기초이론 스테핑모터의 제어(상세 사항)

[구름치기]

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STEP MOTOR의 제어

1. Stepping motor의 개요

최근에 stepping motor(pulse motor, stepper motor)가 가지는 독특한 특성과 정확한 위치 제어 때문에 OA, FA 등에 많이 사용되고있다. stepping motor는 AC servo, DC servo motor에 비하여 값이 싸고 정확한 각도 제어에 유리하여 우리 주위에서 쉽게 접할수가 있다.
일반적으로 기계적인 이동량을 정밀하게 제어하는 일에 DC servo motor나 stepping motor가 많이 사용되고 있으며, 특히 stepping motor는 pulse에 의해 digital적으로 제어하는 것이 가능하므로 micom에서 사용하기에 적합한 motor이다. stepping motor가 DC motor나 AC motor와 크게다른 점은 모터의 shaft의 위치를 검출하기 위한 feedback없이, 정해진 각도를 회전하고, 상당히높은 정확도로 정지할 수 있는 것이다. 그리고, system에 짜여진 뒤에도 초기 성능이 만족되어있으면, 갱년 변화가 적고, 보수가 용이하며, 매우 신뢰성이 높은 system을 구성할 수 있다.
또 다른 motor에 비해 정지시 매우 큰 유지 토크(정지 토크)가 있기 때문에 전자 브레이크 등의 유지 기구를 필요로 하지 않는다. 회전 속도에 있어서도 stepping motor에 부여하는 pulse rate에 비례하므로 임으로 제어할 수 있다. stepping motor는 serial print의 종이 보내기 제어,printer head의 인자 위치 제어, XY Plotter의 펜위치 제어나 floppy disk의 head위치 제어,지폐 계수기, 봉재기기, 전동 타자기, 팩시밀리 등에도 사용되고 있다.

2. Stepping motor의 특징

a) 장 점
1) motor의 총 회전각은 입력 pulse수의 총 수에 비례하고, motor의 속도는 1초간 당의 입력 pulse 수에 비례한다.
2) 1 step 당 각도 오차가 ㄫ5%이내이며 회전각 오차는 step마다 누적되지 않는다.
3) 회전각 검출을 위한 feedback이 불필요하여, 제어계가 간단해서 가격이 상대적으로 저렴하다.
4) DC motor등과 같이 brush교환 등과 같은 보수를 필요로 하지 않고 신뢰성이 높다.
5) 모터축에 직결하므로써 초저속 동기 회전이 가능하다.
6) 기동및 정지 응답성이 양호하므로 servo motor로써 사용가능하다.

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

3. Stepping motor의 동작 원리

Stepping motor에서 그 내부를 구성하는 고정자라고 불리우는 극의 수에 따라 단상(1상), 2상, 3상, 4상, 5상, 6상 등의 종류가 있으며, 기본적으로 이 극의 수에 따라 motor의 step각 등의 기본 특성이 달라진다. 여기서는 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 4상 stepping motor를 예를 들어 동작원리에 대해 설명한다.

그림 3.1　고정자와 회전자의 구성	그림 3.2　권선의 상태

Motor는 회전자(rotor)와 고정자(stator)로 구성되어 있으며 그림 3.1과 같이 회전자에는 축방향으로 자화된 영구 자석과 그 바깥 쪽에 회전자 이빨의 철심 A, B가 있다. 그리고, 각각 N극과 S극으로 자화되고, 철심 A와 B와의 이빨은 반 피치가 어긋나 있다. 고정자에는 4상의 여자 코일이 그림 3.2와 같이 감겨져 있다. 그리고 coil에 직류를 흐르게 하므로써 고정자는 자화되고 회전자을 끌어 당긴다. 또 A상과 A'상, B상, B'상은 감은 방향이 반대로 되어 있으며, 반대의 극성이 발생한다. 각 상씩 여자 할때의 상태를 그림 3.3 에 나타낸다.
또한 step각이 1.8^o의 일반적인 4상 motor에서는 회전자쪽에는 50회전자 이빨, 고정자 쪽에는 48의 고정 이빨이 각각 등간격으로 만들어져 있다. 그 약도가 그림 3.4에 있으며, 이 그림은 S극쪽을 나타내고 A상이 여자된 위치이다.

그림 3.3　각 상이 여자되었을 때의 극의 상태	그림 3.4　고정자 이빨과 회전자 이빨과의 관계

3.1 기본 동작법

여기서는 모터의 기본동작을 아는 것이 목적이므로 간단히 스윗치로 모터의 여자를 변환해서 회전시켜본다. 따라서 소전류로 동작하는 스테핑모터가 알맞다. 일반적으로 쉽게 구할 수 있고 센터 탭 (center tap)이 있는 스텝 각도 15^o 라는 시방의 모터이다. 모터에 나와 있는 코일의 리드선은 모터의 종류나 메이커에 따라 다르지만, 대강 그림 3.5와 같이 되어있다.

그림 3.5　스테핑 모터의 결선 예

그림(a)와 같이 코일의 센터탭이 단독으로 나와 있는것과, 내부에서 센터탭끼리 서로 접속되어 한 가닥이 나오는 그림(b)등이 있다. 일반적으로는 그림(a)의 유형으로 되어있다. 모터와 스윗치 및 전원의 결선은 그림 3.6과 같다.

그림 3.7　모터와 스위치와의 결선	그림 3.8　실험용 모터에 폴리를 부착하여 각도 검출

전원은 원래 모터의 Vcc보다 같거나 좀 낮은것을 쓴다. 우선 스윗치 S₁ -S₄를 모두 off 한다음, 전원을 접속한다.

3.2 회전 시키기위한 순서

회전법에서는 뒷장에서 배우겠지만 그 여자 방법에 따라 1상,2상 1-2상 여자방법이 있다. 여기서는 스윗치 손놀림의 동시화를 꾀하기 어려우므로 1-2상 여자 방법을 택한다.

표 3.1　스위치의 ON/OFF 순서

그럼 표 3.1와 같이 순서와 같이 스윗치를 on/off하여보자. 우선 S₁을 on 한다. 그러면 그때까지는 모든 코일이 off상태(비여자 상태)이므로 코일에 처음으로 전류가 흐르게 된다. 따라서 이때 스텝각은 반드시 정해진 각도는 되지 않는다. 즉, 여자 상태에서의 정지와 비여자 상태에서의 정지는 틀린다. 그리고,다음의 스윗치에 의한 여자부터 정상 동작이 된다. 그러면 S₂를 on 한다. 이것으로 a상, b상이 함께 여자된 것이 된다. 그리고 이 때의 변위각은 약 7.5^o이다. 다시 스윗치를 전환 시켜 본다. 다음은 S₁을 off로 한다. 즉 b상만 여자 되어 있는 상태이다. 이 때도 7.5^o쯤 시게 방향으로 회전 하고 있다. 그런데 모터의 특성에서는 스테각은 15^o이지만 여기선 7.5^o이다. 어째서일까. 실은 1-2상 여자는 1상,2상과는 달리 스쥜각이 절반 각도 ( 하프 스쥜 ) 이다.
표 3.1의 순서와 같이 스윗치를 전환 하면 모터는 시계방향으로 회전 한다. 그래서 어느 정도 회전 시켰으면 이번에는 스윗치를 반대 방향으로 on/off를 실행해 보기 바란다. 그러면 반시계 방향으로 7.5^o 씩 회전하고 최후에는 원 위치로 복귀할 것이다.
이 사실에서 스테핑 모터는 여자하는 순서에 따라서 일정각도의 회전을 하고,여자상이 변화 했을 때에 회전하는 것을 안다. 또 여자 중, 즉 코일에 전류가 계속해서 흐르고 있는 동안은 모터축은 일정 위치로 유지된다.

