KR890004100B1 - 스텝모터 구동회로 - Google Patents

스텝모터 구동회로 Download PDF

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

내용 없음.

Description

스텝모터 구동회로
제1도는 스텝모터 기본 구성도.
제2도는 본 발명에 따른 블럭도.
제3도는 본 발명에 따른 제2도의 구체회로도.
제4도는 본 발명에 따른 위상비교 상태의 다이아드램과 제3도 동작 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 마이콤 20 : 스텝모터
30 : 샤프트엔코더 40 : 분주기
50 : 위상검출부 60 : 루우프필터
70 : 속도업/다운래치회로 80 : 램프회로
90 : 차동증폭부 100 : 전압제어발진기
110 : 카운터 120 : 이피롬
본 발명은 스텝모터(Step Motor) 구동회로에 관한 것으로, 특히 보오드(Bode) 선도를 이용하여 시스템을 시물레이션할 수 있고 필터(Filter)와 램핑(Remping) 회로에 의해 안정성 및 동특성을 개선한 스텝모터 구동회로에 관한 것이다.
일반적으로 스텝모터는 종래형 모터에서는 볼수 없는 특징을 수많이 갖고 있다. 이들 특징을 아래에 들겠다.
1) 디지탈 신호로 직접 오픈 루우프 제어를 할 수 있고, 시스템 전체가 간단하다.
2) 펄스신호의 주파수에 비계한 회전속도를 얻을 수 있으므로 속도제어가 광범위하다.
3) 기동, 정지, 정·역전, 변속이 용이하며 응답성도 좋다.
4) 모터의 회전각도와 입력펄스수가 완전히 비례한다.
5) 각도 오차가 적고, 오차는 누적되지 않는다.
6) 정지시에, 높은 유지토오크로 위치를 유지할 수 있다.
7) 초저속으로 고토오크 운전을 할 수 있다.
8) 브러시가 없는 등, 모터 자체의 부품점수가 적기 때문에, 신뢰성이 높다.
9) 개략해서 저가격이다.
이상과 같은 특장에서 OA 정보단말기 관련의 제어용 엑티에이터로서 속도 제어, 위치결정 제어에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 정밀도도 향상되고 있다.
현재 많은 스텝모터가 각 방면에 이용되고 있으나, 대표적인 이용상황을 표 1에 나타낸다.
[표 1]
Figure kpo00001
스텝모터의 용도예
각 용도에 대응해서 스테핑 모터의 특징을 살리고, 간결동작을 이용한 종이 보내기나 위치결정 등의 이용이 많다.
그러나 스텝모터의 결점으로서, 탈조(脫調) 공진의 문제가 있다. 이를 위하여 스텝모터의 가감속법의 이용상황에 따라서는 복잡하며, 이용자로부터 약간 경원되는 경향이 있다. 스텝모터의 모습을 해석하면, 이 극복은 충분히 할 수 있으며, 그 하나의 방법으로서 스텝모터의 서보화를 고려한 피이드백 제어에서의 이용도 연구되고 있다.
스텝모터를 이용할때 모터단체(單體) 만으로는 운전할 수가 없다. 즉 단상 유도전동기 같이 "모터에 상용(商用)전원을 접속하면 회전한다"라고는 할 수가 없다.
스텝모터를 운전하기 위해서는 제1도에 드는 바와같이 모터의 여자변환을 위한 드라이버라고 하는 구동회로와 모터에 가감속 제어나 위치 결정 제어를 지시하는 콘트롤러라고 하는 제어회로가 필요하다.
제어회로에는 가끔 마이컴이 이용되며, 소프트 웨어에 의하여 모터의 진보수에 대응한 가감속 패턴의 작성이나 위치결정상의 제어타이밍 펄스의 작성을 하고 있다.
폐루우프 운전을 할때에는, 모터의 각도나 속도를 검출해서 제어회로로 정보를 전달하고 있다. 이 시스템에서의 모터와 드라이버는 매칭을 필요로 하며, 각 메이커에서는 모터의 기종별로 적합한 드라이버나 콘트롤러를 권장하고 있다.
