전용 스테핑 모터 드라이버 카드와 PC 기반 시스템에 스테핑 모터를 연결하기 위한 디지털 제어 기술의 발명은 최근 스테핑 모터가 널리 받아들여지는 이유가 되었습니다. 스테핑 모터는 정밀한 속도 제어나 정밀한 위치 제어 또는 둘 다 필요한 자동화 시스템에 이상적인 선택입니다.
많은 산업용 전기 모터가 정밀한 위치 제어나 속도 제어를 위해 폐루프 피드백 제어와 함께 사용되는 반면, 스테핑 모터는 개루프 컨트롤러에서 작동할 수 있습니다. 이는 서보 시스템 제어에 비해 총 시스템 비용을 절감하고 기계 설계를 단순화합니다. 스테핑 모터와 그 유형에 대해 간략히 논의해 보겠습니다.
스테핑 모터는 여자 권선에 인가된 전기 펄스 열을 정확히 정의된 단계별 기계적 축 회전으로 변환하는 브러시리스 전자기계 장치입니다. 모터 축은 각 개별 펄스에 대해 고정된 각도로 회전합니다. 이 회전은 선형 또는 각도일 수 있으며, 단일 펄스 입력에 대해 한 단계 이동합니다.
펄스 열이 인가되면 일정한 각도만큼 회전합니다. 스테핑 모터 축이 각 펄스마다 회전하는 각도를 스텝 각도라고 하며, 일반적으로 도(degree)로 표현됩니다.
모터에 입력된 펄스 수가 스텝 각도를 결정하므로, 모터 축의 위치는 피드백 센서 없이 정확한 펄스 수를 제어함으로써 제어됩니다. 이 고유한 특징은 스테핑 모터가 개루프 제어 시스템에 매우 적합하게 만듭니다.
스텝 각도가 작을수록 회전당 단계 수가 많아지고 위치 정확도가 높아집니다. 스텝 각도는 최대 90도에서 최소 0.72도까지 가능하지만, 일반적으로 사용되는 스텝 각도는 1.8도, 2.5도, 7.5도, 15도입니다.
축 회전 방향은 고정자에 인가된 펄스 순서에 따라 달라집니다. 축 속도 또는 평균 모터 속도는 여자 권선에 인가되는 입력 펄스의 주파수(펄스 속도)에 정비례합니다. 따라서 주파수가 낮으면 스테핑 모터가 단계별로 회전하고, 높은 주파수에서는 관성으로 인해 DC 모터처럼 연속적으로 회전합니다.
모든 전기 모터와 마찬가지로 고정자와 회전자가 있습니다. 회전자는 권선, 브러시, 정류자가 없는 가동 부분입니다. 일반적으로 회전자는 가변 릴럭턴스 타입 또는 영구 자석 타입입니다. 고정자는 다극 다상 권선으로 구성되며, 일반적으로 원하는 펄스당 각도 변위에 따라 결정되는 극 수로 권선된 3상 또는 4상 권선입니다.
다른 모터와 달리 전자 드라이브를 통해 고정자 권선에 프로그래밍된 이산 제어 펄스가 인가되어 작동합니다. 회전은 순차적으로 여자된 고정자 권선의 극과 회전자 극 사이의 자기 상호작용으로 인해 발생합니다.
오늘날 시장에는 크기, 스텝 수, 구조, 배선, 기어링 및 기타 전기적 특성이 다양한 여러 유형의 스테핑 모터가 있습니다. 이 모터들은 이산적으로 작동할 수 있어 컴퓨터 같은 디지털 제어 장치와 인터페이스하기에 매우 적합합니다.
속도, 회전, 방향, 각도 위치를 정밀하게 제어할 수 있어 산업 공정 제어 시스템, CNC 기계, 로봇, 제조 자동화 시스템, 계측기에 특히 유용합니다.
기본적인 스테핑 모터의 세 가지 범주는 다음과 같습니다.
이 모든 모터에서 여자 권선은 고정자에 사용되며, 권선 수는 상 수를 나타냅니다.
