Step Motor Step Motor의 개요 Step Motor의 원리 3. Step Motor의 특징
1. Step Motor의 개요 Stepping motor, Step motor, Pulse motor AC servo, DC servo motor에 비해 가격이 저렴 정확한 각도(위치) 제어에 용이 shaft의 위치를 검출 장치 불필요 각종 OA, FA 장비에 널리 사용 고정밀 위치제어용으로 DC servo motor와 같이 사용 입력 pulse 신호에 대응한 회전 속도 발생 Micro processor에 의한 digital 제어가 용이 속도 제어 용이 DC motor나 AC motor와 달리 shaft의 위치를 검출하기 위한 별도의 feedback(센서 등의 신호)없이 정해진 각도를 회전하고, 상당히 높은 정확도로 정지 가능 다른 motor에 비해 매우 큰 유지 토크(정지 토크) 존재
2. Step Motor의 특징 2-1 장 점 디지털신호로 직접 오픈 루프제어 가능 시스템 전체 Simple 펄스신호의 주파수에 비례한 회전속도 발생 광범위한 속도제어 가능 기동, 정지, 정-역회전, 변속이 용이하며 응답특성 우수 모터의 회전각이 입력 pulse 수에 비례 모터의 속도는 1초간의 입력 pulse 수에 비례 1 step 당 각도 오차가 5% 이내이며 회전각 오차가 step마다 누적되지 않음 정지 시에 높은 유지토크로 위치를 유지 가능, 기동 및 정지 응답성 양호 servo motor로서 사용 가능 초 저속으로 높은 토크(torque) 운전 가능 DC motor등과 같이 brush 교환 등 보수 불필요 모터자체의 부품수가 적어 신뢰성 우수 회전각 검출을 위한 별도의 센서가 불필요 제어계 간단히 구성 가능 가격이 상대적으로 저렴
2. Step Motor의 특징 2-2 단 점 특정 주파수에서 진동, 공진 현상 발생 가능 관성이 있는 부하에 취약 고속 운전시에 탈조하기 쉽다. 보통의 driver로 구동 시, 권선의 인덕턴스 영향으로 인하여 권선에 충분한 전류를 흘리게 할 수 없어, pulse비가 상승함에 따른 torque의 저하로 DC motor에 비해 효율이 떨어진다.
3. Step Motor의 종류 VR(Variable Reluctance) Type 가변 리럴턴스형 구동회로에서 전류의 극성은 중요치 않다. Unipolar 구동방식 PM(Permanent Magnet) Type 영구 자석형 전류의 극성이 회전방향 결정 Bipolar 구동방식 Hybrid Type 영구 자석형과 가변 리럴턴스형의 복합형
3-1 VR형
3-2 PM형
3-3 Hybrid 형
4. Step Motor의 특성 정특성(Static Characteristics) 정지시 특성 각도와 정토크 특성 모터가 특정한 안정위치에 정지하고 있고 정격의 전류로 여자하고 있을 때 모터의 축에 외력을 인가한 경우 인가 토크에 따라서 정지 각도가 변위한다. 이러한 변위 각과 인가 토크와의 관계를 각도와 정토크 특성이라 한다. 모터의 부하 토크가 0 이라면 변위각의 오차는 0이 되고 정확하게 안정위치를 유지한다. 그러나 모터의 부하 토크가 가해지면 인가된 토크에 따라서 정지 각도가 변위한다. 최대 정토크를 Holding Torque라 한다.
