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8.스테핑 모터의 구동 실험

스테핑 모터를 여자하려면 구동법에 따라 유니폴라 바이폴라 크게 두가지로 나눈다. 여기서는 그 중 유니폴라 구동법을 범용 IC, 전용 IC, PC를 이용한 구동법 세가지로 나누어 알아본다.


8.1 범용 IC를 이용한 구동법

스테핑 모터에는 상의 여자 방식에 의해 몇가지 종류와 여자 시퀀스의 조합이 있다. 그리고 각각의 모터는 미리 설정한 여자 방식에 따른 순서로 전류를 흘리 도록 제어를 해야한다.
모터를 여자하는 시퀀스 회로는 범용 로직 IC로 구성할 수 있는데 종래는 여자의 시퀀스를 만드는데 RS 플립 플롭, JK 플립 플롭, NAND 게이트 등으로 구성되는 일도 있었지만 일반적으로는 상 시프트에 편리한 시프트 레지스터를 이용하여 간단히 구성할 수 있다. 우선, 4비트 쌍방향 시프트 레지스터 74194를 사용한 4상모터의 2상 여자 회로예를 아래 그림 8-1에 나타냈다.
그림 8.1 시프트 레지스터를 사용한 2상 여자 구동회로

이 회로는 전원 ON시에 병렬 입력 2 비트 ( A , B )에 "H"를 로드하고 펄스 발생 회로로부터 펄스가 들어올 때마다 라이트나 레프트 ( CW 나 CCW )에 시프트한다. 펄스 회로는 모터를 돌리는 속도를 결정하기 위한 펄스열을 여기에 추가하는 셈이다. 또, 1비트(A)를 "H"에 나머지 비트 (B,C,D)를 "L"에 로드하도록 구성하면 1상 여자 회로가 된다.

동작 설명 : 전원 on시에 콘덴서 10 uF로 충전한는 사이 S0 , S1을 "H"로 되고 양쪽 "H"일때 약간 뒤진 클럭에 의해 A - D 의 입력 데이터가 내부 플립 플롭에 세트 된다. 쌍 방향 시프트 레지스터 74194의 QA를 SL에 QD를 SR에 접속하고 있기 때문에 펄스가 들어갈 때마다 2 비트의 "H"데이터는 오른쪽이나 왼쪽으로 (CW 나 CCW) 계속해서 빙빙 돈다. 1상 여자로 하려면 74194의 A입력을 Vcc,B,C,D 입력을 GND로 떨어지게 하면 된다.

다음은 1-2상 여자회로의 예를 그림 8.2에 나타냈다.
그림 8.2 시프트 레지스터를 사용한 1-2상 여자 구동회로

이 회로는 8비트 쌍방향 시프트 레지스터 74198을 사용하고 있다. 그리고 2상 여자의 경우와 마찬가지로 전원 ON시에 병렬 입력 3비트 (A,B,C)를 "H"에 로드하고 라이트가 레프트(CW 이든가 CCW)에 시프트한다.
또, 4비트(A,B,C,D)를 "H"에 로드하도록 구성하면 2상여자 회로가 된다. 또한, 이 회로는 8비트 시프트 레지스터를 사용하고 있으므로, 출력은 1비트 간격 ( QA, QC, QE, QG )으로 취하고 1펄스 입력으로 1 시프트가 된다.

동작설명 : 전원 ON시에 콘덴서 10uF로 충전하는 동안 S0, S1은 "H"로 되고 양쪽 "H"일 때에 약간 뒤진 클럭에 의해 A - H 의 입력 데이터가 플립 플롭에 세트된다. 쌍방향 시프트 레지스터 74198의 QA를 SL에 QH를 SR에 접속하고 있기 때문에 부펄스가 들어갈 때마다 3비트의 "H"데이터는 오른쪽이나 왼쪽으로 (CW 나 CCW) 계속해서 빙빙돈다. 8비트 출력 중 하나 건너 출력에 접속되어 있기 때문에 1출력이 "H"인 경우와 2출력이 "H"인 경우를 교대로 반복한다. D입력 "H"로 하면 2펄스로 1상 시프트의 2상 여자로 된다.


