스태핑모터 제어원리

[구름치기]

스테핑 모터의 제어

메커트로닉스기술은 모터 제어기술에 근간을 두고 있는데 로봇을 비롯 CNC머신 등 고속, 고정밀, 고정도의 제어를 요구하는 장비들은 전자 제어기술과 기계기술의 첨단기술에 속한다. 특히 고정밀, 고정도의 정밀한 제어를 할 수 있는 것은 고성능의 서보 모터기술, 전력 전자기술 그리고 제어기술이 결합된 모션 제어기술에서 비롯된다고 할 수 있다. 본지에서는 신년호부터 2회까지 모터의 소개와 구동원리 및 서보 모터의 차이점에 대해 소개한데 이어 이번호에서는 스테핑 모터의 제어에 대해 살펴본다. <편집자 주>

윤명균 부장(주)아경산업 자동화연구소수석연구원

스테핑 모터(Stepping Motor)는 Step Motor 혹은 Reluctance Motor 등으로 불리워지고 있으며 산업용으로 뿐만 아니라 아날로그 시계에 이르기까지 광범위하게 사용이 되고 있다.스테핑 모터는 현재 일반적인 위치 제어에 가장 많이 사용하고 있는 모터로서 위치의 정지 정밀도를 요구하는 곳에 알맞은 모터라고 할 수 있다.

스테핑 모터는 최근 반도체장비의 이송에 많이 사용하는데, 이는 앞에서 언급한 서보 모터보다 제어구조가 간단하며 모터가 정 위치에서 정지하고 있을 때 위치정도가 좋은데 이것은 앞에서 언급한 서보 모터의 제어구조상 서보 모터의 제어는 위치 제어에 있어서도 폐루프 제어(Closed Loop Control)구조를 가지고 있기 때문이며, 따라서 서보 모터는 정지시에 항상 정위치를 갖기 위하여 일정한 진동을 하고 이것은 다시 서보 모터의 제어기, 즉 서보 드라이버의 이득값을 어떻게 설정하는가에 따라 주파수 및 폭이 달라진다.

그러나 스테핑 모터의 경우에는 위치 제어구조가 개루프(Open Loop Control)구조를 가지고 있으며 스테핑 모터의 기계적인 스텝각을 기준으로 회전을 하기 때문에 스테핑 모터에 입력되어지는 스텝각을 기준으로 보면 현재의 회전위치를 판별할 수 있도록 되어 제어하기 쉽기 때문에 적용비용이 저렴하고 스테핑 모터가 이송되어 정위치에 이르게 되면 더 이상의 위치 이동을 위한 제어가 이루어지지 않기 때문에 정지시 진동이 발생하지 않아 정확한 이송 및 정지정도를 요구하는 반도체장비 등에서 많이 사용하게 된다.

그러나 서보 모터보다 기동 토크가 낮기 때문에 커다란 기동 토크를 요구하는 장비에서는 사용하기 어렵고 또한 고속으로 회전하게 되면 스테핑 모터의 홀딩 토크가 거의 영(0)으로 되기 때문에 저속의 응용에 적합하다.

스테핑 모터의 분류

스테핑 모터는 전기적으로 크게 2상 스테핑 모터와 5상 스테핑 모터로 분류가 된다. 이것은 스테핑 모터에 공급되는 전력의 위상수를 말하는데 전기적으로 우리가 단상 유도 전동기 혹은 다상(3상) 유도 전동기로 유도 전동기를 분류하는 것과 같다. 따라서 2상 스테핑 모터의 경우 입력 펄스 1펄스에 대하여 1.8도씩 회전하도록 구성되어 1회전당 200스텝의 회전각을 가지고 있으며 5상 스테핑 모터의 경우 0.72도의 스텝각을 가지고 있어 500스텝의 회전각을 가지고 있다.

이것은 전기적으로 고정자 권선에 여자하는 전기각에 의하여 나타내어지는 방식에 따라서 구분하는 것이다. 또한 스테핑 모터의 기계적 구조에 의하여 여자되는 형태가 다소 다르게 분류되어진다. 스테핑 모터의 기계적 구조와 전기적 특성에 의하여 다음과 같이 분류할 수 있다.

