DC 모터

DC 모터

DC 모터는 자기장과 도체의 상호 작용을 사용하여 전기 에너지를 회전 기계 에너지로 변환하는 전기 기계 장치입니다.

전기 DC 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 연속 액추에이터입니다. DC 모터는 펌프, 팬, 압축기, 휠 등을 회전시키는 데 사용할 수 있는 지속적인 각도 회전을 생성하여 이를 달성합니다.

기존의 회전식 DC 모터뿐만 아니라 연속적인 라이너 이동을 생성할 수 있는 선형 모터도 사용할 수 있습니다. 기본적으로 사용 가능한 기존 전기 모터에는 AC 유형 모터, DC 유형 모터 및 스테퍼 모터의 세 가지 유형이 있습니다.

일반적인 소형 DC 모터

 

AC 모터는 일반적으로 팬이나 펌프와 같은 큰 부하를 제어하기 위해 일정한 회전 토크와 속도가 필요한 고전력 단상 또는 다상 산업 응용 분야에 사용됩니다.

전기 모터에 대한 이 튜토리얼에서는 다양한 유형의 전자, 위치 제어, 마이크로프로세서, PIC 및 로봇 유형 회로에 사용되는 간단한 경량 DC 모터 및 스테퍼 모터 만 살펴보겠습니다 .

DC 모터의 기본

DC 모터 또는 직류 모터는 연속적인 움직임을 생성하는 데 가장 일반적으로 사용되는 액추에이터이며 회전 속도를 쉽게 제어할 수 있어 속도 제어, 서보 유형 제어 및 응용 분야에 사용하기에 이상적입니다. /또는 위치 지정이 필요합니다. DC 모터는 고정 부분인 "고정자"와 회전 부분인 "로터"의 두 부분으로 구성됩니다. 결과적으로 기본적으로 세 가지 유형의 DC 모터를 사용할 수 있습니다.

• 브러시 모터 – 이 유형의 모터는 정류자와 카본 브러시 어셈블리를 통해 전류를 전달하여 권선형 회전자(회전하는 부품)에 자기장을 생성하므로 "브러시형"이라는 용어가 사용됩니다. 고정자(고정 부분) 자기장은 감긴 고정자 계자 권선이나 영구 자석을 사용하여 생성됩니다. 일반적으로 브러시드 DC 모터는 저렴하고 작으며 쉽게 제어할 수 있습니다.
• 브러시리스 모터 – 이 유형의 모터는 부착된 영구 자석을 사용하여 회전자에 자기장을 생성하고 전자적으로 정류가 이루어집니다. 일반적으로 고정자에 "홀 효과" 스위치를 사용하여 필요한 고정자 필드 회전 시퀀스를 생성하기 때문에 기존 브러시형 DC 모터보다 작지만 더 비쌉니다. 그러나 토크/속도 특성이 더 좋고 효율적이며 작동 수명이 더 깁니다. 동등한 솔질된 유형 보다는.
• 서보 모터 - 이 유형의 모터는 기본적으로 로터 샤프트에 연결된 위치 피드백 제어 형태를 갖춘 브러시형 DC 모터입니다. PWM 방식의 컨트롤러와 연결되어 제어되며 위치 제어 시스템 및 무선 제어 모델에 주로 사용됩니다.

일반 DC 모터는 회전 속도가 적용된 DC 전압에 의해 결정되고 출력 토크가 모터 권선을 통해 흐르는 전류에 의해 결정되는 거의 선형 특성을 갖습니다. DC 모터의 회전 속도는 분당 수 회전(rpm)에서 분당 수천 회전까지 다양하므로 전자, 자동차 또는 로봇 응용 분야에 적합합니다. 이를 기어박스나 기어트레인에 연결하면 출력 속도를 낮추는 동시에 고속에서 모터의 토크 출력을 높일 수 있습니다.

"브러시드" DC 모터

기존의 브러시형 DC 모터는 기본적으로 고정자라고 불리는 모터의 고정 본체와 회전자 또는 DC 기계의 "전기자"라고 불리는 움직임을 생성하는 회전하는 내부 부분의 두 부분 으로 구성 됩니다 .

모터 권선 고정자는 AC 기계와는 달리 필요한 북극, 남극, 북극 등을 생성하기 위해 원형 구성으로 함께 연결된 전기 코일로 구성된 전자석 회로입니다. 회전을 위한 고정 자기장 시스템입니다. 고정자 필드는 적용된 주파수에 따라 지속적으로 회전합니다. 이러한 계자 코일 내에 흐르는 전류를 모터 계자 전류라고 합니다.

