전동 개발을 하려면 모터와 컨트롤러에 대한 어느 정도의 지식이 필요합니다. 이 문서에서는 극 수가 많은 브러시리스 DC 모터 유형의 스테퍼 모터에 대해 중점적으로 설명합니다. 이 기술은 일반적으로 피드백 센서 없이 개방 루프로 구동됩니다. 즉, 일반적으로 회전자 위치를 알지 못해도 전류가 위상에 적용됩니다. 회전자가 고정자 자속과 정렬되도록 이동하고 나서 전류가 다음 위상에 공급될 수 있습니다.

코일에 전류를 공급하는 두 가지 방법인 양극 방식과 단극 방식을 살펴볼 것입니다. 이 문서에서는 양극 모터와 단극 모터의 차이점과 구동 방법에 대해 설명합니다. 두 기술의 장점과 한계점을 보여 드리겠습니다.

4단계 영구 자석 스테퍼 모터의 예를 들어보겠습니다(그림 1 참조). 회전자는 1극 쌍 자석으로 만들어지며 고정자는 위상 A와 위상 B라는 두 개의 위상으로 구성됩니다.

4단계 영구 자석 스테퍼 모터의 예를 들어보겠습니다(그림 1 참조). 회전자는 1극 쌍 자석으로 만들어지며 고정자는 위상 A와 위상 B라는 두 개의 위상으로 구성됩니다.

  • 단극: 전류는 항상 같은 방향으로 흐릅니다. 각 코일은 하나의 전류 방향에만 사용됩니다. 즉, 코일 A+ 또는 코일 A-에 전원이 공급됩니다. 코일 A+ 및 A-에 함께 전원이 공급되는 일은 없습니다.
  • 양극: 전류가 모든 코일에서 양방향으로 흐를 수 있습니다. 위상 A+ 및 A-는 함께 전원이 공급됩니다.

양극 모터에는 위상당 최소 1개의 코일이 필요하고 단극 모터에는 위상당 최소 2개의 코일이 필요합니다. 두 옵션을 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

모터 구조

단극

단극 구성에서 각 모터 위상은 두 개의 코일 권선으로 구성됩니다. 위상 A와 B로 구성된 2상 모터의 경우 모터에는 4개의 코일 권선이 있습니다(그림 2 참조).

  • 위상 A는 A+, A-로 구성됩니다.
  • 위상 B는 B+, B-로 구성됩니다.

각 코일에서는 전류가 한 방향으로만 흐를 수 있습니다. 그래서 단극이라고 부릅니다.

전압 드라이브의 경우 코일당 하나의 트랜지스터(스위치)가 있기 때문에 제어 시스템이 매우 간단합니다. 트랜지스터가 닫히면 코일에 전원이 공급됩니다. 정류를 위해 트랜지스터가 교대로 닫히고 열립니다.

트랜지스터 Q1 및 Q2가 동시에 닫힐 수 없습니다. 위상 A에 전원을 공급하기 위해 작업하려는 전류 방향에 따라 트랜지스터 Q1 또는 Q2를 닫습니다(그림 3 참조).

단극 제어를 사용하면 한 번에 위상의 절반에만 전원이 공급되므로 전류는 구리 볼륨의 절반만 사용합니다. 일반적으로, 전압 드라이브 직렬 저항이 적용되어 전기 시간 상수가 감소합니다 (아래 자세한 내용 참조).

양극

양극 모터는 위상당 하나의 코일 권선만 필요합니다. 전류가 코일당 양방향으로 흐를 수 있기 때문에 양극이라고 부릅니다. 제어를 위해서는 2개의 H 브리지가 있는 8개의 트랜지스터가 필요합니다(그림 4 참조).

정류를 수행하기 위해 트랜지스터는 아래와 같이 닫히고 열립니다(그림 5 참조).

양극 드라이브의 장점은 위상당 모든 구리가 사용된다는 것입니다.

이러한 양극 드라이브는 전압 드라이브 또는 전류 소스에서 사용됩니다. 전류 소스의 경우 일반적으로 각 위상의 전류는 펄스 폭 변조 (PWM)로 제어됩니다.

장점과 한계점

전압 드라이브

전압 드라이브의 경우, 단극 모터 제어는 4개의 트랜지스터가 있는 간단한 전자 장치가 있으면 되므로 매우 쉽습니다. 이것은 매우 비용 효율적인 솔루션입니다. 엔지니어들은 전자 부품이 오늘날보다 더 비싸던 수년 전에 이러한 유형의 솔루션에 관심을 가졌습니다.

양극 모터는 전압 드라이브로 구동할 수 있으며, 2H 브리지가 필요합니다.

전류 드라이브

전류 드라이브의 경우 양극 모드를 선택하는 것이 좋습니다. 단극 기술로 전류 드라이브에서 작업하려면 양극 드라이버를 사용할 때보다 더 복잡한 전자 솔루션이 필요한데 모터 성능은 더 낮습니다.

