KR100294054B1 - 마이크로 스텝 모터 구동회로 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 스텝모터 구동회로에 관한 것으로서, 모터의 부하크기를 미리 파악하여 모터각상에 흘러야 하는 전류의 크기를 정하고, 이에 적합한 스위칭 트랜지스터의 입력전위를 형성하여 모터에 흐르는 전류를 궤환시켜 제어하는 궤환제어 시스템 없이 모터에 흐르는 전류를 형성하며, 이로 인해 모터의 소자수를 감소시키고 모터의 미세한 제어가 가능하다.
Description
본 발명은 마이크로 스텝모터(step motor)의 구동회로에 관한 것으로서, 특히 출력단의 전류를 검출하지 않고 마이크로 스텝모터를 제어하는 구동회로에 관한 것이다.
모터의 종류에는 모터의 구동방식에 따라 구동전원이 교류인 AC모터와 구동전원이 직류인 DC모터와 구동신호가 클럭펄스인 스텝모터로 구분할 수 있다.
스텝모터는 클럭펄스에 의해 모터의 각 상의 전류의 흐름을 제어하여 모터를 구동하고, 스텝모터의 이동각도는 클럭펄스의 개수에 의해 결정된다. 즉, 예를 들면 클럭펄스가 180개에 한바퀴를 회전하는 스텝모터가 있다면, 클럭펄스 1개가 입력될 때마다 2°정도 이동한다.
마이크로 스텝모터는 스텝모터의 클럭펄스 1개가 입력될 때 모터 각 상의 코일에 흐르는 전류의 양을 조절하고, 이로 인해 자계의 세기를 작게 조절하여 하나의 클럭펄스가 입력될 때 모터가 회전하는 각도를 감소시켜 회전각도를 미세하게 제어하는 모터이다.
이하에서 종래의 마이크로 스텝모터의 구동회로에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도1은 종래의 마이크로 스텝모터의 구동회로를 도시한 것이다.
종래의 마이크로 스텝모터 구동회로는 D/A 컨버터(1), 제1 연산증폭기(2), 비교기(3), 삼각파 발생회로(4), 스위칭 로직 회로(5), 스위칭 트랜지스터부(6), 전류 검출 저항(7), 모터(8), 제2 연산증폭기(9)로 구성되어 있다.
D/A 컨버터(1)의 출력단은 제1 연산증폭기(2)의 +입력단자에 연결되고, 제1연산증폭기(2)의 출력단은 비교기(3)의 +단자에 연결되고, 삼각파 발생회로(4)는 비교기(3)의 -단자에 연결된다. 비교기(3)의 출력단은 스위칭 로직회로(5)에 연결되고, 스위칭 로직회로(5)는 6개의 출력단이 스위칭 트랜지스터부(6)에 연결되고, 스위칭 트랜지스터의 3개의 출력단은 각상의 전류검출저항(7)에 연결되고, 전류검출저항(7)은 모터(8)의 각상에 연결되고, 전류검출저항(7)의 양단은 제2 연산증폭기(9)의 양단자에 연결되고, 제2연산증폭기(9) 출력단은 제1연산증폭기(2)의 -단자에 입력된다.
이와 같은 구조로 된 종래의 마이크로 스텝모터 구동회로의 동작은 아래와 같다.
먼저, 전류 검출 저항(7)을 통해 각 상에 흐르는 전류를 전류검출저항 양단의 전위를 측정하여 검출한다. 검출된 전류값을 제2 연산증폭기(9)를 통해 증폭하고, 증폭된 값은 제1 연산증폭기(2)의 -단자에 입력된다.
D/A컨버터(1)는 모터의 각상에 흘러야 하는 전류값을 나타내는 디지털 신호를 입력받아 아날로그값으로 변환한다.
제1 연산증폭기(2)는 -단자에 입력되는 귀환된 출력단의 전류값과 +단자에 입력되는 아날로그값을 비교하여 +단자의 값이 크면 양의 값을 출력하고 -단자의 값이 크면 음의 값을 출력한다.
