폐 루프 스테퍼 제어의 작동원리

Fastech

스테퍼 모터는 오픈 루프 장치이다. 드라이브로 전달되는 전류의 각 펄스는 모터의 한 스텝(마이크로 스테핑의 경우, 한 스텝의 일부)과 같아서 피드백이 필요 없다. 작은 스텝 사이즈나 스텝 각을 사용하면 피드백 장치와 복잡한 제어 구조 없이 매우 정확하게 모터 위치를 결정할 수 있다.

만약 스테퍼 모터의 위치가 오픈 루프 시스템에서 결정된다면 스테퍼 모터에 폐 루프 제어의 비용과 복잡성을 추가하는 이유는 무엇인가?
모터의 위치에 대한 정확한 정보는 모터가 스텝을 잃어버리지 않을 때만 가능하다. 실제로, 기계 잼과 같이 모터가 회전하지 못하는 여러 상황이 있다.

이 문제를 처리하기 위해 스테퍼 모터는 토크 스파이크나 스톨을 사용한다. 종종 필요 이상의 큰 모터를 사용하기도 한다. 그러나 잃어버린 스텝이 애플리케이션이나 프로세스에 해를 끼치면, 다른 해결책으로 포지션 루프 오류 감지와 수정을 위해 포지션 피드백과 함께 폐 루프 시스템에서 스테퍼 모터를 작동시키는 것이다.
스테퍼 모터에는 일반적으로 세 유형의 폐 루프 제어가 있으며, 각각 다른 수준의 위치 제어와 다양성을 제공한다.

스텝 손실 보상: 이동이 끝난 후 위치 보정

가장 일반적인 유형의 폐 루프 스테퍼 시스템은 스텝 손실 제어나 스테퍼 위치 유지라고도 하는 스텝 손실 보상을 바탕으로 한다. 이 설정에서 드라이브는 마이크로 스텝 모드로 작동하고, 엔코더는 샤프트(또는 부하) 위치를 추적한다. 잃어버린 스텝이 감지되면 지시된 위치(스텝 수를 곱한 수)와 엔코더가 읽은 실제 위치를 바탕으로 모터(또는 부하)가 원하는 위치에 도달하도록 컨트롤러는 추가 스텝을 지령한다.

스텝 손실 보상은 스테퍼 모터를 위한 가장 단순한 폐 루프 방식이며, 가장 널리 사용된다. 가장 큰 단점은 이동이 끝난 시점에 놓친 스텝만 보상하며 모선 프로파일로 불연속적이다.

부하 위치 제어: 복잡한 제어 장치 없이 연속으로 실시간 위치 보정

폐 루프 마이크로 스테핑이라고도 하는 로드 위치 제어는 샤프트(또는 부하) 위치를 계속 모니터링하고 에러 신호를 생성한다. 컨트롤러는 이 오류 신호로 전체 모션 프로파일 시 실시간으로 명령을 조정한다.

샤프트 위치 제어로 여전히 마이크로 스테핑 모드에서 스테퍼 시스템으로 작동하지만, 이동 중에 모터가 벗어나면 이동이 끝날 때 단일 위치 보정 명령을 내지 않고 모션 프로파일을 더욱 정확하게 따라간다.

서보 제어: 토크와 위치의 완벽한 제어

가장 진보한 폐 루프 제어 방법은 스테퍼 모터를 2상 브러시리스(BLDC) 모터로 작동시키는 것이다(스테퍼 모터는 90도 오프셋으로 두 단계가 있지만 브러시리스 DC 모터는 120도 오프셋으로 3단계가 있음). 이는 폐 루프 스테퍼 제어나 서보 스테퍼라고 한다.

스테퍼 모터를 위한 서보 제어는 모터에 모션을 발생시키기 위해 최대 전류를 공급하는 대신 엔코더에서 피드백이 샤프트 위치를 감지하며, 제어 루프(보통 PID 루프)는 샤프트에 필요한 정확한 토크를 결정한다. 즉, 모터는 전류의 펄스가 아닌, 샤프트가 이동 프로파일을 따르는 데 필요한 토크 명령으로 구동된다.

모션 프로파일을 달성하는 데 필요한 전류만 발생시키므로 서보 제어 방법은 다른 스테퍼 제어 방법보다 효율이 높다. 열이 적고 모터 수명이 길어진다. 또한 공진 문제를 제거하고, 저속에서 높은 토크를 제공하며, 모터가 인출 토크(pullout torque)의 제한 없이 전체 정격 토크를 사용하도록 한다. 오픈 루프 시스템보다 복잡하지만 스테퍼 모터용 서보 재현은 전체 서보 시스템보다 덜 까다롭다.

다른 폐 루프 스테퍼 제어로 센서리스 제어가 있다. 이것은 피드백 장치가 없다. 대신 컨트롤러는 역기전력 측정처럼 간접적인 방법으로 회전자 위치를 결정한다. 그러나 센서리스 제어는 구현이 어렵고, 정확한 모터 예상 위치를 제공하지 못한다.

폐 루프 제어는 스테퍼 모터 애플리케이션에서 낮은 비율로 사용되지만, 치명적인 위치 손실이 있을 경우 저속에서 높은 토크가 필요하므로 유용하다. 또한 아키텍처가 단순하고 비용이 저렴하여 매우 적합한 해결책이다.

자료 제공: Festech(www.festech.co.kr/new/index.php)