스테퍼 모터의 탈출 및 인입 토크에 대한 이해 및 측정 Portescap

스테퍼 모터와 BLDC 모터 비교

그림 1은 6단계 전류가 있는 3상 BLDC 모터에서 발생된 토크를 보여줍니다. 모터에 통합된 홀 센서의 피드백은 회전자 위치를 지속적으로 추적하는 데 사용됩니다. 이 정보를 이용하면 적절한 시점에 3 상 전류를 허용해 회전자 자기장과 고정자 사이에 90° +/- 30°의 각도를 유지할 수 있습니다. 작은 전류 리플이 있지만 모터에서 발생한 토크는 오히려 안정적이며 회전자 위치의 영향을 크게 받지 않습니다. 보다 정밀한 회전자 위치 피드백에 고해상도 인코더를 사용하면 토크 리플을 거의 0으로 줄일 수 있습니다.

그림 2는 단순한 버전의 스테퍼 모터를 보여줌: 하나의 폴 페어가 회전자 역할을 하고 두 개의 별도의 위상이 고정자에 있는 자석. 이 설계는 한 번의 기계적 회전에 대해 4개의 풀 스텝을 제공합니다. 각 위상에 연속 전류가 적용됨을 보여주는 결과 토크 곡선은 그림 3에 나와 있습니다(파란색 및 주황색 그래프). 모터가 한 번에 한 위상만을 지원하면서 풀 스텝으로 구동될 경우 다음 순서로 전류가 적용됩니다. A, B, -A, -B.

그림 3의 녹색 그래프는 모터 샤프트에서의 결과 토크를 보여줍니다. BLDC 모터와 달리, 스테퍼 모터의 모터 토크는 회전자 위치의 영향을 크게 받습니다. 스테퍼 모터는 일반적으로 비용 효율성과 단순한 설계를 달성하기 위해 회전자 위치 피드백 없이 개방 루프 모드에서 구동됩니다. 따라서 전류는 현재 회전자 위치를 알지 못하고 외부 신호(초당 스텝 수)를 통해 발생합니다. "이상적인" 전류는 회전자가 정확히 두 위상 사이에 위치할 때 위상에 전류를 지원합니다. 하지만 개방 루프(회전자 위치 피드백 없음)에서는 회전자가 항상 적합한 위치에 있지는 않을 수도 있습니다. 탈출 토크에 안전 계수를 적용하여 스테퍼 모터 크기를 조정할 때 이 불확실성을 고려해야 합니다.

3상 BLDC 및 스테퍼 모터 간의 차이점에 대해 알아보았으니 이제 스테퍼 모터의 탈출 및 인입 토크를 이해하는 방법을 살펴보겠습니다.

스테퍼 모터 탈출 토크 살펴보기

탈출 토크를 측정하는 방법

최 대 탈 출 토 크 가 정 의 되 는 방 식 을 효과적으로 이해하기 위해서는 측정 방법을 살펴보는 것이 중요합니다. 일반적으로 탈출 토크는 다음 조건 하에서 측정됩니다.:

  • 모터에 하중 없음
  • 개방 루프 모드
  • 1개의 특정 드라이버 있음

그림 4는 탈출 토크의 측정 단계를 보여줍니다. 모터는 드라이버에 연결되며 이는 회전의 방향은 물론 펄스 신호를 전송해 모터의 속도도 정의합니다. 모터 샤프트는 가변 브레이크 시스템에 연결되며(예: 와전류 브레이크) 이를 통해 가변 부하가 모터에 적용될 수 있습니다.

측정 자체는 다음과 같이 수행됩니다.

1. 부 하 없 이 모 터 가 시 작 되 고 상 당 히 낮 은 속 도 인 초 당 100펄스(또는 pps)의 지정된 시작 속도에 도달합니다.
2. 모터가 동기화를 손실할 때까지 브레이크 시스템을 사용해 모터 샤프트에 점점 더 많은 부하를 적용합니다.
3. 모터가 동기화를 손실하지 않고 100pps에서 회전할 수 있는 최대 부하가 저장됩니다.
4. 1 ~ 3 단 계 가 반 복 되 지 만 200pps 등의 더 빠른 속도로 반복됩니다.

3단계 중에 측정된 각 속도의 최대 부하 값은 모터의 탈출 토크 곡선을 나타내며 그림 5에 나와 있습니다. 공명으로 인해 특정 속도는 모터를 불규칙적으로 움직이게 할 수 있으므로 피해야 합니다. 이는 탈출 토크 도표에 추가로 표시될 수 있습니다.

실제 탈출 토크

실제로 탈출 토크 곡선은 개방 루프에서 모터가 안전하게 구동될 수 있는 토크와 속도 범위를 정의하는 데 사용됩니다. 최대 부하 토크의 경우 이용 가능한 최대 탈출 토크(그림 6에 파란색 실선으로 표시됨)에 비해 보통 30%의 안전 계수가 고려됩니다(그림 6에 파란색 점선으로 표시됨).

게다가 탈출 토크는 모터의 최적의 가속 프로필을 결정하는 데도 사용됩니다. 그림 6에 보이는 예시에서 모터는 빨간색 십자가로 표시된 작동점을 달성해야 합니다. 모터를 필요한 속도로 가속하는 두 가지 방법은 다음과 같습니다.

1. 원하는 작동점에서 이용 가능한 최대 탈출 토크만 고려될 경우 모터는 일정한 토크로 선형 가속됩니다. 사용 가능한 탈출 토크의 최소 범위가 사용되며 파란색 직사각형으로 표시됩니다.
2. 보다 정교한 방법은 사용 가능한 탈출 토크를 토대로 가속 토크를 조정하는 것입니다. 낮은 속도에서는 더 빠르게 가속하기 위해 더 높은 탈출 토크를 사용할 수 있습니다. 이는 비선형적 가속을 야기하므로 원하는 속도에 더 빠르게 도달할 수 있습니다. 사용 가능한 탈출 토크의 전체 범위가 사용되며 주황색 직사각형으로 표시됩니다.

