스테핑 모터.

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1 스테핑 모터

2 스테핑 모터 1920년 영국 군함에 처음 사용하기 시작하였으며, 어뢰, 포신의 방향 조정에 사용 step-by-step 모터 라 불리었다. 미국에서는 STEP MOTOR, STEPPER MOTOR, 또는 STEPPER, 펄스모터 , 보전전동기라 불리어짐. 그 후 세계적으로 STEPPING MOTOR 사용되어짐. 스테핑 모터는 기계적 구조나 전자회로가 간단하고, 디지털 제어에 적합한 모터이다. 긴거리의 위치제어는 서보가 유리하지만 짧은 거리의 위치제어는 스테핑 모터가 빠른 응답특성을 나타낸다. 또한 가격이 저렴하기 때문에 저용량, 초고정밀도를 필요하지 않는 곳에 사용되어짐. 1975년도 프린터, 플로터, 복사기, 전동타자기등 OA 기기등으로 인하여 사용처가 많아짐. 현재 5상 모터의 2만 펄스로 구동하는 모터가 개발되어 사용되고 있음. (고속, 정밀도 향상, 스텝각 0.45도)

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4 스테핑모터와 드라이버 1920년 영국 군함에 처음 사용하기 시작하였으며, 어뢰, 포신의 방향 조정에 사용 step-by-step 모터 라 불리었다. 그후 미국에서는 STEP MOTOR, STEPPER MOTOR, 또는 STEPPER, 펄스모터 , 보전전동기라 불리어짐. 그후 세계적으로 STEPPING MOTOR 사용되어짐. 스테핑 모터는 기계적 구조나 전자회로가 간단하고, 디지털 제어에 적합한 모터이다. 긴거리의 위치제어는 서보가 유리하지만 짧은 거리의 위치제어는 스테핑 모터가 빠른 응답특성을 나타낸다. 또한 가격이 저렴하기 때문에 저용량, 초고정밀도를 필요하지 않는 곳에 사용되어짐. 1975년도 프린터, 플로터, 복사기, 전동타자기등 OA 기기등으로 인하여 사용처가 많아짐. 앞으로 발전방향은 소형화 추세임. ( 8mm, 6mm, 4mm ) 스테핑 모터 전용 반도체 구동회로를 이용하여 소형화가 가능 현재 5상 모터의 2만 펄스로 구동하는 모터가 개발되어 사용되고 있음. (고속, 정밀도 향상, 스텝각 0.45도)

5 Stepping Motor의 특징 1 Stepping Motor
Motor를 천천히 동작시켜 보면 아날로그 시계의 초침과 같이 어떤 정해진 각도를 스탭(Step)을 밟듯이 움직이기 때문에 Stepping Motor라 한다.

6 Stepping Motor의 특징 2 Stepping Motor 각도제어 및 속도제어가 간단
Stepping Motor는 입력되는 Pulse신호에 동기하여 1step씩 회전하는 모터 아래 그림은 Pulse신호를 1Pulse 입력했을 때 Motor의 회전각도를 나타낸다. 5상 Stepping Motor에 1Pulse 입력했을 경우 회전각도는 0.72°가 된다.

7 Stepping Motor의 특징 3 5상 : 0.72˚, 2상 : 1.8˚ ±3分 (±0.05˚) 위치결정이 손쉽다.
고 분해능 고정도 위치결정 PULSE 란? 5상 : 0.72˚, 2상 : 1.8˚ ±3分 (±0.05˚)

8 Step & Pulse Stepping Motor Step각 Stepping Motor가 위치 결정할 수 있는 최소 회전각도
전압의 ON/OFF가 반복되어지는 전기신호 ON/OFF 1회 반복(1Cycle)이 1Cycle이 된다. 보통 5V의 전압을 사용하여, ON상태를 H(High) Level, OFF상태의 경우를 L(Low) Level이라 한다.