●Variable Reluctance Type Stepping Motor

<그림 1>에서 보는 바와 같이 VR형 스테핑 모터의 경우 모터 고정자의 권선이 여러 개의 위상으로 구성되어 있고 내부 회전자의 이(Teeth)의 수가 고정자 권선 위상의 수보다 하나 작은 구조를 가지고 있다. 고정자 권선에 전류를 흘리면 회전자의 위치는 고정자에서 발생한 자속이 가장 최대가 되도록, 즉 자기 저항(Reluctance)가 최소화되는 위치로 이동하게 되며 고정자 권선을 순번대로 돌아가면서 여자하게 되면 회전자는 계속해서 자기 저항이 최소화되도록 움직이게 된다.

<그림 1>에서 4극 VR형 모터를 나타낸 것이다. 이렇게 고정자와 회전자의 자기 저항(Reluctance)을 이용하여 구동하는 방식의 모터를 VR형 모터하고 한다.

VR형 스테핑 모터의 경우에는 회전 스텝각의 분해능은 내부 회전자의 이(teeth)의 수와 고정자 권선의 수에 따라서 결정되어지는데 이것은 분해능을 높이는데 가공의 어려움을 가지고 오기 때문에 쉽게 정밀도를 높일 수 없다.

●Permanent Magnet Type Stepping Motor

<그림 2>에 나타난 것과 같이 영구 자석형 스테핑 모터는 내부 회전자를 영구 자석으로 구성하여 고정자 권선에서 인가되는 전류에 의하여 발생하는 자속과 반응하도록 구성되어진 것으로 <그림 2>에서 흰 부분을 N극, 검은 부분을 S극이라고 하고 고정자의 권선이 두개 위치하고 있다. 이렇게 내부의 회전자가 영구 자석으로 구성된 것을 영구 자석(Permanent Magnet)형 스테핑 모터라고 한다.

영구 자석형 스테핑 모터는 <그림 2>에서 보는 바와 같이 내부의 회전자에 이(teeth)를 가지고 있지 않다. 또한 회전각은 고정자의 여자 권선수와 관계되지 않고 내부 회전자의 영구 자석의 자극수에 따라서 결정되어진다.

이렇게 영구 자석으로 회전자를 구성하면 회전자에 이(teeth)가 없어 회전시 저항을 덜 받게 되면 영구 자석에 의한 자속이 증가하게 되어 토크가 증가하게 된다.그러나 회전자 영구 자석의 수를 많이 증가시킬 수 없기 때문에 일반적으로 스텝의 회전각이 15도 혹은 7.5도로 비교적 스텝각이 큰 경우에 적용하여 사용한다.

●Hybrid Type Stepping Motor

Hybrid형 스테핑 모터의 경우에는 <그림 1>의 VR형 스테핑 모터와 <그림 2>의 PM형 스테핑 모터를 같이 결합하여 놓은 형태를 가지고 있다.

<그림 3>에는 Hybrid형 스테핑 모터의 N극 쪽의 구조를 나타낸 것이다.hybrid형의 스테핑 모터는 현재 산업용으로 가장 많이 사용되고 있는 스테핑 모터로 <그림 3>에서 보는 것과 같이 회전자와 고정자에 이(teeth)가 있고 그림 회전자 또한 자극을 가지고 있다. Variable Reluctance Type의 장점과 Permanent Magnet Type의 장점을 이용하여 구성하였기 때문에 분해각을 높이고 높은 자속의 발생으로 토크 또한 높일 수 있기 때문에 현재 가장 많이 적용하고 있다.

Hybrid형 스테핑 모터는 회전 스텝각을 1.8도 혹은 0.72도를 가지도록 할 수 있다. 이렇게 기계적으로 미세한 스텝각을 가지도록 할 수 있으며 이것은 200step/rev 혹은 500step/rev으로 정밀 제어용 스테핑 모터로 적용하여 많이 사용하고 있다.

