Tech Story 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 유철로
NC공작기계나 산업용 로봇, 프린터나 복사기 등의 OA 기기에 주로 사용되는 스테핑 모터는 메카트로닉스 기계에서 중요한 자리를 차지하고 있다. 저렴한 가격에 저속에서 큰 토크를 얻을 수 있을 뿐 아니라 고정도로 신뢰성이 높은 운전을 할 수 있다.
본 내용에서는 다양한 용도로 컴퓨터 시대에 적합한 모터로 산업계에서 위치를 굳혀가고 있는 스테핑 모터에 대해 알아보았다. <편집자 주>
1. 서론
디지털 양으로 제어가 가능한 스테핑 모터(Stepping Motor)는 컴퓨터 시대에 적합한 모터로서 용도가 광범하다. 연속적인 회전운동을 하는 일반 모터와는 달리 스테핑 모터는 스텝동작을 하는 것이 특징으로 컴퓨터 주변기기에 대표적으로 이용되고 있다.
근래 산업분야에서는 설비가 다기능화되었고 제조라인에서 조립되는 제품은 장착기술의 진보로 소형으로 되었다. 또한 동력원은 소형 고출력을 발생하는 AC서보모터와 하이브리드형(HB형) 스테핑 모터가 많이 이용되고 있다.
본고에서는 3상 HB형 스테핑 모터의 벡터제어에서 토크를 동기전동기와 같이 취급할 수 있고, 벡터제어를 적용한 스테핑 모터의 속도제어에서 난조(亂調)가 없는 고효율 운전이 가능하다는 점을 확인하였다. 또 약계자 제어가 모터의 철손억제에 큰 효과가 있다는 것을 실험으로 확인하였다.
2. HB형 스테핑 모터의 발생토크
제어대상인 HB형 스테핑 모터에서 인버터는 6소자로 구성된 3상으로 하였다. 스테핑 모터의 발생토크를 전류와 자속벡터에서 정의하기 위하여 시험용 모터의 1상에 직류를 인가하여 회전시켰을 때 모터에서 발생하는 토크를 측정하였다.
토크측정 결과는 각도 토크특성에서는 회전자 위치가 전기각(電氣角)으로 π/2인 때 정방향의 최대토크, π/2인 때 부방향의 최대토크, 0인 때 안정점으로 된다. 스테핑 모터는 목표로 하는 정지위치를 지령으로 받아 여자를 바꾸어 가면서 연속운전 한다.
자속벡터 φ의 위치를 0으로 한 전기각 θre를 정의하여 p를 극 대수(極對數), φmag를 쇄교 자속수, I를 전류벡터의 절대치라 하면 토크 T는 다음 식과 같이 T=pφmagIsinθre로 표시된다.
또한 자속벡터와 전기각 π/2의 위상으로 되는 전류벡터는 q축(縱軸)전류 Iq이므로 T=pφmagIq로 표시된다. 따라서 여자를 바꾸는 순간에는 동기모터의 벡터제어와 같은 토크의 식으로 표시된다.
스테핑 모터의 구동방법 중 고속영역에서 발생토크를 크게 할 목적으로 진각제어(進角制御)라고 하는 구동방법이 종래부터 제안되어 왔다.
진각제어는 여자를 바꾸어 지시되는 입력펄스에 따라 전기각보다 빠른 위치로 전류가 흐르도록 하는 제어이다.
3. 벡터제어 특성
벡터제어 된 HB형 스테핑 모터에서 속도제어를 하여 d축(橫軸) 전류 지시를 0으로 한 때의 입출력 특성을 측정하였다. 전류응답 주파수를 4,000rad/sec, 속도응답 주파수를 200rad/sec로 설정하였다.
지시속도는 전류제한치까지 토크를 걸 수 있는 78.5rad/sec로 하였다. 이때 최고효율은 62.8%였다. HB형 스테핑 모터는 오픈루프 제어를 할 때 철손의 발생이 크다는 것은 알려져 있다. 벡터제어를 적용한 경우도 대부분이 철손이었다.
진각제어 효과를 확인하기 위하여 q축 전류제한치를 2A, 3상전압의 최대치를 70V로 설정하여 d축 전류를 변화시켰을 때 d축에 부 방향으로 전류가 흐르게 되면(약 계자제어) 저속에서 고속까지 운전범위가 광범하다는 것이 확인되었다.
4. 전압제한에 의한 운전범위
구동범위를 결정하는 요인은 인버터의 전원전압에 의한 전압과 용량에 의한 전류 제한 등 2가지이다. 전압제한은 속도가 높은 영역에서 발생토크를 제한할 수 있다는 것이 알려져 있다.
전압에 의한 사용범위는 유기전압과 권선저항에서 전압강하분과 q축 전류가 d축에 간섭하는 전압에 의하여 결정된다. 약 계자제어에 의한 스테핑 모터의 속도범위를 수식으로 산출하였다.
정현파 구동을 전제로 하는 dq좌표에서 3상HB형 스테핑 모터의 전류 전압방정식을 이용하여 산출한 결과 전류와 전압제한치와 모터정수에서 운전범위를 추정할 수가 있다는 것을 확인하였다.
5. 약 계자제어에 의한 철손저감
철손의 시뮬레이션에는 모터의 등가회로에 철손저항을 이용한다. 시뮬레이션 결과 약 계자에서 철손이 억제되고 동일한 q축 전류에 대하여 발생토크가 증가되는 것이 확인되었다.
시뮬레이션에서는 전류 Ia에 의해서만 토크가 발생되는 것이라 하고, 철손저항치는 동일속도에서는 변화되지 않는 것이라 하여 속도 78.5rad/sec에서는 d축 전류가 0인 때의 실험결과에서 철손저항을 구하여 Rir=135Ω로 하였다.
시뮬레이션 결과 q축 전류에 대한 발생토크는 실험결과와 거의 일치하였다. 또 토크에 대한 철손의 실험과 시뮬레이션 결과를 비교하면 그 경향은 일치하였다. 따라서 전압 제한을 받지 않는 영역에서도 약 계자운전으로 철손이 억제되어 운전범위가 확대되는 것이라고 생각된다.
6. d축 전류에 의한 철손 억제효과
d축 전류에 의한 손실발생의 변화를 실험결과에서 확인하였다. 동손은 d축 전류가 0으로 설정되었을 때 최소로 되었다. 약 계자제어에 의한 철손억제 효과는 동기모터인 경우와 비교하면 크고 d축 전류가 1.5A인 때 최소로 되어 약 10W 억제되었다.
전 손실은 d축 전류가 1.0A인 때 최소로 되었다. 동손은 각 dq축 전류의 2승합에 저항치를 곱한 값으로 되기 때문에 d축 전류가 흐르면 증가한다. 그러나 철손은 약 계자효과에 의하여 d축 전류가 부 방향으로 흐르면 감소한다. 전 손실이 최소로 되는 것은 동손과 철손이 거의 동일한 점으로 되어 있다.
지시속도 78.5rad/sec에서 d축 전류가 1.0A인 때의 효율, 전 손실, 동손, 철손의 실험결과 최고효율은 73.7%로 되어 약 계자운전으로 최고효율이 10% 향상되었다.
7. 결론
본고에서는 HB형 스테핑 모터의 발생토크를 전류와 자속벡터에서 정의하여 종래부터 제안되고 있는 진각제어가 벡터제어를 한 경우에는 부 방향으로 d축 전류가 흐르는 것과 등가라는 것을 고찰하였다.
앞으로 자계해석 등을 이용하여 철손 발생의 메커니즘과 최대효율 운전을 실현하기 위한 d축 전류지시치의 산출이 과제이다.
