스테퍼 모터의 풀아웃 및 풀인토크 곡선 이해와 측정 방법

스테퍼 모터와 BLDC 모터 비교

<그림1>은 6단계 정류가 있는 3상 BLDC 모터에서 발생하는 토크를 보여준다. 모터에 통합된 홀 센서의 피드백은 회전자 위치를 추적하는 데 사용된다. 이 정보는 회전자와 고정자의 자기장 사이에 90° +/- 30° 의 각도를 유지하기 위해 적절한 순간에 3상의 정류를 허용한 다. 작은 전류 리플이 있지만 모터에 의해 생성된 토크는 상당 히 안정적이며 회전자 위치에 크게 의존하지 않는다. 보다 정 확한 회전자 위치 피드백을 위해 고해상도 인코더를 사용하 면 토크 리플이 거의 0으로 감소한다.

<그림2>는 스테퍼 모터의 간단한 버전을 보여준다. 회전자 역할을 하는 한 극 쌍이 있는 자석과 고정자에 위치한 두 개의 개별 위상이 있다. 이 디자인은 한 번의 기계적 회전에 대해 4개의 전체 단계를 제공한다. 각 위상에 적용되는 연속 전류 를 보여주는 결과적인 토크 곡선은 <그림3>(파란색 및 주황 색 그래프)에 나와 있다. 모터가 한 번에 단상만 가능한 Full Step으로 구동되면 A, B, -A, -B의 순서로 전류가 흐른다. <그림3>의 녹색 그래프는 모터 샤프트에서 발생하는 토크 를 보여준다. BLDC 모터와 달리 스테퍼 모터의 모터 토크는 회전자 위치에 따라 크게 달라진다.

스테퍼 모터는 일반적으로 비용 효율적이고 단순한 설계 를 달성하기 위해 회전자 위치 피드백 없이 개방 루프 모드에 서 구동된다. 따라서 정류는 현재 회전자 위치를 알지 못한 채 외부 신호(초당 단계)로 발생한다. 이상적인 정류는 회전자가 두 위상 사이에 정확히 위치할 때 위상의 전류를 활성화한다. 그러나 개방 루프(즉, 회전자 위치 피드백이 없는 경우)에서 는 회전자가 항상 이상적인 위치에 있지 않을 수 있다. 풀아웃토크에 안전 계수를 적용하여 스테퍼 모터의 크기를 결정할 때 이 불확실성을 고려해야 한다.


스테퍼 모터 풀아웃 토크 탐색

풀아웃 토크 측정 방법: 최대 풀아웃 토크가 어떻게 정의되는지 더 잘 이해하려면 측 정 방법을 살펴보는 것이 중요하다. 일반적으로 풀아웃 토크 는 다음 조건에서 측정된다.
• 모터에 부하 없음
• 개방 루프 모드
• 특정 운전자 한 명과 함께

<그림4>는 풀아웃 토크에 대한 측정 설정을 보여준다. 모터 는 회전 방향과 펄스 신호를 전송하여 모터의 속도를 정의하 는 드라이버에 연결된다. 모터 샤프트는 모터에 가변 부하를 적용할 수 있는 가변 브레이크 시스템(예: 와전류 브레이크)에 연결된다.
측정 자체는 다음과 같이 수행된다.
1. 모터가 부하 없이 시작되고 시작하기 위해 초당 100펄스 (또는 pps)의 다소 낮은 속도로 시작된다.
2. 모터가 동기화를 잃을 때까지 브레이크 시스템을 사용하여 모터 샤프트에 증가하는 부하가 가해진다.
3. 동기화를 잃지 않고 모터가 100pps로 회전할 수 있는 최대 부하가 저장된다. 4. 1-3단계가 반복되지만 속도가 더 빨라진다 (예: 200pps 등등).

3단계에서 측정된 각 속도에 대한 최대 부하 값은 모터의 풀아 웃 토크 곡선을 나타내며 <그림5>에 설명되어 있다. 공진으로 인해 특정 속도는 모터의 불규칙한 동작을 유발할 수 있으므 로 피해야 하다. 풀아웃 토크 다이어그램에 추가로 표시된다.

실제 풀아웃 토크: 실습에서 풀아웃 토크 곡선은 개방 루프에서 모터를 안전하 게 구동할 수 있는 토크 및 속도 범위를 정의하는 데 사용된 다. 최대 부하 토크의 경우 최대 사용 가능한 풀아웃 토크(그 림6에서 파란색 실선으로 표시됨)와 비교하여 일반적으로 30%의 안전 계수가 고려된다(그림 6에서 파란색 점선으로 표시됨).