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4. stepping motor의 종류와 구조

Stepping motor는 그 구조상 세가지로 분류할 수 있다.
(1) VR형(variable reluctance type : 가변 리럭턴스 형)
(2) PM형(permanent type : 영구 자석 형)
(3) HB형 (hybrid type : 복합형)
그림 4.1에 각 방식의 구조를 나타낸 것이다.

(a)VR형	(b)PM형	(c)하이브리드PM
그림 4.1　스테핑 모터의 각종 구조

a) VR형
VR형도 연철 또는 성층강판으로 회전자가 만들어져 있고, 톱니 바퀴형의 회전자와 고정자 권선에서 만들어지는 전자력으로 끌여 붙여 회전한다. 이 motor는 무여자 일때는 자력이 어느곳에서도 발생하지 않으므로 유지 torque는 0이 된다. 또한 이 VR형의 것을 회전자의 관성이 적고 고속 응답에 우수하다.
Step각은 15^o가 일반적이다.

b) PM형
PM형은 회전자를 영구 자석으로 사용하고, 고정자 권선에서 만들어지는 전자력으로 당겨 붙여서 회전한다. 이 PM형은 영구 자석을 사용하고 있기 때문에 무여자시에도 유지 torque가 크다는 점이 특징이다. 영구 자석의 종류에 따라 step 각이 분류되어 있으며, step각도가 큰 90^o, 45^o의 motor에는 일반적으로 알니코계의 자석을, 18^o, 15^o, 7.5^o등의 motor에는 페라이트계의 자석이 사용되고 있다.

c) HB형
PM형과 VR형을 복합한 type인데, 회전자의 바깥쪽에 이빨이 만들어져 있다. 또 회전자에는 축방향으로 자화된 영구자석이 끼워져 있으며, 그 바깥쪽에 이빨이 있는 2개의 철심으로 구성되어 있다.
복합형은 고정밀도, 고토크, 소스텝의 motor에 많이 사용되고 있다.

각 모터의 특징을 나타내면 아래 표 4.1과 같다.

표 4.1 스텝모터의 종류별 특징

항목\motor type	PM형	HR형	VR형
step각	7.5°∼ 15°가 많다	1.8°∼ 3.6°가 많다	1.8°∼ 15°가 많다
torque	소	대	중∼대
settling time	소∼중	소	대
cost	저렴	고가	고가

(a)VR형 스테핑 모터	(b)PM형 스테핑 모터
(c)하이브리드형 스테핑 모터	(d)(c)의 회전자와 고정자를 결합했다.

5. stepping motor의 특성

Stepping motor를 사용하는데 있어서는 다음의 세 가지 특성에 주의할 필요가 있다.
(1) 회전각도와 토크의 관계
(2) 속도와 토크와의 관계
(3) 과도응답 특성

이하 각각의 특성에 대해 간이적인 장치로 실험해 보기로 한다. 실험의 목적은 각각의 특성의 개략을 실감적으로 포착하기 위해서이다.

5.1 회전 각도와 토크 특성

스테핑모터의 가장 기본적인 특성의 하나로 정특성이라는 것이 있다. 이것은 각도-정토크 특성 이라고도 한다. 모터를 정격의 직류 전압으로 여자하고 모터의 출력축에 외력을 가했을 때에 출력축에 발생하는 토크를 나타내고 있다.
모터의 토크를 측정하려면 토크 미터등의 측정장치가 있으면 정밀하게 측정할 수 있지만 여기서는 큰 정밀도를 필요로 하지 않으므로 간단히 용수철 저울로 대용한다.

그림 5.1　정토크 특성의 측정

실험에 쓰이는 모터의 스텝각도는 15^o정도의 모터가 적당하다. 모터에 부착한 풀리에 신장(伸張)이 적은 철사를 감고 그림 5-1과 같이 용수철 저울을 끌여 올렸을 때의, 용수철 저울이 지시하는 값과 모터 축이 변위한 각도에서 각도 -정토크 특성을 구한는 셈이다.
풀리의 반지름을 r (cm) ,용수철 저울의 값을 W ( g ) 라고 하면 토크 T 는 아래와 같은 식이 된다.

T = r x W (cm^.g)

3-1절에서 만든 기본접속 그림 3-6 에서 스윗치를 사용해서 동작 시켰을때 스태핑 모터 (모델 15BA-H074-01)의 각도 정토크 특성을 그림 5-2에 나타냈다. 용수철 저울은 최대 200g, 풀리는 지름 1.5cm의 것을 사용했다.

변위각 (。)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
토크 (g·㎝)	22.5	36.0	45.0	66.0	93.0	109.5	139.5	165.0	186.0	204.0	216.0	229.5	232.5	234.0

그림 5.2 각도-정토크 특성의 측정값

그리고 모터의 스텝각과 동등하게 되는 위치가 최대 토크로 되어 있다. 또 그림 5-2의 측정예에서는 약 230 g^.cm 의 부하 토크까지는 유지 되었지만 그 이상의 부하토크가 걸린 경우에는 모터는 정지 위치를 유지할 수 없게 되고, 외력에 의해 모터축이 회전하게 되었다. 즉, 스테핑 모터의 유지 토크에는 한계가 있는 셈이다.
이 한계값을 최대 정지 토크 T_H이라고 한다. 모터의 부하가 이 T_H 이면 부하토크를 빼면 모터의 축은 원위치로 복귀한다.
따라서, 물체를 달아 올리는 것 같은 기계에 스테핑 모터를 이용하는 경우에는 주의가 필요하다. 또, 부하 토크에 의해 정지 각도에 최대 ㄫθ^o(모터의 소정 스텝각)의 변위가 생기므로, 정확도가 높게 정지 시키려면 부하 토크를 가볍게 해서 사용하는 것이 중요하다.

5.2 각도와 정토크 특성과의 관계

아래 그림 5-3 은 각도와 정토크 특성과의 관계를 나타낸것이다. 모터의 부하 토크가 0 이라면 변위각의 오차는 0이 되고 정확하게 정지한다. 그러나 모터의 부하 토크가 가해지면 그 토크에 따라서 정지 각도가 변위한다.

그림 5.3　각도와 정토크의 특성

예컨데, 모터의 정지 위치에서 모터를 회전 방향으로 회전 시키려고 하는 부하 토크가 작용하는 경우는 샤프트는 +θ쪽으로 변위한다. 또 반시계방향으로 회전 시키는 것 같은 부하토크가 작용하면 -θ쪽으로 변위하는 것이 된다. 모터의 특성에서는 최대 정지 토크 T_H가 정해져 있는데, 이 이상의 부하 토크가 가해지면 그림5-3의 θ위치를 넘어 모터는 다음 안정점 (2θ)까지 회전 하는 것이 된다.
지금 부하 토크 T_a를 음으로 해서 모터가 정지하면 θ_a의 변위 각도의 위치에서 정지한다. 그리고 1방향 회전이라면 번위 각도 θ_a를 포함한 그대로 정지하므로 절대위치에서는 어느 위치에서도 θ_a의 오차가 생긴다. 그러나, 상대 오차는 생기지 않는다. 다만, 정역 회전을 한 경우는 절대 위치에서 2θ_a의 오차가 생기게 되므로 주의가 필요하다.

5.3 속도와 토크 특성과의 관계

Stepping motor의 속도와 토크와의 관계는 일반적으로는 그림 5-4와 같이 표시된다.