스테핑 모터의 회전원리

스테핑 모터의 회전은 스테핑 모터구조의 설명에서 잠시 언급한 바와 같이 회전자의 자극과 고정자의 자극이 일치하는 방향 혹은 자기 저항이 최소화되는 방향으로 회전자가 움직이게 되어 회전운동을 하게 된다. <그림 4>는 스테핑 모터의 내부구조를 기능적으로 표현한 것이다.Phase B에 전류를 흐르게 하면 <그림 4>에서와 같이 모터 고정자에 NS자극이 형성된다. 이렇게 되면 이때 위치하고 있는 회전자의 NS자극이 고정자측과 일치하도록 회전하게 된다.

이때 Phase A에는 전류가 흐르지 않도록 하여야 한다. 그리고 이때 Phase B의 전류를 제거하고 Phase A에 전류를 인가하면 회전자의 N극이 시계방향으로 회전하여 Phase A의 S극과 일치하도록 된다.

이렇게 되면 회전자가 시계방향으로 Phase A, B의 전류의 인가에 따라 회전하게 된다. 이때 스텝각은 90도씩 회전하게 되고 일정한 주파수의 전압을 Phase A와 Phase B에 90도 위상각을 갖는 전압을 인가하면 일정한 속도로 회전자는 회전하게 된다.스테핑 모터의 발생토크는 회전속도와 고정자의 상 권선에 인가되는 전류의 크기, 그리고 공급하는 전류의 방법에 따라서 달라지게 된다. 또한 스테핑 모터의 회전 스텝각은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

A°step : Step AngleNph : 회전자 극수Ph : 고정자 위상수

스테핑 모터는 일반적으로 구형파의 전압으로 각 위상에 전력을 공급하는데, 이때 회전자의 위치는 스텝각만큼 한번에 이송을 하게 된다. 따라서 서보 모터와는 달리 회전자의 회전시 진동이 발생하게 되는데, 이러한 진동의 크기는 전류 공급의 형태와 모터에 공급하는 전압의 위상에 따라서 다르게 나타나지만 일반 적으로 단일 스텝을 이송할 때 <그림 5>와 같이 정지 진동이 발생한다.

<그림 5> 단일 스텝 이송시 스텝 진동

<그림 5>에서와 같이 시간 t동안의 스텝각(θ)를 이송할 경우 시간 지연 T동안 진동이 발생한다. 이것은 스텝 모터의 기계적으로 가지고 있는 진동 주파수와 전기적으로 인가되는 전력의 특성에 따라서 차이가 많이 발생한다. 이러한 진동의 크기는 스테핑 모터의 회전 토크에 영향을 많이 주게 된다. 또한 저속의 일정한 회전속도에서 이러한 진동의 주파수와 공진을 이루게 되면 스테핑 모터는 더 이상 회전을 할 수가 없고 회전력을 잃어버리게 된다. 그러므로 저속의 이러한 공진 대역을 가능한 빨리 벗어날 수 있도록 제어를 하여야 한다.

스테핑 모터의 회전자계와 구동방법

스테핑 모터는 고정자 권선의 구조에 따라서 구동방법이 다르게 되며 상 여자방법에 따라서 구분되어진다.

<그림 6> 고정자 권선방법에 따른 여자방법 

<그림 6>은 권선방법에 따라 구분되어지는 구조와 원리를 나타낸 것이다. <그림 6>의 (a)에서 여자 전압 VM을 인가하고 각 위상을 전기적 접지에 순차적으로 연결하면 고정자 권선에 흐르는 전류의 방향이 바뀌게 되어 자속의 방향이 바뀌어지도록 된다.

그러나 <그림 6>의 (b)에서 고정자 권선에 흐르는 전류의 방향을 바꾸기 위하여 전기적으로 전류의 방향을 바꾸어 주는 역할을 하는 인버터가 필요하게 된다.

<그림 6>에서 두개의 그림을 비교하여 보면 실제 고정자 권선에 의하여 발생되는 자계의 방향은 회전자부분에 표시된 화살표와 같이 동리하다. 그러나 같은 크기의 자속을 발생시키기 위하여 (a)의 Uni-Polar방식이 (b)의 Bi-Polar방식보다 2배의 권선을 하여야 한다.

그러나 스테핑 모터를 구동하기 위한 전력 인버터는 Bi-Polar방식이 Uni-Polar방식에 비하여 2배로 많은 전력소자를 필요로 하고 복잡하여 진다.<그림 6>의 (a)를 참조하여 스테핑 모터의 구동방식을 살펴보면 <표 1>과 같다.

