스테퍼 모터스테퍼 모터는 피드백 장치 없이 속도 제어 및 위치 제어(즉, 개루프 제어)가 가능하므로 경제적이고 신뢰성이 높은 구동 방식입니다. 자동화 장비 및 계측기 분야에서 스테퍼 모터 드라이브는 매우 널리 사용되고 있습니다. 그러나 많은 기술 담당자들이 적절한 스테퍼 모터를 선택하는 방법, 스테퍼 모터 드라이브의 최적 성능을 구현하는 방법 등에 대해 궁금해합니다. 본 논문에서는 스테퍼 모터 선택에 대해 논의하고, 실제 엔지니어링 경험을 바탕으로 스테퍼 모터의 적용 사례를 제시하여 자동화 장비 분야에서 스테퍼 모터의 보급에 참고 자료로 활용될 수 있기를 바랍니다.
1. 소개스테퍼 모터
스테퍼 모터는 펄스 모터 또는 스텝 모터라고도 합니다. 입력 펄스 신호에 따라 여자 상태가 변할 때마다 특정 각도만큼 전진하고, 여자 상태가 변하지 않으면 특정 위치에 정지합니다. 이러한 특성 덕분에 스테퍼 모터는 입력 펄스 신호를 출력 각변위로 변환할 수 있습니다. 입력 펄스 수를 제어함으로써 출력 각변위를 정밀하게 제어하여 최적의 위치를 구현할 수 있으며, 입력 펄스 주파수를 제어함으로써 출력 각속도를 정밀하게 제어하여 속도 조절이 가능합니다. 1960년대 후반부터 다양한 실용적인 스테퍼 모터가 개발되었고, 지난 40년간 급속한 발전을 거듭해 왔습니다. 스테퍼 모터는 DC 모터, 비동기 모터, 동기 모터와 함께 기본 모터 유형으로 자리 잡았습니다. 스테퍼 모터에는 리액티브(VR)형, 영구 자석(PM)형, 하이브리드(HB)형의 세 가지 유형이 있습니다. 하이브리드 스테퍼 모터는 기존 스테퍼 모터와 2상 스테퍼 모터의 장점을 결합한 것입니다. 스테퍼 모터는 로터(로터 코어, 영구 자석, 샤프트, 볼 베어링), 스테이터(권선, 스테이터 코어), 전면 및 후면 엔드 캡 등으로 구성됩니다. 가장 일반적인 2상 하이브리드 스테퍼 모터는 8개의 큰 톱니와 40개의 작은 톱니를 가진 스테이터와 50개의 작은 톱니를 가진 로터를 갖추고 있으며, 3상 모터는 9개의 큰 톱니와 45개의 작은 톱니를 가진 스테이터와 50개의 작은 톱니를 가진 로터를 갖습니다.
2. 제어 원리
그만큼스테퍼 모터스테퍼 모터는 전원 공급 장치에 직접 연결하거나 전기 펄스 신호를 직접 수신할 수 없으며, 특수 인터페이스인 스테퍼 모터 드라이버를 통해 전원 공급 장치 및 컨트롤러와 상호 작용해야 합니다. 스테퍼 모터 드라이버는 일반적으로 링 분배기와 전력 증폭 회로로 구성됩니다. 링 분배기는 컨트롤러로부터 제어 신호를 수신합니다. 펄스 신호가 수신될 때마다 링 분배기의 출력은 한 번씩 변환됩니다. 따라서 펄스 신호의 유무와 주파수를 통해 스테퍼 모터의 속도가 높거나 낮은지, 가속 또는 감속하는지, 시작 또는 정지하는지를 판단할 수 있습니다. 또한 링 분배기는 컨트롤러로부터 방향 신호를 감지하여 출력 상태 변화가 순방향인지 역방향인지 판단하고, 이를 통해 스테퍼 모터의 조향 방향을 결정합니다.