그림 5.4　속도 - 토크 특성

이 특성은 모터 자신이나 구동회로, 여자 시퀀스에 의해 크게 달라지지만, 기본적으로 고속이 될수록 모터의 토크는 떨어진다. 이 이유는 모터의 코일에 직류전류를 흘리기 때문이다.
아래 그림 5.5 에서 든것 처럼 고속이 될수록 코일에 흐르는 전류가 완전히 상승되지 않기 때문이다. 또, 스테핑 모터의 코일에는 그림 5.5에서도 알 수 있듯이, 정지시에 가장 많은 전류 (구동전압ㄺ 코일 저항 )가 흐른다. 따라서, 모터는 이 때가 가장 토크가 크고 이것이 최대 정지 토크 T_H로 된다.

(a)저속에서의 전류	(b)중속에서의 전류
(c)고속에서의 전류
그림 5.5　저속, 중속, 고속에서의 모터전류 파형

모터가 무부하시에 모터의 회전이 입력 펄스수와 완전히 1:1 로 대응해서 기동할 수 있는 속도를 최대 자가동 주파수라고 한다. 또, 압력 신호에 추종해서 기동,정지,역전,가속,감속 등이 행해지는 자기동 영역이라고 하며 이 영역에서의 속도와 최대 토크특성과를 스타팅 특성라고한다. 즉, 이 자기동영역에서의 속도와 최대 토크특성과를 스타팅 특성이라고 한다. 즉, 이 자기동 영역안에서 모터를 스타트시키면 입력 펄스수와 완전히 1:1로 대응한 제어를 할 수 있다는 것이다.
스테핑 모터는 이 자기동 영역의 범위 안에서 기동시키면 그 뒤에 서서히 입력 펄스의 증가 시킬 수 있다. 그리고 입력펄스의 주파수를 증가시키면서 입력펄스수와 완전히 1:1로 대응할 수 있는 영역이 정상영역이라고 불리우는것으로, 이 때의 속도와 최대 토크 특성을 정상 회전 특성이라고한다.
따라서, 스테핑 모터의 성능을 최대한 사용하려면 우선 자기동 영역안에서 기동하고, 그 뒤는 서서히 주파수를 올려 슬루 영역을 잘 활용하는것이다. 이것을 가감속 (throw up/throw down)제어 라고 한다.
이 밖에 토크에 관한 것으로서, 알반적으로 10pps로 회전하고 있을 때의 모터의 토크가 최대 기동 토크로서 표시되어 있다.

5.4 고속시 토크를 크게 하는 실험

앞 절에서 설명한 것처럼 스테핑 모터는 고속회전이 되면 토크가 떨어진다는 결점이 있다. 이 절에서는 그것을 개선하는 회로에 대해서 알아 보겠다.
모터의 권선을 R,인덕턴스를 L로 하면 모터의 전기적 시상수 τ는

τ 　= L / R

이 된다.
이 시상수 τ는 그림 5.5(a)의 상승 커브가 된다. 그래서 모터의 시상수를 작게 하면 전류를 급속하게 코일에 흘릴 수 있고, 그 결과 고펄스레이트시의 토크를 개선할 수 있다. 모터의 시상수 τ를 작게 하는 방법은 여러가지가 있는데 그 몇가지 구동회로에 대해서 살펴 보겠다.
아래 그림 5-6는 스텝모터 구동기의 가장 기본적인 회로이다. 하지만 이 회로를 그대로 이용하면 트랜지스터가 off했을때 코일 사이에 역기전력이 발생하기 때문에 코일과 병렬로 다이오드를 연결한다. 이렇게 하면 off시 발생하는 역기전력을 코일과 다이오드 사이를 순환시켜 트랜지스터를 보호할 수 있다.

그림 5.6　구동기의 기본회로

그러나 이 회로만으로는 고속도에서 큰 토크를 얻기 힘들다. 그래서 주변에 저항, 제너 다이오드 등을 추가 하여 특성을 개선 시켜본다.
그러면 지금부터 고속시 토크를 크게하는 회로에 대해서 알아본다.

5.4.1 코일에 직렬 저항을 넣는 효과
그림 5.7의 회로는 코일에 직렬로 외부저항을 넣은것이다. 이 회로에 시상수 τ는

τ = L / ( R_C + R ) ( L:인덕턴스 , R_C:외부저항 , R:권선 저항 )

	이 공식 만으로 시정수 τ가 개선 되는 것을 알 수 있다. 외부저항이 크면 클수록 좋지만 자꾸 커지면 그만큼 전격전류를 흘려 주기 위하여 전원전압이 높아진다. 또한 외부저항의 전압 강하로 발열이 커지는 것에 대해서 주의한다.
그림 5.7　저항을 추가한 회로

5.4.2 다이오드에 직렬로 정전압 다이오드를 넣는 효과
그림 5-8의 회로는 직렬로 정전압 다이오드를 다이오드에 직렬로 넣은 것이다.

그림 5.8　정전압 다이오드를 추가한 회로	그림 5.9　역기전압 발생에 의한 순환전류

기본회로에서 역기전압 방지용으로 다이오드를 넣었는데, 이 다이오드에 의해 트랜지스터가 off했을 때 그림 5.9 같이 전기전압에 의한 전류가 코일과 다이오드 사이를 순환한다. 즉, 트랜지스터가 off로 되어도 코일에는 잠시 전류가 흐르는 것이 되며, 그 결과 모터의 회전과 역의 제동 토크(일종의 브레이크)가 생기는 것이다. 이것이 결과적으로는 토크를 떨어뜨리는 원인이 된다. 이 전류를 방지하는 방법으로서 정전압 다이오드 D 와 역방향으로 삽입하는 셈이다. 이렇게 하면 (정전압 다이오드의 전압) + (다이오드의 순방향 전압) 보다도 높은 전압이 모터의 코일 사이에 발생하고 있는 동안은 전류가 순환하지만, 그 이하 전압이 되면 정전압 다이오드에 의해 전류는 저지된다. 따라서, 트랜지스터를 파괴하지 않는 범위 안에서 정전압 다이이오드의 제너 전압을 높게 하는 편이 효과적이다. 그러나 너무 높은 전압의 정전압 다이오드는 압수하기 어려운 점과 전압이 높아지는 것으로 정전압 다이오드의 파워 손실이 커지는 것도 무시 못한다. 수 10 V 정도의 정전압 다이오드로 충분한 효과를 얻을 수 있다.

5.4.3 정전압 다이오드 및 외부저항 추가 회로

그림 5.10　정전압 다이오드와 저항을 추가한 회로

일반적으로 구동회로의 Vcc는 모터의 정격보다는 다소 높게 되어있다. 이는 트랜지스터가 on 했을 때 콜렉터 - 이미터간 전압이 약 0.75V정도 있기 때문이다. 각 회로에 있어서 실험의 결과를 그림 5.11와 그림 5.12에 나타냈다. 무부하 상태에서 슬루잉 주파수가 신장되어 있지 않은 것은 펄스 레이트를 서서히 상승시키는 throw up의 도중에 모터 고유의 진동 영역이 있고 회전이 흩어져 버렸기 때문이다.

그림 5.11　각 구동회로에 의한 부하 관성과 슬로잉 주파수

그림 5.12　각 구동회로에 의한 부하 관성과 자기동 주파수

이 실험 중에서 자기동 주파수나 슬루잉 주파수가 가장 신장 되어 있는 것은 정전압 다이오드 + 외부 저항의 조합(그림 5.10)이었다. 즉, 외부 저항에서 상승을 개선 시키고 정전압 다이오드에서 off시의 순환 전류를 방지하고 있기 때문이다. 측정 결과의 그림은 세로축에 부하 관성 모멘트를, 가로축에 펄스 레이트가 표시 되어있다. 무부하에서의 값은 모터 자신의 로터관성를 나타내고 있는 것이다.
이상의 실험치에서 모터의 동특성은 구동회로와 부하의 상태로 크게 틀려지는 것을 알 수 있다. 또한, 이 실험에서의 자기동 주파수는 실험을 간단하게 하기 위해 모터가 불안정한 동작을 하지 않고 회전하기 시작 하는 점의 주파수를 나타냈다. 또, 탈출 토크 특성를 보기 위한 슬루잉 특성은 모터에 부하를 붙인 상태로 자기동 주파수로 기동 시킨 뒤, 200 Hz 정도의 비율로 펄스 레이트를 증가시켜 회전이 불안정이 된 점, 혹은 정지한 주파수가 표시되어 있다.
일반적으로 말하는 슬루인 특성은 모터를 자기동 주파수로 기동시킨 뒤, 다시 주파수를 상승시켜 일정한 주파수로 모터를 회전 시킨다.