8.2 전용 IC를 이용한 구동법

스테핑 모터의 상여자를 하는 전용의 IC가 여러 회사에서 발매되고 있다. 대개는 비슷한 기능을 가지고 있는데 그 주요한것을 표 8.1에 나타냈다. 여기서는 그중의 대표적으로 PMM 8713에 대해서 알아본다.
표 8.1 상여자 구동용 IC의 예


8.2.1 PMM 8713 의 사용법
PMM 8713 은 일반의 3상,4상 스테핑 모터를 콘트롤하는 IC이다. 그림 8.3이 IC 핀 접속이다.

그림 8.3 PMM 8713의 구성




표 8.2 PMM8713의 기능

이 IC는 C-MOS이며 4-18V의 광범위한 전원으로 사용할 수 있다.

표 8.2에 든 것과 같이 3상 모터인가 4상 모터인가, 또한 1상 여자인가 2상여자, 1-2상 여자인가를 ㄖc와 EA,EB 입력으로 설정할 수 있다. 또, 펄스의 입력 방법도 방향별 펄스 입력과 펄스 입력 + 방향 입력의 어느 쪽으로도 대응할 수 있다.
그 입력 설정 방법을 그림 8.4에 나타낸다.

그림 8.4 펄스입력의 방법
그림 8.5 1-2상 여자방식의 구동회로

PMM8713의 응용 회로로서 4상 모터, 1-2상 여자 방식의 예를 그림 8.5에 나타낸다. 방향별 펄스 입력 회로로 사용하는 경우는, 각 입력은 플러스 논리이므로 펄스 발생기가 마이너스 출력 논리일 때는 역방향으로는 회전하지 않는다. 따라서 입력쪽에 인버터를 넣어 플러스 논리로 변환할 필요가 있다.
각 상의 출력 전류는 20mA 까지 흘릴 수 있으므로, 일반적으로는 구동 트랜지스터를 직접 구동할 수 있다. 또, CO와 EM은 입력 펄스의 확인과 여자 모니터로서 사용한다.


8.3 PC의 I/O 확장 슬롯을 이용한 구동법

PC와의 인터페이싱이라 하면, PC의 슬롯(SLOT)를 외부 기기와 결합하여 PC의 기능을 보다 폭 넓게 사용함을 말한다. 즉 슬롯에서 나오는 신호를 외부 소자와 결합하여 원하는 기능을 만드는 것이다. 예를 들면 ROM WRITER,음악기구(MIDI),AD 콘버터,당구장 전산시스템등 이루말할 수 없이 그 활용 예가 무척 광범위 하다.
여기서는 그 중 가장 기본이되는 PC의 신호선과 8255 CHIP에 대해 알아본다.

8.3.1 PC 슬롯 구조

앞쪽
그림 8.7 I/O 슬 롯의 핀배열

그럼 먼저 사용하게 될 핀 번호의 명칭및 기능을 알아본다.

RESET DRV : 출력전용선으로 시스템에 전원에 들어오는 동안 HIGH상태이다. 버스에 붙어 있는 인터페이스 로직이나 I/O장치들이 시스템에 의하여 조작 되기전에 전원이 정상상태임을 알려준다.

AO - A19 : 어드레스 신호는 A0-A19까지는 출력 전용선으로서 시스템 메모리나 I/O의 어드레스 시스템버스로 사용된다. 그러나 I/O명령기간 동안에 읽기나 쓰기 타이밍에서는 pc의 경우 A0-A9까지만 사용된다. 또한 이 I/O 어드레스중에는 이미 pc설계시에 사용되는 부분이 많기 때문에 새로운 I/O 로직설계때에는 그러한 어드레스를 피해서 설계해야 한다.
본 제작물에는 3E0H에서 3E3H까지의 어드레스를 사용한다.

D0 - D7 : 입출력 양방향성으로서 CPU 와 메모리간의 I/O 데이타 전송에 쓰이는 데이타라인이다. 단, DMA(Direct Memory Access) 기간 동안에는 직접 메모리와 I/O간의 데이타 전송에 쓰인다.