그러나 종래에는 동특성 및 안정도가 불안하여 회전시 진동이 심하고 수렴시까지 시간이 오래 걸리는 결점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 수렴시 오차를 제로(±0)로 하고 수렴시간을 최소로 할 수 있는 스텝모터 구동 회로를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 동특성 및 안정도를 개선하여 회전시 진동을 없앨수 있는 스텝모터 구동회로를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 보오드 선도에 의해 시뮬레이션이 용이한 회로를 제공함에 있다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 블럭도로서 제어명령어를 받아 프로그램을 처리하여 프로그램어블한 펄스를 발생하는 마이콤(10)과, 스텝모터(20)와, 상기 스텝모터(20)의 회전축에 부착되어 샤프트(Shaft)의 회전량이나 그 각도등을 검출할 수 있는 샤프트엔코더(20)와, 상기 샤프트엔코더(30)의 속도(펄스)출력을 소정으로 분주하는 분주기(40)와, 상기 마이콤(10)에서 출력되는 기준속도(Reference Speed)와 상기 분주기(40)의 출력의 위상차를 검출하여 버퍼링하는 위상검출부(50)와, 상기 위상검출부(50)의 출력을 받아 고주파 성붕르 제거하고 평균치 전압을 출력하는 루우프 필터(60)와, 상기 마이콤(10)으로부터 속도 상승 및 하강(Up/Down)신호를 래치하여 일정 레벨로 검파하는 속도업/다운래치회로(70)와, 속도업/다운래치회로(70)의 출력을 받아 램프파(Ramp Wave)를 발생하는 램프회로(80)와, 상기 루우프 필터(60)의 위상검출값과 램프회로(80)의 램프신호를 차동 증폭하는 차동증폭부(90)와, 상기 차동증폭부(90)의 출력인 주파수와 전압관계에 따라 위상에 관한 전달함수가 정해져 전압에 비례하는 주파수가 발생하는 전압제어 발진기(100)와, 상기 전압제어 발진기(100)의 발생신호를 입력하고 회전/역회전(CW/CCW) 모드에 따라 다운/업 카운팅되어진 카운트 신호를 출력하는 카운터(110)와, 상기 마이콤(10)의 스텝모터(20)의 인에이블 신호와 상기 카운터(110)의 출력인 어드레스 신호에 의해 스텝모터(20)가 보오드 선도에 따라 안정한 동특성으로 구동되도록 스위칭 모드 펄스를 발생하는 이피롬(EPROM : Erase Program Read Only Momory)(120)으로 구성된다.
상기한 구성에 따른 본 발명의 일실시예를 기술하면 스텝모터(20)가 정회전 할 것인가 역회전 할 것인가를 카운터(110)의 정·역모드단(CW/CCW)에서 지정하고, 이어서 마이콤(10)에서 이피롬(120)으로 스텝모터(20)로 인에이블 신호를 인가하면 이피롬(120)에서 소정 스위칭 펄스가 발생되어 스텝모터(20)를 구동한다. 이때 스텝모터(20)축에 부착된 샤프트 엔코더(30)가 회전하여 광학적으로 데이타를 검출하여 분주기(40)에 입력한다. 상기 분주기(40)에서는 이 신호를 소정 분주하여 위상검출부(50)에서 입력하면 마이콤(10)으로부터 출력된 기준 속도와 비교하여 위상차를 검출하여 완충한다.
상기 위상검출부(50) 출력을 루우프 필터(60)에서 고주파 성분은 제거하고 평균치 전압을 출력하여 차동증폭부(90)로 입력한다. 또한 마이콤(10)에서 출력된 속도 변환신호를 속도업/다운래치회로(70)로 입력하면 속도 변환 여부를 검출하여 래치한 후 램프회로(80)로 입력하여 스텝모터(20)가 일정하게 가속 및 감속 되도록 하며 자기 기동 주파수를 초과할 경우 기동불능을 방지하는 램프 신호를 출력하여 차동증폭부(90)에 입력한다.
