정밀 모션 제어 애플리케이션에서 스테퍼 모터 소음 및 진동 최소화

스테퍼 모터는 다양한 응용 분야에서 잘 작동하지만 토크 리플 및 전류 왜곡 문제로 어려움을 겪을 수 있습니다. 가능한 솔루션으로 Allegro MicroSystems의 독점 알고리즘인 QuietStep에 대해 알아보십시오.

스테퍼 모터는 많은 응용 분야에서 직류(DC) 및 브러시리스 DC(BLDC) 모터에 비해 고유한 이점을 제공합니다. 바이폴라 스테퍼는 제어 루프나 외부 센서를 사용하지 않고도 정확한 개방 루프 위치와 제로 속도 토크를 제공합니다. 제어된 스테핑 기능을 갖춘 스테퍼 모터는 폐쇄 회로 TV(CCTV), 3D 프린터, 컴퓨터 수치 제어(CNC), 섬유 제조 장비, 픽 앤 플레이스 기계를 비롯한 광범위한 정밀 모션 제어 애플리케이션에서 잘 작동합니다.

스테퍼 모터를 성공적으로 배치하려면 소음과 진동을 효과적으로 관리해야 합니다. 예를 들어 CCTV 애플리케이션에서 진동은 이미지 센서와 짐벌로 직접 전달됩니다. 움직임과 결합된 큰 줌은 이미지를 왜곡할 수 있습니다. 3D 프린팅에서 높은 토크 리플로 인한 모터 공진 또는 오버슈트는 원치 않는 많은 프린팅 아티팩트를 초래할 수 있습니다. 대부분의 경우 모터 진동을 줄이면 이미지 품질이 향상되거나 3D 프린팅이 더 정밀해집니다. 모터 진동을 줄이면 전체 작동도 더 조용해집니다.

이제 독점 알고리즘을 기반으로 하는 고급 기술을 사용하여 토크 리플과 전류 왜곡을 줄여 스테퍼 모터 설계에서 소음과 진동을 최소화할 수 있습니다. 이러한 모션 제어 솔루션에 대해 자세히 알아보기 전에 진동과 가청 소음의 원인을 이해하는 것이 좋습니다. 먼저 스테퍼 모터가 어떻게 작동하는지 자세히 살펴보겠습니다.

스테퍼 기초

바이폴라 스테퍼 ​​모터는 위상이라고 하는 두 그룹으로 배열된 다중 코일로 구성된 개별 극 위치가 있는 DC 모터입니다. 두 위상 사이의 전류 비율은 두 권선 사이에 로터가 위치하는 방식을 결정합니다. 이러한 방식으로 스테퍼 모터는 두 극 사이의 위치를 ​​마이크로스텝이라고 하는 더 작은 증분으로 나눌 수 있습니다.

각 스테퍼 모터 권선의 전류를 합하여 벡터의 크기가 토크인 벡터를 생성할 수 있습니다. 극 공간에서 두 위상 각각의 전류를 조사하여 벡터가 각 전기 주기를 통해 회전할 때 벡터를 시각화할 수 있습니다.

그림 1. 1/8 단계에서 바이폴라 스테퍼 ​​모터의 두 권선 각각의 위상 전류(왼쪽). 바이폴라 스테퍼의 두 권선 각각의 위상 전류는 1/8 단계이지만 극성 도메인으로 표시됩니다(오른쪽).

시간 기반 영역(그림 1 왼쪽)에서 토크는 두 곡선 아래 면적의 합으로 정의됩니다. 극 영역(그림 1 오른쪽)에서 벡터의 크기는 토크입니다. 이 이미지에서 필드가 각 전기 주기를 통해 이동할 때 토크가 일정하다는 것을 알 수 있습니다. 토크가 일정하지 않으면 시스템에서 진동과 가청 소음이 발생합니다.

모터가 공진 상태에서 작동하지 않는다고 가정하면 토크 리플은 스테퍼 모터에서 가청 소음 및 진동의 가장 큰 원인이 됩니다.

스테퍼 모터 제어(전류 제어)

펄스 폭 변조(PWM) 전류 제어는 스테퍼를 구동하는 가장 일반적인 방법입니다. 전류 제어를 구현함으로써 컨트롤러 PWM은 출력을 쵸핑하여 회전자 위치를 정의하는 비율을 유지하기 위해 각 권선의 전류를 제한합니다.

