KR0173771B1 - 스텝핑모터 제어회로 - Google Patents

Abstract

1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야:

스텝핑모터를 구비한 전자장치

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제:

저속구동되는 스텝핑모터에서 고속회전시 토오크의 부족으로 인한 스텝핑모터의 정지를 해결하고, 고속구동되는 스텝핑모터에서 저속회전시 과다 토오크로 인한 발열 및 진동등을 해결한다.

3. 발명의 해결방법의 요지:

스텝핑모터를 저속, 종속, 고속으로 구동하기 위해 저속구동신호, 중속구동신호, 고속구동신호를 발생하고, 상기 스텝핑모터에 여자전류가 흐르게 하기 위하여 스텝핑모터인에이블 어드레스, 스위치인에이블 어드레스, 쓰기신호를 발생하는 제어수단과: 상기 쓰기신호에 따라 인에이블된 후, 상기 스텝핑모터인에이블 어드레스와 스위치인에이블 어드레스의 입력에 대응하여 각각 스텝핑모터인에이블신호와 스위치인에이블신호를 발생하고, 상기 스위치인에블신호에 동기되어 상기 제어수단으로부터 저속구동신호, 중속구동신호, 고속구동신호를 입력하여 각각 저속스위칭신호, 중속스위칭신호, 고속스위칭신호를 발생하는 수단과: 상기 저속스위칭신호, 증속스위칭신도, 고속스위칭신호를 입력에 대응하여 스텝핑모터구동전원의 양을 제어하여 저속전원제어신호, 증속전원제어신호, 고속전원제어신호를 발생하는 전원제어신호 발생측단과: 상기 스텝핑모터인에블신호에 동기되어 상기 저속구동신호, 중속구동신호, 고속구동신호를 입력하여 지연한 뒤, 상기 저속전원제어신호, 중속전원제어신호, 고속전원제어신호에 따라 상기 스텝핑모터의 구동을 제어하는 구동제어수단으로 해결한다.

4. 발명의 중요한 용도:

스텝핑모터를 구비한 전자장치의 스텝핑모터의 구동을 제어한다.

Description

스텝핑모터 제어회로

제1도는 일반적인 스텝핑모터와 스위치를 결선하여 구현한 일례의 스텝핑모터 제어회로를 나타내는 구성도.

제2도는 제1도의 스위치의 스위칭순서를 나타내는 표와 상기 스위치의 스위칭 순서에 따라 발생되는 파형을 나타내는 도면.

제3도는 스텝핑모터의 속도와 토크와의 륵성을 나타내는 도면.

제4도는 스텝핑모터의 속도에 따른 전류의 변화를 나타내는 도면.

제5도는 종래 마이컴에 의한 스텝핑모터 제어회로를 나타내는 구성도.

제6도는 종래 일례의 스텝핑모터 제어회로를 나타내는 구성도.

제7도는 본 찰명에 따른 마이컴에 의한 스텝핑모터 제어회로를 개략적으로 나타내는 구성도.

제8도는 본 발명에 따른 저속구동되는 스텝핑토터를 제어하는 회로를 나타내는 구성도.

제9도는 본 발명에 따른 고속구동되는 스텝핑모터를 제어하는 회로를 나타내는 구성도.

본 발명은 스텝핑모터를 구비한 전자장치의 스텝핑모터 제어회로에 관한 것으로, 특히 저속구동리는 스텝핑모터에서 고속회전시 토오크의 부족으로 인한 스텝핑모터의 정지를 해결하고, 고속구동되는 스텝핑모터에서 저속회전시 과다 토오크로 인한 발열 및 진동등을 방지하는 회로에 관한 것이다.

최근에 급속히 신장되고 있는 사무자동화(OA)와 공장자동화(FA)에서는 반드시라고 해도 좋을 만큼 스텝핑모터가 사용되고 있다. 스텝핑모터에는 여러 종류가 있지만, 이들의 분야에선 기계적인 이동량을 정밀하게 제어하는 일이 많고, 일반적으로는 DC서보 스텝핑모터나 스텝핑모터가 사용되고 있다. 그중에서 스텝핑모터는 펄스에 의해 디지탈적으로 제어하는 것이 가능하므로 마이컴에서 사용하기에 아주 적합한 스텝핑모터이다 스텝핑모터는 부여되는 펄스 레이트(펄스의 시간당 간격)에 비례하여 상당히 놓은 정확도로 제어할 수 있고, 다른 스텝핑모터에 비해 정지시 매우 큰 정지토크가 있기 때문에 전자브레이크등의 부가적인 정지기구가 필요없는 장점이 있다.

스텝핑모터는 주로 스캐너 원고 전송장치, 프린터의 페이퍼 전송장치, 플로터치 펜 위치제어, 플로피디스크의 헤드위치제어등에서 흔히 볼 수 있다. 스템핑모더의 기본적인 동작을 인한 접속관계를 4상 스텝핑모터를 예를 들어 제1도에 도시하였다.

