KR20050109799A - 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어장치에 관한 것으로, 특히 일정한 각도마다 자극이 형성된 로터, 및 적어도 2개이상의 여자 코일을 갖는 스텝핑 모터를 제어하는 장치로서, 스텝핑 모터의 각 여자 코일에 전류를 공급하는 구동부와, 스텝핑 모터의 인접된 여자 코일에 유도된 역기 전압을 전달받아 역기 전압과 기준 신호를 비교하고 그 차이에 따라 구동부의 턴온 주기를 제어하는 제어기를 포함한다. 그러므로 본 발명은 스텝핑 모터의 여자 코일에 걸리는 역기 전압을 검출한 후에 검출된 역기 전압과 기준 신호와의 차이에 따라 구동부내 트랜지스터의 턴온 신호의 주기를 제어함으로써 스텝핑 모터의 탈조 및 고유 진동으로 인한 오동작을 방지할 수 있다.

Description

스텝핑 모터의 탈조 방지 제어장치{CONTROLLER FOR SET OUT OF THE STEPPING MOTOR}
본 발명은 스텝핑 모터에 관한 것으로서, 특히 스텝핑 모터의 탈조 및 고유 진동으로 인한 오동작을 방지할 수 있는 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 스텝 모터(stepping motor)는 입력 펄스에 맞추어 일정 각도 단위로 회전하므로 펄스 모터라고도 하는데, 일정 각도로 회전하므로 위치 정보를 궤환 시키지 않고 현재의 위치 정보를 알 수 있다. 그러므로 스텝핑 모터는 여러 가지 분야에 사용할 수 있으며, 예를 들면, 자기 테이프의 구동, 광 디스크 기록 재생 장치에서의 픽업의 이송, 복사기, 팩시밀리 등에 이용된다. 게다가 스텝핑 모터는 소형, 고토크, 고수명이라는 특징을 가지며, 스텝핑 모터 위치를 피드백(feed-back)하지 않는 개방 루프(open loop) 제어에 의한 구동방법이 일반적이다. 그러나, 이 개방 루프 제어에 의한 구동에서는 모터의 회전 각도가 목표로부터 벗어나는 탈조(脫調), 모터의 진동, 고속회전의 달성이 곤란한 등의 문제가 있다.
한편, 폐루프(closed loop) 제어에 의한 구동방법으로서는, 스텝핑 모터에 인코더(encoder)를 부여하고 이 인코더에 의해서 모터의 회전 각도를 검출하면서 해당 모터를 제어하기 때문에 탈조나 진동을 억제하여 고속 회전성을 향상시킬 수 있다.
미국 특허 제4,963,808호에는 2상 스텝핑 모터의 개방 루프 제어 및 2상 스텝핑 모터를 DC 모터로서 사용하는 폐루프 제어를 전환하여 2종류의 동작 모드로 2상 스텝핑 모터를 이용하는 것이 가능한 구성이 기재되어 있다. 또한, 여기에는 스텝핑 모터의 회전 각도를 검출하는 인코더의 1둘레분의 출력 펄스수를 스텝핑 모터의 로터의 자극수의 정수배로 해두고, 스텝핑 모터를 1상 여자하여 로터를 소정 위치에 정지시킨 상태에서 로터를 회전시켜, 이 회전에 따라 인코더로부터 소정수의 펄스가 출력될 때에 스텝핑 모터의 여자전류를 전환하여, 이것에 의해서 인코더의 출력 펄스와 스텝핑 모터의 여자전류간의 위상차를 무조정으로 소정 오차이하로 억제한다는 기술도 병행하여 기재되어 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 스텝핑 모터의 제어 장치를 나타낸 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래 폐루프 방식에 의한 스텝핑 모터의 제어 장치는 구동부(121), 제어기(124), 스텝핑 모터(125), A상 스테이터(126), B상 스테이터(127), 인코더(128), 로터(129), 2치화 회로(134), 카운터(135), 코드 컨버터(136), 데이터 셀렉터(137) 등으로 구성된다.
종래 제어 장치는 스텝핑 모터(125)의 로터(129)의 회전 각도를 인코더(128)에 의해서 검출하여 해당 검출된 회전 각도를 2치화 회로(134), 카운터(135)를 통해서 제어기(124)에 전달하고, 제어기(124)에서는 구동부(121)를 구동하는 폐루프 제어에 의해, 스텝핑 모터(125)의 로터(129)를 고속 회전시킨다.