4. Step Motor의 특성 동 특성(Dynamic Characteristics) 기동 및 회전시 특성 속도가 증가할수록 발생 토크는 감소. Starting 특성 Pull-in Torque 특성 입력 펄스에 동기해서 기동 및 정지를 할 수 있는 범위 자기동 영역( Pull-in range) 관성이 증가하면 자기동 영역은 감소 최대 자기동 주파수(Maximum Starting Frequency) 무부하 상태에서 입력 펄스에 동기해서 기동/정지할 수 있는 최대 주파수 최대 기동 토크(Maximum Starting Torque / Maximum Pull-in Torque) 정격전류로 여자한 경우 10Hz 미만의 입력 펄스에 동기해서 기동할 수 있는 최대 부하 토크 Unstartable range : 공진으로 기동할 수 없는 영역
4. Step Motor의 특성 동 특성(Dynamic Characteristics) Slewing 특성 Pull-out Torque 특성 자기동 영역에서 기동 한 후, 입력 펄스의 주파수를 증가함에 따라 이에 동기해서 회전할 수 있는 영역 Maximum Pull-out rate 무부하 상태에서 입력 펄스에 동기해서 회전할 수 있는 최대 주파수
5. Step Motor의 여자 방식 NK243 Hybrid 4상 6선 스테핑 모터의 결선 예 6개의 외부 전선을 갖는 스테핑 모터는 Unipolar(단극성)과 Bipolar(양극성) 구동방식(코일의 중간 탭에 연결된 두 선은 사용하지 않음)을 모두 사용 가능 4개의 외부 전선을 갖는 스테핑 모터는 Bipolar 구동방식만 가능 RED BLACK BLUE YELLOW BROWN WHITE
5. Step Motor의 여자 방식 등가 회로 VCC VCC GND
5. Step Motor의 여자 방식 1상 여자 방식의 구동 특징 항상 하나의 상에만 전류를 흐르게 하는 방식 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. 1주기
C언어에 의한 프로그래밍 8255의 A 포트의 어드레스 번지 280h, B 포트 281h, C 포트 282h, control word 레지스터 283h로 각각 설정 #include<stdio.h> #include<dos.h> #include<conio.h> #define CW 0x283 // 컨트롤 레지스터의 어드레스 #define PA 0x280 // 8255 A port 설정 void main( ) { int i, j , out_data[4]={ 0x01, 0x02, 0x04, 0x08 }; //1상 여자 outportb(CW, 0x80) ; //8255초기화, 전 포트 출력 for(i=0;i<30;i++){ for(j=0;j<4;j++){ outportb(PA, out_data[j]); delay(200); } } }
5. Step Motor의 여자 방식 2상 여자 방식 특징 항상 2개의 상에 직류를 흐르게 하는 방식 항상 2 상이 여자되어 있으므로 기동 토크가 주어져 난조가 일어나기 어렵다. 상 전환시에도 반드시 1 상은 여자되어 잇으므로 동작시에 제동 효과 모터의 온도 상승이 있고 1 상 여자에 비해 배의 전원 용량을 필요 1주기
C언어에 의한 프로그래밍 #include<stdio.h> #include<dos.h> #include<conio.h> #define CW 0x283 // 컨트롤 레지스터의 어드레스 #define PA 0x280 // 8255 A port 설정 void main( ) { int i, j , out_data[4]={ 0x03, 0x06, 0x0C, 0x09 }; //2상 여자 outportb(CW, 0x80) ; //8255초기화, 전 포트 출력 for(i=0;i<30;i++){ for(j=0;j<4;j++){ outportb(PA, out_data[j]); delay(200); }
5. Step Motor의 여자 방식 1-2상 여자 방식 특징 하나의 상과 2개의 상을 교대로 흐르게 하는 방식 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 2배. 1주기
C언어에 의한 프로그래밍 #include<stdio.h> #include<dos.h> #include<conio.h> #define CW 0x283 // 컨트롤 레지스터의 어드레스 #define PA 0x280 // 8255 A port 설정 void main( ) { int i, j , out_data[8]={ 0x01, 0x03, 0x02, 0x06, 0x04, 0x0C, 0x08, 0x09 }; //1-2상 여자 outportb(CW, 0x80) ; //8255초기화, 전 포트 출력 for(i=0;i<30;i++){ for(j=0;j<8;j++){ outportb(PA, out_data[j]); delay(200); }