고정자 필드를 형성하는 이러한 전자기 코일은 모터 전기자와 직렬, 병렬 또는 둘 다로(복합적으로) 전기적으로 연결될 수 있습니다. 직렬 권선 DC 모터에는 고정자 계자 권선이 전기자와 직렬로 연결되어 있습니다 . 마찬가지로, 션트 권선 DC 모터에는 그림과 같이 고정자 계자 권선이 전기자와 병렬로 연결되어 있습니다 .

직렬 및 션트 연결형 DC 모터

 

DC 기계의 회전자 또는 전기자는 한쪽 끝이 정류자라고 불리는 전기적으로 절연된 구리 세그먼트에 함께 연결된 전류 전달 도체로 구성 됩니다 . 정류자를 사용하면 전기자가 회전할 때 카본 브러시(따라서 "브러시드" 모터라는 이름)를 통해 외부 전원 공급 장치에 전기 연결이 이루어질 수 있습니다.

회전자에 의해 설정된 자기장은 정지 고정자 자기장과 정렬되어 회전자가 축을 중심으로 회전하게 되지만 정류 지연으로 인해 정렬될 수 없습니다. 모터의 회전 속도는 회전자 자기장의 강도에 따라 달라지며, 모터에 더 많은 전압이 가해질수록 회전자는 더 빠르게 회전합니다. 이 인가된 DC 전압을 변경함으로써 모터의 회전 속도도 변경할 수 있습니다.

기존(브러시형) DC 모터

 

영구 자석(PMDC) 브러시 DC 모터는 계자 권선이 없기 때문에 일반적으로 동급 권선형 고정자 유형 DC 모터보다 훨씬 작고 저렴합니다. 영구 자석 DC(PMDC) 모터에서 이러한 필드 코일은 매우 높은 자기 에너지장을 갖는 강력한 희토류(예: 사마륨 코볼트 또는 네오디뮴 철 붕소) 유형 자석으로 대체됩니다.

 

영구 자석을 사용하면 영구 자기장과 때로는 매우 강한 자기장으로 인해 DC 모터가 동등한 권선 모터보다 훨씬 더 나은 선형 속도/토크 특성을 제공하므로 모델, 로봇 공학 및 서보에 사용하기에 더 적합합니다.

DC 브러시드 모터는 매우 효율적이고 가격이 저렴하지만 정류자와 카본 브러시의 두면 사이의 고부하 조건에서 스파크가 발생하여 자체 발열이 발생하고 수명이 짧으며 스파크로 인한 전기적 소음이 발생한다는 문제가 있습니다. 이는 MOSFET이나 트랜지스터와 같은 반도체 스위칭 장치를 손상시킬 수 있습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 브러시리스 DC 모터가 개발되었습니다.

"브러시리스" DC 모터

BDCM(브러시리스 DC 모터)은 영구 자석 DC 모터와 매우 유사하지만 정류자 스파크로 인해 교체하거나 마모되는 브러시가 없습니다. 따라서 회전자에서 열이 거의 발생하지 않아 모터 수명이 늘어납니다. 브러시리스 모터의 설계는 회전자 자기장이 항상 고정자 자기장과 동기화되는 영구 자석이기 때문에 더 복잡한 구동 회로를 사용함으로써 브러시가 필요하지 않도록 하여 보다 정확한 속도와 토크 제어를 가능하게 합니다.

그러면 브러시리스 DC 모터의 구성은 AC 모터와 매우 유사하여 진정한 동기식 모터가 되지만 한 가지 단점은 동등한 "브러시형" 모터 설계보다 가격이 더 비싸다는 것입니다.

브러시리스 DC 모터의 제어는 일반 브러시 DC 모터와 매우 다릅니다. 이러한 유형의 모터에는 반도체 스위칭을 제어하는 ​​데 필요한 피드백 신호를 생성하는 데 필요한 회전자의 각도 위치(또는 자극)를 감지하는 몇 가지 수단이 통합되어 있습니다. 장치. 가장 일반적인 위치/극 센서는 "홀 효과 센서"이지만 일부 모터는 광학 센서도 사용합니다.