PWM 전류 제어의 특성은 적용된 듀티 사이클, 모터의 인덕턴스 및 모터를 가로지르는 전압에 따라 전류 리플이 발생합니다. 리플을 최소화하기 위해 컨트롤러는 다양한 감쇠 모드를 구현하여 권선에서 전류가 감소하는 방식을 관리할 수 있습니다.

구동 전류 증가로 시작하는 단일 PWM 사이클에 대한 일반적인 감쇠 모드를 검토해 보겠습니다.

그림 2A에 표시된 드라이브에 이어 감쇠 모드는 그림 2B 및 2C에 표시된 두 가지 동기 방법을 통해 PWM 오프 타임 동안 구현됩니다.

그림 2. 드라이브 및 감쇠 모드를 보여주는 풀 브리지의 현재 경로

빠른 감쇠는 최적의 전류 제어를 제공하지만 결과적으로 높은 리플이 발생합니다. 감쇠가 느리면 리플이 낮지만 감쇠 속도는 모터의 역기전력(BEMF)에 영향을 받으며 일부 경우에 전류 왜곡을 생성할 수 있습니다.

그림 3A는 100% 느린 감쇠를 사용할 때 어떤 일이 발생할 수 있는지 보여줍니다. 권선 전류가 떨어질 때 느린 감쇠는 전류를 충분히 빠르게 감소시킬 수 없어 하강 에지에서 왜곡을 일으킵니다. 그림 3B는 100% 빠른 감쇠를 사용한 효과를 보여줍니다. 리플 전류는 훨씬 더 크지만 컨트롤러는 전류의 정확한 제어를 유지합니다.

그림 3A. 부하의 전류가 감소할 때 느린 감쇠는 왜곡을 일으킬 수 있습니다.
그림 3B. 빠른 감쇠는 큰 리플 전류를 발생시켜 진동과 소음을 유발할 수 있습니다.

그림 1과 같은 효과를 피할 수 있고 타협에 도달하여 합리적인 리플 전류를 유지할 수도 있습니다. 전류가 부하에서 감소할 때 드라이버는 혼합 감쇄로 알려진 빠르고 느린 감쇄의 조합을 구현합니다. 오프 타임은 그림 4와 같이 빠른 감쇠 부분과 느린 감쇠 부분으로 나뉩니다. 부하의 전류가 증가할 때 느린 감쇠는 리플을 최소화합니다.

그림 4. 혼합 감쇠는 리플을 최소화하는 동시에 권선의 전류 제어를 유지합니다.

스테퍼 모터의 특성과 LR 시간 상수에 따라 상승 에지에서의 느린 감쇠는 전류 변화 속도가 너무 빨라 PWM 컨트롤러가 전류 감지 증폭기 블랭킹으로 인해 낮은 전류로 조절하기에 너무 빠른 낮은 전류에서 문제를 일으킬 수 있습니다. 이 시나리오는 그림 5와 같이 부하의 전류가 증가할 때 전류 왜곡을 초래할 수 있습니다.

그림 5. 상승 에지의 느린 감쇠는 특정 LR 특성을 가진 모터에서 왜곡을 유발할 수 있습니다.

모든 바이폴라 스테퍼 ​​모터에서 작동하는 쉬운 절충안을 달성하는 것은 어렵습니다. 가능한 가장 낮은 리플을 유지하면서 이러한 문제를 해결하려면 시스템이 다양한 모터 특성에 적응해야 합니다.

토크 리플 감소를 위한 새로운 접근 방식

Allegro는 스테퍼 모터 애플리케이션을 위해 토크 리플과 전류 왜곡을 줄이는 방법을 도입했습니다. QuietStep이라고 하는 이 혁신은 이제 Allegro의 최신 A5984 스테퍼 모터 드라이버의 옵션으로 제공됩니다.

QuietStep 기술은 복잡한 소프트웨어를 사용하지 않고도 모든 작동 조건에서 최상의 성능을 달성하기 위해 사이클별로 필요한 빠른 감쇠 비율을 동적으로 조정(위 또는 아래)하는 독점 알고리즘을 사용합니다.

