KR100447850B1 - 스텝모터의 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

스텝모터의 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

스텝모터의 제어장치 및 제어방법이 개시된다. 제어부는 스텝모터에 인가하는 여자전류량을 제어함에 있어서, 스텝모터의 토오크마진량 및 이동속도에 근거하여 단위스텝을 제 1분할스텝구간 및 제 2분할스텝구간의 2개구간으로 분할하고, 제 2분할스텝구간의 여자전류량을 제 1분할스텝구간의 여자전류량에 비하여 소정의 비율로 감쇄되도록 여자전류를 제어한다.
이와 같은 스텝모터의 제어장치 및 제어방법에 의하면, 저전력, 저진동 및 저소음의 향상된 구동특성을 갖는 제어장치를 구현할 수 있다.

Description

스텝모터의 제어장치 및 제어방법{Apparatus and method for controlling stepmotor}
본 발명은 스텝모터의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
모터의 종류에는 모터의 구동방식에 따라 구동전원이 교류인 AC모터, 구동전원이 직류인 DC모터 및 구동전원이 클럭펄스인 스텝모터로 구분할 수 있다.
스텝모터는 클럭펄스에 의해 모터의 각 상의 전류의 흐름을 제어하여 모터를 구동하는데, 이러한 클럭펄스는 모터의 각 상의 자계의 극성을 변화시켜 모터를 회전시킨다.
스텝모터의 종류는 상(권선)의 수에 따라 단상부터 6상 등의 종류가 있으며, 기본스텝각을 세분화한 마이크로스텝 여자방식의 마이크로스텝모터가 있다.
도 1은 종래기술에 의한 2상 하프스텝모터에 인가되는 여자전류 벡터의 궤적의 일예를 스텝의 경과에 대응하여 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이 각 스텝에 대응하는 여자전류벡터의 도면상 위치는 스텝 1(100), 스텝 2(110), 스텝 3(120), 스텝 4(130)이고, 각 스텝별로 인가되는 여자전류의 상과 크기는 아래의 표 1과 같다.
스텝 1 2 3 4
상 +A+B +B -A -B
전류 A 66% 100% 100% 100%
전류 B 66% 100% 100% 100%
도 2는 상기 도 1의 각 스텝에 대응하는 각 상의 여자전류의 파형도이다.
도시된 바와 같이 스텝 1은 하프스텝 구간으로서, 66%의 +A상전류 및 66%의 +B상전류를 합성한 합성전류벡터를 인가함으로써 하프스텝구간의 합성토오크가 단일 상 여자시의 토오크값에 근사하도록 되어 있다. 스텝 1 및 스텝 2는 저속구간이고, 스텝 3 및 스텝 4는 고속구간이다.
그런데 이러한 구조의 일반적인 하프스텝모터 제어장치는 스텝모터 회전자의 고속 회전시의 괘도이탈을 방지하기 위하여 회전토크량의 마진을 확보하여 설계한다. 따라서, 매 스텝 이동시마다 오버슈트 및 세틀링을 반복하여 회전자가 목표위치에 도달하게 되므로, 회전자의 여분토크량으로 인하여 진동 및 소음이 발생하고, 공진을 발생시키는 원인이 되기도 하며 전력소모가 많다는 단점이 있다.
한편, 마이크로스텝모터의 제어장치는 기본스텝을 다수의 구간으로 세분화하고, 세분화된 구간 내에서의 여자시 합성토오크값이 단일상 여자시의 합성토오크 값과 같아지도록 여자전류를 정현파상이 되도록 제어한다.