5.4.4 과도 특성
스테핑 모터에 펄스 신호를 하나 넣어 여자를 전환하면 부하와 구동회로에 따라 다르지만, 모터의 회전자는 그림 5.13 과 같은 특성을 나타낸다. 즉, t의 상승시간 뒤에 오버 슈우트를 발생하고 고유의 감쇠 진동을 하면서 세트링 타임까지 진동하고 정지한다. 그런데, 이러한 응답 특성의 모터에 대해 펄스를 연속적으로 입력하는 경우에는 그림 5.13에서의 t₁부터 t₂ 의 사이는 역방향으로 토크가 작용하고 있으므로, 이 사이에 다음의 펄스가 들어 가든가 하면 회전자는 역회전 하든가,불안정이 되던가 해서 여러가지 속도로 스포트적으로 공진이라고 불리우는 진동이 발생한다. 또, 모터를 고속 회전하기 위해서는 앞에서 설명한 것처럼 시상수를 작게 해서 상승시간을 짧게 할 필요가 있다. 실제로 모터의 오버 슈트나 언더 슈트를 관측해보려면 아래 그림 5.14처럼 모터축에 포텐셔메터를 직결하고 전압 변화의 파형을 관측한다.

그림 5.13　과도 특성 곡선	그림 5.14　과도 특성의 실험

모터의 여자 방법에는 여러가지가 있지만 여기서는 2상여자라 부르는 방법으로 7 pps, 14pps, 150pps, 350pps로 회전 시켰을때의 파형을 아래 사진 5-2에 나타냈다. 스텝레이트를 올려가는데 있어서 오버 슈트,언더 슈우트가 없어지고 있다. 오버 슈트나 언더 슈트가 있는 동안은 회전음도 크고 따끔따끔한 느낌이지만 스텝 레이트가 올라 가고 파형이 매끈해지는것에 따라서 회전음이 조용해지는 것을 알 수 있다.

(a)7pps(상여자 펄스는 50ms/div)	(b)10pps(상여자 펄스는 10ms/div)
(c)150pps(상여자 펄스는 10ms/div)	(d)350pps(상여자 펄스는 10/div)
사진 5.2　스테핑 모터의 과도 특성(2상 여자 동작)

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1) 로터 관성 : 로터 관성(Rotor Inertia)이란 모터의 회전자(로터)가 갖고 있는 관성을 말하며 회전자 자신의 크기나 무게에 따라 다르며 모터의 특성표에는 반드시 표시되어 있다.
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2) 탈출 토크(풀 아웃 토크 Pull out torque) : 풀 아웃 토크라고도 말하며, 스테핑 모터의 속도를 자기동 주파수를 초과해 서서히 올릴 경우, 또는 주파수를 고정시켜 부하 토크를 서서히 증가시킨 경우에 모터가 탈조 하지 않으므로써 발생하는 최대의 토크를 말한다.
BACK

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6. stepping motor의 구동

Stepping motor 의 구동부에 대한 설명은 아래와 같다.
o pulse 발진기 : 속도 및 전위량을 결정한다.
o logic 부 : pulse 발진기에 따른 stepping motor의 여자 각도를 결정한다.
o 증폭부 : logic 부로 부터의 신호를 증폭하고 motor를 구동한다.
o 직류 전원부 : motor및 각종 회로를 구동하기 위하여 전원을 공급한다.

6.1 stepping motor의 상여자

Stepping motor 의 구동방법은 그 권선 코일에 어떤 형태로 전류를 흐르게 하는가에 따라 구별되고 있다. 이것은 모터의 종류에 따라서도 달라지지만, 가장 많이 사용되고 있는 PM형 stepping motor의 step값 90^o 의 경우를 예로 설명한다. 그림 6.1은 PM형 4상 motor의 권선 구조이며 각도가 작은 motor에서는 기본적인 구조나 사고방식은 같다.
이 예의 경우는 각각 상대하는 고정자의 이빨에 코일이 두 가닥씩 감겨져 있다. 또 A'와 A'가 B'와 B'가 각각 common선으로서 외부로 나와 있는 motor도 수 많이 있다. 일반적으로 유니폴러 구동과 바이폴라 구동으로 구별할 수 있다.

그림 6.1　스테핑 모터의 권선 구조(PM형)

6.2 구동법

6.2.1 유니폴러 구동
그림 6.2는 unipolar구동 회로의 예이다.
각각의 coil에 1개의 transistor가 접속되고 transistor를 ON하는 것으로서 각 coil에 전류를 흐르게 한다. 또 그림에서와 같이 1방향만의 coil에는 전류 ( A' -> A, A' -> A, B' -> B, B' -> B )밖에 흐르지 않는다. 이와 같이 coil에 1방향밖에 전류가 흐르지 않기 때문에 unipolar(편극성)구동이라 부르고 있다.

그림 6.2　유니폴러의 구동회로 예

이 구동방식은 coil에는 동일 시간에 A상, A상 혹은, B상, B상의 한쪽 밖에 전류를 흘리고 있지 않으므로 저속 영역에서는 torque를 크게 취할 수 없다는 결점이 있으나 모터의 전원 회로를 포함시켜 회로 구성을 가장 간단히 할 수 있는 점에서 가장 널리 이용되고 있다.
그러면, 이하에 4상 motor에서의 unipolar구동에 있어서의 상여자 시퀀스에 대해 조사해 보기로 하자. 4상 motor에는 1상 여자, 2상 여자, 1-2상 여자라고 불리우는 여자 sequence가 있고, 이 방법의 선택에 따라 입력 pulse와 step과의 특성이 달라진다. 표 5-1이 4상 motor의 unipolar 에서의 여자 방식이 특징이다.

	내용	스텝각	입력	특 징	입력펄스와 각상 전류의 관계
유 니 폴 라 1 상 여 자	항상 하나의 상에만 전류를 흐르게 하는 방식	θ (폴 스텝)	P	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.
유 니 폴 라 2 상 여 자	항상 2개의 상에 직류를 흐르게 하는 방식	θ (폴 스텝)	2P	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.
유 니 폴 라 1-2 상 여 자	하나의 상과 2개의 상을 교대로 흐르게 하는 방식	θ2 (하프 스텝)	1.5P	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.

표 6.1　4 상 모터의 유니폴러 구동

6.2.1.1 4상 motor 의 1상 여자동작
그림 6.3에 1상 여자에서의 motor의 동작을 나타 낸다.

