컴퓨터 계측 및 실습 스테핑 모터 영남대학교 기계공학부

실험목적 스테핑 모터의 구동회로를 구성하고 구동 프로그램을 작성, 구동시킴으로써 스테핑 모터의 구동 원리와 디지털 신호의 출력 원리 및 방법을 이해한다.

스테핑 모터의 개요 모터축의 회전이 스텝형식의 단계적인 방식으로 움직이는 모터 1개의 펄스 신호가 주어지면 모터는 규정의 스텝 각도만큼 회전하고 정지 스테핑 모터는 모터 축이 펄스 신호에 따라 스텝 상으로 동작하는 모터 예로 200펄스의 스테핑 모터는 모터 축이 1회전하기 위해서 200펄스의 신호가 필요하며, 1펄스에 1.8 (360  / 200펄스)를 회전 스테핑 모터는 펄스 수에 따라서 위치 결정이 가능하고, 주파수에 따라 회전속도 결정이 가능하기 때문에 open loop 방식으로 용이하게 위치 및 속도를 제어할 수 있음

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

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

스테핑 모터의 종류 스테핑 모터의 종류는 고정자의 상의 수에 따라 3상, 4상, 5상 권선형으로 나누어지고 회전자의 형태에 따라 VR(variable reluctance)형, PM(permanent magnet)형 및 하이브리드(hybrid)형으로 크게 나눌 수 있다. VR형 PM형 하이브리드형

스테핑 모터의 구동원리 4상 PM형 스테핑 모터의 동작원리는 그림과 같다. 그림의 검은 색으로 되어 있는 고정자 권선(stator)에 전류를 흘려주면 그림과 같이 N극과 S극이 형성되어 회전자(rotor)인 영구자석이 (a)의 위치에 오게 된다. 다음에 (b)와 같이 고정자 권선에 전류를 흘려주면 회전자는 한 스텝 회전하며, 반복해서 (c), (d)와 같이 순차적으로 전류를 흘려주면 임의의 각도로 회전 제어를 할 수 있다.

스테핑 모터의 구동원리(계속) 즉 아래 그림과 같이 S1을 ON시켜 L1코일에 전류를 흘려주면 고정자의 아래 부분이 N극으로 여자 되고, 따라서 회전자의 S극이 N극에 끌려 시계방향으로 한 스텝 회전하고 정지한다. 마찬가지로 L2코일에 전류를 흘려주면 회전자의 S극은 또다시 같은 방향으로 한 스텝 회전하고 정지하게 된다. 계속해서 L3, L4에 차례대로 전류를 흘려주면 회전자는 한 스텝씩(이 경우 90 )시계 방향으로 돌아가게 되는 것이다.

스테핑 모터 제어 아래 그림의 블럭도와 같은 구성 회로에 의해 동작을 하게 되는데 펄스 발생회로는 모터의 회전 방향과 회전 속도에 대한 정보를 담고 있는 펄스 신호를 발생시키고 펄스 분해 회로는 펄스 발생회로에서 생긴 펄스를 이용해서 스테핑 모터의 구동 형식에 맞는 펄스를 분주시켜 만들게 된다. 모터의 전원은 스테핑 모터의 종류에 따라 5v, 12v, 24v 등을 사용한다.

스테핑모터의 결선예

1상 여자 방식의 구동 항상 하나의 상에만 전류를 흐르게 하는 방식 특징 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.

2상 여자 방식의 구동 항상 2개의 상에 직류를 흐르게 하는 방식 특징 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

1-2상 여자 방식의 구동 하나의 상과 2개의 상을 교대로 흐르게 하는 방식 특징 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.

스테핑 모터 구동 인터페이스

스테핑 모터 구동 프로그램 OnStepmotorStart OnStepmotorEnd OnHighSpeed OnLowSpeed

프로그램 설명 void CASISTDlg::OnStepmotorStart() { SetTimer (0, 10, NULL); } void CASISTDlg::OnStepmotorEnd() KillTimer (0);

void CASISTDlg::OnHighSpeed() { m_vel = 10; // 전역변수 m_vel } void CASISTDlg::OnLowSpeed() m_vel = 100;

void CASISTDlg::OnTimer(UINT nIDEvent) { for (int j=0 ; j<4 ; j++) _outp(0x224, 0x01<j); Sleep (m_vel); } CDialog::OnTimer(nIDEvent);

전역변수의 지정 class CASISTDlg : public CDialog { ………... 전역변수는 Head File에서 지정한다. (예 : ASISTDLG.H) class CASISTDlg : public CDialog { ………... public: //user parameter int m_vel; };