6. Step Motor의 구동회로 제어회로 구동회로 스테핑 모터 구동용 펄스 발생 마이크로 프로세서 제어회로에 의해 출력된 구동신호에 의해 모터 구동 전류 발생 Unipolar방식 권선 전류는 한 방향 Bipolar방식 양 방향의 권선 전류 발생 제어회로 구동회로 전원 Step Motor
6. Step Motor 구동회로 Unipolar Drive Circuit 단극성 구동방식 전류의 극성이 중요하지 않는 VR type 용 권선의 전류는 한 방향만 가능 VCC
6. Step Motor 구동회로 Practical Circuit 수 A 용 SK3180 Darlington Tr, 전류이득 = 1000 7407 : high-voltage open collector driver(10mA sink) 20A 용 IRC IRL540 FET 0.5A 용 ULN2003 → 7개 Darlington Tr Array
6. Step Motor 구동회로 Practical Circuit SLA 7024/26M 3A용 정전류 구동 IC, Unipolar drive에 적합
SLA7024/26의 내부 블럭도
SLA7024/26의 내부 회로도
SLA7024/26 이용 모터 드라이버 회로 예
CONTROL단자는 연결을 하지 않으며, PIN13, PIN14는 반드시 접지 시켜야 된다 CONTROL단자는 연결을 하지 않으며, PIN13, PIN14는 반드시 접지 시켜야 된다. RS에 사용되는 저항은 메탈저항으로 1-2W짜리를 사용해야 하며 만일 SLA7026을 쓰게 될 때에는 0.68Ω을 사용하면 된다. 그리고 만일 여러분이 두 개의 모터를 같은 토크로 동시에 돌리려고 한다면 단지 r2를 공통으로 사용하면 되고 저항은 500Ω(VR)로 바꾸기만 하면 된다. 그리고 자기가 원하는 토크는 가변저항을 적당히 조절하면 토크를 조절할 수 있다. 이 가변저항을 조절함으로써 모터에 최대 1.4A(SAL7026 3A)까지 공급 가능하다. 여기에 대한 계산식은 이 글의 끝부분에 다루겠다. 만약 여러 개의 모터를 간단히 구동하기 위한 방법을 원한다면 간단한 방법이 있다. 바로 PAL(PROGRAMMABLE ARRAY LOGIC)을 사용하는 것이다. PAL을 사용하면 L297을 사용하지 않아도 사용할 수 있다. 그림 3에서 보여주는 사용한 IC는 GAL 22V10으로 L297 두 개의 효과를 낼 수 있고 비용도 훨씬 저렴하다.
6. Step Motor 구동회로 Bipolar Drive Circuit 양극성 구동방식 전류의 극성이 중요한 PM/Hybrid type. 코일의 전류는 양 방향 가능. 코일의 이용률이 높고 저속에서 더 큰 토크 가능. 에너지 회생 가능. (1kW 이상의 모든 Step motor에 채용됨.) T1, T2와 T3, T4가 동시에 스위칭. D1~D4는 스위치 off시 전류의 freewheeling path 제공 이 때 에너지가 전원으로 회생 스위치 off시 다이오드를 통해 전원전압이 역으로 인가되므로 전류가 빠르게 감소
6. Step Motor 구동회로 Unipolar(단극성)과 Bipolar(양극성) 구동방식(코일의 중간 탭에 연결된 두선은 사용하지 않음)을 모두 사용할 수 있는 스테핑 모터는 6선의 외부 전선을 가지며 Bipolar 구동방식만 사용할 수 있는 모터는 4선의 외부 전선을 갖는다. VCC 1 3 2 4 Unipolar Bipolar
6. Step Motor 구동회로 Practical Circuit UDN 2998W 2상 bipolar drive L297 +L298 drive logic(2A용) L297 4상 구동 신호 발생 IC 정전류 구동 전용 Controller Half/Full Step 가능 L298 Dual Full Bridge Driver 최대 46V/2A까지 사용 가능
L297의 주요 핀 설명 L297의 장점 SYNC GND : 그라운드(접지) HOME A, B, C, D 회로가 간단하고 크기가 작으며 평균 200에서 250mA 정도의 적은 소모전류와 2000에서 4000pps 이상의 고속구동이 가능 SYNC 여러 개의 L297을 사용할 될 때 서로 동기시키기 위하여 사용. GND : 그라운드(접지) HOME Open Collector 타입의 출력을 내며 L297이 초기상태(ABCD가 0101) A, B, C, D 2상 모터에 쓰이는 모터의 A, B, C, D상 신호로, 스테핑 모터 전선과 연결
L297의 주요 핀 설명 INH1 INH2 ENABLE CONTROL Vs : 5V DC A상과 B상과의 OR 신호 발생 C상과 D상과의 OR 신호발생. ENABLE 칩 활성화(Chip enable) 입력 신호 신호가 Low이면 INH1, INH2, A, B, C, D가 모두 Low가 되어, 동작하지 않음 CONTROL 모터의 드라이브 방법을 결정. 이 입력이 Low 일 때 Chopper는 INH1, INH2에서 동작 High일 때 Chopper가 A, B, C, D의 phase line에서 동작. Vs : 5V DC