차동증폭기(90)에서는 정지상태일때는 0(Zero) V가 출력되고 상기 램프회로(80)의 출력이 적으면 소정 음전압(-nV)으로 출력되어 상기 출력 전압 값에 따라 전압제어 발진기(100)에서 위상에 관한 전달 함수가 정해져 입력전압에 비례하는 주파수가 발생한다.
이 발생 주파수를 카운터(110)에서 정/역변환모드(CW/CCW)에 따라 2상 스텝모터(20) 구동을 위한 펄스를 발생하도록 카운트하여 이피롬(120)으로 입력하면 이피롬(120)에 어드레스를 지정한다. 이 지정된 어드레스 신호로부터 독출한 데이타가 2상 스텝모터(20)의 안정성과 양호한 동 특성을 가질 수 있도록 한다.
제3도는 본 발명에 따른 제2도의 구체회로도로서 R1-R4, R6-R9, R11-R15은 저항, C1-F4는 캐패시터, VR5, VR10, VR16은 가변저항, N1은 인버터, D1은 다이오드, OR1-OP4는 연산증폭기, U2는 위상검파기, U3는 VCO(Voltage Control Oscillator) U4는 2진카운터, U6는 EPROM, U7는 분주기, U8는 디플립플롭이며, 위상검파기(U2), 연산증폭기(OP1)로 구성된 부분이 위상검출부(50)에 대응하고, 저항(R1-R4), 연산증폭기(OP2), 캐패시터(C1-C2)로 구성된 부분이 루우프 필터(60)에 대응하며, 디플릅플롭(U8), 인버터(N1), 다이오드(D1), 저항(R14-R15)로 구성된 부분이 속도 업/다운래치회로(70)에 대응하고, 저항(R11-R13), 연산증폭기(OP4-OP5), 캐패시터(C4), 가변저항(VR16)으로 구성된 부분이 램프회로(80)에 대응하며, 저항(R6-R7), 가변저항(VR5), 연산증폭기(OP3)로 구성된 부분이 차동증폭부(90)에 대응하고, 저항(R8-R9), 가변저항(VR10), 캐패시터(C3), VCO(U3)로 구성된 부분이 전압제어 발진기(100)에 대응한다.
상술하지 않은 첨부부호 110, 120, 10, 20, 30은 제2도와 동일 명칭이다.
제4도는 본 발명에 따른 다이아그램과 제3도의 동작파형도로서 제4(a)도는 위상비교 다이아그램도이고, 제4(b)도는 제3도 동작 파형도이다. 제4(b)도중 (4a)파형은 마이콤(10) 출력 속도 기준 신호이고, (4b)파형은 분주기(U7)의 분주출력 신호이며, (4c)파형은 위상차 표시(Lcok Iddicator) 신호이고, (4d)파형은 위상검출기(U2)의 출력 신호이며, (4e) 파형은 VCO(U3)의 입력신호이다.
따라서 본 발명의 구체적 일실시예를 제3도, 제4도를 참조하여 상세히 설명하면 시스템에 전원을 온하면 마이콤(10)에서 위상검파기(U2)로 기준 속도신호(4a)를 입력하고 스텝모터(20)의 샤프트엔코더(30)으로부터 피이드백되는 속도(=펄스수)를 분주기(U7)에서 소정 분주하여 상기 위상검파기(U2)로 (4b)신호와 같이 입력하여 위상 및 주파수를 검출하여 제4(a)도에서와 같은 출력(PCP out)으로 (4c)와 같이 출력된다. 즉 포지리브에지(Positive going Edge)에서 트리거하므로 0(Zero)를 기준으로 ±2π 레디안의 범위에서 위상검파기(U2)의 출력은 5V에서 0V까지 변환한다고 가정하면 그전달 함수는
Figure kpo00002
이 된다.