이러한 구조의 마이크로스텝 제어장치는 회전자의 저속회전시에도 미소각스텝핑 및 저진동의 구동특성이 있어 XY엑츄에이터 등의 분야에 주로 사용되지만, 고속회전시에 회전자의 괘도이탈의 가능성이 있어 고속회전용으로 사용하기에 부적합하며 제작원가가 상대적으로 비싸다는 단점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 고속회전시에 공진 및 탈조를 방지하고 저전력, 저진동 및 저소음의 구동특성을 갖는 스텝모터의 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래기술에 의한 2상스텝모터에 인가되는 여자전류 벡터의 궤적의 일예를 스텝의 경과에 대응하여 도시한 도면,
도 2는 상기 도 1의 각 스텝에 대응하는 각 상의 여자전류의 파형도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스텝모터의 제어장치를 개략적으로 나타낸 블럭도,
도 4는 상기 도 3의 스텝모터 제어장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스텝모터의 제어장치로부터 출력되는 여자전류 벡터의 궤적을 스텝의 경과에 대응하여 도시한 도면,
도 6은 상기 도 5의 각각의 스텝에 대응하는 각 상의 여자전류의 파형도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
500 : 스텝1의 제 1분할스텝구간의 여자전류상
510 : 스텝1의 제 2분할스텝구간의 여자전류상
520 : 스텝2의 제 1분할스텝구간의 여자전류상
530 : 스텝2의 제 2분할스텝구간의 여자전류상
540 : 스텝3의 제 1분할스텝구간의 여자전류상
550 : 스텝3의 제 2분할스텝구간의 여자전류상
560 : 스텝4의 제 1분할스텝구간의 여자전류상
570 : 스텝4의 제 2분할스텝구간의 여자전류상
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스텝모터의 제어장치는 스텝구간을 스테핑속도에 근거한 스텝분할비로 제 1분할스텝구간 및 제 2분할스텝구간의 2개 구간으로 분할하고, 상기 스텝모터에 인가되는 상기 제 1분할스텝구간의 여자전류량을 기설정된 전류감쇄비로 감쇄하여 상기 제 2구간에 상기 스텝모터에 인가되도록 여자전류를 제어하는 제어부; 및
상기 제어부로부터 입력되는 제어신호에 근거하여 상기 스텝모터를 구동하는 구동부를 구비한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한, 스텝모터의 제어방법은 (a)상기 스텝모터의 구동전류값, 토오크 마진값, 전류감쇄비 및 스텝분할비를 설정하는 단계; (b)상기 스텝모터의 스텝값에 대응하는 기설정된 구동전류값을 독출하는 단계; (c)스테핑속도를 연산하는 단계; (d)상기 토오크마진값 및 스테핑속도에 대응하는 기설정된 상기 전류감쇄비를 독출하는 단계; (e)상기 연산된 스테핑속도에 대응하는 기설정된 상기 스텝분할비를 독출하는 단계; (f)상기 독출된 스텝분할비로 상기 스텝구간을 제 1분할스텝구간 및 제 2분할스텝구간으로 분할하는 단계; (g)제 1분할스텝구간에 상기 독출된 구동전류를 상기 스텝모터에 인가하는 단계; 및 (h)제 2분할스텝구간에 상기 독출된 구동전류를 상기 독출된 전류감쇄비로 감쇄한 구동전류를 상기 스텝모터에 인가하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스텝모터의 제어장치를 개략적으로 나타낸 블럭도이고, 도 4는 상기 도 3의 스텝모터 제어장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스텝모터의 제어장치는 제어부(300), 및 구동부(310)를 구비하고, 제어부(300)는 중앙처리장치(CPU)(301), 롬(302), 램(303), 입출력인터페이스(I/O INTERFACE)(304) 및 상신호발생기(305)를 구비한다.
일반적으로 스텝모터의 제어장치를 설계할 때 스텝모터 구동시 회전자의 괘도이탈을 방지하기 위해서 스텝모터의 부하량에 따라 일정량의 토오크마진을 고려하여 설계한다.
롬(302)은 스텝모터를 구동할 각각의 스텝에 대응하는 여자전류값정보, 기설정한 토오크마진값정보, 전류감쇄비정보 및 스텝분할비정보를 저장하고 있다(단계 402).
중앙처리장치(CPU)(301)는 기설정된 구동전류값정보를 매 스텝단위로 롬(302)으로부터 독출하고(단계 404) 아래의 수학식 1에 근거해서 스테핑속도를 매 스텝단위로 연산하여 램(303)에 일시적으로 저장한다(단계 406).
단, Vsn은 현재스텝의 스테핑속도,
은 현재스텝에 대응하는 여자전류상의 위상각,
은 이전스텝에 대응하는 여자전류상의 위상각, 및
TS는 단위스텝의 주기이다.