홀 효과 센서를 사용하면 전자석의 극성이 모터 제어 구동 회로에 의해 전환됩니다. 그런 다음 모터를 디지털 시계 신호에 쉽게 동기화하여 정밀한 속도 제어를 제공할 수 있습니다. 브러시리스 DC 모터는 외부 영구 자석 회전자와 내부 전자석 고정자를 갖거나 내부 영구 자석 회전자와 외부 전자석 고정자를 갖도록 구성될 수 있습니다.

"브러시형" 모터에 비해 브러시리스 DC 모터 의 장점 은 더 높은 효율성, 높은 신뢰성, 낮은 전기 소음, 우수한 속도 제어이며, 더 중요한 것은 훨씬 더 빠른 속도를 생성하는 마모되는 브러시나 정류자가 없다는 것입니다. 그러나 단점은 가격이 더 비싸고 제어하기가 더 복잡하다는 것입니다.

DC 서보 모터

DC 서보 모터는 출력 모터 샤프트의 위치가 모터 제어 회로로 피드백되는 폐쇄 루프 유형 애플리케이션에 사용됩니다. 일반적인 위치 "피드백" 장치에는 비행기, 보트 등과 같은 무선 제어 모델에 사용되는 리졸버, 인코더 및 전위차계가 포함됩니다.

서보 모터에는 일반적으로 속도 감소를 위한 기어박스가 내장되어 있으며 높은 토크를 직접 전달할 수 있습니다. 서보 모터의 출력축은 기어박스와 피드백 장치가 부착되어 있어 DC 모터의 축처럼 자유롭게 회전하지 않습니다.

DC 서보 모터 블록 선도

 

서보 모터는 DC 모터, 감속 기어박스, 위치 피드백 장치 및 일부 형태의 오류 수정으로 구성됩니다. 속도 또는 위치는 장치에 적용되는 위치 입력 신호 또는 기준 신호와 관련하여 제어됩니다.

RC 서보 모터

오류 감지 증폭기는 이 입력 신호를 보고 이를 모터 출력 샤프트의 피드백 신호와 비교하여 모터 출력 샤프트가 오류 상태에 있는지 확인하고, 그렇다면 컨트롤러는 모터 속도를 높이거나 속도를 늦추는 등 적절한 수정을 수행합니다. 내려. 위치 피드백 장치에 대한 이러한 응답은 서보 모터가 "폐쇄 루프 시스템" 내에서 작동한다는 것을 의미합니다.

대규모 산업 응용 분야뿐만 아니라 서보 모터는 소형 원격 제어 모델 및 로봇 공학에도 사용됩니다. 대부분의 서보 모터는 양방향으로 최대 약 180도 회전할 수 있어 정확한 각도 위치 지정에 이상적입니다. 그러나 이러한 RC형 서보는 특별히 개조하지 않는 한 기존 DC 모터처럼 지속적으로 고속으로 회전할 수 없습니다.

서보 모터는 위치, 방향 또는 속도를 제어하기 위한 모터, 기어박스, 피드백 장치 및 오류 수정 등 여러 장치가 하나의 패키지에 포함되어 있습니다. 전원 , 접지 및 신호 제어의 세 가지 와이어만 사용하여 쉽게 제어할 수 있으므로 로봇 공학 및 소형 모델에 널리 사용 됩니다 .

DC 모터 스위칭 및 제어

소형 DC 모터는 스위치, 계전기, 트랜지스터 또는 MOSFET 회로를 통해 "켜기" 또는 "끄기"로 전환할 수 있으며, 모터 제어의 가장 간단한 형태는 "선형" 제어입니다. 이 유형의 회로는 단일 전원 공급 장치에서 모터를 제어하기 위해 바이폴라 트랜지스터를 스위치(더 높은 정격 전류가 필요한 경우 달링턴 트랜지스터도 사용할 수 있음)로 사용합니다.

트랜지스터에 흐르는 기본 전류의 양을 변경하여 모터의 속도를 제어할 수 있습니다. 예를 들어 트랜지스터가 "절반"으로 켜지면 공급 전압의 절반만 모터에 전달됩니다. 트랜지스터가 "완전히 ON"(포화)되면 모든 공급 전압이 모터로 전달되어 더 빠르게 회전합니다. 그러면 이 선형 유형 제어의 경우 아래와 같이 모터에 전력이 지속적으로 전달됩니다.