코일 권선에 DC 전압이 여자용으로 인가되고, 각 권선 단자는 고체 상태 스위치를 통해 전원에 연결됩니다. 스테핑 모터 유형에 따라 로터 설계가 살극이 있는 연강 로터, 원통형 영구 자석 로터, 연강 치아가 있는 영구 자석 등으로 구성됩니다. 각 유형을 자세히 논의해 보겠습니다.
오랫동안 존재해 온 기본 유형의 스테핑 모터로, 구조적 관점에서 작동 원리를 가장 쉽게 이해할 수 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 회전자의 각도 위치는 고정자 극(치아)과 회전자 치아 사이에 형성된 자기 회로의 릴럭턴스에 따라 달라집니다.
권선된 고정자와 연질 철 다중 치아 회전자로 구성됩니다. 고정자에는 실리콘 강판 적층이 쌓여 있고 여기에 고정자 권선이 감겨 있습니다. 일반적으로 3상으로 권선되며 극 쌍 사이에 분포됩니다.
이렇게 형성된 고정자 극의 수는 권선이 감긴 상 수의 짝수 배와 같습니다. 아래 그림에서 고정자에는 12개의 등간격 돌출 극이 있고 각 극에는 여자 코일이 감겨 있습니다. 이 3상은 고체 상태 스위치를 통해 DC 전원에서 여자됩니다.
회전자는 권선이 없고 고정자 치아와 같은 폭의 돌출 치아를 가진 살극 타입으로, 완전히 슬롯된 강판 적층으로 만들어집니다. 고정자 극의 수는 회전자 극의 수와 달라서 모터의 자기 기동과 양방향 회전 능력을 제공합니다.
3상 스테핑 모터에서 회전자 극과 고정자 극의 관계는 Nr = Ns ± (Ns / q)로 주어집니다. 여기서 Ns = 12, q = 3이므로 Nr = 12 ± (12 / 3) = 16 또는 8입니다. 여자 없는 8극 구조 회전자는 아래에 나와 있습니다.
스테핑 모터는 최소 릴럭턴스 경로가 존재하는 자기 회로에서 여자 극의 치아와 정렬되는 특정 위치에 회전자가 정렬된다는 원리로 작동합니다. 모터에 전원이 인가되고 특정 권선이 여자되면 자기장이 생성되어 자체 자기 극을 형성합니다.
회전자 자석 극의 잔류 자성으로 인해 회전자는 최소 릴럭턴스 위치를 달성하기 위해 이동하며, 이로써 회전자 극 한 세트가 여자된 고정자 극 세트와 정렬됩니다. 이 위치에서 고정자 자기장의 축은 회전자 임의의 두 자기 극을 지나는 축과 일치합니다.
회전자가 고정자 극과 정렬되면 시계 방향 또는 반시계 방향 어느 방향으로도 다음 위치로 이동하지 못하게 하는 충분한 자기력을 가집니다.
아래 그림과 같이 3상, 6 고정자 극, 4 회전자 치아의 회로도를 고려해 보겠습니다. 스위치-1을 닫아 A-A' 상에 DC 전원을 공급하면 권선이 자석이 되어 한 치아는 N극, 다른 치아는 S극이 됩니다. 따라서 고정자 자기축은 이 극들을 따라 위치합니다.
인력에 의해 고정자 코일 N극은 가장 가까운 반대 극성인 회전자 S극 치아를, S극은 가장 가까운 N극 치아를 끌어당깁니다. 회전자는 회전자 자기축이 고정자 자기축과 정확히 일치하는 최소 릴럭턴스 위치로 조정됩니다.
스위치-2를 닫아 B-B' 상을 여자하고 스위치-1을 열어 A-A' 상을 비여자 상태로 유지하면, B-B' 권선이 자속을 생성하여 고정자 자기축이 이로 인해 형성된 극을 따라 이동합니다. 따라서 회전자는 자화된 고정자 치아와 최소 릴럭턴스 상태로 정렬되어 시계 방향으로 30도 회전합니다.