비교기(3)는 삼각파 발생회로(4)에서 발생한 삼각파를 -단자에 입력받고 제1연산증폭기의 출력값을 +단자에 입력받고, 양단자의 입력값을 비교하여 +단자의 값이 클 때에는 하이값을 출력하고 -단자의 값이 클 때에는 로우값을 출력하여 PWM(pulse width modulation)파를 출력한다. 모터의 코일에 흐르는 전류는 이 PWM파의 듀티비(duty ratio)에 의해 결정된다. 즉, 듀티비가 크면 스위칭 트랜지스터의 온 시간이 길어서 전류가 많이 흐르고, 듀티비가 작으면 스위칭 트랜지스터의 온 시간이 짧아서 전류가 적게 흐른다. 종래의 마이크로 스텝모터는 이 전류의 양에 의해 미세한 모터회전각도를 제어한다. 즉, 하나의 펄스가 발생할 때 이동하는 모터의 회전각을 전류의 양에 의해 미세하게 조절한다.
스위칭 로직회로(5)는 비교기(3)가 출력하는 PWM파를 입력받아 스위칭 트랜지스터(6)를 온오프시키는 트랜지스터의 베이스단에 입력되는 신호를 생성하여 출력한다.
스위칭 트랜지스터(6)는 각상에 대해 각각 상단 트랜지스터(T1, T3, T5)와 하단 트랜지스터(T2, T4, T6)로 구성되며, 스위칭 트랜지스터(6)의 출력전류가 모터의 각상에 흘러 모터의 자계가 형성되고, 형성된 자계에 의해 모터가 회전한다.
전류 검출저항(7)은 모터의 각상에 흐르는 전류를 측정하기 위해 인가한 것이고, 전류 검출 저항(7)의 양단의 전압으로 모터의 각상에 흐르는 전류값을 알 수 있게 한다.
전류 검출 저항(7)에서 검출한 전류값을 제2 연산증폭기(8)에서 증폭하여 제1 연산증폭기(2)의 -단자로 출력한다.
이상과 같은 동작에 의해 구동하는 종래의 마이크로 스텝모터 구동회로는 모터 각상에 흐르는 전류를 궤환시켜 기준전류값과 비교하고, 모터에 흐르는 전류가 기준전류값보다 크면 스위칭 트랜지스터(6)에 입력되는 PWM파의 듀티비를 줄이고, 모터에 흐르는 전류가 기준전류값보다 작으면 PWM파의 듀티비를 증가시킨다. 이러한 방법을 모터의 회전각도를 제어한다.
하지만 종래의 마이크로 스텝모터 구동회로는 삼각파 발생회로, 연산증폭기 등의 회로가 복잡하게 구성되어 있음으로 인해 추가적인 비용이 드는 문제점과, 전류검출저항이 온도에 따라 저항값의 변화가 심하기 때문에 온도에 따른 오동작의 원인이 되는 문제점과, 여러 개의 증폭회로가 부가되어 있기 때문에 아날로그 소자의 출력이 노이즈에 의해 심하게 왜곡이 되는 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소자를 감소시켜 회로를 간단히 구성하고, 궤환시스템 없이도 모터의 회전각을 미세하게 제어하기 위한 것이다.
도1은 종래의 마이크로 스텝모터 구동회로이고,
도2는 본 발명의 마이크로 스텝모터 구동회로이고,
도3은 본 발명의 마이크로 스텝모터 구동회로의 상세도이고,
도4는 본 발명의 스위칭 트랜지스터를 도시한 것이다.
본 발명의 마이크로 스텝모터 구동회로는, 디지털 신호를 입력받아 아날로그 전위를 출력하는 D/A 컨버터, D/A 컨버터의 아날로그 출력전위를 입력받아 증폭하는 증폭기, 증폭기의 출력값을 입력받아 출력값을 반전하여 출력하는 반전기, 반전기의 출력값과 전원전압을 가산하여 출력하는 가산기, 가산기의 출력값과 증폭기의 출력값을 각 트랜지스터의 베이스에 입력받아 상기 가산기의 출력값과 증폭기의 출력값의 크기에 의해 출력전류의 양을 제어하는 스위칭 트랜지스터부, 스위칭 트랜지스터부에 의해 출력되는 전류를 입력받아 구동하는 모터를 포함한다.
여기서 스위칭 트랜지스터부는 직렬로 연결된 2개의 트랜지스터로 이루어진 트랜지스터쌍을 포함하며, 증폭기의 출력신호는 상단의 트랜지스터의 베이스에 입력되고, 가산기의 출력신호는 하단 트랜지스터 베이스에 입력되어 상하단 트랜지스터사이에서 분류되어 모터의 각상에 흐르는 전류의 양을 제어하는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2는 본 실시예의 마이크로 스텝모터 구동회로의 도면이다.
