STEP MOTOR 6

6. stepping motor의 구동

Stepping motor 의 구동부에 대한 설명은 아래와 같다.
o pulse 발진기 : 속도 및 전위량을 결정한다.
o logic 부 : pulse 발진기에 따른 stepping motor의 여자 각도를 결정한다.
o 증폭부 : logic 부로 부터의 신호를 증폭하고 motor를 구동한다.
o 직류 전원부 : motor및 각종 회로를 구동하기 위하여 전원을 공급한다.

6.1 stepping motor의 상여자

Stepping motor 의 구동방법은 그 권선 코일에 어떤 형태로 전류를 흐르게 하는가에 따라 구별되고 있다. 이것은 모터의 종류에 따라서도 달라지지만, 가장 많이 사용되고 있는 PM형 stepping motor의 step값 90^o 의 경우를 예로 설명한다. 그림 6.1은 PM형 4상 motor의 권선 구조이며 각도가 작은 motor에서는 기본적인 구조나 사고방식은 같다.
이 예의 경우는 각각 상대하는 고정자의 이빨에 코일이 두 가닥씩 감겨져 있다. 또 A'와 A'가 B'와 B'가 각각 common선으로서 외부로 나와 있는 motor도 수 많이 있다. 일반적으로 유니폴러 구동과 바이폴라 구동으로 구별할 수 있다.

그림 6.1　스테핑 모터의 권선 구조(PM형)

6.2 구동법

6.2.1 유니폴러 구동
그림 6.2는 unipolar구동 회로의 예이다.
각각의 coil에 1개의 transistor가 접속되고 transistor를 ON하는 것으로서 각 coil에 전류를 흐르게 한다. 또 그림에서와 같이 1방향만의 coil에는 전류 ( A' -> A, A' -> A, B' -> B, B' -> B )밖에 흐르지 않는다. 이와 같이 coil에 1방향밖에 전류가 흐르지 않기 때문에 unipolar(편극성)구동이라 부르고 있다.

그림 6.2　유니폴러의 구동회로 예
이 구동방식은 coil에는 동일 시간에 A상, A상 혹은, B상, B상의 한쪽 밖에 전류를 흘리고 있지 않으므로 저속 영역에서는 torque를 크게 취할 수 없다는 결점이 있으나 모터의 전원 회로를 포함시켜 회로 구성을 가장 간단히 할 수 있는 점에서 가장 널리 이용되고 있다.
그러면, 이하에 4상 motor에서의 unipolar구동에 있어서의 상여자 시퀀스에 대해 조사해 보기로 하자. 4상 motor에는 1상 여자, 2상 여자, 1-2상 여자라고 불리우는 여자 sequence가 있고, 이 방법의 선택에 따라 입력 pulse와 step과의 특성이 달라진다. 표 5-1이 4상 motor의 unipolar 에서의 여자 방식이 특징이다.

	내용	스텝각	입력	특 징	입력펄스와 각상 전류의 관계
유 니 폴 라 1 상 여 자	항상 하나의 상에만 전류를 흐르게 하는 방식	θ (폴 스텝)	P	입력이 1 상 뿐이므로 모터의 온도 상승이 낮고,전원이 낮아도 된다. 출력토크는 크지만 스텝 했을 때에 감쇠 진동이 큰 난조를 일으키기 쉬우므로 광범위한 스텝 레이트로 회전시킬 때는 주의를 요한다.
유 니 폴 라 2 상 여 자	항상 2개의 상에 직류를 흐르게 하는 방식	θ (폴 스텝)	2P	항상 2 상이 여자되어 있으므로 기동 토크가 주어져 난조가 일어나기 어렵다. 상 전환시에도 반드시 1 상은 여자되어 잇으므로 동작시에 제동 효과가 있다. 다만, 모터의 온도 상승이 있고 1 상 여자에 비해 배의 전원 용량을 필요로 한다.
유 니 폴 라 1-2 상 여 자	하나의 상과 2개의 상을 교대로 흐르게 하는 방식	θ2 (하프 스텝)	1.5P	1 상, 2 상 여자의 용량을 특징을 가지며 스텝각이 1 상, 2 상에 비교해서 1/2이 된다. 응답 스텝 레이트는 1 상, 2 상 여자의 2배가 된다.