스위치-2를 열고 스위치-3을 여자하면 C-C' 상이 여자되어 회전자가 추가로 30도 이동하며 새로운 위치에 정렬됩니다. 이런 방식으로 고정자 권선을 특정 순서로 순차적으로 여자함으로써 회전자는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 이동합니다. 이 3상 4극 회전자 치아 스테핑 모터의 스텝 각도는 360/(4 × 3) = 30도입니다(스텝 각도 = 360 / Nr × q).
고정자와 회전자의 극 수를 늘리면 스텝 각도를 더 줄일 수 있으며, 이 경우 모터는 종종 추가 상 권선으로 감깁니다. 이는 다중 스택 배열과 감속 기어 메커니즘 같은 스테핑 모터의 다른 구조를 채택함으로써도 달성할 수 있습니다.
영구 자석 설계 모터는 여러 유형의 스테핑 모터 중 아마도 가장 흔합니다. 이름에서 알 수 있듯이 모터 구조에 영구 자석을 추가합니다. 이 유형의 스테핑 모터는 캔 스택 모터 또는 틴캔 모터라고도 불립니다. 이 모터의 주요 장점은 낮은 제조 비용입니다. 이 모터 유형은 회전당 48~24 스텝을 가집니다.
이 모터에서 고정자는 다극이며, 위에서 논의한 가변 릴럭턴스 스테핑 모터와 구조가 유사합니다. 고정자 코일이 감겨 있는 슬롯형 주변부를 가지고 있습니다. 슬롯 구조에 돌출 극이 있으며, 권선된 와인딩은 2상, 3상 또는 4상일 수 있습니다.
이 모든 와인딩의 끝 단자는 드라이브 회로의 고체 상태 스위치를 통해 DC 여자 회로에 연결됩니다.
회전자는 페라이트 같은 영구 자석 재료로 만들어지며 원통형 또는 살극 형태일 수 있지만 일반적으로 매끄러운 원통형입니다. 회전자는 번갈아 N극과 S극을 가진 짝수 개의 영구 자석 극을 가지도록 설계됩니다.
이 모터의 작동은 극성이 다른 극끼리 끌어당기고 같은 극끼리 밀어낸다는 원리에 기반합니다. 고정자 권선이 DC 전원으로 여자되면 자속이 생성되어 N극과 S극이 형성됩니다. 영구 자석 회전자 극과 고정자 극 사이의 인력과 반발력으로 인해 회전자는 고정자에 펄스가 주어진 위치까지 이동합니다.
아래 그림과 같이 2상, 2개의 영구 자석 회전자 극을 가진 스테핑 모터를 고려해 보겠습니다.
A 상이 A'에 대해 양으로 여자되면 와인딩이 N극과 S극을 형성합니다. 인력에 의해 회전자 극은 고정자 극과 정렬되어 회전자의 자기 극 축이 고정자의 것과 일치하도록 조정됩니다.
여자가 B 상으로 전환되고 A 상이 꺼지면 회전자는 B 상의 자기축에 맞춰 추가로 조정되어 시계 방향으로 90도 회전합니다.
다음으로 A 상이 A'에 대해 음전류로 여자되면 고정자 극 형성이 회전자를 시계 방향으로 또 90도 이동시킵니다.
같은 방식으로 B 상이 A 상 스위치를 닫고 음전류로 여자되면 회전자는 같은 방향으로 또 90도 회전합니다. 다음으로 A 상이 양전류로 여자되면 회전자는 원래 위치로 돌아와 360도 완전 회전을 이룹니다. 이는 고정자가 여자될 때마다 회전자가 시계 방향으로 90도 회전하려는 경향이 있음을 의미합니다.
이 2상 2극 영구 자석 회전자 모터의 스텝 각도는 360/(2 × 2) = 90도입니다. 두 상을 동시에 여자하거나 적절한 극성을 가진 1상 온/2상 온 모드 시퀀스로 스텝 크기를 줄일 수 있습니다.