이때 구동부(121)는 서로 독립한 A상 전류 드라이버(122) 및 B상 전류 드라이버(123)로 이루어진다. A상 전류 드라이버(122) 및 B상 전류 드라이버(123)는, 제어부(124)로부터 데이터 셀렉터(137)를 통하여 A상 및 B상 전류 지령값을 입력하여, 해당 각 전류 지령값의 전류를 형성하여 이것들의 전 A상 스테이터(126) 및 B상 스테이터(127)에 공급하여 이것에 의해서 스텝핑 모터(125)를 구동한다. 구체적으로는, A상 전류 드라이버(122) 및 B상 전류 드라이버(123)는 A상 및 B상 전류 지령값을 나타내는 각각의 디지털 데이터를 각 아날로그신호로 변환하는 D/A 변환기와, 해당 각 아날로그 신호를 증폭하여 A상 스테이터(126) 및 B상 스테이터(127)에 전달하는 증폭기로 구성되어 있다. 이때 A상 스테이터(126) 및 B상 스테이터(127)는 한 쌍으로 구성되어 있다. 도 1에서는 설명의 간략화를 위해 구동부(121)의 A상 전류 드라이버(122) 및 B상 전류 드라이버(123)를 각각 하나로 도시하였지만, A상 및 B상의 스테이터(126, 127)가 한 쌍으로 구성될 경우 이들 드라이버(122, 123)도 한 쌍으로 구성되어야 한다.
도 2는 종래 기술에 의한 유니폴라형 스텝핑 모터의 구동 회로를 나타낸 도면이다. 도 3과 같이, 종래 구동 회로는 한 쌍의 A상 및 B상의 여자 코일을 갖는 스텝핑 모터(125)에 각각 A상 및 B상 전류를 공급하는 트랜지스터들을 포함한다. 이때 트랜지스터들은 도 1의 전류 드라이버(122, 123)내 증폭기와 동일하거나 증폭기의 출력단에 별도로 구비된다.
도 3은 도 2의 트랜지스터들의 각 구동 신호를 나타낸 파형도로서, 도 2 및 도 3을 참조하면, 스텝핑 모터(125)의 각 여자 코일에 공급되는 총 4개의 신호 파형은 신호 펄스의 상(phase)을 다르게 함으로써, 로터(129)의 회전을 얻는다. 이때 스텝핑 모터(125)의 A상 및 B상 전류 드라이버인 트랜지스터에 인가되는 신호 펄스는 제어기의 제어에 따라 데이터 셀렉터에서 A+, A-, B+, B-의 펄스 열이 순차적으로 생성된다.
그러면 순차적으로 인가되는 A+, A-, B+, B-의 구동 신호에 따라 각 트랜지스터가 턴온되어 스텝핑 모터(125)의 a, b, c, d의 여자 코일에 여자 전류가 흘러서 로터를 회전시킨다. 예를 들어, A+ 신호에 의해 해당 트랜지스터가 턴온(on)되어 a의 코일을 통해 여자 전류가 흐르게 되고, 이로 인해 스텝핑 모터(125)의 로터가 일정각으로 회전된다. 그리고 A- 신호에 의해 b의 코일을 통해 여자 전류가 흐르게 되면 스텝핑 모터(125)의 로터가 일정각으로 계속 회전된다. 마찬가지로 B+, B- 신호에 의해서도 c, d 코일을 통해 순차적으로 여자 전류가 흐르게 되어 스텝핑 모터(125)의 로터가 일정각으로 계속 회전된다.
그런데 이와 같은 폐루프를 이용한 스텝핑 모터의 제어장치의 경우 인코더를 이용하여 로터의 회전각을 검출하고 인코더의 신호와 스텝핑 모터의 여자 전류간의 위상차를 최소하도록 제어기에서 제어하더라도 스텝핑 모터의 코일에 유도는 역기 전압(back EMF)에 의해 모터의 회전이 불균일하게 된다. 모터 회전시 코일 a에는 전류가 흐르지 않고 단지 로터의 마그네트가 코일 주위에 움직여 플레밍의 오른손 법칙에 따라 전압이 유기되는 것이다.