표 6.1　4 상 모터의 유니폴러 구동

6.2.1.1 4상 motor 의 1상 여자동작
그림 6.3에 1상 여자에서의 motor의 동작을 나타 낸다.


그림 6.3　유니폴러 구동 1-2상 여자

Step 1에서 transistor이 on 되고 A'-> A로 전류가 흐른다. coil에 전류가 흐름으로써 고정자의 이빨은 n,s극으로 여자된다. 이때 B 쪽에는 전류가 흐르고 있지 않으므로 B 쪽의 stator 의 이빨은 비여자이지만, A쪽의여자에 동반해서 회전자의 영구자석은 각각 N 과 S , S 와 N 이 결합해서 안정한 위치에 정지한다.
다음에 step 2로 진행하면 먼저 on 하고 있던 T_r1 은 off가 되고,대신에 T_r3가 on 이된다. T_r3가 on이 되면 B'-> B의 coil 에 전류가 흘러 이번에는 90^o씩 어긋나고 있는 고정자가 여자가 된다. 그리고 여자 위치가 이동한 것으로 회전자도 시계 방향으로 당겨져 90^o 회전하게 된다.
같은 방법으로 step 3 과 step 4 의 동작을 함으로써 모터는 각 step 당 90ㅱ씩 진행시켜 회전 시킬 수 있다.

6.2.1.2 4상 motor 의 2상 여자동작
그림 6.4 는 2상 여자의 동작을 나타내며,2상 여자의 경우는 A,B쪽의 coil이 동시에 1가닥씩 여자된다.


그림 6.4　유니폴러 구동 2상 여자

우선 step 1에서는 A'-> A, B'-> B 의 coil 에 전류가 흐른다. 고정자의 극은 1상 여자와 같이 12시와 3시가 S극,6시와 9시의 위치가 N극으로 여자된다. 그 결과로써 회전자의 N극은 12시와 3시의 S극의 중간의 위치에 정지한다.
다음으로 step 2에서는 A상의 coil 이 전환되고 A' -> A 로 전류가 흐른다. 그리고 12시의 극이 N, 6시의 극이 S로 된다. 그 결과 회전자의 N극은 12시의 N 극과 반발해서 3시와 6시의 S극의 중간 위치에 안정한다.
이렇게 해서 회전자는 시계 방향으로 90^o 회전하는 셈이며 ,step3,step4 에서도 마찬가지로 2장씩 같은 극으로 여자되어 회전자의 극이 그 중간의 위치에서 정지하면서 회전하게 된다. 또한 2상 여자는 1상 여자와 비교해서 2 배의 전류가 흐른다. 그러나 코일의 2상이 여자되어 있으므로 1상 여자에 비하면 정지상의 오버슈터나 언더슈터가 작고 과도 특성이 좋아진다.

6.2.1.3 4상 motor 의 1-2 상 여자동작
그림 6.5 의 1-2 상 여자는 전술한 1상 여자와 2상 여자가 교대로 반복하는 것이다.
따라서 회전자는 step 마다 45^o 회전한다. 즉 step 각은 maker 가 표시하는 각도의 1/2 가 된다. 1-2상 여자는 1상 여자와 2상 여자의 특성을 같고 있으므로 step rate는 배가 된다.