<표 1> 구동방식에 따른 특성 비교

	1상 여자방식	2상 여자방식	1~2상 여자방식
특징	항상 1개의 위상에만 전류가 흐른다.	항상 2개의 위상에 전류가 흐른다.	1개, 2개의 위상에 전류가 교차되어 흐른다.
통전방법	A → B → a/ → b/	AB → Ba/ → a/b/ → b/A	A → AB → B → Ba/ → a/ → a/b/ → b/ → b/A
토크	작다.	크다.	변동이 있다.
스텝각	Full Step : 90°	Full Step : 90°	Half Step : 45°

 

스테핑 모터에 있어서 <표 1>에 나타낸 여자 방식은 매우 중요한 의미를 가지고 있다. 현재 산업용으로 판매되고 있는 스테핑 모터 드라이버의 경우에 2상 여자방식과 1~2상 여자방식을 선택하여 사용할 수 있도록 하고 있다.

대부분의 스테핑 모터 드라이버에는 선택스위치를 가지고 있다. 이것은 현재 산업용으로 사용되는 대부분의 스테핑 모터 및 드라이버의 형태가 Uni-Polar형 스테핑 모터를 채용하고 있으며, 이에 따라 제어형태 또한 결정되어 있다.

<그림 6>의 (a)에서 각각의 위상에 전류를 <표 1>의 통전방법으로 전류를 인가하여 줄 경우 고정자의 회전자계는 1상 여자, 2상 여자방식의 경우에는 90°씩, 1~2상 여자방식의 경우에는 45°씩 스텝각으로 회전하게 되며 이렇게 회전하는 회전자계에 회전자가 추종하도록 된다.여자방식에 따라 고정자상 전류에 의한 회전자계의 회전 스텝각을 조절할 수 있음을 알 수 있는데, 여기서 고정자 권선에 인가하는 전류의 형태를 벡터를 이용하여 회전시키게 되면 스텝각을 미세하게 조절할 수 있는 방법을 생각할 수 있다.

최근에 상용화되어 널리 사용하게 되는 마이크로 스텝 제어(Micro Step Control)방법을 생각하여 볼 수 있다.<그림 6>에서 고정자 철심의 자극의 변화를 사인파형태로 변화시키면, 즉 Phase A에는 Sin(θ)의 값으로 Phase B에는 Cos(θ)의 값으로 상 전류를 공급하게 되면 <그림 7>과 같이 스텝각을 미세하게 제어할 수 있게 된다.

적  <그림 7> 단일 스텝 전류 벡터 궤

<그림 7>에서 1번부터 10번까지의 벡터의 궤적은 스테핑 모터의 Phase A와 Phase B의 전류 벡터를 합성한 궤적을 나타낸 것이다. 여기서 벡터의 이동은 단일 스텝각을 이송할 경우의 궤적을 나타낸 것이며, 스텝 모터 1회전당 벡터의 궤적은 <그림 7>의 단일 스텝 전류 벡터 궤적이 스텝 모터 1회전의 스텝수만큼 반복하여 나타나는 것이다. <그림 7>의 벡터값을 표로 나타내면 <표 2>와 같이 나타나진다. <표 2>에서 보는 바와 같이 Phase A의 전류값은 Sin함수를 따라 변하게 되고 Phase B의 전류값은 Cos함수를 따라 변하게 된다.<그림 7>과 <표 2>의 값을 참조하여 상 여자를 비교하여 보면 다음과 같다.

<표 2> 단일 스텝 전류 벡터의 비율

합성벡터 번호	Phase A의 전류	Phase B의 전류
1	100%	0%
2	100%	20%
3	91%	40%
4	83%	55.5%
5	71.4%	71.4%
6	55.5%	83%
7	40%	91%
8	20%	100%
9	0%	100%
10	100%	100%

 

1-2상 여자방식 : Vector Rotation                  [ 1 - 5 - 9 - 1 - 5 - 9 … ]2상 여자방식 : Vector Rotation