9 Stepping Motor Stepping Motor의 회전속도 Stepping Motor의 회전속도는 Pulse 신호의 주파수(Pulse속도)에 정확히 비례한다. Pulse의 속도가 빠르면 빠르게, 느리면 느리게 Motor가 회전한다.

10 스텝핑 모터의 특징 motor의 총 회전각은 입력 pulse수의 총 수에 비례하고, motor의 회전속도는 초(sec)당 입력 pulse 수(PPS)에 비례 1 step 당 각도 오차가 ±3분(0.05°)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. 기동 및 정지 응답성이 양호하므로 servo motor로써 사용가능하다. 어느 주파수에서는 진동, 공진 현상이 발생하기 쉽고, 관성이 있는 부하에 약하다. 고속 운전시에 탈조하기 쉽다. 보통의 driver로 구동시 권선의 인덕턴스 영향으로 권선에 충분한 전류를 흘리게 할 수 없기 때문에 pulse rate가 상승함에 따라 torque가 저하하며 DC motor에 비해 효율이 떨어진다.

11 스테핑 모터의 특징 테이블 볼스크류 스테핑 모터 구동회로
스테핑 모터(Stepping Motor)는 구동회로에 가해지는 입력 펄스에 의해서 동작하는 모터로서 펄스모터(Pulse Motor)라고도 한다. 예를 들어 1회전당 200펄스를 요구하는 스테핑 모터의 구동회로에 1개의 펄스를 가해주면 기본적으로 1스텝, 즉 1.8도(360도/200펄스) 회전한다. 따라서 이 모터는 가해진 펄스수를 조절해줌으로써 모터의 회전각을 제어할 수 있다. 다시 말해 오픈루프(Open Loop)의 위치제어가 가능하다. 볼스크류 테이블 스테핑 모터 구동회로 NC지령 스테핑 모터는 직류전원에 의해 전자회로 제어, 운전되어진다. 이점에서 전원에 직접 접속하여 운전하는 교류, 직류모터와는 다른 특이한 모터이다. 또 고가의 피드백 루프 없이도 속도 및 위치제어 응용이 가능하다. 오픈 루프 제어는 경제적으로 유리한 운전방식이지만 몇가지 한계가 있다. 예를 들면 어느 속도 범위에서는 로터의 회전에 진동이 발생하여 불안정하게 되는 경우가 있다. 이 때문에 오픈루프방식 제어에서는 스테핑 모터의 속도나 가속도가 피드백 운전 방식에 의해 운전되는 직류 모터에 미치지 못한다. 또한 응용 범위를 넓히려면 진동억제가 해결되어야 한다. 모터의 회전방향 정의 : 축방향에 보았을 때 시계방향이면 CW, 반시계방향이면 CCW로 정의한다. 스테핑 모터는 입력제어회로에 펄스가 1번씩 보내질 때마다 일정한 각도만큼 회전한다. 이 회전각은 스텝각이라 하고 각도로 표시한다. 스텝각을 작게 하면 할 수록 위치결정 분해능이 높아지며 이 각도를 작게 할 수 있는 것이 스테핑 모터의 큰 특징이다.

12 스테핑 모터의 특징 증폭기 제어구동부 (전력변환기) 제어대상 (스탭모터) 출력신호 (위치, 속도) 입력신호 (제어명령)
① 구동회로에 가해지는 입력 펄스의 수에 의해서 회전각이 결정된다. ② 구동회로에 가해지는 입력 펄스의 주파수에 의해서 회전속도가 결정된다. ③ 디지털 신호로 직접 오픈루프제어를 할 수 있고 시스템 전체가 간단하다. ④ 정지시에 홀딩 토오크가 커서 제 위치를 유지할 수 있다. ⑤ 기동, 정지, 정.역회전, 변속이 용이하며 응답특성이 우수하다. ⑥ 회전각도의 오차가 적고, 오차는 누적되지 않는다. ⑦ 기계적으로 견고하고, 유지비가 들지 않는다. 증폭기 제어구동부 (전력변환기) 제어대상 (스탭모터) 출력신호 (위치, 속도) 입력신호 (제어명령) 스테핑 모터 드라이버

