스테퍼 모터 발열 원리 및 가속/감속 공정 제어 기술

열 발생 원리스테퍼 모터.

 

 

1. 일반적으로 모든 종류의 모터 내부에는 철심과 권선이 있습니다.권선에는 저항이 있으며, 전류가 흐르면 손실이 발생합니다. 이 손실의 크기는 저항과 전류의 제곱에 비례하는데, 이를 흔히 동손이라고 합니다. 전류가 표준 직류나 정현파가 아닌 경우에는 고조파 손실도 발생합니다. 코어는 히스테리시스 와전류 효과를 가지고 있어 교류 자기장 내에서 손실을 발생시키는데, 이 손실의 크기, 재질, 전류, 주파수, 전압에 따라 달라지며 이를 철손이라고 합니다. 동손과 철손은 모두 열로 나타나 모터의 효율에 영향을 미칩니다. 스테퍼 모터는 일반적으로 위치 정밀도와 토크 출력을 추구하기 때문에 효율이 상대적으로 낮고, 전류가 비교적 크며, 고조파 성분이 높습니다. 또한 전류의 교류 주파수가 속도에 따라 변하기 때문에 스테퍼 모터는 일반적으로 발열이 심하며, 일반 교류 모터보다 발열 문제가 더 심각합니다.

2. 합리적인 범위스테퍼 모터열.

모터의 허용 열량은 주로 모터 내부 절연 수준에 따라 결정됩니다. 내부 절연 성능은 고온(130도 이상)에서 파괴되기 전까지 유지됩니다. 따라서 내부 온도가 130도를 넘지 않는 한 모터는 절연 파괴를 일으키지 않으며, 이때 표면 온도는 90도 미만이 됩니다.

따라서 스테퍼 모터 표면 온도가 70~80도이면 정상입니다. 간단한 온도 측정 방법으로는 점온도계를 사용할 수 있으며, 대략적인 온도도 확인할 수 있습니다. 손으로 1~2초 이상 만질 수 있으면 60도 이하, 손으로 만지기만 하면 70~80도, 물방울 몇 방울이 빠르게 증발하면 90도 이상입니다.

3, 스테퍼 모터속도 변화에 따른 난방.

정전류 구동 기술을 사용할 경우, 스테퍼 모터는 정지 상태 및 저속에서 일정한 토크 출력을 유지하기 위해 전류가 일정하게 유지됩니다. 속도가 일정 수준 이상으로 높아지면 모터 내부의 역전위가 상승하여 전류가 점차 감소하고 토크 또한 감소합니다.

따라서 동손으로 인한 발열량은 회전 속도에 따라 달라집니다. 정지 상태 및 저속 회전 시에는 일반적으로 높은 열이 발생하고, 고속 회전 시에는 낮은 열이 발생합니다. 하지만 철손(비록 비율은 작지만)의 변화는 이와 다르며, 모터 전체의 발열량은 이 두 가지의 합이므로 위 내용은 일반적인 상황에 대한 설명일 뿐입니다.

4. 열의 영향.

모터의 발열은 일반적으로 모터 수명에 큰 영향을 미치지 않지만, 심각한 경우 몇 가지 부정적인 영향을 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 모터 내부 부품의 열팽창 계수 차이로 인해 구조적 응력이 변하고 내부 공극이 미세하게 변화하면 모터의 동적 응답에 영향을 미쳐 고속 주행 시 스텝 손실이 발생할 수 있습니다. 또한 의료기기나 고정밀 시험 장비 등 모터의 과도한 발열이 허용되지 않는 환경에서는 모터의 발열 관리가 필수적입니다.

5. 모터의 발열을 줄이는 방법.

발열을 줄이는 것은 동손과 철손을 줄이는 것을 의미합니다. 동손을 양방향으로 줄이면 저항과 전류도 감소하므로, 가능한 한 저항과 정격 전류가 작은 모터를 선택해야 합니다. 2상 모터의 경우 병렬 연결 없이 직렬로 사용할 수 있지만, 이는 토크와 고속 회전 요구 사항과 상충되는 경우가 많습니다. 선택된 모터에 대해서는 드라이브의 자동 전류 감속 기능과 오프라인 기능을 최대한 활용해야 합니다. 전자는 모터가 정지했을 때 자동으로 전류를 줄여주고, 후자는 전류를 차단합니다.

또한, 분할 구동 방식은 전류 파형이 정현파에 가깝기 때문에 고조파가 적고 모터 발열도 적습니다. 철손을 줄이는 방법은 여러 가지가 있는데, 전압 레벨이 이에 중요한 역할을 합니다. 고전압으로 구동되는 모터는 고속 특성이 향상되지만 발열량도 증가합니다. 따라서 고속, 평활도, 발열, 소음 등 여러 지표를 고려하여 적절한 구동 전압 레벨을 선택해야 합니다.

