스크랩 스텝모터의 이해

[오토웨이]

스테핑 모터를 구동할 때에는 우선 모터의 상여자에 대해 해설해 둘 필요가 있다. 사용하려고 하는 모터는 몇 상 모터인가, 어떤 여자방법으로 할 것 인가라 는 점을 잘못하면 정확한 회전을 시킬 수 없다. 그래서, 모터의 내부를 조금 관계해서 모터의 상여자의 구조에 대해 고찰해 보자.

1. 모터의 권선 구조에서 결정된다.

스테핑 모터의 구동 방법은 그 권선 코일에 어떤 형태로 전류를 흐르게 하는가에 따라 구별되고 있다. 이것은 모터의 종류에 따라서도 달라지지만, 가장 많이 사용되고 있는 PM형이라고 불리우는 스테핑 모터로서 스텝각 90°의 경우를 예로 설명한다.

그림 1 : 스테핑 모터의 권선 구조 (PM형)

그림 1이 PM형 4상 모터의 권선 구조이다. 스텝각은 90°이지만 각도가 작은 모터에서도 기본적인 구조나 사고 방식은 같다. 이 예의 경우는 각각 상대하는 고정자 (스테이터)의 이빨에 코일이 두 가닥씩 감겨져 있다. 또, A' 와 A' 가 B' 와 B'가 각각 코먼선으로서 외부로 나와 있는 모터도 수많이 있다. 이 모터의 코일에 전류를 어떻게 흘리는 가에 따라 구동 (상여자) 방법이 달라지는 셈이다. 그리고, 일반적으로는 유니폴러 구동과 바이폴러 구동으로 구별할 수 있다.
 

	내용	스텝각	입력	특징	입력 펄스와 각상 전류의 관계
유니폴러 1상여자	항상 하나의 상에만 전류를 흐르게 하는 방식	θ (폴 스텝)	P	입력이 1상 뿐이므로 모터의 온도 상승이 낮고, 전원이 낮아도 된다. 출력 토크는 크지만 스텝했을 때에 감쇠 진동이 크고 난조를 일으키기 쉬우므로 광범위한 스텝 레이트로 회전 시킬 때는 주의를 요한다.
유니폴러 2상여자	항상 2개의 상에 적류를 흐르게 하는 방식	θ (폴 스텝)	2P	항상 2상이 여자되어 있으므로 기동 토크가 주어져 난조가 일어나기 어렵다. 상 전환시에도 반드시 1상은 여자되어 있으므로 동작시에 제동 효과가 있다. 다만, 모터의 온도 상승이 있고 1상 여자에 비해 배의 전원 용량을 필요로 한다.
유니폴러 1-2 상여자	하나의 상과 2개의 상을 교대로 전류를 흐르게 하는 방식	θ/2 (하프 스텝)	1.5P	1상, 2상 여자의 용량을 특징을 가지며 스텝각이 1상, 2상에 비교해서 1/2이 된다. 응답 스텝 레이트는 1상, 2상 여자의 2 배가 된다.

 표 1: 4상 모터의 유니폴러 구동

2. 유니폴러 구동이란

그림 2가 유니폴러 구동 회로예이다. 각각의 코일에 1개의 트랜지스터가 접속되고 트랜지스터를 ON 하는 것으로서, 각 코일에 전류를 흐르게 한다. 또, 그림을 보아 알 수 있듯이 1 방향만의 코일에는 전류 (A' → A, A' → A , B' → B, B' → B)밖에 흐르지 않는다. 이와 같이 코일에 1 방향밖에 흐르게 하지 않는 데서 유니폴러 (편극성) 구동이라고 부르고 있다.

그림 2 : 유니폴러의 구동회로

이 구동 방식은 견해를 달리하면 코일에는 동일 시간에 A 상, A 상 혹은, B 상, B 상의 한쪽밖에 전류를 흘리고 있지 않으므로 저속 영역에서는 토크를 크게 취할 수 없다는 결점이 있다. 그러나, 모터의 전원 회로를 포함시켜 회로 구성을 가장 간단히 할 수 있는 점에서 널리 이용되고 있다.

그러면, 이하에 4상 모터에서의 유니폴러 구동에 있어서의 상여자 시퀀스에 대해 조사해 보기로 하자. 4상 모터에서의 유니폴러 구동에 있어서의 상여자 시퀀스에 대해 조사해 보기로 하자. 4상 모터에는 1상 여자, 2상 여자, 1-2자라고 불리우는 여자 시퀀스가 있고, 이 방법의 선택에 따라 입력 펄스와 스텝각과의 특성이 달라진다. 표 1이 4상 모터에서의 유니폴러 구동에서의 여자 방식의 특징이다.

1) 4상 모터의 1상 여자 동작

그림 3에 1상 여자에서의 모터의 동작을 나타낸다. 스텝 1에서 트랜지스터 Tr1 이 ON 이되고 A' → A로 전류가 흐른다. 코일에 전류가 흐름으로써 고정자 (스테이터)의 이빨은 N, S 극으로 여자된다. 이 때 B 쪽에는 전류가 흐르고 있지 않으므로 B 쪽의 스테이터의 이빨은 비여자이지만, A 쪽의 여자에 동반해서 회전자 (로터)의 영구 자석은 각각 N 과 S, S 와 N 이 경합해서 안정한 위치에서 정지한다.