3. 주요 매개변수
① 블록 번호: 주로 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86 등
②상수: 스테퍼 모터 내부 코일의 개수로, 스테퍼 모터는 일반적으로 2상, 3상, 5상으로 나뉩니다. 중국에서는 주로 2상 스테퍼 모터를 사용하며, 3상 스테퍼 모터도 일부 사용됩니다. 일본에서는 5상 스테퍼 모터가 더 많이 사용됩니다.
③ 스텝 각도: 펄스 신호에 대응하는 모터 로터 회전의 각 변위. 스테퍼 모터 스텝 각도 계산 공식은 다음과 같습니다.
스텝 각도 = 360° ÷ (2mz)
m은 스테퍼 모터의 위상 수입니다.
Z는 스테퍼 모터 회전자의 톱니 수입니다.
위 공식에 따르면 2상, 3상 및 5상 스테퍼 모터의 스텝 각도는 각각 1.8°, 1.2° 및 0.72°입니다.
④ 유지 토크: 정격 전류가 흐를 때 모터의 고정자 권선에 작용하는 토크로, 회전자는 회전하지 않고 고정자가 회전자를 고정하는 상태입니다. 유지 토크는 스테퍼 모터에서 가장 중요한 파라미터이며, 모터 선택의 주요 기준이 됩니다.
⑤ 위치 토크: 모터에 전류가 흐르지 않을 때 외부 힘으로 로터를 회전시키는 데 필요한 토크입니다. 토크는 모터 성능을 평가하는 지표 중 하나이며, 다른 매개변수가 동일할 경우 위치 토크가 작을수록 "슬롯 효과"가 작아져 저속에서 모터의 부드러운 작동에 유리합니다. 토크 주파수 특성: 주로 전개된 토크 주파수 특성을 나타냅니다. 모터는 특정 속도에서 안정적으로 작동하며 스텝 손실 없이 최대 토크를 견딜 수 있습니다. 토크-주파수 곡선은 스텝 손실 없이 최대 토크와 속도(주파수) 사이의 관계를 나타내는 데 사용됩니다. 토크 주파수 곡선은 스테퍼 모터의 중요한 매개변수이며 모터 선택의 주요 기준이 됩니다.
⑥ 정격 전류: 정격 토크를 유지하는 데 필요한 모터 권선 전류(실효값)
4. 포인트 선택
산업용 애플리케이션에서 스테퍼 모터는 최대 600~1500rpm의 속도로 사용되며, 더 빠른 속도의 경우 폐루프 스테퍼 모터 구동 방식을 고려하거나, 보다 적합한 서보 드라이브 프로그램을 사용하여 스테퍼 모터를 선택하는 단계를 따를 수 있습니다(아래 그림 참조).
(1) 스텝 각도 선택
모터의 상 수에 따라 스텝 각도는 1.8°(2상), 1.2°(3상), 0.72°(5상)의 세 가지 종류가 있습니다. 물론 5상 스텝 각도가 가장 높은 정확도를 제공하지만 모터와 드라이버 가격이 더 비싸기 때문에 중국에서는 거의 사용되지 않습니다. 또한, 현재 주류 스테퍼 드라이버는 세분화 드라이브 기술을 사용하고 있으며, 4분할 이하에서는 세분화된 스텝 각도 정확도를 여전히 보장할 수 있습니다. 따라서 스텝 각도 정확도만을 고려한다면 5상 스테퍼 모터 대신 2상 또는 3상 스테퍼 모터를 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 5mm 나사 부하용 리드를 적용하는 경우, 2상 스테핑 모터를 사용하고 드라이버를 4분할로 설정하면 모터 회전당 펄스 수는 200 x 4 = 800이 되고, 펄스에 대한 등가 정밀도는 5 ÷ 800 = 0.00625mm = 6.25μm가 됩니다. 이 정도의 정밀도는 대부분의 적용 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