가장 인기 있는 유형의 스테핑 모터로, 스텝 해상도, 홀딩 토크, 속도 측면에서 영구 자석 로터보다 더 나은 성능을 제공합니다. 하지만 이 모터는 PM 스테핑 모터보다 비쌉니다. 가변 릴럭턴스와 영구 자석 스테핑 모터의 최고의 특징을 결합합니다. 1.5도, 1.8도, 2.5도 같이 매우 작은 스텝 각도가 필요한 응용 분야에 사용됩니다.
이 모터의 고정자는 영구 자석 또는 릴럭턴스 타입과 동일합니다. 고정자 코일은 번갈아 가며 극에 감겨 있습니다. 여기서는 서로 다른 상의 코일이 각 극에 감겨 있으며, 일반적으로 극당 두 개의 코일이 있는데 이를 바이필라(bifilar) 연결이라고 합니다.
회전자는 축 방향으로 자화되어 한 쌍의 자기 극(N극과 S극)을 생성하는 영구 자석으로 구성됩니다. 각 극은 균일하게 간격을 둔 치아로 덮여 있습니다. 치아는 연강으로 만들어지며, 각 극의 두 섹션은 반 치아 피치만큼 서로 어긋나 있습니다.
이 모터는 영구 자석 스테핑 모터와 유사하게 작동합니다. 위 그림은 2상, 4극, 6치아 회전자 하이브리드 스테핑 모터를 보여줍니다. A-A' 상이 DC 전원으로 여자되고 B-B'는 비여자 상태일 때, 회전자는 회전자의 S극이 고정자의 N극을 향하고 회전자의 N극이 고정자의 S극을 향하도록 정렬됩니다.
이제 A-A'를 끄고 B-B'를 여자하여 위쪽 극이 N극, 아래쪽 극이 S극이 되도록 하면 회전자는 반시계 방향으로 이동하여 새로운 위치에 정렬됩니다. B-B'가 반대 극성으로 여자되어 위쪽이 S극, 아래쪽이 N극이 되면 회전자는 시계 방향으로 회전합니다.
고정자에 적절한 펄스 시퀀스를 주면 모터는 원하는 방향으로 회전합니다. 매 여자마다 회전자는 새로운 위치에 잠기며, 여자 전원이 제거되어도 영구 자석 여자로 인해 잠금 상태를 유지합니다. 이 2상, 4극, 6치아 회전자 모터의 스텝 각도는 360/(2 × 6) = 30도입니다. 실제로는 더 높은 각도 해상도를 얻기 위해 더 많은 회전자 극으로 하이브리드 모터를 제작합니다.
위에서 논의한 모터들은 코일 권선 배열에 따라 유니폴라 또는 바이폴라가 될 수 있습니다. 유니폴라 모터는 상당 두 개의 권선을 사용하며, 이 권선을 통한 전류 흐름 방향이 모터 회전을 변경합니다. 이 구성에서 한 코일로는 한 방향으로, 다른 코일로는 반대 방향으로 전류가 흐릅니다.
아래 그림은 2상 유니폴라 스테핑 모터를 보여주며, A와 C 코일은 한 상, B와 D 코일은 다른 상입니다. 각 상에서 각 코일은 다른 코일과 반대 방향으로 전류를 흐릅니다. 각 상에서 특정 회전 방향을 얻기 위해 한 번에 하나의 코일만 전류를 흐릅니다. 따라서 각 코일의 단자를 전환함으로써 회전 방향을 제어합니다.
바이폴라 스테핑 모터의 경우, 유니폴라의 경우 상당 두 개였던 것과 달리 각 상은 단일 권선으로 구성됩니다. 여기서는 권선을 통한 전류 반전으로 회전 방향을 제어합니다. 따라서 전류 반전을 위한 복잡한 드라이브 회로가 필요합니다.
일반적인 스테핑 동작은 전류 펄스에 응답하여 모터가 평형 위치 시퀀스를 통해 스텝하게 만듭니다. 고정자 권선이 여자되는 순서를 변경함으로써 스테핑 동작을 다양한 방식으로 변화시킬 수 있습니다. 다음은 스테핑 모터의 가장 일반적인 작동 또는 구동 모드입니다.