모터 속도 제어

 

위의 간단한 스위칭 회로는 단방향 (한 방향만) 모터 속도 제어 회로 의 회로를 보여줍니다 . DC 모터의 회전 속도는 단자의 전압에 비례하므로 트랜지스터를 사용하여 이 단자 전압을 조절할 수 있습니다.

두 개의 트랜지스터는 모터의 주 전기자 전류를 제어하기 위해 달링턴 쌍으로 연결됩니다. 5kΩ 전위차계 는 첫 번째 파일럿 트랜지스터 TR 1 에 대한 기본 구동량을 제어하는 ​​데 사용되며 , 이는 차례로 메인 스위칭 트랜지스터 TR 2를 제어 하여 모터의 DC 전압이 0에서 Vcc로 변경되도록 합니다(이 예에서는 9에서 12까지). 볼트.

옵션인 플라이휠 다이오드는 모터가 회전할 때 생성되는 역기전력으로부터 보호하기 위해 스위칭 트랜지스터, TR 2 및 모터 단자에 연결됩니다. 조정 가능한 전위차계는 모터를 각각 "완전 ON"(포화) 또는 "완전 OFF"(차단)로 전환하기 위해 회로 입력에 직접 적용되는 연속 논리 "1" 또는 논리 "0" 신호로 대체될 수 있습니다. 마이크로 컨트롤러 또는 PIC의 포트에서.

이러한 기본 속도 제어 외에도 동일한 회로를 사용하여 모터 회전 속도를 제어할 수도 있습니다. 충분히 높은 주파수에서 모터 전류 "ON"과 "OFF"를 반복적으로 전환하면 마크 공간 비율을 변경하여 모터 속도를 정지 상태(0rpm)와 최고 속도(100%) 사이에서 변경할 수 있습니다. 공급. 이는 "ON" 시간(t ON )과 "OFF" 시간(t OFF ) 의 비율을 변경하여 달성할 수 있으며 이는 펄스 폭 변조 라고 알려진 프로세스를 사용하여 달성할 수 있습니다 .

펄스 폭 DC 모터 속도 제어

이전에 DC 모터의 회전 속도는 단자의 평균(평균) 전압 값에 정비례하며, 이 값이 높을수록 최대 허용 모터 전압까지 모터가 더 빠르게 회전한다고 말했습니다. 즉, 전압이 많을수록 속도가 빨라집니다. "ON"(t ON ) 시간과 "OFF"(t OFF ) 시간 기간 사이의 비율( "듀티 비율", "마크/공간 비율" 또는 "듀티 사이클"이라고 함)을 변경함으로써 평균 값은 모터 전압에 따라 회전 속도가 달라질 수 있습니다. 단순한 유니폴라 드라이브의 경우 듀티 비 β는 다음과 같이 지정됩니다.

 

모터에 공급되는 평균 DC 출력 전압은 다음과 같이 지정됩니다. Vmean = β x Vsupply . 그런 다음 펄스 a 의 폭을 변경하여 모터 전압과 모터에 적용되는 전력을 제어할 수 있으며 이러한 유형의 제어를 펄스 폭 변조 또는 PWM 이라고 합니다 .

모터의 회전 속도를 제어하는 ​​또 다른 방법은 "ON" 및 "OFF" 듀티 비율 시간을 일정하게 유지하면서 주파수(따라서 제어 전압의 기간)를 변경하는 것입니다. 이러한 유형의 제어를 펄스 주파수 변조 ( PFM) 라고 합니다 .

펄스 주파수 변조를 사용하면 가변 주파수의 펄스를 적용하여 모터 전압을 제어합니다. 예를 들어 낮은 주파수 또는 매우 적은 펄스로 모터에 적용되는 평균 전압이 낮으므로 모터 속도가 느립니다. 주파수가 높거나 펄스가 많은 경우 평균 모터 단자 전압이 증가하고 모터 속도도 증가합니다.

그런 다음 트랜지스터를 사용하여 "선형"(모터 전압 변경), "펄스 폭 변조"(펄스 폭 변경) 또는 "펄스 주파수" 작동 모드로 DC 모터에 적용되는 전력량을 제어할 수 있습니다. 변조”(펄스의 주파수 변화).

DC 모터의 방향 반전

단일 트랜지스터로 DC 모터의 속도를 제어하는 ​​데는 많은 장점이 있지만 한 가지 주요 단점도 있습니다. 즉, 회전 방향이 항상 동일하다는 점, 즉 "단방향" 회로입니다. 많은 응용 분야에서 모터를 앞뒤 양방향으로 작동해야 합니다.