따라서 위상검파기(U2)의 최종 출력은 (4d)와 같이 출력되어 연산증폭기(OP1)에서 완충되며 이 신호가 저항(R1)을 통해 연산증폭기(OP2)로 입력되면 이 회로는 적분과 비례형이 포함된 액티브 로우패스필터로 전달
Figure kpo00003
로 되어 고주파성분 제거 및 평균치 전압을 만들어 내어 안정도와 동특성을 결정하는데 중요한 역할을 한다.
왜냐하면 상기한 것에는 대역폭 및 과도응답특성과 캡쳐(Capture) 록크(Lock) 범위를 포함하고 있기 때문이다. 이어서 연산증폭기(OP2)의 출력이 가변저항(VR5)을 통해 저항(R6)을 통해 연산증폭기(OP3)의 반전단(-)으로 입력된다.
한편 디픕립플롭(U8)의 데이타단(D)이 "하이"이고, 클럭단(CLK)으로 마이콤(10)에서 속도상승(Up) 신호가 입력되고, 프리세트단(R)으로 속도하강(Doun) 신호가 입력되어 래치한다. 이 래치 신호를 인버터(N1)를 통해 반전되어 다이오드(D1)에서 검파한후 저항(R13, R12)에 의해 분압하여 연산증폭기(OP5)의 반전단(-)으로 입력된다. 여기서 연산증폭기(OP5)의 출력 전압을 연산증폭기(OP5)의 반전 입력전압(Vsat)에 이를 때까지 일정한 전류로 캐패시터(C4)에 충전된다. 이때 충전되는
Figure kpo00004
가 되고, 새로 캐패시터(C4)에 충전되는 전하량 △QC=I△t=C4△V이 된다.
그러므로
Figure kpo00005
가 되어 상기 시간(t)에 대하여
Figure kpo00006
의 선형적인 기울기로 충전 또는 방전하게 되므로 램프파를 발생하게 된다.
상기 발생된 램프신호를 연산증폭기(OP3)의 비잔전단(+)으로 입력되면 상기에서 입력된 반전단(-)의 입력신호와 차동증폭하여 VCO(U3)로 입력되어 발진하면 스텝모터(20)의 일정한 가속 및 감속의 목적이외에도 위상검파기(U2)의 기준속도(4a)입력에 일정한 주파수가 인가되고, 스텝모터(20)가 정지하고 있을때 위상검파기(U2)의 출력은 +5V가까이 나오므로 정지상태에서 갑자기 구동할 경우에는 VCO(U3)의 출력이 최대 주파수가 된다. 이때 자기 기동 주파수를 초과할 경우는 기동이 불가능하므로 이를 방지하기 위해 램핑회로(80)를 추가하였으며 정지상태에서는 VCO(U3)에 입력되는 전압이 0(Zero)V 가까이 되고, VCO(U3)의 최소 발생주파수(fmin)가 발생한다. 그러므로 VCO(U3)는 주파수와 전압관계에서 위상에 따른 전달함수가 하기와 같이 정해져 전압에 비례하는 주파수가 발생하게 된다.
VCO(U3)
Figure kpo00007
상기 VCO(U3)이 출력은 가변저항(VR10)을 통해 2진 카운터(U4)로 입력되면 스텝모터(20)의 정·역회전(CW/CCW)모두가 지정됨에 따라 카운터를 업(UP) 또는 다운(Down) 카운트로 카운팅한다.
상기에서 정·역회전 모드 지정은 인텔리젼트형일때 마이콤(10)에서 지정할 수 있지만, 손으로 지정할 수도 있다.
따라서 2진 카운터(U4)에서 스텝모터(20)를 2상으로 구동할 스위칭 모드 펄스를 만들어 4비트로 업 또는 다운으로 출력한다.