그림 6.3　유니폴러 구동 1-2상 여자

Step 1에서 transistor이 on 되고 A'-> A로 전류가 흐른다. coil에 전류가 흐름으로써 고정자의 이빨은 n,s극으로 여자된다. 이때 B 쪽에는 전류가 흐르고 있지 않으므로 B 쪽의 stator 의 이빨은 비여자이지만, A쪽의여자에 동반해서 회전자의 영구자석은 각각 N 과 S , S 와 N 이 결합해서 안정한 위치에 정지한다.
다음에 step 2로 진행하면 먼저 on 하고 있던 T_r1 은 off가 되고,대신에 T_r3 가 on 이된다. T_r3가 on이 되면 B'-> B의 coil 에 전류가 흘러 이번에는 90^o씩 어긋나고 있는 고정자가 여자가 된다. 그리고 여자 위치가 이동한 것으로 회전자도 시계 방향으로 당겨져 90^o 회전하게 된다.
같은 방법으로 step 3 과 step 4 의 동작을 함으로써 모터는 각 step 당 90ㅱ씩 진행시켜 회전 시킬 수 있다.


6.2.1.2 4상 motor 의 2상 여자동작
그림 6.4 는 2상 여자의 동작을 나타내며,2상 여자의 경우는 A,B쪽의 coil이 동시에 1가닥씩 여자된다.

그림 6.4　유니폴러 구동 2상 여자

우선 step 1에서는 A'-> A, B'-> B 의 coil 에 전류가 흐른다. 고정자의 극은 1상 여자와 같이 12시와 3시가 S극,6시와 9시의 위치가 N극으로 여자된다. 그 결과로써 회전자의 N극은 12시와 3시의 S극의 중간의 위치에 정지한다.
다음으로 step 2에서는 A상의 coil 이 전환되고 A' -> A 로 전류가 흐른다. 그리고 12시의 극이 N, 6시의 극이 S로 된다. 그 결과 회전자의 N극은 12시의 N 극과 반발해서 3시와 6시의 S극의 중간 위치에 안정한다.
이렇게 해서 회전자는 시계 방향으로 90^o 회전하는 셈이며 ,step3,step4 에서도 마찬가지로 2장씩 같은 극으로 여자되어 회전자의 극이 그 중간의 위치에서 정지하면서 회전하게 된다. 또한 2상 여자는 1상 여자와 비교해서 2 배의 전류가 흐른다. 그러나 코일의 2상이 여자되어 있으므로 1상 여자에 비하면 정지상의 오버슈터나 언더슈터가 작고 과도 특성이 좋아진다.


6.2.1.3 4상 motor 의 1-2 상 여자동작
그림 6.5 의 1-2 상 여자는 전술한 1상 여자와 2상 여자가 교대로 반복하는 것이다.
따라서 회전자는 step 마다 45^o 회전한다. 즉 step 각은 maker 가 표시하는 각도의 1/2 가 된다. 1-2상 여자는 1상 여자와 2상 여자의 특성을 같고 있으므로 step rate는 배가 된다.

그림 6.5　유니폴러 구동 1-2상 여자

6.2.2 bipolar 구동
Stepping motor 의 구동으로는 전술한 것과 같은 간단한 구성으로 끝나는 unipolar구동외에, 회로는 복잡하지만 저속 영역 에서의 torque 를 개선하는 bipolar 구동이라는 방법이 있다. 이 bipolar 구동은 motor 의 coil 에 교대로 전류를 흘리도록 드라이브한다. 그림 6.6 은 브리지 형이라고 불리우는 bipolar 구동 회로를 나타낸다.

그림 6.6　바이폴러 구동회로 예


그림 6.7 스테핑 모터의 바이폴러 감기

	내용	스텝각	입력	특 징	입력펄스와 각상 전류의 관계
바 이 폴 러 1 상 여 자	항상 1조(2상)의 상에만 전류를 흘리는 방식(전류 방향은 교대로 변화한다)	θ (폴 스텝)	P	4상 권선의 2상(1상)만이 여자되는 방식으로 각도 정확도가 좋다. 전원이 작은 것으로 좋지만 2가닥의 권선이 직렬로 접속되므로 2배의 전압을 필요로 한다. (바이폴러 드라이브 공통의 특징) 다만, 전 코일의 1/2밖에 사용하고 있지 않으므로 이용효율이 나빠 바이폴러 드라이브에는 이용되지 않는다.
바 이 폴 러 2 상 여 자	항상 2조의 상에 직류를 흘리는 방식(전류의 방향은 교대로 변화한다)	θ (폴 스텝)	2P	4상 권선의 모두가 여자되는 방식으로 덤핑특성이 좋다. 유니폴러 드라이브에 비교해서 저속시의 토크 특성이 우수하지만 고속이 되면 코일이 직렬로 접속되어 있기 때문에 L이 크고 시상수가 길며, 반대로 토크가 낮아지는 결점도 있다. 코일의 이용율이 가장 높다.
바 이 폴 러 1-2 상 여 자	1조의 상과 2조의 상을 교대로 전류를 흘리는 방식(전류 방향은 교대로 변화한다)	θ2 (하프 스텝)	1.5P	4상 권선 중 여자가 교대로 여자되는 방식으로 바이폴러 1상, 2상 여자의 중간 특징을 갖고 있다. 스텝각은 1/2이 된다. 유니폴러 드라이브에 비교해서 복잡한 제어회로를 필요로 한다.

표 6.2　4 상 모터의 바이폴러 구동

회로에서처럼 unipolar 구동과 비교하여 2배의 transistor를 필요로 한다. 또 motor의 코일을 감는 방법도 다르고 2 가닥의 coil을 같은 방향으로 겹쳐 감아 단자만을 별개로 빼내는 구조가 이용되고 있다. 이중 1가닥의 wire를 연속적으로 감은 것은 모터 파일러 감기라고 부르고 2가닥을 동시에 겹쳐 감은 것은 바이 파일러 감기라고 하는데 그림 6.7과 같이 바이 파일러 감기쪽이 2가닥의 coil 의 인덕턴스가 동등하게 되므로,결과적으로 위치 결정 정확도가 좋아진다는 특징이 있다. 이 bipolar 구동에도 1상 여자와 2상 여자 있는데, bipolar 1상여자는 효율면에서 사용되는 일이 적고, 2상 여자와 1-2상 여자가 주류이다. 그리고,여자 방식에의한 step 각의 차이에서 2상 여자를 풀 스텝 구동, 1-2상 여자를하프 스텝 구동이라고 부르고 있다.
표 6.2 에 바이폴러 구동 방식의 특징을 나타낸다.


6.2.2.1 바이폴러 풀 스텝 구동
그림 6.8에 bipolar step 구동의 여자 시퀀스와 회전자의 동작을 나타낸다. 이 방법은 항상 모든 coil에 전류를 흘리는 것이지만,시퀀스 그림의 윗 절반은 A' -> A,A ->A'의 방향으로 전류를 흘리는 것처럼 표현하고 있다. 물론 B coil 쪽도 마찬가지이다.

그림 6.8　바이폴러 풀 스텝 구동

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8.스테핑 모터의 구동 실험

스테핑 모터를 여자하려면 구동법에 따라 유니폴라 바이폴라 크게 두가지로 나눈다. 여기서는 그 중 유니폴라 구동법을 범용 IC, 전용 IC, PC를 이용한 구동법 세가지로 나누어 알아본다.

8.1 범용 IC를 이용한 구동법

스테핑 모터에는 상의 여자 방식에 의해 몇가지 종류와 여자 시퀀스의 조합이 있다. 그리고 각각의 모터는 미리 설정한 여자 방식에 따른 순서로 전류를 흘리 도록 제어를 해야한다.
모터를 여자하는 시퀀스 회로는 범용 로직 IC로 구성할 수 있는데 종래는 여자의 시퀀스를 만드는데 RS 플립 플롭, JK 플립 플롭, NAND 게이트 등으로 구성되는 일도 있었지만 일반적으로는 상 시프트에 편리한 시프트 레지스터를 이용하여 간단히 구성할 수 있다. 우선, 4비트 쌍방향 시프트 레지스터 74194를 사용한 4상모터의 2상 여자 회로예를 아래 그림 8-1에 나타냈다.

