스텝 모터는 펄스 모양의 전압에 의해 일정 각도 회전하는 모터이다.
회전 각도는 입력 펄스 신호의 수에 비례하고, 회전 속도는 입력 펄스 신호의 주파수에 비례한다.
스텝 모터의 최대 특징은 회전 위치 센서(Feed Back) 없이도 회전 위치(속도)를 제어할 수 있다는 것,
저속에서 토크가 떨어지지 않기 때문에 감속기 없이 저속으로 회전하는 것이 가능하다는 것이다.
단점은 무게대 토크비가 높다는 점. 다시 말해 같은 무게의 모터로 발생 시킬 수 있는 토크가 적다는 점이다.
회전 위치 센서가 없어도 제어가 가능하다는 것은 개회로만으로 제어를 할 수 있다는 것인데,
회전 중에 과부하로 탈조가 일어나 제어가 되지 않는 경우가 있을 수 있다.
이런 경우 스텝모터에 엔코더를 달아 사용할 수도 있다.
1. 스텝 모터의 종류
스텝 모터의 종류로는 VR형(Variable Reluctance Type), PM형(Permanent Magnet Type), HB형(Hybrid Type)이 있다.
| VR형 | PM형 | HB형 |
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스텝 모터의 기본 구조는 회전 축의 로터(Rotor)와 겉에 고정된 스테이터(Stator)로 구성된다.
스텝 모터는 기본적으로 고정자에 자극을 만들어 회전자를 끌어들임으로써 동작한다.
| 구분 | 비교 |
|---|---|
| VR형 (Variable Reluctance Type) | 톱니 바퀴의 회전자가 연강으로 만들어져 있고 고정자가 순차적으로 자기를 띄면서 내부 회전자를 를 끌어 당겨 로터가 회전하게 된다. |
| PM형 (Permanent Magnet Type) | 회전자로 영구 자석이 사용 되고 고정자의 전자력으로 로터가 회전하게 된다. 영구 자석을 사용했기 때문에 무여자 시 Detent Toque1가 크다. |
| HB형 (Hybrid Type) | VR형과 PM형의 Hybrid 타입이다. 회전자에 기어 형상의 이빨이 만들어져 있고 축방향에 자극을 가진 영구 자석이 끼워져 있다. 고정자 권선의 순차적인 자극으로 로터가 회전한다. |
2. 스텝 모터의 구동 방식
기본적인 스텝 모터의 구동 방식으로 Unipolar, Bipolar를 설명하겠다.
고정자 권선에 흐르는 전류를 단방향으로 하느냐 양방향으로 하느냐에 따라 Unipolar, Bipolar으로 나뉜다.
(1) 단극 스텝 모터 (Unipolar Step Motor)
모터 권선 두 개의 중간에서 두 개의 선을 인출하고 있는데 이 선들은 전원의 양극과 연결된다.
또한 두 개의 권선 양끝의 두 단자는 서로 번갈아 가면서 전원의 GND 단자와 연결되면 모터가 회전하게 된다.
위의 그림에서 1에서 a단자 쪽으로 전류가 흐를 경우,
고정자 상단이 N극이 되고 하단이 S극이 되어 회전자를 그림과 같이 고정시킨다.
2번 권선에도 1과 같이 전류가 흘러 N극, S극을 띄게 된다.
이렇게 권선에 전류를 흘려 자극을 갖게 하는 것을 여자라고 하는데 3가지 방식으로 나뉜다.
1) 1상 여자 방식 (Full Step)
항상 하나의 권선이 여자 되는 방식.
winding 1a 10001000100010001000100010001000
winding 1b 00100010001000100010001000100010
winding 2a 01000100010001000100010001000100
winding 2b 00010001000100010001000100010001
time --->
입력이 1상 뿐이므로 모터의 온도 상승이 낮고 전원이 낮아도 된다.
출력 토크는 크지만 구동 시에 감쇠 진동이 큰 난조를 일으키기 쉬우므로
광범위한 스텝 레이트로 회전시킬 때는 주의를 요한다.
2) 2상 여자 방식
항상 2개의 권선이 여자 되는 방식.
winding 1a 11001100110011001100110011001100
winding 1b 00110011001100110011001100110011
winding 2a 01100110011001100110011001100110
winding 2b 10011001100110011001100110011001
time --->
항상 2상이 여자되어 있으므로 기동 토크가 주어져 난조가 일어나기 어렵다.
상 전환시에도 반드시 1상은 여자 되어 있으므로 동작 시에 제동 효과가 있다.
하지만 모터의 온도 상승이 있고 1상 여자에 비해 배의 전원 용량을 필요로 한다.
2상 여자 방식이 1상 여자 방식보다 토크가 40%정도 높아진다고 알려져 있으나 두 배 정도 많은 전류를 소모한다.
3) 1-2상 여자 방식 (Half Step)
하나의 권선과 2개의 권선이 교대로 여자 되는 방식.
winding 1a 11000001110000011100000111
winding 1b 00011100000111000001110000
winding 2a 01110000011100000111000001
winding 2b 00000111000001110000011100
time --->
(1a - 1a, 2a - 2a - 1b, 2a - 1b - 1b, 2b - 2b - 1a, 2b -
1a - 1a, 2a - 2a - 1b, 2a - 1b - 1b, 2b - 2b - 1a, 2b - ....)