스테퍼 모터의 가속 및 감속 과정을 위한 제어 기술.

스테퍼 모터의 사용이 널리 보급됨에 따라 스테퍼 ​​모터 제어에 대한 연구도 증가하고 있습니다. 시동 또는 가속 시 스테퍼 펄스가 너무 빠르게 변화하면 로터가 관성으로 인해 전기 신호 변화를 따라가지 못해 블록킹이나 스텝 손실이 발생할 수 있으며, 정지 또는 감속 시에도 같은 이유로 오버스테핑이 발생할 수 있습니다. 블록킹, 스텝 손실 및 오버슈트를 방지하고 동작 주파수를 높이기 위해 스테퍼 모터의 속도 제어를 향상시키는 것이 중요합니다.

스테퍼 모터의 속도는 펄스 주파수, 회전자 톱니 수, 그리고 비트 수에 따라 달라집니다. 각속도는 펄스 주파수에 비례하며 펄스와 시간적으로 동기화됩니다. 따라서 회전자 톱니 수와 작동 비트 수가 일정하면 펄스 주파수를 제어하여 원하는 속도를 얻을 수 있습니다. 스테퍼 모터는 동기 토크를 이용하여 시동되므로, 스텝 손실을 방지하기 위해 시동 주파수는 높지 않아야 합니다. 특히 출력이 증가함에 따라 회전자 직경과 관성이 커지고, 시동 주파수와 최대 작동 주파수의 차이가 최대 10배까지 발생할 수 있습니다.

스테퍼 모터의 시동 주파수 특성으로 인해 스테퍼 모터는 시동 시 동작 주파수에 직접 도달할 수 없고, 저속에서 점진적으로 동작 속도까지 상승하는 시동 과정을 거쳐야 합니다. 정지 시에도 동작 주파수를 즉시 0으로 낮출 수 없고, 고속에서 점진적으로 감속하여 0으로 줄여야 합니다.

 

스테퍼 모터의 출력 토크는 펄스 주파수가 증가함에 따라 감소합니다. 시동 주파수가 높을수록 시동 토크가 작아져 부하 구동 능력이 떨어지고, 시동 시 스텝 손실이 발생하며, 정지 시 오버슈트가 발생합니다. 스테퍼 모터가 필요한 속도에 빠르게 도달하고 스텝 손실이나 오버슈트를 방지하려면, 가속 과정에서 필요한 가속 토크를 각 동작 주파수에서 스테퍼 모터가 제공하는 최대 토크로 활용하고, 이 토크를 초과하지 않도록 하는 것이 중요합니다. 따라서 스테퍼 모터의 동작은 일반적으로 가속, 등속, 감속의 세 단계를 거쳐야 하며, 가속 및 감속 시간은 최대한 짧게, 등속 시간은 최대한 길게 유지해야 합니다. 특히 빠른 응답이 요구되는 작업에서는 시작부터 종료까지 걸리는 시간을 최소화해야 하므로, 가속 및 감속 시간을 최소화하고 등속 구간의 최고 속도를 유지하는 것이 필수적입니다.

 

국내외 과학자와 기술자들은 스테퍼 모터의 속도 제어 기술에 대해 많은 연구를 수행하여 지수 모델, 선형 모델 등 다양한 가속 및 감속 제어 수학적 모델을 정립했습니다. 이를 기반으로 스테퍼 모터의 동작 특성을 개선하고 적용 범위를 확대하기 위한 다양한 제어 회로를 설계 및 개발해 왔습니다. 지수 가속 및 감속은 스테퍼 모터의 고유한 순간 주파수 특성을 고려하여 스테퍼 모터가 스텝 손실 없이 움직이도록 보장하는 동시에 모터의 고유 특성을 최대한 활용하고 가속 시간을 단축합니다. 그러나 모터 부하 변화로 인해 이러한 특성을 구현하기 어렵다는 단점이 있습니다. 반면 선형 가속 및 감속은 모터의 부하 용량 범위 내에서의 각속도와 펄스의 비례 관계만을 고려하며, 공급 전압 변동, 부하 환경 및 특성 변화를 고려하지 않습니다. 이러한 가속 방식은 가속도가 일정하게 유지되지만, 스테퍼 모터 출력 토크의 속도 변화 특성을 충분히 고려하지 못한다는 단점이 있습니다. 고속에서는 박자가 어긋나게 됩니다.

 

본 문서에서는 스테퍼 모터의 가열 원리 및 가속/감속 공정 제어 기술에 대해 소개합니다.

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