(2) 정적 토크(유지 토크) 선택
일반적으로 사용되는 부하 전달 메커니즘에는 동기 벨트, 필라멘트 바, 랙 앤 피니언 등이 있습니다. 고객은 먼저 기계 부하(주로 가속 토크와 마찰 토크의 합)를 모터 축에 필요한 부하 토크로 변환하여 계산합니다. 그런 다음, 꽃에 필요한 최대 작동 속도에 따라 다음 두 가지 사용 사례에 적합한 스테퍼 모터의 유지 토크를 선택합니다. ① 모터 속도가 300pm 이하인 경우: 기계 부하를 모터 축에 필요한 부하 토크 T1으로 변환한 후, 이 부하 토크에 안전 계수 SF(일반적으로 1.5~2.0)를 곱하여 필요한 스테퍼 모터 유지 토크 Tn을 구합니다. ② 모터 속도가 300pm 이상인 경우: 최대 속도 Nmax를 설정하고, 기계 부하를 모터 축에 필요한 부하 토크 T1으로 변환한 후, 이 부하 토크에 안전 계수 SF(일반적으로 2.5~3.5)를 곱하여 유지 토크 Tn을 구합니다. 그림 4를 참조하여 적합한 모델을 선택하십시오. 그런 다음 모멘트-주파수 곡선을 사용하여 확인하고 비교하십시오. 모멘트-주파수 곡선에서 사용자가 요구하는 최대 속도 Nmax가 최대 손실 스텝 토크 T2에 해당하는 경우, 최대 손실 스텝 토크 T2는 T1보다 20% 이상 커야 합니다. 그렇지 않으면 더 큰 토크를 가진 새로운 모터를 선택하고 새로 선택한 모터의 토크-주파수 곡선을 기준으로 다시 확인하고 비교해야 합니다.
(3) 모터베이스 번호가 클수록 홀딩토크가 커집니다.
(4) 정격 전류에 따라 적합한 스테퍼 드라이버를 선택합니다.
예를 들어, 57CM23 모터의 정격 전류가 5A인 경우, 드라이브의 최대 허용 전류를 5A 이상으로 선택해야 합니다(단, 이는 피크 전류가 아닌 실효 전류임을 유의하십시오). 그렇지 않고 최대 전류가 3A인 드라이브를 선택하면 모터의 최대 출력 토크가 약 60%밖에 되지 않습니다!
5. 응용 경험
(1) 스테퍼 모터 저주파 공진 문제
세분화 스테퍼 드라이브는 스테퍼 모터의 저주파 공진을 줄이는 효과적인 방법입니다. 특히 150rpm 이하에서 세분화 드라이브는 모터 진동 감소에 매우 효과적입니다. 이론적으로는 세분화 차수가 클수록 스테퍼 모터 진동 감소 효과가 커지지만, 실제로는 세분화 차수가 8 또는 16 정도가 되면 스테퍼 모터 진동 감소 효과가 극대화됩니다.
최근 국내외에서 저주파 공진 방지 스테퍼 드라이버가 출시되고 있는데, 레이사이의 DM, DM-S 시리즈 제품은 저주파 공진 방지 기술을 적용했습니다. 이 시리즈 드라이버는 고조파 보상을 통해 진폭 및 위상 정합 보상을 수행하여 스테퍼 모터의 저주파 진동을 크게 줄여 저진동 및 저소음 작동을 구현합니다.
(2) 스테퍼 모터 세분화가 위치 정확도에 미치는 영향
스테퍼 모터 분할 구동 회로는 장치의 움직임의 부드러움을 향상시킬 뿐만 아니라 장비의 위치 정밀도를 효과적으로 개선할 수 있습니다. 테스트 결과, 동기식 벨트 구동 모션 플랫폼에서 스테퍼 모터를 4단계로 분할했을 때 각 단계에서 모터가 정확하게 위치할 수 있음을 보여줍니다.
게시 시간: 2023년 6월 11일