웨이브 스텝 모드는 다른 모든 모드 중 가장 간단하며, 한 번에 하나의 권선만 여자됩니다. 각 상의 코일은 번갈아 가며 전원에 연결됩니다. 아래 표는 4상 스테핑 모터에서 코일이 여자되는 순서를 보여줍니다.
이 모드에서 모터는 다른 모든 모드에 비해 최대 스텝 각도를 제공합니다. 가장 간단하고 가장 일반적으로 사용되는 스테핑 모드이나, 주어진 시간에 전체 권선의 일부만 사용하므로 토크가 적습니다.
이 구동 모드에서는 두 고정자 상이 동시에 여자됩니다. 두 상이 함께 여자되면 회전자는 두 상으로부터 토크를 경험하고 두 인접한 웨이브 스텝 위치 또는 1상 여자 사이의 중간 위치인 평형 위치에 도달합니다. 따라서 이 스텝은 웨이브 스텝보다 더 나은 홀딩 토크를 제공합니다. 아래 표는 4상 스테핑 모터의 풀 스텝 드라이브를 보여줍니다.
웨이브 스텝과 풀 스텝 모드의 조합입니다. 이 모드에서는 단일 상 여자와 이중 상 여자가 번갈아 수행됩니다(1상 온, 2상 온 등). 이 모드의 스텝 각도는 풀 스텝 각도의 절반이 됩니다. 이 드라이브 모드는 다른 모든 모드에 비해 가장 높은 토크와 안정성을 가집니다. 4상 모터의 하프 스테핑을 위한 상 펄스 시퀀스 표는 아래와 같습니다.
이 모드에서는 각 모터 스텝이 수백 개의 고정 위치를 포함하는 여러 개의 작은 스텝으로 세분화되어 더 높은 위치 결정 해상도를 얻습니다. 여기서는 권선을 통한 전류가 지속적으로 변화하여 매우 작은 스텝을 얻습니다. 두 상이 동시에 여자되지만 각 상의 전류는 다릅니다.
예를 들어, 1상 전류는 일정하게 유지하면서 2상 전류를 최대값(음 또는 양)까지 단계적으로 증가시킵니다. 그런 다음 1상 전류를 단계적으로 감소시키거나 증가시켜 0으로 만듭니다. 이렇게 모터는 작은 스텝 크기를 생성합니다.
위에서 논의한 모든 스테핑 모터 유형으로 이러한 모든 스테핑 모드를 얻을 수 있습니다. 그러나 모터 유형과 유니폴라 또는 바이폴라 여부에 따라 각 스텝 동안 각 권선의 전류 방향이 달라질 수 있습니다.
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파워 해머(Power Hammers)란? 파워 해머는 전기 동력원 또는 증기 사용해 해머 들어올려(타격 준비) 가속하여 피단조물 타격하는 기계식 단조 해머. 오픈 다이 파워 단조 해머(Open Die Power Forging Hammers)라고도 함. 1880년대 후반부터 트립 해머 대체하며 대장장이, 블레이드스미스, 금속공예가, 제조업체 사용. 설계와 작동 일반 파워 해머: 프레임, 앤빌(Anvil), 해머 헤드 또는 다이 보유 왕복 램(Ram) 구성. 공작물 하부 앤빌/다이 위 배치, 헤드/상부 다이가 공작물 타격. 파워 해머는
선삭(Turning)이란? 선삭은 회전하는 공작물에 대해 (주로 비회전) 절삭 공구가 직선적으로 이동하며 나선형 공구 경로를 그리는 가공 공정입니다. 일반적으로 선삭은 이 절삭 작용으로 외부 면을 생성하는 경우를 말하며, 같은 절삭 작용을 내부 면에 적용하면 보링(boring)이라 부릅니다. 따라서 선삭과 보링은 선반 가공(lathing)이라 불리는 큰 공정군을 이룹니다. 공작물 단면 절삭(선삭/보링 공구 모두)은 페이싱(facing)이라 하며, 어느 범주에든 포함될 수 있습니다. 선삭은 수동(기존 선반, 작업자 지속 감독 필요)
