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제9장 8051 활용- 6강 9. 스텝핑 모터의 제어 9-1. 스텝모터 스텝모터 stepping motor, (pulse motor, stepper motor)는 다른 AC servo, DC servo motor에 비하여 정확한 각도제어에 유리하여 현재 우리주위에 많이 쓰이고 있다. 스텝모터는 디지털 펄스를 기계적인 축 운동으로 변화시키는 변화기이며, 펄스는 디지털source에 의해 가해진다. 매 펄스 수에 따라 모터의 축은 정해진 각도로 회전하며 펄스간격을 알맞게 조정하면 구동방식 과 속도제어를 가능하게 한다. 9-2. 스텝모터의 특징 ☞ 장점 i) 디지털신호로 직접 오픈루프제어를 할 수 있고, 시스템전체가 간단하다. ii) 펄스신호의 주파수에 비례한 회전속도를 얻을 수 있으므로 속도제어가 광범위하다는 점. iii) 기동, 정지, 정-역회전, 변속이 용이하며 응답특성도 좋다는 점. iv) 모터의 회전각이 입력 pulse수에 비례하고, 모터의 속도가 1초간의 입력 pulse수에 비례한다는 점. v) 1 step당 각도오차가 +5% 이내이며 회전각의 오차가 step마다 누적되지 않는다는 점. vi) 정지 시에 높은 유지토크로 위치를 유지할 수 있다는 점. 기동 및 정지응답성이 양호하므로 servo motor로서 사용이 가능하다. vii) 초 저속으로 높은 토크( torque ) 운전을 할 수 있다는 점. 모터 축에 직결 하므로써 동기회전이 가능하다. viii) 브러시가 없고 모터자체의 부품수가 적기 때문에 신뢰성이 높다는 점. ix) 회전각의 검출을 위한 feedback이 불필요하여 제어계가 간단하며, 가격이 상대적으로 저렴 하다는 점. ☞ 단점 i) 고속운전시 탈조하기 쉽다는 점. ii) 어느 주파수에서는 진동, 공진 현상이 발생하기 쉽고, 관성이 있는 부하에 약하다는 점. iii) 보통의 driver도 구동시에는 권선의 인덕턴스 영향으로 인하여 권선에 충분한 전류를 흘리 게 할 수 없으므로 pluse비가 상승함에 따라 torque가 저하하며 DC motor 에비해 효율이 떨어 진다. 9-3. 스텝모터의 구조 스텝모터는 내부를 구성하는 고정자라 불리우는 극의 수에 따라 단상(1상), 2상, 3상, 4상, 5상, 6상 등의 종류가 있다. 여기서 말하는 상이란 위상을 말하며 모터의 내부에 몇조의 코일을(고정자에 감겨있는 코일) 갖고 있느냐를 말하는 것이다. 예를들어 4상모터라 하면 모터에는 서로 다른 4가지의 상을 만들 수 있으며 결국 모터내부에 독립적으로 존제하는 상의수라 이해하면 되겠다.  스텝핑모터는 일반 DC모터와는 달리 배선수가 많다. 흔히 4개에서 6개의 선이 나와있어 어느쪽에 구동전원을 연결하는지 잘 알수 없으므로 사용자는 모터의 사양서를 읽어 보아야 한다. 스텝각 = 360°/ (상수 x 회전자의 톱니 수) 9-4. 스텝핑모터의 구동방식과 상여자방식 스텝모터의 구동방식은 유니폴라(unipolar, 단극성)방식과 바이폴라(bipolar, 쌍극성)방식이 있다.  위의 그림과 같이 unipolar방식의 단극성은 전류가 한쪽으로만 흐르고 쌍극성의 bipolar방식은 전류가 4개의 배선에 양쪽으로 모두흐른다는 의미이다. 그림3.3과 같이 6개의 배선을 가진모터는 unipolar방식과 bipolar방식모두 쓸수 있으나 4개의배선을 가진 모터는 bipolar방식만을 쓸 수 있다. Bipolar방식의 경우 코일의 이용도가 높고 저속에서 더큰 토크를 얻을수 있는 장점이 있지만 고속에서는 unipolar방식이 좀더 유리한 특성을 가지고 있다. 9-4-1. 1상 여자제어 고정자의 1개 코일만을 차례로 여자하여 회전자계를 만드는 방법이다. 이 여자법에서는 회전자가 정지하는 위치( 안정점 )이 고정자와 회전자가 일치하는 점이된다. 이방법은 효율은 좋으나 damping특성이 나쁘기 때문에 일정한 펄스비로 사용할때에는 진동이 발생하기 쉽다. 9-4-2. 2상 여자제어 모터에 있는 2개고정자의 코일을 동시에 여자하고 각권선 사이에 발생한 자계를 이용하여 회전 시키는 방법이다. 이 여자법에서 회전자의 안정점은 고정자의 사이에 있게된다. 이방법은 1상여자에 비해 2배의 입력신호를 필요로하게 되어 효율은 저하되지만 damping특성이 양호하므로 가장 널리 이용되는 방식이다.  9-4-3. 