기초 디자인 프로젝트 ( Foundation for Electronics System Design ) S G Sogang Univ. Robot & Vision Lab. September 2007 Byung-Sung Kim 모터 구동

2 Sogang Univ. Electronics Engineering Motor : 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. Motor 유형 - DC Motor - AC Motor - BLDC Motor - Step Motor etc.

3 Sogang Univ. Electronics Engineering DC Servo Motor 외부에 자석사용 회전자가 권선으로 방열 어렵다 내부에 정류자 (ROTOR) 사용 회전 전기자형 Brushed Motor : 전류를 흘리기 위한 부분 제어구조가 간단

4 Sogang Univ. Electronics Engineering

5 Sogang Univ. Electronics Engineering Compact -H : 2.5cm, L : 11.7cm, W : 7.4cm -Low Power -Simple circuit Fast Speed -StraightSpeed :3.0 m/s -Acceleration : 5.0 m/s/s -TurnSpeed : 1.2 m/s Complex -Controller (feed back..) - etc. MIN4A ( Singapore ) 26th All Japan, 2005, 1st runner-up SRG 2006, 2nd runner-up(+ fastest mouse award) 27th All Japan, 2006, CHAMPION SRG 2007, 1st runner-up(+ fastest mouse award)

6 Sogang Univ. Electronics Engineering STEP Motor : 종류와 구조 — 스텝핑 모터의 종류 — PM Type (Permanent Magnet) VR Type (Variable Reluctance) HB Type (Hybrid) 회전자 (Rotor) 가 영구자석이므로 고정자 (Stator) 측 코일이 만드는 자계와 회전자 흡입력과 반발력으로 회전자의 회전 위치가 결정 자석으로서의 흡인력과 반발력은 없으나 고정자의 자계에 의한 기어상의 회전자를 자기저항 (Reluctance) 이 최소가 되는 회전각까지 잡아당기는 것처럼 작용하여 회전자의 회전 위치가 결정 PM Type 과 VR Type 조합. 고정자의 구조는 VR 과 비슷하지만 회전자가 축 길이 방향으로 자화되어 있고 이빨이 있다. 고 토크와 작은 스텝각을 얻을 수 있다.

7 Sogang Univ. Electronics Engineering STEP Motor : 동작 원리 A B C D Stepping Motor 구조 Stepping Motor 동작 원리

8 Sogang Univ. Electronics Engineering STEP Motor : 장 / 단점 — Stepping motor — 1) 제어가 쉽다. 단지 펄스만 주면 된다. 2) 오차누적이 없어서 바퀴의 미끄러짐만 없다면 오차가 거의 없다. 3) 오픈루프 제어가 가능하고 계산량이 적다. 4) 브러쉬가 없으므로 유지 보수가 불필요하다 5) 마이크로스텝 구동으로 미세한 스텝각으로 제어가 가능하다. 6) 정지시 큰 정지토크가 있다. 장 점 단 점 1) 크고 무겁다. 부피에 대한 출력 값이 작다. 2) 탈조를 막기 위해서는 토크 여유가 있어야 하므로 성능을 100% 활용할 수 없다. 3) 전력소모가 많아서 파워 용량이 커야 한다. 4) 고속 회전이 어렵다. 5) 가 / 감속을 하기 위해서는 throw up, throw down 제어를 해야한다. 6) 특정 주파수에서 공진, 진동 현상이 생길 때도 있다.

9 Sogang Univ. Electronics Engineering STEP Motor : 기본 특성 Holding Torque : Torque (kg-cm) Frequency (PPS) Pull out Pull in Holding Torque 스텝핑 모터가 통전 상태에서 정지하고 있을 때 가지고 있는 최대 유지 토크를 말한다. 기동 시, 부하토크가 여자최대 정지토크 이내여야 한다. 자기동 영역 스루 영역 자기동 영역 : 외부에서 주어진 신호로 기동, 정지할 경우 스텝핑 모터의 응답 가능한 영역 스루 영역 : 자기동 영역을 넘어선 고속 영역. Throw up/Throw down 을 통한 가감속.