마이크로 스텝모터 구동회로는 D/A컨버터(11u, 11v, 11w), 증폭기(12u, 12v, 12w), 반전기(13u, 13v, 13w), 가산기(14u, 14v, 14w), 스위칭 트랜지스터부(15), 모터(16)로 구성된다.
D/A컨버터(11u, 11v, 11w)의 출력단은 증폭기(12u, 12v, 12w)에 연결되고, 증폭기(12u, 12v, 12w)의 출력단에 반전기(13u, 13v, 13w)가 연결되고, 반전기(13u, 13v, 13w)의 출력단에 가산기(14u, 14v, 14w)가 연결되고, 증폭기(12u, 12v, 12w)의 출력단과 가산기(14u, 14v, 14w)의 출력단은 스위칭 트랜지스터부(15)에 연결된다.
도3은 마이크로 스텝모터 구동회로의 상세회로도이다.
증폭기(12u)는 연산증폭기(oprational amplifier)(A1)와 저항(R1)으로 구성된다. D/A컨버터(11u)의 출력단이 연산증폭기(A1)의 -단자에 연결되고, 연산증폭기(A1)의 +단자는 접지점에 연결되고, 저항(R1)은 연산증폭기(A1)의 -단자와 출력단사이에 연결된다.
반전기(13u)는 연산증폭기(A2)와 저항(R2)으로 구성된다. 저항(R2)은 연산증폭기(A1)의 출력단과 연산증폭기(A2)의 -단자 사이에 연결되고, 연산증폭기(A2)의 +단자는 접지점에 연결되고, 저항(R2)은 연산증폭기(A2)의 -단자와 출력단 사이에 연결된다.
가산기(14u)는 연산증폭기(A3)와 저항(R3)으로 구성된다. 저항(R3)은 연산증폭기(A2)의 출력단과 연산증폭기(A3)의 +단자 사이에 연결되고, 저항(R3)은 연산증폭기(A3)의 +단자와 전원전압(Vcc) 사이에 연결되고, 저항(R3)은 연산증폭기(A3)의 -단자와 접지점 사이에 연결된다. 저항(R3)은 연산증폭기(A3)의 -단자와 출력단 사이에 연결된다.
또한, 스위칭 트랜지스터부(15)는 모터의 각상의 전류의 흐름을 제어하는 2개의 트랜지스터가 직렬로 연결된 트랜지스터쌍이 3쌍이 병렬로 위치해 있다. 증폭기(12u)의 출력단과 가산기(14u)의 출력단이 각각 직렬로 연결된 트랜지스터의 상단 트랜지스터(TR1)의 베이스와 하단 트랜지스터(TR2)의 베이스에 연결되고, 상하단 트랜지스터의 연결점(a)에서 선로가 분류되어 모터 각 상의 코일에 연결된다.
위와 같은 구조의 본 발명의 실시예의 동작에 대해 이하에서 설명한다.
이하에서는 모터의 한상(u상)의 동작에 대해 설명한다.
D/A컨버터(11u)는 이미 알고 있는 모터의 부하크기에 적합한 전류를 모터 각상에 흐르게 하기 위해 디지털 신호를 입력받고, 입력받은 신호를 아날로그 전위로 변환한다. 디지털 신호는 모터 각상에 위의 원하는 전류가 흐르게 하기 위한 트랜지스터 입력전위에 대응하는 디지털 신호이다. 예를 들어, 8비트 디지털 신호가 입력되고, 스위칭 트랜지스터의 입력전위가 0~5V범위이고, 원하는 스위칭 트랜지스터의 입력전위가 3.5V라면, 5V를 256등분으로 나누고 3.5V에 해당하는 디지털 신호가 입력되고 이를 아날로그 출력전위로 변환한다.
증폭기(12u)는 D/A컨버터(11u)의 아날로그 출력전위를 스위칭 트랜지스터의 베이스에 인가하는 전위수준으로 증폭한다. 앞에서 든 예의 경우, 일정한 크기의 아날로그 출력전위를 원하는 3.5V로 증폭한다.