DC 모터의 방향을 제어하려면 모터 연결부에 적용되는 DC 전원의 극성을 바꾸어 샤프트가 반대 방향으로 회전할 수 있도록 해야 합니다. DC 모터의 회전 방향을 제어하는 ​​매우 간단하고 저렴한 방법 중 하나는 다음과 같은 방식으로 배열된 다양한 스위치를 사용하는 것입니다.

DC 모터 방향 제어

 

첫 번째 회로는 DPDT(쌍극 쌍투) 스위치를 사용하여 모터 연결의 극성을 제어합니다. 접점을 전환하면 모터 단자에 대한 공급이 반전되고 모터의 방향도 반전됩니다. 두 번째 회로는 약간 더 복잡하며 "H" 구성으로 배열된 4개의 단극 단투(SPST) 스위치를 사용합니다.

기계식 스위치는 스위칭 쌍으로 배열되어 있으며 DC 모터를 작동하거나 정지하려면 특정 조합으로 작동해야 합니다. 예를 들어, 스위치 조합 A + D 는 정회전을 제어하고 스위치 B + C 는 그림과 같이 역회전을 제어합니다. 스위치 조합 A + B 또는 C + D 는 모터 단자를 단락시켜 모터를 빠르게 제동시킵니다. 그러나 이러한 방식으로 스위치를 사용하면 스위치 A + C 또는 B + D를 함께 작동하면 전원 공급 장치가 단락될 위험이 있습니다.

위의 두 회로는 대부분의 소형 DC 모터 애플리케이션에 매우 잘 작동하지만 모터의 방향을 바꾸기 위해 기계식 스위치의 다양한 조합을 작동하고 싶습니까? 우리는 전기 기계 릴레이 세트에 대한 수동 스위치를 변경할 수 있으며 단일 정방향-역방향 버튼 또는 스위치를 갖거나 솔리드 스테이트 CMOS 4066B 쿼드 양방향 스위치를 사용할 수도 있습니다.

그러나 모터의 양방향 제어(및 모터 속도)를 달성하는 또 다른 매우 좋은 방법은 아래와 같이 모터를 트랜지스터 H 브리지 유형 회로 배열에 연결하는 것입니다.

기본 양방향 H-브리지 DC 모터 회로

 

위의 H- 브리지 회로는 전기 기계 릴레이 또는 트랜지스터 등 4개의 스위치의 기본 구성이 모터가 중앙 막대에 위치한 문자 "H"와 유사하기 때문에 이러한 이름이 붙여졌습니다. 트랜지스터 또는 MOSFET H-브리지는 아마도 가장 일반적으로 사용되는 양방향 DC 모터 제어 회로 유형 중 하나일 것입니다. 각 분기에서 NPN 과 PNP 모두 "상보형 트랜지스터 쌍"을 사용하며 트랜지스터는 쌍으로 함께 전환되어 모터를 제어합니다.

제어 입력 A 는 모터를 한 방향(즉, 정회전)으로 작동시키고, 입력 B는 모터를 다른 방향(즉, 역회전)으로 작동시킵니다. 그런 다음 "대각선 쌍"의 트랜지스터를 "ON" 또는 "OFF"로 전환하면 모터의 방향이 제어됩니다.

예를 들어, 트랜지스터 TR1 이 "ON"이고 트랜지스터 TR2 가 "OFF" 일 때 A 점은 공급전압(+Vcc)에 연결되고, 트랜지스터 TR3 이 "OFF"이고 트랜지스터 TR4 가 "ON"이면 B 점은 에 연결된다. 0V(GND). 그러면 모터는 모터 단자 A가 양극이고 모터 단자 B 가 음극인 한 방향으로 회전합니다.

TR1 이 "OFF", TR2 가 "ON", TR3 이 "ON", TR4 가 "OFF" 가 되도록 스위칭 상태가 반전되면 이제 모터 전류가 반대 방향으로 흘러 모터가 반대 방향으로 회전하게 됩니다. 방향.

그런 다음 입력 A 와 B 에 반대 논리 레벨 "1" 또는 "0"을 적용하여 모터 회전 방향을 다음과 같이 제어할 수 있습니다.