IOR : 이 신호는 8288이라는 버스 콘트롤러로부터의 출력전용선이다. 이것은 현재 CPU에서 출발하는 버스 사이클이 I/O포트 읽기 사이클이고 어드레스버스에 있는 어드레스가 I/O포트의 어드레스임을 나타낸다.

IRW : IOR과 동일하나 I/O포트 쓰기 사이클이라는 점만 다르다.

AEN: 이 신호선은 DMA제어회로로 부터의 출력전용선이다. 즉, DMA사이클이 진행중이므로 CPU의 어드레스 데이타 제어 신호들이 금지된다. 결국 I/O포트에 어드레스를 주어서 DMA 사이클 동안에는 메모리 어드레스를 I/O 포트의 어드레스를 사용하지 않도록 해준다. 따라서 이 선을 이용하여 I/O포트가 HIGH 상태이면 지금 만드는 8255 로직 또한 디스에블 (disable) 시켜야 한다.


8.3.2 8255의 구성



이 8255는 8080모델의 페밀리로서 입 출력 포트가 3개로서 일반적으로 I/O포트용 으로서 널리 사용된다.

그 주요 신호선은 다음과 같다.
__
CS : 입력선으로서 로우가 입력되면 8255와 CPU간의 통신이 가능하게 된다.
__
RD : 입력선으로서 로우가 입력되면 8255로 하여금 CPU 로 데이타나 기타의 상태를 보낼 수있다.
__  __
WR : RD와 같으며 데이타나 콘트롤워드를 CPU로부터 8255로 보내며 로우시 작동된다.
    __   __
A0-A1 : RD와 WR의 입력이 합쳐져서 3개의 포트나 콘트롤 레지스터 중 하나를 선택할 수 있는 입력선이다.

RESET : 이 입력이 하이라면 3개의 포트와 콘트롤 레지스터의 모든 값이 클리어 된다.
그림 8.8 8255 CHIP

8255는 3가지 동작 모드를 기지고 있는데 이 모드의 선택은 A0, A1에 1,1을 입력 하여 써 넣는 내용이 콘트롤 워드 레지스터임을 밝힌 다음에 절절한 코드를 입력하므로 결정된다.
여기서는 모드 1,2의 사용을 피하고 모드0에서 대해서 살펴본다. 모드 0에서는 기본적인 I/O가 가능한데 이 때 포트 A,B,C는 입력이 아니면 출력중의 하나로 결정되어 (콘트롤 워드에 의함) 아래 그림 8.9와 같다.

  A0 A1
포 트 A 0 0
포 트 B 1 0
포 트 C 0 1
콘 트 롤 1 1



그림 8.9 8255의 콘트롤 워드

먼저 콘트롤 워드를 설정하려면 CS=0, RD=1, WR=0, RESET=0 이고 A0=1, A1=1 이어야 한다. 여기서 모드 0을 선택하므로 D7=0, D6, D5, D2=0로 놓고 그 다음의 나머지 비트를 설정하기 나름인데 A, B, C 세 포트를 모드 출력으로 세트 한다면 D4=0, D3=0, D1=0, D0=0 로 세트하면 된다.


8.3.3 INTERFACE 제작





그림 8.10 CPU와 8255 결합 회로도

mode 0 은 제어신호가 없는 입출력 port
mode 1 은 제어신호가 있는 입출력 port
mode 2 는 제어신호가 있는 쌍방향 입출력 port를 각각 나타낸다.
또한 74LS688(74LS521)은 8bit equal-to comparator로써 q의 status와 P의 status가 같을 때, 즉 P7P6P5P4P3P2P1 P0(A9A8A7A6A5A4 A3A2)가 1 1 1 1 1 0 0 0 가 되면 단자 19에 low level이 되어서 8255와 MPU간의 통신을 가능하게 하여 준다.