그림 6.5　유니폴러 구동 1-2상 여자

6.2.2 bipolar 구동
Stepping motor 의 구동으로는 전술한 것과 같은 간단한 구성으로 끝나는 unipolar구동외에, 회로는 복잡하지만 저속 영역 에서의 torque 를 개선하는 bipolar 구동이라는 방법이 있다. 이 bipolar 구동은 motor 의 coil 에 교대로 전류를 흘리도록 드라이브한다. 그림 6.6 은 브리지 형이라고 불리우는 bipolar 구동 회로를 나타낸다.

그림 6.6　바이폴러 구동회로 예

그림 6.7 스테핑 모터의 바이폴러 감기

	내용	스텝각	입력	특 징	입력펄스와 각상 전류의 관계
바 이 폴 러 1 상 여 자	항상 1조(2상)의 상에만 전류를 흘리는 방식(전류 방향은 교대로 변화한다)	θ (폴 스텝)	P	4상 권선의 2상(1상)만이 여자되는 방식으로 각도 정확도가 좋다. 전원이 작은 것으로 좋지만 2가닥의 권선이 직렬로 접속되므로 2배의 전압을 필요로 한다. (바이폴러 드라이브 공통의 특징) 다만, 전 코일의 1/2밖에 사용하고 있지 않으므로 이용효율이 나빠 바이폴러 드라이브에는 이용되지 않는다.
바 이 폴 러 2 상 여 자	항상 2조의 상에 직류를 흘리는 방식(전류의 방향은 교대로 변화한다)	θ (폴 스텝)	2P	4상 권선의 모두가 여자되는 방식으로 덤핑특성이 좋다. 유니폴러 드라이브에 비교해서 저속시의 토크 특성이 우수하지만 고속이 되면 코일이 직렬로 접속되어 있기 때문에 L이 크고 시상수가 길며, 반대로 토크가 낮아지는 결점도 있다. 코일의 이용율이 가장 높다.
바 이 폴 러 1-2 상 여 자	1조의 상과 2조의 상을 교대로 전류를 흘리는 방식(전류 방향은 교대로 변화한다)	θ2 (하프 스텝)	1.5P	4상 권선 중 여자가 교대로 여자되는 방식으로 바이폴러 1상, 2상 여자의 중간 특징을 갖고 있다. 스텝각은 1/2이 된다. 유니폴러 드라이브에 비교해서 복잡한 제어회로를 필요로 한다.

표 6.2　4 상 모터의 바이폴러 구동
회로에서처럼 unipolar 구동과 비교하여 2배의 transistor를 필요로 한다. 또 motor의 코일을 감는 방법도 다르고 2 가닥의 coil을 같은 방향으로 겹쳐 감아 단자만을 별개로 빼내는 구조가 이용되고 있다. 이중 1가닥의 wire를 연속적으로 감은 것은 모터 파일러 감기라고 부르고 2가닥을 동시에 겹쳐 감은 것은 바이 파일러 감기라고 하는데 그림 6.7과 같이 바이 파일러 감기쪽이 2가닥의 coil 의 인덕턴스가 동등하게 되므로,결과적으로 위치 결정 정확도가 좋아진다는 특징이 있다. 이 bipolar 구동에도 1상 여자와 2상 여자 있는데, bipolar 1상여자는 효율면에서 사용되는 일이 적고, 2상 여자와 1-2상 여자가 주류이다. 그리고,여자 방식에의한 step 각의 차이에서 2상 여자를 풀 스텝 구동, 1-2상 여자를하프 스텝 구동이라고 부르고 있다.
표 6.2 에 바이폴러 구동 방식의 특징을 나타낸다.

6.2.2.1 바이폴러 풀 스텝 구동
그림 6.8에 bipolar step 구동의 여자 시퀀스와 회전자의 동작을 나타낸다. 이 방법은 항상 모든 coil에 전류를 흘리는 것이지만,시퀀스 그림의 윗 절반은 A' -> A,A ->A'의 방향으로 전류를 흘리는 것처럼 표현하고 있다. 물론 B coil 쪽도 마찬가지이다.


그림 6.8　바이폴러 풀 스텝 구동