우선 스위치 S1-S4를 모두 스위칭 오프(OFF)로 한 다음, 스텝핑모터 구동전원 Vdrv론 연결한다. 스텝핑모더를 회전시키기 위해 제2도에서 나타낸 순서로 스위치를 온/오프(OL/OFF)시키면 스텝핑모터내부의 코일이 여자되어 스텝핑모터의 회전자는 일정한 스텝각으로 회전하게 된다.

스텝핑모터의 속도(pulse per second: 이하 PPS라 함)와 토오크의 관계는 일반적으로는 제3도에 나타낸 것과 같이 표시되며, 기본적으로 고속이 될 수록 토크는 떨어진다. 그 이유는 스텝핑모터의 코일에 직류전류를 흘려주기 때문이며, 제4도에서 알 수 있듯이 정지시에 가장 많은 전류가 흐른다. 따라서 스텝핑모터는 이때가 가장 토크가 크고 이것이 최대 정지가 된다.

일반적으로 팩시밀리의 스캐닝부에서 처럼 스텝핑모터의 여러 가지 속도를 필요로 하는 곳에서는 스캐닝부의 기구적인 부하의 양에 맞추어 계산된 토오크의 스뎁핑모터를 주문 제작하는 것이 통례이다. 그러나 스텝핑모터의 특성상 여러가지 속도모드에서 모두 만족하는 토오크를 내는데는 제약이 있다. 즉 고속회전에서 필요로하는 토오크를 기준으로 스텝핑모터를 선정할 경우 저속회전시에 기구부하에 전달되는 토오크의 양이 지나치게 많아 기구적인 잡음 혹은 스텝링모터의 발열등이 발생하고 이로 인해 스캐닝모듈 전체의 불안정을 초래하는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 방지하기 위한 스텝핑모터의 구동방법에는 마이컴을 이용한 소프트웨어적인 제어구동방법과 스텝핑모터 전용구동칩을 사용하는 하드웨어 제어구동방법의 두 가지 방법이 있다.

일반적으로 마이컴을 이용한 제어구동방법이 구현하기가 용이하고 저렴하므로 많이 사용되고 있다. 그리고 보통 스텝핑모터의 선정은 사용하고자 하는 목적에 따라 가장 적합한 토오크가 나오도록 내부저항과 인덕턴스를 맞추는 주문자 요구 방식을 따르고 있다.

제5도는 마이컴을 이용한 종래 스텝핑모터 제어회로를 개략적으로 나타내는 구성도이다. 제어부 10은 스텝핑모터40의 제어에 필요한 전반적인 동작을 제어한다. 스텝핑모터제어회로 20은 제1도에 도시된 A,, B,의 신호를 일정한 신호를 만들어 낸다. 모터구동기30은 스텝핑모터에서 필요로 하는 전기적 특성의 구동파형을 만들어 낸다.

제6도는 상기 제5도에 대한 일 실시예를 나타내는 도면이다.

먼저 제어부10은 일정한 주기간격(스텝핑모터 구동속도)으로 스텝핑모터제어회로20을 엑세스한다. 상기 스텝핑모터제어회로20은 어드레스 디코더22와 상기 어드레스 디코더22의 I/O포트 24로 구성된다. 상기 제어부 10이 미리 할당된 I/O포트24의 번지를 액세스하고 스텝핑노터 인에이블신호MOTOR_EN을 발생한 뒤 스텝핑모터40은 구동시킨다. 이때 상기 제어부 10은 데이터라인 D0-D3에 제2도의 (2a)에 나타낸 순서에 따라 데이터를 상기 I/O포트24에 라이트(write)한다. 이에 상기 I/O포트24는 상기 제2도의 (2a)에 나타낸 것과 같은 순서에 따라 I/O출력신호를 발생하고 이를 모터구동기30으로 인가한다. 상기 모터구동기30은 상기 I/O출력신호를 입력받아 스텝핑구동신호를 발생하고 이를 스텝핑모터40에 인가한다. 상기 스텝핑모터40은 상기 스텝핑구동신호를 인가받아 회전을 시작한다.

예를 들어, 팩시밀리의 스캐닝부에서 원고를 스캐닝하기 위하여 스텝핑모터를 여러 속도(100PPS, 200PPS, 300PPS, 400PPS.. )로 구동하는 경우, 상기한 모든 속도에 대하여 기구에서 필요로 하는 부하량 이상의 필요한 토오크를 얻으면서 동시에 발열, 진동등의 문제를 야기시키지 않는 스탭핑모터의 선정은 상당히 어렵다.