DC 모터 H-브리지 진리표

입력 A	입력 B	모터 기능
TR1 및 TR4	TR2 및 TR3
0	0	모터 정지(OFF)
1	0	모터가 앞으로 회전합니다.
0	1	모터가 역회전함
1	1	허용되지 않음

다른 입력 조합은 허용되지 않는 것이 중요합니다. 이로 인해 전원 공급 장치가 단락될 수 있습니다. 즉, 두 트랜지스터 TR1 및 TR2가 동시에 "ON"으로 전환됩니다(퓨즈 = 쾅!).

위에서 본 단방향 DC 모터 제어와 마찬가지로 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 모터의 회전 속도를 제어할 수도 있습니다. 그런 다음 H-브리지 스위칭과 PWM 제어를 결합하여 모터의 방향과 속도를 모두 정확하게 제어할 수 있습니다.

SN754410 쿼드 하프 H-브리지 IC 또는 2개의 H-브리지가 있는 L298N과 같은 상용 디코더 IC는 필요한 모든 제어 및 안전 로직이 내장되어 있으며 H-브리지 양방향 모터 제어 회로용으로 특별히 설계되었습니다. .

스테퍼 모터로서의 DC 모터

위의 DC 모터와 마찬가지로 스테퍼 모터 도 펄스 디지털 입력 신호를 개별(증분) 기계적 움직임으로 변환하는 전자 기계 액추에이터로서 산업 제어 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 스테퍼 모터는 정류자와 카본 브러시가 포함된 전기자가 없지만 여러 개로 구성된 회전자가 있고 일부 유형에는 수백 개의 영구 자석 톱니와 개별 권선이 있는 고정자가 있다는 점에서 동기식 브러시리스 모터 유형입니다.

스테퍼 모터

이름에서 알 수 있듯이 스테퍼 모터는 기존 DC 모터처럼 연속적인 방식으로 회전하지 않고 개별 "단계" 또는 "증분"으로 이동합니다. 각 회전 운동 또는 단계의 각도는 고정자 극 및 회전자의 수에 따라 달라집니다. 스테퍼 모터의 이빨.

개별 단계 작동으로 인해 스테퍼 모터는 1.8도, 3.6도, 7.5도 등과 같이 한 번에 유한한 회전 비율로 쉽게 회전할 수 있습니다. 예를 들어 스테퍼 모터가 한 번의 전체 회전(360 도) 을 완료한다고 가정합니다. 정확히 100단계로요.

그러면 모터의 스텝 각도는 360도/100스텝 = 스텝당 3.6도입니다. 이 값은 일반적으로 스테퍼 모터의 스텝 각도(Step Angle) 로 알려져 있습니다 .

스테퍼 모터에는 가변 저항 , 영구 자석 , 하이브리드 (둘의 일종의 조합)라는 세 가지 기본 유형이 있습니다 . 스테퍼 모터는 시작, 정지, 반전 및 속도 제어에 대한 빠른 응답과 함께 정확한 위치 지정 및 반복성을 요구하는 응용 분야에 특히 적합합니다. 스테퍼 모터의 또 다른 주요 특징은 필요한 위치가 설정된 후에 부하를 안정적으로 유지하는 능력입니다. 달성.

일반적으로 스테퍼 모터에는 고정자에 장착된 다수의 전자석 "톱니"와 다수의 영구 자석 "톱니"가 있는 내부 회전자가 있습니다. 고정자 전자석은 순차적으로 분극 및 탈분극되어 회전자가 한 번에 한 "단계"씩 회전하게 됩니다.

최신 다극, 다치형 스테퍼 모터는 단계당 0.9도(회전당 400펄스) 미만의 정확도를 제공하며 주로 플로피/하드 디스크 드라이브의 자기 헤드에 사용되는 것과 같은 매우 정확한 위치 지정 시스템에 사용됩니다. 프린터/플로터 또는 로봇 애플리케이션. 가장 일반적으로 사용되는 스테퍼 모터는 회전당 200스텝 스테퍼 모터입니다. 50개 톱니 회전자, 4상 고정자 및 1.8도(360도/(50×4))의 스텝 각도를 갖습니다.

스테퍼 모터 구성 및 제어

 

위의 가변 릴럭턴스 스테퍼 모터의 간단한 예에서 모터는 A , B , C 및 D 로 표시된 4개의 전자기장 코일로 둘러싸인 중앙 회전자로 구성됩니다 . 동일한 문자를 가진 모든 코일은 서로 연결되어 A 라고 표시된 코일에 전원을 공급하면 자기 회전자가 해당 코일 세트와 정렬됩니다.