8.4 STEPPING MOTOR 구동법

a) 1 상 여자 방식



100 REM 1상 여자 방식에 의한
110 REM 스텝 모터의 구동
120 REM
130 OUT &H3E3, &H80
140 OUT &H3E0, &H1
150 GOSUB 300
160 OUT &H3E0, &H2
170 GOSUB 300
180 OUT &H3E0, &H4
190 GOSUB 300
200 OUT &H3E0, &H8
210 GOSUB 300
220 GOTO 140
230 END
300 REM 시간 지연
310 FOR I = 1 TO 2000: NEXT I
320 RETURN


b) 2 상 여자 방식



100 REM 2 상 여자 방식에 의한
110 REM 스텝 모터의 구동
120 REM
130 OUT &H3E3, &H80
140 OUT &H3E0, &H3
150 GOSUB 300
160 OUT &H3E0, &H6
170 GOSUB 300
180 OUT &H3E0, &HC
190 GOSUB 300
200 OUT &H3E0, &H9
210 GOSUB 300
220 GOTO 140
230 END
300 REM 시간 지연
310 FOR I = 1 TO 2000 : NEXT I
320 RETURN


c) 1 - 2 상 여자 방식



100 REM 2 상 여자 방식에 의한
110 REM 여자 방식
120 REM
130 OUT &H3E0, &H1
140 GOSUB 300
150 OUT &H3E0, &H3
160 GOSUB 300
170 OUT &H3E0, &H2
180 GOSUB 300
190 OUT &H3E0, &H6
200 GOSUB 300
210 OUT &H3E0, &H4
220 GOSUB 300
230 OUT &H3E0, &HC
240 GOSUB 300
250 OUT &H3E0, &H8
260 GOSUB 300
270 OUT &H3E0, &H9
280 GOSUB 300
290 GOTO 120
300 REM 시간 지연
310 FOR I=1 TO 2000:NEXT I
320 RETURN



9. stepping motor의 용어

Stepping motor에서는 다른 motor에서는 사용되지 않는 특수 용어가 몇 가지 있는데 간단히 설명하면 아래와 같다.

a) 정지 최대 토크 ( holding torque )
각 상에 정격 전류를 흘리고, motor 축에 외력에 의한 각도 변화를 주었을 때 발생하는 최대의 torque를 말하며, 이 torque보다 작은 외력일 경우는, 외력을 떼면 motor 축은 원래의 정지 위치로 되돌아 간다.

b) 자기동 영역
외부에서 주어진 신호로 동기에서 기동,정지할 경우 stepping motor의 응답 가능한 영역

c) 최대 기동 토크 ( maximum running torque )
Stepping motor가 움직일 수 있는 최대의 torque 를 말하며, 일반적으로는 10 pps의 주파수로 모터를 구동 시켰을 때의 값으로 정의 되고있다.

d) 최대 자기동 주파수 ( maximum starting pulse rate )
무부하 상태에서 motor의 회전이 입력 pulse 수와 완전히 1대 1로 대응해서 기동하는 최대 주파수를 말한다.

e) 스타팅 특성 ( starting characteristic )
Motor의 회전이 입력 pulse와 완전히 1대 1로 대응해서 기동할 수 있는, motor의 최대 발생 torque와 입력 펄스와의 관계를 가르킨다. 풀인 토크(pull in torque)라고 표현하는 경우도 있다.

f) 스루 영역
자기동 영역을 넘어서 주파수를 서서히 올릴 경우, 또는 부하 torque를 서서히 가할 경우 stepping motor가 동기를 이탈하지 않고 응답 가능한 영역

g) 스루잉 특성 (slewing characteristic )
스타팅 특성의 범위 내에서 기동시킨 motor 를, 입력 pulse의 주파수를 서서히 증가시켰을 경우 motor의 회전이 입력 pulse와 1대 1로 대응할 수 있는, 최대 발생 torque와 입력 pulse의 관계를 가르킨다. 풀 아우트 토크(pull out torque)라고 표현하는 경우도 있다.

h) 최대 연속 응답 주파수 (maximum slewing pulse rate )
무부하 상태로 slewing 특성으로 들어간 motor를 입력 pulse와 1대 1로 대응해서 회전시킬 수 있는 최대의 입력 주파수를 가리킨다.