만약 고속에서 필요로 하는 토오크를 기준으로 스텝핑모터를 선정할 경우에는 저속으로 구동시 과다 토오크로 인한 발열 및 진동 등이 발생하는 문제점이 있고, 저속을 기준으로 스텝핑모터를 선정할 경우에는 고속으로 구동시 토오크 부족으로 인한 스텝핑모터 정지등의 문제점이 발생하였다. 그리고 저속회전에 필요로 하는 토오크를 기준으로 스텝핑모터를 선정할 경우 고속회전시 토오크부족으로 인한 스텝핑모터의 정지 및 스캐닝된 원고의 왜곡(distortion)의 문제점이 발생하였다.

따라서 본 발명의 목적은 저속구동되는 스텝핑모터에서 고속회전시 토오크의 부족으로 인한 스텝핑모터의 정지를 해결하고, 고속구동되는 스텝핑모터에서 저속회전시 과다 토오크로 인한 발열 및 진동등을 방지하는 회로를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 스텝핑모터를 저속, 중속, 고속으로 구동하기 위해 저속구동신호, 증속구동신호, 고속구동신호를 발생하고, 상기 스텝핑모터에 여자전류가 흐르게 하기 위하여 스텝핑모터인에이블 어드레스, 스위치인에이블 어드레스, 쓰기신호를 발생하는 제어수단과: 상기 쓰기신호에 따라 인에이블된 후, 상기 스텝핑모터인에이블 어드레스와 스위치인에이블 어드레스의 입력에 대응하여 각각 스텝핑모터인에이블신호와 스위치인에이블신호를 발생하고, 상기 스위치인에블신호에 동기되어 상기 제어수단으로부터 저속구동신호, 중속구동신호, 고속구동신호를 입력하여 각각 저속스위칭신호, 중속스위칭신호, 고속스위칭신호를 발생하는 수단과: 상기 저속스위칭신호, 중속스위칭신호, 고속스위칭신호를 입력에 대응하여 스텝핑모터구동전원의 양을 제어하여 저속전원제어신호, 중속전원제어신호, 고속전원제어신호를 발생하는 전원제어신호 발생수단과: 상기 스텝핑모터인에블신호에 동기되어 상기 저속구동신호, 중속구동신호, 고속구동신호를 입력하여 지연한 뒤, 상기 저속전원제어신호, 중속전원제어신호, 고속전원제어신호에 따라 상기 스텝핑모터의 구동을 제어하는 구동제어수단으로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.

우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 하기 설명에서는 구체적인 회로의 구성 소자등과 같은 많은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일뿐 이러한 특정사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게는 자명하다할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 용어들로서 이는 사용자 또는 칩설계자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으며, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 함은 당연한 사실이다.

제7도는 본 발명에 타른 스텝핑모터 제어회로를 개략적으로 블럭 구성도이다.

제7도를 참조하면, 제어부 10은 스텝핑모터40의 제어에 필요한 전반적인 동작을 제어한다. 스위치제어활50은 상기 제어부10으로부터 스텝핑모터인에이블 신호를 입력받아 스위칭구동신호를 발생한다. 스위치부70은 상기 스위칭구동신호를 입력받아 스텝핑모터40에 인가되는 구동전원의 전압 및 전류를 제어한다. I/O포트60은 상기 제어부10으로부터 인에블신호를 입력받아 I/O출혁신호를 발생한다. 예를들어 스텝핑모터40이 4상스텝핑모터라고 하면 A,, B,의 I/O출력신호를 발생한다. 모터구동기30은 상기 I/O출력신호를 입력받아 스텝핑턴터 40에서 필요로 하는 전기적 특성의 구동파형을 만들어 낸다.

먼저, 저속에 기준을 두고 정했을 경우 고속에서의 토오크를 보상하기 위한 스텝핑제어회로를 제8도에 나타내었다.

제8도를 참조하면, 저속회전시 제어부10은 스위치제어부50의 출력이 x111b가 되도록 라이트(write)한다. 그러면 스위치부70의 트랜지스터 FETI,FET2,FET3은 소오스와 드레인이 기지 무시가능한 전위차를 가지고 도통된다. 그러면, Rl,R2,R3은 단락(short)되어 없는 것과 마찬가지가 되고 모터구동기30에는 구동전원 VDD의 전압이 가해진다. 그리고 이때 스텝핑모터40으로의 여자는 하기의 (1)식자 같이 이루어진다.

여기에서

그리고 스텝핑모터40의 토오크을 저솥에 기준을 두고 제작한 경우의 예이므로 스텝핑모터40 내부의 R,L값은 기구적인 부하보다 다소 여유가 있을 정도의 스탭핑모터 토오크가 발생되도록 선택한 것으로 가정한다.