차례로 각 코일 세트에 전력을 가함으로써 로터는 스텝 각도 구성에 의해 결정된 각도에 따라 한 위치에서 다음 위치로 회전하거나 "스텝"할 수 있으며, 코일에 순차적으로 전원을 공급함으로써 로터는 회전을 생성합니다. 운동.

스테퍼 모터 드라이버는 " ADCB, ADCB, ADCB, A... " 등과 같이 설정된 순서로 필드 코일에 전원을 공급하여 모터의 스텝 각도와 속도를 모두 제어합니다 . 펄스 시퀀스를 " ABCD, ABCD, ABCD, A... " 등으로 바꾸면 로터가 반대 방향(역방향)으로 회전합니다.

따라서 위의 간단한 예에서 스테퍼 모터에는 4개의 코일이 있어 4상 모터가 되며 고정자의 극 수는 45도 간격으로 배치된 8개(2 x 4)입니다. 로터의 톱니 수는 60도 간격으로 6개입니다.

그런 다음 로터가 하나의 전체 회전을 완료하는 데 24개(6개 톱니 x 4개 코일)의 가능한 위치 또는 "단계"가 있습니다. 따라서 위의 스텝 각도는    360o / 24 = 15o 로 지정됩니다 .

분명히 로터 톱니 및/또는 고정자 코일이 많을수록 더 많은 제어력과 더 미세한 스텝 각도를 얻을 수 있습니다. 또한 모터의 전기 코일을 서로 다른 구성으로 연결하여 Full, Half 및 Micro-step 각도가 가능합니다. 그러나 마이크로 스테핑을 달성하려면 스테퍼 모터를 구현 비용이 많이 드는 (준) 정현파 전류로 구동해야 합니다.

코일에 적용된 디지털 펄스(주파수) 사이의 시간 지연을 변경하여 스테퍼 모터의 회전 속도를 제어할 수도 있습니다. 지연 시간이 길수록 완전한 1회전 속도는 느려집니다. 모터에 고정된 수의 펄스를 적용하면 모터 샤프트가 지정된 각도로 회전합니다.

시간 지연 펄스를 사용하면 모터에 제공되는 펄스 수를 계산하여 회전자의 최종 위치를 정확하게 알 수 있으므로 어떤 형태의 추가 피드백도 필요하지 않다는 장점이 있습니다. 설정된 수의 디지털 입력 펄스에 대한 이러한 응답을 통해 스테퍼 모터는 "개방 루프 시스템"에서 작동하여 제어가 더 쉽고 저렴해집니다.

예를 들어, 위의 스테퍼 모터가 단계당 3.6도의 단계 각도를 가지고 있다고 가정해 보겠습니다. 모터를 216도 각도로 회전시킨 다음 필요한 위치에서 다시 정지하려면 총 216도/(3.6도/단계) = 고정자 코일에 80펄스만 적용하면 됩니다.

스텝 속도, 회전 속도 및 모터 방향을 제어할 수 있는 스테퍼 모터 컨트롤러 IC가 많이 있습니다. 그러한 컨트롤러 IC 중 하나는 필요한 모든 카운터와 코드 변환이 내장되어 있고 완전히 제어되는 4개의 브리지 출력을 올바른 순서로 모터에 자동으로 구동할 수 있는 SAA1027입니다.

회전 방향도 1단계 모드 또는 선택한 방향으로 연속(무단계) 회전과 함께 선택할 수 있지만 이는 컨트롤러에 약간의 부담을 줍니다. 8비트 디지털 컨트롤러를 사용하는 경우 단계당 256 마이크로스텝도 가능합니다.

SAA1027 스테퍼 모터 제어 칩

 

회전 액추에이터 에 대한 이 튜토리얼에서는 브러시형 및 브러시 리스 DC 모터 , DC 서보 모터 및 스테퍼 모터를 위치 제어 또는 속도 제어를 위한 출력 장치로 사용할 수 있는 전기 기계 액추에이터로 살펴보았습니다 .

입력/출력 장치에 대한 다음 튜토리얼에서는 액츄에이터(Actuator) 라는 출력 장치 , 특히 전자기를 사용하여 전기 신호를 다시 음파로 변환하는 출력 장치를 계속 살펴보겠습니다 . 다음 튜토리얼에서 살펴볼 출력 장치 유형은 스피커입니다.