그림 8.1　시프트 레지스터를 사용한 2상 여자 구동회로

이 회로는 전원 ON시에 병렬 입력 2 비트 ( A , B )에 "H"를 로드하고 펄스 발생 회로로부터 펄스가 들어올 때마다 라이트나 레프트 ( CW 나 CCW )에 시프트한다. 펄스 회로는 모터를 돌리는 속도를 결정하기 위한 펄스열을 여기에 추가하는 셈이다. 또, 1비트(A)를 "H"에 나머지 비트 (B,C,D)를 "L"에 로드하도록 구성하면 1상 여자 회로가 된다.

동작 설명 : 전원 on시에 콘덴서 10 uF로 충전한는 사이 S₀ , S₁을 "H"로 되고 양쪽 "H"일때 약간 뒤진 클럭에 의해 A - D 의 입력 데이터가 내부 플립 플롭에 세트 된다. 쌍 방향 시프트 레지스터 74194의 Q_A를 SL에 Q_D를 SR에 접속하고 있기 때문에 펄스가 들어갈 때마다 2 비트의 "H"데이터는 오른쪽이나 왼쪽으로 (CW 나 CCW) 계속해서 빙빙 돈다. 1상 여자로 하려면 74194의 A입력을 Vcc,B,C,D 입력을 GND로 떨어지게 하면 된다.

다음은 1-2상 여자회로의 예를 그림 8.2에 나타냈다.

그림 8.2　시프트 레지스터를 사용한 1-2상 여자 구동회로

이 회로는 8비트 쌍방향 시프트 레지스터 74198을 사용하고 있다. 그리고 2상 여자의 경우와 마찬가지로 전원 ON시에 병렬 입력 3비트 (A,B,C)를 "H"에 로드하고 라이트가 레프트(CW 이든가 CCW)에 시프트한다.
또, 4비트(A,B,C,D)를 "H"에 로드하도록 구성하면 2상여자 회로가 된다. 또한, 이 회로는 8비트 시프트 레지스터를 사용하고 있으므로, 출력은 1비트 간격 ( Q_A, Q_C, Q_E, Q_G )으로 취하고 1펄스 입력으로 1 시프트가 된다.

동작설명 : 전원 ON시에 콘덴서 10uF로 충전하는 동안 S₀, S₁은 "H"로 되고 양쪽 "H"일 때에 약간 뒤진 클럭에 의해 A - H 의 입력 데이터가 플립 플롭에 세트된다. 쌍방향 시프트 레지스터 74198의 Q_A를 SL에 Q_H를 SR에 접속하고 있기 때문에 부펄스가 들어갈 때마다 3비트의 "H"데이터는 오른쪽이나 왼쪽으로 (CW 나 CCW) 계속해서 빙빙돈다. 8비트 출력 중 하나 건너 출력에 접속되어 있기 때문에 1출력이 "H"인 경우와 2출력이 "H"인 경우를 교대로 반복한다. D입력 "H"로 하면 2펄스로 1상 시프트의 2상 여자로 된다.

8.2 전용 IC를 이용한 구동법

스테핑 모터의 상여자를 하는 전용의 IC가 여러 회사에서 발매되고 있다. 대개는 비슷한 기능을 가지고 있는데 그 주요한것을 표 8.1에 나타냈다. 여기서는 그중의 대표적으로 PMM 8713에 대해서 알아본다.

표 8.1　상여자 구동용 IC의 예

8.2.1 PMM 8713 의 사용법
PMM 8713 은 일반의 3상,4상 스테핑 모터를 콘트롤하는 IC이다. 그림 8.3이 IC 핀 접속이다.

그림 8.3　PMM 8713의 구성

표 8.2　PMM8713의 기능

이 IC는 C-MOS이며 4-18V의 광범위한 전원으로 사용할 수 있다.

표 8.2에 든 것과 같이 3상 모터인가 4상 모터인가, 또한 1상 여자인가 2상여자, 1-2상 여자인가를 ㄖ_c와 E_A,E_B 입력으로 설정할 수 있다. 또, 펄스의 입력 방법도 방향별 펄스 입력과 펄스 입력 + 방향 입력의 어느 쪽으로도 대응할 수 있다.
그 입력 설정 방법을 그림 8.4에 나타낸다.

그림 8.4　펄스입력의 방법
	그림 8.5　1-2상 여자방식의 구동회로

PMM8713의 응용 회로로서 4상 모터, 1-2상 여자 방식의 예를 그림 8.5에 나타낸다. 방향별 펄스 입력 회로로 사용하는 경우는, 각 입력은 플러스 논리이므로 펄스 발생기가 마이너스 출력 논리일 때는 역방향으로는 회전하지 않는다. 따라서 입력쪽에 인버터를 넣어 플러스 논리로 변환할 필요가 있다.
각 상의 출력 전류는 20mA 까지 흘릴 수 있으므로, 일반적으로는 구동 트랜지스터를 직접 구동할 수 있다. 또, C_O와 E_M은 입력 펄스의 확인과 여자 모니터로서 사용한다.

8.3 PC의 I/O 확장 슬롯을 이용한 구동법

PC와의 인터페이싱이라 하면, PC의 슬롯(SLOT)를 외부 기기와 결합하여 PC의 기능을 보다 폭 넓게 사용함을 말한다. 즉 슬롯에서 나오는 신호를 외부 소자와 결합하여 원하는 기능을 만드는 것이다. 예를 들면 ROM WRITER,음악기구(MIDI),AD 콘버터,당구장 전산시스템등 이루말할 수 없이 그 활용 예가 무척 광범위 하다.
여기서는 그 중 가장 기본이되는 PC의 신호선과 8255 CHIP에 대해 알아본다.

8.3.1 PC 슬롯 구조

앞쪽
그림 8.7　I/O 슬 롯의 핀배열

그럼 먼저 사용하게 될 핀 번호의 명칭및 기능을 알아본다.

RESET DRV : 출력전용선으로 시스템에 전원에 들어오는 동안 HIGH상태이다. 버스에 붙어 있는 인터페이스 로직이나 I/O장치들이 시스템에 의하여 조작 되기전에 전원이 정상상태임을 알려준다.

A_O - A₁₉ : 어드레스 신호는 A0-A19까지는 출력 전용선으로서 시스템 메모리나 I/O의 어드레스 시스템버스로 사용된다. 그러나 I/O명령기간 동안에 읽기나 쓰기 타이밍에서는 pc의 경우 A0-A9까지만 사용된다. 또한 이 I/O 어드레스중에는 이미 pc설계시에 사용되는 부분이 많기 때문에 새로운 I/O 로직설계때에는 그러한 어드레스를 피해서 설계해야 한다.
본 제작물에는 3E0H에서 3E3H까지의 어드레스를 사용한다.

D₀ - D₇ : 입출력 양방향성으로서 CPU 와 메모리간의 I/O 데이타 전송에 쓰이는 데이타라인이다. 단, DMA(Direct Memory Access) 기간 동안에는 직접 메모리와 I/O간의 데이타 전송에 쓰인다.

IOR : 이 신호는 8288이라는 버스 콘트롤러로부터의 출력전용선이다. 이것은 현재 CPU에서 출발하는 버스 사이클이 I/O포트 읽기 사이클이고 어드레스버스에 있는 어드레스가 I/O포트의 어드레스임을 나타낸다.

IRW : IOR과 동일하나 I/O포트 쓰기 사이클이라는 점만 다르다.

