스테퍼 모터의 센서리스 컨트롤, BLDC 모터의 대안으로 폐쇄 루프 스테퍼 모터

스테퍼 모터 기술은 서보 모터가 제공하는 고성능을 요구하지 않는 애플리케이션에 대한 비용 효율적인 대안으로 오랫동안 적용돼 왔다. 매력적인 생산 가격과 비교적 높은 토크 비율로 인해 장치 엔지니어링에 계속 사용됐다. 하지만 기계 공학의 정밀 축의 경우에는 서보 시스템을 선호하기 시작했다. 서보는 공진 대역을 피하기 위한 램프(ramps)의 지루한 테스트와 피드백 부족, 더욱 복잡한 사이징으로 인해 조달 비용이 많이 들었지만, 시운전이 쉬워 제한된 로트 생산에 더욱 매력적이기 때문이다.

이러한 추세는 최근 몇 년 동안 필드 지향적(field-oriented) 폐쇄 루프로 제어하는 스테퍼 모터의 개발로 인해 중단됐다. 폐쇄 루프 기술의 핵심은 전력 조정 전류 제어(power-adjusted current control)와 제어 신호 피드백이다. 이 스테퍼 모터는 서보 모터와 같은 방식으로 제어된다.

즉, 인코더의 신호를 사용하여 로터 위치를 감지하고 모터 권선에서 정현파 위상 전류를 생성한다. 자기장의 벡터 제어는 고정자 자기장이 항상 회전자 자기장에 수직이고, 자기장 강도가 필요한 토크에 정확히 일치하도록 한다. 따라서, 폐루프 스테퍼 모터는 기본적으로 고극(high-pole) 브러시리스 DC 서보 모터(BLDC)와 다르지 않다. 공명 및 과도한 열 발생과 같은 스테퍼 모터 기술의 모든 단점은 더 이상 문제가 되지 않는다. 대신, 정격 속도의 20~50%에서 동일한 크기의 서보 모터보다 2~3배의 토크를 지속적으로 얻을 수 있는 시스템이 있다.

스테퍼 모터 시스템의 유리한 가격과 결합된 폐쇄 루프 스테퍼 모터는 서보 시스템에 대한 경제적 대안이다. 그럼에도 불구하고 폐쇄 루프 시스템이 실험실 자동화 또는 소형의 CNC 밀링 머신과 같은 스테퍼 모터 애플리케이션에서 개방 루프 시스템을 대체하는 데 항상 선택받는 것은 아니다. 폐쇄 루프 기술이 여기에서도 장점을 제공하지만, 소형 모터의 비용을 훨씬 초과하는 높은 인코더 비용은 이러한 애플리케이션에서 이 기술을 널리 사용하는 데 방해가 된다. 또한 인코더가 없는 스테퍼 모터의 포지셔닝 정확도는 이러한 애플리케이션에서도 충분하다.

가상 인코더가 실제 인코더를 대체한다

이러한 애플리케이션에서 필드 지향적 제어의 이점을 활용할 수 있도록, Nanotec은 스테퍼 모터 용 센서리스(엔코더 없이 제어)를 개발했다. 로터의 실제 위치와 속도는 ‘가상 인코더’에 의해 컨트롤러에서 결정된다.

센서리스 시스템은 수년 동안 BLDC 모터, 특히 위치 제어가 필요없는 팬과 펌프에서 사용되어 왔다. 모든 센서리스 시스템은 모터가 속도에 비례하는 카운터 전압(카운터 EMF)을 유도하는 물리적 효과를 활용한다. 가장 간단한 센서리스 작동은 정류주기에서 코일에 전원이 공급되지 않는 동안 카운터 EMF를 직접 측정하는 것이다.

그러나 표준 작동과 비교하면, 이 방법은 특별한 하드웨어를 필요로 하며 모터 정격 속도의 약 10~20%에서만 안정적이며 그 이하에서는 측정 신호가 너무 작다. 이러한 이유로 까다로운 애플리케이션은 이제 관찰자(observer)기능을 사용하여 현재 컨트롤러가 측정하는 다른 값에서 속도 또는 카운터 EMF와 같이 직접 측정할 수 없는 값을 재구성하는 시스템을 구성할 수 있다.

이 유형의 시스템의 핵심은 실제 모터와 병렬로 설정된 PWM과 같은 입력 값에서 권선의 전류와 같은 값을 계산하는 정밀한 모터이다. 속도 또는 카운터 EMF와 같이 직접 측정할 수 없는 값을 현재 컨트롤러에 의해 다른 값에서 재구성한다.