그림 3 : 유니폴러 구동 1상 여자

다음으로 스텝 2 로 진행하면 먼저 ON하고 있던 Tr1 은 OFF 되고, 대신으로 Tr3 이 ON 이 된다. Tr3 이 ON 이 된다. Tr3 이 ON 이 되는 것으로 B' → B 의 코일에 전류가 흘러 이번에는 90° 어긋나 있는 고정자가 여자된다. 그리고, 시계로 말하면 지금까지 12시의 위치에 있던 S극이 3시의 위치로 교체된다. N 극도 마찬가지로 6시의 위치에서 9시의 위치로 바뀐다.

그리고, 여자 위치가 이동한 것으로 회전자도 시계 방향으로 당겨져 90° 회전하게 된다.

다시 스텝 3에서는 Tr2 가 ON 해서 A' → A 의 코일에 전류를 흘린다. 이 때 고정자의 이빨은 A' → A일 때와 같지만, 코일의 감겨져 있는 방향이 A' → A로 반대이므로 여자에 의해 생기는 극은 A' → A의 경우와 반대가 된다. 즉, 12시의 위치가 N극, 6시의 위치가 S극으로 되고 회전자도 여자극과 서로 당겨 다시 90° 시계 방향으로 진행한다.

스텝 4는 B' → B 의 코일에 전류가 흐른다. 그리고 , 마찬가지의 이유로 회전자는 90° 진행한다. 이렇게 해서 스텝 1~4 의 여자를 반복함으로써 모터를 90° 씩 진행시켜 자동차에 사용되는 스텝 모터이다.

2) 4상 모터의 2상 여자 동작

그림 4 가 2상 여자의 동작이다. 2상 여자의 경우는 A, B 쪽으 코일이 동시에 1가닥씩 여자된다.

그림 4 : 유니폴러 구동 2상 여자

우선, 스텝 1에서는 A' → A, B' → B의 코일에 전류가 흐른다. 고정자 (스테이터)의 극은 1상 여자와 같이 12시, 3시가 S 극, 6시와 9시의 위치가 N극으로 여자된다. 그리고, 그 결과로서 회전자(로터)의 N극은 12시와 3시의 S극의 중간의 위치에서 정지한다.

다음으로 스텝 2에서는 A 상의 코일이 전환되고 A' → A 로 전류가 흐른다. 그리고 12시의 극이 N, 6시의 극이 S로 된다. 그 결과, 회전자의 N 극은 12시의 N 극과 반발해서 3시와 6시의 S 극의 중간 위치에 안정한다.

이렇게 해서 회전자는 시계 방향으로 90° 회전하는 셈이다. 스텝 3, 스텝 4 에서도  마찬가지로 2상씩 같은 극으로 여자되어 회전자의 극이 그 중간의 위치에서 정지하면서 회저하게 된다.

또한, 2상 여자는 1상 여자에 비교해서 2배의 전류가 흐른다. 그러나 코일의 2상이 여자되어 있으므로 1상 여자에 비하면 정지시의 오버 슈트나 언더 슈트가 작고 과도 특성이 좋아진다.

3) 4상 모터의 1-2상 여자 동작

그림 5의 1-2상 여자는 전술한 1상 여자와 2상 여자를 교대로 반복하는 것이다. 따라서, 회전자는 스텝마다 45° 회전한다. 즉, 스텝각은 메이커가 표시하는 각도의 1/2이 된다. 1-2상 여자는 1상 여자와 2상 여자으 특성을 갖고 있으므로 스텝 레이트는 배가 된다.

그림 5 : 유니폴러 구동 1-2상 여자

2. 바이폴러 구동에서는

스테핑 모터의 구동으로는 전술한 것과 같은 간단한 구성으로 끝나는 유니폴러 구동 외에, 회로는 복잡해지지만 저속 영역에서의 토크를 개선하는 바이폴러 구동이라는 방법이 있다. 이 바이폴러 구동은 모터의 코일에 교대로 전류를 흘리도록 드라이브한다. 그림 6에 브리지형이라고 불리우는 바이폴러 구동회로를 나타낸다. 회로를 보면 알 수 있듯이, 유니폴러 구동과 비교해서 2배의 수의 트랜지스터를 필요로 한다.

그림 6 : 바이폴러 구동회로

또, 모터의 코일을 감는 방법도 다르고, 2가닥의 코일을 같은 방향으로 겹쳐 감안 단자만을 별개로 빼내는 구조가 이용되고 있다. 이 중 1가닥의 와이어를 연속적으로 감은 것은 모노파일러 감기라고 부르고, 2 가닥을 동시에 겹쳐 감은 것을 바이파일러 감기라고 하는데, 그림 7과 같이 바이파일러 감기 쪽이 2가닥의 코일의 인덕턴스가 동등하게 되므로, 결과적으로 위치 결정 정확도가 좋아진다는 특징을 갖고 있다.

그림 7 : 스테핑 모터의 바이파일러 감기

이 바이폴러 구동에도 유니폴러 구동과 마찬가지로 1상 여자와 2사 여자, 1-2상 여자가 있는데, 바이폴러 1상 여자는 효율면에서 사용되는 일이 적고, 2상 여자와 1-2상 여자가 주류이다. 그리고, 여자 방식에 의한 스텝각의 차이에서 2상 여자를 풀 스텝 구동, 1-2상 여자를 하프 스텝 구동이라고 부르고 있다.