그리고 중앙처리장치(CPU)(301)는 롬(302)으로부터 독출한 토오크마진값정보 및 연산된 스테핑속도에 대응하는 전류감쇄비정보를 롬(302)으로부터 독출하여 입출력인터페이스(I/O INTERFACE)(304)를 통해 램(303)에 일시적으로 저장한다(단계 408).
롬(302)에 저장되어 있는 전류감쇄비는 토오크마진량 및 스테핑속도에 반비례하도록 설정되어 있다.
아래의 표 2는 롬(302)에 저장되어 있는 전류감쇄비정보의 일실시예로서, 토오크마진량이 각각 30% 및 15%일때 스테핑속도에 대응하는 전류감쇄비를 나타낸다.
스테핑속도 45도/스텝주기 90도/스텝주기 135도/스텝주기
전류감쇄비 토오크마진 30% 50% 66% 75%
토오크마진 15% 75% 80% 85%
또한 중앙처리장치(CPU)(301)는 연산된 스테핑속도에 대응하는 기설정된 스텝분할비정보를 롬(302)으로부터 독출하여 입출력인터페이스(I/O INTERFACE)(304)를 통해 램(303)에 일시적으로 저장한다(단계 410).
상기한 스텝분할비는 아래의 수학식 2와 같이 정의되며 수학식 3을 만족한다.
단, Rsn은 현재스텝의 스텝분할비,
ts1은 제 1분할스텝구간, 및
ts2은 제 2분할스텝구간이다.
단, Rsn은 현재스텝의 스텝분할비,
Vsn은 현재스텝의 스테핑속도, 및
k 는 비례상수이다.
아래의 표 3은 롬(302)에 저장되어 있는 스텝분할비정보의 일실시예이다.
스테핑속도 45도/스텝주기 90도/스텝주기 180도/스텝주기
스텝분할비 20% 10% 5%
상기한 바와 같이 램(303)에 일시적으로 저장해 놓은 스텝분할비정보에 근거해서 중앙처리장치(CPU)(301)는 스텝을 제 1분할스텝구간 및 제 2분할스텝구간으로 분할하고(단계 412), 제 1분할스텝구간에 롬(302)으로부터 독출한 구동전류값정보에 대응하는 여자전류제어신호를 입출력인터페이스(I/O INTERFACE)(304)를 통하여 상신호발생기(305)로 출력한다(단계 414).
중앙처리장치(CPU)(301)는 제 2분할스텝구간에는 롬(302)으로부터 독출한 전류감쇄비정보에 근거하여 제 1분할스텝구간의 구동전류값을 감쇄하고, 이에 대응하는 여자전류제어신호를 입출력인터페이스(I/O INTERFACE)(304)를 통하여 상신호발생기(305)로 출력한다(단계 416).
한편, 상신호발생기(305)는 입출력인터페이스(I/O INTERFACE)(304)를 통하여 중앙처리장치(CPU)(301)로부터 입력받은 각각의 분할스텝구간에 대응하는 여자전류제어신호에 근거하여 여자전류신호를 분할스텝단위로 구동부(310)로 출력한다.
구동부(310)는 상신호발생기(305)로부터 입력되는 분할스텝단위의 여자전류신호에 근거하여 스텝모터(320)를 구동한다.
이하, 상기한 표 2 및 표 3에 나타낸 전류감쇄비(토오크마진 30%의 경우) 및 스텝분할비를 적용한 본 발명의 일실시예를 도 5 및 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스텝모터의 제어장치로부터 출력되는 여자전류 벡터의 궤적을 스텝의 경과에 대응하여 도시한 도면이고, 도 6은 상기 도 5의 각각의 스텝에 대응하는 각 상의 여자전류의 파형도이다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 토오크마진이 30%인 경우 전류감쇄비는 스테핑속도에 대해 각각 50%(45도/스텝주기), 66%(90도/스텝주기)이고, 또한 표 3에 나타낸 바와 같이, 스텝분할비는 스테핑속도에 대해 각각 20%(45도/스텝주기), 10%(90도/스텝주기)이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 스텝 1의 스테핑속도 (45도/스텝주기)에 대응하는 전류감쇄비는 50%이고 스텝분할비는 20%이므로, 스텝 1의 제 1분할스텝구간(600)의 여자전류상은 +A(66%)+B(66%)이고(500), 제 2분할스텝구간(610)의 여자전류상은 +A(33%)+B(33%)이며(510), 스텝 1구간에 대한 제 2분할스텝구간의 비율은 20%이다.