13 Stepping Motor 구조 ROTOR１ BALL BEARING MAGNET ROTOR 2 SHAFT STATOR 권선

14 4상 스텝 모터의 구조 티티티

15 시스템 구성 제어회로부 : 제어회로부는 외부에서 제어명령을 입력받아 시스템 제어에 필요한 각종 신호, 즉 정역신호, 기동정지신호, 정속신호, 가감속신호등을 발생시켜 구동회로부로 출력시키는 부분이다. 구동회로부 : 구동회로부는 제어회로부에서 출력된 구동신호를 입력받아 모터의 각 상에 전류가 흐르도록 하는 회로 부분으로써 상여자 제어부와 전력변환부로 구성되어 있다. 모터부

16 OPEN LOOP 제어 Stepping Motor의 시스템 구성 컨트롤러 또는 PULSE 발진기 STEPPING MOTOR
드라이버 구동전류 i PULSE수, PULSE 속도, 가 감속 등 OPEN LOOP 제어

17 스테핑 모터의 종류와 구조 HB type 회전자 스테핑 모터는 그 구조상 세가지로 분류할 수 있다.
○ 가변 릴럭턴스형 (VR형, Variable Reluctance Type) ○ 영구자석형 (PM형, Permanent Magnet Type) ○ 혼합형 (HB형, Hybrid Type) HB type 회전자

18 VR(Variable Reluctance Type)형 스테핑 모터
VR형은 연철 또는 성층강판으로 만들어진 톱니바퀴형의 회전자와 권선을 시행한 고정자로 이루어지며, 회전자에 고정자 권선에서 발생된 전자력이 작용하게 된다. 이때 형성된 자기회로의 릴럭턴스(Reluctance, 자기저항)값이 작아지는 방향으로 토오크가 발생하여 회전자가 회전하게 된다. 회전자와 고정자가 자장사이에 작용하는 전자 흡인력에 의하여 회전자가 회전하게 된다. VR형은 무여자 일때 전자력이 발생하지 않으므로 자장이 형성되지 않아 홀딩토오크(Holding Torque)가 제로가 된다. 그러므로 VR형은 회전자의 관성이 적고, 고속응답이 요구되는 분야에 주로 사용된다. 이 그림은 고정자는 12매, 회전자는 8매의 치(Yoke)를 갖고 있고, 고정자에는 A, B, C 3상의 코일이 감겨져 있다. 이때 상 순서대로 여자되면 회전자는 시계방향으로 1스텝에 15도씩 회전하게 된다. 모터의 구조상의 기본사항 스테핑 모터의 에어 갭은 가능하면 짧은 것이 좋다. : 고정밀도의 위치결정을 하기 위해 가능하면 짧게 해준다. 여자 전류가 같은 때 갭이 짧을 수록 자속밀도가 높고 토크가 크다, 또 외력이 로터에 부가되었을때 짧은 갭 쪽이 평형점에서 변위가 작다. 2. 스텝각을 줄이기 위해 폴(pole)에 치를 만든다.

19 PM(Permanent Magnet Type)형 스테핑 모터
PM형은 회전자로 표면에 N극과 S극으로 자화된 영구자석을 사용하고 있으며, 이 회전자는 고정자 권선에서 발생되는 전자력에 의한 회전자계의 극성을 따라서 토오크가 발생되어 회전하게 된다. PM형은 회전자로 영구자석을 사용하고 있기 때문에 무여자시에도 홀딩 토오크가 존재하여 회전자가 제 위치를 유지하게 된다.  아래 그림은 영구자석형 스테핑 모터의 구조를 나타내고 있다. 회전자의 표면은 각각 N극과 S극으로 자화된 영구자석이 사용되고 있으며 이 모터는 스텝각이 90도인 2상 PM형 스테핑 모터이다.