1상, 2상 여자의 특징을 모두 가지며 스텝각이 1상, 2상에 여자에 비교해서 절반이 된다.
응답 스텝 레이트는 1상, 2상 여자의 2배가 된다.
(2) 양극 스텝 모터 (Bipolar Step Motor)
단자 4개의 선이 모터의 고정자에서 인출될 뿐이며 각기의 권선에 흐르는 전류가 양 방향으로 흐르게 된다.
이러한 구조의 모터를 구동하기 위해서는 권선에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 주어야 하기 때문에 두개의 Full Bridge가 필요하게 된다.
1) 1상 여자 방식
4상 권선의 2상(1상)만이 여자되는 방식으로 각각도 정확도가 좋다.
전원이 작은 것으로 좋지만 2가닥의 권선이 직렬로 접속되므로 2배의 전압을 필요로 한다. (바이 폴라 드라이브 공통의 특징)
다만, 전 코일의 1/2밖에 사용하지 않으므로 이용 효율이 나빠 바이폴라 드라이브에는 이용되지 않는다.
2) 2상 여자 방식
유니폴라 드라이브에 비교해서 저속시의 토크 특성이 우수하지만
고속이 되면 코일이 직렬로 접속되어 있기 때문에 인덕턴스가 크고 시상수가 길며, 반대로 토크가 낮아지는 결점도 있다.
코일의 이용율이 가장 높다.
3) 1-2상 여자 방식
4상 권선 중 여자가 교대로 여자 되는 방식으로 바이폴라 1상, 2상 여자의 중간 특징을 갖고 있다.
스텝각은 1/2이 된다. 유니폴라 드라이브에 비교해서 복잡한 제어회로를 필요로 한다.
3. Step Motor 선정
(1) Bipolar VS Unipolar
Bipolar 구동은 Unipolar 구동에 비해 회로가 복잡하지만 전류를 교대방향으로 흘리기 때문에 영구자석을 이용한 스텝 모터에서는 토크가 증대한다.
Unipolar 구동에서는 전류 OFF시에 코일에 흐르는 역기전력을 빨리 소멸시키고, 다이오드나 정전압 다이오드를 이용하므로, 모터의 자기 에너지가 다이오드나 정전압 다이오드, 또는 코일 안에서 소비된다.
그러나 Bipolar 구동의 경우 스텝에서 스텝으로 이동시 코일에 발생하는 역기전력에 의한 전류는 다이오드 → 코일 → 저항 → 다이오드을 통과하여 다시 전원으로 가는 충전의 모습을 보인다.
즉, 모터의 자기 에너지는 전원으로 피드백 되게 되는 셈이므로 Bipolar 구동은 Unipolar에 비해 효율이 좋아진다.
단, Bipolar 구동에서 주의 할 것은 스텝에서 스텝 전환시 생기는 지연의 문제이며 이런 순간적인 지연으로 인해 트랜지스터가 파괴 될 수도 있다. 과전류 방지용으로 저항을 넣던가 트랜지스터를 보호 할 수 있도록 하는 대책이 필요하다. 그래서 Unipolar 구동 방식에 비해 Bipolar 구동 방식이 복잡한 회로를 가지게 된다.
하지만 Bipolar 구동은 효율적인 측면에서 많은 메리트를 가진다. 그래서 유럽이나 미주에서는 Bipolar 구동회로가 많이 발달되어 있고 Bipolar 모터를 많이 사용하고 있으나, 우리나라의 경우는 일본의 영향을 주로 받아서 아직까지 Unipolar를 많이 사용하고 있다.
(2) 속도 관점에서의 Bipolar VS Unipolar
Unipolar 구동 방식과 Bipolar 구동 방식에서의 토크 차이점을 보면
위에서 말한바와 같이 Bipolar 는 전원을 충전하기 때문에 초기에 토크가 좋다.
하지만, 속도가 빨라지면 본질적으로 Bipolar 회로가 가지는 회로의 복잡성 때문에
순간적인 전류의 지연이 발생하게 되고 응답이 늦어져 고속에서의 성능이 떨어진다.
(3) 속도와 토크의 관점에서 본 Full step VS Half step (2상여자)
Full step으로 여자하는 경우, 토크의 크기는 여자되는 두 상의 토크 크기의 합성이 된다.
그러면 토크의 크기는 1상 여자에 비해 약 1.4배로 되는 것이 특징이다.
Full step의 경우는 여자시 스텝당 이동하는 거리가 Half step보다 넓기 때문에(1.8도 VS 0.9도),
전류가 낮아지는 고속 운전시에는 Half step보다 응답이 떨어지게 되어 고속 특성이 안 좋게 된다.
이러한 부분을 보안하기 위한 Half step 의 경우는 1상과 1-2상, 2상을 교차하면서 이동하고 그 간격이 짧으므로(0.9도)
이동 도중에서의 토크의 손실이 적고 고속에서의 특성이 좋아진다.
reference
http://cafe.naver.com/auvsi/6814
한국 보전 기술 연구소
http://www.komains.com/itpm/htmls/html/index.php
Jones on Stepping Motor Types
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