다시 말해서, A- 신호에 의해 b의 코일을 통해 여자 전류가 흐르게 된 후에, 이후 다시 A+ 신호에 의해 a의 코일에 연결된 트랜지스터가 턴온될 경우 해당 트랜지스터에는 전원과 역기 전압의 합에 따른 큰 전류가 순간적으로 흐르게 된다. 이에 따라 스텝핑 모터의 로터에 고유 진동수가 발생하게 되고 결국 스텝핑 모터의 회전이 불균일하게 된다. 이러한 스텝핑 모터의 불균일 동작은 탈조나 진동의 발생을 야기하여 모터의 고속 회전성을 저하시키게 된다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 스텝핑 모터의 여자 코일에 걸리는 역기 전압을 검출한 후에 검출된 역기 전압과 기준 신호와의 차이에 따라 A상 및 B상 전류 드라이버인 트랜지스터의 턴온 신호의 주기를 제어함으로써 스텝핑 모터의 탈조 및 고유 진동으로 인한 오동작을 방지할 수 있는 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 일정한 각도마다 자극이 형성된 로터, 및 적어도 2개이상의 여자 코일을 갖는 스텝핑 모터를 제어하는 장치로서, 스텝핑 모터의 각 여자 코일에 전류를 공급하는 구동부와, 스텝핑 모터의 인접된 여자 코일에 유도된 역기 전압을 전달받아 역기 전압과 기준 신호를 비교하고 그 차이에 따라 구동부의 턴온 주기를 제어하는 제어기를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명에 따른 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어장치를 나타낸 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 폐루프 방식에 의한 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어 장치는 구동부(121), 제어기(124), 스텝핑 모터(125), A상 스테이터(126), B상 스테이터(127), 인코더(128), 로터(129), 2치화 회로(134), 카운터(135), 코드 컨버터(136), 데이터 셀렉터(137) 등으로 구성된다.
본 발명의 제어 장치내 구동부(121)는 서로 독립한 A상 전류 드라이버(122) 및 B상 전류 드라이버(123)로 이루어진다. A상 전류 드라이버(122) 및 B상 전류 드라이버(123)는, 제어부(124)로부터 데이터 셀렉터(137)를 통하여 A상 및 B상 전류 지령값을 입력하여, 해당 각 전류 지령값의 전류를 형성하여 이것들의 전 A상 스테이터(126) 및 B상 스테이터(127)에 공급하여 이것에 의해서 스텝핑 모터(125)를 구동한다. 구체적으로는, A상 전류 드라이버(122) 및 B상 전류 드라이버(123)는 A상 및 B상 전류 지령값을 나타내는 각각의 디지털 데이터를 각 아날로그신호로 변환하는 D/A 변환기와, 해당 각 아날로그 신호를 증폭하여 A상 스테이터(126) 및 B상 스테이터(127)에 전달하는 증폭기로 구성되어 있다. 이때 A상 스테이터(126) 및 B상 스테이터(127)는 한 쌍으로 구성되어 있다. 도 4에서는 설명의 간략화를 위해 구동부(121)의 A상 전류 드라이버(122) 및 B상 전류 드라이버(123)를 각각 하나로 도시하였지만, A상 및 B상의 스테이터(126, 127)가 한 쌍으로 구성될 경우 이들 드라이버(122, 123)도 한 쌍으로 구성되어야 한다.
본 발명의 제어 장치는 스텝핑 모터(125)의 각 여자 코일에서 유기된 역기 전압을 제어기(124)에 전달한다. 제어기(124)에서는 각 여자 코일에 유기된 역기 전압과 기준 신호를 비교하여 각 역기 전압이 기준 신호보다 낮을 경우 해당 여자 코일에 대응되는 A상 및 B상 전류 드라이버(122, 123)인 트랜지스터의 턴온 신호의 주기를 제어함으로써 스텝핑 모터의 탈조 및 고유 진동으로 인한 오동작을 방지한다. 본 발명의 나머지 구성 요소는 도 1의 종래 기술과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
이때 본원 발명의 제어 장치는 스텝핑 모터(125)의 로터(129)의 회전 각도를 검출하는 인코더(128), 2치화 회로(134), 카운터(135), 및 코드 컨버터(136)를 생략하여 폐루프를 구성할 수도 있다.
