 하는 부하 토크가 작용하는 경우는 샤프트는 +θ쪽으로 변위한다. 또 반시계방향으로 회전 시키는 것 같은 부하토크가 작용하면 -θ쪽으로 변위하는 것이 된다. 모터의 특성에서는 최대 정지 토크 T_H가 정해져 있는데, 이 이상의 부하 토크가 가해지면 그림5-3의 θ위치를 넘어 모터는 다음 안정점 (2θ)까지 회전 하는 것이 된다.
지금 부하 토크 T_a를 음으로 해서 모터가 정지하면 θ_a의 변위 각도의 위치에서 정지한다. 그리고 1방향 회전이라면 번위 각도 θ_a를 포함한 그대로 정지하므로 절대위치에서는 어느 위치에서도 θ_a의 오차가 생긴다. 그러나, 상대 오차는 생기지 않는다. 다만, 정역 회전을 한 경우는 절대 위치에서 2θ_a의 오차가 생기게 되므로 주의가 필요하다.

5.3 속도와 토크 특성과의 관계

Stepping motor의 속도와 토크와의 관계는 일반적으로는 그림 5-4와 같이 표시된다.

그림 5.4　속도 - 토크 특성
이 특성은 모터 자신이나 구동회로, 여자 시퀀스에 의해 크게 달라지지만, 기본적으로 고속이 될수록 모터의 토크는 떨어진다. 이 이유는 모터의 코일에 직류전류를 흘리기 때문이다.
아래 그림 5.5 에서 든것 처럼 고속이 될수록 코일에 흐르는 전류가 완전히 상승되지 않기 때문이다. 또, 스테핑 모터의 코일에는 그림 5.5에서도 알 수 있듯이, 정지시에 가장 많은 전류 (구동전압ㄺ 코일 저항 )가 흐른다. 따라서, 모터는 이 때가 가장 토크가 크고 이것이 최대 정지 토크 T_H로 된다.


(a)저속에서의 전류	(b)중속에서의 전류

(c)고속에서의 전류
그림 5.5　저속, 중속, 고속에서의 모터전류 파형

모터가 무부하시에 모터의 회전이 입력 펄스수와 완전히 1:1 로 대응해서 기동할 수 있는 속도를 최대 자가동 주파수라고 한다. 또, 압력 신호에 추종해서 기동,정지,역전,가속,감속 등이 행해지는 자기동 영역이라고 하며 이 영역에서의 속도와 최대 토크특성과를 스타팅 특성라고한다. 즉, 이 자기동영역에서의 속도와 최대 토크특성과를 스타팅 특성이라고 한다. 즉, 이 자기동 영역안에서 모터를 스타트시키면 입력 펄스수와 완전히 1:1로 대응한 제어를 할 수 있다는 것이다.
스테핑 모터는 이 자기동 영역의 범위 안에서 기동시키면 그 뒤에 서서히 입력 펄스의 증가 시킬 수 있다. 그리고 입력펄스의 주파수를 증가시키면서 입력펄스수와 완전히 1:1로 대응할 수 있는 영역이 정상영역이라고 불리우는것으로, 이 때의 속도와 최대 토크 특성을 정상 회전 특성이라고한다.
따라서, 스테핑 모터의 성능을 최대한 사용하려면 우선 자기동 영역안에서 기동하고, 그 뒤는 서서히 주파수를 올려 슬루 영역을 잘 활용하는것이다. 이것을 가감속 (throw up/throw down)제어 라고 한다.
이 밖에 토크에 관한 것으로서, 알반적으로 10pps로 회전하고 있을 때의 모터의 토크가 최대 기동 토크로서 표시되어 있다.