L297의 주요 핀 설명 SENS2 SENS1 Vref OSC C, D 상의 모터의 전원으로부터 Load 전류감지 전압을 입력. SENS1 A, B 상의 모터의 전원으로부터 Load 전류감지 전압을 입력 Vref 정전류 회로의 기준 전압을 결정 OSC 연결된 RC 공진회로가 L297 내부의 chopper rate를 결정 Chopper rate는 5-20KHz 정도로 스위칭 주파수 로 결정 이때 저항 값은 10KOhm 보다 큰 저항을 사용
L297의 주요 핀 설명 CW/ CCW CLK HALF/FULL RESET : 시스템 초기화.(ABC = 0101) Clock Wise/ Counter Clock Wise는 모터의 회전방향을 제어할 수 있는 입력 핀. CLK 모터의 속도를 제어할 수 있는 입력 핀. HALF/FULL Half step CLK으로 들어오는 펄스를 반만 이용. 펄스 두 개가 들어와야 모터의 한 스텝이 돌아간다. Full step CLK로 들어오는 펄스를 모두 사용 RESET : 시스템 초기화.(ABC = 0101)
상순서 발생 Full step 모터가 한 번 돌아가는데 오랫동안 ON 모터에 전류가 흐를 수 있는 시간이 길어지므로 모터의 속도는 낮지만 큰 토크 발생. one-phase-on A,B,C,D상중에서 항상 한 단자만 ON 모터에 흐를 수 있는 전류의 시간이 적어진다 two-phase-on A, B, C, D상 중에서 항상 두 단자가 ON 열이 많이 발생
L297의 내부 블록도 <그림 1)> L297의 내부구조
Full-Bridge Driver IC L298
L298의 내부구조 바이폴라 구동을 위한 2조의 H bridge driver를 포함 L297에서 만든 A, B, C, D상과 INH1, INH2로 동작 8, 9번 핀에 5V 전원을 연결 4번 핀에는 모터 구동 전압 인가 46V까지 가능
A조 B조 설명 input1(5), input2(7) input3(10), input4(12) 모터의 방향을 결정한다. output1(2), output2(3) output3(13), output4(14) 모터의 양단자에 연결한다. enable A(6) enable B(11) 모터의 on/off 역할 입력이 H일 때 on, L일 때 off. current sensing A(1) current sensing B(15) 0.5옴의 저항을 통해 GND로 연결. 정격전력이 높은 저항을 사용해야 한다.
L298 H 브리지 구동 예 HALF Step AB=10, INH1=1 전류는 Q1, 권선, Q4를 통해 Rs로 흐른다. 다음 순간(AB=00, INH1=0)에 INH1에 의해 모든 트랜지스터가 off 모터의 권선에 축적된 전류는 다이오드 D4, 권선, D1를 통해 feedback 이 시간 동안 코일에 남아 있는 에너지는 다이오드를 통해 되돌린다. 스위칭 소자의 파괴를 막기 위해 freewheeling diode 사용. 다이오드는 빠른 전류 회복을 위해 fast recovery형 사용
L298 H 브리지 구동 예 Full Step의 1-phase-on 2-phase-on AB=10, INH1=1 Half 스텝의 경우와 같이 Q1을 권선 Q4를 통해 전류가 흐른다. 그러나 다음 순간 (AB=00, INH1=0)에 INH가 ‘LOW'가 되어 모든 TR은 off. 이 시간 동안 프리휠링 다이오드를 통해 모터의 권선에 저장된 에너지가 되돌려진다. 하지만 Half 스텝은 Full(1-phase-on)보다 2펄스당 1스텝 움직이므로 토크는 좋은 반면 속도는 느리다. 2-phase-on INH의 변화가 없으므로 다음 스텝이 들어와도 코일에 남아 있는 에너지를 되돌릴 시간적 여유가 충분하지 않다. 즉, 모터에 흐르는 전류가 많아 열이 많이 발생
L298의 SENSA와 B에 연결되어 저항 계산 모터에 최대로 흘리고 싶은 전류와 배터리의 전압 그리고 모터 내부의 권선 저항을 이용하여 계산. L298의 내부 브리지 회로에서 트랜지스터 하나에 소모되는 전압이 약 0.7V이고 권선을 통한 전류가 저항 Rs에 흐르려면 트랜지스터를 두 개를 거치므로, 1.4V가 소모되고 배터리 전압을 12V(스텝모터는 모터 정격전압에 5배를 흘려줄 때 최적의 동작을 한다. 여기에 사용한 모터는 정격 4V), 권선 저항을 4.3Ω, 흘리고 싶은 전류를 1.5A라고 하면 이 회로를 분석하면 라는 식이 성립된다. 여기서 Rs=2.7Ω이 되고 이 저항에 흐르는 전력은 가 된다. 그래서 저항을 근사치로 5W/2Ω을 사용하였다. 그리고 10㏀ 가변저항은 기준전압(Reference 전압)을 조정하기 위해 사용된다.