도 5는 일반 스텝핑 모터 구조를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 스텝핑 모터(125)는 2상 PM형으로, 2상 여자에 의한 스텝각이 18℃이다. 스텝핑 모터(125)는 각도 72℃마다 NS극이 성극되어, 1둘레에서 N극 및 S극이 5극씩 성극된 영구 자석으로 이루어지는 로터와, 한쌍의 A상 스테이터(126) 및 B상 스테이터(127)로 이루어지는 2상의 여자 코일을 구비하고 있다. 각 A상 스테이터(126) 및 B상 스테이터(127)는, 각도 72℃마다 NS극이 성극되어, 1둘레에서 5극씩의 NS극을 형성하는 각각의 요크를 가지며, 이것들의 요크가 로터의 주위에 배치되어 있다. 이때 A상 스테이터(126)의 요크의 각 자극과 B상 스테이터(127)의 요크의 각 자극은 18℃서로 어긋나 배치되어 있다.
도 6은 본 발명에 따른 유니폴라형 스텝핑 모터의 구동 회로를 나타낸 도면이다. 도 6과 같이, 본 발명이 적용된 구동 회로는 한 쌍의 A상 및 B상 여자 코일(a, b, c, d)을 갖는 스텝핑 모터(125)에 각각 A상 및 B상 전류를 공급하는 트랜지스터들을 포함한다. 이때 트랜지스터들은 도 1의 전류 드라이버(122, 123)내 증폭기와 동일하거나 증폭기의 출력단에 별도로 구비된다.
그리고 이들 스텝핑 모터(125)의 각 여자 코일(a, b, c, d)과 트랜지스터 에미터 사이의 노드는 제어기(124)로 연결된다. 이로 인해 스텝핑 모터(125)내 한 쌍의 A상 및 B상 여자 코일에 유도된 역기 전압은 제어기(124)에 전달된다.
도 7은 도 6의 스텝핑 모터의 각 역기 전압을 나타낸 파형도로서, 도 6 및 도 7를 참조하면, 스텝핑 모터(125)의 각 여자 코일에 유기된 역기 전압(a', b', c', d') 역시, A상 및 B상 전류 드라이버인 트랜지스터에 인가되는 신호 펄스와 마찬가지로 순차적으로 생성된다. 예를 들어, A- 신호에 의해 해당 트랜지스터가 턴온되어 여자 코일 b에 여자 전류가 흐르게 되면, 여자 코일 a에 역기 전압(a')이 유기된다. 그러므로 본 발명의 제어기(124)에서는 상기 a' 역기 전압 펄스와 기준 신호인 A+ 신호 펄스를 비교하여 이들 신호 차이에 따라 해당 트랜지스터의 A- 신호의 주기를 제어한다. 마찬가지로 제어기(124)는 상기 b', c', d'의 역기 전압 펄스와 해당 기준 신호인 A-, B+, B- 신호 펄스를 비교하여 이들 신호 차이에 따라 각 트랜지스터의 A-, B+, B- 신호의 주기를 제어한다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 폐루프 방식에 의한 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어 장치는 다음과 같이 작동한다.
우선, 제어기(124)는 스텝핑 모터(125)의 로터(129)의 회전방향을 결정한다. 예를 들면, 회전 방향을 시계 회전 방향으로 한다. 제어기(124)는 카운터(135)에 클리어신호를 출력하여 계수값을 0으로 하고, 데이터 셀렉터(137)에 정방향 값을 갖는 회전방향 데이터(CW), 모터초기 상태 데이터(CM)를 출력한다.
이에 코드 컨버터(136)는 P비트 및 Q비트를 데이터 셀렉터(137)에 제공하고, 데이터 셀렉터(137)는 A상 전류 지령값(A+, A-) 및 B상 전류 지령값(B+, B-)을 구동부(121)에 제공한다.
구동부(121)는 A상 전류 드라이버(122) 및 B상 전류 드라이버(123)를 통해 A상 및 B상 전류 지령 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이를 증폭하여 스텝핑 모터(125)의 여기 코일에 여기 전류를 공급한다.
그러면 순차적으로 인가되는 A+, A-, B+, B-의 신호에 따라 구동부(121)의 각 트랜지스터가 턴온되면 스텝핑 모터(125)의 a, b, c, d의 여자 코일에 여자 전류가 흘러서 결국 로터(129)가 회전된다. 예를 들어, A+ 신호에 의해 해당 트랜지스터가 턴온(on)되어 a의 코일을 통해 여자 전류가 흐르게 되고, 이로 인해 스텝핑 모터(125)의 로터(129)가 일정각(예컨대 18℃)으로 회전된다. 그리고 A- 신호에 의해 b의 코일을 통해 여자 전류가 흐르게 되면 스텝핑 모터(125)의 로터(129)가 18℃로 회전된다. 마찬가지로 B+, B- 신호에 의해서도 c, d 코일을 통해 순차적으로 여자 전류가 흐르게 되어 스텝핑 모터(125)의 로터(129)가 계속 18℃씩 회전된다.