이러한 방식으로 모터의 내부 값이 영구적으로 조정된다. 따라서 속도와 같이 실제로 측정되지 않은 값에 대해 정확한 추정치를 얻을 수 있다. 이 방법은 유도 전압으로 인해 권선의 반응이 속도의 함수로 변하기 때문이다. 그 결과 실제 광학 또는 자기 인코더와 동일한 정밀도로 최소 속도에서 시작되는 위치 및 속도 정보를 제공하는 가상 인코더가 탄생했다.

스텝 손실과 공명이 없다

이러한 관찰자 기반 컨트롤러의 품질에 중요 요소는 연결된 모터의 수학적 공식 및 모터 상수 측면에서 사용 중인 모터다. 따라서 당면한 과제는 소형 마이크로 프로세서에서도 모든 제어 사이클에서 완전히 계산할 수 있는 충분히 정밀한 모터의 수학적 모델을 찾는 것이었다. 원칙적으로 스테퍼 모터는 BLDC 모터와 수학적으로 유사하지만 BLDC의 일반적인 3상 대신 2개만 있으며 더 높은 극수로 인해 높은 속도에서 특수 기능을 나타낸다.

센서리스 컨트롤러의 실제 사용과 관련된 또 다른 중요한 측면은 모델의 매개 변수 식별이다. BLDC 컨트롤러는 데이터 시트에 지정되지 않지만 상당한 노력을 기울여 결정해야하는 많은 모터 매개 변수를 필요로 한다. 이는 제어를 구현하지 않고 차단 감지 메커니즘 또는 부하의 함수로서 정격 모터 전류를 감소시키는 단순화된 제어만 있는 시스템에도 적용된다. 이러한 경우에도 모터 임계값을 인식하고 구성해야 한다.

반대로 Nanotec의 센서리스 시스템은 사용자가 실제로 알 필요가 없는 매우 적은 매개 변수로 작동한다. 자동 설정 루틴은 연결된 모터를 측정하고 필요한 모든 매개 변수를 자동으로 결정한다.

모터 유형에 따라 속도 및 위치 정보는 100~250rpm 사이에서 얻는다. 이 정보는 500 또는 1000씩 증가하는 광학 인코더의 정보와 동일하게 정확하다. 그 결과 모터 제어는 인코더를 통해 제어되는 모터와 동일한 품질과 토크이다. 이 임계 값 아래에서도 센서리스 제어는 여전히 약 10–25rpm이다. 그러나 속도에 따라 정확도가 떨어지고 달성 가능한 토크도 떨어진다.

반대로 고속에서 센서리스 시스템은 실제로 인코더보다 잘 작동하며 항상 정현파 각도 오류를 유발하는 런아웃 허용 오차를 나타낸다. 자체 베어링이 없는 표준 인코더에서 이 오류는 최대 ± 1°의 크기에 도달할 수 있으며, 이는 높은 속도에서 폐쇄 루프 모드에 진동을 유발한다.

반면에 가상 인코더에서 고속에서의 오류는 모터의 스텝 각도 오류(± 0.09°)와 동일하다. 또한 실제 인코더는 항상 디지털 개별 위치 값을 제공한다. 특히 낮은 분해능에서 이것은 모터의 일정한 속도 변동으로 이어진다. 반면 가상 인코더 값은 연속적이고 일정하다.

관찰자 기반 제어를 사용하면 카운터 EMF가 매우 높은 모터를 사용할 필요가 없지만 인덕턴스가 높고 결과적으로 역학이 약하다는 단점이 있다. 반대로 인덕턴스가 매우 낮고 저항이 낮은 모터 (따라서 높은 정격 전류)가 훨씬 잘 작동한다.

개방 루프 및 폐쇄 루프의 결합

센서리스 제어는 속도 애플리케이션 뿐만 아니라 개방 루프 제어와 함께 사용할 때 위치 지정에도 사용할 수 있기 때문에 스테퍼 모터에 특히 매력적이다. 센서리스 알고리즘은 현재 속도가 추정되는 정확도를 감지할 수 있다. 속도가 감소함에 따라 신호가 너무 부정확해지면 시스템이 자동으로 개방 루프 모드로 전환되고 포지셔닝이 계속 가능하다.

개방 루프 모드에서는 몇 단계만 저속으로 이동하기 때문에 여기서 공명은 문제가 되지 않는다. 정지 상태에서 다시 시작할 때 폐쇄 루프 모드로 돌아가려면 몇 도만 있으면 된다. 따라서 센서리스 기술은 거의 모든 기존 스테퍼 모터 애플리케이션에서 필드 지향적 제어의 이점을 활용할 수 있다.

자료 제공: Nanotec(www.nanotec.com)