5.4 고속시 토크를 크게 하는 실험

앞 절에서 설명한 것처럼 스테핑 모터는 고속회전이 되면 토크가 떨어진다는 결점이 있다. 이 절에서는 그것을 개선하는 회로에 대해서 알아 보겠다.
모터의 권선을 R,인덕턴스를 L로 하면 모터의 전기적 시상수 τ는
τ 　= L / R 이 된다.
이 시상수 τ는 그림 5.5(a)의 상승 커브가 된다. 그래서 모터의 시상수를 작게 하면 전류를 급속하게 코일에 흘릴 수 있고, 그 결과 고펄스레이트시의 토크를 개선할 수 있다. 모터의 시상수 τ를 작게 하는 방법은 여러가지가 있는데 그 몇가지 구동회로에 대해서 살펴 보겠다.
아래 그림 5-6는 스텝모터 구동기의 가장 기본적인 회로이다. 하지만 이 회로를 그대로 이용하면 트랜지스터가 off했을때 코일 사이에 역기전력이 발생하기 때문에 코일과 병렬로 다이오드를 연결한다. 이렇게 하면 off시 발생하는 역기전력을 코일과 다이오드 사이를 순환시켜 트랜지스터를 보호할 수 있다.

그림 5.6　구동기의 기본회로
그러나 이 회로만으로는 고속도에서 큰 토크를 얻기 힘들다. 그래서 주변에 저항, 제너 다이오드 등을 추가 하여 특성을 개선 시켜본다.
그러면 지금부터 고속시 토크를 크게하는 회로에 대해서 알아본다.

5.4.1 코일에 직렬 저항을 넣는 효과
그림 5.7의 회로는 코일에 직렬로 외부저항을 넣은것이다. 이 회로에 시상수 τ는

τ = L / ( R

+ R )

	이 공식 만으로 시정수 τ가 개선 되는 것을 알 수 있다. 외부저항이 크면 클수록 좋지만 자꾸 커지면 그만큼 전격전류를 흘려 주기 위하여 전원전압이 높아진다. 또한 외부저항의 전압 강하로 발열이 커지는 것에 대해서 주의한다.
그림 5.7　저항을 추가한 회로

5.4.2 다이오드에 직렬로 정전압 다이오드를 넣는 효과
그림 5-8의 회로는 직렬로 정전압 다이오드를 다이오드에 직렬로 넣은 것이다.


그림 5.8　정전압 다이오드를 추가한 회로	그림 5.9　역기전압 발생에 의한 순환전류

기본회로에서 역기전압 방지용으로 다이오드를 넣었는데, 이 다이오드에 의해 트랜지스터가 off했을 때 그림 5.9 같이 전기전압에 의한 전류가 코일과 다이오드 사이를 순환한다. 즉, 트랜지스터가 off로 되어도 코일에는 잠시 전류가 흐르는 것이 되며, 그 결과 모터의 회전과 역의 제동 토크(일종의 브레이크)가 생기는 것이다. 이것이 결과적으로는 토크를 떨어뜨리는 원인이 된다. 이 전류를 방지하는 방법으로서 정전압 다이오드 D 와 역방향으로 삽입하는 셈이다. 이렇게 하면 (정전압 다이오드의 전압) + (다이오드의 순방향 전압) 보다도 높은 전압이 모터의 코일 사이에 발생하고 있는 동안은 전류가 순환하지만, 그 이하 전압이 되면 정전압 다이오드에 의해 전류는 저지된다. 따라서, 트랜지스터를 파괴하지 않는 범위 안에서 정전압 다이이오드의 제너 전압을 높게 하는 편이 효과적이다. 그러나 너무 높은 전압의 정전압 다이오드는 압수하기 어려운 점과 전압이 높아지는 것으로 정전압 다이오드의 파워 손실이 커지는 것도 무시 못한다. 수 10 V 정도의 정전압 다이오드로 충분한 효과를 얻을 수 있다.

5.4.3 정전압 다이오드 및 외부저항 추가 회로

그림 5.10　정전압 다이오드와 저항을 추가한 회로
일반적으로 구동회로의 Vcc는 모터의 정격보다는 다소 높게 되어있다. 이는 트랜지스터가 on 했을 때 콜렉터 - 이미터간 전압이 약 0.75V정도 있기 때문이다. 각 회로에 있어서 실험의 결과를 그림 5.11와 그림 5.12에 나타냈다. 무부하 상태에서 슬루잉 주파수가 신장되어 있지 않은 것은 펄스 레이트를 서서히 상승시키는 throw up의 도중에 모터 고유의 진동 영역이 있고 회전이 흩어져 버렸기 때문이다.