                 [ 5 - 10 - 5 - 10 … ]확장 1-2상 여자방식 : Vector Rotation                  [ 1 - 3 - 5 - 7 - 9 - 1 … ]Micro 여자방식 : Vector Rotation  [ 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 1 … ]위에서 나타낸 것 같이 벡터의 변화를 미세하게 가져가면 스텝 모터의 스텝 이송각을 아주 미세하게 줄일 수 있으며 이러한 구동방법을 마이크로 스테핑(Micro Stepping)이라고 한다.이와 같이 구동되는 스테핑 모터의 구동전류 파형을 보면 <그림 8>과 같다.<그림 8>에서 Phase A와 Phase B의 상 전류를 표시한 것인데 각각 90° 위상차이가 나타남을 알 수 있다. Micro Stepping Motor Driver는 각 상의 전류를 제어하기 위하여 각각 상별로 전류 제어기를 기지고 있어야 한다.

 (a)2상 여자방식                                (b)Micro상 여자방식 <그림 8> 여자방식과 상 전류 파형

스테핑 모터의 운전영역

스테핑 모터는 앞에서도 설명한 것과 같이 스텝구간 이동시 일정한 진동을 발생하게 되는데, 이러한 진동은 모터의 회전에 있어서 아주 나쁜 결과를 가져오게 되는데 이러한 결과는 특정한 주파수의 스텝 펄스 입력에서는 동작을 할 수 없다는 것이다.

이러한 주파수를 공진 주파수 대역이라 하며 이 영역에서는 모터의 토크가 영(0)으로 떨어지게 되어 결국 모터를 운전할 수 없게 된다. 이러한 공진 주파수 대역은 모터와 공급되는 상 전류의 크기 그리고 상 제어방법에 따라 다르게 나타나는데 이러한 방법으로 가능한 공진 주파수 대역을 회피하여야 한다.

<그림9> 스테핑 모터의 공진

<그림 9>에 상 권선방법에 따른 공진 주파수 대역의 변화를 나타내었다. 실제 산업에서 적용하고자 할 경우 모터 단일 운전으로 이러한 공진 대역을 알아내기는 어렵다. 그리고 기구의 조립이 끝나고 기계적인 진동 주파수와 스테핑 모터의 공진 주파수를 결합하여 스테핑 모터 드라이버와 모션 제어기 파라미터를 조절하여 공진 주파수 대역이 최소화되고 동작 주파수 영역에 공진 주파수 대역이 포함되지 않도록 조정하여야 한다.

<그림 9>는 스테핑 모터의 운전 주파수가 모터의 공진 주파수와의 토크관계를 나타낸 것이다.이러한 공진을 회피하기 위한 방법으로 첫째, 공급 전류를 바꾸어 공진 주파수를 바꾸는 방법과 두번째로 모터 제어에 사용하는 제어 주파수에서 공진대역을 가능한 공진이 발생하지 않도록 짧게 가지고 가는 것이다.

<그림 10> 스테핑 모터의 속도 토크 곡선

그리고 스테핑 모터의 운전에서 가장 중요한 것은 스테핑 모터가 회전할 때 탈조가 발생하지 않도록 운전속도 및 토크를 설정하는 것이다. <그림 10>에 스테핑 모터의 토크와 운전속도와의 관계를 나타낸 것이다.<그림 10>에서 Pull-In 토크는 스테핑 모터가 자유로이 운전을 할 수 있는 영역으로 회전을 시작과 정지를 할 수 있는 영역으로 스텝각의 정위치에서 운전할 수 있는 영역이다. 그러므로 최대 기동 토크는 모터가 무부하로 운전을 시작할 수 있는 최대 운전속도이다. Pull-Out 토크는 스테핑 모터가 회전을 시작하여 탈조되지 않고 운전할 수 있는 최대 운전 토크라고 할 수 있으며, 이 곡선을 넘어서면 스테핑 모터는 더 이상 운전을 하지 못하고 탈조되어 버린다.

스테핑 모터가 탈조되면 스테핑 운전영역이 다시 Pull-In 토크영역이내로 들어올 때까지 회전자는 자유상태가 된다. 그러므로 <그림 10>에서 Slew영역은 회전자가 회전할 때 가감속을 하거나 부하의 변동이 있을 때 운전 가능한 영역을 표시한 것이다.