AEN: 이 신호선은 DMA제어회로로 부터의 출력전용선이다. 즉, DMA사이클이 진행중이므로 CPU의 어드레스 데이타 제어 신호들이 금지된다. 결국 I/O포트에 어드레스를 주어서 DMA 사이클 동안에는 메모리 어드레스를 I/O 포트의 어드레스를 사용하지 않도록 해준다. 따라서 이 선을 이용하여 I/O포트가 HIGH 상태이면 지금 만드는 8255 로직 또한 디스에블 (disable) 시켜야 한다.


8.3.2 8255의 구성

	이 8255는 8080모델의 페밀리로서 입 출력 포트가 3개로서 일반적으로 I/O포트용 으로서 널리 사용된다. 그 주요 신호선은 다음과 같다. __ CS : 입력선으로서 로우가 입력되면 8255와 CPU간의 통신이 가능하게 된다. __ RD : 입력선으로서 로우가 입력되면 8255로 하여금 CPU 로 데이타나 기타의 상태를 보낼 수있다. __　 __ WR : RD와 같으며 데이타나 콘트롤워드를 CPU로부터 8255로 보내며 로우시 작동된다. 　　　 __　　 __ A0-A1 : RD와 WR의 입력이 합쳐져서 3개의 포트나 콘트롤 레지스터 중 하나를 선택할 수 있는 입력선이다. RESET : 이 입력이 하이라면 3개의 포트와 콘트롤 레지스터의 모든 값이 클리어 된다.
그림 8.8　8255 CHIP

8255는 3가지 동작 모드를 기지고 있는데 이 모드의 선택은 A0, A1에 1,1을 입력 하여 써 넣는 내용이 콘트롤 워드 레지스터임을 밝힌 다음에 절절한 코드를 입력하므로 결정된다.
여기서는 모드 1,2의 사용을 피하고 모드0에서 대해서 살펴본다. 모드 0에서는 기본적인 I/O가 가능한데 이 때 포트 A,B,C는 입력이 아니면 출력중의 하나로 결정되어 (콘트롤 워드에 의함) 아래 그림 8.9와 같다.

	A0	A1
포 트 A	0	0
포 트 B	1	0
포 트 C	0	1
콘 트 롤	1	1

그림 8.9　8255의 콘트롤 워드

먼저 콘트롤 워드를 설정하려면 CS=0, RD=1, WR=0, RESET=0 이고 A0=1, A1=1 이어야 한다. 여기서 모드 0을 선택하므로 D7=0, D6, D5, D2=0로 놓고 그 다음의 나머지 비트를 설정하기 나름인데 A, B, C 세 포트를 모드 출력으로 세트 한다면 D4=0, D3=0, D1=0, D0=0 로 세트하면 된다.


8.3.3 INTERFACE 제작

그림 8.10　CPU와 8255 결합 회로도

mode 0 은 제어신호가 없는 입출력 port
mode 1 은 제어신호가 있는 입출력 port
mode 2 는 제어신호가 있는 쌍방향 입출력 port를 각각 나타낸다.
또한 74LS688(74LS521)은 8bit equal-to comparator로써 q의 status와 P의 status가 같을 때, 즉 P₇P₆P₅P₄P₃P₂P₁ P₀(A₉A₈A₇A₆A₅A₄ A₃A₂)가 1 1 1 1 1 0 0 0 가 되면 단자 19에 low level이 되어서 8255와 MPU간의 통신을 가능하게 하여 준다.

8.4 STEPPING MOTOR 구동법

a) 1 상 여자 방식

	100 REM 1상 여자 방식에 의한 110 REM 스텝 모터의 구동 120 REM 130 OUT &H3E3, &H80 140 OUT &H3E0, &H1 150 GOSUB 300 160 OUT &H3E0, &H2 170 GOSUB 300 180 OUT &H3E0, &H4 190 GOSUB 300 200 OUT &H3E0, &H8 210 GOSUB 300 220 GOTO 140 230 END 300 REM 시간 지연 310 FOR I = 1 TO 2000: NEXT I 320 RETURN

b) 2 상 여자 방식

	100 REM 2 상 여자 방식에 의한 110 REM 스텝 모터의 구동 120 REM 130 OUT &H3E3, &H80 140 OUT &H3E0, &H3 150 GOSUB 300 160 OUT &H3E0, &H6 170 GOSUB 300 180 OUT &H3E0, &HC 190 GOSUB 300 200 OUT &H3E0, &H9 210 GOSUB 300 220 GOTO 140 230 END 300 REM 시간 지연 310 FOR I = 1 TO 2000 : NEXT I 320 RETURN

c) 1 - 2 상 여자 방식

	100 REM 2 상 여자 방식에 의한 110 REM 여자 방식 120 REM 130 OUT &H3E0, &H1 140 GOSUB 300 150 OUT &H3E0, &H3 160 GOSUB 300 170 OUT &H3E0, &H2 180 GOSUB 300 190 OUT &H3E0, &H6 200 GOSUB 300 210 OUT &H3E0, &H4 220 GOSUB 300 230 OUT &H3E0, &HC 240 GOSUB 300 250 OUT &H3E0, &H8 260 GOSUB 300 270 OUT &H3E0, &H9 280 GOSUB 300 290 GOTO 120 300 REM 시간 지연 310 FOR I=1 TO 2000:NEXT I 320 RETURN

9. stepping motor의 용어

Stepping motor에서는 다른 motor에서는 사용되지 않는 특수 용어가 몇 가지 있는데 간단히 설명하면 아래와 같다.

a) 정지 최대 토크 ( holding torque )
각 상에 정격 전류를 흘리고, motor 축에 외력에 의한 각도 변화를 주었을 때 발생하는 최대의 torque를 말하며, 이 torque보다 작은 외력일 경우는, 외력을 떼면 motor 축은 원래의 정지 위치로 되돌아 간다.

b) 자기동 영역
외부에서 주어진 신호로 동기에서 기동,정지할 경우 stepping motor의 응답 가능한 영역

c) 최대 기동 토크 ( maximum running torque )
Stepping motor가 움직일 수 있는 최대의 torque 를 말하며, 일반적으로는 10 pps의 주파수로 모터를 구동 시켰을 때의 값으로 정의 되고있다.

d) 최대 자기동 주파수 ( maximum starting pulse rate )
무부하 상태에서 motor의 회전이 입력 pulse 수와 완전히 1대 1로 대응해서 기동하는 최대 주파수를 말한다.

e) 스타팅 특성 ( starting characteristic )
Motor의 회전이 입력 pulse와 완전히 1대 1로 대응해서 기동할 수 있는, motor의 최대 발생 torque와 입력 펄스와의 관계를 가르킨다. 풀인 토크(pull in torque)라고 표현하는 경우도 있다.

f) 스루 영역
자기동 영역을 넘어서 주파수를 서서히 올릴 경우, 또는 부하 torque를 서서히 가할 경우 stepping motor가 동기를 이탈하지 않고 응답 가능한 영역

g) 스루잉 특성 (slewing characteristic )
스타팅 특성의 범위 내에서 기동시킨 motor 를, 입력 pulse의 주파수를 서서히 증가시켰을 경우 motor의 회전이 입력 pulse와 1대 1로 대응할 수 있는, 최대 발생 torque와 입력 pulse의 관계를 가르킨다. 풀 아우트 토크(pull out torque)라고 표현하는 경우도 있다.

h) 최대 연속 응답 주파수 (maximum slewing pulse rate )
무부하 상태로 slewing 특성으로 들어간 motor를 입력 pulse와 1대 1로 대응해서 회전시킬 수 있는 최대의 입력 주파수를 가리킨다.

i) pps ( pluse per second )
일반 motor의 회전 속도는 1 분간당 회전수 ( rpm ) 를 나타내는데, stepping motor의 경우는 회전수보다 입력 pulse의 주파수로 나타내는 일이 많고 이것을 pulse rate 혹은 스테핑 rate라고 한다.