그림 5.11　각 구동회로에 의한 부하 관성과 슬로잉 주파수

그림 5.12　각 구동회로에 의한 부하 관성과 자기동 주파수

이 실험 중에서 자기동 주파수나 슬루잉 주파수가 가장 신장 되어 있는 것은 정전압 다이오드 + 외부 저항의 조합(그림 5.10)이었다. 즉, 외부 저항에서 상승을 개선 시키고 정전압 다이오드에서 off시의 순환 전류를 방지하고 있기 때문이다. 측정 결과의 그림은 세로축에 부하 관성 모멘트를, 가로축에 펄스 레이트가 표시 되어있다. 무부하에서의 값은 모터 자신의 로터관성를 나타내고 있는 것이다.
이상의 실험치에서 모터의 동특성은 구동회로와 부하의 상태로 크게 틀려지는 것을 알 수 있다. 또한, 이 실험에서의 자기동 주파수는 실험을 간단하게 하기 위해 모터가 불안정한 동작을 하지 않고 회전하기 시작 하는 점의 주파수를 나타냈다. 또, 탈출 토크 특성를 보기 위한 슬루잉 특성은 모터에 부하를 붙인 상태로 자기동 주파수로 기동 시킨 뒤, 200 Hz 정도의 비율로 펄스 레이트를 증가시켜 회전이 불안정이 된 점, 혹은 정지한 주파수가 표시되어 있다.
일반적으로 말하는 슬루인 특성은 모터를 자기동 주파수로 기동시킨 뒤, 다시 주파수를 상승시켜 일정한 주파수로 모터를 회전 시킨다.

5.4.4 과도 특성
스테핑 모터에 펄스 신호를 하나 넣어 여자를 전환하면 부하와 구동회로에 따라 다르지만, 모터의 회전자는 그림 5.13 과 같은 특성을 나타낸다. 즉, t의 상승시간 뒤에 오버 슈우트를 발생하고 고유의 감쇠 진동을 하면서 세트링 타임까지 진동하고 정지한다. 그런데, 이러한 응답 특성의 모터에 대해 펄스를 연속적으로 입력하는 경우에는 그림 5.13에서의 t₁부터 t₂ 의 사이는 역방향으로 토크가 작용하고 있으므로, 이 사이에 다음의 펄스가 들어 가든가 하면 회전자는 역회전 하든가,불안정이 되던가 해서 여러가지 속도로 스포트적으로 공진이라고 불리우는 진동이 발생한다. 또, 모터를 고속 회전하기 위해서는 앞에서 설명한 것처럼 시상수를 작게 해서 상승시간을 짧게 할 필요가 있다. 실제로 모터의 오버 슈트나 언더 슈트를 관측해보려면 아래 그림 5.14처럼 모터축에 포텐셔메터를 직결하고 전압 변화의 파형을 관측한다.


그림 5.13　과도 특성 곡선	그림 5.14　과도 특성의 실험

모터의 여자 방법에는 여러가지가 있지만 여기서는 2상여자라 부르는 방법으로 7 pps, 14pps, 150pps, 350pps로 회전 시켰을때의 파형을 아래 사진 5-2에 나타냈다. 스텝레이트를 올려가는데 있어서 오버 슈트,언더 슈우트가 없어지고 있다. 오버 슈트나 언더 슈트가 있는 동안은 회전음도 크고 따끔따끔한 느낌이지만 스텝 레이트가 올라 가고 파형이 매끈해지는것에 따라서 회전음이 조용해지는 것을 알 수 있다.


(a)7pps(상여자 펄스는 50ms/div)	(b)10pps(상여자 펄스는 10ms/div)

(c)150pps(상여자 펄스는 10ms/div)	(d)350pps(상여자 펄스는 10/div)
사진 5.2　스테핑 모터의 과도 특성(2상 여자 동작)

1) 로터 관성 : 로터 관성(Rotor Inertia)이란 모터의 회전자(로터)가 갖고 있는 관성을 말하며 회전자 자신의 크기나 무게에 따라 다르며 모터의 특성표에는 반드시 표시되어 있다.
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2) 탈출 토크(풀 아웃 토크 Pull out torque) : 풀 아웃 토크라고도 말하며, 스테핑 모터의 속도를 자기동 주파수를 초과해 서서히 올릴 경우, 또는 주파수를 고정시켜 부하 토크를 서서히 증가시킨 경우에 모터가 탈조 하지 않으므로써 발생하는 최대의 토크를 말한다.
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