스테퍼 모터의 마이크로스테핑 구동 제어

개요

스테퍼 모터가 저속으로 운전될 때, 상 전환(phase commutation) 과정에서 속도 충격과 관성으로 인해 로터가 평형 위치 주변에서 반복적으로 진동하는 경향이 있습니다. 이러한 진동은 운전 정밀도를 저하시키고 상당한 소음을 발생시킵니다.

이 문제를 해결하기 위한 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다:

1. 모터 상 수를 증가시켜 각 스텝 전환 시 로터의 각 변위를 줄입니다.
2. 마이크로스테핑 구동 제어를 적용하는 방법으로, 이 기법은 1970년대 중반에 처음 제안된 이후 널리 채택되었습니다. 마이크로스테핑은 모터의 스텝 각을 효과적으로 줄이고, 운전 안정성을 향상시키며, 제어 유연성을 높입니다.

마이크로스테핑이란?

마이크로스테핑은 모터 고유의 풀 스텝 각을 더 작은 여러 중간 스텝으로 분할하는 구동 방식입니다. 이는 드라이버 내부에서 스테퍼 모터의 상 전류를 정밀하게 제어함으로써 실현되며, 모터 자체의 고유 구조와는 무관합니다.

마이크로스테핑의 동작 원리

기존의 풀 스텝 구동에서는, 여기된 고정자 상의 전류가 정격값까지 순간적으로 상승하고, 비여기된 상의 전류는 마찬가지로 급격히 0으로 떨어져 대략적인 구형파 전류 파형을 생성합니다.

마이크로스테핑 구동에서는 상 전류가 급격히 전환되지 않고 점진적으로 램프됩니다. 권선 전류 파형은 구형파 대신 N단계의 근사적 계단파가 됩니다. 고정자 권선 전류에 의해 생성된 합성 자기장은 각 풀 스텝 내에서 로터에 대해 N개의 새로운 평형 위치를 형성하며, 이것이 효과적으로 N개의 마이크로스테핑을 구성합니다.

마이크로스테핑의 장점

마이크로스테핑 구동 기술은 전 세계적으로 광범위한 연구의 대상이 되어 왔습니다. 최신 고성능 마이크로스테핑 드라이버는 수천 단계 이상의 마이크로스테핑 수준을 달성할 수 있습니다. 고급 전류 제어 알고리즘은 이제 매우 균일한 마이크로스테핑 각을 구현하며, 이는 다음과 같은 주요 이점을 제공합니다:

• 스테퍼 모터의 스텝 분해능이 크게 향상됩니다.
• 저주파 진동이 감소되거나 제거됩니다.
• 가청 소음이 낮아집니다.
• 토크 변동이 줄어들어 더 부드러운 토크 출력을 제공합니다.

이러한 개선으로 인해 스테퍼 모터는 서보 모터에 더 가까운 성능 특성을 갖게 됩니다.

마이크로스테핑 정밀도와 분해능

마이크로스테핑을 사용할 때 스텝 분해능과 실제 위치 결정 정밀도를 구별하는 것이 중요합니다.

마이크로스테핑은 본질적으로 전자적 댐핑 기법입니다. 그 주된 목적은 스테퍼 모터에 고유한 저주파 진동을 줄이거나 제거하는 것입니다. 위치 결정 정밀도의 향상은 마이크로스테핑 기술의 부차적 이점입니다.

마이크로스테핑은 각 명령 펄스의 분해능을 높이지만, 모터의 실제 운전 정밀도가 그 분해능에 근접하는지 여부는 여러 요인에 따라 달라지며, 가장 중요한 것은 마이크로스테핑 드라이버의 전류 제어 정밀도입니다. 드라이버의 정밀도는 제조사마다 크게 다르며, 더 높은 마이크로스테핑 단계는 본질적으로 정밀한 제어가 더 어렵습니다.

진정한 마이크로스테핑과 전류 스무딩의 차이

진정한 마이크로스테핑은 드라이버에 엄격한 기술적 및 제조적 요구사항을 부과하며, 이에 따라 비용도 더 높습니다. 일부 드라이버는 모터 상 전류의 진정한 마이크로스테핑 대신 전류 스무딩을 대체 수단으로 사용합니다. 이 방식은 때때로 유사 마이크로스테핑(pseudo-microstepping)이라고 불립니다.

주요 차이점은 다음과 같습니다:

진정한 마이크로스테핑이 모터의 정격 홀딩 토크를 증가시키지는 않는다는 점에 유의하십시오. 그러나 진동과 관련 에너지 손실을 줄이기 때문에, 풀 스텝 운전과 비교하여 부하에 전달되는 실효 가용 토크가 약간 향상될 수 있습니다.