이어서 마이콤(10)에 의해 인에이블된 이피롬(U6) 어드레스 신호단(A0-A3)으로 상기 2진 카운터(U4)의 출력이 입력되어 스텝모터(20) 최적 제어 모드값이 기억되는 값을 독출하여 2상 스텝모터(20)의 구동을 위한 스위칭 모드 펄스를 발생시킨다.
일반적으로 스텝모터(20)의 코일 내부의 2상 구동 스위칭 모드는 아래와 같다.
Figure kpo00008
상기와 같이 발생된 펄스가 인버터(N2-N6)를 통해 스텝모터(20)를 구동하며 동시에 샤프트 엔코터(30)도 같이 회전되어 속도펄스를 얻어(예
Figure kpo00009
상술한 폐루우프를 회전하게 된다.
상술한 회로를 PLL 제어 시스템에 계통도의 각 블럭에 대입하여 보오드 선도를 그리기 위한 개루우프(Open-Loop)의 전달 함수를 구하면
Figure kpo00010
또는
Figure kpo00011
이다. 또
Figure kpo00012
가 되며, 기준전압 X(S)와 스텝모터1의 출력 Y(S)에 대한 폐루우프 전달함수 Gt(S)는 아래와 같다.
Figure kpo00013
Figure kpo00014
이상의 식으로 부터 보오드 선도를 개루우프 이득과 전체의 폐루우프 전달함수에 대하여 루우프 필터의 파라미터(Parameter)를 변경하여 컴퓨터로 플로팅하여 시물레이션 해본결과 양호하였으며 오차 또한 재로(±)이고, 수령시까지의 시간은 0.3-0.4초를 소요하면서 진동도 없는 결과를 얻었다.
상술한 바와같이 안정도 및 주파수 영역에서 시스템의 특성을 가장 쉽게 파악할 수 있는 보드선도를 이용하여 시스템의 안정화에 만족하는 새로운 설계 방법을 제공하는 이점과 스텝모터를 사용하는 시스템의 안정성과 동특성을 개선한 이점이 있다.

Claims (1)

  1. 스텝모터(20)의 구동회로에 있어서 제어 명령어를 받아 프로그램을 처리하여 프로그램어블한 펄스를 발생하는 마이콤(10)과, 상기 스텝모터(20)의 회전축에 부착되어 샤프트의 회전량이나 그 각도등을 검출할 수 있는 샤프트엔코더(30)와, 상기 샤프트엔코더(30)의 속도(펄스)출력을 소정으로 분주하는 분주기(40)와, 상기 마이콤(10)에서 출력되는 기준속도와 상기 분주기(40)의 출력의 위상차를 검출하여 버퍼링하는 위상검출부(50)와, 상기 위상검출부(50)의 출력을 받아 고주파 성분을 제거하고 평균치 전압을 출력하는 루우프 필터(60)와, 상기 마이콤(10)으로부터 속도 상승 및 하강 신호를 래치하여 일정 레벨로 검파하는 속도업/다운 래치회로(70)와, 속도업/다운 래치회로(70)의 출력을 받아 램프파를 발생하는 램프회로(80)와, 상기 루우프 필터(60)의 위상검출값과 램프회로(80)의 램프신호를 차동 증폭하는 차동증폭부(90)와, 상기 차동증폭부(90)의 출력인 주파수와 전압관계에 따라 위상에 관한 전달함수가 정해져 전압에 비례하는 주파수가 발생하는 전압 제어 발진기(100)와, 상기 전압제어 발진기(100)의 발생신호를 입력하고 회전/역회전 모드에 따라 다운/업 카운팅 되어진 카운트신호를 출력하는 카운터(110)와, 상기 마이콤(10)의 스텝모터(20)이 인에이블 신호와 상기 카운터(110)의 출력인 어드레스 신호에 의해 스텝모터(20)가 보오드 선도에 따라 안정한 동특성으로 구동되도록 스위칭 모드펄스를 발생하는 이피롬(120)으로 구성함을 특징으로 하는 스텝모터 구동회로.
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