반전기(13)는 증폭기(12u)의 출력전위를 반전시킨다. 예의 경우, 3.5V를 -3.5V로 변환시킨다.
가산기(14)는 증폭기(12u)의 전원전압(Vcc)과 반전기의 출력전위를 합한다. 예의 경우, 5V에 -3.5V를 더한다.
증폭기(12u)의 출력전위는 스위칭 상단 트랜지스터(TR1)의 베이스에 입력되고, 가산기의 출력전위는 스위칭 하단 트랜지스터(TR2)의 베이스에 입력된다. 즉, 예의 경우 3.5V는 상단 트랜지스터(TR1)의 베이스에 인가되고, 1.5V는 하단 트랜지스터(TR2)의 베이스에 인가된다.
본 실시예에서 상하단의 트랜지스터(TR1, TR2)의 액티브 영역을 사용하면 트랜지스터의 베이스에 인가되는 전압에 따라 트랜지스터의 이미터와 컬렉터에 흐르는 전류를 선형적으로 제어할 수 있다.
위의 전류의 제어에 대해서는 도4를 참조하여 설명한다.
따라서, 상하단 트랜지스터(TR1, TR2)의 베이스에 인가되는 전위를 조절하여 상단 트랜지스터의 이미터에 흐르는 전류(I1)와 하단 트랜지스터의 컬렉터(I2)에 흐르는 전류를 제어가 가능하고, 이에 따라 상단 트랜지스터의 이미터에 흐르는 전류(I1)와 하단 트랜지스터의 컬렉터에 흐르는 전류(I2)의 차에 해당하는 모터에 흐르는 전류(I3)의 크기를 제어할 수 있다. 모터에 흐르는 전류(I3)의 크기를 제어함으로써 모터 각상 코일의 자계의 크기를 제어할 수 있고, 모터의 미세한 회전각을 조절할 수 있다.
이상에서 모터의 한상(u상)에 대해 설명했으나 타상의 동작도 위와 같은 동작에 따른다.
본 실시예에서는 3상 모터에 대해 설명했으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 그외 다상의 모터에도 적용 가능하다.
출력단에서 입력단으로 전류를 검출하는 등의 궤한시스템없이 모터의 회전각을 미세하게 조절할 수 있다.
Claims (2)
- 제어부의 제어신호에 따라 3상 마이크로 스텝모터를 구동하는 3상 마이크로 스텝모터 구동회로에서,상기 제어부로부터 디지털 신호를 입력받아 아날로그 전위를 출력하는 D/A 컨버터,상기 D/A 컨버터의 아날로그 출력전위를 입력받아 증폭하는 증폭기,상기 증폭기의 출력값을 입력받아 상기 출력값을 반전하여 출력하는 반전기,상기 반전기의 출력값과 전원전압을 가산하여 출력하는 가산기,상기 가산기의 출력값과 상기 증폭기의 출력값을 각 트랜지스터의 베이스에 입력받아 상기 가산기의 출력값과 상기 증폭기의 출력값의 크기에 의해 트랜지스터에 흐르는 전류의 양을 제어하여 모터로 출력하는 스위칭 트랜지스터부를 포함하며,상기 스위칭 트랜지스터부에 직렬로 연결되어 모터 각상을 구동하는 상기 D/A컨버터, 증폭기, 반전기, 가산기는 모터 각상에 대해 개별적으로 존재하는 3상 마이크로 스텝모터 구동회로.
- 제1항에서,상기 스위칭 트랜지스터부는,직렬로 연결된 2개의 트랜지스터로 이루어진 3개의 트랜지스터쌍을 포함하며,상기 트랜지스터쌍은컬렉터가 전원전압에 연결되고 상기 증폭기의 출력신호가 베이스에 입력되는 상단 트랜지스터,상기 상단트랜지스터의 이미터에 컬렉터가 연결되고 상기 가산기의 출력신호가 베이스에 입력되고 이미터가 접지점에 연결되는 하단 트랜지스터를 포함하며,상기 상, 하단 트랜지스터의 베이스에 인가되는 신호의 전위크기에 의해 상, 하단 트랜지스터에 흐르는 전류량의 차를 제어하고, 전류량의 차를 모터 각상에 출력하여 모터의 회전을 제어하는 3상 마이크로 스텝모터 구동회로.
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