또한 풀아웃 토크는 모터의 최적 가속 프로파일을 결정하 는 데 사용된다. <그림 6>에 표시된 예에서 모터는 적십자로 표시된 작업점에 도달해야 한다. 모터를 필요한 속도로 가속 하는 방법에는 두 가지가 있다.
1. 원하는 작업 지점에서 사용 가능한 최대 풀아웃 토크만 고 려하면 모터는 일정한 토크로 선형 가속한다. 사용 가능한 풀아웃 토크의 최소 범위가 사용되며 파란색 사각형으로 표 시된다.
2. 보다 정교한 방법은 사용 가능한 풀아웃 토크를 기반으로 가속 토크를 조정하는 것이다. 저속에서는 더 높은 풀아웃 토크를 사용하여 더 빠르게 가속할 수 있다. 이로 인해 비선형 가속이 발생하여 원하는 속도에 더 빨리 도달한다. 사용 가능한 풀아웃 토크의 전체 범위가 사용되며 주황색 사각 형으로 표시된다.


스테퍼 모터 풀인 토크 탐색

풀인 토크 측정 방법: 예를 들어 풀인 토크는 <그림7>에 표시된 설정으로 측정할 수 있다. 디스크가 모터 샤프트에 장착되고 코드가 디스크 주 위를 감싼다. 코드의 인장력 F1 및 F2가 측정되고 이러한 힘의 차이는 디스크의 직경에 따라 모터에 부하 토크를 생성된다. 모터 샤프트의 결과 부하는 부하 관성이 무시할 수 있는 순수한 마찰 토크로 구성된다. 따라서 측정 중에 존재하는 유일한 관성은 모터의 회전자 관성이다. 모터는 개방 루프 모드에서 드라이버에 연결되며 전체 측정은 가속 램프 없이 수행된다. 측정은 일반적으로 다음과 같이 수행된다.
1. 모터에 낮은 부하가 가해진다.
2. 드라이버가 낮은 속도로 설정되고 활성화된다. 모터가 기 동할 수 있으면 동일한 단계가 더 빠른 속도로 반복된다.
3. 모터를 시작할 수 없으면 주어진 부하에 대한 최대 시작 주 파수를 찾는다.
4. 그런 다음 1-3단계를 더 높은 하중으로 반복한다.

3단계에서 캡처한 최대 속도 값은 <그림8>에 표시된 풀인 토 크 곡선을 나타낸다. 일반적으로 모터 공급업체는 무부하 모 터의 풀인 토크 곡선을 제공하고 하나의 특정 드라이버로 측 정한다. 실제 애플리케이션에서는 모터 샤프트에 작용하는 추 가 관성이 모터의 사용 가능한 풀인 토크를 감소시키므로 부 하의 관성도 고려해야 한다. 요약하면 스테퍼 모터의 풀인 토 크에 영향을 미치는 요소는 다음과 같다.
• 모터의 특성(예: 회전자 관성)
• 모터 축에 부착된 관성의 관성
• 모터의 총 부하 토크

실제 풀인 토크: 실제로 스테퍼 모터의 크기를 결정할 때 풀인 토크가 사용되 는 두 가지 주요 상황이 있다.
• 모터 가속이 필요하지 않은 슬로우 모션의 경우 고정된 초당 단계 수를 사용하여 원하는 속도로 모터가 직접 시작된다.
• 경우에 따라 풀인 토크를 알아야 하는 이 공진 주파수보다 높은 속도에서 시작하여 스테퍼 모터의 고유 공진 주파수를 피할 수 있다.


풀아웃, 풀인 토크 곡선 이해하는 것이 중요

애플리케이션에 적합한 스테퍼 모터를 선택할 때 모터의 풀 아웃 및 풀인 토크 곡선을 이해하는 것이 중요하다. 풀아웃 토 크 곡선은 동기화를 잃지 않고 특정 속도로 구동할 때 모터가 전달할 수 있는 최대 토크를 정의한다. 풀아웃 토크를 초과하 면 모터가 동기화되지 않아 불규칙한 동작이 발생한다. 이것 이 최대 부하 토크에 대해 약 30%의 안전 계수를 고려해야 하 는 이유이다.
사용 가능한 최대 풀아웃 토크를 사용하는 비선형 가속을 통해 원하는 속도에 더 빨리 도달할 수 있으므로 매우 역동적 인 동작이 필요한 응용 분야에 대해 모터를 최적화할 수 있다. 엔코더를 사용하여 폐쇄 루프에서 모터를 구동하면 안전 계 수를 건너뛰고 모터의 최대 풀아웃 토크를 사용할 수 있다. 이 경우 모터는 브러시리스 DC처럼 구동된다.
많은 모터 공급업체가 풀인 토크 곡선을 제공하지만 모터 가 가속 램프 없이 시작할 수 있는 최대 속도와 토크를 정의한 다. 일반적으로 모터 공급업체는 부하 토크나 관성이 없고 특 정 드라이버로 측정된 모터의 풀인 토크 곡선을 제공한다. 모 터에 추가 부하 관성이 작용하는 애플리케이션의 경우 모터 공급업체에 문의하여 사용 가능한 풀인 토크를 계산하는 것 이 가장 좋다. 경우에 따라 풀인 토크를 알아야 하는 공진 주 파수보다 높은 속도에서 모터를 시작하여 스테퍼의 고유 공 진 주파수를 피할 수 있다.


자료제공: Portescap(www.portescap.com)