20 HB (Hybrid Type)형 스테핑 모터
HB형은 VR형과 PM형의 특징을 혼합한 형태로써 고정밀도, 고토오크, 소스텝각의 모터에 많이 사용되고 있다. 우측 그림의 모터는 2상의 혼합형으로써, 회전자의 치(Yoke)수가 50개이고 1스텝당 1.8도(360도/200펄스)회전하게 된다. 우측 그림은 회전자의 구조를 나타내고 있다. 회전자에는 축방향으로 자화된 영구자석으로 구성되어 있고, 그 바깥측에 다수의 치를 가진 첨심A 와 철심B가 있다. 철심A는 N극, 철심B는 S극으로 자화되며, 서로의 치는 반피치만큼 어긋나 있다. 이로 인해 스텝각의 정밀도가 향상되어 진다. 또한 회전자의 구조가 영구자석과 철심 두가지의 형태를 모두 취하고 있으므로 발생토오크가 커지게 된다.

21 구동회로 구동회로는 제어회로로부터 출력된 구동신호에 의해서 모터의 각상에 전류가 흐르도록 하는 회로이다. 주요 구성은 제어회로부터 정회전 혹은 역회전 구동펄스를 입력 받아 각상의 스위칭 소자에 각각의 여자방식에 따른 스위칭 패턴을 발생시키는 상여자구동부와 이러한 스위칭 패턴을 입력 받아 모터의 각 상을 순차적으로 여자시키는 전력변환부로 구성되어 있다. 여기서는 모터 각 상의 권선에 흐르는 전류의 방향에 따라서 유니폴라(UNIPOLAR)구동방식과 바이폴라(BIPOLAR)구동방식으로 분류된다.

22 유니폴라 구동방식 각상의 권선에 흐르는 전류의 방향이 일정하게 되는 방식이며, 일반적으로 권선에 공통단자가 설치되어 있는 스테핑 모터에 적용된다. 그림에서 2개의 공통단자(COM)는 모두 전원(Vcc)에 접속된다. 또한 고정자 치(Yoke)에 결선된 권선의 형태를 보면 2개의 권선으로 나누어져 있으며, 도트표시는 공통단자를 표시한다. 유니폴라형 구동방식의 기본회로가 우측의 그림에 나타내었다. 개략적으로 2상(A상, /A상)만을 표시하였고, 화살표는 전류의 방향을 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 각상에 흐르는 전류의 방향이 항상 일정함을 나타내고 있다. 이와 같은 구동방식은 출력회로가 간단하고 저가이기 때문에 가장 많이 사용되고 있다. 바이폴라 구동과 비교해서 저속에서 토오크는 떨어지지만 고속특성이 우수하다.

23 바이폴라 구동방식 각 상의 권선에 흐르는 전류의 방향이 바뀌는 방식이다.
고정자의 치에 결선된 권선의 형태를 보면 1개의 권선으로 되어 있으며, 공통단자는 없다. 그림에서 보는 바와 같이 A상에 흐르는 전류의 방향이 순차적으로 바뀌고 있다. 출력단은 약간 복잡하여 고가이지만, 유니폴라 구동과 비교해서 각도의 정밀도가 높고, 저속 영역에서 큰 토오크를 얻을 수 있다. 단일전원 풀브릿지(Full Bfidge)를 사용하는 방법과 두개의 전원으로 하프브릿지(Half Bridge)를 사용하는 방법이 있다.

