스테퍼 모터용 양극 및 단극 드라이브: 비교

스테퍼 모터는 "위상"이라고 불리는 연결된 코일로 구성된 브러시리스 DC 모터 유형입니다. 이러한 전기 기계 장치는 일반적으로 피드백 센서 없이 개방 루프로 구동되며 회전자 위치를 알지 못한 채 위상에 전류가 적용됩니다. 회전자는 위상에 흐르는 전류에 의해 생성된 고정자의 자속을 통해 정렬 상태로 이동합니다. 각 펄스에서 전류는 다음 단계로 공급되어 증분 회전 이동 또는 단계를 허용할 수 있습니다.

코일에 전류를 공급하는 방법에는 바이폴라와 유니폴라의 두 가지 방법이 있습니다. 이 기사에서는 바이폴라 모터와 유니폴라 모터의 차이점, 구동 방법, 장점과 한계에 대해 설명합니다.

그림 1은 4단계 영구 자석 스테퍼 모터를 보여줍니다. 회전자는 1극 쌍 자석으로 만들어지고 고정자는 A상과 B상 두 상으로 구성됩니다. 단극 방식에서는 전류가 항상 같은 방향으로 흐릅니다. 각 코일은 하나의 전류 방향 전용이므로 코일 A+ 또는 A-에 전원이 공급됩니다. A+ 또는 A- 코일은 절대로 함께 전원을 공급받지 않습니다. 바이폴라 방식에서는 모든 코일에 전류가 양방향으로 흐를 수 있습니다. A+ 단계와 A- 단계는 함께 전원이 공급됩니다. 바이폴라 모터에는 위상당 최소 1개의 코일이 필요하고, 유니폴라 모터에는 위상당 최소 2개의 코일이 필요합니다. 두 옵션에 대한 자세한 내용은 다음과 같습니다.

유니폴라 구성에서 각 모터 위상은 두 개의 코일 권선으로 구성됩니다. 위상 A와 B로 구성된 2상 모터의 경우 모터에는 그림 2와 같이 4개의 코일 권선이 있습니다.

A단계는 A+, A-로 구성됩니다.

B상은 B+, B-로 구성됩니다.

각 코일의 전류는 단방향으로만 흐를 수 있으므로 단극성이 됩니다. 전압 구동에서는 코일당 하나의 스위치 또는 트랜지스터만 사용하여 제어 시스템이 쉽습니다. 트랜지스터가 닫히면 코일에 전원이 공급됩니다. 모터를 정류하기 위해 트랜지스터를 교대로 닫고 열었습니다.

그림 3에서는 트랜지스터 Q1과 Q2를 동시에 닫을 수 없습니다. 위상 A에 전원을 공급하려면 전류가 작동해야 하는 방향에 따라 트랜지스터 Q1 또는 Q2를 닫아야 합니다. 단극 제어를 사용하면 한 번에 위상의 절반만 전원이 공급되므로 전류는 구리 볼륨의 절반만 사용합니다. 전압 드라이브의 경우 일반적으로 전기 시상수를 줄이기 위해 직렬 저항이 적용됩니다. 이 시나리오는 이 문서의 뒷부분에서 설명됩니다.

바이폴라 모터는 위상당 하나의 코일 권선만 필요하며 전류는 코일당 양방향으로 흐를 수 있습니다. 그림 4에 표시된 것처럼 바이폴라 모터를 제어하려면 2개의 H 브리지가 있는 8개의 트랜지스터가 필요합니다.

그림 5에서 트랜지스터는 정류를 제공하기 위해 교대로 닫히고 열렸습니다. 바이폴라 드라이브는 위상당 모든 구리를 사용한다는 장점이 있습니다. 이러한 바이폴라 드라이브는 모터의 전압 드라이브 또는 전류 소스에 사용됩니다. 전류 소스의 경우 각 위상의 전류는 펄스 폭 변조(PWM)로 제어됩니다. PWM에는 두 가지 기술이 사용됩니다. 느린 감쇠 또는 빠른 감쇠는 PWM "오프" 시간 동안 모터 단계를 통해 전류가 천천히 또는 빠르게 감소하는지 여부에 따라 달라집니다.

전압 구동. 4개의 트랜지스터로 구성된 간단한 회로는 비용 효율적인 단극 제어를 제공합니다. 바이폴라 모터용 전압 구동에는 2개의 H 브리지(8개의 트랜지스터)가 필요합니다.

현재 드라이브. 단극 기술은 더 낮은 모터 성능을 달성하기 위해 더 복잡한 전자 장치를 필요로 하기 때문에 전류 구동에는 양극 모드가 선호됩니다.

전압 구동 주의 사항. 인덕턴스 효과로 인해 코일에서 전류가 상승하는 데 약간의 시간이 필요합니다. 단극 또는 양극 드라이브의 경우 직렬 저항을 추가하여 전기 시상수(L/R)를 줄일 수 있습니다. 외부 저항을 추가하면 전류가 감소합니다(i = U/(R+r)).

요약하면 공급된 동일한 전력에 저항을 추가하면 저속에서 토크가 낮아집니다. 외부 저항에서 소비되는 줄 전력으로 인해 전류가 더 낮아집니다. 토크는 전류에 비례하기 때문에 모터는 더 적은 토크를 전달합니다. 고속에서는 토크가 더 높아집니다. 일부 줄 전력이 외부 저항에서 소실되더라도 모터는 더 낮은 전기 시상수 덕분에 더 많은 토크를 전달할 수 있습니다. 이를 통해 코일에서 전류가 더 빨리 상승할 수 있습니다. (참고: 공급 전압이 증가하면 낮은 전류를 보상할 수 있지만 전체적인 에너지 효율은 낮아집니다. 고속에서는 토크가 향상되고 저속에서는 유지됩니다.)