1-2상 여자제어 1상여자와 2상여자를 교대로 행하는 것으로 1펄스에대한 스텝각은 1상여자와 2상여자에 의한 스텝각의 반이된다. 이를 하프스텝이라 하며 만일 스텝각이 3.6。의 모터를 1-2상여자법으로 구동시키면 1.8。의 스텝각을 얻을수 있는 것이다. 이 여자법은 고분해능을 요구하는 위치결정 제어에 사용될수 있으며 진동과 소음을 줄일 수 있으나 스텝의 정확도는 떨어진다.  9-5. 스텝핑모터의 용어 a) 스텝 각도( step angle ) : 입력 신호 1 펄스에 대응하는 모터 축의 회전 각도. b) 코깅 ( cogging ) : 모터를 손으로 회전시켜 보았을 때 느낄 수 있는 반발력. c) 탈조 ( 脫調 ) : 스타팅 특성 또는 slewing 특성을 벗어난 주파수의 pulse를 주었을 경우, motor는 회전이 불규칙하게 하거나 정지하게 한다. 이 상태를 탈조라고 한다. d) 온도 상승값(temperature rise) : 스텝모터를 정해진 여자기법으로 여자하고, 모터를 정지한 상태에서 측정한 경우의 온도상승값을 나타낸다. 또 이 경우 1상만 여자하며, 또한 그 측정법은 일반적으로 저항법을 이용한다. 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) 최대 기동 토크 ( maximum running torque ) : 스텝모터가 움직일 수 있는 최대의 torque 를 말하며, 일반적으로는 10 pps의 주파수로 모터를 구동 시켰을 때의 값으로 정의 되고 있다.  9-6. 스텝핑 모터의 구동 드라이버(L297)  9-7. L297의 핀 기능 SYNC(N0 1) : One chip 쵸퍼 오실레이터 출력(여러개의 L297을 같이 사용할 때) HOME(No 3) : L297 의 초기상태(ABCD = 0101)를 외부에 알리는 Open Collector 출력 A,B,C,D(No 4, 6, 7, 9) : Motor A,B,C,D 상의 드라이버 Signal INH1(No 5) : A,B 상의 드라이브를 금지시키는 Active Low 출력신호 INH2(No 8) : C,D 상의 드라이브를 금지시키는 Active Low 출력신호 ENABLE(No 10) : Active High 로 Chip Enable Signal CONTROL(No 18) : 쵸퍼의 동작을 정의 (예...INH1, INH2 동작 1 : A,B,C,D 동작) SENSE1(No 14) : A,B 상의 전압을 감지하기 위한 부하전류에 대한 입력 SENSE2(No 13) : C,D 상의 전압을 감지하기 위한 부하전류에 대한 입력 OSC(No 16) : RC 회로를 연결하여 쵸퍼율을 결정한다. 여러개의 l297을 사용할 때는 GND 에 연결 (f ≒ 1/0.69RC.. 단 R > 10kΩ) CLOCK(No 18) : Step Clock 입력 만약 LOW가 가해지면 Motor은 한 스텝이 증가 CW/CCW(No 17) : Motor 의 회전방향을 제어 HALF/FULL(No 19) : 하프 / 풀 스텝의 입력 RESET(No 20) : Reset 입력으로 L297을 Home 위치로 초기화 된다 Vref(No 15) : 쵸퍼회로에 대한 기준전원(공급전압이 피크부하전류를 결정) Vs(No 12) : +5 volt 입력 GND(No 2) : Ground 9-8. L297의 기능요약 - Bridge 로 구성된 2개의 Driver 와 4개의 달링턴 어레이 등으로 구성 - CPU Signal 에 의한 상 여자신호와 제어신호로 Motor를 구동한다 - 주요기능은 Motor의 상 순서를 발생하는 Translator 와 Motor 권선의 전류를 조절하는 2개의 PWM(Pulse Width Modulation) 쵸퍼회로이다 - HALF/FULL 입력에 따른 3개의 여자방식 구성 ☞ Normal : 2상여자 (입력 값 => Translator 가 홀수일 때 (1,3,5,7) LOW) ☞ Wave : 1상여자 (입력 값 => Translator 가 짝수일 때 (2,4,6,8) LOW) ☞ Half_Step : 1-2상여자 (입력 값 =>HIGH)   - 여러개의 L297을 같이 사용할 경우 접지 노이즈를 해결하기 위하여 쵸퍼 오실레이터를 동기시킨다. (SYNC Pin을 같이 연결하고 OSC Pin 은 Ground 접지) - 2개의 쵸퍼를 드라이브하기 위해 2개의 Flip Flap을 가지고 있다 /************************************************************************/ /* Stepping MOTOR의 구동 */ /* 8051의 P1 포트로 출력되는 2상 여자방식으로 Stepping Motor를 구동 */ /************************************************************************/ #include #define IN_BYTE P3 #define SW P3.0 /* 정,역회전 스위치 설정포트 */ #define ON 1 #define OFF 0 void delay(unsigned int tt) /* 미세한 시간지연 */ { unsigned int i,j; for(i=0;i } void r_s() { unsigned int i; unsigned char A[]={0x09,0x0A,0x06,0x05}; /* 2상 여자 스텝값 설정(정회전) */ for(i=0;i<4;i++) { P1=A[i]; delay(1); } } void l_s() { unsigned int j; unsigned char B[]={0x09,0x05,0x06,0x0A}; /* 2상 여자 스텝값 설정(역회전) */ for(j=0;j<4;j++) { P1=B[j]; delay(1); } } void main() { unsigned int pre_data; unsigned int key; while(1) { pre_data=IN_BYTE=0; key=IN_BYTE; if(key=SW) { key=pre_data; P1=0x00; r_s(); } else { key=pre_data; P1=0x00; l_s(); } } } /**********************************************************************/ /* 스텝핑 모터 드라이버 L297을 이용한 스텝핑 모터의 가감속 제어 */ /* DIR : 0 => 역회전 1 => 정회전(시계방향) */ /* MOTOR ENABLE : HIGH ACTIVE(회로상 항시접점) */ /* PULSE : HIGH ACTIVE(Up trige eddge) */ /* PPI 8255 PC 하위 Port : 0x03 => 정회전 구동 */ /* 0x02 => 역회전 구동 */ /**********************************************************************/ #include #define PA 0x7400 #define PB 0x7401 #define PC 0x7402 #define CR 0x7403 #define CW 0x80 #define IN_BYTE P1 #define SW_1 P1.0 /* 스텝핑모터 Enable */ #define SW_2 P1.1 #define T_R 0x03 /* 시계방향 구동 */ #define T_L 0x02 /* 반시계방향 구동 */ void step_delay(unsigned int tt) { unsigned int i,j; for(i=0;i<1;i++) for(j=0;j void sm(int dir,int speed) /* initial 스텝핑 모터 Turning */ { write_XDATA(CR,CW); /* initial 8255 */ write_XDATA(PC,dir); step_delay(speed); } void main() { unsigned int i,j; int key=0; int out_data[]={1000,707,500,353,250,177,125,88,70,60};/* 감속테이블 */ write_XDATA(CR,CW); for(i=0;i<9;i++) /* 가속시작 */ { for(j=0;j<10;j++) /* 미세한 펄스인가 */ { sm(T_R,out_data[i]); step_delay(1200); } } do{ i++; sm(T_R,55); }while(i<=8500); /* 약 6초간 고속Turning후 감속 */ for(i=9;i<=0;i--) { for(j=0;j<10;j++) /* 감속시작 */ { sm(T_R,out_data[i]); step_delay(1200); } } do{ i++; sm(T_R,1000); }while(i<=400); /* 약 4초간 저속 Turning후 정지 */ write_XDATA(PC,0x00); sm(T_R,1000); } |
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