알고리즘은 느린 감쇠를 먼저 구현한 다음 빠른 감쇠를 구현하여 혼합 감쇠에 대한 기존 접근 방식을 반대로 합니다. 그림 6A는 고정된 부분의 빠르고 느린 감쇠와 빠른 감쇠가 PWM 오프 타임 사이클을 시작하는 전통적인 혼합 감쇠를 보여줍니다. 그림 6B는 PWM 오프 타임 사이클이 시작될 때 QuietStep을 사용할 때 느린 감쇠가 시작되는 방법을 보여줍니다. QuietStep은 정확한 전류 레귤레이션을 유지하면서 전류 리플을 최소화하기 위해 빠른 감쇠와 느린 감쇠의 비율을 자동으로 조정합니다.

그림 6A. 빠른 감쇠와 느린 감쇠의 비율이 고정되어 있는 기존의 혼합 감쇠입니다.
그림 6B. QuietStep은 빠른 감쇠와 느린 감쇠의 비율을 동적으로 조정하여 전류 제어를 유지하고 전류 리플을 최소화할 수 있습니다.

빠른 감쇠는 전류 조정에 필요한 경우에만 도입되어 가능한 가장 낮은 리플 전류를 생성합니다. 그림 7은 전류가 감소하는 고정 혼합 감쇠와 전류가 증가함에 따라 느린 감쇠가 있는 전류 제어 손실로 인한 높은 리플 전류를 보여줍니다. QuietStep 기술은 혼합 감쇠에 비해 리플 전류를 절반으로 줄여 이러한 효과를 제거합니다. 전류가 증가하면 QuietStep은 전류 조절을 0암페어까지 유지합니다.

그림 7. 전류가 증가하는 기존의 느린 감쇠 및 감소하는 전류에 대한 혼합 감쇠는 전류가 증가하면 증가하고 전류가 감소하면 큰 리플이 손실됩니다. QuietStep은 전체 전기 주기에 걸쳐 낮은 리플 전류를 유지하면서 증가하는 전류로 우수한 전류 조절을 제공합니다.

시스템 수준의 전류 리플과 공진을 줄여 진동과 진동으로 인한 가청 소음을 최소화합니다. 그 결과 CCTV 시스템에서 더 나은 비디오 이미징이 제공되고 3D 프린터에서 우수한 인쇄 품질이 구현됩니다.

가청 소음과 진동을 줄이면 홈 오토메이션 도어록 및 밸브 제어에서 정밀 비전 시스템 및 3D 프린팅에 이르기까지 거의 모든 모터 제어 애플리케이션이 향상됩니다. Allegro의 QuietStep 기술은 시스템에서 소음과 진동의 원인을 파악하는 번거로움을 없애줍니다. IC에 완전히 통합된 QuietStep은 구현하기 쉽고 프로그래밍이나 외부 구성 요소가 필요하지 않으며 완전 자동입니다.

바이폴라 스테퍼 ​​모터 드라이버로 QuietStep 배포

Allegro A5984와 같은 이 고급 기술을 가능하게 하는 마이크로스테핑 모터 드라이버를 사용하면 전류 파형이 광범위한 스테퍼 모터 속도 및 특성에 대해 자동으로 최적화됩니다. QuietStep 기술이 탑재된 스테퍼 모터 드라이버 솔루션은 다양한 작동 조건에서 전류 리플을 최소화하기 위해 PWM 주기 동안 즉석에서 빠른 감쇠량을 조정합니다.

QuietStep 기능은 시스템 성능을 향상시켜 가청 모터 소음을 줄이고 진동을 낮추며 단계 정확도를 높입니다. 이 기술을 활용하여 A5984 드라이버는 최대 1/32 단계 모드에서 바이폴라 스테퍼 ​​모터를 작동하도록 설계되었으며 최대 40V 및 ±2A의 출력 드라이브 용량을 가능하게 합니다. 전반적으로 QuietStep 알고리즘은 시스템을 더 쉽게 설계, 구현 및 운영.

A5984 드라이버 및 QuietStep 기술에 대해 자세히 알아보려면 A5984 제품 페이지를 방문하십시오.

Allegro MicroSystems는 모션 제어 및 에너지 효율적인 시스템을 위한 전력 및 감지 솔루션의 글로벌 리더입니다. 자세한 내용은 Allegro MicroSystems 웹사이트를 참조하십시오.

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