사용 예
L297과 L298 사용 예
스테핑 모터의 제어 블럭도 제어장치 펄스발생기 구동회로 모터의 회전방향과 회전속도 등을 제어 제어장치의 신호로 펄스를 발생 발생된 펄스를 각 권선에 순차적으로 분해하고, 전력을 제어
펄스 발생기 Timer IC인 NE555를 이용한 예 발진 주파수 주기 T 가변저항 를 조정하여 약 150[Hz]에서 3[kHz]까지 펄스 출력가능 주기 T
여자 신호 발생 스테핑 모터 각 상을 여자 하기 위해 구동회로에 보내야 하는 제어신호 전용 IC인 PMM8713 이용 1. CU - CW 여자신호발생 2. CD -CCW 여자신호 3. Ck - 클럭 펄스 입력 4. U/D - ‘L’일 때, CCW - ‘H’일 때, CW 여자신호 출력 5. EA - 여자모드 변환 6. EB - 여자모드 변환 7. - 3/4상 전환 8. Vss – GND 9. R – reset 10.~13. 여자신호 출력 14. EM – 여자 모니터 15. C0 – 입력 펄스 모니터 16. VDD - +4~18[V] 전원
회전방향 변환 3번 핀과 4번 핀을 접지한 후, 1번 핀과 2번 핀을 접지하고, 3번 핀에 클럭 펄스를 가한 후, 1번 핀에 클럭 펄스를 가하면 CW(ClockWise)신호 출력 2번 핀에 클럭 펄스를 가하면 CCW(Counter ClockWise)신호 출력 1번 핀과 2번 핀을 접지하고, 3번 핀에 클럭 펄스를 가한 후, 4번 핀에 ‘H’를 가하면 CW신호 출력 4번 핀에 ‘L’를 가하면 CCW신호 출력
여자 모드 변환 1상, 2상, 1-2상 여자의 종류를 선택 의 논리에 따라 여자 방법 변환
구동회로 4상 스테핑 모터의 2상 여자 방식에 의한 제어 회로
쉬프트레지스터를 이용한 스텝모터 구동회로 4bit 쌍방향 Shift Registor 74194를 사용한 4상 모터의 2상 여자 회로
74LS194 핀번호 및 Mode
출력 패턴 S1H DSLH S0H DSRH
동작 설명 2상 여자 1상 여자 1-2상 여자 전원 on시에 콘덴서 10 uF로 충전 S0 , S1 “H“ 로 되고, “H” 일 때 약간 뒤진 클럭에 의해 A - D 의 입력 데이터가 내부 플립 플롭에 세트 쌍방향 쉬프트 레지스터 74194의 QA를 SL에 QD를 SR에 접속 펄스가 들어갈 때마다 2 비트의 "H“ 데이터는 오른쪽이나 왼쪽으로 (CW 나 CCW) 쉬프트 1상 여자 74194의 A입력 Vcc B,C,D 입력 GND 1-2상 여자 8비트 쌍방향 쉬프트 레지스터 74198을 사용
2SC1815 Data Sheet TOSHIBA 저주파 증폭용 Bottom View
2SD633 Data Sheet
TIP31, 31A, 31B, 31C(NPN) TIP32, 32A, 32B, 32C(PNP)
TIP120/121/122 Data Sheet