스테퍼 모터 인입 토크 살펴보기

인입 토크를 측정하는 방법

예 를 들 어 인 입 토 크 는 그 림 7 에 소 개 된 설 정 으 로 측 정 할 수 있 습 니 다 . 디 스 크 는 모터 샤프트에 장착되며 그 주변에 코드가 감 겨 집 니 다 . 코 드 의 장 력 F 1 및 F 2 가 측 정 되 며 이 러 한 장 력 간 차 이 는 모 터 에 부하 토크를 생성하며 이는 디스크의 직경에 따라 달라집니다. 모터 샤프트에 가해지는 결 과 부 하 는 순 수 한 마 찰 토 크 와 무 시 할 수 있는 부하 관성으로 구성됩니다. 따라서 측정 중에 존재하는 유일한 관성은 모터의 회전자 관성입니다. 모터는 개방 루프 모드의 드라이버에 연결되며 전체 측정은 가속 램프 없이 수행됩니다.

측정은 일반적으로 다음과 같이 수행됩니다.

1. 낮은 부하가 모터에 적용됩니다.
2. 드 라 이 버 가 낮 은 속 도 로 설 정 되 어 활 성 화 됩 니 다 . 모 터 를 시 작 할 수 있다면 더 높은 속도에서 같은 단계가 반복됩니다.
3. 모터를 시작할 수 없게 되면 지정된 부하에 대한 최대 시작 주파수를 찾은 것입니다.
4. 그런 다음 더 높은 부하로 1~3단계를 반복합니다.

3 단 계 에 서 포 착 된 최 대 속 도 값 은 그 림 8 에 서 볼 수 있 는 인 입 토 크 곡 선 을 나 타 냅 니 다 . 일 반 적 으 로 모 터 공 급 업 체 ( P o r t e s c a p 포 함 ) 가 무 부 하 모 터 의 인 입 토 크 곡 선 을 제 공 하 고 하나의 특정 드라이버로 측정합니다. 실제 응 용 분 야 에 서 는 부 하 관 성 도 고 려 해 야 합니다. 모터 샤프트에 이 추가적인 관성이 가해져야 사용 가능한 모터의 인입 토크가 감소하기 때문입니다. 요약하자면, 스테퍼 모터의 인입 토크에 영향을 미치는 요인은 다음과 같습니다.

모터 특성 – 예: 회전자 관성
모터 샤프트에 가해진 관성
모터의 총 부하 토크

실제 인입 토크

실제로 스테퍼 모터의 크기를 조정하는 데 인입 토크가 사용되는 두 가지의 주요 상황이 있습니다.

모터 가속이 필요하지 않은 느린 동작의 경우 모터가 초당 고정된 스텝 수를 사용해 원하는 속도에서 바로 시작됩니다.
특정한 경우 인입 토크가 알려져야 하는 이 공명 주파수보다 높은 속도에서 시작해 스테퍼 모터의 자연 공명 주파수를 회피할 수 있습니다.

결론

응용분야에 적합한 스테퍼 모터를 선택할 때는 모터의 탈출 및 인입 토크 곡선을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 탈출 토크 곡선은 모터가 동기화를 손실하지 않고 특정 속도에서 구동될 때 제공할 수 있는 최대 토크를 정의합니다. 탈출 토크를 초과하면 모터가 동기화를 손실하게 되며 이로 인해 불규칙한 동작이 유발될 수 있습니다. 이러한 이유로 최대 부하 토크로 약 30%의 대략적인 안전 계수를 고려해야 하는 것입니다. 이용 가능한 최대의 탈출 토크를 사용한 비선형 가속은 원하는 속도에 더 빠르게 도달하게 해주므로 고도로 동적인 동작이 필요한 응용분야를 위한 모터를 최적화합니다. 인코더를 사용해 폐쇄형 루프에서 모터를 구동하면 안전 계수를 건너 뛰고 이용 가능한 최대 모터 탈출 토크를 사용할 수 있습니다. 이 경우 모터가 무브러시 DC처럼 구동됩니다.

다수의 모터 공급업체는 인입 토크 곡선을 제공하지만 가속 램프 없이 모터를 시작할 수 있는 최대 속도와 토크를 정의합니다. 일반적으로 모터 공급업체(Portescap 포함)는 부하 토크나 관성 없이 특정 드라이버로 측정된 모터의 인입 토크 곡선을 제공합니다. 모터에 추가적인 부하 관성이 작용하는 응용분야의 경우 모터 공급업체와 지속적으로 연락해 사용 가능한 인입 토크를 계산하는 것이 가장 좋습니다. 특정한 경우 인입 토크가 알려져야 하는 공명 주파수보다 높은 속도에서 모터를 시작해 스테퍼의 자연 공명 주파수를 회피할 수 있습니다.

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그림 1 - BLDC 모터의 위상 및 모터 토크
그림 2 - 하나의 폴 페어가 있는 스테퍼 모터
그림 3 - 왼쪽: 2상 스테퍼 모터의 "이상적인" 전류 오른쪽: 2상 스테퍼 모터의 실제 전류(개방 루프)
그림 4 - 탈출 토크 측정을 위한 설정
그림 5 - 탈출 토크 곡선의 예
그림 6 - 이용 가능한 탈출 토크 기준 가속에 비해 일관된 가속
그림 7 - 인입 토크 측정을 위한 설정
그림 8 - 인입 토크 곡선의 예