10 Sogang Univ. Electronics Engineering STEP Motor 의 선정 SST42D1100 VS. 103H SST42D H MODEL STEP ANGLE ROTOR INERTIA VOLTAGE CURRENT HOLDING TORQUE DIMENSION 1.8° 3.7 V 3.15 V 0.95 A/Phase 1A/Phase 1.9kg-cm 1.5kg-cm 30 g-cm2 27 g-cm2 31mm 32mm * 구동 회로에 따라 성능이 달라진다.

11 Sogang Univ. Electronics Engineering 가 / 감속 테이블 급작스런 가속도 변화는 모터에 무리를 주거나 탈조 (Stall) 한다. 고속 위치 제어 시, Throw – up 과 Throw-down 의 가속 필요 Irrational Exponential Linear S-Curve v v v v t tt t - Linear 는 t=0 에서 갑자기 일정 가속도로 인해 기계적 충격. 편리함. - S-Curve 가 가장 안정적 가 / 감속 속도 변화. 거리 별 속도 프로파일을 매번 계산 해야함.

12 Sogang Univ. Electronics Engineering 등가속 테이블 작성 초기 속도를 0 으로 가정, 을 스텝 당 이동 거리라고 했을 때, t v S1 S2 S3 t1 t2 t3 t v S1 S2 S3 t1 t2 t3

13 Sogang Univ. Electronics Engineering 등가속 테이블 작성 바퀴의 지름을 D 라고 했을 때, 스텝 당 이동 거리 180mm 를 이동한다 했을 때, 필요한 스텝 수 정확한 바퀴의 지름을 측정하기 위해서 실제로 긴 거리를 주행 후, 보정이 필요

14 Sogang Univ. Electronics Engineering 모터 구동회로 Microcontroller 펄스 열 방향신호 여자 시퀀스 발생부 전류 구동부 스테핑 모터 — 스테핑 모터 제어 회로 구성 — - 한 펄스를 입력에 한 스텝씩 주어진 방향에 따라 회전 ( 간단한 제어 ) - 4 상의 여자신호를 발생시키는 여자 시퀀스 발생부 - 여자 시퀀스 발생부는 생략 가능 (Microcontroller 에서 4 상 신호 발생 ) - 여자 신호를 받아들여 권선에 여자 전류를 흘려주기 위한 구동 회로부

15 Sogang Univ. Electronics Engineering 의 4 개의 고정자 권선에 몇 개의 상에 여자 전류를 흐르게 하는지에 따라 여자 방식이 결정된다. 모터 구동회로 : 여자 방식 고정자에 흐르는 전류를 여자 전류라 한다. 2 Phase 스테핑 모터는 전기적으로 의 4개의 고정자 권선이 있다. 이들 상에 동시에 몇 개의 상에 여자 전류를 흐르게 하는지에 따라 여자 방식 결정.고정자에 흐르는 전류를 여자 전류라 한다. 2 Phase 스테핑 모터는 전기적으로 의 4개의 고정자 권선이 있다. 이들 상에 동시에 몇 개의 상에 여자 전류를 흐르게 하는지에 따라 여자 방식 결정. 1)1 상 여자 Unipolar Bipolar Unipolar Bipolar 2)1-2 상 여자 Unipolar Bipolar 3)2 상 여자

16 Sogang Univ. Electronics Engineering 첨부 자료 참조 모터 구동회로 : 구동 방식

17 Sogang Univ. Electronics Engineering Microcontroller 를 이용한 모터 구동 DC Motor PWM (Pulse Width Modulation) 을 통한 제어 : Duty ratio 조절 Fast PWM

18 Sogang Univ. Electronics Engineering Microcontroller 를 이용한 모터 구동 Stepping Motor PWM 의 전체 주기 조절을 통한 제어

19 Sogang Univ. Electronics Engineering Microcontroller 를 이용한 모터 구동 Stepping Motor PWM 의 전체 주기 조절을 통한 제어

20 Sogang Univ. Electronics Engineering Example ) 전진 가속 Throw-up Code