[4기 대구 유승범] 모터의 원리 및 이해(스텝모터, DC모터)

안녕하십니까. 대구멤버십 22-1기 유승범입니다.

  우리가 생활하는 이 세상에는 많은 수, 많은 종류의 모터가 사용되고 있습니다. 컴퓨터, 선풍기, 냉장고, 세탁기, 자동차, 각종 산업용 로봇 등 모터와 우리의 생활은 떼려야 뗄 수가 없는 관계입니다. 모터가있다면 그 모터를 동작 시켜야 되고, 원하는 동작을 얻기 위해서는 그에 맞는 제어를 하여야 합니다. 많은 종류의 모터는 있으나 제어를 잘해야 우리가 사용할 수 있기 때문에 제어란 아주 중요한 학문이라 할 수 있습니다.

  모터는 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는장치입니다. 대부분의 전동기는 회전운동의 동력을 만들지만 직성운동을 생산하기도 합니다. 발전기는 전동기와 반대되는 장치로서 역학적 에너지를 이용하여 전기를 생산하고, 전동기와 발전기는 서로의 역할을바꿔 대신할 수 있습니다.

  여기서는 스텝모터 및 DC모터에 대해서 분석하려 합니다.

① 스텝 모터

1. 구조

회전자와 고정자가 있으며, 회전자와 고정자에 각각 50, 48개의 치가 있습니다.

* 고정자 치-피치 = 50 / 360 = 7.2°

* 회전자 치-피치 = 48 / 360 = 7.5°

* 두 치-피치의 각도 차는 (7.5° - 7.2°) X 6 = 1.8° 이기 때문에 기본 회전 스텝각은 1.8°

2. 스텝모터의 장점

- 궤환 소자(Encoder, Potentiometer)가 불필요하여 제어가 쉽습니다. 디지털 신호형태로 직접 제어하므로 마이크로프로세서에 접속이 용이하고, 회전 오차 각이 누적되지 않습니다. 또한 정지할 때 큰 유지 토크(정지 토크)가 있습니다.  펄스 수에 따라 정확한 회전각을 제어할 수 있고, 초 저속으로 높은 토크 운전을 할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.

3. 단점

- 직류 모터에 비해 효율이 떨어지고, 관성 부하에 약하여 큰 부하가 걸리면 탈조 현상이 일어나기 쉽습니다. 특정 주파수에서 진동, 공진 현상이 발생할 수 있고, 무게에 비해 출력이 약합니다(출력 중량비가 적음).

4. 구동방법

4.1 1상 여자 구동 방식 

 

- 항상 하나의 상에만 전류를 흐르게 하는 방식

- 입력이 1상뿐이므로 모터의 온도 상승이 낮고, 전류가 낮아도 됩니다.

- 출력토크는 크지만 damping 특성이 나쁘기 때문에 일정한 펄스 비로 사용할 때에는 진동이 발생하기 쉽습니다.

4.2 2상 여자 구동 방식 

- 항상 2개의 상에 전류를 흐르게 하는 방식

- 항상 2상이 여자 되어 있으므로 기동 토크가 주어져 난조가 일어나기 어렵습니다.

- 상 전환 시 반드시 1상은 여자 되어 있으므로 동작 시에 제동 효과가 있습니다.

- 모터의 온도 상승이 있고 1상 여자에 비해 2 배의 입력신호를 필요로 하게 되어 효율은 저하되지만 damping 특성이 양호합니다.

4.3 1-2상 여자 구동 방식 

 

-하나의 상과 2개의 상을 교대로 흐르게 하는 방식

- 1상 여자와 2상 여자를 교대로 행하는 것을 말합니다.

- 1 펄스에 대한 스텝 각은 1상 여자와 2상 여자에 의한 스텝각의 반이 됩니다. (하프 스텝)

- 고 분해능을 요구하는 위치결정 제어에 사용

- 진동과 소음을 줄일 수 있으나 스텝의 정확도는 떨어집니다.

5. 스텝모터의 가감속 제어

- 1펄스에 1스텝으로 동작하지만 자칫 잘못 제어 시 탈조될 우려가 있습니다. 속도를 서서히 올리고 서서히 내리는 방식인 가감속 제어를 사용해야 하고, 보통 가감속 테이블을 만들어 사용합니다.

6. 스텝모터의 속도 제어

- 1펄스에 1스텝으로 동작하기 때문에 속도를 높이기 위해서는 스텝의 이동 속도를 높입니다. 예를 들면 입력되는 신호의 주기가 1/2로 줄어들면 속도는 2배로 빨라지게 됩니다.

② DC 모터 

1. 구조

- 영구자석으로 된 고정자와 코일을 사용한 회전자로 구성되어 있고, 회전자에 흐르는 전류의 방향을 바꾸면서 자력의 반발, 흡인의 힘으로 회전력을 발생, 브러쉬와 정류자로 인해 회전자의 전류의 흐름이 바뀌어 모터가 회전하게 됩니다.

2. 특성

- 기동 토크가 크고, 인가되는 전압에 대한 회전 특성이 직선적으로 비례합니다. 입력 전류에 비한 토크가 상대적으로 크고, 정밀한 제어 구현이 복잡합니다.

3. 구동방법

- 모터에서 나오는 두 개 전원선에 전압을 인가하게 되면 동작하고, 주로 제어기를 통해 인가되는 전압을 조절하여 제어합니다.

 

스텝 모터와 DC모터의 구조와 제어방법에 대해 알아 보았습니다.

다음 포스팅글에서는 다른 모터들의 구조들을 소개해 보려합니다.

긴글 읽어 주셔서 감사합니다.