전압 드라이브 사용시 주의 사항

인덕턴스 효과로 인해 전류가 코일에서 상승하는 데 약간의 시간이 필요합니다. 단극 또는 양극 중 어느 쪽을 사용하든 직렬 저항을 추가하여 전기 시간 상수(L/R)를 줄일 수 있습니다.

외부 저항을 추가하면 전류가 감소합니다(i= U/(R+r)). 요약하면, 동일한 전원 공급에 대한 추가 저항으로 다음을 얻을 수 있습니다.

  • 저속에서 더 낮은 토크. 외부 저항에서 방출되는 줄 출력으로 인해 전류가 감소되고, 토크는 전류에 비례하므로 모터가 더 적은 토크를 전달합니다.
  • 고속에서 더 높은 토크. 일부 줄 출력이 외부 저항에서 방출되더라도 모터는 더 낮은 전기 시간 상수 덕분에 코일에서 전류가 더 빨리 상승할 수 있어 더 많은 토크를 전달할 수 있습니다.

참고: 공급 전압을 높이면 더 낮은 전류를 보상할 수 있지만 전체 에너지 효율은 감소합니다. 토크는 고속에서 개선되고 저속에서 동일하게 유지됩니다.

고정 토크

고정 토크는 모터가 멈춤 시 유지할 수 있는 최대 토크입니다. 고정 토크는 위상의 전류와 토크 상수에 비례합니다.

코일 회전 수를 늘리거나 전류 흐름을 증가시켜 더 높은 토크를 생성할 수 있습니다.

전류가 증가하면 줄 손실 방출로 인해 추가 열이 발생합니다 (P = R × i 2 ). 전류 공급은 코일의 열 성능에 의해 제한됩니다. 코일 온도는 일반적으로 모터 유형에 따라 코일의 최대 허용 온도(보통 100°C 또는 130°C)에 도달할 수 있습니다.

이제 1상 ON을 고려하여 두 조합에서 줄 손실을 살펴보겠습니다(그림 6 참조).

각 개별 코일이 자체 저항, 인덕턴스 및 토크 상수를 가지고 있으며 두 경우 모두 줄 손실이 동일하면

P줄 단상 = P줄 단상 = P0

…그러면 결과는 다음과 같게 됩니다.

방출된 동일한 줄 손실에 대해 양극 모터는 단극 드라이브보다 √2 (≈40%) 더 많은 토크를 생성할 수 있습니다.

동일한 전력에 대해 양극 드라이브는 단극 드라이브보다 더 나은 결과를 제공합니다.

동적 모드

위에서 설명한 바와 같이 동일한 전력이 방출되는 경우 양극 모드는 40% 더 많은 토크를 전달할 수 있습니다. 그러나 고속 전압 드라이브에서 단극 모터는 전류가 코일에서 더 빨리 흐를 수 있기 때문에 양극 모터보다 더 높은 토크를 전달할 수 있습니다. 아래의 예를 볼 수 있습니다(그림 7 참조).

전선/모터 연결

양극 모터에는 일반적으로 4개의 전선이 있는 반면, 단극 모터에는 중간 지점이 연결되지 않은 경우 6개 또는 8개의 전선이 있습니다(그림 8 참조).

8개의 전선의 경우

단극 모터에 8개의 전선이 있는 경우 반상을 연결하여 양극 버전으로 변환할 수 있습니다.

양극에서 8개 전선 모터로 작업하면 코일을 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있습니다. 두 옵션 모두 동일한 전력에 대해 동일한 모터 레귤레이션(R/k^2) 및 동일한 토크 성능을 갖습니다 (그림 9 참조).

직렬 조립품의 저항은 병렬 조립품보다 4배 더 높습니다.

직렬 연결에는 병렬 연결보다 두 배의 전류와 절반의 전압이 필요합니다.

직렬 또는 병렬 연결은 전원 공급 장치와 일치합니다.

결론

단극 및 양극 조립품 모두 장점이 있습니다(그림 10 참조).

단극 제어는 과거에 일반적으로 사용되었습니다. 전자 제품의 비용 개선으로 인해 현재 추세는 전류 드라이브에서 양극으로 작업하는 것입니다. 전압 드라이브의 경우, 단극이 여전히 비용 효율적인 옵션입니다.

엔지니어에게 문의

그림 1. 4단계 스테퍼 모터
그림 2. 단극 모터 및 드라이브 구성
그림 3. 단극 드라이브 전자 장치
그림 4. 양극 모터 및 드라이브 구성
그림 5. 양극 드라이브 전자 장치
그림 6: 줄 손실 계산
그림 7. 풀아웃 토크 대 속도
그림 8. 연결
그림 9. 직렬과 병렬의 차이점
그림 10. 요약표