<그림 10>에서 최대 Holding Torque는 스테핑 모터가 정지하고 있을 때 회전자가 정위치에서 이탈하지 않고 멈추어 있을 수 있는 최대 토크를 말하여 일반적으로 스테핑 모터의 정격 토크를 말한다.

스테핑 모터 드라이버

스테핑 모터 드라이버는 모터의 구조에 따라서 혹은 모터의 상 권선수에 따라서 분류되어 지고 제어하는 방법에 따라서 분류되어진다.

■정전압 제어형 드라이버스테핑 모터에 공급되는 전압을 일정하게 하여 제어하는 방법으로 전원으로부터 특별한 전력 변환없이 상 변환스위치만을 가지고 제어하는 방법으로 소용량의 스테핑 모터 혹은 낮은 주파수의 회전속도를 제어할 경우에 사용한다. 최근에는 거의 사용하지 않는 방법이다.

■정전류 제어형 드라이버스테핑 모터에 공급되는 전류를 일정하게 제어하는 방법으로 전원의 인가 전압을 PWM Chopper를 이용하여 스테핑 모터에 공급함으로 일정한 전류 제어를 하는 것은 말한다. 여기에는 상 변환을 하는 스위칭소자 이외에 정전류를 제어하는 소자를 가지고 있다.

그러나 DC 24~36V의 낮은 전압을 사용하는 스테핑 모터 드라이버는 상 변환소자에서 직접 정전류 제어를 하는 PWM 스위칭 역할까지 한다. 그러나 정전류 제어형 스테핑 모터 드라이버의 경우에는 일정한 전류를 제어하는 전류 제어기를 내장하고 있다. 또한 최근 사용이 늘어나고 있는 Micro 스테핑 드라이버에는 이러한 전류 제어방법을 적용하고 있다.

■Uni-Polar형 드라이버상 변환 스위칭구조가 간단하여 많이 사용하고 있으며 상용화되어 있다. 2(4)상 스테핑 모터 드라이버의 대부분은 현재 Uni-Polar방식을 사용하고 있다. <그림 6>의 (a)에서 보는 것과 같이 스테핑 모터에 중간 TAB이 존재하고 있다.

■Bi-Polar형 드라이버<그림 6>의 (b)와 같이 모터의 권선이 되어 있을 경우 권선의 여자방향을 바꾸기 위하여 상 변환 스위치에 Full-Bridge Inverter를 사용하는 방식으로 대용량의 모터 드라이버가 적용되고 있다. 현재 2(4)상 스테핑 모터에 상용화되어 있는 것은 특수한 용도의 것에서만 적용되고 있다.<그림 11>에 상 변환 스위치의 구성을 나타내었다. 그림에서 권선 코일은 스테핑 모터의 상 권선을 나타내고 있는 것이다.

<그림11>스테핑 모터 드라이버의 상 변환 스위치

<그림 11>의 (a)에서 스위치 S1이 ON되면 스위치 쪱S1이 같이 도통되고 S2가 도통되면 쪱S2가 같이 도통되어야 한다. 이렇게 Bi-Polar형 스테핑 드라이버의 경우에는 상 변환 스위치가 H-Bridge의 형태로 구성되어야 한다. 그러나 <그림 11(b)>의 경우 상 권선이 반대로 구성되어 있기 때문에 상 변환 스위치가 독립적으로 하나씩만 있으면 된다. <그림 11>에서 보는 바와 같이 Bi-Polar 구동방법이 Uni-Polar 구동방법보다 변환 스위치가 많이 필요하게 된다.

<그림 12>에서 상용화하고 있는 스테핑 드라이버의 회로를 간략하게 나타내었다. 일반적으로 상용 교류 입력 전원 110V 혹은 220V의 입력 전압을 가지고 DC로 정류한 다음 Chopper회로를 통하여 스테핑 모터에 공급될 전력의 전류를 제어하게 된다. 그리고 상 변환 스위치의 위상 제어에 의하여 정회전 혹은 역회전하도록 설계하고 있다. 이렇게 되면 AC 전원의 정류 전압이 직접 모터의 상 권선에 인가되도록 된다.