24 상여자(Phase Exciting)방식
스테핑 모터를 구동할 때에는 사용하는 모터가 몇 상의 모터인지, 어떠한 여자 방식으로 할 것인지를 정확히 알아야 한다. 여자방식으로는 1상 여자방식, 2상 여자방식, 1-2상 여자방식이 있다. 2상 유니폴라형 모터의 권선구조와 구동회로(PM형)

25 1상 여자방식 (동작설명) 스텝1에서 Tr1이 ON 되어 a→A로 전류가 흐른다. A상에 코일에 전류가 흐름으로써 해당 고정자 치는 자화되고, B상 코일에는 전류가 흐르지 않아 해당 고정자 치는 자화되지 않는다. 스텝2로 진행하면 먼저 ON되어 있던 Tr1은 OFF가 되고, Tr3이 ON되어 b→B로 전류가 흐른다. 그러면 B상 코일이 여자되어 해당 고장자 치가 자화됨으로써 결국 고정자치의 자계가 시계방향으로 90도 회전하게 된다. 이때 회전자는 고정자 자계의 회전방향으로 각 자계간의 끌어당기는 힘에 의해서 90만큼 회전하게 된다. 스텝3 에서는 Tr2가 ON되어 /a→/A로 전류가 흐르게 된다. 그러면 /A상 코일이 여자되어 해당 고정자치가 자화된다. 그러면 스텝2에서의 고정자 자계가 다시 시계방향으로 회전하게 된다. 스텝4에서는 Tr4가 ON되어 /b→/B로 전류가 흐르게 된다. 마찬가지로 고정자치의 자계는 시계방향으로 90도 회전하게 되고, 이에 따라서 회전자도 회전자계의 회전방향으로 90도 만큼 회전하게 된다. 이와같이 스텝1에서 스텝4의 여자를 순차적으로 반복함으로써 회전자는 계속해서 회전하게 된다. 이와같이 1상 여자방식은 항상 하나의 상에만 전류를 흐르게 하는 방식으로써, 입력이 1상뿐이므로 모터의 온도상승이 낮고, 전원의 용량이 낮아도 된다. 출력토크는 크지만 스텝이 진행되었을때 감쇄진동이 크고 난조를 일으키기 쉬으므로 광범위한 스텝레이트로 회전시킬 때는 주의를 요한다. 1상 여자방식은 항상 하나의 상에만 전류를 흐르게 하는 방식으로써, 입력이 1상뿐이므로 모터의 온도상승이 낮고, 전원의 용량이 낮아도 된다. 출력토크는 크지만 스텝이 진행 되었을 때 감쇄진동이 크고 난조를 일으키기 쉬우므로 광범위한 스텝레이트로 회전시킬 때는 주의를 요한다.

26 2상 여자방식 스텝1에서 Tr1과 Tr3가 ON되어 a→A, b→B로 전류가 흐르게 된다. A상과 B상이 동시에 여자됨으로써 해당 고정자치의 극성이 그림과 같은 분포를 나타낸다. 이때 회전자의 N극은 고정자의 양 S극 사이에 위치하게 된다. 스텝2에서는 Tr3과 Tr2가 ON되어 B상과 /A상이 동시에 여자된다. 이때 고정자 치의 자계가 시계방향으로 90도 만큼 회전하게 된다. 이때 따라서 회전자도 자장의 힘에 의하여 시계방향으로 90도 만큼 회전하게 된다. 스텝3 .... 이와 같이 2상 여자방식은 항상 2개의 상에 전류를 흐르게 하는 방식으로써, 1상 여자방식에 비해서 2배의 전류가 흐른다. 그러나 코일의 2상이 여자되어 있으므로 1상 여자에 비하여 정지시의 오버슈트나 언더슈트가 작고 과도 특성이 좋아진다. 2상 여자방식은 항상 2개의 상에 전류를 흐르게 하는 방식으로써, 1상 여자방식에 비해서 2배의 전류가 흐른다. 그러나 코일의 2상이 여자 되어 있으므로 1상 여자에 비하여 정지시의 오버슈트나 언더슈트가 작고 과도 특성이 좋아진다.