이와 같이 구동부(121)를 통해 스텝핑 모터(125)의 로터(129)가 회전할 때 a, b, c, d의 여자 코일에 각각 유기된 역기 전압(a', b', c', d)은 제어기(124)에 전달된다. 제어기(124)는 각 여자 코일에 유기된 역기 전압(a', b', c', d) 펄스와 기준 신호인 A+, A-, B+, B- 펄스를 비교한다. 이들 펄스의 차이가 있을 경우 제어기(124)는 데이터 셀렉터(137)를 통해 해당 여자 코일에 대응되는 A상 및 B상 전류 드라이버(122, 123)인 트랜지스터의 턴온 신호인 A+, A-, B+, B-의 주기를 제어하도록 한다.
예를 들어, 제어기(124)에 전달된 역기 전압 a'의 펄스가 17℃이고 설정된 A+ 펄스가 18℃라면, 이들 펄스 차이인 1℃만큼 A- 펄스 신호의 주기를 증가시킨다. 이에 따라 데이터 셀렉터(137)를 통해 A상 전류 드라이버(122)인 트랜지스터에 인가되는 A- 신호의 펄스 신호가 19℃회전각을 갖도록 펄스폭이 증가된다. 만약 역기 전압 a'의 펄스가 19℃이고 설정된 A+ 펄스가 18℃라면, 제어기(124)는 이들 펄스 차인 -1℃만큼 A- 펄스 신호의 주기를 감소시킨다. 이에 따라 데이터 셀렉터(137)를 통해 A상 전류 드라이버(122)인 트랜지스터에 인가되는 A- 신호의 펄스 신호가 17℃회전각을 갖도록 펄스폭이 감소된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 스텝핑 모터의 여자 코일에 걸리는 역기 전압을 검출한 후에 검출된 역기 전압과 기준 신호와의 차이에 따라 A상 및 B상 전류 드라이버인 트랜지스터의 턴온 신호의 주기를 제어함으로써 스텝핑 모터의 탈조 및 고유 진동으로 인한 오동작을 방지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 종래 기술에 의한 스텝핑 모터의 제어 장치를 나타낸 구성도,
도 2는 종래 기술에 의한 유니폴라형 스텝핑 모터의 구동 회로를 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 트랜지스터들의 각 구동 신호를 나타낸 파형도,
도 4는 본 발명에 따른 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어장치를 나타낸 구성도,
도 5는 일반 스텝핑 모터 구조를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 유니폴라형 스텝핑 모터의 구동 회로를 나타낸 도면,
도 7은 도 6의 스텝핑 모터의 각 역기 전압을 나타낸 파형도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
121 : 구동부 124 : 제어기
125 : 스텝핑 모터 126 : A상 스테이터
127 : B상 스테이터 128 : 인코더
135 : 카운터 136 : 코드 컨버터
137 : 데이터 셀렉터

Claims (2)

  1. 일정한 각도마다 자극이 형성된 로터, 및 적어도 2개이상의 여자 코일을 갖는 스텝핑 모터를 제어하는 장치로서,
    상기 스텝핑 모터의 각 여자 코일에 전류를 공급하는 구동부와,
    상기 스텝핑 모터의 인접된 여자 코일에 유도된 역기 전압을 전달받아 상기 역기 전압과 기준 신호를 비교하고 그 차이에 따라 상기 구동부의 턴온 주기를 제어하는 제어기
    를 포함하는 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동부는 각 여자 코일에 대응되는 다수개의 트랜지스터를 포함하며 상기 제어기는 상기 구동부의 어느 한 트랜지스터가 동작되는 동안 다른 트랜지스터의 여자 코일에 유도된 역기 전압과 상기 기준 신호의 차이에 따라 상기 어느 한 트랜지스터의 턴온 주기를 제어하는 것을 특징으로 하는 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어장치.
KR1020040034815A 2004-05-17 2004-05-17 스텝핑 모터의 탈조 방지 제어장치 KR20050109799A (ko)

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