만약, 고속회전시에는 T의 상승시간동안에는 기구부하를 움직일 만한 토오크를 발생시키지 않을 수 있다. 이때에는 상기 스위치제어부50의 출력이 x000b가 되도록하여 상기 스위치부70의 FETI,FET2,FET3을 스위칭 오프시킨다. 이렇게 되면 시상수 τ :값은 L/(Rl.R2.R3)가 되어 저속의 시상수보다 작게 되므로 빠른 전류상승이 이루어진다.

단 구동전원 VDD의 :값을 높이지 않아도 τ의 시상수를 가지고도 스텝핑모터40의 코일정격전류의 허용치에 이를수 있어야 한다. 만약 스텝핑모터40의 코일정격전류가 모자라는 경우에는 구동전원 VDD상승을 위한 별도의 전원제어회로가 필요할 수도 있다.

한편, 고속 회전에 필요로 하는 토오크를 기준으로 스텝핑모터를 선정하는 경우 저속회전시 토오크 과다로 인한 스텝핑모터의 발열, 진동을 가져오는 단점이 있다. 이를 방지하기 위한 스텝핑모터 제어회로를 제9도에 나타내었다.

제9도를 참조하면, 고속회전시 제어될10은 스위치제어부50의 출력이 x000b가 되도록 라이트(write)한다. 그러면 스위치부80의 트랜지스터 FET1만이 도통되고 나머지 트랜지스터 FET2,FET3은 스위칭오프된다. 이에 구동전원 VDD는 모터구동기30 및 스텝핑모터40으로 공급된다. 이때 스텝핑모터40에 흐르는 코일전류는 상기한 식(1)에서 τ=L/R의 시상수를 가지고 상승하게 된다. 물론 고속구동을 기준으로 스텝핑모터를 선정한 경우 의 예이므로 스텝핑모터 내부피 R,L은 기구적인 부하보다 다소 여유가 있을 정도의 토오크를 발생하도록 선정되었기 때문에 문제가 발생하지 않는다.

만약 저속회전시에는 전류의 상승시간이 상대적으로 길기 때문에 전류가 많이 흘러 과다 토오크가 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해 제어부10은 스위치제어부50의 출력이 x100b가 되도록 라이트 한다. 그어면 스위치부80의 트랜지스터 FET3만이 도통되고 트랜지스터 FETI,FET2는 스위칭 오프된다. 이때 구동전원 VDD는 저항 Rl,R2,R3에 의해 분배되고 모터 구동기30으로 인가되는 전압의 크기는 VDD*R3/(Rl+R2+R3)가 된다. 그리고 상기 모터구동기30에 인가되는 전압이 고속시보다 낮으므로 동일한 τ의 시상수를 가지고 상승한다고 해도 코일전류는 낮아지고 자연히 토오크도 낮아져 저속시에도 발열 및 진동의 문제점 없이 스텝핑모터를 구동할 수 있다.

상술한 바와 같이 저속구동되는 스텝핑모터에서 고속회전시 토오크의 부족으로 인한 스텝핑모터의 정지를 해결하고, 고속구동되는 스텝핑모터에서 저속회전시 과다 토오크로 인한 발열 및 진동등이 해결된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 않되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해겨야 한다.

Claims (1)

1. 스텝핑모터를 구비한 전자장치의 스텝핑모터 제어회로에 있어서: 상기 스텝핑모터를 저속, 중속, 고속으로 구동하기 위해 저속구동신호, 중속구동신호, 고속구동신호를 발생하고, 상기 스텝핑모터에 여자전류가 흐르게 하기 위하여 스텝핑모터인에이블 어드레스, 스위치인에이블 어드레스, 쓰기신호를 발생하는 제어수단과: 상기 쓰기신호에 따라 인에이블된 후, 상기 스텝핑모터인에이블 어드레스와 스위치인에이블 어드레스의 입력에 대응하여 각각 스텝핑모터인에이블신호와 스위치인에이블신호를 발생하고, 상기 스위치인에이블신호에 동기되어 상기 제어수단으로부터 저속구동신호, 중속구동신호, 고속구동신호를 입력하여 각각 저속스위칭신호, 중속스위칭신호, 고속스위칭신호를 발생하는 수단과: 상기 저속스위칭신호, 중속스위칭신호, 고속스위칭신호를 입력에 대응하여 스텝핑모터구동전원의 양을 제어하여 저속전원제어신호, 중속전원제어신호, 고속전원제어신호를 발생하는 전원제어신호 발생수단과: 상기 스텝핑모터인에블신호에 동기되어 상기 저속구동신호, 중속구동신호, 고속구동신호를 입력하여 지연한 뒤, 상기 저속전원제어신호, 중속전원제어신호, 고속전원제어신호에 따라 상기 스텝핑모터의 구동을 제어하는 구동제어수단으로 이루어짐을 특징으로 하는 스텝핑모터 제어회로.