i) pps ( pluse per second )
일반 motor의 회전 속도는 1 분간당 회전수 ( rpm ) 를 나타내는데, stepping motor의 경우는 회전수보다 입력 pulse의 주파수로 나타내는 일이 많고 이것을 pulse rate 혹은 스테핑 rate라고 한다.

j) 탈조 ( 脫調 )
스타팅 특성 또는 slewing 특성을 벗어난 주파수의 pulse를 주었을 경우, motor는 회전이 불규칙하게 하거나 정지하게 한다. 이 상태를 탈조라고 한다.

k) 풀인 토크 : 동기 인출 토크, 자기동 영역에서 기동할 때 발생하는 torque
풀아웃 토크 : 자기동 영역을 넘어서 주파수를 서서히 올릴경우, 또는 부하 torque를 증가시킬 경우 stepping motor가 동기를 이탈하지 않고 발생하는 torque



l) 스텝 각도(step angle)
입력 신호 1 펄스에 대응하는 모터 축의 회전 각도

m) 무여자 유지 토크(detent torque)
마그네트 로터형 stepping motor(PM형 motor)에서는 무여자인 경우에도 자기 흡인력이 작용하여, 모터 축 위치를 유지하려는 힘이 작용한다. 이것은 모터의 축에 외부에서 회전 토크를 가해, 강제적으로 각도 변화를 부여하므로 발생하는 토크

n) 세트링 타임(settling time)
Stepping motor에 최종 펄스 신호를 입력시키고 나서, 로터가 정지하기까지의 감쇄 진동 시간을 말하며, stepping motor에서는 이 시간이 짧고, 또한 진폭이 작은 것이 요구된다.

o) 각도 정밀도(step angle accuracy)
Stepping motor의 회전 각도의 정확도를 나타내는 것으로, 이것에는 정지 각도
오차와 스텝 각도 오차, 그리고 히스테리시스 오차가 있다.

p) 온도 상승값(temperature rise)
Stepping motor를 정해진 여자기법으로 여자하고, 모터를 정지한 상태에서 측정한 경우의 온도 상승값을 나타낸다. 또 이 경우 1상만 여자하며, 또한 그 측정법은 일반적으로 저항법을 이용한다.



10. 참고 문헌

1) 上田次男 外, 센서 인터페이싱-2, 機電硏究社,( p.219 - 254 ),1986.
2) 도서출판 세운 편집부, 마이컴 계측 제어 활용법, 도서출판 세운(p.159-170),1988
3) 장세교, 제어용 전동기, 도서출판 산문사, 1988.
4) 도서 출판 세운 편집부, stepping motor의 제어 회로 설계, 도서 출판 세운,1988.
5) 월간 전자 과학사, 전자과학, 8, 1990.
6) 김응묵, 박선호 편역, 모터 회전의 회로기술, 도서출판 세화, 1988.
7) 동일 출판사 편집부, 메커트로닉스 기초 강좌 5(로보트 II), 동일 출판사, 1989.




문제

1. stepping motor는 pulse신호의 지령에 의해 일정 회전 각도만큼 도는 motor로 (pulse motor) 라고도 한다. stepping motor 는 ( 저 ) torque, ( 저 ) 회전 속도 이기는 하나 ( 구동 ) 회로가 간단하며 ( 회전 검출기 )가 필요 없고 소정의 회전 각도를 정확히 실현 할수 있다는 것과 구조가 단순해서 ( 보수 )가 용이하는 것 등으로 널리 제어에 이용되고 있다.

2. 스텝 모타는 그 구조에 따라 ( PM )형 ( VR )형 및 ( 복합형 )으로 나눌 수가 잇다.

3. stepping motor의 구동 방식에는 전류가 항상 한방향으로 흐르는 ( unipolar )구동과 코일의 양방향으로 전류를 흘리는 ( bipolar ) 구동 방식이 있다. ( bipolar ) 구동 방식은 ( unipolar ) 구동 방식보다 2 배의 여자 torque가 얻어지고 효율도 좋으나 외부 회로가 비교적 복잡하여 일반적으로 ( unipolar ) 구동 방식이 많이 쓰인다.