스텝 1의 제 1분할스텝구간(600)은 오버슈트구간이지만 제 2분할스텝구간(610)에서 여자전류를 감쇄시킴으로써 토오크마진으로 인한 진동 및 소음이 발생하지 않는다.
즉, 상 이동구간(600)에는 강한 토오크를 인가하여 회전자의 괘도이탈을 방지하고, 상 안정구간(610)에는 감쇄한 여자전류를 인가하여 진동, 소음 및 공진을 방지한다.
마찬가지로 스텝 2의 스테핑속도 (45도/스텝주기)에 대응하는 전류감쇄비는 50%이고 스텝분할비는 20%이므로 스텝 2의 제 1분할스텝구간(620)의 여자전류상은 +B(100%)이고(520), 제 2분할스텝구간(630)의 여자전류상은 +B(50%)이며(530), 스텝 2구간에 대한 제 2분할스텝구간의 비율은 20%이다.
스텝 3의 스테핑속도 (90도/스텝주기)에 대응하는 전류감쇄비는 66%이고 스텝분할비는 10%이므로 스텝 2의 제 1분할스텝구간(640)의 여자전류상은 -A(100%)이고(540), 제 2분할스텝구간(650)의 여자전류상은 -A(66%)이며(550), 스텝 2구간에 대한 제 2분할스텝구간의 비율은 10%이다.
스텝 4의 스테핑속도 (90도/스텝주기)에 대응하는 전류감쇄비는 66%이고 스텝분할비는 10%이므로 스텝 2의 제 1분할스텝구간(660)의 여자전류상은 -B(100%)이고(560), 제 2분할스텝구간(670)의 여자전류상은 -B(66%)이며(570), 스텝 2구간에 대한 제 2분할스텝구간의 비율은 10%이다.
각각의 분할스텝별 스테핑속도, 전류감쇄비, 전류상, 및 크기는 아래의 표 4와 같다.
스텝 1 2 3 4
제 1구간 제 2구간 제 1구간 제 2구간 제 1구간 제 2구간 제 1구간 제 2구간
스테핑속도 45도/스텝 45도/스텝 90도/스텝 90도/스텝
전류감쇄비 50% 50% 66% 66%
스텝분할비 80% 20% 80% 20% 90% 10% 90% 10%
전류상 +A+B +B -A -B
전류 A 66% 33% 100% 50% 100% 66% 0% 0%
전류 B 66% 33% 0% 0% 0% 0% 100% 66%
합성벡터 전류크기 94% 47% 100% 50% 100% 66% 100% 66%
상기한 실시예에서의 전류감쇄비 및 스텝분할비는 스텝모터의 전기적 특성 및 토오크특성을 고려하여 보다 세분화 하고 다양한 값을 취할 수 있다.
본 발명에 따른 스텝모터의 제어장치 및 제어방법에 의하면, 스텝모터의 구동시 매 스텝마다 발생하는 오버슈트 및 세틀링으로 인한 진동, 소음 및 공진을 방지함으로써 저전력, 저소음, 및 저진동의 향상된 구동특성을 갖는 스텝모터의 제어장치를 구현할 수 있다.