<그림12>스테핑 드라이버의 간략도

따라서 모터 내부의 시정수가 작아지고 토크 특성이 개선되는 효과를 가져온다. 그러나 모터 내부의 동손 및 히스테리시스 손실로 인하여 발열이 많아지게 되는 단점이 있다. 실제 위와 같은 방법으로 스테핑 모터를 운전하게 되면 모터 본체 표면의 온도가 100℃ 이상 증가하기도 한다. 그러므로

단속 운전을 하는 경우에는 장시간 운전을 하여도 문제가 발생하지 않지만 연속 회전을 장시간시킬 경우에는 모터의 냉각에 많은 주의를 기울여야 한다. 장시간 연속 운전을 할 경우 스테핑 모터 내부의 권선이 파손될 수 있다.

스테핑 모터를 이용한 위치 제어

스테핑 모터의 위치 제어를 위하여 <그림 13>과 같이 구성되어야 한다.<그림 13>에서 모션 제어기는 실제 사용자와 인터페이스되어 사용자의 명령에 의하여 혹은 프로그램에 의하여 스테핑 모터를 이용하여 이동하고자 하는 곳으로 이송을 하기 위한 모션의 궤적을 형성하고 속도를 제어하는 것으로 정확한 위치 이송을 위하여 반드시 필요하다.

모션 제어기(ANC-121B)	펄스명령	스테핑 모터드라이버(ASD-235B)	전류제어	스테핑 모터(PH-269)
	→		→

<그림 13> 스테핑 모터 제어를 위한 구성도

스테핑 모터 드라이버는 모터에 전력을 공급하는 장치로서 실제 모터와 연결되어 상위 제어기인 모션 제어기의 명령을 받아 스테핑 모터의 위상각을 제어하고 전류를 제어하여 스테핑 모터를 구동하는 장치이다. 이렇게 제어기와 스테핑 모터 드라이버가 준비되어야 실제적인 시스템을 구성할 수 있다.

<그림 13>에서 모션 제어기는 스테핑 모터 드라이버에 펄스열로서 명령을 주도록 되어 있는데 이것은 스테핑 모터의 스텝각을 1펄스로 제어하도록 스테핑 드라이버에서 제어를 하고 있기 때문이다. 즉 펄스열의 수를 계수하면 전체 이송된 스텝각을 알 수 있고 펄스열의 주파수로서 스테핑 모터의 회전속도를 제어하고 있다.<그림 14>에서 이송거리 S를 이송하는데 속도 V로 이송을 한다. 이때 스테핑 모터가 탈조되지 않도록 하기 위하여 공진 주파수가 속도 오프셋보다 작도록 오프셋속도를 설정하고 S자 가감속형태를 취하여 T1시간 동안 가속을 하고 다시 T2시간 동안 정속 운전을 하여 T3시간 동안 감속을 하여 정지하는 속도 궤적 곡선을 나타내었다.

 <그림 14> 스테핑 모터의 이송 궤적

속도 오프셋을 설정하는 것은 공진 주파수를 고려하여 스테핑 모터가 탈조되지 않도록 이송하기 위하여 설정하는 값으로 Pull-In 토크를 고려하여 설정하여야 한다. 또한 가속시간 T1과 감속시간 T2를 설정하는 것은 최고 이송속도 V의 값에 따라서 스테핑 모터의 회전이 Slew영역내에 존재하도록 하기 위해서 설정하는 것으로 설정값이 매우 중요하게 된다. 가속시간이 너무 길게 되면 정속 운전시간이 짧아지는데 이러한 운전의 경우 이송속도가 느리게 된다.

이송거리 S는 <그림 14>에서와 같이 음영으로 나타난 영역이 되며 일반적으로 가감속시간을 동일하게 설정한다.모션 제어기에 대하여 자세한 내용은 다음에 다루기로 하고 스테핑 모터의 운전에서 가장 중요한 사항은 스테핑 모터의 기동시 공진 주파수에 의한 탈조현상이 생기지 않도록 설정하는 것이 매우 중요하며 이것은 이송 초기 속도와 스테핑 모터에 인가되는 전류의 값을 조절하여 변경할 수 있다.

그리고 최고 운전속도의 설정 및 가감속조건은 스테핑 모터의 운전영역이 Slew영역을 벗어나 Pull-Out 토크를 넘지 않도록 설정하는 것이 중요하다고 하겠다.

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