4. 또한 여자 방식에 따라 1 상, ( 1-2 상 ), ( 2 상 ) 구동이 있다.

5. 여자 방시에 따른 각각의 구동 방식의 특성을 간단히 적으라.
1 상 구동 : 1 step 마다의 각 정밀도가 높다.
1-2 상 구동 : 1 펄스당 회전각이 2 배 안전성이 많기 때문에 회전이 부드럽다.
2 상 구동 : 큰 holding torque와 큰 출력이 얻어진다.

6. stepping motor는 다른 motor에 비해 정지시 매우 큰 ( 정지 torque )가 있기 때문에 전자 브레이크 등의 유지 기구를 필요로 하지 않는다.
또한 회전 속도도 stepping motor에 부여하는 ( pulse rate ) 에 비례하므로 임의로 제어할 수 있다.

7. stepping motor가 micom 관련 주변 장치에서 사용되는 곳을 아는 데로 적으라.
   serial printer의 종이 보내기 제어
   printer head의 인자 위치 제어
   X-Y plotter의 pin 위치 제어
   플로피 disk의 헤드 위치 제어

8.stepping motor의 장단점을 적으라.


장 점

단 점

① 회전각 오차가 스텝마다 누적되지
않는다.
② 회전각을 검출하기 위한 feedback이
불필요 하므로 제어계가 간단해진다.
③ 슬리브 부분이 없으므로 brush 교환과
같은 보수가 필요없다.

① 어느 주파수에서 진동 공진 현상이 발생
하기 쉽고 관성이 있는 부하에 약하다.
②고속 운전시 탈조하기 쉽다.


9. motor는 도는 부분인 ( 회전자 )와 돌지 않는 ( 고정자 )로 구성 되어 있다.

10.stepping motor를 micom으로 제어하는 것의 장점을 아는 데로 써라.
1) 제어를 programmable하게 행할 수 있다.
2) 제어를 변경하기 쉬운 등의 자유도가 높다.
3) micom은 motor의 제어 이외에도 이용할수 있다.
4) 어떤 연산 결과를 motor의 제어에 feedback할 수 있다.
5) motor와 조합한 equential제어를 용이하게 할 수 있다.
6) 복수의 motor를 동시에 제어할 수 있다.

11.stepping motor를 pc로 제어하는 것의 장단점을 적으라.
sol)
a. 장점
(1) PC와 interface와의 간단한 hardware로 제어 system를 만들 수 있다.
(2) software의 개발을 PC 자체로 행할 수 있고 debug기능을 갖추고 있으므로 전용의 개발기를 필요로 하지 않는다.
(3) man-machine으 표준으로 갖추고 있기 때문에 data의 변경등을 쉽게 할 수 있고 제어 대상의 기계 system에 맞는 가감속 pattern 등을 단시간에 설정할 수 있다.
(4) stepping motor 제어 이외의 data처리도 광범위하게 행할 수 있다.
(5) 제어 system의 동작 내용이나 pattern을 직접 표시 할 수 있고 동작을 시각으로 알 수 있다.
(6) BASIC등의 고급 언어로 제어하는 것이 가능하므로 전문적인 기계어를 이해하지 못해도 그다지 문제는 없다.

b. 단점
(1) 간단한 제어만으로 끝나는 system에서는 너무 과대해지는 경우가 있다.
(2) 동작 환경이 나쁜 공장의 환경에서는 신뢰성에 문제가 생기는 일이 있다.
(3) 퍼스컴 (pc)은 일반적으로 사무실이나 가정에서 사용하는 것으로 고려되어져 내 노이즈성이 낮아 기계 시스템이 가동하고 있는 공장내의 noise가 많은 환경에서는 오동작을 일으키기 쉽다. 또 PC는 기성품이므로 noise 대책도 취하기 어렵다.
(4) PC는 model change 가 심하고 maintenance에 문제가 생기는 일이 있다.




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