j) 탈조 ( 脫調 )
스타팅 특성 또는 slewing 특성을 벗어난 주파수의 pulse를 주었을 경우, motor는 회전이 불규칙하게 하거나 정지하게 한다. 이 상태를 탈조라고 한다.

k) 풀인 토크 : 동기 인출 토크, 자기동 영역에서 기동할 때 발생하는 torque
풀아웃 토크 : 자기동 영역을 넘어서 주파수를 서서히 올릴경우, 또는 부하 torque를 증가시킬 경우 stepping motor가 동기를 이탈하지 않고 발생하는 torque

l) 스텝 각도(step angle)
입력 신호 1 펄스에 대응하는 모터 축의 회전 각도

m) 무여자 유지 토크(detent torque)
마그네트 로터형 stepping motor(PM형 motor)에서는 무여자인 경우에도 자기 흡인력이 작용하여, 모터 축 위치를 유지하려는 힘이 작용한다. 이것은 모터의 축에 외부에서 회전 토크를 가해, 강제적으로 각도 변화를 부여하므로 발생하는 토크

n) 세트링 타임(settling time)
Stepping motor에 최종 펄스 신호를 입력시키고 나서, 로터가 정지하기까지의 감쇄 진동 시간을 말하며, stepping motor에서는 이 시간이 짧고, 또한 진폭이 작은 것이 요구된다.

o) 각도 정밀도(step angle accuracy)
Stepping motor의 회전 각도의 정확도를 나타내는 것으로, 이것에는 정지 각도
오차와 스텝 각도 오차, 그리고 히스테리시스 오차가 있다.

p) 온도 상승값(temperature rise)
Stepping motor를 정해진 여자기법으로 여자하고, 모터를 정지한 상태에서 측정한 경우의 온도 상승값을 나타낸다. 또 이 경우 1상만 여자하며, 또한 그 측정법은 일반적으로 저항법을 이용한다.

10. 참고 문헌

1) 上田次男 外, 센서 인터페이싱-2, 機電硏究社,( p.219 - 254 ),1986.
2) 도서출판 세운 편집부, 마이컴 계측 제어 활용법, 도서출판 세운(p.159-170),1988
3) 장세교, 제어용 전동기, 도서출판 산문사, 1988.
4) 도서 출판 세운 편집부, stepping motor의 제어 회로 설계, 도서 출판 세운,1988.
5) 월간 전자 과학사, 전자과학, 8, 1990.
6) 김응묵, 박선호 편역, 모터 회전의 회로기술, 도서출판 세화, 1988.
7) 동일 출판사 편집부, 메커트로닉스 기초 강좌 5(로보트 II), 동일 출판사, 1989.

문제

1. stepping motor는 pulse신호의 지령에 의해 일정 회전 각도만큼 도는 motor로 (pulse motor) 라고도 한다. stepping motor 는 ( 저 ) torque, ( 저 ) 회전 속도 이기는 하나 ( 구동 ) 회로가 간단하며 ( 회전 검출기 )가 필요 없고 소정의 회전 각도를 정확히 실현 할수 있다는 것과 구조가 단순해서 ( 보수 )가 용이하는 것 등으로 널리 제어에 이용되고 있다.

2. 스텝 모타는 그 구조에 따라 ( PM )형 ( VR )형 및 ( 복합형 )으로 나눌 수가 잇다.

3. stepping motor의 구동 방식에는 전류가 항상 한방향으로 흐르는 ( unipolar )구동과 코일의 양방향으로 전류를 흘리는 ( bipolar ) 구동 방식이 있다. ( bipolar ) 구동 방식은 ( unipolar ) 구동 방식보다 2 배의 여자 torque가 얻어지고 효율도 좋으나 외부 회로가 비교적 복잡하여 일반적으로 ( unipolar ) 구동 방식이 많이 쓰인다.

4. 또한 여자 방식에 따라 1 상, ( 1-2 상 ), ( 2 상 ) 구동이 있다.

5. 여자 방시에 따른 각각의 구동 방식의 특성을 간단히 적으라.
1 상 구동 : 1 step 마다의 각 정밀도가 높다.
1-2 상 구동 : 1 펄스당 회전각이 2 배 안전성이 많기 때문에 회전이 부드럽다.
2 상 구동 : 큰 holding torque와 큰 출력이 얻어진다.

6. stepping motor는 다른 motor에 비해 정지시 매우 큰 ( 정지 torque )가 있기 때문에 전자 브레이크 등의 유지 기구를 필요로 하지 않는다.
또한 회전 속도도 stepping motor에 부여하는 ( pulse rate ) 에 비례하므로 임의로 제어할 수 있다.

7. stepping motor가 micom 관련 주변 장치에서 사용되는 곳을 아는 데로 적으라.
　　　serial printer의 종이 보내기 제어
　　　printer head의 인자 위치 제어
　　　X-Y plotter의 pin 위치 제어
　　　플로피 disk의 헤드 위치 제어

8.stepping motor의 장단점을 적으라.

장 점	단 점
① 회전각 오차가 스텝마다 누적되지 않는다. ② 회전각을 검출하기 위한 feedback이 불필요 하므로 제어계가 간단해진다. ③ 슬리브 부분이 없으므로 brush 교환과 같은 보수가 필요없다.	① 어느 주파수에서 진동 공진 현상이 발생 하기 쉽고 관성이 있는 부하에 약하다. ②고속 운전시 탈조하기 쉽다.

9. motor는 도는 부분인 ( 회전자 )와 돌지 않는 ( 고정자 )로 구성 되어 있다.

10.stepping motor를 micom으로 제어하는 것의 장점을 아는 데로 써라.
1) 제어를 programmable하게 행할 수 있다.
2) 제어를 변경하기 쉬운 등의 자유도가 높다.
3) micom은 motor의 제어 이외에도 이용할수 있다.
4) 어떤 연산 결과를 motor의 제어에 feedback할 수 있다.
5) motor와 조합한 equential제어를 용이하게 할 수 있다.
6) 복수의 motor를 동시에 제어할 수 있다.

11.stepping motor를 pc로 제어하는 것의 장단점을 적으라.
sol)
a. 장점
(1) PC와 interface와의 간단한 hardware로 제어 system를 만들 수 있다.
(2) software의 개발을 PC 자체로 행할 수 있고 debug기능을 갖추고 있으므로 전용의 개발기를 필요로 하지 않는다.
(3) man-machine으 표준으로 갖추고 있기 때문에 data의 변경등을 쉽게 할 수 있고 제어 대상의 기계 system에 맞는 가감속 pattern 등을 단시간에 설정할 수 있다.
(4) stepping motor 제어 이외의 data처리도 광범위하게 행할 수 있다.
(5) 제어 system의 동작 내용이나 pattern을 직접 표시 할 수 있고 동작을 시각으로 알 수 있다.
(6) BASIC등의 고급 언어로 제어하는 것이 가능하므로 전문적인 기계어를 이해하지 못해도 그다지 문제는 없다.

b. 단점
(1) 간단한 제어만으로 끝나는 system에서는 너무 과대해지는 경우가 있다.
(2) 동작 환경이 나쁜 공장의 환경에서는 신뢰성에 문제가 생기는 일이 있다.
(3) 퍼스컴 (pc)은 일반적으로 사무실이나 가정에서 사용하는 것으로 고려되어져 내 노이즈성이 낮아 기계 시스템이 가동하고 있는 공장내의 noise가 많은 환경에서는 오동작을 일으키기 쉽다. 또 PC는 기성품이므로 noise 대책도 취하기 어렵다.
(4) PC는 model change 가 심하고 maintenance에 문제가 생기는 일이 있다.

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[구름치기]

스테핑 모터 제어관련 지식 추가
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