27 1-2상 여자방식 1-2상 여자방식은 1상 여자 방식과 2상 여자방식을 교대로 반복하는 여자방식이다. 즉, 어떠한 스텝에서는 1상만이 여자 되고, 다음 스텝에서는 2상이 여자 되는 방식이다. 따라서 회전자는 스텝마다 45도 만큼 회전한다. 즉, 스텝각은 모터 메이커가 표시하는 각도의 1/2이 된다. 그러므로 1-2상 여자방식은 고분해능을 요구하는 제어의 경우에 사용된다. 이와 같은 여자방식을 하프스텝(Half-Step)운전이라  한다.

28 기본적인 4상 스텝 모터의 구동 회로

29 스위칭 시이퀀스 1상 여자 방식의 스위칭 시이퀀스 2상 여자 방식의 스위칭 시이퀀스 1-2상 여자 방식의 스위칭 시이퀀스 1
1 2 3 4 5 6 7 8 A상 B상 /A상 /B상 1상 여자 방식의 스위칭 시이퀀스 1 2 3 4 5 6 7 8 A상 B상 /A상 /B상 2상 여자 방식의 스위칭 시이퀀스 1 2 3 4 5 6 7 8 A상 B상 /A상 /B상 1-2상 여자 방식의 스위칭 시이퀀스

30 용어설명 탈조현상 : 각 상의 권선전류에 의해서 발생되는 고정자측의 회전자계가 너무나 빠른 속도로 회전하기 때문에 특정한 관성을 갖고 있는 회전자가 이를 쫓아가지 못하게 되는 현상 슬루우 영역 : 인입토오크곡선과 탈출토오크곡선 사이의 영역을 슬로우영역이라 한다. 최대자기동주파수 이상의 구동펄스를 스텝적(일시적)으로 인가하지 않고 서서히 증가시키면(또는 감소) 최대자기동주파수 이상의 구동주파수로도 탈조를 일으키지 않고 모터를 회전시킬 수 있다. 이와 같은 형태로 운전하게 되면 모터는 최대응답주파수 이하의 주파수 영역에서는 운전이 가능함을 알 수 있다.  이와 같이 최대자기동주파수 이상에서 최대응답주파수 미만의 운전 가능한 주파수 영역을 슬루우영역이라 한다. 인입토오크 : 동기회전으로 인입할 때의 최대토오크를 나타낸다. 즉, 스텝입력에 의해서 나타낼 수 있는 최대토오크를 말한다. 탈출토오크 : 자기동영역을 초과해서 스태핑모터가 동기를 잃지 않고, 발생할 수 있는 최대토오크를 말한다. 여자시 최대정지토오크(홀딩토오크) : 정격전류를 유지하고, 출력측에 외부토오크를 가하여 각도의 변위가 생겼을 때에 발생하는 최대 토오크를 말한다.

31 주파수 : 스테핑 모터를 구동하는 신호를 단위시간당의 펄스수로 표시한다    [PPS ; Pulse Per Second] 자기동영역 : 외부에 부여되는 신호에 동기해서 탈조(동기이탈)현상이 일어나지 않으면서 기동, 정지, 역전을 할 수 있다. 즉, 순간적으로 구동펄스를 인가하여도 모터는 정확히 기동, 정지, 역전을 할 수 있는 주파수 영역을 나타낸다. 무부하 상태에서 이와 같이 자기동 할 수 있는 최대의 구동주파수를 “최대자기동주파수”라고 한다. 이러한 최대 자기동주파수 이상의 주파수를 갖는 구동펄스를 급격히 모터에 가해주면 탈조되어 모터는 정지상태를 유지하게 된다.

32 주파수-토오크 특성 그래프 주파수-토오크 특성 그래프

33 속도 - Torque 특성 탈 조 ④ 자기동 영역 ⑤ SLEW 영역 Stepping Motor PULL OUT TORQUE
구동불가 구동가능 최대 자기동주파수 ④ 자기동 영역 ⑤ SLEW 영역