Claims (9)

  1. 스텝모터의 제어장치에 있어서,
    스텝구간을 스테핑속도에 대응하는 스텝분할비로 제 1분할스텝구간 및 제 2분할스텝구간의 2개 구간으로 분할하고, 상기 스텝모터에 인가되는 상기 제 1분할스텝구간의 여자전류량을 기설정된 토오크마진값에 대응하는 전류감쇄비로 감쇄시킨 여자전류가 상기 제2분할스텝구간에서 상기 스텝모터에 인가되도록 하기 위한 제어신호를 생성하는 제어부; 및
    생성된 상기 제어신호에 근거하여 상기 스텝모터를 구동하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝모터의 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는 각각의 스텝에 대응하는 여자전류정보, 상기 토오크마진정보, 상기 스텝분할비정보, 및 상기 전류감쇄비정보를 저장하고 있는 롬;
    상기 정보들을 일시적으로 저장하고 있는 램;
    상기 스텝분할비정보 및 상기 전류감쇄비정보를 상기 롬으로부터 독출하고, 독출된 상기 스텝분할비 및 상기 전류감쇄비에 근거해서 각 분할스텝구간의 여자전류를 연산하여 여자전류제어신호를 출력하며, 상기 제어부의 각 구성요소들을 전반적으로 제어하는 중앙처리장치(CPU);
    상기 제어부의 각 구성요소들간에 정보를 상호 교환하도록 하는 입출력인터페이스(I/O INTERFACE); 및
    상기 입출력인터페이스(I/O INTERFACE)로부터 입력되는 상기 여자전류제어신호에 근거하여 각각의 상에 대응하는 여자전류신호를 상기 분할스텝단위로 출력하는 상신호발생기를 구비함을 특징으로 하는 스텝모터의 제어장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 중앙처리장치(CPU)는 아래의 수식에 근거하여 상기 스테핑속도를 매 스텝단위로 연산하며, 상기 연산된 스테핑속도에 대응하는 상기 스텝분할비정보를 상기 롬으로부터 독출함을 특징으로 하는 스텝모터의 제어장치.
    단, Vsn은 현재스텝의 스테핑속도,
    은 현재스텝에 대응하는 여자전류상의 위상각,
    은 이전스텝에 대응하는 여자전류상의 위상각, 및
    TS는 단위스텝의 주기이다.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 스텝분할비는 아래의 수식을 만족하며 소정의 단계로구분되어 상기 롬에 저장되어 있음을 특징으로 하는 스텝모터의 제어장치.
    이면,
    단, Rsn은 현재스텝의 스텝분할비,
    ts1은 제 1분할스텝구간,
    ts2은 제 2분할스텝구간,
    Vsn=현재스텝의 스테핑속도, 및
    k=비례상수이다.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 전류감쇄비는 상기 토오크마진값 및 스테핑속도에 반비례하는 관계로 대응되어 상기 롬에 저장되어 있음을 특징으로 하는 스텝모터의 제어장치.
  6. 스텝모터의 제어방법에 있어서,
    (a)상기 스텝모터의 구동전류값, 토오크 마진값, 전류감쇄비 및 스텝분할비를 설정하는 단계;
    (b)상기 스텝모터의 스텝값에 대응하는 기설정된 구동전류값을 독출하는 단계;
    (c)스테핑속도를 연산하는 단계;
    (d)기설정된 상기 토오크 마진값 및 연산된 상기 스테핑속도에 대응하는 기설정된 상기 전류감쇄비를 독출하는 단계;
    (e)연산된 상기 스테핑속도에 대응하는 기설정된 상기 스텝분할비를 독출하는 단계;
    (f)독출된 상기 스텝분할비로 스텝구간을 제 1분할스텝구간 및 제 2분할스텝구간으로 분할하는 단계;
    (g)상기 제 1분할스텝구간에서 독출된 상기 구동전류를 상기 스텝모터에 인가하는 단계; 및
    (h)상기 제 2분할스텝구간에서 독출된 상기 구동전류를 독출된 상기 전류감쇄비로 감쇄시킨 구동전류를 상기 스텝모터에 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝모터의 제어방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 (c)단계는 아래의 수식에 근거하여 상기 스테핑속도를 연산함을 특징으로 하는 스텝모터의 제어방법.
    단, Vsn은 현재스텝의 스테핑속도,
    은 현재스텝에 대응하는 여자전류상의 위상각,
    은 이전스텝에 대응하는 여자전류상의 위상각, 및
    TS는 단위스텝의 주기이다.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 (d)단계는 상기 전류감쇄비가 상기 토오크마진값 및 상기 스테핑속도에 반비례하여 대응함을 특징으로 하는 스텝모터의 제어방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 (e)단계는 상기 스텝분할비가 아래의 수식을 만족함을 특징으로 하는 스텝모터의 제어방법.
    이면,
    단, Rsn은 현재스텝의 스텝분할비,
    ts1은 제 1분할스텝구간,
    ts2은 제 2분할스텝구간,
    Vsn=현재스텝의 스테핑속도, 및
    k=비례상수이다.
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